-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die
Erfindung bezieht sich insgesamt auf einen Wandaufbau, der einer
thermischen Belastung ausgesetzt werden soll. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf einen Wandaufbau zum Einsatz in einem Bauteil
eines Raketentriebwerks.
-
STAND DER TECHNIK
-
Ein
Raketentriebwerk entwickelt eine beträchtliche Wärmebelastung, und die Wände der Brennkammer
und der für
die Expansion des Gases verwendeten Düse sind sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.
Um zu vermeiden, dass die Wände schmelzen
oder auf andere Weise zerstört
werden, wird eine effiziente Kühlung
benötigt.
Bei Raketentriebwerken mit flüssigem
Treibmittel, d.h. Raketentriebwerken, die flüssigen Brennstoff verwenden, wird
das Kühlen üblicherweise
dadurch erreicht, dass kalter Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff
oder Kerosin, in Kanäle
innerhalb der Wände
geführt
und auf diese Weise der Brennstoff als Kühlmedium verwendet wird.
-
Die
Erhitzung des Baumaterials der Wand führt zu einer Wärmeausdehnung
des Materials. Bei einer starken Wärmebelastung auf der heißen Seite der
Wand und bei gleichzeitiger Kühlung
von innerhalb der Wand entwickelt sich in der Wand ein beträchtlicher
Temperaturgradient. Dieser führt
zu einem Wärmeausdehnungsgradienten,
der eine beträchtliche
Wärmespannung
in der Wand erzeugt und die Lebensdauer der Raketenbauelemente,
wie der Brennkammer, d.h. der Verbrennungsraum und der Düse, begrenzt.
Die die stärkste
Begrenzung ergebende Stelle ist der innere Teil der Wand in dem
Verbrennungsraum, d.h. die heiße
Seite der Wand, die sich zwischen den Kühlkanälen und der Wandfläche befindet,
die dem Verbrennungsraum zugewandt ist.
-
Sowohl
wiederverwendbare als auch nicht wiederverwendbare Raketentriebwerke
müssen
eine thermische Belastung aushalten. Wiederverwendbare Raketentriebwerke
müssen
auch aushalten, dass sie wiederholt einer thermischen Belastung
ausgesetzt werden, wenn sie eine Vielzahl von Starts durchlaufen,
d.h. solche Triebwerke müssen
eine lange Kurzzeit-Dauerfestigkeit haben. Je höher der Widerstand gegen Niedriglastwechsel-Ermüdungsbelastungen
ist, desto öfter
kann es verwendet werden.
-
Die
Gesamtbeanspruchung des Innenteils der Wand hängt von dem Wärmegradienten
durch diesen Teil der Wand sowie auch von dem Wärmegradienten durch die gesamte
Wand von der heißen Seite
zur kalten Seite ab. Durch Absenken der Beanspruchung kann die Betriebszeit
verlängert
werden. Eine geringe Beanspruchung im inneren Teil der Wand wird
auch zu einer niedrigeren Beanspruchung im äußeren Teil der Wand, da die
Kräfte
in den Wänden
jeweils die Kraft und Reaktionskraft sind.
-
Der
Treibstoff ist gewöhnlich
Wasserstoff. Eine Komplikation, die sich einstellt, wenn Wasserstoff
als Kühlmedium
verwendet wird, besteht darin, dass metallische Materialien häufig gegen
einen Wasserstoffkontakt empfindlich sind, der gewöhnlich zu
einer reduzierten Materialfestigkeit führt. Dies beschränkt die
Optionen hinsichtlich der Materialauswahl.
-
Materialien
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
verringern den Wärmegradienten
und dadurch die thermische Beanspruchung in dem Wandaufbau. Kupfer und
Aluminium sind Materialien mit hohem Wärmeleitvermögen, jedoch ist die Verwendung
dieser Materialien begrenzt, da die höchste zulässige Betriebstemperatur in
Phasen des Flugzyklus überschritten werden
können,
wenn kein Kühlmittel
zur Verfügung steht,
wie beispielsweise in der Wiedereintrittsphase. Materialien mit
geringer Wärmeausdehnung
verringern auch die thermische Beanspruchung in dem Wandaufbau.
Es ist jedoch schwierig, Materialien mit niedriger Wärmeausdehnung
zu finden, die auch formänderungsfähig sind,
dem Ausgesetztwerden von Wasserstoff Widerstand entgegensetzen und
für die Verarbeitung
geeignet sind.
