JPH09217654A - 燃料で冷却される駆動装置壁用の壁構造 - Google Patents
燃料で冷却される駆動装置壁用の壁構造Info
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Abstract
適度の構造費用で、実質的により高い寿命または作用の
安全性を有する、燃料で冷却される駆動装置壁用の壁構
造を提供する。 【解決手段】 この壁構造は支持構造体(7) を有し、こ
の支持構造体は、熱ガスが当たる内壁(10)と、この内壁
から間隔を置いた外壁(13)と、両方の壁を結合しかつ壁
中間空間を冷却路(19)に分割するウエブ(16)とからな
り、また壁構造は少なくとも一つの安定した外筒(25)の
形態の支持構造を有する。冷却構造体(4) は外側から各
ウエブの領域でスリット(22)をつけられ、これらのスリ
ットは外壁(13)およびウエブ中央を通って内壁の領域ま
で導かれている。支持構造体(7) は少なくとも冷却構造
体(4) に境を接する領域で弾性的にたわみやすく設計さ
れかつ冷却構造体に対して間隔を有する。
Description
念による、燃料で冷却される駆動装置壁用の壁構造に関
する。
ズル用の相応する壁構造が、例えばドイツ連邦共和国特
許明細書17 51 691 から知られている。そこに記載され
た壁構造では、冷却路が熱伝達性の良い材料、好ましく
は銅からなる一片の基礎体に加工されることにより、熱
ガス側の内壁および冷却路の間の半径方向ウエブが一体
に結合されかつ同じ材料からなる。薄い外壁として、ウ
エブ上に外側から、基礎体と同じ材料からなる層が電気
メッキされている。この層は、その次に電気メッキされ
る、高強度の少量の熱を導く材料、好ましくはニッケル
からなる比較的厚肉の外筒/圧力筒のための接着層とし
ても役立つ。この外筒は、ウエブおよび薄い外壁を経て
実質的に燃焼室圧力またはノズル内圧からの負荷を受け
る。
程が起こる。冷却路を通って、例えば30から200 K の冷
たい水素が流れ、その際担持外筒がほぼこの温度を受け
て、その上なお直径が縮まる。この影響は冷却媒体中の
層形成効果によりなお強化され、冷却媒体は内側の通路
底で、すなわち内壁で温められるが、外側領域では比較
的冷たいままである。冷却媒体への良好な熱伝達のため
に薄く設計された内壁は熱い燃焼ガスにより燃焼室また
はノズルの熱負荷を受けて温められ、膨張しそしてしか
しそれに接して冷たい剛性のある外壁の背圧によりウエ
ブを経てはばまれる。それにより、内壁の材料がウエブ
に向かう移行領域の方向に流れる。この効果は強ければ
強いほど、それだけいっそう燃焼時間が長く続く。熱で
誘導される応力が弾性限界まで減少したときに初めて静
止状態になる。それとともに、そうでなくとも薄い内壁
の半径方向壁厚がほぼウエブの間の中央で再び減少す
る。
からまず燃焼室内の燃焼が酸素供給の閉鎖により終わ
り、それに対し冷却路を貫流する水素も短時間だけ後を
流れる。そのとき、薄い内壁がそのわずかな熱容量のた
め直ちに強く冷却され、このため今やこの内壁では引張
負荷が高くなる。このため少なくとも数回の始動および
より長い燃焼時間後に、比較的容易に、内壁の弱められ
た中央領域にクラックが形成されることになり、そのた
め燃焼室またはノズルの機能が緊急に危険にさらされか
つそれらが完全に破壊するまでになり得る。
は、電気メッキコアを用いた電気製版術の方法での再生
冷却されるロケット燃焼室の製造が記載されている。こ
の方法で作られた冷却構造体は薄い内壁、熱い安定した
外壁および内壁と外壁の間を半径方向に延びる多数のウ
エブとを有し、これらのウエブは中間室を相応する多数
の冷却路に細分しかつ内壁を機械的に支持する。内壁/
ウエブの領域における熱的に条件づけられた応力の減少
を考慮して、熱ガス側に向かって開放したスリットが存
在しており、このスリットは内壁およびウエブ中央を通
って外壁の領域まで延びている。このようにして、その
