DE4304559C1 - Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten Struktur, insbesondere einer Staubrennkammer für einen Hyperschallantrieb - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten Struktur, insbesondere einer Staubrennkammer für einen HyperschallantriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühl
ten Struktur, insbesondere einer Staubrennkammer für einen Hyperschall
antrieb, mit einer Wand in Röhrchenverbundbauweise und mit mindestens
einem endseitig angebrachten Anschlußflansch für die Zu- oder Abfuhr des Kühlmit
tels und für die Anbindung der Struktur an benachbarte Bauteile, gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Fluidgekühlte Strukturen in Röhrchenverbundbauweise mit mindestens einem
endseitigen Anschlußflansch werden bis dato hauptsächlich bei Flüssigra
ketentriebwerken im Brennkammer- und Düsenbereich angewendet. Dabei wird
eine Treibstoffkomponente, z. B. Wasserstoff, unter Wärmeaufnahme über
die heißgasseitigen Wandabschnitte durch die Röhrchen der Struktur ge
pumpt und letztendlich - ggf. nach Durchlaufen weiterer Strukturen - an
einer Stelle gleichen oder niedrigeren Druckes in die Brennkammer oder
die Schubdüse eingeleitet. Bei Schubdüsen mit offenem Kühlkreislauf läßt
man das Kühlmittel am Düsenende aus den dort offenen Röhrchen ins Freie
austreten, ggf. über eine Vielzahl kleiner Einzeldüsen.
Bezüglich zukünftiger Hyperschallantriebe ist absehbar, daß auch bei
diesen entsprechende Kühlstrukturen erforderlich sein werden, beispiels
weise im Bereich der Staubrennkammer.
Strukturen der genannten Art eignen sich aber nicht nur als Triebwerks
elemente, sondern auch allgemein als Wärmetauscher in vielen weiteren
Bereichen.
Konstruktiv gesehen sind hauptsächlich diejenigen Strukturbereiche pro
blematisch, in denen das Kühlmittel aus einer Sammelleitung, z. B. einem
Ringkanal, in die einzelnen Röhrchen eintritt, oder in denen es aus den
Röhrchen in eine Sammelleitung austritt. Dies sind die Bereiche der An
schlußflansche. Dabei ist zu beachten, daß der Verbund aus bis zu mehre
ren Hundert Röhrchen mit relativ großen Toleranzen behaftet ist, bedingt
durch Ungenauigkeiten der Röhrchenform, insbesondere des Querschnittes,
sowie durch Ungenauigkeiten bei deren Fixierung auf einem Montagekern
und bei deren Verbindung. Die wichtigsten Verbindungsverfahren dabei
sind Löten, Schweißen, Übergalvanisieren, Überspritzen, Kleben, Um
wickeln sowie Kombinationen dieser Verfahren.
Aus der US-PS 3 224 678 ist es bekannt, die endseitigen Anschlußflansche
(coolant inlet manifold, coolant exit manifold) sowie über die Struktur
länge verteilte Stützringe so an die Röhrchen anzubinden, daß der Strö
mungsein- und -austritt im wesentlichen axial, d. h. über die offenen
Röhrchenstirnquerschnitte erfolgt. Diese Bauweise erfordert eine hohe
Genauigkeit im Bereich der Röhrchenenden, um eine dichte und belastbare
Anbindung der Anschlußflansche - und der Stützringe - zu erzielen, wo
durch Fertigung und Prüfung aufwendig und teuer werden.
Aus der US-PS 3 190 070 sind Brennkammer- und Düsenstrukturen in Röhr
chenverbundbauweise bekannt, bei welchen eine von außen aufgespritzte
Schicht die Abdichtung und Abstützung übernimmt. Nach Fig. 11 dieser
Schrift ist vorgesehen, den Kühlmittelzu- und -ablauf im wesentlichen
radial über zusätzliche Öffnungen in den Röhrchen durchzuführen. Diese
Öffnungen können kleiner, gleich oder größer ausgeführt werden als die
Röhrcheninnenquerschnitte, wodurch sich Drosselwirkungen erzielen, oder
sich Druckverluste minimieren lassen. Die Röhrchenstirnseiten werden
über gemeinsame, angeschweißte oder angelötete Ringe bzw. Wände ver
schlossen, wodurch sich die gleichen Probleme hinsichtlich Genauigkeit,
Dichtheit und Festigkeit ergeben wie bei der Ausführung nach der vorher
genannten US-PS 32 24 678. Insbesondere für im Durchmesser große Struk
turen mit einer Vielzahl von anzubindenden und zu verschließenden Röhr
chen ist diese Bauweise wenig geeignet.
