DE60212568T2

DE60212568T2 - Raketentriebwerksglied und verfahren zur herstellung eines raketentriebwerksglied

Info

Publication number: DE60212568T2
Application number: DE60212568T
Authority: DE
Inventors: Jan HÄGGANDER; Arne Boman
Original assignee: Volvo Aero AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: ATE331133T1; WO2002055862A1; DE60212568D1; EP1352168A1; EP1352168B1; ES2266498T3; JP2004518059A; RU2273756C2; JP4019217B2; US20040103638A1; US6799418B2; RU2003123786A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flüssigkraftstoffraketentriebwerkselement mit einem Tragwandaufbau, der eine Vielzahl von Kühlkanälen umfasst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Während des Betriebes ist der Wandaufbau eines Raketentriebwerkselements, wie eine Düse oder eine Verbrennungskammer, sehr hohen Spannungen unterworfen, beispielsweise in Form einer sehr hohen Temperatur an seiner Innenseite (in der Größenordnung von 800°K) und einer sehr geringen Temperatur an seiner Außenseite (in der Größenordnung von 50°K). Aufgrund dieser hohen Wärmebelastung werden an die Auswahl des Materials, an die Konstruktion und die Herstellung des Wandaufbaus strenge Anforderungen gestellt. Wenigstens hier besteht ein Bedarf für eine wirksamere Kühlung des Wandaufbaus.
Die US 5 233 755 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Verbrennungskammerwand für ein Raketentriebwerk, das die Schritte der Montage einer gewellten inneren Metallhülle und einer äußeren Metallhülle und deren Verschweißung und dann die Bildung einer Innenbeschichtung auf der Innenfläche der gewellten Innenhülle umfasst.
Die US 5 375 325 offenbart ein Raketentriebwerkselement mit einem Tragwandaufbau, der eine Vielzahl von verbuchsten Rohren umfasst, die nebeneinander gegen einen Konstruktionsmantel angeordnet sind, wobei sie ein Rohrbündel darin bilden. Jedes Ende jedes Rohres ist zum Mantel hin abgedichtet, und ein Futter ist innerhalb des Rohrbündels angeordnet und zu dem Mantel abgedichtet.
Es ist problematisch, einen gekühlten Wandaufbau zu konstruieren, der das heiße Abgas enthalten und beschleunigen kann und dies eine große Anzahl von Betriebszyklen lang auf zuverlässige Weise tun kann. Die derzeitigen Lösungen haben keine ausreichend lange Lebensdauer, die für eine große Anzahl von Betriebszyklen erforderlich ist. Die derzeitigen Sys tem erzeugen große Wärmespannungen, weisen große Druckabfälle auf oder bereiten Schwierigkeiten, wenn eine Reparatur erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Raketentriebwerkselement mit einer verringerten Wärmebelastung an dem Tragwandaufbau bereit zu stellen.
Dies wird durch das erfindungsgemäße Element erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als der Tragwandaufbau auf den Wandaufbau aufgebracht wurde und dass das Material in Kontakt mit der Metallblechwand angeordnet ist. Das Material bildet außerdem eine im Wesentlichen durchgehende Kontaktfläche gegen die Metallblechwand von der Wand eines Kühlkanals zu der Wand eines angrenzenden Kanals, und das Material umgibt wenigstens teilweise die Wände der Kühlkanäle.
