CH655384A5

CH655384A5 - Waermeabsorber, insbesondere plasmastrahlenabsorber.

Info

Publication number: CH655384A5
Application number: CH1987/81A
Authority: CH
Inventors: Johann Dr Hemmerich; Peter Dr Kupschus; Helmut Fraenkle
Original assignee: Messerschmitt Boelkow Blohm; Kernforschungsanlage Juelich
Priority date: 1980-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1986-04-15
Also published as: US4485866A; US4431488A; FR2482278A1; JPS56150389A; FR2482278B1; GB2079638B; DE3011282C2; DE3011282A1; GB2079638A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeabsorber, bestehend aus einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, in der von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle mit diesen begrenzenden Befestigungskörpern vorgesehen sind, die von einer der Wärme ausgesetzten aufgalvanisierten Aussenwand, ebenfalls aus gut wärmeleitendem Werkstoff, abgedeckt sind.

Nach der DE-PS 1 751 691 sind Raketenbrennkammern bekannt, die im wesentlichen aus einer Grundstruktur bzw. einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer bestehen, in die längsverlaufende Kühlkanäle eingefräst sind, die mit einer Aussenwand, ebenfalls aus gut leitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, galvanoplastisch abgedeckt sind. Dies geschieht in der Weise, dass nach dem Einfräsen der Kühlkanäle diese mit einem elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt werden, dann die Aussenwand aufgalvanisiert und anschliessend das Wachs wieder ausgeschmolzen wird.

Durch die Kanäle wird zum Abtransport der anfallenden Wärme eine kryogene Treibstoffkomponente durchgeleitet und so die Innenwand der Brennkammer während des Raketenbetriebes intensiv gekühlt und gleichzeitig die Treibstoffkomponente für die Einbringung in den Brennkammerkopf thermisch aufbereitet bzw. verdampft. Während des Raketenbetriebes wird also die Innenwand thermisch hoch beansprucht, die durch ihre Stege festigkeitsmässig versteift ist und daher im Verband mit der Aussenwand gegen Verwerfungen ein hohes Widerstandsmoment aufweist. Während es bei Raketenbrennkammern gilt, über den Innenraum des ganzen Gehäuses annähernd gleichmässig verteilt einen hohen Wärmeanfall mit abnehmendem Wärmegradienten nach der Schubdüse und einem relativ kühleren Bereich am Brennkammerkopf aufgrund der hier vorherrschenden Verdampfungskühlung aufzunehmen und wegzutransportieren, liegt das anmeldungsgemässe Problem hauptsächlich darin, 5 dass der in Rede stehende Wärmeabsorber in erster Linie örtlichen thermischen Belastungen von aussen her ausgesetzt ist. Handelt es sich um einen Plasmastrahlenabsorber, so wird dieser von extremen Strahlenschocks peripher lokal getroffen, die auch zu grossen Wärmedehnungen führen, io Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, den Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber gestaltungstechnisch so zu konzipieren, dass die durch die von aussen her lokalen extremen Hitzeeinwirkungen unvermeidlichen Spannungen und die damit Hand in Hand ls gehenden Dehnungen ohne Schäden für dieses Bauteil von diesem aufgenommen werden bzw. innerhalb desselben «verarbeitet» werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung dadurch, dass die Aussenwand über den Kühlkanälen nach aussen 20 weisende einzelne Aufwölbungen mit dazwischenliegenden Abstandsfeldern aufweist.

Durch die Erfindung ist die Gewähr gegeben, dass sich die dem extremen Wärmeanfall örtlich unmittelbar ausgesetzte Aussenwand der Gesamtstruktur flächenmässig in beiden 25 Hauptrichtungen (Länge und Breite bzw. in Umfangsrich-tung) und letzten Endes auch in Höhenrichtung, d.h. praktisch dreidimensional ohne Selbstzerstörung ausdehnen kann, wodurch sich ihre inneren Spannungen schadlos abbauen.

