JP4452919B2 - 動作中に高い熱負荷を受ける構成部品及びそのような構成部品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流用の内部空間を画定する壁構造体を有して、動作中に高い熱負荷を受ける構成部品であって、内壁と、外壁と、これらの壁の間の少なくとも１つの冷却チャネルとを有する第１部品を備え、内壁の端部分が、第２部品に接続される構成部品に関する。本発明はさらに、そのような構成部品を製造する方法に関する。

構成部品は、動作中、冷却チャネル内を流れる冷却剤によって能動的に冷却される。冷却剤はさらに、冷却剤として機能した後、燃焼用に使用することができる。

以下には、構成部品を、ロケットエンジン構成部品として使用する場合について説明する。この用途は、好適なものとしてみなされるべきである。しかし、ジェットモータまたはガスタービンなどの他の用途も可能である。

問題のロケットエンジン構成部品は、燃焼室及び／または燃焼ガスの膨張用ノズルの一部を形成する。通常、燃焼室及びノズルを合わせてスラスト室と呼ぶ。

スラスト室は、製造上の制限のため、通常は幾つかの部分品を室の軸方向に接続することによって形成される。本発明は、そのような接続に適用することができる。本発明はまた、スラスト室をマニホルドなどの何らかの他のロケットエンジン部材に接続するためにも適用することができる。

スラスト室の形をした従来型ロケットエンジン構成部品は、軸方向に互いに接続された幾つかの部分品を有する。部分品の各々は、内壁と、内壁に平行な外壁と、これらの壁の間に形成された冷却チャネルとを有する壁構造体によって形成されている。壁構造体は、部分品の円周方向に連続している。

接続すべき２つの部分品の各々の内壁は、壁構造体の延出方向において、外壁より長く突出している。一方の部分品の内壁の突出端部分が、他方の部分品の内壁の隣接突出端部分に溶接接続によって接続される。このようにして、ほぼ連続した内壁を得ることができる。その後、リング形部材が溶接接続部の半径方向外側に配置され、この部材は、隣接外壁の端部分に接続される。このようにして、部分品の一方の冷却チャネルが、隣接した部分品の冷却チャネルに連通することができる。

上記ロケットエンジン構成部品はうまく作動しているが、より多くのエンジンサイクル数にわたって使用できるように、構成部品の寿命を延ばすことが望ましい。

本発明の１つの目的は、動作中に高い熱負荷を受ける、従来技術と比較して寿命が長い構成部品を提供することである。

この目的は、接続部を構成部品の内部から離れた位置に設けることによって達成される。このようにして、接続部は、動作中に構成部品の内部を流れる高温ガスから遠い位置にある。これにより、接続部が受ける熱応力は、従来型ロケットエンジン構成部品に従った接続部より少ない。

本発明の好適な実施形態によれば、内壁の端部分は、構成部品の内部から外向きに突出しており、第２部品との接続部は、その端部分を画定する内壁の縁部から離れた位置にある。端部分を縁部から適当な距離だけ突出するように構成することによって、接続部は、構成部材の内部から、動作中の熱応力が相当に減少するような距離をおいた位置にあるであろう。さらに、適当な構造により、動作中に接続部は、冷却剤の温度に近い温度になるであろう。

さらに、接続部が内壁から離れた位置にあるため、内壁は接続部の両端で連続していないであろう。代わりに、２つの隣接部分品間にわずかな隙間すなわちスリットが存在するであろう。したがって、軸方向熱応力が、接続部の領域で減少するであろう。さらに詳しく言うと、内壁は、壁構造体に加えられる軸方向機械的応力から隔離される。

この実施形態のさらなる発展によれば、内壁の端部分は、第１部分品の内壁の隣接部分からほぼ垂直に突出している。この構造により、第１部分品は、構成部品の軸方向でさらなる部分品に接続するのに特に適する。

別の好適な実施形態によれば、外壁は、壁構造体の延出方向において内壁の端部分から離れた位置で終端しており、外壁と内壁の端部分との間の隙間が、冷却チャネルから続く冷却剤流用の通路を形成している。これは、冷却剤を第１部分品から構成部品部材に導くための簡単かつ適当な構造である。

上記実施形態の変更例によれば、外壁が内壁の端部分に接続されており、内壁の端部分付近で外壁に少なくとも１つの開口が貫設されて、冷却チャネルから続く冷却剤流用の通路を形成している。外壁が内壁に接続されており、それにより、構成部品の圧力容量が増加するため、部分品の半径方向の支持力が増大するであろう。

