SE520270C2 - Del till en raketmotor för flytande bränsle samt förfarande för tillverkning av en del till en raketmotor - Google Patents

Description

20 25 30 520 270 2 turbinerna i vill kylmedlet för att driva bränsle- och oxidationsturbopumparna, det säga energi frán expansionen av det uppvärmda kylmedlet används för att driva turbinerna. Raketmotorns verkningsgrad är en funktion av förbränningstrycket. För att uppnà ett högt erfordras en effektiv tryck i expandercykeln värmeöverföring från avgaserna till kylmedlet. En ökad värmebelastning i brännkammaren pá grund av ytgrovhet eller fenor kan inverka pä motorns livslängd dä värmebelastningsintensiteten är mycket hög i brànnkammaren. En längre brännkammare ökar motorns och raketens längd. En ökning av utloppsmunstyckets storlek leder till större munstycken och en ökad längd pá raketstrukturen, vilket ökar fordonets vikt. kända raketutlopps- Det finns ett flertal olika sedan tidigare förfaranden för tillverkning av ett munstycke med kylkanaler. Enligt ett sàdant förfarande har munstycket en lödd rörvägg. Rören har en varierande tvärsnittbredd för att de i monterat läge skall bilda munstyckets kontur. Variationen i tvärsnitt ges av variation i omkrets och genom variation i tvärsnittsform. De lödda fogarna begränsar rörens deformation vid den termiska expansions- och tryckcykeln. Pàkänningarna i rören ökar vid fogarnas bàge. Fogarna är i sig svaga punkter och brott kan uppkomma, vilket är svärt att reparera. Den lödda rörväggen tillhandahåller en större ”vät” kontaktyta för raketflamman än en sä kallad sandwich-vägg eller en rörvägg med ett konstant tvärsnitt. Det vore emellertid önskvärt med ännu större väta ytor. tidigare känd teknik tillverkas en Enligt en annan sandwich-vägg genonl att man fräser fran1 kanaler i. en 10 15 20 25 30 520 270 3 metallplát och förbinder en tunnare metallplát för att täta kanalerna. De inre och yttre väggarna utgörs av kontinuerliga skal. Vid en termisk belastningscykel utsätts väggarna för kompressions- och dragbelastning.

Denna typ av väggstruktur är inte väl lämpad för att täla de spänningsbelastningar som är vanliga under ett Sandwich-väggen ger ingen raketmunstyckes livslängd. ökning i ytarea för att förbättra värmeöverföringen.

Enligt ett ytterligare sedan tidigare känt förfarande tillverkas munstycksväggen med rör med konstant tvärsnitt. Rören. lindas skruvlinjeformigt och svetsas ihop för att bilda munstyckskonturen. Ökningen i ytarea är liten. Rören är anordnade med en vinkel relativt flödet. Detta underlättar för att öka värmeöverföringen.

Avgasflödet roteras emellertid och ett reaktivt rollmoment (”roll momentum”) påverkar raketens rörelse i luften. Rören med konstant tvärsnitt resulterar i ett stort tryckfall som inte är fördelaktigt för konvektivt kylda motorer. Det stora tryckfallet är negativt för en motor av expandercykeltyp.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med. uppfinningen är att tillhandahålla ett förbättrat kyld förfarande för tillverkning av en raketmotordel.

Detta syfte uppnàs med hjälp av raketmotordelen enligt den föreliggande uppfinningen, vilken kännetecknas av att väggstrukturens utsida innefattar en kontinuerlig metallisk plátväqg, och att kylkanalerna i deras längdriktning är fastgjorda mot insidan av plátväggen. 10 15 20 25 30 520 270 ¿gy-,¿~¿,- 4 Som ett resultat av uppfinningen kan en raketmotordel tillverkas som har en stor tryckkapacitet, ett lágt tryckfall, en láng livslängd sàväl som ett fördelaktigt areaförhállande. Ledtiden för tillverkning och kostnaden för tillverkningen kan optimeras.

Föredragna utföringsformer av uppfinningen kan härledas av de följande beroendekraven.