Aufgrund der Erfindung kann ein Raketentriebwerkselement hergestellt werden, das eine hohe Druckleistung, eine lange Lebensdauer sowie ein vorteilhaftes Flächenverhältnis aufweist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung können von den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hergeleitet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden auf nicht beschränkende Weise anhand der beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, in denen
1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine Raketendüse mit einem erfindungsgemäßen Wandaufbau zeigt,
2 eine Teilschnittansicht entlang der Linie A-A in 1 ist, der einen Wandaufbauabschnitt gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
3 eine der Teilschnittsansicht entsprechend der in 2 gezeigten ist, die Kühlkanäle an dem Einlassende der Düse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematische und etwas vereinfachte perspektivische Ansicht einer Auslassdüse 10, die erfindungsgemäß hergestellt wurde. Die Düse ist zur Verwendung in Raketentriebwerken bestimmt, die Flüssigkraftstoff verwenden, beispielsweise flüssigen Wasserstoff. Die Funktion eines solchen Raketentriebwerks ist an sich bereits bekannt und wird deshalb hier nicht im Detail beschrieben. Die Düse 10 wird mir Hilfe eines Kühlmittels gekühlt, das vorzugsweise auch als Kraftstoff in dem bestimmten Raketentriebwerk verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Auslassdüsen noch auf Auslassdüsen dieser Art beschränkt, sondern kann auch für Raketenverbrennungskammern verwendet werden und in denjenigen Fällen, in denen Kühlmittel entladen wird, nachdem es zur Kühlung verwendet wurde.
Die Auslassdüse ist mit einer äußeren Form hergestellt, die im Wesentlichen glockenförmig ist. Die Düse 10 bildet deshalb einen Drehkörper mit einer Drehachse und einem Querschnitt, dessen Durchmesser sich entlang der Achse verändert.
Die Düsenwand ist ein Aufbau, der eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, rohrförmigen Kühlkanälen 11 umfasst, die sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Düse von dem Einlassende 12 der Düse zu ihrem Auslassende 13 erstrecken. Die Außenseite des Aufbaus umfasst eine durchgehende Blechmetallwand 14. Die rohrförmigen Kühlkanäle 11 sind in der Längsrichtung gekrümmt, um sich an die Düsenkontur anzupassen, und sie sind axial entlang der Düsenwand ausgerichtet und in dieser Position mit der Metallwand durch Schweißen verbunden. Die Schweißungen sind vorzugsweise durch Laserschweißen von der Außenseite aus durchgeführt. Diese Montage bildet eine leckdichte Düse mit allen Verbindungen an der Kühlseite des Wandaufbaus.
Die Kühlkanäle 11 in der Ausführungsform von 2 und 3 sind kreisförmige Rohre 15 mit einem sich verändernden Querschnitt. Die Rohre 15 können nahtlos sein und einen kleineren Querschnitt an dem Einlassende 12 der Düse haben als an dem entgegen gesetzten Ende.
2 zeigt einen Schnitt des Wandsaufbaus. Die Innenseite der Wand wurde mit einem wärmeleitfähigen Material 17 für einen erhöhten Wärmeübergang von der Blechmetallwand 14 zu den Rohren 15 beschichtet. Dies ermöglicht es, dass jedes Rohr 15 einen größeren Teil des Umfangs kühlen kann, und die zur Verfügung stehende Anzahl von Kühlkanälen deshalb einen größeren Durchmesser kühlen kann. Gleichzeitig kann die Querschnittsfläche der Kanäle ziemlich klein sein. Auf diese Weise kann die Druckleistung der Kühlkanäle hoch sein. In einem Fall, in dem das leitfähige Material, z. B. Kupfer oder Silber, den Hohlraum vollkommen ausfüllt, ist es möglich, sehr hohe Drücke und sehr hohe Flächenverhältnisse zu erreichen. Das wärmeleitfähige Material ist an der Innenseite des Wandaufbaus und zwischen den Kühlrohren 15 angeordnet.