好ましくは、第１及び第２部品は、ロケットエンジン構成部品の形の構成部品の軸方向に隣接した２つの部分品を形成している。さらに、部分品は、構成部品の円周方向に連続している。

本発明のさらなる目的は、従来技術と比較して寿命が長いロケットエンジン構成部品を製造する高コスト効率の方法を提供することである。

この目的は、請求項１５に従った方法によって達成される。

さらなる請求項及び以下の説明で、ロケットエンジン構成部品及び製造方法のさらなる好適な実施形態を説明する。

次に、添付図面に示された実施形態を参照しながら、本発明を説明する。

図１には、ロケットエンジン用のスラスト室の形をしたロケットエンジン構成部品１が示されている。スラスト室壁構造体は回転対称的であって、くびれ部２を有する。壁構造体は、くびれ部の一方側に燃焼室３を画定しており、くびれ部２の他方側では、壁構造体が伸長して拡径部分になり、これは、排気ノズル４に合流する燃焼室の連続部分を形成している。スラスト室１は、部分品５〜７の形の第１、第２及び第３部品を有し、これらは、室の軸方向に互いに接続されている。これらの部分品５〜７の各々は、円周方向に連続している。

壁構造体は、内壁８と、内壁から半径方向に離れた外壁９とを有する。内壁及び外壁８、９間に複数の仕切り壁１０が配置されて、スラスト室の軸方向に延びた冷却チャネル１１を画定している。

本発明の第１実施形態が、図２〜図５に示されている。図２には、第１部分品５の部材１０５が示されている。この部材１０５は、円形断面を有して、円周方向に連続している。さらに、部材１０５は、内壁部分８ａを有し、仕切り壁１０は、部分品の円周方向に互いに距離をおいて部分品の軸方向に延在している。内壁の軸方向の端部分１２が、部材１０５の内部から半径方向外向きに延出している。内壁８ａは、この端部分１２を画定する縁部１３を形成している。この端部分１２は、内壁８の隣接部分１４からほぼ垂直に突出している。

仕切り壁１０の間に谷１１０が形成されており、冷却チャネルを形成するためのものである。この形状は、１つのワークピースの機械加工によって、たとえば、フライス加工によって製造することができる。その後、外壁１９がこの部品１０５の半径方向外側に配置されて、ケーシングまたはフードを形成し、たとえば、溶接によって、仕切り壁に接続される。

図３には、第１部分品５及び第２部分品６間の接続領域が示されている。第２部分品６も、内壁８ｂを有し、部分品６の内部から半径方向外向きに延出した端部分１５を備えている。内壁８ｂは、この端部分１５を画定する縁部１６を形成している。この端部分１５は、内壁８ｂの隣接部分１７からほぼ垂直に突出している。２つの部分品５、６の端部分１２、１５は、部分品の内部から離れた位置で溶接１８によって接続されている。

図３には、部分品の外壁が、参照番号９ａ、９ｂで示されている。これらの外壁９ａ、９ｂの各々は、壁構造体の延出方向において内壁の端部分１２、１５から離れた位置で終端している。外壁９ａ、９ｂと内壁の端部分１２、１５との間の隙間が、それぞれの部分品の半径方向の冷却チャネルに対して冷却剤が流出入するための通路を形成している。

外壁９ａ、９ｂの端部分１９は、肉厚部によって補強されている。さらに、リング形部材２０が、接続部１８の外側でスラスト室の周囲に配置されて、外壁９ａ、９ｂ間の隔たりを埋めている。リング形部材２０の内部に室２４が形成されて、第１及び第２部分品５、６の冷却チャネルに連通している。それにより、第２部分品６の冷却チャネルから第１部分品５の冷却チャネルまでの冷却流用通路２１が形成されている。リング形部材２０は好ましくは、溶接によって外壁９ａ、９ｂに接続される。

図４は、図３に従った第２部分品６の断面の概略図である。図面は、図示の部品が湾曲していない点で、簡略化されている。仕切り壁１０の各々の端部が、外壁９ｂの端部２１１から内壁８ｂの縁部１６まで傾斜している。さらに、第１部分品５は、第２部品６について図示して説明したものと同様な特徴を有する。

図５は、部分品６を製造するための１つのステップを示す。部分品の壁構造体は、内壁８ｂが外壁９ｂに平行に配置されて、外壁の端部２１１から一定距離だけ突出するように形成される。その後、内壁８ｂの突出端部分を外壁の端部２１１に向けて折り曲げ、それにより、縁部１６を形成する。内壁８ｂの端部分１５が、折り曲げた後の直立位置に点線で示されている。

