DE3618038C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Stützstruktur für eine an
einer Raketenbrennkammer angeflanschte, flüssigkeitsge
kühlte Expansionsdüse nach dem Oberbegriff des Patent
anspruches 1.
Die getrennte Herstellung von Brennkammer und Düse so
wie deren Zusammenfügen mittels Flanschverbindung ist
vor allem bei größeren Raketentriebwerken üblich, weil
dadurch die Fertigung, Handhabung und Erprobung dieser
beiden Komponenten erleichtert werden und die Verwen
dung unterschiedlicher, jeweils optimal angepaßter
Werkstoffe möglich wird. Die Flanschverbindung wird
dann auch dazu benutzt, um die Kühlflüssigkeit, z. B.
H2, in die Strukturen einzuleiten. Speziell die Dü
senstruktur besteht in der Regel aus einer Vielzahl von
aneinandergrenzenden, miteinander verlöteten oder ver
schweißten Kühlröhrchen. Dabei können die Röhrchen in
Düsen-Längsrichtung angeordnet sein und zur Anpassung
an den sich ändernden, divergenten Düsendurchmesser
variable Breite besitzen. Günstiger kann die Verwendung
von spiralgewickelten Röhrchen konstanten Querschnitts
sein, deren effektive Breite in Umfangsrichtung der Dü
senstruktur durch Variation des Spiralwinkels angepaßt
wird. Bei Verwendung von Röhrchen mit etwa rechteckigem
Querschnitt erhält man glattflächige Düsenstrukturen
mit fast ideal kreisrunden Außen- und Innenquerschnit
ten, welche besonders strömungsgünstig, formstabil und
widerstandsfähig gegen Belastung durch Innendruck sind.
Da die Röhrchen im Hinblick auf gute Kühlwirkung rela
tiv dünnwandig sind, und für die erforderlichen Strö
mungsquerschnitte eine Strukturdicke von wenigen Milli
metern ausreicht, kann bei großen Vakuum-Expansionsdü
sen mit einem Maximaldurchmesser von beispielsweise
1,8 m dennoch der Fall auftreten, daß die Düsenstruktur
durch den Innendruck spannungsmäßig überlastet wird
oder sich durch asymmetrische Belastung, z. B. beim
Schwenken des Triebwerkes, unzulässig verformt. Als Ab
hilfemaßnahmen wären eine Erhöhung der Röhrchenwand
stärken oder eine Vergrößerung der Strukturdicke (Röhr
chenhöhe) denkbar. Durch die damit verbundene Ver
schlechterung der Kühlung stünde der geringe Gewinn an
mechanischer Festigkeit aber in keinem sinnvollen Ver
hältnis zur Masseerhöhung.
Aus der US-PS 29 76 679 ist es bekannt, die aus etwa
rechteckigen Kühlröhrchen bestehende Düsen- und Brenn
kammerstruktur eines kleinen Raketentriebwerkes durch
äußere, direkt auf die Struktur einwirkende Spannbänder
12 gegenüber Innendruck belastbar zu machen. Derartige
Maßnahmen sind in Amerika auch bei größeren Triebwerken
bekannt, was jedoch die Verwendung von Kühlröhrchen mit
federnd nachgiebigem Querschnitt (Kreis, Ellipse etc.)
voraussetzt. Temperaturbedingte, stark unterschiedliche
Maßänderungen der Versteifungselemente einerseits und
der Düsenstruktur andererseits können dabei im wesent
lichen nur durch elastische Deformation der Kühlröhr
chenquerschnitte kompensiert werden.
Bei großen, relativ steifen Düsenstrukturen aus etwa
rechteckigen Kühlröhrchen ist eine direkte Verbindung
mit starren Versteifungs- oder Stützelementen nicht
ratsam, da die an den Kontaktstellen auftretenden,
hohen Spannungen zu bleibenden Deformationen oder zum
Bruch der Struktur führen würden.