Aus der DE-OS 22 46 075 sind Wärmetauscher, insbesondere Raketenbrenn
kammern und Schubdüsen, in Röhrchenverbundbauweise bekannt, welche durch
Verlöten bzw. Verschweißen vom Röhrchen mit anfänglich rundem Quer
schnitt hergestellt werden. Derartige Strukturen sind in der Regel rota
tionssymmetrisch ausgeführt, wobei sich ihr Durchmesser über die Länge
ändert. Da die Anzahl der über den Umfang verteilten Röhrchen über die
Strukturlänge normalerweise konstant ist, wird der örtlich gewünschte
Strukturdurchmesser durch entsprechend ovale Verformung der Röhrchen
querschnitte vor bzw. nach deren Verbindung durch Löten etc. einge
stellt. An den stirnseitigen Enden der Struktur, wo entsprechende An
schlußringe für die Fluidzu- und -abfuhr anzubringen sind, sind runde
oder ovale Röhrchenquerschnitte jedoch ungünstig hinsichtlich Abdichtung
und mechanischer Verbindung. Deshalb wird vorgeschlagen, die Röhrchen in
diesen Bereichen vorzugsweise rechteckig zu verformen, wobei die Struk
tur einen radial inneren und radial äußeren Paßdurchmesser erhält. Mit
jeweils beiden Paßdurchmessern wird ein axial aufgeschobener Rohran
schlußring verlötet bzw. verschweißt, welcher die Röhrchenstruktur axial
(stirnseitig) verschließt. Die Fluidzu- bzw. -abfuhr erfolgt über radia
le Durchbrüche im äußeren Paßdurchmesser, wobei der Rohranschlußring in
diesem Bereich entsprechende Aussparungen, z. B. Ringkanäle, aufweisen
muß.
Auch diese Bauweise weist den Nachteil auf, daß im Bereich der Röhrchen-
bzw. Strukturenden eine hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich ist, um
eine dichte und zuverlässige Verbindung mit dem jeweiligen Rohranschluß
ring zu erzielen. Nachbesserungen und Reparaturen von örtlichen Fehl
stellen sind nur schwer durchführbar.
Angesichts der Nachteile der bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der
Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten
Struktur mit einer Wand aus in thermischer Spritztechnik verbundenen
Röhrchen und mit mindestens einem endseitigen Anschlußflansch anzugeben,
welches bei einfacher Konstruktion und moderaten Anforderungen an die
Bauteilgenauigkeit eine hinsichtlich Festigkeit, Dichtheit und Strö
mungsgünstigkeit optimale Verbindung zwischen Anschlußflansch und Wand
gewährleistet und ein sicheres und dauerhaftes Verschließen der Röhr
chenenden ermöglicht, wobei alle Verbindungsstellen einfach zu kontrol
lieren und ggf. zu reparieren sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Oberbegriffsmerkmalen des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
genannten Bearbeitungsschritte a) bis e) gelöst.
Die Schritte a) und b) besagen, daß die Wand zunächst mit Überlänge her
gestellt und danach fertigbearbeitet wird. Die überstehende Röhrchenlän
ge dient dabei als Auslaufzone der Spritzschicht, welche im späteren
Flanschbereich relativ dick ausgeführt ist. Die Sitzflächen für den An
schlußflansch liegen dabei ausschließlich in der mechanisch festen
Spritzschicht, so daß die filigranen Röhrchen in keiner Weise geschwächt
werden.
Die Herstellung der Öffnungen für das Kühlmittel gemäß Schritt c) ermög
licht es, deren Strömungsquerschnitt größer als denjenigen der Röhrchen
zu machen, so daß trotz Strömungsumlenkung praktisch keine Druckverluste
entstehen.
Gemäß Schritt d) wird der Anschlußflansch mit der bearbeiteten Spritz
schicht verschweißt, so daß die Röhrchen durch diesen Verbindungsvorgang
nicht geschwächt werden.
Das Verschließen der Röhrchen nach Schritt e) mit einzelnen Füllstücken
ist hinsichtlich Dichtheit, Dauerfestigkeit, Prüfbarkeit und Reparatur
möglichkeit wesentlich günstiger als die bekannten Lösungen mit umlau
fenden Ringen etc.
Somit bietet sich die erfindungsgemäße Lösung auch für größere Versuchs
strukturen an.
Die Unteransprüche 2 bis 6 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Ver
fahrens nach Anspruch 1.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläu
tert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Struktur im Bereich des An
schlußflansches,
Fig. 2 eine Teilansicht der Stirnseite der Struktur.
