SE522848C2

SE522848C2 - Wall structure for rocket engine, has two layers to carry significant portion of structural load, where one layer exhibits higher thermal conductivity and lower thermal expansion than another layer

Info

Publication number: SE522848C2
Application number: SE0201595A
Authority: SE
Inventors: Jan Haeggander
Original assignee: Volvo Aero Corp
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2004-03-09
Also published as: SE0201595L; SE0201595D0

Abstract

The structure has a layer (6) located closer to a source of thermal load than another layer (5). The two layers are arranged such that heat is allowed to conduct from layer (6) to the layer (5). The two layers carry a significant portion of a structural load. The layer (6) exhibits a higher thermal conductivity and a lower thermal expansion than the layer (5).

Description

25 30 522 848 2. 25 30 522 848 2.

Den totala töj ningen i väggens inre del beror på temperaturgradienten genom denna del av väggen och också på temperaturgradienten genom hela väggen, från den varma sidan till den kalla sidan. Genom att minska töjningen kan livslängden förlängas. En liten töjning i den inre delen av väggen leder också till en mindre töjning i den yttre delen av väggen eftersom krafterna i väggen är varandras krafter och reaktionskrafter.The total elongation in the inner part of the wall depends on the temperature gradient through this part of the wall and also on the temperature gradient through the whole wall, from the hot side to the cold side. By reducing the elongation, the service life can be extended. A small elongation in the inner part of the wall also leads to a smaller elongation in the outer part of the wall because the forces in the wall are each other's forces and reaction forces.

Bränslet är vanligtvis väte. En komplikation som uppstår då väte används som kylmedel är att metalliska material ofta är känsliga för väteexponering som vanligen resulterar i en reducerad materialhållfasthet. Detta begränsar möjligheterna i valet av material.The fuel is usually hydrogen. A complication that occurs when hydrogen is used as a coolant is that metallic materials are often sensitive to hydrogen exposure which usually results in a reduced material strength. This limits the possibilities in the choice of material.

Material med hög värmeledrringsförrnåga minskar temperaturgradienten och därigenom den termiska töjningen i väggstrukturen. Koppar och aluminium är material med hög värmeledningsförmåga men användningen av dessa material är begränsad eftersom den högsta tillåtna driﬁstemperaturen kan överskridas i faser av ﬂygcykeln' då kylmedel ej ﬁnns tillgängligt som t.ex. vid nedfart ("re-entry phase"). Material med liten värmeutvidgning minskar också den termiska töjningen i väggstrukturen. Det är dock svårt att hitta material med låg termisk utvidgning som också är duktila, motståndskraftiga mot väteexponering och lämpliga för bearbetning.Materials with a high thermal conductivity capacity reduce the temperature gradient and thereby the thermal elongation in the wall structure. Copper and aluminum are materials with high thermal conductivity but the use of these materials is limited because the maximum permissible operating temperature can be exceeded in phases of the ﬂ eyeg cycle 'as coolant is not available as e.g. at re-entry phase. Materials with small thermal expansion also reduce the thermal elongation in the wall structure. However, it is difficult to find materials with low thermal expansion that are also ductile, resistant to hydrogen exposure and suitable for processing.

Ett antal olika väggstrukturer har tidigare föreslagits. I en struktur leds kylmedel genom rör med cirkulärt tvärsnitt vilka rör är sammansvetsade parallellt till varandra. En sådan konstruktion är ﬂexibel i en riktning vinkelrätt mot rörens längdaxel genom att den termiska utvidgningen kan absorberas genom deﬂektion av rören som kan anta en oval tvärsnittsforrn.A number of different wall structures have previously been proposed. In a structure, coolant is led through tubes of circular cross-section which tubes are welded parallel to each other. Such a construction is ﬂ visible in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the tubes in that the thermal expansion can be absorbed by the ﬂ section of the tubes which can assume an oval cross-sectional shape.

Konstruktionen är dock rigid i rörens axiella riktning. En annan nackdel är att konstruktionens vågformade topologi medför att temperaturen blir mycket hög på krönen av rören på den varma sidan av väggen.However, the construction is rigid in the axial direction of the pipes. Another disadvantage is that the wave-shaped topology of the construction means that the temperature becomes very high at the crest of the pipes on the hot side of the wall.

I en annan struktur svetsas rör med rektangulärt tvärsnitt samman på den kalla, yttre sidan av väggen. Denna struktur har inga delar som sticker ut från väggens varma sida. Vidare möjliggör konstruktionen att ett avstånd bildas mellan rören på väggens insida under en kylningsperiod eﬁersom rören är sammanfogade endast på väggens utsida. Detta minskar den terrniska töj ningen under kylning. Eftersom avstånd bildas mellan rören kommer dock innerväggen inte att vara slät vilket leder till en ökad friktion och därmed en minskad genomsnittlig flamhastighet. 10 15 20 25 30 522 848 5 Ett annat exempel är en s.k. sandwichkonstruktion där en första plåt, t.ex. genom fräsning, förses med kylkanaler och där en andra plåt svetsas fast på den första plåten som ett lock på kylkanalema. I en sådan konstruktion blir innerväggen kontinuerlig i en tangentiell riktning och därför medger strukturen väldigt lite flexibilitet för att reducera den töjning som uppstår från termisk utvidgning.In another structure, pipes with a rectangular cross-section are welded together on the cold, outer side of the wall. This structure has no parts that protrude from the warm side of the wall. Furthermore, the construction enables a distance to be formed between the pipes on the inside of the wall during a cooling period or because the pipes are joined only on the outside of the wall. This reduces the thermal elongation during cooling. Since distances are formed between the pipes, however, the inner wall will not be smooth, which leads to an increased friction and thus a reduced average flame velocity. Another example is a so-called sandwich construction where a first plate, e.g. by milling, provided with cooling channels and where a second plate is welded to the first plate as a lid on the cooling channels. In such a construction, the inner wall becomes continuous in a tangential direction and therefore the structure allows very little flexibility to reduce the elongation resulting from thermal expansion.

Det är också känt från tidigare teknik att förse innerväggen med en värmeskyddande ytbeläggning av ett material med låg termisk konduktivitet, t.ex. ett keramiskt material, för att isolera den lastbårande metalliska strukturen. Detta materials låga värmeledningsförmåga får som effekt att temperaturen i ytbeläggningen ökar vid en konstant termisk belastning.It is also known from the prior art to provide the inner wall with a heat-protective surface coating of a material with low thermal conductivity, e.g. a ceramic material, to insulate the load-bearing metallic structure. The low thermal conductivity of this material has the effect that the temperature in the surface coating increases at a constant thermal load.