Das Verfahren zur Aufbringung des leitfähigen Materials kann Löten oder Lasersintern umfassen. Durch Einführung eines leitfähigen Materials in den Raum zwischen den Kühlkanälen ist es möglich, den Abstand der Kühlkanäle zu erhöhen und deshalb größere Düsenflächenverhältnisse zu erreichen, ohne den Kühlkanalquerschnitt zu sehr zu erhöhen, um die Druckleistung aufrecht zu erhalten.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der U-förmige Profile 18 anstatt der oben beschriebenen kreisförmigen Rohre 15 verwendet werden. Die Profile haben einen sich verändernden Querschnitt und eine sich verändernde Materialdicke. Die Profile werden durch Pressformen von Blechstreifen hergestellt. Normalerweise werden die Profile aus rostfreiem Stahl und Superlegierungen hergestellt, um die notwendige Festigkeit und Herstellungsmöglichkeit zu schaffen. Die erwartete Lebensdauer dieser Teile des einer hohen Wärmebelastung ausgesetzten Triebwerkselements ist normalerweise gering, da diese Materialien eine geringe Wärmeübertragungsfähigkeit haben. Erfindungsgemäß wird dies durch die Verwendung des thermisch leitfähigen Materials 17 vermieden, um die Fläche zu reduzieren, die die Wand der Flamme aussetzt. Außerdem ist die Oberfläche des Kanalprofils, die der Wärme ausgesetzt ist, erhöht, da das thermisch leitfähige Material die Wärme auf einen großen Teil des Kanalprofils verteilt. Diese beiden Maßnahmen, zusammen oder getrennt, reduzieren den Wärmeeingang pro Flächeneinheit des Kanalprofils. In der Praxis wird der Wärmeeingang um ungefähr 20–30% reduziert und dieser Eingang wird der gezeigten Konfiguration entsprechend über einen vergrößerten (ungefähr 50%) Oberflächenbereich verteilt.
Das thermisch leitfähige Material wird an der Innenseite der Wand zwischen angrenzenden Kühlrohren 15 angeordnet und insbesondere an einer Oberfläche der Kühlkanalwände, die dem Innenraum des Elements 10 zugewandt sind. Außerdem wird das Material an der Außenseite des Wandaufbaus als Schicht 19 aufgebracht.
Die Veränderung der Profildicke ist an die Länge der Düse angepasst. Die Oberfläche oder die Dickenverteilung der Profile kann außerdem zur Verbesserung der Kühlung oder Vertei lung der Beanspruchung modifiziert werden. Das thermisch leitfähige Material 17 ist dick genug, um die Profile 18 vollkommen abzudecken. Es ist auch die Außenseite des Wandabschnitts mit einer Schicht 19 des thermisch leitfähigen Materials, z. B. Kupfer beschichtet.
Es ist möglich, die oben beschriebenen Konstruktionen aus den herkömmlichen Materialien für Raketentriebwerksdüsenrohre herzustellen, wie z. B. rostfreiem Stahl und Legierungen, die auf Nickel basieren. Die Düsenverlängerung könnte weniger teuer gebaut werden, da die Wärmebelastung begrenzt ist.
Die rotationssymmetrische Oberfläche des erfindungsgemäßen Düsenaufbaus sorgt selber für eine Steifheit und ermöglicht, falls notwendig, die Anbringung von Versteifungselementen auf einfache Weise.
Nachstehend wird das Verfahren zur Herstellung des Kraftstoffraketentriebwerks beschrieben. Eine Vielzahl von länglichen Elementen in Form von Kühlkanalrohren 15, oder Profilelementen 18, werden im Wesentlichen parallel zueinander und angrenzend zueinander angeordnet, wobei sie sich von einem ersten Ende 12 des Raketentriebwerkselements zu seinem zweiten Ende 13 erstrecken. Jedes der länglichen Elemente ist an der gekrümmten Blechmetallwand an der Innenseite derselben durch Schweißen befestigt, wodurch der Wandaufbau gebildet wird. Die Blechmetallwände bilden ein äußeres Gehäuse des Raketentriebwerkselements.
Danach wird ein Material 17 mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als das Material des Wandaufbaus 14, 15 auf den Wandaufbau aufgebracht. Das Material 17 wird auf die Innenseite des Wandaufbaus 14, 15 aufgebracht. Das Material 17 wird zwischen die Kühlkanäle 11 aufgebracht und in Kontakt mit den Wänden zweier angrenzender Kühlkanäle 15 angeordnet, wobei eine Verbindung zwischen diesen gebildet wird.
