ES2285129T3 - Estructura de pared. - Google Patents
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Abstract
Una estructura de pared (2) destinada para exponerse a una carga térmica, que comprende por lo menos dos capas: una primera capa (5) y una segunda capa (6), estando situada dicha segunda capa (6) mas próxima a una fuente de dicha carga térmica que dicha primera capa (5), y estando dichas capas (5, 6) dispuesta de modo que se permita la conducción de calor desde la segunda capa (6) a la primera capa (5), en donde cada una de dichas primera y segunda capas (5, 6) son aptas para comportar una porción significante de una carga estructura, y en donde la segunda capa (6) exhibe una conductividad térmica superior y/o una expansión térmica inferior que la primera capa (5), en donde dicha estructura de pared (2) comprende canales de refrigeración (7) que se sitúan en un lateral de la segunda capa (6) que está opuesto al de dicha fuente térmica, siendo aptos dichos canales de refrigeración (7) para el caudal directo del medio refrigerante y en donde dichos canales de refrigeración (7) se sitúan a unadistancia de la segunda capa (6).
Description
Estructura de pared.
El invento se refiere en general a una
estructura de pared prevista para ser expuesta a una carga térmica.
En particular el invento se refiere a una estructura de pared para
uso en un componente de motor cohético.
Un motor cohético desarrolla una carga de calor
considerable y las paredes de la cámara de combustión y la tobera
utilizada para expandir el gas se exponen a temperaturas muy
elevadas. Se precisa un enfriamiento eficiente para evitar que las
paredes se fundan o de otro modo se destruyan. En motores cohéticos
de propulsión líquida, o sea motores cohéticos que utilizan
combustible líquido, la refrigeración se obtiene usualmente
conduciendo combustible frío, por ejemplo hidrógeno o queroseno, en
canales en el interior de las paredes y así utilizar el combustible
como medio refrigerante.
El calentamiento del material de construcción de
la pared conduce a expansión térmica del material. Con una carga
de calor intensa sobre el lateral caliente de la pared y con
enfriamiento simultáneo desde el interior de la pared se desarrolla
en la pared un gradiente de temperatura significante. Esto conduce
a un gradiente de expansión térmica que causa un esfuerzo térmico
considerable dentro de la pared, que limita la vida de servicio de
los componentes cohéticos tal como la cámara de empuje, o sea la
cámara de combustión y la tobera. La posición mas limitativa es la
parte interna de la pared en la cámara de combustión, o sea el
lateral caliente de la pared situado entre los canales de
refrigeración y la superficie de pared frente a la cámara de
combustión.
Motores cohéticos reusables y no reusables
precisan resistir una carga térmica. Los motores cohéticos
reusables también precisan resistir una exposición repetida a una
carga térmica cuando experimentan una pluralidad de aterrizajes, o
sea estos motores precisan tener una larga vida de fatiga de ciclo
bajo. Contra mejor es la resistencia para rebajar las cargas de
fatiga del ciclo mas veces pueden ser utilizados.
El esfuerzo total de la parte interna de la
pared depende del gradiente térmico a través de esta parte de la
pared y también sobre el gradiente térmico a través de toda la
pared, desde el lateral caliente al lateral frío. Con el descenso
del esfuerzo puede extenderse la vida de servicio. Un bajo esfuerzo
en la parte interna de la pared también conduce a un esfuerzo
inferior en la parte externa de la pared puesto que las fuerzas en
las paredes son cada otra fuerza y fuerza de reacción.
Usualmente el combustible es hidrógeno. Surge
una complicación cuando se utiliza hidrógeno como medio de
refrigeración ya que los materiales metálicos son con frecuencia
sensibles a la exposición de hidrógeno que comunmente resulta en
una resistencia del material reducida. Esto limita la opciones en
la elección del material.
Materiales con alta conductividad térmica reduce
el gradiente térmico y así la fatiga térmica. El cobre y el
aluminio son materiales con alta conductividad térmica pero el uso
de estos materiales es limitado puesto que pueden excederse la
temperatura de operación mas alta permitida en fases de ciclo de
vuelo en donde no está disponible el refrigerante tal como en la
fase de reentrada. Materiales con baja expansión térmica reducen
también la fatiga térmica en la estructura de pared. Sin embargo,
es difícil hallar materiales de baja expansión térmica que también
sean dúctiles, resistentes a la exposición a hidrógeno y apropiados
para elaboración.