Beroende på den termiska utvidgningen kommer ytbeläggningen bli kraftigt belastad av kompression vilket, tillsammans med den höga termiska belastningen, medför att ytbeläggningen ﬂagar av. En generell nackdel med dylika värmeskyddande ytbeläggningar i t.ex. raketmotorapplikationer är att den belagda komponenten ökar i vikt.Depending on the thermal expansion, the surface coating will be heavily loaded with compression, which, together with the high thermal load, causes the surface coating to agar off. A general disadvantage with such heat-protective surface coatings in e.g. rocket engine applications is that the coated component increases in weight.

REDOGÖRELSE FÖR UPPF INN INGEN: Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfmning är att tillhandahålla en väggstruktur som står emot en kraftig termisk belastning och har en längre livslängd jämfört med tidigare teknik. Detta syfte uppnås med kännetecknen i krav l. De beroende kraven innehåller fördelaktiga utformningar, ytterligare utvecklingar och varianter av uppfinningen.DESCRIPTION OF THE INVENTION NO: The main object of the present invention is to provide a wall structure which withstands a heavy thermal load and has a longer service life compared to prior art. This object is achieved with the features of claim 1. The dependent claims contain advantageous designs, further developments and variants of the invention.

Uppﬁnningen avser en väggstruktur, avsedd att utsättas för en termisk belastning, innefattande åtminstone två lager: ett första lager och ett andra lager, varvid det andra lagret är beläget närmare nämnda termiska belastnings källa än det första lagret, och varvid nämnda första och andra lager är anordnade att medge ledning av värme ﬁån det andra lagret till det första lagret. Uppﬁnningen karakteriseras av att vart och ett av nämnda första och andra lager är anpassade att bära en signifikant del av en strukturlast, och att det andra lagret uppvisar en högre värmeledningsförrnåga och/eller en lägre värmeutvidgning än det första lagret. Denna design har den fördelaktiga effekten att den reducerar den tenniska töjningen och dess effekter i väggstrukturen, vilket i sin tur förlänger livslängden. I korthet kan detta förklaras på följande sätt: Det första kännetecknet, d.v.s. att båda lagren bär en strukturlast, har effekten att väggens tjocklek kan hållas vid ett minimum, m.a.o. är det inte nödvändigt att öka väggtj ockleken bara för att strukturen innefattar två lager. Det andra kärmetecknet kan delas 10 15 20 25 30 522 848 4 upp på två: i) En högre värmeledningsförrnåga i det andra lagret sänker både temperaturnivåema och minskar temperaturgradienten i väggstrukturen. Eftersom den termiska töjningen beror på temperaturen och materialets värmeutvidgning kommer detta sänka de absoluta värdena på den termiska töjningen och göra den termiska töjningsprofilen genom väggstrukturen mer jämn, ii) En lägre värmeutvidgning i det andra lagret minskar utvidgningen i den varmaste delen av strukturen vilket både minskar den mest extrema termiska töjningen och ger en mer järrm termisk töj ningsproﬁl. Både lägre töj ningsvärden och en jämnare töjningsproﬁl har en gynnsam effekt på väggstrukturens livslängd.The invention relates to a wall structure, intended to be subjected to a thermal load, comprising at least two layers: a first layer and a second layer, the second layer being located closer to said thermal load source than the first layer, and wherein said first and second layers are arranged to allow conduction of heat from the second layer to the first layer. The invention is characterized in that each of said first and second layers is adapted to carry a significant part of a structural load, and that the second layer has a higher thermal conductivity and / or a lower thermal expansion than the first layer. This design has the beneficial effect that it reduces the tennis elongation and its effects in the wall structure, which in turn extends the service life. In short, this can be explained as follows: The first characteristic, i.e. that both layers carry a structural load, has the effect that the thickness of the wall can be kept to a minimum, m.a.o. it is not necessary to increase the wall thickness simply because the structure comprises two layers. The second core sign can be divided into two: i) A higher thermal conductivity in the second layer lowers both the temperature levels and reduces the temperature gradient in the wall structure. Since the thermal elongation depends on the temperature and the thermal expansion of the material, this will lower the absolute values of the thermal elongation and make the thermal elongation profile through the wall structure more even, ii) A lower thermal expansion in the second layer reduces the expansion in the hottest part of the structure. the most extreme thermal elongation and gives a more iron thermal elongation profile. Both lower elongation values and a smoother elongation profile have a favorable effect on the service life of the wall structure.

En ytterligare fördel med att låta båda lagren uppbära strukturlaster är att ingen ytterligare "dödvikt" läggs på konstruktionen, som exempelvis är fallet med värmeskyddande ytbeläggningar. Dessutom medför avsaknad av värmeskyddande ytbeläggning att de lastbärande delarna av våggstrukturen blir åtkomliga för inspektion. En ytterligare fördelaktig effekt av sänkta temperatumivåer är att det leder till förbättrade materialegenskaper såsom högre strukturell hållfasthet.A further advantage of allowing both layers to support structural loads is that no additional "dead weight" is placed on the structure, as is the case, for example, with heat-protective coatings. In addition, the lack of heat-protective surface coating makes the load-bearing parts of the wall structure accessible for inspection. An additional beneficial effect of lowered temperature levels is that it leads to improved material properties such as higher structural strength.

I en första fördelaktig utföringsform av uppfinningen uppvisar det andra lagret både en högre värmeledningsförmåga och en lägre värmeutvidgning än det första lagret. Härigenom kan de fördelaktiga effektema av var och en av dessa materialegenskaper samverka och bilda en ytterligare förbättrad design.In a first advantageous embodiment of the invention, the second layer has both a higher thermal conductivity and a lower thermal expansion than the first layer. In this way, the beneficial effects of each of these material properties can interact and form a further improved design.

I en andra fördelaktig utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda väggstruktur kylkanaler som är placerade på den sida av det andra lagret som är motstående värmekällans sida, varvid nämnda kylkanaler är anpassade för att genomströmmas av ett kylmedel.In a second advantageous embodiment of the invention, said wall structure comprises cooling ducts located on the side of the second layer which is opposite the side of the heat source, said cooling ducts being adapted to flow through by a coolant.