図６〜図８は、本発明の第２実施形態を示している。この実施形態は、内壁８ｃの端部分１５にも仕切り壁１０ｃが設けられている点で、第１実施形態と異なっている。第１ステップで、仕切り壁が内壁の端部までの全体に延在するように部材１０６を製造する。その後、外壁９ｃの端部２１１付近において、溝２２を内壁８ｃに向けて仕切り壁に貫設して、内壁のこの端部分を折り曲げるためのノッチを形成する。その後、端部分１５を外壁９ｃの端部に向けて折り曲げる。

図９〜図１０は、本発明の第３実施形態を示している。この実施形態は、外壁９ｄが、内壁８ｄの傾斜した外向き突出端部分１５まで延出している点で、第１実施形態と異なっている。さらに、外壁９ｄは、好ましくは溶接によって、内壁の端部分１５に接続されている。そのため、２つの溶接作業、すなわち、端部分１２、１５を接続して第１接続部１８を形成するための第１溶接、及び外壁９ｄを端部分に接続して第２接続部１８０を形成するための第２溶接が行われる。さらに、複数の開口２３が、内壁８ｄの端部分１５付近で互いに距離をおいて外壁９ｄに貫設されている。そのため、これらの開口２３によって冷却チャネルから部分品の半径方向に延びる冷却剤流用通路が形成される。

図１１〜図１２は、本発明の第４実施形態を示している。この実施形態は、仕切り壁１０ｅの各々が、半径方向外向きに突出した端部分１５まで長手方向全体に連続している点で、第１実施形態と異なっている。この場合、仕切り壁が、内壁８ｄの端部分１５及び内壁８ｄと一体成形されている。

第４実施形態に従った部分品の壁構造体は、平坦な端面２６を有する板形出発材料の機械加工によって、好ましくは、フライス加工によって、複数の細長いほぼ平行で直線的な谷２１０を平坦な端面に平角に形成するようにして、製造することができる。谷２１０は、平坦な端面から離れた位置で止まり、それにより、出発材料の残った未加工部分が内壁端部分１５を形成する。

図１３は、本発明の第５実施形態を示している。この実施形態は、２つの部分品の内壁８ｅ、８ｆが異なった材料で形成されている点で、第１実施形態と異なっている。たとえば、第１部分品の内壁８ｅがステンレス鋼か、またはニッケルを基材にしたスーパーアロイで形成され、第２部分品の内壁８ｆが銅で形成されている。仕切り壁は、内壁８ｆと一体成形され、そのため、内壁と同一材料で形成されている。外壁９ｆは、銅以外の材料で形成されて、ろう付けによって仕切り壁に接続されており、接続部２７を参照されたい。内壁８ｅ、８ｆの端部分を接続する第１接続部１８’も、ろう付け接続であり、第２接続部１８０’は溶接接続である。

図１４〜図１５は、本発明の第６実施形態を示している。この場合、第１ロケットエンジン部分品５は、冷却剤流用の導管の形をした第２部品２８に接続されている。この導管２８は通常、マニホルドと呼ばれる。導管２８は、第１部分品の端部分の外側でそれの周囲に延在して、冷却剤を冷却チャネルから、またはそれへ搬送するように配置されている。したがって、マニホルド２８は、ターニングマニホルドと呼ばれる。矢印３１は、冷却剤の流れを示している。

この導管２８は、断面がほぼＵ字型であって、内壁８の端部分１２がＵ字型の一方の脚２９に接続され、Ｕ字形の他方の脚３０が外壁１１の端部９に接続されている。

上記部分品に好適な材料は、ステンレス鋼、鉄及びニッケルを高率に含有する合金、及びニッケルを基材にしたスーパーアロイである。

ロケットエンジン部分品５の形をしたこの第１部品は、湾曲形状を有し、内壁が凹側に位置し、外壁が部品の凸側に位置している。

本発明は、いかなる点でも上記実施形態に制限されることはなく、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多数の変更及び変化を加えることが可能である。

たとえば、仕切り壁を内壁と一体成形しないで、個別に形成してから、内壁に接続してもよい。

端部分１５付近で互いに距離をおいて外壁９ｄに貫設された複数の開口２３の変更形として、スロットの形の１つの開口だけを、端部分１５付近に配置して、部分品の周囲に延在させてもよい。

２つの接続部１８、１８０及び１８’、１８０’を得るための上記の２つの接続作業の代わりに、１つの接続作業、好ましくは溶接だけを行うことができ、その場合、１つの接続部が形成されるだけである。

