SE520242C2 - Del till en raketmotor för flytande bränsle samt förfarande för framställning av en del till en raketmotor - Google Patents

Description

25 30 520 242:=§j; Den intensiva värmebelastningen leder till en skiktning av kylmedlet. Kylmedlet som föreligger närmast den heta väggen värms vilket resulterar i en UPP: temperaturökning. Kylmedlets viskositet sänks, vilket leder till en ökad flödeshastighet närmast den uppvärmda Sålunda kylmedlet stor del väggen. skiktas med skarpa temperaturgradienter. En av kylmedlet värms enbart upp till en låg temperaturnivå, vilket reducerar kylsystemets effekt. Temperaturskillnaden i kylmedlet kan vara i storleksordningen 600-700°K. Vid utsidan av kylkanalen, nära dess utloppsände, kan kylmedlet fortfarande ha inloppstemperaturen 60°K.

Det har föreslagits att öka kylväggens kylyta, exempelvis genonx att anordna långsträckta fenor utmed kanalernas insidor. Fenorna måste emellertid ha en viss höjd för att penetrera det termiska gränsskiktet.

Kylmedlets flödeshastighet kommer att sjunka i gapet mellan fenorna i det fall de görs höga och anordnas tätt ihop. Därför är ökningen i värmeöverföring begränsad med denna åtgärd. Dessutom måste fenornas nedre delar vara spetsiga för att skapa utrymme åt ett stort antal fenor.

Den spetsiga nedre delen sträcker sig vinkelrätt mot den första huvudspänningen. Kanalens botten representerar en viktig spänningskoncentration. Framställningen av fenorna är en känslig operation. Kanalernas bredd är i midjeområdet i storleksordningen l.O mm, vilket innebär att den maximala bredden på en av tre fenor är 0.3 mm och fenans topp blir oändligt tunn.

Dessutom har det föreslagits att göra värmeöverföringen mer effektiv genom att öka kanalväggens ytgrovhet för kylflödet. att generera turbulens i Ytgrovheten ökar 10 15 20 25 30 520 242 3 virvelbildningen vid väggen, men effekten är liten med ett flödesmedel med en mycket låg viskositet, såsom väte.

I JP 60048127 beskrivs användning av ett vridet stàlband horisontell flöde att inuti en kylkanal för att tvinga ett sekundärt undvika att skiktas. Detta förfarande föreslås för applikation i kärnkrafts- anläggningar vid horisontella rör i reaktorer, en mellanliggande pump, värmeväxlare och inloppsmunstycke hos en ånggenerator. Stålbandet kan leda till varma punkter på den varma sidan och överhettning av materialet på grund av ett reducerat kylmedelsflöde i kanalen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är därför att förse en raketmotordel med en reducerad skiktning av kylmedlet inuti kylkanalerna.

Detta syfte uppnås med delen enligt uppfinningen, vilken är kännetecknad av att varje kylkanal är försedd med en flödesstyrande yta som sträcker sig med en vinkel relativt kylkanalens axel för att tillföra det axiella flödet en flödeskomponent i radiell riktning. Den flödesstyrande ytan tvingar kylmedlet att rotera då det flödar genom kanalen så att skiktning undviks.

Förfarandet enligt uppfinningen kännetecknas av stegen att bearbeta ytan hos en platta av metalliskt material så att ytan uppvisar en flödesstyrande yta, vikning av till kylkanaler, och metallplattan fastgöring av kylkanalerna vid väggstrukturen. 10 15 20 25 30 520 242 . » Ä . . » 4 Fördelaktiga utföringsformer hos uppfinningen framgår av de följande beroendekraven.

KORT BESKRIVNING AV FIGURER Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande på ett icke-begränsande sätt med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka: FIG 1 är ett schematiskt längsgående tvärsnitt genom en raketmotorbrännkammare enligt uppfinningen, FIG 2 visar ett längsgående tvärsnitt i en större skala av en kylkanal hos brännkammaren som visas i figur l, enligt en första utföringsform av uppfinningen, FIG 3 är ett tvärsnitt utmed linjen B-B i figur 2, FIG 4 är ett tvärsnitt utmed linjen A-A i figur 3, FIG 5 är ett tvärsnitt svarande mot figur 2, enligt en andra utföringsform av uppfinningen, och FIG 6 är ett tvärsnitt utmed linjen C-C i figur 5.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I Fig 1 visas en schematisk och något förenklad vy sidovy av en raketmotorbrännkammare 10 som har framställts enligt den föreliggande uppfinningen.

Brännkammaren är avsedd för användning i raketmotorer av den typ som använder flytande bränsle, exempelvis flytande väte. Arbetssättet för en sådan raketmotor är känd sedan tidigare och beskrivs därför inte i detalj här. Brännkammaren 10 kyls med hjälp av ett kylmedel som används som bränsle i i den företrädesvis också specifika raketmotorn. Uppfinningen är emellertid inte begränsad till brännkammare av denna typ.

, . = K . . 10 15 20 25 30 520 242 5 Brännkammaren 10 framställs med en yttre form som bildar en rotationssymmetrisk kropp med en centrumaxel och ett tvärsnitt som varierar i diameter utmed nämnda axel.

Brännkammarväggen utgörs av en struktur som innefattar ett flertal inbördes närliggande kylkanaler 11, vilka sträcker sig väsentligen parallellt med brännkammarens från ett till ett 10 längsgående axel samlingsrör vid brännkammarens inlopp 12 samlingsrör vid brännkammmarens utlopp 13. Strukturens utsida innefattar en tryckmantel 14 i ett stycke. De U-formiga kylkanalerna ll kröks i deras längsriktning så att de anpassas till mantelns kontur och de är axiellt orienterade utmed väggen och i denna position förbinds de med mantelns metalliska vägg genom lödning.