Kylkanaler anordnade på detta sätt ger upphov till en stor temperaturgradient i väggstrukturen vilket förstärker uppﬁnningens fördelaktiga effekter.Cooling ducts arranged in this way give rise to a large temperature gradient in the wall structure, which enhances the beneficial effects of the heating.

I en tredje fórdelaktig utföringsform av uppfinningen är nämnda kylkanaler placerade på ett avstånd från det andra lagret. En sådan utforrrming möjliggör användning av vätekänsliga material i det andra lagret även i situationer då väte används som kylmedel.In a third advantageous embodiment of the invention, said cooling channels are located at a distance from the second layer. Such a design enables the use of hydrogen-sensitive materials in the second layer even in situations where hydrogen is used as coolant.

I en fjärde fördelaktig utföringsfonn av uppfinningen är nämnda kylkanaler placerade i anslutning till det första lagret, företrädesvis är nämnda kylkanaler placerade åtminstone delvis inne i det första lagret. Ett sådant arrangemang medför en gyrmsarn konstruktion. 10 15 20 25 30 522 848 5 I en femte tördelaktig utföringsform av uppfinningen utgörs det första lagret huvudsakligen av ett första metalliskt material, och det andra lagret huvudsakligen av ett andra metalliskt material, varvid det andra metalliska materialet har en högre värmeledningsfönnåga och/eller en lägre värmeutvidgning än det första metalliska materialet. Eﬁersom metall är ett lämpligt konstruktionsmaterial medför detta en gynnsam konstruktion.In a fourth advantageous embodiment of the invention, said cooling channels are located adjacent to the first layer, preferably said cooling channels are located at least partially inside the first layer. Such an arrangement entails a gyrmsarn construction. In a fifth toroidal embodiment of the invention, the first layer consists mainly of a first metallic material, and the second layer mainly of a second metallic material, the second metallic material having a higher thermal conductivity and / or a lower thermal expansion than the first metallic material. As metal is a suitable construction material, this results in a favorable construction.

I en sjätte fördelaktig utföringsform av uppfinningen innehåller det andra lagret keramiska partiklar. Härigenom kan värmeutvidgningen i det andra lagret minskas ytterligare.In a sixth advantageous embodiment of the invention, the second layer contains ceramic particles. As a result, the thermal expansion in the second layer can be further reduced.

KORT BESKRIVNING AV F IGURER: Uppfmningen kommer nu beskrivas mer i detalj med hänvisning till följande figurer där: Figur l visar en tördelaktig utßringsform av uppfinningen, Figur 2 schematiskt visar uppﬁnningens fördelaktiga effekter i ett temperaturdiagram, Figur 3 schematiskt visar uppﬁnningens fördelaktiga effekter i ett töjningsdiagram.BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES: The invention will now be described in more detail with reference to the following figures where: Figure 1 shows a tedious embodiment of the invention, Figure 2 schematically shows the beneficial effects of exercise in a temperature diagram, Figure 3 schematically shows the beneficial effects of exercise in an elongation diagram .

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN: Figur l visar en fördelaktig uttöringsforrn av uppﬁnningen i vilken en väggsnukttir 2 bildar en "thrust chamber" 1, d.v.s. en törbränningskammare med munstycke. Som visas i den íörstorade delen av ﬁgur 1 innefattar väggstrukturen 2 ett första lager 5 och ett andra lager 6.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION: Figure 1 shows an advantageous embodiment of the invention in which a wall socket 2 forms a "thrust chamber" 1, i.e. a dry burning chamber with nozzle. As shown in the enlarged part of Figure 1, the wall structure 2 comprises a first layer 5 and a second layer 6.

Det andra lagret 6 är beläget på den varma sidan 8 av väggstrukturen 2, d.v.s. den sida av väggstrukturen 2 som är vänd mot en värmekälla som, åtminstone emellanåt, utsätter väggstrukturen 2 för en termisk belastning. I detta fall är värmekällan de varma gasema inuti förbränningskainmaren/muristycket. Det första lagret är försett med kylkanaler 7 som är anpassade att genomströmmas av ett kylmedel.The second layer 6 is located on the warm side 8 of the wall structure 2, i.e. the side of the wall structure 2 facing a heat source which, at least occasionally, exposes the wall structure 2 to a thermal load. In this case, the heat source is the hot gases inside the combustion chamber / wall piece. The first layer is provided with cooling channels 7 which are adapted to be passed through by a coolant.

Vart och ett av lagren 5, 6 bär en signiﬁkant del av en strukturlast. I den utföringsform som visas i ﬁgur l har de två lagren 5, 6 likartade hållfasthetsegenskaper vilket betyder att väggstrukturens 2 totala tjocklek inte behöver ökas p. g.a. att konstruktionen innefattar två lager. I princip gäller att om det andra lagrets 6 tjocklek ökas med ett visst värde så kan det första lagrets 5 tjocklek minskas med samma värde. Vidare är de två lagren 5, 6 sammanfogade på så sätt att värme kan ledas från ett lager till ett armat, och det andra lagret 6 uppvisar en högre värmeledningsförmåga och en lägre värmeutvidgning än det första lagret 5. 10 15 20 25 30 522 848 b Strukturlasten är laster som uppbärs av strukturen i form av spänningar. Lastemas ursprung kan t.ex. vara tryck, värrnespänning, tröghetskraﬁer (d.v.s. acceleration) och mekaniska krañer vid gränsytor. Med att säga att vart och ett av lagren 5, 6 är anpassade att bära en signifikant del av en strukturlast menas att båda lagren 5, 6 bidrar till att bära upp strukturen.Each of the bearings 5, 6 carries a significant part of a structural load. In the embodiment shown in Figure 1, the two layers 5, 6 have similar strength properties, which means that the total thickness of the wall structure 2 does not need to be increased due to that the construction comprises two layers. In principle, if the thickness of the second layer 6 is increased by a certain value, the thickness of the first layer 5 can be reduced by the same value. Furthermore, the two layers 5, 6 are joined in such a way that heat can be conducted from one layer to another, and the second layer 6 has a higher thermal conductivity and a lower thermal expansion than the first layer 5. 10 15 20 25 30 522 848 b The structural loads are loads that are supported by the structure in the form of stresses. The origin of the cargo can e.g. be pressure, thermal stress, inertia cranes (i.e. acceleration) and mechanical cranes at interfaces. By saying that each of the layers 5, 6 is adapted to carry a significant part of a structural load is meant that both layers 5, 6 contribute to supporting the structure.

