SE531857C2 - En komponent avsedd att utsättas för hög termisk last vid drift - Google Patents

Description

25 30 531 85? 2 ningen 800 °K) och en mycket làg temperatur på sin utsida (av storleksordningen 50 °K). Till följd av denna höga termiska last ställs stränga krav på valet av material, utformning och tillverkning för munstycket. Det finns åt- minstone ett behov av en effektiv kylning av munstycket.

Vaggstrukturen som bildar munstycket har en rörform med en diameter som varierar längs en centrumlinje. Mera spe- cifikt har utloppsmunstyckets väggstruktur en konisk el- ler parabolisk form. Utloppsmunstycket har normalt ett diameterförhàllande inom intervallet från 2:1 till 4:1 från den bakre eller grova utloppsänden till den främre eller smala inloppsänden.

Vid nwtordrift kan vilket kylmedium som helst användas för att strömma genom kylkanalerna. När det gäller en ra- ketmotor anvands normalt raketmotorns bränsle som ett kylmedium i uïlcppsmtnstycket. Raketmotorn kan drivas med väte eller ett kolväte, dvs. fotogen, som bränsle. Brans- let förs sålede in i ett kallt tillstånd i väggstruktu- (JJ ren, levereras via kylkanalerna medan det absorberar vär- me via innervaggen och används därefter för att generera reaktionskraften. Varme överförs från de heta gaserna till innerväggen, vidare över till bränslet, från brans- let till yttervaggen och slutligen från ytterväggen till vilket medium som helst som omger denna. Värme transpor- teras också bort av kylmedlet när kylmedelstemperaturen ökar genom kylningen. De heta gaserna kan innefatta en flamma genererad av förbränning av gaser och/eller bräns- le. 10 15 20 25 30 5343 85? b) Ett känt munstycke för raketmotorer är av typen med ka- nalväggar där kylkanalerna är urfrästa i en plåt och den övre väggen är förbunden med de radiellt utskjutande skiljeväggarna (mellanväggarna) genom antingen svetsning eller hårdlödning. I ytterligare en känd munstyckskon- struktion definieras kylkanalerna av rör som är anordnade Munstyckskonstruktionen i ett förhållande sida vid sida. med frästa kanaler är kostnadseffektiv jämfört med mun- styckskonstruktionen med rör. En nackdel med frästa kana- ler, jämfört med munstyckskonstruktionen med rör, är dock att det kommer att finnas en variation i kanalernas tvär- snittsarea. Det potentiella problemet med en variation i kylkanalarear är att det kylande znassflödet kan variera från kanal till kanal och på så sätt ge upphov till olika väggtemperaturer och därmed olika förväntad livslängd.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en komponent avsedd att utsättas för en hög termisk last vid drift, vilken skapar försättningar för en läng livslängd och en bör vara sär- kostnadseffektiv tillverkning. Komponenten skilt lämplig för en raketmotor.

Detta syfte uppnås med en komponent enligt patentkrav l.

Uppfinningen kännetecknas av att väggstrukturen är inde- lad i ett flertal sektorer i en omkretsriktning av vägg- strukturen, att varje sektor innefattar åtminstone två kylkanaler samt att väggstrukturen är utformad för att förhindra kylmedelsflödesförbindelse mellan kylkanalerna i angränsande sektorer. En skiljevägg vid en kylkanalände är anordnad för att förhindra kylmedelsflödesförbindelse 10 15 20 30 4 mellan angränsande sektorer. Skiljeväggen är utformad för att överbrygga ett mellanrum mellan en skiljevägg som se- parerar tvä kanaler i angränsande sektorer och en änd- vägg.

Denna utformning skapar' mera specifikt förutsättningar för en låg variation i massflöde mellan kanalerna. Lös- ningen är särskilt användbar för en kanalväggstyp där kylkanalerna är urfrästa i en plåt och den övre väggen är med de radiellt skiljeväggarna. förbunden utskjutande Massflödet i en kylkanal beror av tryckfallet. På grund av komponentens indelning i flera sektorer består ett to- talt tryckfall kylkanalen, inte bara av tryckfallet i utan även tryckfallet i det ingående förgreningsröret och/eller det utgående uppsamlingsröret.

Dessutom ndnskar effekten av en läcka i en kylkanal på grund av komponentens indelning i flera sektorer. Om en läcka uppstår i en kylkanal kommer effekten av ett läcka- ge att inskränkas till den sektor där läckaget ägde rum, för att lämna alla andra sektorer opåverkade av läckaget.

På detta sätt kommer effekten av läckaget att hållas lo- kal och (inom sektorn) munstyckets totalfunktion säker- ställs.

Denna utformning skapar förutsättningar för en kostnads- effektiv tillverkning.