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine
leichte und einfache Stützstruktur für eine an einer
Raketenbrennkammer angeflanschte, flüssigkeitsgekühlte
Expansionsdüse mit einer relativ steifen Düsenstruktur
zu schaffen, welche die mechanische Belastbarkeit der
Düsenstruktur wesentlich erhöht und temperaturbedingte
Maßänderungen der Düsenstruktur weitgehend ungehindert
zuläßt.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ge
kennzeichneten Merkmale gelöst.
Die Stützstruktur besteht also aus einem starren, kä
figartigen Teil mit in Längs- und in Umfangsrichtung
angeordneten Elementen, welcher die Düsenstruktur zu
mindest auf einem Teil ihrer Länge umfaßt, sowie aus
elastischen Ausgleichselementen zur Kraftübertragung
und zur Kompensation temperaturbedingter Relativver
schiebungen zwischen Düse und Stützkäfig. Die Kraft
übertragung zwischen Düse und Stützstruktur erfolgt an
mehreren, über Umfang und Länge der Düse verteilten
Stellen in vorwiegend radialer Richtung, so daß die
Düsenstruktur in kleine, durch den Düseninnendruck
hauptsächlich auf Biegung beanspruchte Flächenelemente
zwischen den Kraftübertragungsstellen aufgeteilt wird.
Einseitig auf die Düsenstruktur wirkende Beanspruchun
gen, z. B. beim Schwenken der Düse, werden zumindest
teilweise von der Stützstruktur abgefangen und über den
Anschlußring an die stabile Flanschverbindung zur
Brennkammer weitergegeben. Die Elastizität der Aus
gleichselemente reduziert zwar die auf die Stützstruk
tur übertragbaren Kräfte, sie vermeidet aber auch unzu
lässige, örtliche Spannungsspitzen in der Düsenstruktur
und macht dadurch die Anwendung einer steifen Stütz
struktur überhaupt erst möglich.
Die Unteransprüche 2 bis 6 enthalten bevorzugte Ausge
staltungen der Erfindung.
Die Ausführung der Ausgleichselemente nach Anspruch 2
ist zwar etwas aufwendig, dafür aber in statischer Hin
sicht besonders günstig. Bei geeigneter Wahl des Nei
gungswinkels der Stützflächen wirken sich temperaturbe
dingte, instationäre Maßänderungen des Düsenstruktur
durchmessers praktisch nicht auf den Außendurchmesser
der Ausgleichselemente aus. Die Anordnung axialer Gleit
flächen ermöglicht weitgehend ungehinderte axiale Rela
tivverschiebungen zwischen Düse und Stützstruktur.
Die Ausführungen nach den Ansprüchen 3 bis 5 sind ein
facher, aber in ihrer Stützwirkung nicht so präzise wie
die Ausführung nach Anspruch 2. Die Querschnitte der
Ausgleichselemente besitzen die Form eines liegenden U
oder Ω, wobei ein Schenkel fest mit der Düsenstruk
tur, der andere fest mit dem käfigartigen Teil der
Stützstruktur verbunden ist. Somit wirken die Aus
gleichselemente in axialer Richtung als Rollmembranen.
Die Teilung des käfigartigen Teiles der Stützstruktur
nach Anspruch 6 ermöglicht dessen nachträgliche Anbrin
gung an die fertige Düsenstruktur. Dabei ist nicht aus
geschlossen, daß der Stützkäfig beim Verbinden mit der
Düse zu einem Teil zusammengelötet oder -geschweißt
wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher er
läutert. Dabei zeigt in vereinfachter Darstellung
Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht der mit der
Düse verbundenen Stützstruktur,
Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch den von der Stütz
struktur umgebenen Düsenbereich,
Fig. 3 einen Teilschnitt entsprechend dem Schnittver
lauf III-III in Fig. 2,
Fig. 4, 5, 6 unterschiedliche Ausführungsarten der
Ausgleichselemente in perspektivischer
Teilansicht.