Detta står i kontrast till den tidigare nämnda kända tekniken där innerväggen är försedd med en värmeskyddande ytbcläggning som inte bär en signiﬁkant del av strukturlasten.This is in contrast to the previously mentioned prior art where the inner wall is provided with a heat-protective surface coating which does not carry a significant part of the structural load.

Då temperaturen stiger i förbränningskammaren/munstycket 1, d.v.s. då den termiska belastningen anbringas på väggstrukturen, kommer temperaturen att stiga i väggstrukturen 2 och en temperaturgradient kommer att utvecklas i väggstrukturen 2. De högsta temperaturerna i väggstrukturen 2 kommer givetvis att vara i de yttersta delarna av det andra lagret 6 som är belägna närmast värmekällan. I riktning mot kylkanalema 7 och den andra, kallare sidan 9 av väggstrukturen 2 kommer temperaturen successivt att minska. Den största temperaturgradienten, d.v.s. den brantaste temperaturproﬁlen, i väggstrukturen 2 kommer naturligtvis att vara i delen mellan den varma sidan 8 och kylkanalerna 7 genom vilka kylmedel strömmar. En sådan del har givits hänvisningen 10 i figur l.As the temperature rises in the combustion chamber / nozzle 1, i.e. when the thermal load is applied to the wall structure, the temperature will rise in the wall structure 2 and a temperature gradient will develop in the wall structure 2. The highest temperatures in the wall structure 2 will of course be in the outermost parts of the second layer 6 located closest to the heat source. In the direction of the cooling ducts 7 and the other, colder side 9 of the wall structure 2, the temperature will gradually decrease. The largest temperature gradient, i.e. the steepest temperature profile, in the wall structure 2 will of course be in the part between the hot side 8 and the cooling ducts 7 through which coolant flows. Such a part has been given the reference 10 in Figure 1.

Generellt expanderar konstruktionsmaterial då temperaturen stiger. Ju högre temperatur, desto större utvidgning. Om denna utvidgning inte kan absorberas fullkomligt genom t.ex. deformation av konstruktionen kommer den att ge upphov till kompressionsspänníngar, d.v.s. en negativ termisk töjning, i konstruktionen. Den terrniska töj ningen i en viss punkt beror både på temperaturen och materialets värmeutvidgning. En termisk töjningsproﬁl i ett visst material kommer sålunda att i princip ha samma form som temperaturproﬁlen. En hög termisk töjning minskar materialets hållbarhet. Uppﬁnningen minskar den terrniska töjningen i väggstrukturen, eller åtminstone eliminerar de mest extrema värdena i den termiska töjningsproﬁlen. Detta beskrivs mer utförligt nedan.In general, construction materials expand as the temperature rises. The higher the temperature, the greater the expansion. If this expansion cannot be completely absorbed by e.g. deformation of the structure, it will give rise to compression stresses, i.e. a negative thermal elongation, in the construction. The thermal elongation at a certain point depends on both the temperature and the thermal expansion of the material. A thermal elongation profile in a certain material will thus in principle have the same shape as the temperature profile. A high thermal elongation reduces the durability of the material. The invention reduces the thermal elongation in the wall structure, or at least eliminates the most extreme values in the thermal elongation coil. This is described in more detail below.

Figur 2 visar ett typiskt temperaturdiagrarn över den del med den största temperaturgradienten i väggstrukturen 2, d.v.s. del 10 i figur 1. Den övre sektionen av diagrammet representerar det första lagret 5 och den undre sektionen representerar det andra lagret 6. Den heldragna linjen K på höger sida av ﬁguren visar en typisk temperaturproﬁl av delen 10 under exponering av en termisk belastning. För att tydligt visa uppﬁnningens fördelaktiga effekt har temperaturproﬁlen för en konstruktion av konventionell enlager-typ lagts till i ﬁgur 2 som jämförelse. I denna konstruktion ﬁnns inget andra lager 6 utan istället har det första lagrets 5 10 l5 20 25 30 522 848 i tjocklek utökats för att ersätta det andra lagret 6 så att den totala tjockleken blir densamma och så att hela delen 10 uppvisar samma värmeledningsförrnåga och värmeutvidgning som det första lagret 5. Temperaturproﬁlen för den konventionella konstruktionstypen visas med den streckade linjen L på höger sida av ﬁguren. Som kan ses av ﬁgur 2 är temperaturproﬁlen för den konventionella konstruktionen en rät linje (streckad linje L) medan den för den uppﬁnningsenliga väggstrukturen 2 har en annan, fördelaktig lutning i det andra lagret 6 (heldragen linje K) beroende på den höga värmeledningsfónnågan i detta lager.Figure 2 shows a typical temperature diagram over the part with the largest temperature gradient in the wall structure 2, i.e. part 10 in figure 1. The upper section of the diagram represents the first layer 5 and the lower section represents the second layer 6. The solid line K on the right side of the clock shows a typical temperature profile of the part 10 during exposure to a thermal load. In order to clearly show the beneficial effect of the invention, the temperature profile for a construction of a conventional single-layer type has been added in Figure 2 as a comparison. In this construction there is no second layer 6, but instead the thickness of the first layer 5 has been increased to replace the second layer 6 so that the total thickness remains the same and so that the whole part 10 has the same thermal conductivity and thermal expansion. as the first layer 5. The temperature profile for the conventional construction type is shown by the dashed line L on the right side of the clock. As can be seen from Figure 2, the temperature profile of the conventional construction is a straight line (dashed line L), while that of the inventive wall structure 2 has a different, advantageous slope in the second layer 6 (solid line K) due to the high thermal conductivity in it. stock.

Temperaturerna i högtemperaturdelen av temperaturprofilen är sålunda lägre i den uppﬁnningsenliga väggstrukturen 2 än i en konstruktion av konventionell typ.The temperatures in the high-temperature part of the temperature profile are thus lower in the inventive wall structure 2 than in a construction of conventional type.

De typiska temperaturproﬁlema i ﬁgur 2 ger upphov till motsvarande typiska töjningsproﬁler.The typical temperature problems in Figure 2 give rise to the corresponding typical elongation problems.