-
Im
Stand der Technik wird eine Anzahl von unterschiedlichen Wandaufbauten
vorgeschlagen. Bei einem Aufbau wird das Kühlmedium durch Rohre mit Kreisquerschnitt
geführt,
die parallel zueinander zusammengeschweißt sind. Ein solcher Aufbau
ist in eine Richtung senkrecht zur Längsachse der Rohre flexibel,
weil die Wärmeausdehnung
durch Ausbiegen der Rohre derart, dass sie eine ovale Querschnittsform
annehmen, absorbiert werden kann. Der Aufbau ist jedoch in der Axialrichtung
der Rohre starr. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die wellige Topologie
des Aufbaus zu sehr hohen Temperaturen an heißen Stellen an den Wellenbergen
der Rohre auf der heißen
Seite der Wand führt.
-
Bei
einem anderen Aufbau werden Rohre mit Rechtecksquerschnitt auf der
kalten Seite, der Außenseite
der Wand, zusammengeschweißt.
Dieser Aufbau hat keine Teile, die aus der heißen Seite der Wand vorstehen.
Außerdem
ermöglicht
der Aufbau die Ausbildung eines Abstands zwischen den Rohren auf
der inneren Seite der Wand während
einer Kühlperiode,
da die Rohre nur an der Außenseite
der Wand verbunden sind. Dies verringert die thermische Beanspruchung
während
des Kühlens.
Da die Abstände
jedoch zwischen den Rohren gebildet werden, ist die innere Wand
nicht glatt, was zu einer erhöhten
Reibung und somit zu einer verringerten mittleren Flammengeschwindigkeit
führt.
-
Ein
anderes Beispiel ist ein so genannter Sandwich-Aufbau, bei welchem
eine Primärplatte beispielsweise
durch Fräsen
mit Kühlkanälen versehen
ist, während
eine Sekundärplatte
mit der Primärplatte
als Deckel auf den Kühlkanälen verschweißt ist.
Bei einem solchen Aufbau ist die innere Wand in einer Tangentialrichtung
durchgehend, so dass der Aufbau eine sehr geringe Flexibilität zur Reduzierung der
Beanspruchung aufweist, die aus der Wärmeausdehnung entsteht.
-
Aus
dem Stand der Technik ist auch bekannt, die innere Wand mit einer
thermischen Sperrbeschichtung unter Verwendung eines Materials mit niedriger
Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise eines keramischen Materials, zu verwenden, um den
lasttragenden metallischen Aufbau zu isolieren. Die geringe Wärmeleitfähigkeit
dieses Materials hat zur Wirkung, dass die Temperatur in der Beschichtung
für eine
konstante thermische Belastung zunimmt. Aufgrund der Wärmeausdehnung
wird die Beschichtung stark druckbelastet, was zusammen mit der
hohen thermischen Belastung zu einem Abblättern der Beschichtung führt. Ein
allgemeiner Nachteil solcher thermischer Sperrbeschichtungen, beispielsweise bei
Anwendungen in Raketentriebwerken, besteht darin, dass die beschichtete
Komponente zusätzliches
Gewicht aufweist.
-
Die
US 3 897 316 offenbart eine
Verbundwand für
eine regenerativ gekühlte
Brennkammer eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks.
Die Verbundwand hat eine äußere Wandkomponente,
die als bauliche Hülle
der Brennkammer wirkt, eine mittlere Wandkomponente, die Kühlmittelkanäle aufweist,
und eine innere Wandkomponente mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Die innere Wandkomponente
begrenzt die Kühlmittelkanäle.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Das
Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wandaufbau
bereitzustellen, der eine intensive Wärmebelastung aushält und verglichen
mit dem Stand der Technik eine längere
Lebensdauer hat. Dieses Ziel wird mit den im Anspruch 1 enthaltenen
Merkmalen erreicht. Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausführungsformen,
Weiterentwicklungen und Varianten der Entwicklung.
-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Wandaufbau, der einer thermischen
Belastung ausgesetzt werden soll und der wenigstens zwei Schichten
aufweist, nämlich
eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei die zweite Schicht
näher an
einer Quelle für
die thermische Belastung als die erste Schicht positioniert ist,
die Schichten so angeordnet sind, dass die Wärmeleitung von der zweiten
Schicht zur ersten Schicht möglich
ist, jede der ersten und zweiten Schichten für ein Tragen eines beträchtlichen
Teils einer strukturellen Belastung angepasst ist und die zweite
Schicht eine höhere
Leitfähigkeit und/oder
eine niedrigere Wärmeausdehnung
als die erste Schicht hat. Diese Auslegung hat den vorteilhaften
Effekt, dass sie die thermische Beanspruchung und ihre Einflüsse in dem
Wandaufbau verringert, was wiederum die Lebensdauer vergrößert. Dies
lässt sich
kurz wie folgt erklären.
