DE60210578T2

DE60210578T2 - Abgabedüse und verfahren zur herstellung einer abgabedüse

Info

Publication number: DE60210578T2
Application number: DE60210578T
Authority: DE
Inventors: Jan HÄGGANDER
Original assignee: Volvo Aero AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: US20040103640A1; JP4019215B2; ATE323224T1; RU2003123787A; ES2261667T3; JP2004518057A; WO2002055860A1; DE60210578D1; EP1352166A1; RU2278294C2; EP1352166B1

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich von Ausströmdüsen zum Einsatz bei Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken nach dem Oberbegriff des später folgenden Anspruchs 1, wobei eine solche Düse in dem Dokument US-A-S 221 045 offenbart ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Düsen. Die Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in Zusammenhang mit gekühlten Ausströmdüsen für Raketentriebwerke vorgesehen, die von einem Flüssigtreibstoff angetrieben werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Während des Betriebs ist eine Raketendüse sehr hohen Beanspruchungen ausgesetzt, beispielsweise in Form einer sehr hohen Temperatur an ihrer Innenseite (in der Größenordnung von 800°K) und einer sehr niedrigen Temperatur an ihrer Außenseite (in der Größenordnung von 50°K). Als Folge dieser hohen thermischen Belastung unterliegt die Wahl des Materials, der Konstruktion und der Herstellung der Ausströmdüse strengen Anforderungen. Wenigstens besteht ein Bedürfnis für eine effektive Kühlung der Ausströmdüse.
Das Kühlen erfolgt durch Anbringen einzelner Rohrlängenstücke an der Innenfläche der Düse. Die Geometrie eines jeden Rohrs muss an die konische oder parabolische Form der Düse angepasst sein. Zusätzlich muss die gesamte Innenfläche der Düse abgedeckt sein, um "heiße Stellen" zu verhindern, die zu einem vorzeitigen Ausfall der Düse führen könnten. Jede Düse hat ein Durchmesserverhältnis von dem hinteren oder großen Auslassende der Düse zum vorderen oder kleinen Einlassende der Düse. Typische Durchmesserverhältnisse liegen im Bereich von 2:1 bis 3:1.
Nach einem bisher bekannten Verfahren zur Herstellung einer gekühlten Ausströmdüse werden Rechtecksrohre mit konstantem Querschnitt aus Stahl auf Nickelbasis oder nichtrostendem Stahl verwendet, wobei die Rohre parallel zueinander angeordnet und zusammengeschweißt sind.
Die Rohre sind wendelförmig so gewickelt, dass sie bezogen auf die Längsachse der Düse einen Steigungswinkel bilden, der fortschreitend vom Einlassende der Düse zu ihrem Auslassende zur Bildung einer glockenförmigen Düsenwand zunimmt. Die Abgase des Raketentriebwerks, die längs der Innenfläche einer solchen Düse mit wendelförmig angeordneten Rohren strömen, führen zu einer Winkel-Reaktionskraft, die bei der Rakete ein Rollmoment erzeugt, das durch zusätzliche Einrichtungen ausgeglichen werden muss. Diese zusätzlichen Einrichtungen führen häufig zu einem erhöhten Gewicht und zu einem gesteigerten Strömungswiderstand. Nimmt man lange Kanäle ohne Querschnittszunahme, so wird auch der Strömungswiderstand des Kühlmittels negativ beeinflusst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Düse und ein Verfahren für ihre Herstellung bereitzustellen, bei denen die vorstehend beschriebenen Probleme vermieden sind. Dies wird mit Hilfe der Düse nach der Erfindung erreicht, die sich dadurch auszeichnet, dass sie wenigstens zwei in Längsrichtung angeordnete Abschnitte hat und dass am Übergang von einem Abschnitt zu einem benachbarten Abschnitt ein Versatz zwischen einem positiven und einem negativen Kanalwinkel vorhanden ist. Als Folge der Erfindung ist es möglich, das von den wendelförmigen Rohrkanälen erzeugte Rollmoment zu verringern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die unterschiedlichen Winkel der Kühlkanäle in den Düsenabschnitten so angepasst, dass Reaktionskräfte, die aus den an den Kanälen vorbeiströmenden Abgasen entstehen, unterdrückt werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Rollmoment vollständig zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich jeder Kühlkanal wendelförmig bezüglich der Längsachse der Düse.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung haben die Kanäle in jedem Abschnitt über ihrer Länge einen konstanten Querschnitt.