Ett sådant typiskt töjningsdiagram över delen 10 i ﬁgur l visas i ﬁgur 3. Den övre sektionen av diagrammet representerar det första lagret S och den undre sektionen representerar det andra lagret 6. Som nämnts ovan uppvisar det andra lagret 6 både en högre värmeledningsförmåga och en lägre värmeutvidgning än det första lagret 5. En typisk töjningsproﬁl för delen 10 under exponering av en termisk belastning visas med den heldragna linjen K på vänster sida i diagrammet. Det negativa värdet på töjningen (e) är ett resultat av kompressionskrafter orsakade av termisk expansion. I likhet med temperaturdiagrammet som visas i ﬁgur 2 har en typisk töjningsproﬁl för en konstruktion av konventionell typ lagts till i ﬁgur 3 som jämförelse för att tydligt visa uppﬁnningens fördelaktiga effekt. I demra konstruktion finns inget andra lager 6 utan istället har det första lagrets 5 tjocklek utökats för att ersätta det andra lagret 6 så att den totala tj ockleken blir densamma och så att hela delen 10 uppvisar samma värmeledningsförmåga och värrneutvidgning som det första lagret 5. Töjningsproﬁlen för den konventionella konstruktionstypen visas med den streckade linjen L på vänster sida av figuren. Som kan ses av figur 3 är töjningsproﬁlen för den konventionella konstruktionen en rät linje medan töjningsproﬁlen för den uppfinningsenliga väggstrukturen 2 både har en arman, fördelaktig lutning och är förﬂyttad mot noll töjning i det andra lagret 6. Den fördelaktiga lutningen beror på det andra lagrets 6 höga värmeledriingsförrnåga medan förﬂyttningen mot noll töjning beror på det andra lagrets 6 lägre värmeutvidgning. Värmetöjningen i hög-töjningspartiet av töjningsproﬁlen blir sålunda lägre i den uppfinningsenliga väggstrukturen 2 än i en konstruktion av konventionell typ. 20 25 30 522 848 8 Två andra linjer, K' och K", visas också i ﬁgur 3. Linjen K' representerar ett fall där det andra lagrets 6 värmeutvidgning är samma som det första lagrets 5, medan det andra lagrets 6 värmeledningsförmåga är högre än det första lagrets 5. Linjen K" representerar ett annat fall där det andra lagrets 6 värmeledningsförmåga är samma som det första lagrets 5, medan det andra lagrets 6 värmeutvidgning är lägre än det första lagrets 5. Figur 3 visar att den termiska töjningen i väggstrukturen 2 i båda dessa fall är lägre än i den konventionella strukturtypen (streckad linje L). Det är sålunda tillräckligt att det andra lagret 6 uppvisar antingen en högre värmeledningsförrnåga eller en lägre värmeutvidgning än det första lagret 5 för att uppnå den fördelaktiga effekten att minska värmetöjningen i väggstrukturen 2 jämfört med en konventionell konstruktionstyp. Det är även möjligt att åstadkomma nämnda effekt om det andra lagret 6 uppvisar en värmeledningsförmåga som är något lägre än värmeledningsförmågan i det första lagret 5, förutsatt att värmeutvidgningen i det andra lagret 6 är tillräckligt mycket lägre än i det första lagret S. Nämnda effekt kan också åstadkommas om det andra lagret 6 uppvisar en värmeutvidgning som är något högre än värmutvidgningen i det första lagret 5, förutsatt att värmeledningsförmågan i det andra lagret 6 är tillräckligt mycket högre än i det första lagret 5. Givetvis åstadkoms den största effekten om det andra lagret 6 uppvisar både en högre värmeledningsförmåga och en lägre värmeutvidgning än det första lagret 5, såsom den uppﬁnningsenliga utföringsformen visad i ﬁgur l och såsom visas av linjen K i ﬁgur 3.Such a typical strain diagram of the part 10 in Figure 1 is shown in Figure 3. The upper section of the diagram represents the first layer S and the lower section represents the second layer 6. As mentioned above, the second layer 6 has both a higher thermal conductivity and a lower thermal expansion than the first layer 5. A typical elongation profile of the part 10 during exposure to a thermal load is shown by the solid line K on the left side of the diagram. The negative value of the elongation (e) is a result of compression forces caused by thermal expansion. Similar to the temperature diagram shown in Figure 2, a typical elongation profile for a conventional type construction has been added in Figure 3 as a comparison to clearly show the beneficial effect of the heat. In this construction there is no second layer 6 but instead the thickness of the first layer 5 has been increased to replace the second layer 6 so that the total thickness becomes the same and so that the whole part 10 has the same thermal conductivity and thermal expansion as the first layer 5. Elongation profile for the conventional construction type is shown by the dashed line L on the left side of the figure. As can be seen from Figure 3, the elongation coil for the conventional construction is a straight line, while the elongation coil for the wall structure 2 according to the invention both has a poor, advantageous slope and is superimposed towards zero elongation in the second layer 6. The advantageous slope depends on the second layer 6. high heat conduction capacity while the mot displacement towards zero elongation is due to the lower thermal expansion of the second layer 6. The thermal elongation in the high-elongation portion of the elongation coil thus becomes lower in the wall structure 2 according to the invention than in a construction of conventional type. Two other lines, K 'and K ", are also shown in Figure 3. The line K' represents a case where the thermal expansion of the second layer 6 is the same as the thermal conductivity of the first layer 6, while the thermal conductivity of the second layer 6 is higher. than the first layer 5. The line K "represents another case where the thermal conductivity of the second layer 6 is the same as the first layer 5, while the thermal expansion of the second layer 6 is lower than the first layer 5. Figure 3 shows that the thermal elongation in the wall structure 2 in both these cases is lower than in the conventional structure type (dashed line L). Thus, it is sufficient that the second layer 6 has either a higher thermal conductivity or a lower thermal expansion than the first layer 5 to achieve the advantageous effect of reducing the thermal elongation in the wall structure 2 compared to a conventional construction type. It is also possible to achieve said power if the second layer 6 has a thermal conductivity which is slightly lower than the thermal conductivity in the first layer 5, provided that the thermal expansion in the second layer 6 is sufficiently much lower than in the first layer S. is also provided if the second layer 6 has a thermal expansion which is slightly higher than the thermal expansion in the first layer 5, provided that the thermal conductivity in the second layer 6 is sufficiently much higher than in the first layer 5. Of course, the greatest effect is achieved if the second layer 6 has both a higher thermal conductivity and a lower thermal expansion than the first layer 5, such as the inventive embodiment shown in Figure 1 and as shown by the line K in Figure 3.