Das erste Merkmal, d.h. dass beide Schichten eine strukturelle Belastung
tragen, hat zur Wirkung, dass die Dicke der Wand auf einem Minimum
gehalten werden kann, d.h. es ist nicht nötig, die Wandstärke zu erhöhen, gerade
weil der Aufbau zwei Schichten hat. Das zweite Merkmal kann in zwei
Merkmale unterteilt werden:
- i) Eine höhere Wärmeleitfähigkeit
in der zweiten Schicht verringert sowohl die Temperaturniveaus als
auch den Temperaturgradienten in dem Wandaufbau. Da die thermische
Beanspruchung von der Temperatur und der Wärmeausdehnung des Materials
abhängt,
senkt dies die Absolutwerte der thermischen Beanspruchung ab und
macht das Profil der thermischen Beanspruchung über dem Wandaufbau gleichförmiger;
- ii) Eine niedrigere Wärmeausdehnung
in der zweiten Schicht verringert die Ausdehnung in dem heißesten Teil
des Aufbaus, was sowohl die extremste thermische Beanspruchung verringert
als auch ein gleichförmigeres
Wärmebeanspruchungsprofil
ergibt. Sowohl die abgesenkten Beanspruchungswerte als auch das
gleichförmigere
Beanspruchungsprofil haben einen günstigen Einfluss auf die Lebensdauer
des Wandaufbaus.
-
Ein
weiterer Vorteil der Verwendung beider Schichten zum Tragen der
strukturellen Belastung besteht darin, dass in dem Aufbau kein zusätzliches "Totgewicht" hinzugefügt wird,
wie es beispielsweise bei thermischen Sperrbeschichtungen der Fall
ist. Außerdem
macht das Fehlen einer thermischen Sperrbeschichtung die lasttragenden
Teile des Wandaufbaus für
eine Inspektion zugänglich.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt von abgesenkten Temperaturpegeln
besteht darin, dass er zu verbesserten Materialeigenschaften, beispielsweise
einer höheren strukturellen
Festigkeit führt.
-
Die
Erfindung hat einen Wandaufbau mit Kühlkanälen, die sich auf einer Seite
der zweiten Schicht befinden, die der Wärmequelle gegenüberliegt,
wobei die Kühlkanäle für einen
Durchstrom des Kühlmediums
angepasst sind, sowie Kühlkanäle, die sich
in einem Abstand von der zweiten Schicht befinden.
-
Auf
diese Weise angeordnete Kühlkanäle führen zu
einem großen
Temperaturgradienten in dem Wandaufbau, der den vorteilhaften Effekt
der Erfindung steigert. Weiterhin ermöglicht es eine solche Auslegung,
wasserstoffempfindliches Material in der zweiten Schicht auch in
Situationen zu verwenden, in denen Wasserstoff als Kühlmedium
verwendet wird.
-
Bei
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die zweite
Schicht sowohl eine höhere
Wärmeleitfähigkeit
als auch eine niedrigere Wärmeausdehnung
als die erste Schicht. Auf diese Weise können die vorteilhaften Effekte
einer jeden dieser Materialeigenschaften zusammenwirken und einen
noch besseren Aufbau ergeben.
-
Bei
einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Kühlkanäle in Verbindung mit
der ersten Schicht angeordnet, vorzugsweise befinden sich die Kühlkanäle wenigstens
teilweise in der ersten Schicht. Eine solche Anordnung ergibt einen
günstigen
Aufbau.
-
Bei
einer dritten vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird die erste Schicht im Wesentlichen von einem ersten
metallischen Material und die zweite Schicht im Wesentlichen von
einem zweiten metallischen Material gebildet, wobei das zweite metallische
Material eine höhere
Wärmeleitfähigkeit und/oder
eine niedrigere Wärmeausdehnung
als das erste metallische Material hat. Da Metall ein geeignetes
Baumaterial ist, gibt es einen günstigen
Aufbau.
-
Bei
einer vierten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die zweite
Schicht Keramikteilchen. Auf diese Weise kann die Wärmeausdehnung der
zweiten Schicht verringert werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung wird nun näher
unter Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen
-
1 eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung,
-
2 schematisch
die vorteilhafte Wirkung der Erfindung in einem Temperaturdiagramm,
und
-
3 die
vorteilhafte Wirkung der Erfindung in einem Dehnungsdiagramm zeigt.
-
INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
1 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung, in welcher ein Wandaufbau 2 eine Brennkammer 1 bildet.
Wie in dem vergrößerten Teil
von 1 gezeigt ist, hat der Wandaufbau 2 eine erste
Schicht 5 und eine zweite Schicht 6. Die zweite Schicht 6 befindet
sich auf einer heißen
Seite 8 des Wandaufbaus 2, d.h. auf der Seite
des Wandaufbaus 2, die der Wärmequelle zugewandt ist, welche
wenigstens gelegentlich den Wandaufbau 2 einer thermischen
Belastung aussetzt. In diesem Fall sind die Wärmequelle die heißen Gase
innerhalb der Brennkammer. Die erste Schicht 5 ist mit
Kühlkanälen 7 versehen,
die für
den Durchstrom eines Kühlmediums
angepasst sind.
