DE60212069T2

DE60212069T2 - Raketentriebwerksglied und ein verfahren zur herstellung eines raketentriebwerksglieds

Info

Publication number: DE60212069T2
Application number: DE60212069T
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: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: US7302794B2; WO2002055864A1; ES2264730T3; JP4014208B2; DE60212069D1; RU2003123785A; ATE329148T1; RU2278292C2; US20040103639A1; EP1352170B1; JP2004518061A; EP1352170A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flüssigkraftstoff-Raketentriebwerkelement mit einem Tragwandaufbau, der eine Vielzahl von Kühlkanälen für eine Förderung einer Kühlmittelströmung aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Raketentriebwerkelements.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Während des Betriebes ist die Hitzebelastung innerhalb einer Raketenverbrennungskammer sehr intensiv. Die Wände der Verbrennungskammer müssen wirksam gekühlt werden, um nicht zu schmelzen oder auf andere Art den Aufbau zu zerstören. Der üblichste Weg zur Kühlung der Kammer ist eine Kühlung durch Konvektion. Zur Kühlung wird der kühle Kraftstoff und auch das Oxidationsmittel verwendet.
Die Lebensdauer der Kammern ist oft ein Problem. Es muss viel Sorge für die Sicherstellung einer richtigen Funktion getragen werden. Eine Inspektion und Reparatur bei der Entwicklung und bei der Verwendung der Triebwerke ist teuer. Die Lebensdauer hängt sehr viel von dem Temperaturniveau des Wandaufbaus in nächster Nähe zu der Flamme ab. Der Temperaturgradient über den Kühlkanälen erzeugt eine thermische Spannung. Die erhöhten Temperaturen verschlechtern die Materialeigenschaften. Deshalb wird die Lebensdauer sehr stark von der Temperatur beeinflusst. Eine Reduzierung der Temperatur um 100°K führt zu einer ungefähr dreifachen Erhöhung der Lebensdauer und einer zehnfachen Erhöhung der Kriechdauer.
Die intensive Hitzebelastung führt zu einer Schichtenbildung des Kühlmittels. Das sich am nächsten zu der heißen Wand befindliche Kühlmittel wird erhitzt, wodurch sich ein Temperaturanstieg ergibt. Die Viskosität des Kühlmittels wird verringert, was zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit ganz in der Nähe der erhitzten Wand führt. Deshalb findet eine Schichtbildung des Kühlmittels mit scharfen Temperaturgradienten statt. Ein großer Anteil des Kühlmittels wird nur auf ein geringes Temperaturniveau erwärmt, wodurch die Wirksamkeit des Kühlsystems reduziert wird. Die Temperaturdifferenz in dem Kühlmittel kann in der Größenordnung von 600 bis 700 °K liegen. An der Außenseite des Kühlkanals, in der Nähe des Auslassendes, kann das Kühlmittel noch die Einlasstemperatur von 60 °K haben.
Es wurde vorgeschlagen, die Kühlfläche der Kühlwand zu erhöhen, beispielsweise dadurch, dass Längsrippen entlang der Innenseite der Kanäle vorgesehen werden. Die Rippen müssen jedoch eine gewisse Höhe haben, um in die thermische Grenzschicht einzudringen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels verlangsamt sich in dem Spalt zwischen den Rippen, wenn diese hoch sind und nahe aneinander liegen. Deshalb ist die Erhöhung des Wärmeübergangs mit dieser Maßnahme begrenzt. Außerdem muss das untere Ende der Rippen scharf sein, um einer großen Anzahl von Rippen genügend Raum zu geben. Das scharfe untere Ende verläuft senkrecht zu der ersten Hauptspannung. Der Kanalbogen steht für eine wichtige Spannungskonzentration. Die Rippen sind schwierig herzustellen. Die Breite der Kanäle an dem Verengungsbereich liegt in der Größenordnung von 1 mm, was bedeutet, dass die maximale Weite einer der drei Rippen 0,3 mm beträgt und die Spitze der Rippe unendlich dünn wird.