Alternativ kann die Querschnittsfläche der Kanäle von zwei benachbarten Düsenabschnitten unterschiedlich sein. Bei dieser Ausführung ist die Kanalquerschnittsfläche für einen stromab befindlichen Düsenabschnitt vorzugsweise größer als für einen stromauf befindlichen Düsenabschnitt.
Das Verfahren der Erfindung zeichnet sich durch die Schritte aus, eine Vielzahl von rohrförmigen Kanälen zur Bildung eines ersten Abschnitts der Ausströmdüse zu verbinden, in welchem die Kanäle bezogen auf die Längsachse der Düse einen Steigungswinkel haben, eine Vielzahl von rohrförmigen Kanälen zur Bildung eines zweiten Abschnitts der Ausstromdüse zu verbinden, in welchem die Kanäle bezogen auf die Längsachse der Düse entgegengesetzte Neigungswinkel haben, und die Abschnitte zur Bildung einer zusammengesetzten Ausströmdüse zu verbinden, die fortlaufende Kühlkanäle hat.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden in nicht beschränkender Weise unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine Seitenansicht ist, die eine Düse nach der Erfindung zeigt,
2 ein Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei Abschnitten gezeigt in größerem Maßstab und vor dem Verschweißen ist, und
3 die Verbindung von 2 nach dem Verschweißen zeigt.
INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematische und etwas vereinfachte Seitenansicht einer Ausströmdüse 10, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Düse ist für den Einsatz in Raketentriebwerken der Bauweise vorgesehen, die einen Flüssigtreibstoff verwendet, beispielsweise flüssigen Wasserstoff. Die Arbeitsweise eines solchen Raketentriebwerks ist bereits an sich bekannt und wird deshalb hier im Einzelnen nicht beschrieben. Die Düse 10 wird mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt, das vorzugsweise ebenfalls als Treibstoff in dem speziellen Raketentriebwerk verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Ausströmdüsen dieser Bauweise beschränkt, sondern kann auch in den Fällen verwendet werden, in denen das Kühlmedium abgelassen wird, nachdem es zur Kühlung verwendet worden ist.
Die Auslassdüse wird mit einer äußeren Form hergestellt, die im Wesentlichen glockenförmig ist. Somit bildet die Düse 10 einen Rotationskörper mit einer Drehachse 11 und einem Querschnitt, dessen Durchmesser sich längs der Achse ändert.
Die Düse in 1 hat drei längs angeordnete Abschnitte 10a, 10b, 10c. Es kann eine kleinere oder eine größere Anzahl dieser Abschnitte vorgesehen werden.
Die Düsenwand jedes Abschnitts ist ein Aufbau mit einer Vielzahl von wechselseitig benachbarten rohrförmigen Kühlkanälen 12, die sich wendelförmig im Wesentlichen parallel zueinander vom Einlassende des Abschnitts zu seinem Auslassende erstrecken.
Zur Herstellung der Abschnitte können Rechtecksrohre mit konstantem Querschnitt aus Stahl auf Nickelbasis, aus nichtrostendem Stahl oder aus anderen wärmebeständigen Materialien verwendet werden. Bei diesem Verfahren werden die Rohre wendelförmig parallel zueinander angeordnet und zusammengeschweißt. Der Steigungswinkel kann vom Einlassende 13 des Düsenabschnitts zu seinem Auslassende 14 zur Bildung einer glockenförmigen Düsenwand progressiv zunehmen. Diese Rohre werden miteinander, vorzugsweise an der Außenseite, durch eine Laserverschweißung verbunden. Die Innenseite der Düse ist nicht geschweißt, was bedeutet, dass sich Spalte öffnen können, wenn die Düse arbeitet und der Wärmezyklus umgekehrt ist. Der maximale Wärmespannungszyklus ist deshalb begrenzt.