間に開放した「伸縮目地」を有する多数の狭いストリッ
プに小分けされた内壁が比較的自由に膨張しかつ収縮す
ることができ、すなわち熱的に与えられた状態に適合す
ることができる。しかしながら、熱ガスが少なくとも時
間的に隙間へ侵入することができるので、各冷却路が一
つの側面の代わりに今や三つの側面(1×内壁、2×ウ
エブ)に熱いガスが当たることを考慮しなければならな
い。このため、−少なくとも時間的に−高められた冷却
構造体の熱負荷を生ずる。その場合、構造的に危険であ
るのは、特に内壁/ウエブのコーナー領域である。冷却
路横断面の周知の小さい寸法(高さと幅が数ミリメート
ル)の場合、実際には正確な同じままで変わらない壁
厚、コーナー半径等で作用することはできない。それ
故、過熱して溶けて構造が機能しないまでになる危険と
つながって、ウイークポイントが望ましくないが「あら
かじめプログラムされ」ている。さらに、この危険と対
抗するために、中央の壁厚を増加するかまたは製造精度
を改善しなければならない。この構造方式のまず予想さ
れる利点が前記の欠点により少なくとも大幅に帳消しに
されることは明らかであろう。
らの欠点にかんがみて、本発明の課題は、適度の構造的
費用で、熱的に誘導される応力の著しい減少により実質
的により高い寿命または作用の安全性を有する、燃料で
冷却される駆動装置壁用の壁構造を提供することにあ
る。
成する請求項1の上位概念と組み合わせて、請求項1の
特徴部分に記載された構成により解決される。本発明に
よる壁構造の冷却構造体は外側からすなわち冷却側から
スリットがつけられているので、熱ガス側の内壁が中断
されない滑らかな流れの輪郭として保たれたままであ
る。
を接する領域で弾性的にたわみやすく設計されおよび/
または冷却構造体に対し間隔を有する。支持構造体は、
−それ自体観察するだけで−大幅に隙間なく膨張しかつ
収縮することができる。なぜなら、しばしばスリットが
つけられた外壁およびスリットがつけられたウエブは、
薄い危険な内壁の熱運動を邪魔しないからである。少な
くとも領域が弾性的にたわみやすいおよび/または間隔
を置いた支持構造体と関連して、熱的に−および機械的
に(熱ガス圧力)−誘導される冷却構造体の寸法変化
が、負荷の受け入れおよび制限のために必要であるよう
な程度にのみ適当に限定され/阻止される。それによ
り、誘導された応力が耐えうる程度に保たれ、冷却構造
体のいつまでも残る変形や材料の流れが大幅に避けられ
る。。
の限定された間隔が存在している場合について、冷却構
造体が作用中、すなわち熱的に伸ばされかつ負荷を受け
て、あらゆる側で隙間なく支持構造体に密着することに
より、支持構造体がその機械的支持機能を制限されずに
実現することができるように寸法決めされなければなら
ない。冷却構造体と支持構造体の間に間隔を置いた場合
に、すなわち制限された支持作用まで支持作用が存在し
ない、短時間の移行−作用状態において、冷却構造体が
機械的に過度に負荷されないように配慮しなければなら
ない。
壁構造の好ましい構成を含む。
細に説明する。図は単純化して、尺度的ではなく示して
ある。全ての三つの図面で繰り返される横断面は、単純
化するために、平坦な外形材、内形材および中間形材を
有する壁構造を示す。当業者にとっては、これらは実際
に通例、湾曲させて、特に同心の円曲線として実施でき
ることは明らかである。各図において、等しく、熱ガス
側(内側)が下であり、冷却側(外側)が上である。
領域に分けることができる。すなわち、冷却構造体4と
支持構造体7である。冷却構造体4は冷却路系統、した
がって内壁10、細長いスリットがついた外壁13、ウ
エブ16、スリット22および冷却路19を有する。冷
却構造体4は耐熱性および熱伝達性の理由から、特に銅
または銅合金からなる。スリット22は冷却路19の間
を、外側(上方)から内壁10の領域内まで広がってお
り、そしてそこではスリットが応力上好都合に円みのつ