Väggstrukturen är företrädesvis utformad för flödesför- bindelse mellan kylkanalerna inom varje sektor vid både en inloppsände och en ände av kylkanalerna motsatt en in- loppsände. 10 15 20 25 53% 85? Väggstrukturen är dessutom utformad för att vanda kylme- delsflödet vid kylkanaländen motsatt inloppsänden till att strömma i motsatta riktningar i kanalerna. Med andra ord är ett vandningsuppsamlingsrör anordnat vid kylkanal- änden motsatt inloppsänden.

Med andra ord införs skiljeväggar (skott) vid åtminstone det ena utav det ingående förgreningsröret och vändnings- uppsamlingsröret hos ett raketmunstycke med kanalväggar.

Med denna konstruktion är tryckfallet som bestämmer kana- tryckfall utan i lens massflöde inte bara kylkanalens stället summan av det ingående förgreningsrörets tryck- fall, kanalens tryckfall och det utgående uppsamlingsrö- rets tryckfall. Kanalens massflöde blir således även be- roende av förgrenings-/uppsamlingsrörets tryckfall. På detta sätt sprids effekten av en variation i en kanals tryckfall ut ocn massflödet påverkas inte så mycket som om massflödet bestäms enbart av kanalens tryckfall.

Ytterligare föredragna utföringsformer och fördelar kom- mer att bli uppenbara från den efterföljande beskrivning- en och ritningarna.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen. kommer att förklaras nedan. med. hänvisning till utföringsformerna som visas på de bilagda ritningar- na, varvid FIG l schematiskt visar en första utföringsform av en reaktionskammare för en raketmotor i en sidovy, FIG 2 visar en snittvy av väggstrukturen hos komponen- ten enligt figur l, samt 10 15 20 25 85? visar' munstycket från figur 1 i. en schematisk perspektivvy.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt en komponent 102 avsedd att ut- sättas för en hög termisk last vid drift. Mera specifikt är komponenten 102 utformad för att bilda en raketmotor- komponent, särskilt en komponent för en vätskeraketmotor och i synnerhet en komponent for en regenerativt kyld ra- ketmotor i forni av' ett utloppsmunstycke. Fig. 1 visar dessutmn en reaktionskammare 104 for en raketmotor som innefattar en brännkammare 106 och munstycket 102, vilket är fäst vid brännkammaren omedelbart nedströms om bränn- kammaren 106.

Komponenten 102 har en ringform som definierar ett inner- utrymme 108 for strömmande gas, se pilen 110. Mera speci- fikt har komponenten 102 en rörform. Komponenten 102 har en rotationssymmetrisk form med avseende på en centrum- linje 112. 114 Komponenten 102 definierar en uppströmsände for gasflödets inströmning och en nedströmsände 116 for gasflodets utstromning. Mera specifikt har komponen- ten 102 ett cirkulärt tvärsnitt, varvid en tvarsnittsdia- meter kontinuerligt ökar i en axiell riktning 112 av kom- ponenten från uppstromsänden 114 mot nedströmsänden 116. 102 118 med kylkanaler 119, en lastbärande väggstruktur 121, innefattar 120, tering av ett kylmedelsflöde. Kylkanalerna är i regel an- Komponenten 123 anordnade för han- ordnade åtminstone vasentligen parallellt med varandra.

Kylkanalerna 119, 120, 121, 123 är anordnade i ett for- 10 15 20 25 30 53? Så? 7 hållande sida vid sida. Kylkanalerna är dessutom anordna- de på ett divergerande sätt från uppströmsänden 114 mot nedströmsänden 116.

Kylkanalerna utsträcker sig i. regel längs komponentens 102 kontur mellan uppströmsänden 114 och nedströmsänden 116. Kylkanalerna utsträcker sig i en sådan riktning att en projektion av kylkanalen på komponentens 102 centrum- linje 112 ligger parallellt med centrumlinjen 112.

Figur 2 visar ett tvärsnitt A-A hos väggstrukturen 118 i figur 1. Väggstrukturen 118 innefattar en innervägg 126 och en yttervägg' 128 samt ett flertal av långsträckta tvärväggar 130 (eller skiljeväggar) anordnade för att koppla ihop innerväggen 126 med ytterväggen 128 för att indela utrymmet mellan väggarna i ett flertal kylkanaler. således i omkretsriktningen av Kylkanalerna separeras nämnda skiljevägg 130.

Nu hänvisas det till figur 1 och 3. Väggstrukturen 118 är indelad i ett flertal sektorer 302, 304, 306 i en om- kretsriktning av väggstrukturen. Varje sektor innefattar åtminstone två angränsande kylkanaler 119, 120, 121, 123.