Das Material kann auf verschiedene Weise angebracht werden. Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird ein Material in Pulverform auf den Wandaufbau lasergesintert. Vorzugsweise wird eine erste Pulverschicht zwischen zwei angrenzenden länglichen Elementen vorgesehen, wobei die Schicht danach einem Laserstrahl ausgesetzt wird. Danach wird eine zweite Schicht auf der Oberseite der lasergesinterten ersten Schicht vorgesehen, wobei die zweite Schicht danach einem Laserstrahl ausgesetzt wird. Dieser Prozess wird eine geeignete Anzahl oft wiederholt. Das Lasersinterverfahren ist für die in 3 gezeigte Ausführungsform besonders bevorzugt, wo es möglich ist, zwischen den länglichen Elementen bis zu dem Blechmetall mit einem Laserstrahl zu gelangen.
Andere Schmelzprozesse, wie Löten oder Giessen sind auch verwendbar, um das Material auf den Wandaufbau aufzubringen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche möglich. Beispielsweise kann der verbesserte kalte Wandaufbau auch bei Triebwerken mit äußerer Expansion, wie runde und lineare Luftnadeltriebwerke angebracht werden.

Claims

Flüssigkraftstoffraketentriebwerkselement (10), das einen Tragwandaufbau (14, 15) aufweist, der eine Vielzahl von Kühlkanälen (11) umfasst, wobei die Außenseite des Wandaufbaus eine gekrümmte Metallblechwand (14) aufweist, und wobei die Kühlkanäle (11) in Längsrichtung, im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Düse an der Metallblechwand befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material (17) mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als der Tragwandaufbau (14, 15) auf den Wandaufbau aufgebracht wurde, dass das Material (17) in Kontakt mit der Metallblechwand (14) angeordnet ist, dass das Material eine im Wesentlichen durchgehende Kontaktfläche gegen die Metallblechwand (14) von der Wand eines Kühlkanals zu der Wand eines angrenzenden Kühlkanals bildet, und dass das Material (17) wenigstens teilweise die Wände der Kühlkanäle (11) umgibt.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) auf die Innenseite des Wandaufbaus (14, 15) aufgebracht wurde.
Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) zwischen die Kühlkanäle (11) aufgebracht wurde.
Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) in Kontakt mit den Wänden zweier angrenzender Kühlkanäle (15) angeordnet ist und eine Verbindung zwischen diesen bildet.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) auf einer Oberfläche der Kühlkanalwände angeordnet ist, die dem Inneren des Elements (10) zugewandt ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) außerdem an der Außenseite des Wandaufbaus (14, 15) als eine Schicht (19) angeordnet ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) Kupfer umfasst.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) Silber umfasst.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) durch Löten aufgebracht wurde.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) durch Lasersintern aufgebracht wurde.
Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkraftstofftriebwerkselementes (10), dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst, dass eine Vielzahl von Kühlkanälen (15) angrenzend zueinander für eine wenigstens teilweise Bildung eines Wandaufbaus des Elements angeordnet werden, wobei die Kühlkanäle (11) in Längsrichtung an einer gekrümmten Metallblechwand (14) an der Innenseite derselben angebracht werden, wodurch der Wandaufbau gebildet wird, und ein Material (17) mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als das Material des Wandaufbaus (14, 15) an dem Wandaufbau so aufgebracht wird, dass das Material (17) zwischen die Kühlkanäle (11) aufgebracht wird, dass das Material (17) in Kontakt mit den Wänden zweier angrenzender Kühlkanäle (15) angeordnet wird und eine Verbindung zwischen diesen bildet, und dass das Material wenigstens teilweise die Wände der Kühlkanäle (11) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) auf die Innenseite des Wandaufbaus (14, 15) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) auf einer Oberfläche der Kühlkanalwände angeordnet wird, die dem Inneren des Elements (10) zugewandt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) außerdem an der Außenseite des Wandaufbaus (14, 15) als eine Schicht (19) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) durch einen Schmelzprozess aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) durch Löten aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) durch Gießen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (17) durch Lasersintern aufgebracht wird.