-
Jede
der Schichten 5, 6 trägt einen beträchtlichen
Teil einer strukturellen Belastung. Bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform
haben die beiden Schichten 5, 6 ähnliche
Festigkeitseigenschaften, was bedeutet, dass die Gesamtdicke des
Wandaufbaus 2 nicht aus dem Grund erhöht werden muss, dass der Aufbau
zwei Schichten aufweist. Wenn die Dicke der zweiten Schicht 6 um
einen bestimmten Wert vergrößert wird,
kann im Prinzip die Dicke der ersten Schicht 5 um einen
gleichen Wert verringert werden. Weiterhin sind die beiden Schichten 5, 6 so miteinander
verbunden, dass Wärme
von einer Schicht zur anderen geleitet werden kann, und die zweite
Schicht 6 hat eine höhere
Wärmeleitfähigkeit und
eine niedrigere Wärmeausdehnung
als die erste Schicht 5.
-
Die
strukturelle Belastung besteht aus Lasten, die von dem Aufbau in
Form von Spannungen getragen werden. Der Ursprung der Belastungen
in dem Aufbau können
beispielsweise Druck, Wärmespannung,
Massenkräfte
(d.h. Beschleunigung) und mechanische Kräfte an Trennflächen sein.
Wenn gesagt wird, dass jede der Schichten 5, 6 zum
Tragen eines beträchtlichen
Teils einer strukturellen Belastung angepasst ist, bedeutet dies,
dass beide Schichten 5, 6 zum Abstützen des
Aufbaus beitragen. Dies steht im Gegensatz zum bisher erwähnten Stand
der Technik, bei welchem die Innenwand mit einer Wärmesperrbeschichtung
versehen ist, die einen beträchtlichen
Teil der strukturellen Belastung nicht trägt.
-
Wenn
die Temperatur in der Brennkammer 1 ansteigt, d.h. wenn
die thermische Belastung an dem Wandaufbau anliegt, steigt die Temperatur
in dem Wandaufbau 2, und es entwickelt sich in dem Wandaufbau 2 ein
Temperaturgradient. Natürlich
findet man die höchsten
Temperaturen des Wandaufbaus 2 in den äußersten Teilen der zweiten
Schicht 6, die der Wärmequelle
am nächsten
liegen. In der Richtung zu den Kühlkanälen 7 und
zur anderen kühleren
Seite 9 des Wandaufbaus 2 nimmt die Temperatur
allmählich ab.
Der größte Temperaturgradient,
d.h. das steilste Temperaturprofil in dem Wandaufbau 2 findet
man natürlich
in dem Teil zwischen der heißen
Seite 8 und den Kühlkanälen 7,
durch welche ein Kühlmedium strömt. Ein
solcher Teil hat in 1 das Bezugszeichen 10.
-
Insgesamt
expandiert das Baumaterial, wenn die Temperatur steigt. Je höher die
Temperatur ist, desto größer ist
die Ausdehnung. Wenn diese Ausdehnung nicht vollständig, beispielsweise
durch Verformung des Aufbaus, absorbiert werden kann, entsteht eine
Druckspannung, d.h. eine negative thermische Beanspruchung in dem
Aufbau. Die thermische Beanspruchung hängt in einem bestimmten Punkt
sowohl von der Temperatur als auch von der Wärmeausdehnung des Materials
ab. Ein Wärmebeanspruchungsprofil
in einem bestimmten Material hat somit prinzipiell die gleiche Form
wie das Temperaturprofil. Eine hohe Wärmebeanspruchung verringert die
Festigkeit des Materials. Die Erfindung senkt thermische Beanspruchung
in dem Wandaufbau oder beseitigt wenigstens die extremsten Werte
in dem Wärmebeanspruchungsprofil.
Dies wird nachstehend näher
beschrieben.
-
2 zeigt
ein typisches Temperaturdiagramm über dem Teil mit dem größten Wärmegradienten
in dem Wandaufbau 2, d.h. über dem Teil 10 in 1.
Der obere Abschnitt des Diagramms stellt die erste Schicht 5,
der untere Abschnitt die zweite Schicht 6 dar. Ein typisches
Temperaturprofil des Teils 10, wenn es einer thermischen
Belastung ausgesetzt ist, wird durch eine ausgezogene Linie K auf der
rechten Seite des Diagramms gezeigt. Um den vorteilhaften Effekt
der Erfindung deutlich zu zeigen, ist 2 das Temperaturprofil
für einen
Aufbau mit einer herkömmlichen
einschichtigen Bauweise hinzugefügt.