Väggstrukturen är utformad för att förhindra kylmedels- flödesförbindelse mellan kylkanalerna i angränsande sek- torer 302, 306. Mera exakt är en skiljevägg 134 vid en uppströmsände av en kylkanal 123 anordnad för att för- hindra kylmedelflödesförbindelse mellan angränsande sek- torer. Skiljeväggen 134 är utformad för att överbrygga ett mellanrum mellan en skiljevägg 136 som separerar två kanaler 123, 138 i angränsande sektorer 302, 306 och en ändvägg 138. Ändväggen 138 bildas av en tvärgående vägg 10 15 20 25 som utsträcker sig i en omkretsriktning av vagqstrukturen och skjuter ut i. en radiell riktning från innerväggen 126.

På ett liknande satt är en skiljevagg 146 vid en ned- strömsande av kylkanalen anordnad för att förhindra ky1~ medelflödesforbindelse mellan angränsande sektorer.

Väggstrukturen 118 är dessutom utformad for flodesforbin- 120, 121, 123 120, inom varje 121, 123 delse mellan kylkanalerna 119, sektor. Mera exakt står kylkanalerna 119, inom varje sektor i flödesförbindelse med varandra vid en inloppsände 114 av kylkanalerna.

Varje uppstromskylkanal 120 uppdelas i två nedströmskyl- kanaler 122, 124 vid en position mellan inloppsänden 114 och utloppsänden 116 med hjälp av en ytterligare skilje- vägg 125. 1 Kylkanalerna 122, 124 inom varje sektor står dessutom i flodesförbindelse med varandra vid en ände 116 av kylka- nalerna motsatt en inloppsände. Mera exakt är väggstruk- turen utformad för att vända kylmedelsflödet vid ky1ka~ nalanden 116 motsatt inloppsänden 114 till att strömma i motsatta riktningar i delar av kanalerna 122, 124.

En ringformig yttre kammare 308, eller yttre torus, är placerad omkring vaggstrukturen 118. En inre kammare 310 i varje sektor står i flödesförbindelse med alla kylkana- lerna 119, 120, 121, 123 inom sektorn 302 vid uppströms- änden. Mera exakt bildas kammaren för kylmedium i området mellan andarna av skiljevaggarna inom en specifik sektor 10 15 20 25 9 302 och den tvärgàende väggen. Åtminstone en inström- ningspassage 312 är anordnad för kylmedlets inströmning från den yttre kammaren 308 till den inre kammaren 310 i varje sektor. En port 313 genom ytterväggen 128 är anslu- ten till inströmningspassagen 312.

Dessutom är en ringformig utloppskammare 314, eller to- rus, placerad omkring 'väggstrukturen och åtminstone en utströmningspassage 316_ är anordnad för kylmedlets ut- strömning från kylkanalerna 124 till den ringformiga ut- loppskammaren 314. En port 318 genom ytterväggen 128 är ansluten till utströmningspassagen 316. Utloppsporten 318 är placerad på ett avstånd från utloppsänden 116, se fi- gur 1. Porten 318 är dessutom placerad i en av nämnda ka- naler l24. Kylmedlet kommer att strömma nedströms i bägge kanalerna 122, 124 till positionen för utloppsporten 318 och fortsätta förbi utloppsportens position bara i en av kanalerna.

Pilarna 320, 322 indikerar kylmedlets flödesriktning till respektive från väggstrukturen.

Innervaggen 126 och skiljeväggarna, eller tvärväggarna, 130 kan vara utformade i ett stycke, företrädesvis genom fräsning. Den övre väggen 132 är placerad omkring inner- väggen och förbunden med skiljeväggarna 130 antingen ge- nom svetsning eller hårdlödning.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till utförings- formerna beskrivna ovan, i stället är ett antal alterna- tiv och modifieringar möjliga utan att gå utanför räck- vidden för de efterföljande patentkraven. 10 15 85? 10 Även om uppfinningen har beskrivits ovan for en raketmo- tor så kan är också andra tillämpningar möjliga, såsom i en vägg hos en flygplansmotor. En ytterligare tillämpning är möjlig där komponenten inte behöver vara kontinuerlig i omkretsriktningen eller cirkulär. Uppfinningen kan så- ledes användas i en krokt, eller väsentligen plan till- lämpning. Vidare kan ett flertal sådana plana delar sam- manfogas for att bilda en komponent med ett polygonalt tvärsnitt.

När det gäller kylkanalkonfigurationen är denna dessutom inte begränsad till raka kanaler. I stället kan kylkana~ lerna exempelvis vara anordnade för att utsträcka sig längs en spiralkurva.