Se ha propuesto una serie de diferentes
estructuras de pared en el arte anterior. En una estructura el
medio refrigerante se conduce a través de tubos con una sección
transversal circular que se sueldan juntos paralelos entre sí.
Esta construcción es flexible en una dirección perpendicular al eje
longitudinal de los tubos en que la expansión térmica puede
absorberse por deflexión de los tubos que puede tomar una forma en
sección transversal oval. Sin embargo, la construcción es rígida
en la dirección axial de los tubos. Otro inconveniente es que la
topología sinuosa de la construcción conduce a temperaturas muy
altas en untos calientes y las crestas de los tubos en el lateral
caliente de la pared.
En otra estructura tubos con una sección
rectangular se sueldan entre sí sobre el lateral frío, el lateral
externo, de la pared. Esta estructura no tiene partes que resalten
del lateral caliente de la pared. Además la construcción facilita
la formación de una distancia entre los tubos en el lateral interno
de la pared durante el periodo de refrigeración puesto que los
tubos se unen solo en el lateral externo de la pared. Esto reduce
la fatiga térmica durante el enfriamiento. Sin embargo, puesto que
se forman distancias entre los tubos la pared interna no será lisa,
o que conduce a una fricción aumentada y así una velocidad de llama
media reducida.
Otro ejemplo es una estructura llamada sandwich
en donde una placa primaria se proporciona, por ejemplo mediante
fresado, con canales refrigerantes y se suelda una placa secundaria
a la placa primaria como una cubierta sobre las canales
refrigerantes. En una construcción de esta índole la pared interna
es continua en dirección tangencial y por consiguiente la
estructura proporciona muy poca flexibilidad para reducir el
esfuerzo que surge de la expansión térmica.
Se conoce también por el arte anterior el
proporcionar la pared interna con un recubrimiento de barrera
térmica utilizando un material con baja conductividad térmica, tal
como material cerámico, para aislar la estructura metálica
portadora de carga. La baja conductividad térmica de este
material tiene el efecto de que la temperatura en el recubrimiento
aumente para una carga térmica constante. Debido a la expansión
térmica el recubrimiento se cargará fuertemente en compresión y,
junto con la alta carga térmica, esto conduce a la deslaminación del
recubrimiento. Un inconveniente general con estos recubrimientos
de barrera térmica en, por ejemplo, aplicaciones a motores
cohéticos, es que el componente recubierto adquiere un peso
adicional.
La US 3.897.316 describe una pared compuesta
para una cámara de empuje regenerativamente enfriada de un motor
cohético de propulsión por líquido. La pared compuesta comprende un
componente de pared externo que actúa como el caparazón estructural
de la cámara de empuje, comprendiendo un componente de pared medio
pasos de refrigerante y un componente de pared interna de alta
conductividad térmica. El componente de pared interna delimita
pasos de refrigerante.
El objeto principal del presente invento es
proporcionar una estructura de pared que resista una carga térmica
intensa y que tenga una vista de servicio mas prolongada en
comparación con el arte anterior. Este objeto se obtiene con las
características contenidas en la reivindicación 1. Las
reivindicaciones dependientes contienen unas realizaciones
ventajosas, otros desarrollos y variantes del invento.
El invento se refiere a una estructura de pared
prevista para exponerse a carga térmica, que comprende por lo menos
dos capas: una primera capa y una segunda capa, disponiéndose dicha
segunda capa mas próxima a una fuente de dicha carga térmica que
dicha primera capa, y estando dispuestas dichas capas de modo que se
permite que el calor sea conducido desde la segunda capa a la
primera capa, en donde cada una de dichas primera y segunda capas
son aptas para comportar una porción significante de una carga
estructura, y la segunda capa exhibe superior conductividad térmica
y/o una expansión térmica inferior que la primera capa. Este diseño
tiene el efecto ventajoso de que reduce la fatiga térmica y sus
efectos en la estructura de pared que a su vez prolonga la vida de
servicio. En resumen esto puede explicarse como sigue: La primera
característica, o sea que ambas capas pueden comportar una carga
estructural, tiene el efecto de que el espesor de la pared puede
mantenerse a un mínimo, o sea, no es necesario aumentar el espesor
de la pared precisamente porque la estructura comprende dos capas.