KORT BESKRIVNING AV FIGURERNA Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande pà ett icke-begränsande sätt med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka: FIG 1 är en schematisk sidovy som visar ett munstycke enligt uppfinningen, FIG 2 är en partiell tvärsnittsvy utmed linjen A-A i Fig. 1, vilken visar tre kylkanaler vid munstyckets inloppsánde enligt en första utföringsform av uppfinningen, FIG 3 är en liknande vy som den i figur 2 och visar tvá av kylkanalerna utmed linjen B-B vid munstyckets utloppsände, FIG 4 är en partiell tvärsnittsvy utmed linjen A-A i Fig. 1, vilken visar tvà kylkanaler_ vid munstyckets inloppsände enligt en andra utföringsform av uppfinningen, FIG 5 är en liknande vy som den i figur 2 och visar kylkanalerna utmed linjen B-B vid. munstyckets utloppsände, FIG 6 är en liknande vy som den i figur 5 och visar ett alternativ av uppfinningen.

FIG 7 är en partiell tvärsnittsvy utmed linjen A-A i Fig. l, vilken visar kylkanaler vid munstyckets 10 15 20 25 30 520 270 ¿i¿:¿¿» 5 inloppsände enligt en tredje utföringsform av uppfinningen, och FIG 8 är en liknande vy som den i figur 7 och visar kylkanalerna utmed linjen B-B 'vid lnunstyckets utloppsände.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I Fig 1 visas en schematisk och nàgot förenklad sidovy av ett utloppmunstycke 10 som har tillverkats enligt den föreliggande uppfinningen. Munstycket är avsett för användning i raketmotorer av den typ som utnyttjar flytande bränsle, exempelvis flytande väte. En sàdan raketmotors arbetssätt är tidigare känt i sig och beskrivs därför inte i detalj här. Munstycket 10 kyls med hjälp av ett kylmedel som företrädesvis även används Uppfinningen är raketmotorn ifràga. begränsad till en del till ett som bränsle i emellertid inte raketutloppsmunstycke av denna typ, utan kan även användas för raketbrännkammare och i de fall där kylmedlet dumpas efter att ha använts för kylning.

Utloppsmunstycket tillverkas med en yttre form som är väsentligen klockformad. Munstycket 10 bildar således en rotationskropp som har en symmetriaxel och en tvärsnittsform som varierar i diameter utmed nämnda axel.

Munstycksväggen utgörs av en struktur som innefattar ett flertal inbördes intilliggande, rörformiga kylkanaler 11, vilka munstyckets längsaxel frän munstyckets inloppsände 12 sträcker sig väsentligen parallellt med till dess utloppsände 13. Strukturens utsida innefattar en kontinuerlig metallplàtsvägg 14. De rörformiga kanalerna JJ. är krökta i. deras längdriktning för att -.._ 10 15 20 25 30 - . > , u n 520 270 §f§;g§fi 6 anpassa sig till munstyckskonturen, de är' orienterade axiellt utmed munstycksväggen och i denna position förenas de med metallväggen genom svetsning. Svetsarna utförs företrädesvis via lasersvetsning fràn 'utsidan.

Detta arrangemang bildar ett läckagetätt munstycke med samtliga fogar pá den kalla sidan av väggstrukturen.

Kylkanalerna 11 i utföringsformen enligt Fig. 2 och 3 utgörs av rör 15 med cirkulära tvärsnitt och en varierande tvärsnittsstorlek. Rören 15 kan vara sömlösa och uppvisa en mindre tvärsnittsstorlek vid munstyckets inloppsände 12 än vid den motsatta änden.

Kylrören 15 är monterade utan inbördes avstånd. Vid munstyckets inloppsände är rörmaterialets tjocklek tunn för att minimera den maximala temperaturen och för att tillàta rören att vara flexibla för deformation av tvársnittet. Vid nmnstyckets utloppsände 13 har rören ett större tvärsnitt sàväl som ett tjockare rörmaterial.

Denna variation i. materialtjocklek tillàter rören att anpassa sig till ett ökat tryck inuti rören när kylmedlet expanderar. Vid inloppet kan rören formas till en oval form i syfte att öka antalet rör.

Variationerna i rörens tvärsnitt och godstjocklek sker gradvis i munstyckets längdriktning.