以上には、第１部品が円形の断面形状を有する実施形態について、本発明を説明している。しかし、本発明は、何らかの他の湾曲形状を有する部品、特に円周方向に不連続の部品の接続にも使用することができる。さらに、本発明は、ほぼ平坦な形状の部品の接続にも使用することができる。この場合、１つの部分品を、部分品の円周方向に相互接続した複数の板形部品によって形成することができる。そのような場合、部分品は、多角形の断面形状を有するであろう。

本発明の構成部品を有するロケットエンジンスラスト室の一部破断した斜視図である。 構成部品の第１実施形態に従ったロケットエンジン部分品の一部の一部破断した斜視図である。 本発明の第１実施形態に従った２つの隣接部分品間の接続領域の断面図である。 図２及び図３に従ったロケットエンジン部分品の破断した概略斜視図である。 図４に従ったロケットエンジン部分品の、それの製造の１つのステップを示す側部断面図である。 本発明の第２実施形態の、図３に対応した図である。 本発明の第２実施形態の、図４に対応した図である。 本発明の第２実施形態の、図５に対応した図である。 本発明の第３実施形態の、図３に対応した図である。 本発明の第３実施形態の、図４に対応した図である。 本発明の第４実施形態の、図３に対応した図である。 本発明の第４実施形態の、図４に対応した図である。 本発明の第５実施形態の、図３に対応した図である。 図２に示された部品をマニホルドに接続している、本発明の第６実施形態の一部破断した斜視図である。 図１４に従った部品及びマニホルド間の接続領域の断面図である。

Claims (30)