La segunda característica puede dividirse en dos: i) una
conductividad térmica superior en la segunda capa rebaja los
niveles de temperatura y el gradiente de temperatura en la
estructura de pared. Debido a que la fatiga térmica depende de la
temperatura y la expansión térmica del material, esto rebajará los
valores absolutos de la fatiga térmica y hará que el perfil de
fatiga a través de la estructura de pared sea mas uniforme, ii) Una
expansión térmica en la segunda capa reduce la expansión en la parte
mas caliente de la estructura lo que reduce la fatiga térmica mas
extrema y conduce a un perfil de fatiga térmica mas uniforme. El
descenso de los valores de fatiga y un perfil de fatiga mas uniforme
tienen un efecto favorable sobre la vida de servicio de la
estructura de pared.
Otra ventaja de utilizar capas para soportar la
carga estructural es que no adiciona a la construcción "peso
muerto", como es, por ejemplo, el caso con recubrimientos de
barrera térmica. En adición, la ausencia de recubrimiento de
barrera térmica hace que las partes que comportan carga de la
estructura de pared sean accesibles para inspección. Otro efecto
ventajoso de niveles de temperatura en descenso es que conduce a
propiedades de material mejoradas, tal como superior resistencia
estructural.
El invento incluye una estructura de pared que
comprende canales de refrigeración que se sitúan en un lateral de
la segunda capa que es opuesto a la de dicha fuente térmica, siendo
aptos dichos canales de refrigeración para refrigerar caudal
directo del medio. Además un diseño de esta índole hace posible
utilizar un material sensible al hidrógeno en la segunda capa
también en situaciones en donde se utiliza hidrógeno como un medio
refrigerante.
En una primera modalidad ventajosa del invento
la segunda capa exhibe una conductividad térmica superior y una
expansión térmica inferior que la primera capa. De este modo los
efectos ventajosos de cada una de estas propiedades de material
puede interactuar y formar un diseño aún mejor.
En una segunda modalidad ventajosa del invento
dichas canales de refrigeración se disponen en conexión a la
primera capa, de preferencia dichas canales refrigerantes se sitúan
por lo menos parcialmente dentro de la primera capa. Esta
organización proporciona un diseño favorable.
Una tercera modalidad ventajosa del invento la
primera capa se forma esencialmente a partir de un primer material
metálico, y la segunda capa se forma, esencialmente, a partir de un
segundo material metálico, teniendo dicho segundo material metálico
una conductividad térmica superior y/o una expansión térmica
inferior que el primer material metálico. Debido a que el metal es
un material de construcción apropiado esto proporciona una
construcción favorable.
Una cuarta modalidad ventajosa del invento la
segunda capa contiene partículas de cerámica. De este modo la
expansión térmica de la segunda capa puede reducirse mas.
El invento se describirá con mayor detalle con
referencia a los dibujos siguientes, en donde:
La figura l muestra una modalidad ventajosa del
invento,
La figura 2 muestra esquemáticamente el efecto
ventajoso del invento en un diagrama de temperatura.
La figura 3 muestra esquemáticamente el efecto
ventajoso del invento en un diagrama de fatiga.
La figura l muestra una modalidad ventajosa del
invento en ton de una estructura de pared 2 forma una cámara de
propulsión 1. Como se muestra en la parte ampliada de la figura l
la estructura de pared 2 comprende una primera capa 5 y una segunda
capa 6. La segunda capa 6 se sitúa sobre un lateral caliente 8 de
la estructura de pared 2, o sea el lateral de la estructura de
pared 2 que se enfrenta a una fuente de calor que, por lo menos
ocasionalmente, expone la estructura de pared 2 a una carga térmica.
En este caso la fuente de calor es gases calientes en el interior
de la cámara de propulsión. La primera capa 5 esta provista con
canales de refrigeración 7 que aptos para caudal directo de un
medio refrigerante.
Cada una de las capas 5, 6 comporta una porción
significante de una carga estructural. En la modalidad mostrada en
la figura 1 las dos capas 5, 6 tienen propiedades de resistencia
similares lo que significa que el espesor total de la estructura de
pared 2 no ha de aumentarse por el motivo de que la construcción
comprenda dos capas. Principalmente si el espesor de la capa
secundaria 6 se aumenta según cierto valor el espesor de la
primera capa 5 puede disminuirse en un valor igual. Además las dos
capas 5, 6 se unen entre sí de modo que el calor puede conducirse
de una capa a la otra, y la segunda capa 6 exhibe una conductividad
térmica superior y una expansión térmica inferior que la primera
capa 5.
