DE4321393C2 - Wandstruktur, insbesondere für ein Staustrahltriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wandstruktur, insbesondere für ein Staustrahltriebwerk, und ein Verfahren zur Herstellung derselben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 5.

Bekannte, regenerativ gekühlte Wandstrukturen hoher thermischer und mechanischer Festigkeit, wie sie etwa nach der DE 40 15 204 C1 als Brennkammer- oder Schubdüsenwand eines Staustrahltriebwerks Ver­ wendung finden, bestehen aus einem von Kühlmittelkanälen durchsetzten Innenmantel und einem massiven, äußeren Druckmantel, die getrennt von­ einander hergestellt und durch eine zwischen diese eingefüllte Gießmasse miteinander verbunden werden. Problematisch bei derartigen Wandstruk­ turen ist zum einen der hohe Gewichtsanteil für den tragenden Druck­ mantel und die eingefüllte Gießmasse und zum anderen eine unzureichende mechanische Festigkeit an den kritischen Kontaktflächen zwischen Druck­ mantel/Gießmasse und Gießmasse/Innenmantel, sei es wegen der infolge der Materialunterschiede begrenzten Haftfestigkeit an den Kontaktflächen und/oder weil vor allem bei ausgedehnteren Strukturen unausgefüllte Hohl­ räume zwischen Druckmantel und Innenmantel und somit örtliche Fehler­ stellen ohne ausreichendem thermischen und mechanischen Flächenkontakt verbleiben können.

Ferner ist es aus der DE 37 03 206 C2 bekannt, metallische Brennkammer­ wände von Feststoffraketen unter Einsatz der thermischen Spritztechnik mit einer porösen, keramischen Wärmedämmschicht zu versehen, um so die Steuerelektronik vor der Wärmeeinwirkung der Brennkammer zu schützen. Eine Brennkammerwand mit einer thermisch aufgetragenen Wärmedämmschicht zum Schutz temperaturempfindlicher Steuerkompo­ nenten ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Bei den bekannten Wandstrukturen der eingangs genannten Art hingegen ist der tragende Außenmantel aus Gewichtsgründen in Sandwichbauweise aus einem hochfesten, metallischen oder keramischen Material gefertigt und auf der Innenseite mit einem aus stoffschlüssig miteinander verbunde­ nen Kühlmittelrohren bestehenden Rohrbündel belegt. Dabei wird im Hin­ blick auf eine fehlerstellenfreie, thermische und mechanische Verkoppelung eine hohe Paßgenauigkeit zwischen dem Rohrbündel und der tragenden Sandwichstruktur gefordert und aus Leichtbaugründen müssen die Deck­ schichten der Sandwichstruktur häufig eine sich entsprechend den örtlichen Belastungen ändernde Wanddicke besitzen, mit der Folge, daß solche Wandstrukturen, insbesondere wenn sie eine beliebig gekrümmte, nicht­ abwickelbare Oberflächenkontur aufweisen, wie dies etwa bei modernen Strahltriebwerken mit Brennkammer- und/oder Schubdüsen-Übergängen von einer runden zu einer rechteckigen Querschnittskonfiguration der Fall ist, einen fertigungsmäßig zumeist nicht mehr vertretbaren Bauaufwand für die Herstellung der Sandwichstruktur und für eine ausreichend lastfeste Verkoppelung der Kühlmittelrohre untereinander und mit der angren­ zenden Sandwich-Deckschicht benötigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wandstruktur und ein Herstel­ lungsverfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich mit deutlich verringertem Fertigungsaufwand für praktisch jede be­ liebige Querschnittsgeometrie eine tragende, aus einem warmfesten Material bestehende Sandwichstruktur mit hoher Formgenauigkeit und eine sichere, stoffschlüssige Verkoppelung mit einem Kühlmittelrohr­ bündel herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Wandstruktur bzw. das im Patentanspruch 5 gekenn­ zeichnete Herstellungsverfahren gelöst.