Es wurde auch vorgeschlagen, den Wärmetransfer durch Erhöhung der Rauheit der Kanalwandfläche wirksamer zu gestalten, um Turbulenzen in der Kühlmittelströmung zu erzeugen. Die Oberflächenrauheit erhöht die Verwirbelung an der Wand, dieser Effekt ist jedoch bei einem Fluid mit sehr geringer Viskosität, wie z. B. Wasserstoff, gering.
Die RU 2061890 lehrt eine Verbrennungskammer mit Kühlkanälen, die durch Einsätze mit I-förmigem Querschnitt gebildet werden. Verwirbelnde Vorsprünge aus Draht sind über die Kanäle geschweißt.
Die GB 904887 lehrt eine Verbrennungskammer mit einer Vielzahl von Metallrohren, die nebeneinander angeordnet sind, wobei flache Seitenwände, an denen der benachbarten Rohre anliegen. Die Metallrohre sind miteinander verschweißt, wobei der Innenraum der Rohre als Kühlmittelkanäle dient.
Die JP 60048127 lehrt die Verwendung eines verdrehten Stahlbandes innerhalb eines horizontalen Kühlkanals, um eine sekundäre Strömung zu erzwingen, damit eine Schichtenbildung verhindert wird. Dieses Verfahren wird für die Anwendung in Atomkraftwerken bei horizontalen Rohren in Reaktoren, einer Zwischenpumpe, einem Wärmetauscher und einer Eingangsdüse des Dampferzeugers vorgeschlagen. Das Stahlband kann zu überhitzten Stellen an der heißen Seite und zu einer Überhitzung des Materials aufgrund einer verringerten Strömung des Kühlmittels in dem Kanal führen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Raketentriebwerkelement mit einer verringerten Schichtbildung des Kühlmittels innerhalb der Kühlkanäle zu schaffen.
Dies wird mittels des erfindungsgemäßen Elements erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Kühlmittelkanal mit einer Strömungsführungsfläche versehen ist, die sich in einem Winkel zu der Achse des Kühlkanals erstreckt, um die axiale Kühlmittelströmung mit einer zusätzlichen radial gerichteten Strömungskomponente zu versehen. Die Strömungsführungsfläche zwingt das Kühlmittel zu einer Drehung, wenn es durch den Kanal strömt, so dass eine Schichtbildung verhindert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Schritte gekennzeichnet, dass eine Blechfläche zur Schaffung einer Strömungsführungsfläche geformt wird, dass Blech zu Kühlkanälen gefaltet wird, und die Kühlkanäle an der Wandkonstruktion befestigt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen ableitbar.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen im Folgenden auf nicht beschränkende Weise weiter beschrieben, in denen
1 eine schematische perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Raketenverbrennungskammer ist,
2 in vergrößertem Maßstab ein Längsschnitt durch einen Kühlungskanal der in 1 gezeigten Verbrennungskammer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3 ein Querschnitt des Kühlkanals gemäß 1 und 2 ist,
4 ein Schnitt entlang der Linie A-A in 3 ist,
5 ein 2 entsprechender Schnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, und
6 ein Querschnitt des Kühlkanals gemäß 5 ist.
7 ist ein 2 entsprechender Schnitt gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist ein Querschnitt des Kühlkanals gemäß 7.
