DE4015204C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für ein Flugtriebwerk, die einen inneren, mit einer Anzahl Kühlkanälen durchsetzten Mantel aus wärmeleitendem Werkstoff, einen äußeren, den inneren Mantel um­ gebenden festen Stützmantel und eine dazwischenliegende Zwischen­ schicht aufweist.

Die bisher bekannten Schubdüsen, wie auch aus der DE 35 35 779 C1 bekannt, die beispielsweise in Raketentriebwerken für Trägerraketen oder im Space Shuttle eingesetzt werden, weisen eine rotations­ symmetrische Kontur auf. Insbesondere verjüngt sich der kreisförmige Querschnitt von der Brennkammer in Richtung des Engquerschnittes, um sich anschließend wieder zu erweitern. Eine derartige rotations­ symmetrische Kontur ist fertigungstechnisch einfach und ermöglicht eine effektive Aufnahme der Gaskräfte.

Wegen der hohen Temperatur von ca. 3000°C muß jedoch die Schubdüse wirkungsvoll gekühlt werden. Dies geschieht durch die gattungsgemäße Ausbildung der Schubdüse, die normalerweise aus einem inneren Mantel aus einer Kupferlegierung besteht, in den in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung Kühlkanäle eingelassen sind. Diese Kühlkanäle werden von einem Kühlmedium, vorzugsweise dem in der Schubdüse zu ver­ brennenden flüssigen Wasserstoff gekühlt. Außen ist dieser innere Mantel von einem Stützmantel fugenlos umgeben, der die Gasdruckkräfte aufnimmt. Dieser Stützmantel sollte möglichst hohe Zugfestigkeit auf­ weisen, während wegen der innen angeordneten Kühlung die Wärmefestig­ keit nicht von großer Bedeutung ist.

Es sind Bestrebungen zur Entwicklung von sogenannten Hyperschallflug­ zeugen im Gange, die ebenfalls eine gattungsgemäße Schubdüse auf­ weisen. Das Problem bei Schubdüsen für derartige Flugzeuge ist der erforderliche hohe Wirkungsgrad bei der Schuberzeugung, wobei mehrere Triebwerke nebeneinander angeordnet sein sollen. Zur Erreichung dieser Forderungen werden Schubdüsen vorgeschlagen, deren Quer­ schnittskontur von rundem Querschnitt im Bereich der Brennkammer zu rechteckigem Querschnitt im Bereich des Düsenaustritts oder sogar des Düsenengquerschnitts übergeht.

Dies wiederum bedeutet, daß die Düsenwandung eine kompliziert ge­ krümmte Gestalt annehmen muß. Einerseits muß der relativ weiche in­ nere Mantel eine formgenaue Innenkontur aufweisen, um eine optimale Durchströmung zu erzielen, andererseits muß der Stützmantel aus Fe­ stigkeitsgründen so formsteif sein, daß eine Anpassung an die Form des inneren Mantels nicht möglich ist. Die Herstellung der beiden Mäntel mit eimer derart hohen Formgenauigkeit ist bei der kom­ plizierten Geometrie jedoch fertigungsbedingt sehr aufwendig.

Trotzdem kann nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, daß nicht nach dem Zusammenfügen der beiden Mäntel Hohlräume verbleiben, die im Betrieb zu Verformungen und Rissen und somit zum Ausfall führen kön­ nen.

Auch das aus dem Abstract JP 61-58 957 bekannte Ver­ fahren, bei welchem auf einen inneren Mantel eine Zwischenschicht zur Abdeckung der Kühlkanäle galvanisch aufgetragen wird und anschließend ein äußerer Zylinder angebracht wird, gibt keinen Hinweis zur Ver­ meidung dieser Gefahren.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schubdüse und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schubdü­ se anzugeben, die unter geringem Fertigungsaufwand eine Düsenwandung mit großer Formgenauigkeit ermöglicht, wobei gleichzeitig sicherge­ stellt ist, daß zwischen den beiden Mänteln keine Hohlräume ver­ bleiben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 und 7 angegebenen Merkmale gelöst.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Fertigungstoleranz des inneren Mantels und des Stützmantels ausgegli­ chen werden können. Statt beide Konturen des inneren Mantels und die Innenkontur des Stützmantels unter hohem Aufwand mit einer hohen Formgenauigkeit zu fertigen und ferner das Zusammensetzen dieser Mäntel mit großem Prüfaufwand zu überwachen, muß nur noch die Innen­ kontur des inneren Mantels formgenau gefertigt werden. Hinsichtlich der anderen Konturen sind vorteilhafterweise sehr geringe Anforderun­ gen ausreichend. Ferner ist von Vorteil, daß die Oberflächengüte aller Flächen bis auf die Düseninnenfläche die herkömmlicherweise ebenfalls erheblichen Bearbeitungsaufwand erfordern, ohne Einfluß ist.