いた輪郭で終わっている。それ故、ウエブ16は、深く
スリットのついた単一ウエブとしてまたは狭く隣合う複
合ウエブとして考察することもでき、その場合ここでは
最初の見方が好ましい。しかしながら、このことは技術
的に重要性がない。
かつ担持する機械的に負荷可能な外筒25および熱絶縁
する分離層28を有する。全ての層は隙間なく互いに密
着している。外筒25は繊維結合材、例えばガラス繊維
および/またはアラミド繊維で強化された合成樹脂から
なり、結合部はほぼ10 000から20 000 N/mm 2 のE モジ
ュールを有する。それ故、外筒は一方では、熱的に誘導
された冷却構造体の寸法変化/変形をあまり制限しない
ようにするために充分な弾性を有し、他方では外筒は熱
ガス圧力に起因する負荷を受け入れるために充分な機械
的強度を有する。分離層28は例えばテフロンからなり
そして熱バリヤーとして役立つ。外筒25の材料特性に
依っては、これはなくすこともできる。図1の右側縁部
に、典型的な作動温度を記載してある。したがって、内
壁10の中間作動温度はほぼ
5-65) である。この大きな差は外筒または支持構造体の
堅牢な設計において内壁領域の相応する高い熱応力にな
るのは明らかであるが、本発明はこれを阻止する。図1
の左側半分には、文字記号を有する寸法矢印があり、こ
れらの寸法矢印は冷却構造体4における幾何学的な比率
と解する。個々に、"a" は冷却路幅、"t"は冷却路高
さ、"b/2" はスリット22の両側のウエブ厚さ、"s i"
は内壁10の厚さ、"s a" は外壁13の厚さを示す。現
実の典型的な寸法は次のようになる。
つために、si =s aで次の不等式が当てはまる。
7、スリット23および冷却構路20を有する冷却構造
体5を有し、この冷却構造体は図1による冷却構造体と
同じに構成されている。図1に対する実質的な相違は支
持構造体8の構成にあり、その支持構造体8はここでは
相対的に堅牢な外筒26および弾性的にたわみやすい中
間層29からなる。外筒26は、高いEモジュールを有
する総金属製、例えばニッケル、ニッケル合金またはス
テンレス鋼からなるのが好ましい。これに対して、中間
層29はほぼ10 000から20 000 N/mm 2 のEモジュール
のみを有しなければならず、例えば金属発泡体からなる
ことができる。したがって、ここでは、支持/形状保持
が改善されたときにより早くなおいっそう好都合な応力
比を可能にする確実な機能分配が与えられている。とり
わけ、構造体厚さの増大および場合によっては構造体重
量の増大を考慮することができる。
間なく互いに密着している。これに対して、図3は冷却
構造体6と支持構造体9の間に限定された隙間Aで作用
する壁構造3を示す。内壁12、外壁15、ウエブ1
8、スリット24および冷却路21を有する冷却構造体
6が、前記の両方の図の場合と同様に構成されている。
属の外筒9からなり、この外筒は壁構造3の非作用の負
荷されない状態で、細長いスリットをつけた外壁15に
対する限定された間隔Aを有する。この間隔Aは、作用
中「ゼロ」になるように、すなわち冷却構造体6があら
ゆる側で支持外筒27に付着するように寸法決めされて
いる。冷却構造体がまだ支持構造体9に当接しないかも
はや当接しない間に、今や冷却構造体6が熱ガス圧力に
より機械的に強く負荷され、時間的な作用状態が生じ得
る。この場合のために、冷却構造体6がそのままの状態
で残らないように、即ち可塑的に、過度に伸ばされない
ようにあらかじめ配慮しなければならない。図示の場合
には、この目的のために、外壁15と外筒27の間の空
間への熱ガス領域の容積的な結合部30が存在してい
る。このようにして、両側で(ここでは同じ圧力pの上
方と下方で)支配されるので、実際には周方向に伸び
る、圧力で条件づけられた傾向が全く与えられない。冷
却路内圧による機械的な負荷がこれに関連してそんなに
危険ではなくかつ外側からの冷却路のほぼあらゆる側で
の圧力作用により(圧力pはスリット24にも作用す