Die fluidgekühlte Struktur 1 umfaßt eine in Röhrchenverbundbauweise her
gestellte Wand 2 sowie mindestens einen Anschlußflansch 9. Die Wand 2
besteht aus einer Vielzahl von seitlich aneinandergrenzenden Röhrchen 3,
welche über eine äußere Spritzschicht 4 gasdicht und druckfest verbunden
sind. Der besseren Übersichtlichkeit wegen wurde für die Figuren eine
Ausführung mit axial verlaufenden Röhrchen und mit zumindest im Flansch
bereich zylindrischer Innenkontur gewählt. In der Praxis werden die
Röhrchen meist spiralig, d. h. in Längs- und in Umfangsrichtung verlau
fend, angeordnet. Die Röhrchen sind hinsichtlich Werkstoff und Dimensio
nierung optimiert, um günstige Wärmeübergänge und Strömungsverhältnisse
zu erzielen. Hauptanforderungen an die Spritzschicht 4 sind eine hohe
mechanische Festigkeit sowie eine gute Haftverbindung zu den Röhrchen 3.
Die Dicke der Spritzschicht ist den örtlichen Festigkeits- und Konstruk
tionsbedingungen angepaßt. Die Spritzschicht kann homogen aufgebaut sein
oder aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen, jeweils optimierten
Werkstoffeigenschaften bestehen. Dank der thermischen Spritztechnik las
sen sich stark unterschiedliche Werkstoffe verarbeiten und kombinieren,
z. B. metallische, keramische und polymere Werkstoffe. Die Herstellung
der Wand 2 erfolgt in der Weise, daß die Röhrchen 3 auf eine kernartige
Vorrichtung aufgespannt und mit der Spritzschicht 4 ummantelt werden. Im
späteren Flanschbereich wird die Spritzschicht aufgedickt, was auch in
Fig. 1 noch stellenweise erkennbar ist. Die Wand wird zunächst mit Über
länge gefertigt, um eine ausreichende Auslaufzone für die relativ dicke
Spritzschicht zur Verfügung zu haben. Danach werden Spritzschicht und
Röhrchen auf das Fertigmaß abgelängt, z. B. durch Abstechdrehen, wobei
das abgetrennte, ringförmige Gebilde für Prüfzwecke verwendbar ist, z. B.
für Festigkeitstests, mikroskopische Untersuchungen und Röntgenuntersu
chungen. Anschließend wird der Sitz 5 für den Anschlußflansch 9
gedreht, welcher mehrere Paßdurchmesser und axiale Anschläge umfaßt.
Alle Flächen des Sitzes 5 liegen in der Spritzschicht 4, ohne die fili
granen Röhrchen 3 in irgendeiner Form zu schwächen.
Die Öffnungen 6 für den Ein- oder Austritt des Kühlmittels durchdringen,
ausgehend vom Sitz 5, die Spritzschicht 4 und die äußere Wand der Röhr
chen 3 und werden vorzugsweise durch Funkenerosion hergestellt. Ihre La
ge und Orientierung ist so gewählt, daß in den Röhrchenenden möglichst
keine "Totwasserzonen" mit mangelhafter Kühlung entstehen (siehe Strö
mungspfeil). Der Strömungsquerschnitt der Öffnungen 6 kann größer ge
wählt werden als der Innenquerschnitt der Röhrchen 3, so daß trotz Strö
mungsumlenkung kaum Druckverluste im Kühlmittel entstehen. In Fig. 1 ist
der Fall des Kühlmitteleintritts angedeutet, die Verhältnisse beim Aus
tritt sind vergleichbar, falls dort auch ein Anschlußflansch vorhanden
ist. Nach Fertigbearbeitung des Sitzes 5, vorzugsweise durch Drehen,
und der Öffnungen 6 wird der Anschlußflansch 9 auf den Sitz 5 aufge
bracht, wobei unterschiedlich enge Passungen (Gleit- bis Preßsitz) oder
auch ein Aufschrumpfen sinnvoll sein können. Der Anschlußflansch 9 weist
in seinem inneren einen Ringraum 10 für das Kühlmittel auf, er besitzt
eine Zentrierstufe 11 für eine exakte radiale Positionierung in Relation
zu benachbarten Bauteilen und ist zum Außenumfang hin massiv ausgeführt,
vorzugsweise für eine - nicht dargestellte - Schraubbefestigung. Seine
Verbindungselemente zum Sitz 5 sind membranartig nachgiebig gestaltet,
um eine günstige Krafteinleitung in die Wand 2 zu ermöglichen, und um
Wärmespannungen im Betrieb zu reduzieren. In Bild 1 ist der linke Ver
bindungsbereich eher radial nachgiebig, der rechte eher axial nachgiebig
gestaltet. Die eigentliche Befestigung und Abdichtung erfolgt über die
beiden Schweißnähte 12 und 13, welche vorzugsweise mittels Elektronen
strahl erzeugt werden. Auch die Schweißnähte 12 und 13 liegen aus
schließlich in der Spritzschicht 4 außerhalb der Röhrchen 3.