Bei diesem Aufbau gibt es keine zweite Schicht 6, stattdessen
ist die Dicke der ersten Schicht 5 so vergrößert, dass
sie die zweite Schicht 6 ersetzt, so dass die Gesamtdicke
die gleiche ist und der ganze Teil 10 die gleiche Wärmeleitfähigkeit
und Wärmeausdehnung
wie die erste Schicht 5 hat. Eine gestrichelte Linie L
auf der rechten Seite des Diagramms zeigt das Temperaturprofil für den herkömmlichen Aufbau.
Wie in 2 zu sehen ist, ist das Temperaturprofil für den herkömmlichen
Aufbau eine gerade Linie (gestrichelte Linie L), während die
für den Wandaufbau 2 nach
der Erfindung eine unterschiedliche vorteilhafte Neigung in der
zweiten Schicht (ausgezogene Linie K) aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit
dieser Schicht hat. Die Temperaturen in dem Hochtemperaturteil des
Temperaturprofils sind somit in dem Wandaufbau 2 nach der
Erfindung niedriger als in einem Aufbau herkömmlicher Art.
-
Das
typische Temperaturprofil in 2 lässt ein
entsprechendes typisches Dehnungsprofil stehen. Ein solches typisches
Dehnungsdiagramm über dem
Teil 10 von 1 ist in 3 gezeigt.
Der obere Abschnitt des Diagramms stellt die erste Schicht 5, der
untere Abschnitt die zweite Schicht 6 dar. Wie vorstehend
erwähnt,
hat die zweite Schicht 6 sowohl eine höhere Wärmeleitfähigkeit als auch eine niedrigere
Wärmeausdehnung
als die erste Schicht 5. Ein übliches Dehnungsprofil des
Teils 10, während
es einer Wärmebelastung
ausgesetzt ist, ist durch eine ausgezogene Linie K auf der linken
Seite des Diagramms gezeigt. Der negative Wert der Dehnung (ε) ist ein
Ergebnis der Druckkräfte,
die durch die Wärmeausdehnung
ver ursacht werden. Ähnlich
wie bei dem Temperaturdiagramm von 2 wurde 3 zum
Vergleich ein typisches Dehnungsprofil für den Aufbau herkömmlicher
Art hinzugefügt,
um den vorteilhaften Effekt der Erfindung deutlich zu zeigen. Bei diesem
Aufbau gibt es keine zweite Schicht 6, stattdessen wurde
die Dicke der ersten Schicht 5 als Austausch der zweiten
Schicht 6 erhöht,
so dass die Gesamtdicke die gleiche ist und der ganze Teil 10 die gleiche
Wärmeleitfähigkeit
und Wärmeausdehnung wie
die erste Schicht 5 hat. Eine gestrichelte Linie L auf
der linken Seite des Diagramms zeigt das Temperaturprofil für den Aufbau
herkömmlicher
Art. Wie in 3 zu sehen ist, ist das Dehnungsprofil
für den herkömmlichen
Aufbau eine gerade Linie, während das
Dehnungsprofil für
den Wandaufbau 2 nach der Erfindung sowohl eine unterschiedliche
vorteilhafte Neigung hat als auch in der zweiten Schicht 6 auf
einer Dehnung von Null gebracht wird. Die vorteilhafte Neigung ergibt
sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit
der zweiten Schicht 6, während die Annäherung des
Profils an einer Dehnung von Null sich aus der geringeren Wärmeausdehnung
der zweiten Schicht ergibt. Die thermische Dehnung in dem hochbeanspruchten
Teil des Dehnungsprofils ist somit bei dem Wandaufbau 2 nach
der Erfindung kleiner als bei dem Aufbau herkömmlicher Art.