La carga estructural es comportada por la
estructura en forma de esfuerzos. El origen de las cargas en la
estructura puede ser, por ejemplo, presión, fatiga térmica, fuerzas
de masas (o sea aceleración) y fuerzas mecánicas en interfases. Al
decir que cada una de las capas 5, 6 son aptas para comportar una
porción significante de una carga estructural se entiende que ambas
capas 5, 6 contribuyen al soporte de la estructura. Esto contrasta
con el arte anterior antes citado en donde la pared interna está
provista con un recubrimiento de barrera térmica que no comporta
una porción significante de la carga estructural.
A medida que la temperatura se eleva en la
cámara de propulsión 1, o sea cuando la carga térmica se aplica a
la estructura de pared, la temperatura se eleva en la estructura de
pared 2 y se desarrollará un gradiente de temperatura en la
estructura de pared 2. Naturalmente las temperaturas mas altas de
la estructura de pared se encontrarán en las partes mas externas de
la segunda capa 6 que están situadas mas próximas a la fuente de
calor. En la dirección hacia los canales de refrigeración 7 y el
otro lateral 9, refrigerante, de la estructura de pared 2, la
temperatura decrecerá gradualmente. El mayor gradiente de
temperatura, o sea el perfil de temperatura mas escalonado, en la
estructura de pared 2 se encontrará naturalmente en la parte entre
el lateral caliente 8 y los canales de refrigeración 7 a través de
los cuales fluye un medio refrigerante. A una parte de esta índole
se le ha dado la referencia 10 en la figura 1.
En general el material de construcción se
expande cuando aumenta la temperatura. Contra mayor es la
temperatura mayor es la expansión. En caso que esta expansión no
se absorba totalmente por, por ejemplo, deformación de la
construcción, esto da lugar a esfuerzo de compresión, o sea una
fatiga térmica negativa, en la construcción. La fatiga térmica en
cierto punto depende de la temperatura y la expansión térmica del
material. Así pues un perfil de fatiga térmica en cierto material
tendrá principalmente la misma forma que el perfil de temperatura.
Una alta disminución de fatiga térmica disminuye la durabilidad del
material. El invento rebaja la fatiga térmica en la estructura de
pared, o elimina por lo menos los valores mas extremos en el perfil
de fatiga térmica. Esto se describe adicionalmente a
continuación.
La figura 2 muestra un diagrama de temperatura
típico en la estructura de pared 2, o sea, parte 10 en la figura 1.
La sección superior del diagrama representa la primera capa 5 y la
sección inferior representa la segunda capa 6. Un perfil de
temperatura de la parte 10 durante la exposición a una carga térmica
se muestra mediante una línea continua K sobre la parte derecha del
diagrama. Con el fin de mostrar claramente el efecto ventajoso del
invento el perfil de temperatura para una construcción de tipo de
capa simple convencional se ha añadido a la figura 2 para
comparación. En esta construcción no existe segunda capa 6, por el
contrario se ha aumentado el espesor de la primera capa 5 para
sustituir la segunda capa 6 de modo que el espesor total sea el
mismo y de modo que la parte de conjunto 10 exhiba la misma
conductividad térmica y expansión térmica que la primera capa 5.
Una línea de trazos L en el lateral derecho del diagrama muestra el
perfil de temperatura para el tipo de construcción convencional.
Como puede verse en la figura 2 el perfil de temperatura para la
construcción convencional es una línea recta (línea de trazos L),
mientras que para la estructura de pared 2, de conformidad con el
invento tiene una inclinación ventajosa diferente en la segunda capa
6 (línea continua K) debido a la alta conductividad térmica de esta
capa. Las temperaturas en la parte de alta temperatura del perfil
de temperatura son así inferiores en la estructura de pared 2 de
conformidad con el invento que en la construcción de tipo
convencional.