Figurerna 4 och 5 visar en andra utföringsform av uppfinningen, vilken är avsedd' för en förbättrad värmeupptagning. Kylrören 15 tillverkas med en konstant materialtjocklek och en gradvis sig ökande diameter.

Rören har ett mindre tvärsnitt vid munstyckets inloppsände 12 än vid dess motsatta ände. Inloppsändarna av rören har bearbetade ytor för att tilläta en liten 10 15 20 25 30 520 270 ;jf;ff¿¿f;§i;_~ 7 lutning vid denna ände av munstycket för att möjliggöra stora areaförhállanden. Kylrören är monterade utan inbördes avstánd vid munstyckets inloppsände där flamtrycket och värmebelastningen är som högst.

Vid munstyckets utloppsände är rören àtskilda i omkretsriktningen. En kavitet 16 bildas mellan varje par rör 15 och plàtväggen 14. Utrymmet mellan rören tillàter den varma raketflamman att fá tillgàng till kaviteten, vilket ger en större röryta och en förbättrad vàrmeupptagning. Genom att tilláta ett avstánd mellan varje par närliggande rör kan alltsä röret vara koniskt kunna till ett klockformat fortfarande och passa munstycke. Variationen i kavitetens bredd mellan tvà närliggande rör är gradvis i munstyckets längdriktning.

Med den ovan. beskrivna munstycksdesignen kan mängden värme som överförs till kylmedlet i munstycket ökas med faktor 1.5. bredaste delen av röret enbart är effektiv med en faktor en Det antas att kylytan utanför den 0.5. vidare att enbart halva munstycks- strukturens längd har en ökad yta eftersom avstàndet Det antas mellan rören inte föreligger vid rörets inloppsände.

I de fall där värmebelastningen är stor vid munstyckets 6 det möjligt att 14 utloppsände, gör utformningen i Fig. skydda värmebelastningen. den metalliska plàtväggen frán Kylkaviteten kan sålunda fyllas med ett termiskt isolerande material 17 för att hindra gasen att komma i kontakt med det lastbärande yttre skalet sà att materialtemperaturen begränsas. Alternativt kan material 17 I det fall helt väggarna beläggas med ett termiskt ledande för en ökad värmeöverföring till kylrören. att det ledande materialet, exempelvis koppar, . » 1 « m 10 15 20 25 30 f » 1 , .- 52Û 270 ïiëfiiïíflw 8 fyller ut kaviteten är det möjligt att uppnä mycket höga tryck och stora areaförhällanden. Förfarandet för att anbringa det ledande materialet kan utgöras av antingen lödning eller lasersintring.

Figurerna 7 och 8 visar en fjärde utföringsform av uppfinningen, där U-formade profiler 18 används istället för de ovan beskrivna circulära rören 15. Profilerna har varierande att ett varierande tvärsnitt och en Profilerna tillverkas materialtjocklek. genom tryckforma metalliska plàtremsor. Tjockleksvariationen är anpassad till munstyckets längd. Materialtjockleken kan sàlunda öka när kylkanaltvärsnittet ökar sä att inloppsände där att att tjockleken är liten vid munstyckets Det är föredra tjocklek värmebelastningen är hög. modifiera metallremsans innan den viks.

Strukturen i figurerna 7 och 8 har kombinerats med termiskt isolerande/väl ledande material 17.

Det är föredraget att bygga strukturerna som beskrivits ovan av vanliga material för raketutloppsmunstycken, säsom rostfritt stäl och nickelbaserade legeringar. Även material säsom koppar och aluminium är lämpliga.

En av de viktiga fördelarna med den uppfinningsenliga väggstrukturen är att den medför en stor kylyta för ökad värmeabsorption. Variationerna i tvärsnitt och rörväggstjocklek tillàter ett högt inre tryck i kylkanalerna ll. Den ökade väta ytan i munstycks- strukturen enligt uppfinningen kyler gränsskiktet mer än Gränsskiktet som Det hos ett konventionellt munstycke. lämnar raketmunstycket kommer att vara kallare. kallare gränsskiktet fungerar som en kylande film för en som kan eventuell strälningskyld munstycksförlängning . , ^ 1 1 . 10 15 20 25 520 270 9 användas som en lägkostnadslösning i de fall där värmebelastningen är begränsad. Munstycksförlängningen kan bli mindre kostsam tack vare att vàrmebelastningen är begränsad.