Erfindungsgemäß wird aufgrund des besonderen Aufbaues der tragenden, metallischen und/oder keramischen Sandwichstruktur sichergestellt, daß diese von sich aus und ohne aufwendige Formänderung an ihrer rohrbündelseitigen Deckschicht. Über eine hohe Paßgenauigkeit unab­ hängig von der jeweiligen Flächengeometrie verfügt und zugleich mit der Herstellung der Sandwichstruktur auch die stoffschlüssigen Ver­ bindungen zu und zwischen den Kühlmittelrohren als homogener Be­ standteil der inneren Sandwichschicht entstehen. Hierdurch wird der Fertigungs- und Bauaufwand für eine fehlerstellenfreie, hochfeste Verkoppelung an der kritischen Grenzfläche zwischen tragender Sand­ wichstruktur und Kühlmittel-Rohrbündel deutlich reduziert. Unter dem Gesichtspunkt einer kostengünstigen und formgenauen Herstellung der Sandwichstruktur besitzt das erfindungsgemäße Verfahren nach An­ spruch 5 den zusätzlichen Vorteil, daß auch zumindest eine der deck­ schichtseitigen Verbindungen des Innenkerns auf fertigungsmäßig sehr einfache, hochfeste Weise als homogener Bestandteil der metallischen und/oder keramischen Sandwich-Deckschicht ausgebildet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet. So wird durch die materialgleiche Aus­ bildung von Kühlmittelrohren und innerer Sandwichschicht nach An­ spruch 2 und/oder von Innenkern und Sandwichschichten nach Anspruch 3, etwa aus einem unter dem Handelsnamen Inconel bekannten, hoch­ warmfesten Stahl, die thermische und mechanische Festigkeit der Wandstruktur vor allem im Bereich der stoffschlüssigen Verbindungen weiter verbessert. Wegen der fertigungstechnisch einfachen, hochfe­ sten und gewichtsmäßig leichten Gestaltung ist die erfindungsgemäße Wandstruktur in besonders bevorzugter Weise nach Anspruch 4 als zweidimensional gekrümmte, nicht-abwickelbare Brennkammerwand eines Strahltriebwerks ausgebildet.

Die im Wege der thermischen Spritztechnik aufgetragenen Deckschich­ ten sind auf der Außen- oder aber auch auf der Innenfläche paßgenau der zum Aufspritzen des Deckschichtmaterials benötigten Formfläche nachgebildet. Dabei wird gemäß Anspruch 6 zumindest eine der Deck­ schichten vorzugsweise auf der Außenseite an die Formfläche ange­ formt und anschließend auf der Rückseite lastübertragend mit dem In­ nenkern verkoppelt, wobei die Formfläche, falls sie durch das Rohr­ bündel gebildet wird, dauerhaft stoffschlüssig mit der Deckschicht verbunden bleibt oder, falls die Deckschicht eine freie Oberfläche aufweisen soll, wie gemäß Anspruch 10 bevorzugt, von der Deckschicht - etwa unter Zwischenlage einer Trennschicht - entformbar ausgebil­ det wird. Zur Verkoppelung der auf der Außenfläche paßgenau ausge­ bildeten Deckschicht mit dem Innenkern wird gemäß Anspruch 7 in be­ sonders bevorzugter Weise als Innenkern ein Wabenkern verwendet, der mit der Deckschicht-Rückseite ebenfalls im Wege der thermischen Spritztechnik, und zwar durch Aufspritzen von Deckschichtmaterial durch die Wabenkernzellen hindurch, stoffschlüssig verbunden wird, so daß auch diese stoffschlüssige Verbindung einen homogenen, ma­ terialgleichen Bestandteil der Deckschicht bildet und dadurch die Lastfestigkeit der Sandwichstruktur weiter verbessert wird.

Im Hinblick auf eine einfache, formgenaue Herstellung und hohe Last­ festigkeit wird gemäß den Ansprüchen 8 und 9 vorzugsweise auch die äußere Deckschicht einschließlich ihrer stoffschlüssigen Verbindung zum Innenkern im Wege der thermischen Spritztechnik gefertigt. Ist der Innenkern ein Wabenkern, so wird dieser gemäß Anspruch 8 nach dem Verbinden mit der inneren Deckschicht mit einem Füllmaterial ausgefüllt und anschließend die äußere Deckschicht auf die freie Wa­ benkernfläche aufgespritzt, woraufhin das Füllmaterial, etwa durch eine Ätzflüssigkeit, aus dem Wabenkern ausgewaschen wird. Ist der Innenkern hingegen gemäß Anspruch 9 ein poröser Schaumkern, so er­ gibt sich insofern eine fertigungsmäßige Vereinfachung, als auf das Ausfüllen des Innenkerns mit einem nachträglich auswaschbaren Füll­ material verzichtet werden kann und statt dessen die äußere Deck­ schicht unmittelbar auf die freie Schaumkernoberfläche aufgespritzt wird, wobei in diesem Fall die innere Deckschicht auf der Rückseite unter Zwischenlage eines Schmelzbelags, etwa einer Hartlotfolie, unter Wärmeeinwirkung stoffschlüssig mit dem Schaumkern verbunden wird.

Ein weiterer, fertigungstechnisch wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht gemäß Anspruch 11 darin, daß die Deckschichten problemlos mit einer entsprechend den örtlichen Belastungen ungleichförmigen Wanddicke und/oder der Innenkern nach Anspruch 12 mit einer den ört­ lichen Belastungen entsprechend ungleichförmigen Bauhöhe ausgebildet werden können, wodurch die spezifische Festigkeit der Sandwichstruk­ tur, bezogen auf das Eigengewicht, in vielen Anwendungsfällen deut­ lich gesteigert werden kann.

Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer aktiv ge­ kühlten Wandstruktur in Form einer Brennkammer­ wand eines Strahltriebwerks;

Fig. 2A-D einen Teilbereich der Brennkammerwand gemäß Fig. 1 in verschiedenen Fertigungsstufen; und

Fig. 3 eine geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Wandstruktur zusammen mit dem zugehörigen Formwerkzeug.

Die in Fig. 1 gezeigte, regenerativ gekühlte Brennkammerwand 2, die von einem runden zu einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt übergeht, besteht aus einem inneren Kühlmantel in Form eines aus ne­ beneinander liegenden, im Querschnitt viereckigen Kühlmittel-Roh­ ren 4 zusammengesetzten Rohrbündels 6 sowie einer das Rohrbündel 6 umschließenden, tragenden Außenwand 8, die als Sandwichstruktur mit einer inneren Deckschicht 10, einer äußeren Deckschicht 12 und einem dazwischenliegenden, spezifisch leichten Innenkern 14 ausgebildet ist. Die gesamte Brennkammerwand 2 ist einschließlich der stoff­ schlüssigen Verbindungen der Kühlmittelrohre 4 untereinander und mit der inneren Deckschicht 10 sowie der Deckschichten 10 und 12 mit dem Innenkern 14 durchgehend aus einem hochwarmfesten Material, etwa ei­ ner unter dem Handelsnamen Inconel bekannten Nickel-Chromlegierung, hergestellt.

Zu diesem Zweck wird zunächst das Rohrbündel 6 mit einer dem inneren Kühlmantel entsprechenden, nicht abwickelbaren Flächengeometrie aus den entsprechend vorgebogenen und gegenseitig fixierten, im übrigen aber noch nicht fest miteinander verbundenen Kühlmittelrohren 6 zu­ sammengebaut (Fig. 2A). Daraufhin wird im Wege der thermischen Spritztechnik, etwa der Vakuum-Plasma-Spritztechnik, auf das Rohr­ bündel 6 eine die innere Deckschicht 10 in der gewünschten Wandstär­ ke bildende Materialschicht aus dem gleichen Material wie die Kühl­ mittelrohre 4 aufgespritzt (Fig. 2B), wobei als homogener Bestand­ teil der inneren Deckschicht 10 qualitativ hochwertige, stoffschlüs­ sige Verbindungen zwischen benachbarten Kühlmittelrohren 4 und zwischen dem Rohrbündel 6 und der Deckschicht 10 entstehen.

In einem weiteren Herstellungsschritt (Fig. 2C) wird ein Wabenkern 14 auf die Deckschicht 10 aufgelegt, der wiederum aus dem gleichen Material wie das Rohrbündel 5 und die Deckschicht 10 besteht und mit dieser ebenfalls im Wege der thermischen Spritztechnik homogen stoffschlüssig in der Weise verbunden wird, daß weiteres Deck­ schichtmaterial von der freien Wabenkern-Außenfläche aus durch die offenen Wabenzellen hindurch auf die Deckschicht 10 aufgespritzt wird.

Anschließend wird der Wabenkern 14, dessen Wabenzellen untereinander über Belüftungsbohrungen 16 in Verbindung stehen, mit einem z. B. ke­ ramischen Füllmaterial ausgefüllt und gegebenenfalls an seiner frei­ en Außenfläche nachbearbeitet.

Aus dem gleichen Material und in gleicher Weise wie die innere Deck­ schicht 10 auf das Rohrbündel 6 wird nunmehr die äußere Deckschicht 12 im Wege der thermischen Spritztechnik auf die freie Wabenkern-Außen­ fläche aufgespritzt, so daß sich wiederum eine hochfeste, homo­ gene Bindung zu den Zellwänden des Wabenkerns 14 ergibt (Fig. 2 D), woraufhin das Füllmaterial, etwa mit Hilfe einer Ätzflüssigkeit, über die Verbindungsbohrungen 16 ausgewaschen wird und die Brennkam­ merwand 2 fertiggestellt ist und gegebenenfalls einer Wärmebehand­ lung unterzogen werden kann.

Anstelle eines Waben- läßt sich als Innenkern 14 auch ein metalli­ scher (oder keramischer), geschlossenporiger Schaumkern verwenden, wobei in diesem Fall auf das Einfüllen und Auswaschen eines Füllma­ terials verzichtet und der Schaumkern mit der inneren Deckschicht 10 durch Zwischenlage einer Hartlotfolie unter Wärmeeinwirkung stoff­ schlüssig verbunden wird.