In Fig. 1 verläuft die Blickrichtung schräg von hinten
auf die Außenseite einer mit einer Stützstruktur 1 ver
sehenen Expansionsdüse 13. Das vordere, im Durchmesser
kleinere Düsenende ist mit einem Flansch 15 versehen,
welcher als Verbindungselement zur nicht dargestellten
Brennkammer dient. Außerdem wird über den Flansch 15
die Kühlflüssigkeit zugeführt und gleichmäßig auf die
zahlreichen Kühlröhrchen 16 der Düsenstruktur 14 ver
teilt. Mit der Rückseite des Flansches 15 fest ver
schraubt oder anderweitig verbunden ist der Anschluß
ring 2 der Stützstruktur 1. Vom Anschlußring 2 gehen
mehrere, über den Düsenumfang verteilte Längsstreben 3
aus. Von diesen Längsstreben 3 ist der Übersichtlich
keit halber nur eine dargestellt, man erkennt aber die
Ausführung als geschweißter, biegesteifer T-Träger mit
Erleichterungsbohrungen. Am hinteren Ende sind die
Längsstreben 3 mit einem umlaufenden Ring 4 fest ver
bunden, so daß die Elemente 2, 3 und 4 einen relativ
starren Stützkäfig für die Düsenstruktur 14 bilden.
Durch weitere, jeweils axial beabstandete Ringe 4 kann
der Stützkäfig noch feinmaschiger und stabiler ausge
führt sein. Die eigentlichen Kraftübertragungselemente
zur Düsenstruktur 14 bilden die in Umfangsrichtung an
geordneten Ausgleichselemente 5. Diese sind an ihren
Auflagestellen mit der Düsenstruktur 14 verschweißt
oder anderweitig fest verbunden. Von den Auflagestellen
ragen paarweise zusammenwirkende Stützflächen 8 schräg
nach außen und sind durch axiale Gleitflächen 10 zin
nenförmig verbunden. Auf den Gleitflächen 10 der Aus
gleichselemente 5 liegen die Gleitflächen 12 der Längs
streben 3, so daß axiale Relativbewegungen zwischen dem
aus 2, 3 und 4 bestehenden Stützkäfig und den mit der
Düsenstruktur 14 verbundenen Ausgleichselementen 5 mög
lich sind, welche sich insbesondere kurz nach dem Star
ten des Triebwerkes durch stark unterschiedliche Bau
teiltemperaturen ergeben. Dabei tritt auch der Fall
auf, daß die Außenhaut der Düsenstruktur 14 beispiels
weise heißer ist und sich stärker ausdehnt, als die
Gleitflächen 10 der zinnenförmigen Ausgleichselemente
5. Dadurch werden die geneigten Stützflächen 8 stärker
gespreizt, wobei ihre an der Düsenoberfläche aufliegen
den Enden sich voneinander entfernen und gleichzeitig
nach außen auf den größeren, gedehnten Düsendurchmesser
ausweichen. Bei geeigneter Wahl des Spreizwinkels der
Stützflächen 8 bleibt hierbei der Außendurchmesser, auf
welchem die Gleitflächen 10 liegen, annähernd gleich.
In Fig. 1 sind die Ausgleichselemente 5 als durchgehen
de Bänder gezeichnet. Diese Anordnung ist dann sinnvoll,
wenn relativ viele Längsstreben 3 vorhanden sind. Bei
wenigen Längsstreben genügt es, einzelne, in Umfangs
richtung beabstandete Ausgleichselemente 5 vorzusehen,
welche jeweils eine Gleitfläche 10, zwei Stützflächen 8
und zwei düsenseitige Auflageflächen besitzen. Bei der
Auswahl der Anzahl und Lage der Krafteinleitungspunkte
ist zu beachten, daß der Düseninnendruck nahe am
Flansch 15 am größten ist und zum Düsenaustritt hin
stark abnimmt. Von daher kann es sinnvoll sein, die
axialen Abstände der Ausgleichselemente vom Anschluß
ring 2 zum Ring 4 hin kontinuierlich zu vergrößern und
die Stützstruktur 1 bereits axial vor dem Düsenaustritt
enden zu lassen.
Es bietet sich auch an, den Anschlußring 2 und den bzw.
die Ringe 4 mit einer gemeinsamen Teilungsebene zu ver
sehen. Dadurch kann die aufwendige Düsenstruktur 14
einschließlich Flansch 15 komplett fertiggestellt und
nachträglich mit den Ausgleichselementen 5 und dem aus
2, 3 und 4 bestehenden, geteilten Stützkäfig versehen
werden. Die Möglichkeit der Teilung kann beibehalten
werden, indem alle Teile des Käfigs verschraubt werden,
man kann die Teilung aber auch beseitigen, indem der
Käfig an der Expansionsdüse 13 verschweißt oder verlö
tet wird.