Det är inte nödvändigt att de två lagren 5, 6 har samma hållfasthetsegenskaper för att använda sig av uppfinningen. Det är sålunda inte nödvändigt att den sammanlagda väggtjockleken av det första och det andra lagret 5, 6 är densamma som för den konventionella konstruktionen av enlagerstyp som beskrivits ovan i samband med den streckade linjen L i ﬁgur 2 och 3.It is not necessary that the two layers 5, 6 have the same strength properties to use the invention. Thus, it is not necessary that the total wall thickness of the first and second layers 5, 6 be the same as for the conventional single layer type construction described above in connection with the dashed line L in Figures 2 and 3.

Uppﬁnningen har en fördelaktig påverkan på den termiska töjningen även då väggtjockleken är något ökad jämfört med den konventionella konstruktionen, förutsatt att effekten av att använda andra materialegenskaper i det andra lagret 6 är tillräcklig. Det är sålunda inte nödvändigt att de två lagren 5, 6 är lika väl anpassade att bära strukturlasten eftersom det ﬁnns möjlighet att öka tjockleken på det ena eller båda lagren 5, 6. Den uppﬁnningsenliga fördelaktiga effekten är dock som mest tydlig om väggtjockleken är så liten som möjligt, och effekten minskar med ökande väggtj ocklek. Givetvis är minskning av väggtj ockleken viktig i vilket fall för att hålla nere vikten. 10 20 25 30 522 848 'i Den uppﬁnningsenliga tvålager-strukturen gör det möjligt att använda sig av ett första material i det första lagret 5 och ett andra material i det andra lagret 6 och sålunda att kombinera olika materials olika fysikaliska/materiella egenskaper på ett fördelaktigt sätt.The invention has a favorable effect on the thermal elongation even when the wall thickness is slightly increased compared with the conventional construction, provided that the effect of using other material properties in the second layer 6 is sufficient. It is thus not necessary that the two layers 5, 6 are equally well adapted to carry the structural load because it is possible to increase the thickness of one or both layers 5, 6. However, the inventive advantageous effect is most obvious if the wall thickness is so small as possible, and the effect decreases with increasing wall thickness. Of course, reducing wall thickness is important in any case to keep the weight down. The inventive two-layer structure makes it possible to use a first material in the first layer 5 and a second material in the second layer 6 and thus to combine different physical / material properties of different materials on a advantageous way.

Förutom kombinationen av terrniska egenskaper som beskrivits ovan möjliggör uppﬁnningen kombination av egenskaper som hänför sig till exempelvis kostnad och bearbetning/tillverkning. Ett material som är lärnpligt för användning i det andra lagret 6 beroende på dess tenniska egenskaper kan t.ex. vara för kostsamt, tungt eller svårt att bearbeta för att användas i hela väggstrukturen 2. Enligt uppﬁnningen kan ett sådant material kombineras med ett annat material som är mindre kostsamt, lättare eller enklare att bearbeta och som kan bilda det första lagret 5.In addition to the combination of thermal properties described above, the invention enables a combination of properties that relate to, for example, cost and processing / manufacturing. A material that is mandatory for use in the second layer 6 due to its tennis properties can e.g. be too expensive, heavy or difficult to machine to be used in the entire wall structure 2. According to the invention, such a material can be combined with another material which is less expensive, lighter or easier to machine and which can form the first layer 5.

För användning av uppfmningen är det inte nödvändigt att väggstrukturen 2 är försedd med kylkanaler 7 eller att ett kylmedel för detta speciella ändamål överhuvudtaget används, men uppfmningens fördelar förstärks i ett sådant fall, i synnerhet om väte används som kylmedel.For the use of the invention it is not necessary that the wall structure 2 is provided with cooling ducts 7 or that a coolant is used for this special purpose at all, but the advantages of the invention are enhanced in such a case, especially if hydrogen is used as coolant.

För det första ger närvaron av både en värmekälla och ett kylmedel upphov till en stor temperaturgradient. I ett sådant fall är det särskilt viktigt att vidta åtgärder för att reducera den termiska töjningen i väggstrulcturen. För det andra kan ett visst material uppvisa egenskaper . som är mycket lämpliga för användning i en väggstrliktur av den typ som diskuteras här, förutom att materialet är känsligt för väteexponering. Enligt den uppfinningsenliga utföringsfomien som visas i ﬁgur l kan ett sådant material trots allt användas i det andra lagret 6 eftersom kylkanalema 7 är placerade på ett avstånd från det andra lagret 6 så att det material som bildar detta lager inte kommer i kontakt med kylmedlet, d.v.s. vätet.First, the presence of both a heat source and a coolant gives rise to a large temperature gradient. In such a case, it is especially important to take measures to reduce the thermal elongation in the wall structure. Second, a certain material may exhibit properties. which are very suitable for use in a wall structure of the type discussed here, except that the material is sensitive to hydrogen exposure. According to the inventive embodiment shown in Figure 1, such a material can nevertheless be used in the second layer 6 since the cooling channels 7 are located at a distance from the second layer 6 so that the material forming this layer does not come into contact with the coolant, i.e. hydrogen.

Företrädesvis utgörs det första lagret 5 huvudsakligen av ett första metalliskt material och det andra lagret 6 huvudsakligen av ett andra metalliskt material, varvid det andra metalliska materialet har en högre värmeledningsförrnåga och en lägre värmeutvidgning än det första metalliska materialet.Preferably, the first layer 5 consists mainly of a first metallic material and the second layer 6 mainly of a second metallic material, the second metallic material having a higher thermal conductivity and a lower thermal expansion than the first metallic material.