Die Rohre 12 in benachbarten Abschnitten sind so ausgerichtet, dass ein Versatz zwischen einem positiven und einem negativen Kanalwinkel in dem Übergang von einem Abschnitt zu einem benachbarten Abschnitt vorhanden ist. Somit haben die Rohrkanäle in zwei benachbarten Abschnitten entgegengesetzte Neigungswinkel bezogen auf die Längsachse 11 der Düse.
2 zeigt einen Axialanschluss von zwei Abschnitten vor dem Verschweißen, was das Schweißen von außen her ermöglicht. Zu diesem Zweck ist an der radialen Außenseite der Rohrenden eines jeden Abschnitts eine Nut 15 vorgesehen. Die Nuten 15 ermöglichen es dem Laserstrahl, die inneren entfernt liegenden Teile des Rohres für ihr Verschmelzen zu erreichen. Dann ist es möglich, die Seiten der Rechteckrohre zu verbinden. Schließlich wird, wie in 3 gezeigt, ein Ring 16 über der Verbindung angebracht und angeschweißt, um den Spalt zwischen den beiden benachbarten Düsenabschnitten zu überbrücken.
Die Verwendung von zwei oder mehr Abschnitten in der Ausströmdüse ermöglicht eine Änderung der Querschnittsfläche der Rohre an jeder Axialverbindung. Beispielsweise kann die radiale Höhe des Querschnitts vergrößert werden, um eine größere Strömungsfläche zu erhalten und um den Druckabfall in den Kühlkanälen zu verringern. Der Wiederanlauf der Rohre in dem Übergang von einem Abschnitt zum nächstfolgenden Abschnitt erhöht die Strömungsfläche für den konstanten Rohrquerschnitt. Es ist nur eine kleine Anzahl von Wiederanläufen erforderlich, um den Druckabfall so zu reduzieren, dass er für geschlossene Betriebszyklen akzeptabel ist. Um eine Druck- und Strömungsverteilung zu gewährleisten, braucht man Rohrverteiler.
In dem stromaufliegenden Ende der Düse möchte man den Querschnitt klein halten, um den benötigten Wärmefluss zur Verringerung der Materialtemperatur zu erhalten. Hier kann die Rohrdicke soweit verringert werden, dass die Druckbelastbarkeit noch gegeben ist. Dünnere Wände führen zu einer niedrigeren Materialtemperatur, was die Zykluslebensdauer der Düse steigert. In dem stromabseitigen Ende der Düse möchte man eine größere Strömungsfläche haben, um den Druckabfall zu minimieren. Die breiteren Rohre benötigen ein dickeres Material, um die Druckbelastbarkeit aufrechtzuerhalten. Dies geht Hand in Hand mit der Notwendigkeit für einen steifen Düsenaufbau, um der seitlichen Belastung, dem Außendruck und der Vibration Widerstand entgegenzusetzen.
Die Innenseite einer fertig gestellten Düse ist mit kleinen wendelförmigen Nuten versehen. Im Falle von Wickeln in einer Richtung erzeugt die Reibung der Flamme ein Reaktionsmoment, dem normalerweise mit einigen zusätzlichen Einrichtungen entgegengewirkt werden müsste. Durch Versetzen des Neigungswinkels nach der Erfindung kann dem Rollmoment ohne Zuhilfenahme von zusätzlichen Einrichtungen entgegengewirkt werden. Im Falle von Raketentriebwerken mit Expansionszyklus führt die erhöhte Reibung zu mehr Wärme, die auf das Kühlmittel übertragen werden muss, und dazu, dass der Strömungsmaschinenteil mit mehr Leistung versorgt wird.