1. ガス流用の内部空間を画定する壁構造体を有して、動作中に高い熱負荷を受ける構成部品（１）において、内壁（８）、外壁（９）、及び該壁の間の少なくとも１つの冷却チャネル（１１）を有する第１部分品（５）を備え、前記内壁の端部分（１２）が、内壁、外壁、及び該壁の間の少なくとも１つの冷却チャネルを有する第２部分品（６、２８）に接続される構成部品であって、
   接続部（１８）は、該構成部品の内部から離れた位置にあることを特徴とする構成部品。
2. 前記内壁（８）の前記端部分（１２）は、該構成部品の内部から外向きに突出しており、前記第２部分品との前記接続部（１８）は、前記端部分を画定する前記内壁の縁部（１３）から離れた位置にあることを特徴とする請求項１に記載の構成部品。
3. 前記内壁（８）の前記端部分（１２）は、前記第１部分品の前記内壁の隣接部分（１４）からほぼ垂直に突出していることを特徴とする請求項２に記載の構成部品。
4. 前記外壁（９）は、前記壁構造体の延出方向において前記内壁（８）の前記端部分（１２）から離れた位置で終端し、前記外壁と前記内壁の前記端部分との間の隙間が、前記冷却チャネル（１１）から続く冷却剤流用の通路を形成していることを特徴とする請求項２または３に記載の構成部品。
5. 前記外壁（９）は、前記内壁の前記端部分（１２）に接続されており、また、前記内壁の前記端部分付近で前記外壁に少なくとも１つの開口（２３）が貫設されて、前記冷却チャネルから続く冷却剤流用の通路を形成していることを特徴とする請求項２または３に記載の構成部品。
6. 複数の開口（２３）が、前記接続部（１８）に沿って互いに距離をおいて前記外壁に貫設されていることを特徴とする請求項５に記載の構成部品。
7. 前記壁構造体は、前記内壁及び外壁（８、９）間に配置された複数の仕切り壁（１０）を有しており、該仕切り壁は、前記第１部分品の入口端部から出口端部まで延在して、前記冷却チャネル（１１）を画成していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の構成部品。
8. 前記第１部分品（５）は、湾曲形状を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の構成部品。
9. 前記第１部分品（５）は、その円周方向に連続していることを特徴とする請求項８に記載の構成部品。
10. 前記第１部分品の前記内壁の前記端部分（１２）は、前記第２部分品の前記内壁の端部分（１５）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の構成部品。
11. 前記第２部分品の前記内壁の端部分（１５）は、該構成部品の内部から外向きに突出しており、前記接続部は、前記内壁の縁部から離れた位置にあることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の構成部品。
12. 前記第２部分品（６）の前記内壁の前記端部分（１５）は、前記第２部分品の前記内壁の隣接部分からほぼ垂直に突出していることを特徴とする請求項１１に記載の構成部品。
13. 前記第２部分品（６）は、湾曲形状を有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の構成部品。
14. 前記第２部分品（６）は、その円周方向に連続していることを特徴とする請求項１３に記載の構成部品。
15. リング形部材（２０）が、前記接続部（１８）の外側で該構成部品の周囲に配置されて、前記第１及び前記第２部分品の前記外壁の端部分に接続され、それにより、前記第１部分品の前記冷却チャネルから前記第２部分品の前記冷却チャネルまでの冷却剤流用の通路を形成していることを特徴とする請求項９または１４に記載の構成部品。
16. 前記第２部分品（２８）は、冷却剤流を前記第１部分品（５）の前記冷却チャネルに対して流出入させる導管によって形成されており、該導管は、前記第１部分品の外側の周囲に延在していることを特徴とする請求項９に記載の構成部品。
17. 前記導管は、断面がほぼＵ字形であり、前記内壁の前記端部分は、前記Ｕ字形の一方の脚に接続され、前記Ｕ字形の他方の脚は、前記外壁の端部分に接続されていることを特徴とする請求項１６に記載の構成部品。
18. 前記構成部品（１）がほぼ円形の断面であることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の構成部品。
19. 前記構成部品（１）がロケットエンジン構成部品であることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の構成部品。
20. ガス流用の内部空間を画定する壁構造体を有して、動作中に高い熱負荷を受ける構成部品（１）を形成する方法において、内壁（８）、該内壁から離れた外壁（９）、及び該壁の間の少なくとも１つの冷却チャネル（１１）を有する前記構成部品の第１部分品（５）を第２部分品（６、２８）に接続し、その場合、前記第１部分品の前記内壁の端部分（１２）を該第２部分品に接続する方法であって、
    前記内壁（８）が前記外壁（９）に平行に配置されて、前記内壁の端部分（１２）を、予定内部から外向きに一定距離だけ前記外壁の端部から突出するように形成するステップと、
    前記内壁の前記突出端部分（１２）を前記外壁の端部に向けて折り曲げ、それによって縁部（１３）を形成するステップと、
    前記内壁の前記端部分を画定する前記内壁の縁部（１３）から離れた位置で前記第２部分品に接続するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
21. 隣接した冷却チャネル（１１）を画成するための仕切り壁（１０）を前記内壁及び外壁（８、９）間に配置しており、該仕切り壁は、前記内壁の端部分に配置され、また、溝（２２）を前記内壁に向けて前記仕切り壁に貫設し、該溝を前記外壁の端部（２１１）付近に設けて、前記内壁の前記端部分を折り曲げるためのノッチを形成することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 隣接した冷却チャネルを画成するための仕切り壁を前記内壁及び外壁間に配置して、該仕切り壁を、ほぼ前記外壁が終端する位置で終端させており、前記仕切り壁の端部は、前記内壁の前記端部分を折り曲げるためのノッチを形成することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 前記壁構造体は、平坦な端面（２６）を有する板形出発材料の機械加工によって、複数の細長いほぼ平行で直線的な谷（２１０）を前記平坦な端面に平角に形成するようにして、製造され、該谷は、前記平坦な端面から離れた位置で止まり、前記出発材料の残った未加工部分が、前記内壁端部分を形成することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
24. 前記接続動作は、前記第１部分品の外側から行われることを特徴とする請求項２０ないし２３のいずれかに記載の方法。
25. 前記第１部分品（５）の前記内壁の前記端部分は、溶接によって前記第２部分品（６、２８）に接続されることを特徴とする請求項２０ないし２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記第２部分品（６）も、内壁、外壁、及び該壁の間の少なくとも１つの冷却チャネルを有することを特徴とする請求項２０ないし２５のいずれかに記載の方法。
27. 前記第２部分品の前記内壁の端部分（１５）を前記構成部品の内部から外向きに突出させて、前記第２部分品を前記内壁の縁部から離れた位置で接続することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 前記第１部分品（５）及び第２部分品（６）は、円周方向に連続しており、リング形部材（２０）を前記接続部（１８）の外側で前記構成部品の周囲に配置して、前記第１及び前記第２部分品（５、６）の前記外壁の端部に接続し、それにより、前記第１部分品の前記冷却チャネルから前記第２部分品の前記冷却チャネルまでの冷却剤流用の通路を形成することを特徴とする請求項２６または２７に記載の方法。
29. 前記第２部分品（２８）は、冷却剤流を前記冷却チャネルに対して流出入させる導管によって形成されており、該導管は、前記第１部分品の外側の周囲に延在するように配置されることを特徴とする請求項２０ないし２５のいずれかに記載の方法。
30. 前記導管は、断面がほぼＵ字形であり、前記内壁の前記端部分を前記Ｕ字形の一方の脚に接続し、前記Ｕ字形の他方の脚を前記第１部分品の前記外壁の端部分に接続することを特徴とする請求項２９に記載の方法。

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