Fig. 2 zeigt einen radialen Teillängsschnitt in der
Nähe einer Längsstrebe 3. Die Düsenstruktur 14 ist der
Einfachheit halber als Massivkörper schraffiert darge
stellt genau genommen müßten die geschnittenen Kühl
röhrchen 16 sichtbar sein. Gut zu erkennen sind die
axiale Anordnung der Gleitflächen 10, 12 sowie das En
den der Stützstruktur vor dem größten Düsendurchmesser.
Der Schnittverlauf III-III führt zu Fig. 3, in welcher
deutlich die im Querschnitt rechteckigen Kühlröhrchen
16 zu sehen sind. Durch die große Anzahl der über den
Düsenumfang verteilten Röhrchen ist die Düsenstruktur
14 innen und außen glattflächig und nahezu ideal
kreisförmig.
In Fig. 3 sind vier düsenseitige Gleitflächen 10, aber
der Einfachheit halber nur eine Längsstrebe 3 mit
Gleitfläche 12 dargestellt. Die Gleitflächen 10 mit
ihren Stützflächen 8 sind natürlich nur dort sinnvoll,
wo in Verbindung mit Gegen-Gleitflächen 12 eine Kraft
übertragung möglich ist, andernfalls ist es besser, die
Zinnenstruktur zur Gewichtseinsparung zu unterbrechen.
Die Gleitflächen 12 können übrigens nicht nur an den
Längsstreben 3 sondern auch an dem bzw. den Ringen 4
vorgesehen sein.
Die Fig. 4, 5, 6 zeigen eine Gegenüberstellung ver
schieden ausgeführter Ausgleichselemente 5, 6 und 7.
Das zinnenförmige Ausgleichselement 5 nach Fig. 4 ist
bereits aus den vorhergehenden Erläuterungen bekannt.
Nach einem vergleichbaren Prinzip arbeitet das Aus
gleichselement 6 in Fig. 5. Für die Kompensation von
Dehnungsunterschieden sind hier in axialer Richtung ge
neigte Stützflächen 9 vorgesehen, welche abwechselnd
zum vorderen und hinteren Düsenende weisen. Infolge der
radialen Schlitze mit spannungsreduzierenden Endbohrun
gen läßt sich das Ausgleichselement aus einem geraden
T-Profil herstellen und relativ einfach kreisförmig
biegen. Die axiale Gleitfläche 11 läuft bei dieser Aus
führungsform durchgehend um. Wie die Ausführung nach
Fig. 4 kann das Ausgleichselement 6 nur radiale Druck
kräfte übertragen. Andere Kraftübertragungs- und Bewe
gungsverhältnisse liegen beim Ausgleichselement 7 in
Fig. 6 vor. Dessen Querschnitt besitzt die Form eines
liegenden U, wobei die Öffnung zwischen den beiden
Schenkeln zum vorderen oder hinteren Ende der Expan
sionsdüse 13 weisen kann. Infolge der vielen, in regel
mäßigen Abständen eingearbeiteten, radialen Schlitze
mit spannungsreduzierenden Endbohrungen läßt sich auch
dieses Profil kreisförmig biegen und so dem jeweiligen
Düsendurchmesser anpassen. Der durch Schlitze vielfach
unterbrochene, radial innenliegende U-Schenkel ist mit
der Düsenstruktur 14, der durchgehende, außenliegende
U-Schenkel mit den Längsstreben 3 und/oder dem Ring 4
bzw. den Ringen 4 fest verbunden, z. B. verschweißt. Da
durch kann das Ausgleichselement 7 auch in radialer
Richtung sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen.