Schließlich können Sensoren wie Temperatur- und Druckmeßsonden in den Düsenmantel ohne Schwächung des Stützmantels dadurch eingebracht werden, daß diese in die Zwischenschicht eingegossen werden. Es kön­ nen mit geringem Aufwand alle Zwischenräume zwischen inneren und Stützmantel einschließlich von Hinterschnitten vollständig ausgefüllt werden.

Die gesamte Mantelfläche wird vom Stützmantel maßgenau abgestützt, wobei gezielte Eigenschaften des Mantels durch Wahl eines geeigneten Werkstoffes für die Zwischenschicht erzeugt werden können. So ist es möglich, eine erhöhte Duktilität oder eine Vorspannung zu erzeugen, wenn insbesondere ein Werkstoff gewählt wird, der sich beim Erstarren gezielt ausdehnt.

Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht aus einer Metallegierung, insbesondere aus einer Legierung, die Wismut und/oder Zinn als Haupt­ bestandteil hat. Diese Legierungen haben relativ niedrige Schmelz­ punkte und ermöglichen so ein Eingießen unter relativ geringem Auf­ wand. Da die Wasserstoffkühlung einen sehr hohen Kühleffekt bewirkt, können die Temperaturen im Bereich der Zwischenschicht sehr niedrig gehalten werden, so daß ein Aufschmelzen im Betrieb nicht droht. Beispielsweise können Zinn-Kupferlegierungen eingesetzt werden, die einen Schmelzpunkt im Bereich von 220°C aufweisen. Wismutlegierungen haben einen noch niedrigeren Schmelzpunkt. Alternativ kann durch Verwendung von Kadmiumlegierungen ein höherer Schmelzpunkt im Bereich von ca. 300°C eingestellt werden. Selbstverständlich ist auch die Verwendung höher schmelzender Metalle, beispielsweise von Kupfer ebenfalls möglich, wenngleich in diesem Fall erhöhte Vorsorge gegen Wärmeverzug der beiden Mäntel beim Eingießen getroffen werden muß. Je nach Wahl der in der Legierung enthaltenen Komponenten kann ein defi­ niertes Erstarrungsverhalten, d. h. Ausdehnung zur Erzeugung einer bestimmten Vorspannung oder Dehnungsfreiheit zur Erzielung einer spannungsfreien Anordnung eingestellt werden.

Alternativ ist es auch möglich, die Zwischenschicht aus anderen Werkstoffen zu fertigen, z. B. aus einer Keramikmasse in Form von neutralisierter Kieselsäure. Schließlich ist auch die Verwendung von Kunststoffen für die Zwischenschicht vorteilhaft, z. B. von tempera­ turbeständigen Zwei-Komponentenkleber.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist die Zwischen­ schicht eine Dicke von 0,5-5 mm, vorzugsweise ca. 1 mm auf. Dadurch ist eine gute Eingießbarkeit des Zwischenschichtwerkstoffes bei niedrigem Materialverbrauch gewährleistet.

Ein weiterer mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, daß die Zwischenschicht durch Ausschmelzen entfernt werden kann, und der innere Mantel ausgetauscht werden kann, ohne den Stützmantel zu ver­ ändern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungs form in der Zeichnung weiter erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schubdüse,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Düsenmantels, und

Fig. 3 einen anderen Ausschnitt des Düsennmantels.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schubdüse 1, die im wesentlichen aus zwei Halbschalen eines Düsen­ mantels 2a und 2b aufgebaut ist, die in nicht gezeigter Weise mitein­ ander verschraubt sind. Der Düsenkanal 3 geht von rundem Querschnitt im Bereich 3a, welches der Brennkammerbereich ist, im Übergangs­ abschnitt 4 bis zum Bereich 3b in rechteckigen Querschnitt über. Die Querschnitte sind durch die strichpunktierten Linien angedeutet. Im Engquerschnitt 3c der Düse liegt ebenfalls rechteckige Kontur vor. Der Bereich 3d stellt den Expansionsbereich der Schubdüse 1 dar, in dem ebenfalls rechteckiger Querschnitt vorliegt.

Wenngleich die vorliegende Erfindung anhand der in Fig. 1 darge­ stellte Schubdüse 1 erläutert wird, ist selbstverständlich auch eine Abwandlung auf Düsen mit anderen Querschnitten wie tonnenförmigen, oder ovalen Querschnitten durchführbar, ohne den Bereich der Erfin­ dung zu verlassen.