Claims (18)

10 15 25 30 åïšål 35? 11 PÄTENTKRAV

1. En komponent (102) misk last vid drift, avsedd att utsättas för en hög ter- (118) ett 138) innefattande en väggstruktur innefattar 122, 124, med en rorform, varvid vaggstrukturen (119, 120, 121, 123, för hantering av ett kylmedelsflöde, kännetecknad av att (118) flertal kylkanaler väggstrukturen är indelad i. ett flertal sektorer (302, 304, 306) i en omkretsriktning av väggstrukturen, (302) 121, 123), formad för att förhindra kylmedelflödeskommunikation mel- (l23, 138) (302, 306), varvid en skiljevagg (134, 140) vid en kylkanalände att varje sektor innefattar åtminstone två kylkana- ler (119, 120, samt att väggstrukturen är ut- lan kylkanalerna i angränsande sektorer är anordnad att förhindra kylmedelflödeskommunikation (302, 306) är utformad att överbrygga ett mellan- (136) (123, 138) i angränsande sektorer och en andvägg (132). mellan angränsande sektorer genom att skilje- väggen (134, 140) rum mellan en skiljevagg som separerar två kanaler

2. En komponent enligt patentkrav l, kännetecknad av att vaggstrukturen ar utformad för flödeskommunikation mellan kylkanalerna (119, 120, 121, 123; 122, 124) inom varje sektor.

3. En komponent enligt patentkrav 2, kännetecknad av att kylkanalerna (119, 120, 121, 123) inom varje sektor står i flödesförbindelse med varandra vid en inloppsände av kylkanalerna. 10 15 20 25 30 533? 855? 12

4. En komponent enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknad av att kylkanalerna (122, 124) inom varje sektor står i flödesförbindelse med varandra vid en ände av kylkanaler- na motsatt en inloppsande.

5. En komponent enligt patentkrav 4, kännetecknad av att vaggstrukturen är utformad för att vända kylmedelsflödet vid kylkanaländen motsatt inloppsanden till att strömma i motsatta riktningar i kanalerna (122, 124).

6. En komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att komponenten innefattar en ringformig (308) (310) i placerad omkring väggstrukturen, en (302) (119, yttre kammare stående i flödes- l20, 121, 123) inre kammare varje sektor förbindelse med alla kylkanalerna åtminstone en inströmningspassage inom samt (312) sektorn, för kylmedlets inströmning från den yttre kammaren till den inre kammaren i varje sektor.

7. En komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att komponenten innefattar en ringformig utloppskammare (314) åtminstone en utströmningspassage (316) för kylmedlets utströmning från kylkanalerna till den ringformiga ut- loppskammaren.

8. En komponent enligt något av de föregående patentkra~ ven, kännetecknad av att kylkanalerna är anordnade åtmin~ stone väsentligen parallellt med varandra. placerad omkring väggstrukturen och) 10 15 20 25 30 13

9. En komponent enligt något av de föregående patentkra- ven, kännetecknad av att kylkanalerna är anordnade på ett divergerande sätt.

10. En komponent enligt något av de föregående patentkra~ ven, kännetecknad av att komponenten definierar ett in- nerutrymme (108) för strömmande gas. kännetecknad av (114)

11. En komponent enligt patentkrav 10, att komponenten (102) definierar en uppströmsånde för gasflödets inströmning och en nedströmsände (116) för gasflödets utströmning, samt att kylkanalerna utstråcker sig mellan uppströmsånden och nedströmsanden.

12. En komponent enligt något av de föregående patentkra- ven, kännetecknad av att komponenten (102) har en rota- tionssymmetrisk form med avseende på en (112). centrumlinje

13. En komponent enligt något av de föregående patentkra- ven, kännetecknad av att komponenten (102) har ett cirku- att en tvarsnittsdiameter varierar i en (112) 122, lärt tvärsnitt, axiell riktning samt att kylkana- (120, 121; av komponenten, lerna 124) utsträcker sig längs komponene tens kontur.

14. En komponent enligt något av de föregående patentkra- ven, kännetecknad av' att åtminstone en. av kylkanalerna utsträcker sig i en sådan riktning att en projektion av kylkanalen på en centrumlinje (112) hos komponenten lig- ger parallellt med centrumlinjen. 10 15 Ü? få m; âfl ”x 14

15. En komponent enligt något av de foregàende patentkra- ven, kännetecknad av att väggstrukturen (102) är utformad för att vara lastbärande.

16. En komponent enligt något av de föregående patentkra- ven, kännetecknad av att komponenten (102) är utformad for att bilda en raketmotorkomponent.

17. En komponent enligt något av de föregående patentkra- ven, kännetecknad av att komponenten (102) är utformad för att bilda en komponent för en vatskeraketmotor.

18. En komponent enligt patentkrav 16 eller 17, kännetecknad av att raketmotorkomponenten (102) är avpas- sad för en regenerativt kyld raketmotor.