Bei axialen Relativverschiebungen zwischen den mit den
U-Schenkeln verbundenen Bauteilen führt das U-Profil in
sich eine abrollende Bewegung nach Art einer Roll
membran aus, ohne daß irgendwelche Flächen aufeinander
gleiten. Prinzipiell wäre es aber auch möglich, den ra
dial außenliegenden U-Schenkel als Gleitfläche auszu
bilden und nur den innenliegenden U-Schenkel fest mit
der Düsenstruktur 14 zu verbinden. Die Bewegungsver
hältnisse wären dann ähnlich wie bei den Ausgleichsele
menten 5 und 6.
Anstelle des liegenden U-Profiles könnte man gleicher
maßen ein liegendes Ω-Profil verwenden. Dessen Her
stellung wäre dadurch möglich, daß man - ausgehend vom
U-Profil - dessen inneren Schenkel etwa rechtwinklig
radial nach innen und dessen äußeren Schenkel etwa
rechtwinklig radial nach außen abknickt. Auch ein lie
gendes U mit einem radial nach außen abgeknickten,
äußeren Schenkel wäre vorstellbar. Derartige Variatio
nen richten sich hauptsächlich nach der Art der Verbin
dung mit benachbarten Bauteilen.
Claims (6)
1. Stützstruktur für eine an einer Raketenbrennkam
mer angeflanschte, flüssigkeitsgekühlte Expansionsdüse,
welche im wesentlichen aus einer Vielzahl von aneinan
dergrenzenden, fest miteinander verbundenen Kühlröhr
chen besteht, wobei die Form der Röhrchenquerschnitte
eine in Längs- und in Umfangsrichtung relativ steife
Düsenstruktur ergibt, insbesondere für eine durch Spi
ralwickeln und Verschweißen von rechteckigen Kühlröhr
chen hergestellte Expansionsdüse, dadurch ge
kennzeichnet, daß mit dem brennkammersei
tigen Flansch (15) der Expansionsdüse (13) ein An
schlußring (2) fest verbunden ist, daß vom Anschlußring
(2) ausgehend mehrere, über den Düsenumfang verteilte
und der Düsenform angepaßte Längsstreben (3) in radia
lem Abstand zur Oberfläche der Düsenstruktur (14) in
Richtung auf das austrittsseitige Düsenende verlaufen,
daß die Längsstreben (3) in axialem Abstand vom An
schlußring (2) durch einen oder mehrere, in Umfangs
richtung angeordnete Ringe (4) käfigartig zusammenge
halten werden, und daß zwischen den Längsstreben (3)
und/oder dem Ring (4) bzw. den Ringen (4) einerseits
und der Oberfläche der Düsenstruktur (14) andererseits
elastische Ausgleichselemente (5, 6, 7) für die Einlei
tung von Stützkräften in die Düsenstruktur (14) und für
die Kompensation von temperaturbedingten Relativver
schiebungen angeordnet sind.
2. Stützstruktur nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente
(5, 6) über paarweise zusammenwirkende, spitzwinklig
gegenüber der Oberfläche der Düsenstruktur (14) geneig
te Stützflächen (8, 9) fest mit der Düsenstruktur (14)
verbunden sind, und daß sowohl an den Ausgleichselemen
ten (5, 6) als auch an den Längsstreben (3) und/oder
dem Ring (4) bzw. den Ringen (4) axiale Gleitflächen
(10, 11, 12) zur Aufnahme radialer Stützkräfte angeord
net sind.
3. Stützstruktur nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente
sowohl mit der Düsenstruktur (14) als auch mit den
Längsstreben (3) und/oder dem Ring (4) bzw. den Ringen
(4) fest verbunden sind und eine in axialer und radia
ler Richtung nachgiebige Form besitzen.
4. Stützstruktur nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente
(7) in Düsenlängsrichtung einen U-förmigen Querschnitt
besitzen.
5. Stützstruktur nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente
in Düsenlängsrichtung einen Ω-förmigen Querschnitt
besitzen.
6. Stützstruktur nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß der Anschlußring (2) und der Ring (4) bzw.
die Ringe (4) vor dem Zusammenfügen mit der Düsenstruk
tur (14) jeweils an mindestens zwei Stellen ihres Um
fanges geteilt sind.
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DE2844349C2 (de) | Nachverbrennungskanal für ein Strahltriebwerk |
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