Las otras líneas K' y K'' se muestran también en
la figura 3. La línea K' representa un caso en donde la expansión
térmica de la segunda capa 6 es similar a la de la primera capa 5,
mientras que la conductividad térmica de la segunda capa 6 es
superior que la de la primera capa 5. La línea K'' representa otro
caso en donde la conductividad térmica de la segunda capa 6 es
similar a la de la primera capa 5, mientras que la expansión térmica
de la segunda capa 6 es inferior a la de la primera capa 5. Como
puede verse en la figura 3 la fatiga térmica en la estructura de
pared 2 es en ambos casos inferior que en el tipo de estructura
convencional (líneas de trazos L). Así pues es suficiente que la
segunda capa 6 exhiba una conductividad térmica superior o una
expansión térmica inferior que la de la primera capa 5 para obtener
el efecto técnico ventajoso de disminuir la fatiga térmica en la
estructura de pared 2 comparado con un tipo convencional de
construcción. Es todavía posible obtener dicho efecto si la
segunda capa 6 exhibe una conductividad térmica que sea ligeramente
inferior a la de la primera capa 5, siempre que la expansión
térmica de la segunda capa 6 sea suficientemente muy inferior que
la de la primera capa 5. Por contra es también posible obtener
dicho efecto si la segunda capa 6 exhibe una conductividad de
expansión térmica que sea ligeramente inferior que la de la primera
capa 5, siempre que la conductividad térmica de la segunda capa 6
sea suficientemente muy superior que la de la primera capa 5.
Evidentemente el mayor efecto se obtiene si la segunda capa 6 exhibe
una conductividad térmica superior y una expansión térmica inferior
que la primera capa 5, como la modalidad del invento mostrada en la
figura 1 y como se muestra mediante la línea K en la figura 3.
No es necesario que las dos capas 5,6 tengan
propiedades de resistencia similares para hacer uso del invento.
Así pues no es necesario que el espesor de pared combinado de la
primera y segunda capas 5,6 sea igual a la de tipo de construcción
de una sola capa convencional como se ha descrito antes en relación
con la línea de trazos L en las figuras 2 y 3. El invento tiene un
efecto ventajoso sobre la fatiga térmica también si el espesor se
aumenta algo comparado con la construcción convencional, siempre que
el efecto de utilizar propiedades de material diferente en la
segunda capa 6 sea suficiente. Por tanto no es necesario que las dos
capas 5,6 se adapten igualmente bien para soportar la carga
estructural puesto que existe una posibilidad de aumentar el
espesor de una o ambas de las dos capas 5,6. Sin embargo, el
efecto ventajoso del invento es mas pronunciado si el espesor de
pared se mantiene a un mínimo y el efecto decrece con el aumento del
espesor de pared. Naturalmente la reducción del espesor de pared es
importante en cualquier caso para mantener bajo el peso.
La estructura de dos capas de conformidad con el
invento hace posible el uso de un primer material en la primera
capa 5 y un segundo material en la segunda capa 6 y combinar así las
diferentes propiedades físicas de diferentes materiales en forma
ventajosa. Además de la combinación de las propiedades térmicas
antes descritas el invento hace posible combinar propiedades
relacionadas con, por ejemplo, costo y procesado. Un material que
es apropiado para utilizarse en la segunda capa 6 debido a sus
propiedades térmicas puede ser, por ejemplo, excesivamente costoso,
pesado o de difícil elaboración para utilizarse a través de toda la
estructura de pared 2. De conformidad con el invento un material
de esta índole puede combinarse con otro material que sea menos
costoso, mas ligero y de mas fácil elaboración como para formar la
primera capa 5.
Para el uso del invento no es necesario que la
estructura de pared 2 esté provista con canales de refrigeración 7
o que se utilice en modo alguno un medio refrigerante previsto para
esta finalidad particular, pero las ventajas del invento se mejoran
en este caso, en particular si se utiliza hidrógeno como medio
refrigerante. En primer lugar la presencia de una fuente de calor y
un medio refrigerante da lugar a un gran gradiente de temperatura.
En un caso de esta índole es particularmente importante tomar
acciones para reducir la fatiga térmica en la estructura de pared.
En segundo lugar determinado material puede exhibir propiedades
físicas que sean muy apropiadas para utilizarse en una estructura
de pared del tipo aquí expuesto, excepto que el material sea
sensible a la exposición a hidrógeno. De conformidad con la
modalidad del invento mostrada en la figura 1 un material de esta
índole puede todavía utilizarse en la segunda capa 6 como los
canales de refrigeración 7 situado a una distancia de la segunda
capa 6 de modo que el material que constituye esta capa no entre en
contacto con el medio refrigerante, o sea el hidrógeno.
De preferencia la primera capa 5 se forma a
partir de un primer material metálico, y la segunda capa 6 se forma
a partir de un segundo material metálico, teniendo dicho segundo
material metálico una conductividad térmica superior y una
expansión térmica inferior al primer material metálico.