Die beiden Halbschalen des Düsenmantels 2a und 2b bestehen im wesentlichen aus einem inneren Mantel 5, der von Kühlkanälen durch­ zogen ist, und aus einem Stützmantel 6, der den inneren Mantel 5 umschließt. Zwischen beiden Mänteln 5 und 6 ist eine relativ dünne, schwarz gezeichnete Zwischenschicht 7 vorgesehen, die eingegossen worden ist.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Düsenmantel 2a entlang der Linie II-II gemäß Fig. 1, wo der Düsenmantel 2a noch runden Querschnitt aufweist. Dieser umfaßt, wie bereits erwähnt, den inneren Mantel 5, der aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. In den inneren Mantel 5 sind regelmäßig beabstandete, in Düsenlängsrichtung sich erstreckende Nuten 8 eingelassen, zwischen denen Stützstege 9 verbleiben. Diese von radial außen in den inneren Mantel 5 einge­ lassenen Nuten 8 bilden die Kühlkanäle 8 dadurch, daß der innere Mantel 7 von einem dünnen Deckmantel 10 umschlossen ist, der an die­ sem bzw. an den Stützstegen 9 angelötet, geschweißt oder galvanisch angebracht ist, so daß die Kühlkanäle 8 in sich geschlossen sind.

Vorzugsweise besteht der Deckmantel 10 aus dem gleichen Werkstoff wie der innere Mantel 5. Außen ist der relativ dicke Stützmantel 6 ange­ ordnet, wobei zwischen dem inneren Mantel 5, genauer gesagt zwischen dem Deckmantel 10 und dem Stützmantel 6, ein ca. 1 bis 2 mm breiter Spalt verbleibt. Dieser Spalt ist mit einer gegossenen, druckfesten Zwischenschicht 7 vollständig ausgefüllt.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1. Der einzige Unterschied zu Fig. 2 besteht darin, daß im Bereich des Schnittes gemäß Fig. 3 der Düsenmantel 2a rechteckigen Querschnitt hat, so daß der dargestellte Ausschnitt geradlinig verläuft.

Die erfindungsgemäße Schubdüse 1 wird dadurch hergestellt, daß ein innerer Mantel 5 aus wärmeleitendem Werkstoff mit Kühlkanälen 8 ver­ sehen, und in die vorgesehene Endkontur geformt wird, und ein Stütz­ mantel 6 mit angepaßter Form unter Einhaltung eines Spaltes zwischen beiden Mänteln 5 und 6 angebracht ist, und anschließend der Spalt ausgegossen wird. Das Einarbeiten der Kühlkanäle kann beispielsweise mittels Fräsen erfolgen.

Das Eingießverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Teile, also der innere Mantel 5 und der Stützmantel 6 auf die Gießtemperatur des einzugießenden Werkstoffes erwärmt wird, und anschließend die Aus­ gießmasse unter Druck im Vakuum eingebracht wird. Vorzugsweise wird dabei unter Vibration gegossen, um alle Hohlräume sicher auszufüllen.

Claims (7)

1. Schubdüse für ein Flugtriebwerk, die einen inneren, mit einer Anzahl Kühlkanälen durchsetzten Mantel aus wärmeleitenden Werk­ stoff, einem äußeren, den inneren Mantel umgebenden festen Stütz­ mantel und eine dazwischen liegende Zwischenschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Mantel (5) mit dem Stütz­ mantel (6) über eine eingegossene Zwischenschicht (7) auswechsel­ bar verbunden ist.

2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi­ schenschicht (7) aus einer Metallegierung besteht.

3. Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ legierung Wismut und/oder Zinn als Hauptbestandteil(e) hat.

4. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (7) aus einer Kunststoffmasse besteht.

5. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht (7) eine Schichtdicke von 0,5-5 mm, vorzugsweise ca. 1 mm aufweist.

6. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Zwischenschicht (7) Sensoren für die Messung von Düsenmeßdaten wie der Temperatur eingelassen sind.

7. Verfahren zur Herstellung einer Wandung einer Schubdüse, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Mantel (5) aus wärmeleitendem Werkstoff mit Kühlkanälen (8) versehen, und in die vorgesehene Endkontur geformt wird, und ein Stützmantel (6) mit angepaßter Form unter Einhaltung eines Spaltes zwischen beiden Mänteln (5, 6) angebracht ist, und anschließend der Spalt ausge­ gossen wird.