Fig. 3, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Be­ standteile durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, ver­ anschaulicht zum einen, daß die Deckschichten 10, 12 im Wege der thermischen Spritztechnik anstatt mit einer konstanten, problemlos auch mit einer sich entsprechend den örtlichen Belastungen ändernden Wanddicke herstellbar sind und ebenfalls die Bauhöhe des Innenkerns 14 nach Maßgabe der örtlichen Belastungen unterschiedlich gestaltet werden kann. Ferner ist die Wandstruktur 2 gemäß Fig. 3 als reine Sandwichstruktur ausgebildet, wobei die innere Deckschicht 10 auf eine haftungsgeschützte Formfläche 18 eines Formwerkzeugs 20 aufge­ spritzt wird, so daß sie nach Fertigstellung der Sandwichstruktur 2 leicht von der Formfläche 18 gelöst werden kann. Auf diese Weise lassen sich beliebig komplex geformte Sandwichstrukturen aus einem hochfesten Material auffertigungstechnisch sehr einfache Weise und zumindest an einer Außenfläche mit einer hohen Oberflächengenauig­ keit herstellen. Im übrigen ist die Bau- und Herstellungsweise der Sandwichstruktur nach Fig. 3 die gleiche wie bei dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel.

Claims (12)

1. Aktiv gekühlte Wandstruktur, insbesondere für ein Staustrahl­ triebwerk, mit einem aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Kühlmittelrohren bestehenden Rohrbündel und einer tragenden Außenwand in Sachwichbauweise, bestehend aus einer formgleich an das Rohrbündel angrenzenden und mit diesem stoffschlüssig verbundenen, inneren und einer äußeren Deckschicht sowie einem zwischen den Deckschichten lastübertragend angeordneten, spezi­ fisch leichten Innenkern, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandwichstruktur (B) zumindest im Bereich der inneren Deck­ schicht (10) gemeinsam mit den stoffschlüssigen Verbindungen der Kühlmittelrohre (4) untereinander und mit der inneren Deck­ schicht (10) als im Wege der thermischen Spritztechnik auf das Rohrbündel (6) aufgespritzte Metall- und/oder Keramikschicht ausgebildet ist.

2. Wandstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelrohre (4) und die innere Deckschicht (10) aus dem gleichen Material bestehen.

3 Wandstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkern (14) aus dem gleichen Material wie die Deck­ schichten (10, 12) besteht.

4. Wandstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ausbildung als zweidimensional gekrümmte, nicht abwickelbare Strahltriebwerk-Brennkammerwand mit auf der Heißgasseite der Brennkammerwand gelegenen Kühlmittelrohren (4).

5. Verfahren zum Herstellen einer Wandstruktur in Sandwichbauweise mit beliebig gekrümmter Oberfläche, insbesondere einer aktiv ge­ kühlten Wandstruktur nach Anspruch 1, mit einer äußeren und einer inneren Deckschicht und einem zwischen den Deckschichten last­ übertragend angeordneten, spezifisch leichten Innenkern, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Deckschichten (10, 12) aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff mit einer der Wandstruktur (2) ent­ sprechend gekrümmten Oberfläche im Wege der thermischen Spritz­ technik hergestellt und stoffschlüssig mit dem Innenkern (14) ver­ bunden wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Deckschicht (10) auf eine der Deckschicht-Außenfläche entsprechende Formfläche (18, Rohrbündel 6) aufgespritzt und anschließend auf der Rückseite mit dem Innenkern (14) stoff­ schlüssig verbunden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Innenkern (14) ein Wabenkern vorgesehen und dieser mit der Rückseite der Deckschicht (10) im Wege der thermischen Spritz­ technik durch die Wabenkernzellen hindurch stoffschlüssig ver­ bunden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkern nach dem Verbinden mit der Deckschicht (10) mit einem Füllmaterial ausgefüllt die andere Deckschicht (12) im Wege der thermischen Spritztechnik auf die freie Wabenkernflä­ che aufgespritzt und anschließend das Füllmaterial aus dem Wa­ benkern entfernt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Innenkern (14) ein Schaumkern vorgesehen wird, der mit der Rückseite der einen Deckschicht (10) mittels eines Schmelzbe­ lags (Hartlotfolie) unter Wärmeeinwirkung stoffschlüssig ver­ bunden wird und anschließend die andere Deckschicht im Wege der thermischen Spritztechnik auf die freie Schaumkernoberfläche aufgespritzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß die eine Deckschicht (10) nachträglich von der Formfläche (18) getrennt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Deckschichten (10, 12) mit einer entspre­ chend den örtlichen Belastungen ungleichförmigen Wanddicke auf­ gespritzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkern (14) mit einer nach Maßgabe der örtlichen Bela­ stungen ungleichförmigen Bauhöhe ausgebildet wird.