9 und 10 zeigen ein Beispiel der Herstellung jeder der Kanalkonstruktionen, wobei 9 ein bearbeitetes, nicht gefaltetes Blech und 10 das Blech von 9 in einem gefalteten Zustand zeigt, wobei es ein Teil eines Kühlkanals bildet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematische und etwas vereinfachte Seitenansicht einer Raketentriebwerkverbrennungskammer 10 die erfindungsgemäß hergestellt wurde. Die Verbrennungskammer ist zur Verwendung in Triebwerken bestimmt, die Flüssigkraftstoff, beispielsweise flüssigen Wasserstoff verwenden. Die Funktion eines solchen Raketentriebwerks ist an sich bereits bekannt und wird deshalb hier nicht im Detail beschrieben. Die Verbrennungskammer 10 wird mit Hilfe eines Kühlmittels gekühlt, das vorzugsweise ebenso als Kraftstoff in dem bestimmten Raketentriebwerk verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Verbrennungskammern dieser Art beschränkt.
Die Verbrennungskammer 10 ist mit einer äußeren Form hergestellt, die einen Rotationskörper mit einer Drehachse und einem Querschnitt bildet, dessen Durchmesser sich entlang der Achse verändert.
Die Verbrennungskammerwand ist ein Aufbau mit einer Vielzahl gegenseitig angrenzender Kühlkanäle 11, die sich im wesentlichen parallel zu der Längsachse der Verbrennungskammer 10 von dem Einlassendsammler 12 zu ihrem Auslassendsammler 13 erstrecken. Die Außenseite des Aufbaus weist einen einteiligen Druckmantel 14 auf. Die U-förmigen Kühlkanäle 11 sind in Längsrichtung gekrümmt, um sich an die Kontur des Mantels anzupassen, und sie sind axial entlang der Wand ausgerichtet, in dieser Position sind sie mit der Metallmantelwand durch Löten verbunden.
Bei der Ausführungsform gemäß den 2 bis 4 weist jeder Kühlkanal 11 eine innere Strömungsführungsfläche auf, die eine Vielzahl von vorstehenden Rippen 15 umfasst, die sich in einem Winkel zu der Achse des Kühlkanals erstrecken. Der Winkel der Rippen zwingt das Kühlmittel zu einer Drehung innerhalb des Kanals, wenn das Kühlmittel entlang des Kanals strömt. Auf diese Weise wird nicht erwärmtes Kühlmittel von der Außenseite des Kanals zu der Innenseite transportiert und erhitztes Kühlmittel wird von der Innenseite des Kanals zur Außenseite transportiert.
3 zeigt einen Querschnitt eines der Kanäle gemäß 1. 2 zeigt einen Längsschnitt (eine geschnittene Seitenansicht) des Kanals entlang der Linie B-B in 3 und 4 zeigt einen Längsschnitt (eine geschnittene Ansicht von oben) des Kanals entlang der Linie A-A in 3.
Die Strömungsführungsfläche erstreckt sich in einem Winkel zu der Kühlkanalachse, wobei der Winkel zwischen 0° und 90° bezüglich der Kühlkanalachse differiert. Dieser Winkel beträgt vorzugsweise zwischen 1° und 50°, vornehmlich zwischen 5° und 30° und insbesondere zwischen 10° und 20° bezüglich der Kühlkanalachse.
Es ist möglich, die Temperatur der Verbrennungskammer um 100 °K zu reduzieren, indem ungefähr 15% des bereits erwärmten Kühlmittels durch nicht erwärmtes Kühlmittel ersetzt wird. Die Radialströmungsgeschwindigkeit des Kühlmittels sollten dann ungefähr 15% seiner Axialgeschwindigkeit betragen. Dies bedeutet einen Winkel von 9° von dem Axialgeschwindigkeitsvektor. Dieser geringe Winkel sorgt nur für einen geringen Druckabfall der Kühlmittelströmung.
Die mit Rippen versehene Kanaloberfläche erhöht die kleinen Wirbel und die Reibung an der heißen Seite, wobei sie auch zu einer erhöhten Wärmeübertragung beiträgt. Anstatt der mit Rippen versehenen Fläche der 2 bis 4 kann die Fläche auch mit Nuten in der Kanalwand versehen sein. Die Topologie sollte eher gleichmäßig an der heißen Seite des Kanals sein, wo sich die Stelle befindet, die die Lebensdauer begrenzt, um die Spannungskonzentrationen zu verringern.