30 Dieses erfindungsgemässe Grundmuster lässt sich im Hinblick auf die beabsichtigte Wirkung in Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch steigern, dass die jeweils über einem Kühlkanal im Abstand hintereinander liegenden einzelnen Aufwölbungen in bezug auf die über den beiden jeweils 35 benachbarten Kühlkanälen befindlichen einzelnen Aufwölbungen - in Längsrichtung der Kühlkanäle bzw. in Strömungsrichtung des Kühlmediums betrachtet - versetzt zueinander angeordnet sind.

Damit wird gestaltungstechnisch ein Spannungsabbau 40 geometrisch auch schräg zu den beiden angegebenen Hauptrichtungen erleichtert bzw. möglich gemacht.

Eine bevorzugte Bauweise eines erfindungsgemässen Wärmeabsorbers bzw. eines Plasmastrahlenabsorbers besteht ferner darin, dass zum Aufgalvanisieren der Aussenwand mit 45 lichtem Abstand an die Innenwand diese viele einzelnen Befestigungskörper als Stege aufweist, die im Abstand zueinander in Reihen quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums angeordnet sind.

Dabei können die Befestigungskörper der einen Reihe zu so den Befestigungskörpern der anderen Reihe in Strömungsrichtung auf Lücke stehen und mit ihren Enden in diese Lücken noch hineintragen.

Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und gleichzeitigen Erhöhung des Wärmeaustauschgrades wird gemäss 55 einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgeschlagen, die einzelnen Befestigungskörper stromlinienförmig auszubilden.

Durch die vorerwähnte Strukturierung der Aussenwand mit Hilfe der einzelnen Befestigungskörper und deren Loka-60 lisierung zueinander wird die Aussenwand zur zerstörungsfreien Überwindung des auftretenden Wärmeanfalles gestaltungstechnisch in besonders günstiger Weise vorpräpariert bzw. vorprogrammiert, insofern, als geometrisch bzw. flächenmässig in jeder Richtung annähernd gleiche Dehnungs-65 Verhältnisse vorgegeben sind, die Spannungsspitzen nicht entstehen lassen, wodurch die Lebensdauer entscheidend erhöht wird.

Wie bereits angedeutet, findet der Erfindungsgegenstand

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insbesondere Anwendung zum Auffangen von Plasmastrahlen bei Fusionsreaktoren. Um die vorgeschlagene Struktur in diesem extremen Fall vor Überhitzung zu bewahren, wird die erfindungsgemässe Wandstruktur auf einem rotierenden Träger angeordnet, so dass jeweils der von den Plasmastrahlen getroffene und hocherhitzte Wandbereich aus der Strahlung wieder herausgedreht wird und eine Umdrehung Zeit hat, sich von der Erhitzung wieder zu «erholen», d.h. abzukühlen, wobei der Wärmeanfall vom durchströmenden Kühlmedium weggetragen wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung dargestellt, es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt quer zur vorgeschlagenen Struktur.

Fig. 2 eine Draufsicht auf die vorgeschlagene Struktur mit einer aufgebrachten Drahtwicklung zur nur bereichs weisen Fixierung der Aussenwand.

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der vorgeschlagenen Struktur.

Fig. 4 die Ansicht eines zylinderförmigen Plasmastrahlenabsorbers mit der vorgeschlagenen Struktur als Aussen-mantel.

In einer Innenwand 1 aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, sind durchlaufend Kühlkanäle 2 vorgesehen bzw. eingearbeitet, die zur galvanoplastischen Aufbringung einer Aussenwand 3 mit elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt werden. Dann wird die Aussenwand 3, insbesondere gleichfalls aus Kupfer, galvanoplastisch aufgetragen, die gemäss der in Fig. 1 gezeigten zylindrischen Grundform bezüglich der Innenwand 1 und einer Trägerwand 4 zunächst ebenfalls durchgehend eine zylindrische Grundform aufweist. Durch die galvanoplastische Auftragung haftet die Aussenwand 3 mit ihrer Innenfläche fest an den radial nach aussen zeigenden Befestigungsflächen 5 der Stege 6.