-
In 3 sind
auch zwei weitere Linien K' und K'' gezeigt. Die Linie K' stellt einen Fall
dar, in welchem die Wärmeausdehnung
der zweiten Schicht 6 ähnlich
zu der der ersten Schicht 5 ist, während die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Schicht 6 höher als die
der ersten Schicht 5 ist. Die Linie K'' stellt
einen anderen Fall dar, in welchem die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Schicht 6 ähnlich zu
der der ersten Schicht 5 ist, während die Wärmeausdehnung der zweiten Schicht 6 geringer
ist als die der ersten Schicht 5. Wie in 3 zu
sehen ist, ist die thermische Dehnung in dem Wandaufbau 2 in
diesen beiden Fällen
kleiner als bei dem Aufbau herkömmlicher Art
(gestrichelte Linie L). Somit genügt es, dass die zweite Schicht 6 entweder
eine höhere
Wärmeleitfähigkeit
oder eine niedrigere Wärmeausdehnung
als die erste Schicht hat, um den vorteilhaften technischen Effekt
zu erzielen, dass die thermische Beanspruchung in dem Wandaufbau 2 verglichen
mit einem Aufbau herkömmlicher
Art verringert ist. Es ist sogar möglich, diesen Effekt zu erreichen,
wenn die zweite Schicht 6 eine Wärmeleitfähigkeit hat, die etwas niedriger
als die der ersten Schicht 5 ist, vorausgesetzt, dass die
Wärmeausdehnung
der zweiten Schicht 6 ausreichend niedriger als die der
ersten Schicht 5 ist. Umgekehrt ist es auch möglich, den
Effekt zu erreichen, wenn die zweite Schicht 6 eine Wärmeausdehnung
hat, die etwas niedriger als die der ersten Schicht 5 ist,
vorausgesetzt, dass die Wärmeleitfähigkeit
der zweiten Schicht 6 ausreichend größer als die der ersten Schicht 5 ist.
Natür lich
wird der größte Effekt
erreicht, wenn die zweite Schicht 6 sowohl eine höhere Wärmeleitfähigkeit
als auch eine niedrigere Wärmeausdehnung
als die erste Schicht 5 hat, wie dies bei der Ausführungsform
der Erfindung von 1 der Fall und durch die Linie
K in 3 gezeigt ist.
-
Es
nicht erforderlich, dass die beiden Schichten 5, 6 gleiche
Festigkeitseigenschaften haben, um die Erfindung zu nutzen. Somit
ist es nicht erforderlich, dass die kombinierte Wanddicke der ersten
und zweiten Schicht 5, 6 zu der des herkömmlichen
einschichtigen Aufbaus gleich ist, wie es vorstehend unter Bezug
auf die gestrichelte Linie L in 2 und 3 beschrieben
ist. Die Erfindung hat eine vorteilhafte Wirkung auf die thermische
Beanspruchung auch dann, wenn die Dicke verglichen mit dem herkömmlichen
Aufbau etwas vergrößert ist,
vorausgesetzt, dass die Wirkung der Benutzung unterschiedlicher
Materialeigenschaften in der zweiten Schicht 6 ausreicht.
Es ist somit nicht erforderlich, dass die beiden Schichten 5, 6 gleich
angepasst sind, um die strukturelle Belastung zu tragen, da die
Möglichkeit besteht,
die Dicke von einer oder beiden der zwei Schichten 5, 6 zu
erhöhen.
Die vorteilhafte Wirkung nach der Erfindung tritt jedoch dann besonders
hervor, wenn die Wanddicke auf einem Minimum erhalten wird und der
Effekt mit zunehmender Wanddicke abnimmt. Natürlich ist eine Verringerung
der Wanddicke in jedem Fall wichtig, um das Gewicht niedrig zu halten.
-
Der
zweischichtige Aufbau nach der Erfindung ermöglicht die Verwendung eines
ersten Materials in der ersten Schicht 5 und eines zweiten
Materials in der zweiten Schicht 6 und somit eine Kombination
unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften von unterschiedlichen
Materialien auf vorteilhafte Weise. Neben der Kombination der vorstehend
beschriebenen thermischen Eigenschaften ermöglicht die Erfindung die Kombination
von Eigenschaften, die beispielsweise kosten- und behandlungsbezogen sind.
Beispielsweise kann ein Material, das für den Einsatz in der zweiten
Schicht 6 aufgrund seiner thermischen Eigenschaften geeignet
ist, für
die Verwendung über
dem gesamten Wandaufbau 2 zu teuer, schwer oder schwierig
zu bearbeiten sein. Erfindungsgemäß kann ein solches Material
mit einem anderen Material kombiniert werden, das zur Bildung der
ersten Schicht 5 billiger, leichter und einfacher zu verarbeiten
ist.
-
Für die Verwendung
der Erfindung ist es nicht nötig,
dass der Wandaufbau 2 mit Kühlkanälen 7 versehen ist
oder dass ein Kühlmedium,
das für diesen
Zweck vorgesehen ist, überhaupt verwendet wird,
jedoch steigern sich die Vorteile der Erfindung in einem solchen
Fall, insbesondere wenn Wasserstoff als Kühlmedium verwendet wird. Erstens
führt das Vorhandensein
von sowohl einer Wärmequelle
als auch eines Kühlmediums
zu einem großen
Temperaturgradienten. In einem solchen Fall ist es besonders wichtig,
Maßnahmen
zu treffen, um die Wärmebeanspruchung
in dem Wandaufbau zu verringern. Zweitens kann ein bestimmtes Material
physikalische Eigenschaften haben, die zur Verwendung bei dem Wandaufbau
der hier diskutierten Art besonders geeignet sind, mit der Ausnahme,
dass das Material empfindlich ist, wenn es Wasserstoff ausgesetzt
wird. Gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
der Erfindung kann ein solches Material noch in der zweiten Schicht 6 verwendet
werden, da die Kühlkanäle 7 sich
in einem Abstand von der zweiten Schicht befinden, so dass das diese
Schicht bildende Material nicht mit dem Kühlmedium, d.h. dem Wasserstoff,
in Kontakt kommt.