I utföringsformen enligt figurerna 2-4 har varje kylkanal ll en inre flödesstyrande yta som innefattar ett flertal utskjutande ribbor 15, vilka sträcker sig med en vinkel relativt kylkanalens axel. Vinkeln på ribborna kommer att tvinga kylmedlet att rotera inuti kanalen då kylmedlet flödar utmed kanalen. På detta sätt kommer ouppvärmt kylmedel att tramsporteras från kanalens utsida till insidan och uppvärmt kylmedel kommer att transporteras från kanalens insida till utsidan.

Det blir möjligt att reducera brännkammarens temperatur med 100 °K genom att man ersätter ungefär 15% av det redan uppvärmda kylmedlet med ouppvärmt kylmedel. Den radiella flödeshastigheten hos kylmedlet bör i så fall vara ungefär 15% av dess axiella hastighet. Detta representerar en vinkel på 9 grader från den axiella 10 15 20 25 30 520 242 6 hastighetsvektorn. Denna lilla vinkel medför enbart en liten tryckminskning hos kylflödet.

Den ribbade kanalytan ökar de små virvlarna och friktionen på den varma sidan, vilket också bidrar till en ökad värmeöverföring. Istället för den ribbade ytan enligt figurerna 2-4 kan ytan förses med spår i kanalväggen. Topologin bör vara relativt jämn vid den varma sidan av kanalen, vilket är det livslängds- begränsande området, i syfte att reducera spänningskoncentrationerna.

Figurerna 5 och 6 visar en andra utföringsform av uppfinningen, varvid de flödesstyrande ytorna är anordnade i kanalen i form av en separat insatsstruktur 16, som har yttre gängade partier 17. Strukturen 16 är anpassad att vara fast anordnad i kanalen. Eftersom det inte finns några gängade partier 17 vid kanalväggens 18 insida så blockerar inte insatsen kylmedlet från tillgång till den varma väggen. Som ett alternativ till insatsen 16 som visas i figurerna 5 och 6, så kan insatsen utgöras av en skruvlinjeformig spiral utan en central kärna.

Kanalerna 11 kan ha ett mindre tvärsnitt vid samlingsröret vid inloppet 12 än vid samlingsröret vid utloppet 13. Företrädesvis är varje separat kylkanalelement präglat för att uppvisa den önskade ytstrukturen med ribbor eller spår. Dessa element viks till den önskade avsmalnande bredden på kanalen. kanalerna i en löds fast.

Slutligen monteras de separata rotationssymmetrisk kammare och Framställningen av manteln och samlingsrören är sålunda förenklad. . ; 1 . f | 10 15 520 242 Som ett alternativ kan ytstrukturen appliceras på/i kanaler med parallella sidor. Detta kan utföras genom avlägsnande av material, exempelvis genonl bearbetning med hjälp av elektriska urladdningar.

Uppfinningen skall inte anses vara begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan ett flertal modifikationer är möjliga inom ramen för efterföljande patentkrav. Exempelvis kan den beträffande kylning förbättrade väggstrukturen även appliceras vid yttre runda och expansionsraketmotorer såsom kallade linjära så ”aero-spike”-motorer. Den flödesstyrande ytan behöver inte sträcka sig utmed hela kylkanalens längd.

Med andra ord kan den flödesstyrande ytan appliceras på enbart en del av kylkanalen, vilken del är utsatt för den högsta termiska belastningen, exempelvis midjeregionen.

Claims (10)

10 15 20 25 30 520 242 PATENTKRAV

1. l. Del (10) till en raketmotor för flytande bränsle, vilken raketmotordel har en lastbärande väggstruktur (ll,l4) (14) och ett flertal kylkanaler (ll) för ledning av ett kylflöde innefattande en yttre mantel k ä n n e t e c k n a d av, att ett kylkanalelement, som är förbundet med manteln, bildar en av nämnda kylkanaler, och att varje kylkanal (ll) är försedd med en flödesstyrande yta (l5,l7) som sträcker sig med en vinkel relativt kylkanalens axel för att tillföra det axiella flödet en flödeskomponent i radiell riktning.

2. Del enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av, att den flödesstyrande ytan (15) (18). ingår i. kanalväggen

3. Del enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av, att den flödesstyrande ytan innefattar ett flertal spår i kanalväggen (18).

4. Del enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av, att den flödesstyrande ytan innefattar ett flertal ribbor (15) utskjutande från kanalväggen (18).

5. Del enligt något av kraven l-4, k ä n n e t e c k n a d av, att den flödesstyrarde ytan innefattar en separat struktur (16) inuti kylkanalen (ll). 10 15 20 25 30 520 242

6. Del enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av, att strukturen innefattar en skruvlinjeformig spiral.

7. Del enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av, att strukturen innefattar en gängad skruv (16,17).

8. Förfarande för framställning av en del (10) till en raketmotor för flytande bränsle, vilken raketmotordel har en lastbärande väggstruktur (ll,l4) innefattande en yttre mantel (14) och ett flertal kylkanaler (11) för ledning av ett kylflöde k ä n n e t e c k n a t av stegen att bearbeta ytan hos en platta av metalliskt material så att ytan uppvisar en flödesstyrande yta (15), vika metallplattan till åtminstone ett kylkanalelement, och fastgöra nämnda kylkanalelement vid manteln (14) hos väggstrukturen så att nämnda kylkanaler bildas.

9. Förfarande enligt krav 8, k ä I1 n e t: e c }< n a t: av att nætallplattans yta bearbetas genom att man präglar spår in i ytan.

10. Förfarande enligt krav 8, k ä 11 n e t: e c k 11 a t av att nætallplattans yta bearbetas (15) genom prägling för att utforma utskjutande ribbor från ytan.