Aus den in der Beschreibungseinleitung näher beschriebenen Gründen soll die Aussenwand 3 mit Aufwölbungen 7 versehen werden. Dies kann z.B. so geschehen, dass auf der noch zylindrischen Aussenwand 3 eine Drahtwicklung mit einzelnen Drahtwindungen 8 aufgetragen bzw. aufgespannt s wird, worauf das noch in den Kühlkanälen 2 befindliche Wachs erwärmt wird, das sich dabei stärker ausdehnt als die aus Metall, insbesondere Kupfer, gefertigte Innenwand 1 und Aussenwand 3, wodurch sich zwischen den einzelnen Drahtwindungen 8 die Aussenwand 3 aufbeult, so dass ein-lo zelne Aufwölbungen 7 entstehen, zwischen denen, durch die Drahtwindungen 8 erzwungen, Abstandsfelder 9 verbleiben.

Wie in Fig. 3 dargestellt, weist die Innenwand 11 stromlinienförmige Befestigungskörper 12a und 12b auf, die in Reihen R1 und R2 angeordnet sind, wobei die Befestigungs-ls körper 12a der Reihen R1 zu den Befestigungskörpern 12b der Reihen R2 auf Lücke stehen, und zwar so, dass die vorderen und hinteren Enden der Befestigungskörper 12a bzw. 12b - in Strömungsrichtung des Kühlmediums K gesehen -noch in die Lücken hineinragen. Zum Aufwölben der Aus-20 senwand 13 wird wiederum nach dem Galvanisieren derselben das Wachs im Kühlkanalsystem zwischen den einzelnen Befestigungskörpern 12a und 12b belassen und die Struktur aufgeheizt. Durch das stärkere Ausdehnen des Wachses gegenüber dem Metall der Innenwand 11 und der 25 Aussenwand 13 werden in letzterer zwischen den einzelnen Befestigungskörpern 12a bzw. 12b jeweils einer Reihe R1 bzw. R2 Aufwölbungen 17 erzeugt, die, über die gesamte Fläche betrachtet, ineinander übergehen und an den Endbereichen der einzelnen Befestigungskörper 12a bzw. 12b 30 niveaumässig Einbeulungen 17a aufweisen, so dass flächen-mässig ein durchgehendes niveaumässig unterschiedliches Aufwölbungssystem entsteht, das dem beabsichtigten Zweck des Spannungsabbaues praktisch voll entgegenkommt.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist die Wandstruktur auf einem 35 drehbar gelagerten Zylinder Z als Aussenmantel angeordnet. Die Wärmestrahlen, insbesondere Plasmastrahlen sind dabei mit P bezeichnet.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

655 384 PATENTANSPRÜCHE

1. Wärmeabsorber, bestehend aus einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, in der von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle mit diesen begrenzenden Befestigungskörpern vorgesehen sind, die von einer der Wärme ausgesetzten aufgalvanisierten Aussenwand, ebenfalls aus gut wärmeleitendem Werkstoff, abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwand (3) über den Kühlkanälen (2) nach aussen weisende einzelne Aufwölbungen (7) mit dazwischenliegenden Abstandsfeldern (9) aufweist.

2. Wärmeabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils über einem Kühlkanal (2) im Abstand hintereinander liegenden einzelnen Aufwölbungen (7) in bezug auf die über den beiden jeweils benachbarten Kühlkanälen (2) befindlichen einzelnen Aufwölbungen (7) -in Längsrichtung der Kühlkanäle (2) bzw. in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) betrachtet - versetzt zueinander angeordnet sind.

3. Wärmeabsorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwand (13) mit Abstand zur Innenwand (11) auf den an der letzteren angeordneten Befestigungskörpern (12a und 12b) aufgalvanisiert ist, die im Abstand zueinander in Reihen (R1 und R2) quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) angeordnet sind.

4. Wärmeabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungskörper (12a) der einen Reihe (RÎ) zu den Befestigungskörpern (12b) der anderen Reihe (R2) in Strömungsrichtung auf Lücke stehen und mit ihren Enden in diese Lücken noch hineinragen.

5. Wärmeabsorber, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Befestigungskörper (12a und 12b) stromlinienförmig ausgebildet sind.