Una combinación apropiada e materiales metálicos
es utilizar acero inoxidable austenítico en la primera capa 5 y
acero inoxidable ferriti-martensítico en la segunda
capa 6. Un ejemplo es utilizar Nitronic40 en la primera capa 5 e
INCO 600 o aleación Greek en la segunda capa 6. Una combinación de
esta índole reduce la fatiga en la estructura de pared hasta
aproximadamente el 75% de la que se produciría con solo Nitronic40
en ambas capas. Una reducción de fatiga aún superior puede
obtenerse utilizando Nitronic40 en la primera capa 5 y níquel puro
en la segunda capa 6.
Una reducción de la fatiga en el 75% prolonga de
modo significativo la vida de servicio, aproximadamente tres veces
mas. En lugar de extender la vida de servicio puede utilizarse una
fatiga reducida para simplificar la fabricación, por ejemplo
aumentando tolerancias o reduciendo el número de canales de
refrigeración, y reduciendo así los costos de fabricación.
Un espesor típico de la parte 10, o sea una
longitud típica de la distancia entre el lateral caliente 8 a las
canales de refrigeración 7, se encuentra en la gama de 0,6 a 0,9 mm.
De preferencia el espesor de la segunda capa 6 es de alrededor de
la mitad del espesor de la parte 10, o sea entorno de 0,4 mm.
En otro desarrollo de la modalidad del invento
de conformidad con la figura 1 la segunda capa 6 contiene partículas
de cerámica con el fin de disminuir adicionalmente la fatiga
térmica. En general un material cerámico exhibe una baja expansión
térmica comparado con un material metálico y mezclando este material
en la segunda capa 6 se reduce la expansión térmica de la segunda
capa 6. Muchos materiales cerámicos exhiben también propiedades de
conductividad térmica de satisfactorias a excelentes. En caso de
que la conductividad térmica del material cerámico sea baja es
limitada la cantidad de material cerámico que puede mezclarse en la
segunda capa 6 sin perder el efecto térmico ventajoso. Una
fracción muy grande de material cerámico en la segunda capa 6
conduciría a una reducción considerable en la capacidad de la
segunda caspa 6 para comportar la carga estructural. En este caso
el espesor de pared debe aumentarse lo que afecta el perfil de
fatiga térmica y adiciona peso a la estructura de pared 2. En
ciertas situaciones puede permitirse un aumento del espesor de pared
siempre que las propiedades térmicas se mejoren hasta una extensión
suficiente.
Un gran número de materiales cerámicos
diferentes tal como óxidos, carburos y nitruros son apropiados para
mezclarse en la segunda capa 6. En caso de aplicarse la segunda capa
6 sobre la primera capa 5 mediante sinterización con láser, se
prefiere carburos y nitruros puesto que los óxidos absorben gran
cantidad de la energía de láser. Ejemplos de materiales cerámicos
apropiados son nitruro de aluminio, nitruro de titanio, carburo de
aluminio, carburo de titanio y carburo de silicio. De preferencia
la forma de las partículas cerámicas incorporadas en la segunda
capa 6 es esférica para minimizar la concentración de fatiga en la
cavidad llenada por las partículas. El tamaño de las partículas
cerámicas es de preferencia mucho menor que el espesor de la segunda
capa 6.
Un método preferido para la fabricación de la
estructura de pared 2 de conformidad con la figura 1 se describirá
ahora. El material de origen es una placa primaria y en una primera
etapa del método de fabricación la placa se configura para obtener
una forma apropiada, por ejemplo un cono. En una segunda etapa la
segunda capa 6 se aplica a la placa primaria utilizando
sinterización por láser de polvo metálico. Dicha placa primaria
forma así una parte de la primera capa 5 de conformidad con la
figura 1. En esta segunda etapa es importante que el espesor de la
segunda capa aplicada 6 en cada punto exceda cierto valor mínimo.
En una tercera etapa la segunda capa 6 se mecaniza, de preferencia
mediante tornea, para obtener un espesor uniforme. En una cuarta
etapa la placa primaria, o sea la parte de la primera capa 5, se
rectifica a partir del lateral frío 9 de la estructura de pared 2
para formar ranuras que luego formar canales refrigerantes 7. En
una quinta etapa se suelda una placa secundaria a la placa
primaria, o sea a la parte de la primera capa 5, como una cubrición
sobre las ranuras/canales de refrigeración 7. Utilizando el mismo
material para la placa primaria y la placa secundaria estas dos
placas forman conjuntamente la primera capa 5 de conformidad con la
figura 1. Evidentemente es posible utilizar diferentes materiales
en las placas primaria y secundaria.