Die 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Strömungsführungsflächen in dem Kanal mittels eines separaten Einsatzaufbaus 16 geschaffen werden, der einen zentralen Kern oder Körper mit äußeren Gewindeabschnitten 17 aufweist. Der Aufbau 16 kann in dem Kanal fest befestigt werden. Der Einsatzaufbau 16 ist deshalb mit Einrichtungen 24 versehen, die den Abstand zwischen den Kanalwänden 14 und dem Zentralkern halten. Die Abstandshalteeinrichtungen werden hier von radial vorstehenden Abschnitten gebildet, die in gegenseitigen Abständen in Längsrichtung des Kanals angeordnet sind. Da an der Innenseite der Kanalwand 18 keine Gewindeabschnitte 17 vorgesehen sind, blockiert der Einsatz nicht den Zugang des Kühlmittels zu der heißen Wand.
Die 7 und 8 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Als Alternative zu dem in den 5 und 6 gezeigten Einsatz wird der Einsatz bei dieser Ausführungsform von einer Schraubenspirale 19 ohne zentralen Kern gebildet. Die Schraubenspirale 19 oder Feder er streckt sich entlang der Form eines imaginären kreisförmigen Zylinders und ist in Kontakt mit wenigstens einem Teil der inneren Kanalwand angeordnet.
Die Kanäle 11 können einen kleineren Querschnitt an dem Einlasssammler 12 aufweisen als an dem Auslasssammler 13. Außerdem kann die Breite eines Kanalelements in der Umfangsrichtung des Raketentriebwerkelements entlang der Länge des Kanalelements variieren. Vorzugsweise wird die Breite der Kanalelemente so gewählt, dass die Kanalelemente in Kontakt zueinander, d. h. ohne gegenseitigen Abstand, in Umfangsrichtung in einem Verbrennungskammerabschnitt des Raketentriebwerkelements angeordnet sind. Andererseits können die Kanalelemente eine solche Breite haben und so angeordnet sein, dass ein gegenseitiger Abstand in der Umfangsrichtung in einem Gasexpansionsabschnitt des Raketentriebwerkelements existiert. Vorzugsweise sind separate Kühlkanalelemente gestanzt, um den gewünschten gerippten oder genuteten Flächenaufbau darzustellen. Diese Elemente werden zu der gewünschten sich verjüngenden Kanalbreite gefaltet. Schließlich werden die separaten Kanäle in die rotationssymmetrische Kammer montiert und gelötet. Auf diese Weise wird die Herstellung des Mantels und der Sammler vereinfacht.
Das Verfahren zur Herstellung des Raketentriebwerkelements wird nachstehend anhand der 9 und 10 gemäß einem Beispiel beschrieben. In 9 ist ein Blech in Form einer Platte 20 gezeigt. Eine Seite der Platte ist so bearbeitet, dass die Fläche Rippen zeigt und/oder Nuten. In 9 ist das Blech 20 durch Drehen und Drücken eines Zylinders 21 gegen die Platte gewälzt. In diesem Fall ist der Zylinder mit schraubenförmigen Rippen 22 an seiner Außenfläche versehen. Durch diesen Wälzprozess bilden die schraubenförmigen Rippen 22 diagonale Nuten 23 in dem Blech 20. Danach wird das Blech so gefaltet oder geformt, dass es einen Teil eines Kühlkanals bildet, siehe 10. Viele so gefaltete Bleche werden danach mit einer Wand 14 verbunden.