-
Vorzugsweise
wird die erste Schicht 5 aus einem ersten metallischen
Material und die zweite Schicht 6 aus einem zweiten metallischen
Material gebildet, wobei das zweite metallische Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit
und eine niedrigere Wärmeausdehnung
als das erste metallische Material hat.
-
Eine
geeignete Kombination von metallischen Materialien sind die Verwendung
von austenitischem rostfreien Stahl in der ersten Schicht 5 und von
ferritischem-martensitischem rostfreien Stahl in der zweiten Schicht 6.
Ein Beispiel besteht darin, Nitronic 40 in der ersten Schicht 5 und
INCO 600 oder Greek-Legierung in der zweiten Schicht 6 zu
verwenden. Eine solche Kombination verringert die Dehnung in dem
Wandaufbau bis auf etwa 75% von der, wie sie auftreten würde, wenn
in beiden Schichten nur Nitronic 40 eingesetzt würde. Eine noch stärkere Dehnungsreduzierung
erhält
man bei Verwendung von Nitronic 40 in der ersten Schicht 5 und
reinem Nickel in der zweiten Schicht 6.
-
Eine
Reduzierung der Beanspruchung auf 75% verlängert die Lebensdauer beträchtlich,
annähernd
um das Dreifache. Anstatt die Lebensdauer zu verlängern, kann
eine reduzierte Beanspruchung verwendet werden, um die Fertigung
zu vereinfachen, beispielsweise durch Steigern der Toleranzen oder
durch Verringern der Anzahl von Kühlkanälen, wodurch die Herstellungskosten
verringert werden.
-
Eine
typische Dicke für
das Teil 10, d.h. eine typische Länge der Entfernung von der
heißen
Seite 8 zu den Kühlkanälen 7 liegt
im Bereich von 0,6 bis 0,9 mm. Vorzugsweise beträgt die Dicke der zweiten Schicht 6 etwa
die Hälfte
der Dicke des Teils 10, d.h. etwa 0,4 mm.
-
Bei
einer Weiterentwicklung der Ausgestaltung der Erfindung nach 1 enthält die zweite Schicht 6 Keramikteilchen,
um die thermische Beanspruchung weiter zu verringern. Im Allgemeinen
hat ein keramisches Material eine sehr niedrige Wärmeausdehnung
verglichen mit einem metallischen Material, und durch Zumischen
eines solchen Materials in die zweite Schicht 6 wird die
Wärmeausdehnung der
zweiten Schicht 6 verringert. Viele keramische Materialien
erweisen sich auch als zufriedenstellend für hervorragende Wärmeleiteigenschaften.
Wenn die Wärmeleitfähigkeit
des keramischen Materials niedrig ist, ist die Menge des keramischen
Materials begrenzt, die in die zweite Schicht 6 eingemischt
werden kann, ohne den vorteilhaften thermischen Effekt zu verlieren.
Ein sehr großer
Anteil an keramischem Material in der zweiten Schicht 6 würde zu einer
beträchtlichen
Verringerung der Fähigkeit
der zweiten Schicht 6 führen,
die strukturelle Belastung zu tragen. In einem solchen Fall muss
die Wanddicke vergrößert werden,
was das thermische Beanspruchungsprofil steigert und dem Wandaufbau 2 Gewicht
hinzufügt.
In bestimmten Situationen kann man eine erhöhte Wandstärke zulassen, vorausgesetzt,
dass die thermischen Eigenschaften in einem ausreichenden Ausmaß verbessert
werden.
-
Für das Zumischen
in die zweite Schicht 6 ist eine große Anzahl von verschiedenen
keramischen Materialien, wie Oxide, Carbide und Nitride, geeignet.
Wenn die zweite Schicht 6 auf die erste Schicht 5 durch
eine Laser-Sinterung aufgebracht wird, werden Carbide und Nitride
bevorzugt, da Oxide zu viel Laserenergie absorbieren. Beispiele
für geeignete keramische
Materialien sind Aluminiumnitrid, Titannitrid, Aluminiumcarbid,
Titancarbid und Siliciumcarbid. Vorzugsweise ist die Form der in
die zweite Schicht 6 eingeschlossenen Keramikteilchen sphärisch, um
die Spannungskonzentration an dem mit dem Teilchen gefüllten Hohlraum
zu minimieren. Die Keramikteilchen sind vorzugsweise viel kleiner
als die Dicke der zweiten Schicht 6.