En caso de deba mezclarse un material cerámico
en la segunda capa 6 se mezcla de preferencia un polvo cerámico con
el polvo metálico en la segunda etapa.
La sinterización con láser es una técnica
ventajosa puesto que proporciona una buena adhesión a la placa
primaria; dos piezas pueden integrarse virtualmente para formar una
pieza. Adicionalmente la sinterización con láser forma un material
denso y fuerte.
Como alternativa a la sinterización con láser es
posible utilizar, por ejemplo, electrodeposición o rociado de
plasma para aplicar la segunda capa 6 sobre la placa primaria. Otra
alternativa es aplicar la segunda capa 6 durante la laminación de
placas y así iniciar el método de fabricación a partir de un metal
laminar compuesto laminado que contiene la primera y segunda capa
5,6. Todavía otra alternativa es dar a la placa primaria una forma
apropiada y utilizar revestimiento por explosión para aplicar la
segunda capa 6 sobre la placa primaria. El invento no se limita a
las modalidades antes descritas, sino que son posibles una serie de
modificaciones dentro del marco de las reivindicaciones siguientes.
Por ejemplo la estructura de pared puede comprender capas
adicionales con diferentes propiedades de material. Como ejemplo
la cubrición sobre las ranuras/canales de refrigeración 7 pueden
obtenerse de otro material para disminuir el esfuerzo causado por el
gradiente de temperatura a través de toda la pared, o sea desde el
lateral caliente 8 al lateral frío 9. Puede también situarse capas
adicionales contiguas o entre la primera y segunda capas 5,6.
Utilizando diferentes propiedades de material en estas capas
adicionales sería posible formar una estructura multicapa para
disminuir adicionalmente los efectos negativos de la fatiga térmica
en la pared.
En algunas aplicaciones puede ser ventajoso
cubrir el interior de las canales de refrigeración 7 con un material
que no sea sensible al medio de refrigeración.
Además, la estructura de pared de conformidad
con el invento no se limita a componentes de motor cohético,
pudiendo utilizarse también en otras aplicaciones en donde se
desarrolla una carga de calor considerable tal como cámaras de
combustión, motores de propulsión a chorro y turbinas.
Claims (5)
1. Una estructura de pared (2) destinada para
exponerse a una carga térmica, que comprende por lo menos dos
capas: una primera capa (5) y una segunda capa (6), estando situada
dicha segunda capa (6) mas próxima a una fuente de dicha carga
térmica que dicha primera capa (5), y estando dichas capas (5, 6)
dispuesta de modo que se permita la conducción de calor desde la
segunda capa (6) a la primera capa (5), en donde cada una de
dichas primera y segunda capas (5,6) son aptas para comportar una
porción significante de una carga estructura, y en donde la segunda
capa (6) exhibe una conductividad térmica superior y/o una expansión
térmica inferior que la primera capa (5), en donde dicha estructura
de pared (2) comprende canales de refrigeración (7) que se sitúan
en un lateral de la segunda capa (6) que está opuesto al de dicha
fuente térmica, siendo aptos dichos canales de refrigeración (7)
para el caudal directo del medio refrigerante y en donde dichos
canales de refrigeración (7) se sitúan a una distancia de la
segunda capa (6).
2. Una estructura de pared (2) de conformidad
con la reivindicación 1, caracterizada porque dichos canales
de refrigeración (7) se sitúan en conexión con la primera capa (5),
de preferencia dichos canales de refrigeración (7) se sitúan por lo
menos parcialmente dentro de la primera capa (5).
3. Una estructura de pared (2), de conformidad
con cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizada porque la primera capa (5) se forma
esencialmente a partir de un primer material metálico, y porque la
segunda capa (6) se forma esencialmente a partir de un segundo
material metálico, teniendo dicho segundo material metálico una
conductividad térmica superior y/o una expansión térmica inferior a
la del primer material metálico.
4. Una estructura de pared, de conformidad con
la reivindicación 3, caracterizada porque la segunda capa
contiene partículas cerámicas.
5. Un componente de motor cohete (1),
caracterizado porque comprende un a estructura de pared (2)
de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
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