En lärnplig kombination av metalliska material är att använda austenitiskt rostfritt stål i det första lagret 5 och ferritiskt-martensitiskt rostfritt stål i det andra lagret 6. Ett exempel är att använda "Nitronic40" i det första lagret 5 och "INCO 600" eller "Greek alloy" i det andra lagret 6. En sådan kombination minskar väggstrukturens töjning ner till ungefär 75% av vad den skulle vara med enbart "Nitronic40" i båda lagren. En ärmu kraftigare minskning av 10 15 20 25 30 522 848 IO töjningen kan erhållas genom att använda "Nitronic40" i det första lagret 5 och ren nickel i det andra lagret 6.A doctrinal combination of metallic materials is to use austenitic stainless steel in the first layer 5 and ferritic-martensitic stainless steel in the second layer 6. An example is to use "Nitronic40" in the first layer 5 and "INCO 600" or "Greek alloy "in the second layer 6. Such a combination reduces the elongation of the wall structure down to about 75% of what it would be with" Nitronic40 "alone in both layers. A significantly greater reduction of the elongation can be obtained by using "Nitronic40" in the first layer 5 and pure nickel in the second layer 6.

En minskning av töjningen till 75% förlänger livslängden betydligt, ungefär tre gånger.A 75% reduction in elongation significantly extends service life, approximately three times.

I Istället för att förlänga livslängden kan en reducerad töj ning utnyttjas till att förenkla tillverkningen, exempelvis genom att öka toleransema eller minska antalet kylkanaler och på så vis minska tillverkningskostnadema.Instead of extending the service life, a reduced elongation can be used to simplify production, for example by increasing the tolerances or reducing the number of cooling ducts and thus reducing the manufacturing costs.

En typisk tjocklek för delen 10, d.v.s. ett typiskt avstånd mellan den varma sidan 8 och kylkanalerna 7, är i intervallet 0,6 till 0,9 mm. F öreträdesvis är det andra lagrets 6 tjocklek ungefär halva tjockleken av delen 10, d.v.s. ungefär 0,4 mm.A typical thickness of the part 10, i.e. a typical distance between the hot side 8 and the cooling ducts 7, is in the range 0.6 to 0.9 mm. Preferably, the thickness of the second layer 6 is about half the thickness of the part 10, i.e. about 0.4 mm.

I en ytterligare utveckling av den uppﬁnningsenliga utföringsformen enligt ﬁgur l innehåller det andra lagret 6 keramiska partiklar ñr att ytterligare minska den termiska töjningen.In a further development of the inventive embodiment according to Figure 1, the second layer contains 6 ceramic particles to further reduce the thermal elongation.

Generellt uppvisar keramiska material en mycket liten värmeutvidgning jämfört med metalliska material och genom att blanda in ett sådant material i det andra lagret 6 reduceras det andra lagrets 6 värmeutvidgning. Många keramiska material uppvisar också nöjaktiga till utrnärkta värmeledningsegenskaper. Om det keramiska materialets värmeledningsfönnåga är låg är den mängd keramiskt material som kan blandas in i det andra lagret 6 utan att förlora den fördelaktiga tenniska effekten begränsad. En väldigt stor andel keramiskt material i det andra lagret 6 skulle leda till en betydande minskning av det andra lagrets 6 förmåga att bära strukturlasten. I ett sådant fall måste väggtj ockleken ökas vilket påverkar den terrniska töjningsproﬁlen och lägger på vikt på väggstrukturen 2. I vissa situationer kan man tillåta att väggtjockleken ökas förutsatt att de termiska egenskaperna förbättras i tillräckligt hög grad.In general, ceramic materials show a very small thermal expansion compared to metallic materials and by mixing such a material in the second layer 6, the thermal expansion of the second layer 6 is reduced. Many ceramic materials also exhibit satisfactory to excellent thermal conductivity properties. If the thermal conductivity of the ceramic material is low, the amount of ceramic material that can be mixed into the second layer 6 without losing the advantageous tennis effect is limited. A very large proportion of ceramic material in the second layer 6 would lead to a significant reduction in the ability of the second layer 6 to carry the structural load. In such a case, the wall thickness must be increased, which affects the thermal elongation profile and emphasizes the wall structure 2. In some situations, the wall thickness may be allowed to be provided provided that the thermal properties are sufficiently improved.

Ett stort antal olika keramiska material såsom oxider, karbider och nitrider är lämpliga för inblandning i det andra lagret 2. Om det andra lagret 6 anbringas på det första lagret 5 genom lasersintring är karbider och nitrider att föredra eftersom oxider absorberar för mycket av laserenergin. Exempel på lämpliga keramiska material är aluminiumnitrid, titannitrid, aluminiumkarbid, titankarbid och kiselkarbid. Företrädesvis är formen på de keramiska partiklar som är integrerade i det andra lagret 6 sfáriska för att minimera koncentration av spänning vid den hålighet som fylls av partikeln. De keramiska partiklarnas storlek är företrädesvis mycket mindre än det andra lagrets 6 tjocklek. 10 15 20 25 30 522 848 H En föredragen metod för tillverkning av väggstrukturen enligt ﬁgur 1 kommer nu att beskrivas. Utgångsmaterialet är en primärplåt och i ett första steg av tillverkningsmetoden formas plåten till en lämplig form, t.ex. en kon. I ett andra steg anbringas det andra lagret 6 på primärplåten medelst lasersintring av metallpulver. Nämnda primärplåt bildar sålunda en del av det första lagret 5 enligt ﬁgur 1. I detta andra steg är det viktigt att det anbringade andra lagrets 6 tjocklek i varje punkt överskrider ett visst minsta värde. I ett tredje steg bearbetas det andra lagret 6, lämpligen genom svarvning, för att anta en järrm tjocklek. I ett fjärde steg fräses primärplåten, d.v.s. delen av det första lagret 5, från den kalla sidan 9 av väggstrukturen 2 för att bilda spår som senare kommer att utgöra kylkanaler 7. I ett femte steg svetsas en sektmdärplåt fast mot primärplåten, d.v.s. till delen av det första lagret 5, som ett lock på spåren/kylkanalema 7. Genom att använda samma material för både primärplåten och sektmdärplåten kommer dessa två plåtar att tillsammans bilda det första lagret 5 enligt ﬁgur l.A large number of different ceramic materials such as oxides, carbides and nitrides are suitable for admixture in the second layer 2. If the second layer 6 is applied to the first layer 5 by laser sintering, carbides and nitrides are preferred because oxides absorb too much of the laser energy. Examples of suitable ceramic materials are aluminum nitride, titanium nitride, aluminum carbide, titanium carbide and silicon carbide. Preferably, the shape of the ceramic particles integrated in the second layer 6 is spherical to minimize concentration of stress at the cavity filled by the particle. The size of the ceramic particles is preferably much smaller than the thickness of the second layer 6. A preferred method of manufacturing the wall structure according to Figure 1 will now be described. The starting material is a primary plate and in a first step of the manufacturing method the plate is formed into a suitable shape, e.g. a con. In a second step, the second layer 6 is applied to the primary plate by laser sintering of metal powder. Said primary plate thus forms a part of the first layer 5 according to ﬁ figure 1. In this second step it is important that the thickness of the applied second layer 6 at each point exceeds a certain minimum value. In a third step, the second layer 6 is machined, preferably by turning, to assume an iron thickness. In a fourth step, the primary plate is milled, i.e. the part of the first layer 5, from the cold side 9 of the wall structure 2 to form grooves which will later form cooling channels 7. In a fifth step a sectarian plate is welded to the primary plate, i.e. to the part of the first layer 5, as a cover on the grooves / cooling channels 7. By using the same material for both the primary plate and the sectarian plate, these two plates will together form the first layer 5 according to Figure 1.