-
Es
wird nun ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Wandaufbaus 2 gemäß 1 beschrieben.
Das Ausgangsmaterial ist eine Primärplatte, und in einem ersten
Schritt des Herstellungsverfahrens wird die Platte in eine geeignete
Form gebracht, beispielsweise einen Ko nus. In einem zweiten Schritt
wird die zweite Schicht 6 auf die Primärplatte unter Verwendung von
Laser-Sintern von Metallpulver aufgebracht. Die Primärplatte
bildet so einen Teil der ersten Schicht 5 nach 1.
Bei dem zweiten Schritt ist wichtig, dass die Dicke der aufgebrachten
zweiten Schicht 6 in jedem Punkt einen bestimmten Minimalwert überschreitet.
In einem dritten Schritt wird die zweite Schicht 6 spanend
bearbeitet, vorzugsweise durch Abdrehen, um eine gleichförmige Dicke
zu erhalten. In einem vierten Schritt wird die Primärplatte,
d.h. der Teil der ersten Schicht 5, von der kalten Seite
5 des Wandaufbaus 2 gefräst, um Nuten zu bilden, die
später
die Kühlkanäle 7 bilden. In
einem fünften
Schritt wird eine Sekundärplatte
auf die Primärplatte
geschweißt,
d.h. auf den Teil der ersten Schicht 5 derart, dass die
Nuten/Kühlkanäle 7 abgedeckt
sind. Durch Verwendung des gleichen Materials für die Primärplatte und die Sekundärplatte
bilden diese beiden Platten zusammen die erste Schicht 5 nach 1.
Es ist natürlich
auch möglich, unterschiedliche
Materialien für
die Primär-
und Sekundärplatte
zu verwenden.
-
Wenn
in die zweite Schicht 6 ein keramisches Material eingemischt
werden soll, wird vorzugsweise ein keramisches Pulver mit dem metallischen
Pulver in dem zweiten Schritt gemischt.
-
Eine
vorteilhafte Technik ist das Laser-Sintern, da es eine gute Haftung
an der Primärplatte
ergibt. Es können
tatsächlich
zwei Teile zur Bildung eines Teils integriert werden. Zusätzlich bildet
das Laser-Sintern ein dichtes und festes Material.
-
Als
Alternative zum Laser-Sintern ist es möglich, beispielsweise eine
Elektroabscheidung oder eine Plasmazerstäubung zu verwenden, um die zweite
Schicht 6 auf der Primärplatte
aufzubringen. Eine andere Alternative besteht darin, die zweite Schicht 6 während eines
Blechwalzens aufzubringen und somit das Herstellungsverfahren mit
einem gewalzten Verbundmetallblech zu beginnen, das sowohl die erste
als auch die zweite Schicht 5, 6 enthält. Wieder
eine andere Alternative besteht darin, die Primärplatte in eine geeignete Form
zu bringen und zum Aufbringen der zweiten Schicht 6 auf
die Primärplatte
eine Explosionsplattierung zu verwenden.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
vielmehr ist eine Anzahl von Modifizierungen innerhalb des Umfangs
der folgenden Ansprü che
möglich.
Beispielsweise kann der Wandaufbau zusätzliche Schichten mit anderen
Materialeigenschaften aufweisen. Als Beispiel kann der Deckel auf
den Nuten/Kühlkanälen 7 aus
einem anderen Material bestehen, um die Beanspruchung zu verringern,
die durch den Temperaturgradienten durch die gesamte Wand hindurch
verursacht wird, d.h. von der heißen Seite 8 zur kalten
Seite 9. Es können
auch zusätzliche
Schichten direkt an der ersten und der zweiten Schicht 5, 6 oder
dazwischen positioniert werden. Bei Verwendung von unterschiedlichen
Materialeigenschaften in diesen zusätzlichen Schichten wäre es möglich, einen
Mehrschichtaufbau zu bilden, um die negativen Wirkungen der thermischen
Beanspruchungen in der Wand zu verringern.
-
Bei
einigen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Innenseite der
Kühlkanäle 7 mit
einem Material abzudecken, das gegenüber dem Kühlmedium unempfindlich ist.
-
Ferner
ist der Wandaufbau nach der Erfindung nicht auf Raketentriebwerkbauteile
beschränkt, er
kann auch bei anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen
sich eine beträchtliche
Wärmebelastung
einstellt, beispielsweise bei Verbrennungskammern, Düsentriebwerken
und Turbinen.