Vor dem Verschweißen der Rohre miteinander sind alle Seiten des Rohres zugänglich. Die der Flamme zugewandte Seite und ein Teil der Rohrseiten, die benachbarten Rohren zugewandt sind, können mit Kupfer beschichtet werden. Dies erhöht den Wärmeübergang aus den Teilen des Rohres, die der Raketenflamme nicht direkt ausgesetzt sind. Dies führt zu einer reduzierten Materialtemperatur in dem lasttragenden Aufbau.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, vielmehr sind mehrere Modifizierungen innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche möglich. Beispielsweise kann das Verbinden von zwei Abschnitten anders als beschrieben ausgeführt werden.

Claims

Ausströmdüse (10) zum Einsatz in einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, wobei die Düse – einen Drehkörper mit einer Drehachse (11) und einem Querschnitt bildet, der sich im Durchmesser längs der Achse ändert, und – einen Wandaufbau mit einer Vielzahl von zueinander benachbarten Kühlkanälen (12) hat, die sich wendelförmig im Wesentlichen parallel von dem Einströmende (13) der Düse zu ihrem Ausströmende (14) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, – dass die Düse (10) wenigstens zwei in Längsrichtung angeordnete Abschnitte (10a, 10b) hat und – dass am Übergang von einem Abschnitt zu einem benachbarten Abschnitt ein Versatz zwischen einem positiven und einem negativen Kanalwinkel vorhanden ist.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Winkel der Kühlkanäle (12) in den Düsenabschnitten (10a, 10b) so angepasst sind, dass Reaktionskräfte, die aus den an den Kanälen vorbeiströmenden Abgasen entstehen, unterdrückt werden.
Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeder Kühlkanal (12) wendelförmig bezüglich der Längsachse (11) der Düse (10) erstreckt.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in jedem Abschnitt (10a, 10b) über ihrer Länge einen konstanten Querschnitt haben.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Kanäle (12) von zwei benachbarten Düsenabschnitten (10a, 10b) unterschiedlich ist.
Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalquerschnittsfläche für einen stromab befindlichen Düsenabschnitt größer ist als für einen stromauf befindlichen Düsenabschnitt.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) einen rechteckigen Querschnitt haben.
Verfahren zur Herstellung einer Ausströmdüse (10) für den Einsatz in einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, wobei die Düse – einen Drehkörper mit einer Drehachse (11) bildet und einen Querschnitt hat, der sich im Durchmesser längs der Achse ändert, und – einen Wandaufbau mit einer Vielzahl von zueinander benachbarten Kühlkanälen (12) hat, die sich wendelförmig im Wesentlichen parallel von dem Einströmende (13) der Düse zu ihrem Ausströmende (14) erstrecken, gekennzeichnet durch die Schritte – Verbinden einer Vielzahl von rohrförmigen Kanälen (12) zur Bildung eines ersten Abschnitts (10a) der Ausströmdüse (10), in welchem die Kanäle bezogen auf die Längsachse (11) der Düse einen Steigungswinkel haben, – Verbinden einer Vielzahl von rohrförmigen Kanälen (12) zur Bildung eines zweiten Abschnitts (10b) der Ausströmdüse (10), in welchem die Kanäle bezogen auf die Längsachse der Düse entgegengesetzte Neigungswinkel haben, und – Verbinden der Abschnitte (10a, 10b) zur Bildung einer zusammengesetzten Ausströmdüse (10), die fortlaufende Kühlkanäle (12) hat.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden mit Hilfe einer Laserschweißung ausgeführt wird und dass die rohrförmigen Kanäle (12) durch Verschweißen an der Außenseite der Düse verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Kanäle (12) mit Hilfe von Rohren gebildet werden, die einen rechteckigen Querschnitt haben.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Schritt, die aufeinandertreffenden Ränder der zu verbindenden Abschnitte an der Außenseite mit Nuten (15) zu versehen, um das Verschweißen des entfernt liegenden Teils der rohrförmigen Kanäle von der Außenseite der Düse (10) aus zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Schritte, ein ringförmiges Element (16) zur Überbrückung des Nutbereichs aufzubringen und das Element mit den aufeinandertreffenden Kanalenden zu verschweißen.