Naturligtvis är det möjligt att använda olika material i primärplåten och sekundär-plåten.Of course, it is possible to use different materials in the primary plate and the secondary plate.

Om ett keramiskt material skall inblandas i det andra lagret 6 blandas lämpligen ett keramiskt pulver in i metallpulvret i det andra steget.If a ceramic material is to be mixed in the second layer 6, a ceramic powder is suitably mixed into the metal powder in the second step.

Lasersintring är en fördelaktig teknik eﬁersom det ger god vidhäﬁlxing till primärplåten; två stycken kan i princip integreras till ett stycke. Dessutom ger lasersintring ett kompakt och starkt material.Laser sintering is an advantageous technique because it provides good adhesion to the primary sheet; two pieces can in principle be integrated into one piece. In addition, laser sintering provides a compact and strong material.

Som alternativ till lasersintring är det också möjligt att använda exempelvis elektrodeposition eller plasmasprutning för att anbringa det andra lagret 6 på primärplåten. Ett annat alternativ är att anbringa det andra lagret 6 vid plåtvalsning och sålunda att i tillverkningsmetoden utgå från en valsad compound-plåt som innehåller både det första och det andra lagret 5, 6. Ett ytterligare alternativ är att fonna primärplåten till en lämplig form och använda sprängplätering ("explosive cladding") för att anbringa det andra lagret 6 på primärplåten.As an alternative to laser sintering, it is also possible to use, for example, electrodeposition or plasma spraying to apply the second layer 6 to the primary plate. Another alternative is to apply the second layer 6 during sheet metal rolling and thus to start in the manufacturing method from a rolled compound sheet which contains both the first and the second layer 5, 6. A further alternative is to form the primary sheet into a suitable shape and use explosive cladding to apply the second layer 6 to the primary plate.

Uppﬁnningen är inte begränsad till de ovan beskrivna utföringsforrnerna, utan ett antal modiﬁeringar är möjliga inom ramen för de efterföljande kraven. Exempelvis kan väggstrukturen 12 innefatta ytterligare lager med olika materíalegenskaper. Ett exempel är att locket på spåren/kylkanalema 7 kan utgöras av ett armat material för att minska den töjning som orsakas av temperaturgradienten genom hela väggen, d.v.s. från den varma sidan 8 till den kalla sidan 9. Ytterligare lager kan också placeras vid eller mellan det första och det andra 10 522 848 Il lagret 5, 6. Genom användning av olika materialegenskaper i dessa ytterligare lager är det möjligt att bilda en ﬂerlagerstruktur för att ytterligare minska de negativa effektema av den termiska töj ningen i väggen.The invention is not limited to the embodiments described above, but a number of modifications are possible within the scope of the following claims. For example, the wall structure 12 may comprise additional layers with different material properties. An example is that the lid on the grooves / cooling channels 7 can be made of a reinforced material to reduce the elongation caused by the temperature gradient through the entire wall, i.e. from the hot side 8 to the cold side 9. Additional layers can also be placed at or between the first and the second 522 848 II layer 5, 6. By using different material properties in these additional layers it is possible to form a layer structure for to further reduce the negative effects of the thermal elongation in the wall.

I vissa applikationer kan det vara fördelaktigt att täcka insidan av kylkanalema 7 med ett material som är beständigt mot kylmedlet.In some applications it may be advantageous to cover the inside of the cooling ducts 7 with a material which is resistant to the coolant.

Vidare är inte den uppﬁnningsenliga väggstrukturen begränsad till raketmotorkomponenter, den kan också användas i andra applikationer där en betydande värmebelastning utvecklas, såsom i fórbränningskarnmare, jetmotorer och turbiner.Furthermore, the inventive wall structure is not limited to rocket engine components, it can also be used in other applications where a significant heat load is developed, such as in combustion engines, jet engines and turbines.

Claims

10 15 20 25 30 522 848 get PATENT REQUIREMENTS:

A wall structure (2), intended to be subjected to a thermal load, comprising at least two layers: a first layer (5) and a second layer (6), the second layer (6) being located closer to the source of said thermal load. than the first layer (5), and wherein said first and second layers (5, 6) are arranged to allow conduction of heat from the second layer (6) to the first layer (5), characterized in that each of said first and second layers (5, 6) are adapted to carry a significant part of a structural load, and that the second layer (6) has a higher thermal conductivity and / or a lower thermal expansion than the first layer (6).

Wall structure (2) according to claim 1, characterized in that said wall structure (2) comprises cooling channels (7) located on the side of the second layer (6) opposite the side of the heat source, said cooling channels (7) being adapted to be permeated by a coolant.

Wall socket (2) according to claim 2, characterized in that said cooling channels (7) are located at a distance from the second layer (6).

Wall structure (2) according to claim 3, characterized in that said cooling channels (7) are located adjacent to the first layer (5), preferably that said cooling channels (7) are located at least partially inside the first layer (5).

Wall structure (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the first layer (5) consists essentially of a first metallic material, and that the second layer (6) consists essentially of a second metallic material, the second metallic material has a higher thermal conductivity and / or a lower thermal expansion than the first metallic material. 522 848/4

Wall structure (2) according to claim 5, characterized in that the second layer (6) contains ceramic particles.

Rocket engine component (1), characterized in that it comprises a wall suction tube (2) according to any one of claims 1 to 6.