Alternativ kann der Flächenaufbau an Kanälen mit parallelen Seiten angebracht werden. Dies kann durch Entfernung des Materials getan werden, z. B. durch elektrochemische Abtragung.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt, sondern es sind verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche möglich. Beispielsweise kann der verbesserte kalte Wandaufbau auch bei Triebwerken mit externer Expansion verwendet werden, wie runde und lineare Luftimpulstriebwerke. Die Strömungsführungsfläche muss sich nicht entlang der gesamten Länge des Kühlkanals erstrecken. Deshalb kann die Strömungsführungsfläche an einem Teil des Kühlkanals ange bracht werden, der der höchsten thermischen Belastung ausgesetzt ist, z. B. dem Verengungsbereich. Außerdem kann sich der Winkel der Strömungsführungsfläche bezüglich der Kühlkanalachse entlang der Länge des Kühlkanals ändern. Beispielsweise ist der Winkel von dem Einlassende des Kanals zu dem Auslassende des Kanals verringert.
Der Kühlkanal kann eine Querschnittsform haben, die sich von einer U-Form unterscheidet, wie z. B. eine kreisförmige oder rechteckige Querschnittsform.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, bei denen viele Kühlkanäle an einem durchgehenden Metallblech befestigt sind, um einen Wandaufbau zu bilden. Stattdessen können die Kühlkanäle seitlich zueinander befestigt werden, wobei sie selbst einen lasttragenden Wandaufbau bilden. Die Verbindung der Wände der Kühlkanäle miteinander kann durch Schweißen durchgeführt werden.
Außerdem kann die Strömungsführungsfläche an der Blechfläche anders als durch Wälzen angebracht werden, z. B. durch Stanzen.
Außerdem kann die Abstandshalteeinrichtung an dem Zentralkern der in 5 gezeigten Ausführungsform stattdessen durch externe Gewindeabschnitte gebildet werden.
Außerdem kann das Raketentriebwerkelement im wesentlichen nur die Verbrennungskammer bilden, im wesentlichen nur eine Düse zur Expansion des heißen Gases bilden, oder ein Element bilden, das für beide dieser Funktionen bestimmt ist.

Claims

Flüssigkraftstoff-Raketentriebwerkelement (10) mit einem Tragwandaufbau (11, 14), der eine Vielzahl von Kühlkanälen (11) für eine Förderung einer Kühlmittelströmung umfasst, wobei jeder Kühlkanal (11) mit einer Strömungsführungsfläche (15, 16, 17, 19) versehen ist, die sich in einem Winkel zu der Achse des Kühlkanals erstreckt, wobei der Tragwandaufbau (11, 14) eine gekrümmte Wand (14) umfasst, und wobei eine Wand jeder der Kühlkanäle an der gekrümmten Wand befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Strömungsführungsfläche (15, 16, 17, 19) zwischen 1° und 50° beträgt, um die axiale Kühlmittelströmung mit einer zusätzlichen radial gerichteten Strömungskomponente zu versehen.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungsfläche (15) in die Kanalwand (18) eingebracht ist.
Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungsfläche eine Vielzahl von Nuten in der Kanalwand (18) umfasst.
Element nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungsfläche (15) eine Vielzahl von Rippen (15) umfasst, die von der Kanalwand (18) vorstehen.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungsfläche (16, 17, 19) einen getrennten Aufbau innerhalb des Kühlkanals 11) umfasst.
Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau eine Schraubenspirale (19) umfasst.
Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau eine Gewindeschraube (16, 17) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkraftstoff-Raketentriebwerkselement (10) mit einem Tragwandaufbau (11, 14), der eine Vielzahl von Kühlkanälen (11) für eine Förderung einer Kühlmittelströmung umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte dass eine Blechfläche zur Schaffung einer Strömungsführungsfläche (15) geformt wird, dass das Blech in Kühlkanäle (11) gefaltet wird, und dass die Wandkonstruktion durch wenigstens die gefalteten Bleche gebildet wird, indem die gefalteten Bleche an einer Wand (14) befestigt werden, und wodurch die Wandkonstruktion gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechfläche durch Stanzen von Nuten in die Fläche geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechfläche zur Ausbildung vorstehender Rippen (15) an der Fläche durch Stanzen geformt wird.