る)付加的に減らされる。
の解決を適当な仕方で組み合わせることも当業者の裁量
にあることを指摘する。
で冷却される駆動装置壁用の壁構造は、適度の構造的費
用で、熱的に誘導される応力の著しい減少により実質的
により高い寿命または作用の安全性を有する。
分横断面図である。
する壁構造の部分横断面図である。
横断面図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 燃料で冷却される駆動装置壁用の壁構
造、特に低温の燃料で冷却されるロケット駆動装置の燃
焼室壁および推進ノズル壁用の壁構造であって、冷却構
造体を備え、この冷却構造体は、作用中熱ガスが当たる
内壁と、この内壁から間隔を置いている、作用中いっそ
う冷たい外壁と、内壁を外壁と結合しかつこれらの間に
存在する中空空間を多数の冷却路に分割する多数のウエ
ブとからなり、また少なくとも機械的に安定した外筒か
らなる、外壁に隣接する支持構造体を備えた壁構造にお
いて、冷却構造体(4,5,6) は外側から各ウエブ(16,17,1
8)の領域に細長いスリットがつけられており、そのスリ
ット(22,23,24)は外壁(13,14,15)およびウエブ中央を通
って内壁(10,11,12)の領域まで導かれており、支持構造
体(7,8,9) は少なくとも、冷却構造体(4,5,6) に隣接す
る領域で弾性的にたわみやすく設計されおよび/ または
冷却構造体(4,5,6) に対し間隔(A) を有することを特徴
とする壁構造。 - 【請求項2】 外筒(25)が直接または熱絶縁する薄い分
離層(28)を経て冷却構造体(4) の外壁(13)に配置されか
つ弾性的にたわみやすい材料または材料の組合せからな
ることを特徴とする請求項1の壁構造。 - 【請求項3】 外筒(26)が堅牢に設計され、外壁(14)と
外筒(26)の間に、弾性的にたわみやすい材料または材料
の組合せからなる中間層(29)が配置されていることを特
徴とする請求項1の壁構造。 - 【請求項4】 外筒(27)が堅牢に設計されかつ外壁(1
5) に対し間隔(A) を置いて配置され、また外壁(15)と
外筒(27)の間の空間は、圧力を伝達する、熱ガス空間の
ための少なくとも一つの容積結合部(30)を有することを
特徴とする請求項1の壁構造。 - 【請求項5】 外筒(25)が繊維結合材料、例えばガラス
繊維および/ またはアラミド繊維で強化れた合成樹脂か
らなり、この合成樹脂は ほぼ10 000から20000 N/mm
2 までのEモジュールを有し、熱絶縁する分離層(28)が
ポリテトラフルオルエチレン(PTFE)を基礎とする材料ま
たは匹敵する耐熱性の合成材料からなることを特徴とす
る請求項2の壁構造。 - 【請求項6】 中間層(29)はほぼ10 000から20 000 N/m
m 2 までのEモジュールを有しかつ例えば金属発泡体か
らなることを特徴とする請求項3の壁構造。 - 【請求項7】 冷却構造体(4,5,6) の壁要素( 内壁、ウ
エブ、外壁) が銅および/または銅合金からなり、銅合
金は例えば銅、銀およびジルコニュウムの成分を有する
ことを特徴とする請求項1から6までのうちのいずれか
一つによる壁構造。 - 【請求項8】 外筒(26,27) がステンレス鋼、ニッケル
またはニッケル合金、例えばインコネルからなることを
特徴とする請求項1、3、4、6および7のうちのいず
れか一つによる壁構造。 - 【請求項9】 冷却構造体寸法に関して、不等式 【外1】 が与えられ、s i はほぼs a と同様な大きさであり、そ
の際 tは冷却路高さ( 内壁から外壁までの間隔) 、s a
は外壁(13,14,15)の厚さであり、b はウエブ(16,17,18)
の厚さであり、s i は内壁(10,11,12)の厚さであること
を特徴とする請求項1から8までのうちのいずれか一つ
による壁構造。
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