Den rotationssymmetriska yttre ytan pà den uppfinningsenliga munstycksstrukturen ger i sig en styvhet och tilläter vid behov fastgöring av förstyvningsmedel pà ett enkelt sätt. Den enskilda fogen till tilläter rören att vara flexibla för termisk distorsion den metalliska plàtväggen isolerar höljet och under det att den ger en minimal spänningskoncentration.

Kylkanalernas tvärsnittsarea kan vara närmast cirkulära.

Detta innebär att temperaturskillnaderna och de tillhörande spänningarna är mindre jämfört med sandwich- väggar, där flamman inte är i kontakt med den yttre eliminerar bilda väggen. Avståndet 16 mellan rören begränsningen j. kylkanaldimensioner för att munstyckskonturen. Kylkanalerna eller rören skulle kunna tillverkas med linervariation, vilket medger tillverkningstekniska fördelar.

Uppfinningen skall inte anses vara begränsad till de ovan beskrivna utföringsexemplen, utan en rad modifikationer är tänkbara inom ramen för efterföljande patentkrav.

Claims (10)

10 15 20 25 30 H- f-f. 520 270 10 NYA PATENTKRAV

1. l. Del (10) bildar en rotationssymmetrisk kropp med en symmetriaxel till en raketmotor för flytande bränsle, som och ett tvärsnitt som varierar i diameter utmed nämnda axel, varvid delen uppvisar en väggstruktur som innefattar ett flertal kylkanaler (ll), varvid väggstrukturens utsida innefattar en kontinuerlig metallisk plàtvägg (14), och varvid ett flertal kanalelement (l5;l8), vilka definierar kylkanalerna (ll), i deras längdriktning är fastgjorda mot insidan av plàtväggen k ä n n e t e c k n a d av, att kanalelementen (l5;l8) ätminstone partiellt är anordnade med inbördes avstánd i väggstrukturens omkretsriktning.

2. Del enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av, (ll) av kanalen än i en uppströms att varje kylkanals tvärsnittsarea är större i en nedströms ände (13) ände (12).

3. Del enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av, att materialtjockleken i kylkanalväggen är större i en nedströms ände (13) av kanalen än i en uppströms ände (12).

4. Del enligt nagot av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d av, att varje kylkanal (ll) är bildad av en metallisk plàtprofil (18). 10 15 20 25 30 520 270 ll

5. Del enligt nàgot av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d av, att kylkanalerna är bildade av sömlösa rör (15).

6. Del enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av, att kanalelementen är monterade med inbördes kontakt vid (12), (13). delens inloppsände och med inbördes avstànd vid delens utloppsände

7. Del enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av, att avstàndet mellan tvá närliggande kanalelement vid (10) (13) (17). delens utloppsände är fyllt med ett isolerande material

8. Del enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av, att avståndet mellan tvä närliggande kanalelement vid (10) (13) ledande material utloppsände är fyllt med ett termiskt (17). delens (10) till en bildar en

9. Förfarande för tillverkning av en del raketmotor för flytande bränsle, som rotationssymmetrisk kropp med en symmetriaxel och ett tvärsnitt som varierar i diameter utmed nämnda axel, och varvid delen uppvisar en väggstruktur som innefattar ett (ll), utforma en metallisk plàtvägg (14) flertal kylkanaler innefattande stegen, att med en tvärsnittsform som svarar mot raketmotordelens tvärsnittsform, att (15;18), vid plätväggens anordna ett flertal kanalelement och att (15;18) insida k ä n n e t e c k n a t av fastgöra kanalelementen (14) ~ » V f ~ . 10 520 270 12 att kanalelementen (l5;l8) àtminstone partiellt anordnas med inbördes avstånd i väggstrukturens omkretsriktning.

10. Förfarande enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av steget att fastgöra kanalelementen (l5;l8) vid den metalliska plàtväggen (14) genom svetsning frán väggens utsida. . . . , . ,