Das Verschließen der Röhrchen 3 erfolgt zu einem geeigneten Zeitpunkt
nach dem Ablängen auf Fertigmaß jeweils einzeln durch Einschweißen von
dem Röhrcheninnenquerschnitt angepaßten Füllstücken 7. Diese am Röhr
chenende liegenden Schweißnähte 8 sind für die Strukturfestigkeit un
problematisch. Die Hauptvorteile dieser auf den ersten Blick umständlich
erscheinenden Einzelabdichtung liegen darin, daß alle Schweißverbindun
gen gut zugänglich sind und bleiben und somit jederzeit geprüft bzw.
kontrolliert werden können, und daß ggf. vorhandene Schwachstellen oder
Undichtheiten leicht zu orten und zu reparieren sind. Außerdem kann im
Bereich der Röhrchenenden mit relativ großen Toleranzen gearbeitet wer
den, ohne Nachteile, wie z. B. Leckstellen, zu riskieren. Der in Fig. 1
erkennbare, kleine Rücksprung R von der äußersten Stirnfläche des An
schlußflansches 9 zur Stirnfläche der Röhrchen 3 schützt die filigranen
Röhrchen, indem mechanische Kontakte (Verhaken, Stoß, Pressung etc.) mit
benachbarten Bauteilen vermieden werden.
In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Röhrchen 3 einen im wesentlichen qua
dratischen Querschnitt besitzen und möglichst spaltfrei aneinanderlie
gen, so daß sich eine glatte Innenkontur der Struktur 1 ergibt. Aus Fe
stigkeits- und Leckagegründen können alle Röhrchen 3 an ihren jederzeit
zugänglichen, stirnseitigen Enden miteinander verschweißt sein, wie in
Fig. 2 gezeigt.
Die gestrichelten Linien bzw. Kurven in Fig. 2 geben den kleinsten und
größten Durchmesser des Ringraumes 10 sowie die Lage der zu jedem Röhr
chen 3 führenden Öffnungen 6 wieder.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten Struktur, insbe
sondere einer Staubrennkammer für einen Hyperschallantrieb, mit einer
Wand in Röhrchenverbundbauweise und mit mindestens einem endseitig angebrachten An
schlußflansch für die Zu- oder Abfuhr des Kühlmittels und für die Anbin
dung der Struktur an benachbarte Bauteile, wobei die Wand in der Weise
gefertigt wird, daß Röhrchen, insbesondere solche mit einer über die
Länge gleichbleibenden Querschnittsform, in axialer und/oder spiraliger
Anordnung auf eine kernartige Vorrichtung aufgespannt und mit einer mit
tels thermischer Spritztechnik aufgetragenen Spritzschicht gasdicht und
druckfest umhüllt werden, gekennzeichnet durch folgende Bearbeitungs
schritte im Bereich jedes mit einem Anschlußflansch zu versehenden Wand
endes:
- a) Die Wand (2) wird mit Überlänge gefertigt, wobei die Spritzschicht (4) im vorgesehenen Flanschbereich mit in Relation zu den übrigen Bereichen größerer Dicke ausgeführt wird.
- b) Die Wand (2) wird auf Fertigmaß abgelängt, ein Sitz (5) für den An schlußflansch (9) wird gefertigt.
- c) Im Sitzbereich (5) des Anschlußflansches (9) werden mittels Funken erosion oder anderer, mechanischer Verfahren die Spritzschicht (4) und die Außenwände der Röhrchen (3) durchdringende Öffnungen (6) für das Kühlmittel hergestellt.
- d) Der Anschlußflansch (9) wird auf den Sitz (5) aufgebracht und mit der Spritzschicht (4) verschweißt.
- e) Die stirnseitigen Öffnungen der Röhrchen (3) werden einzeln durch Einschweißen von Füllstücken (7) verschlossen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öff
nungen (6) für das Kühlmittel im Sitzbereich jedes Anschlußflansches (9)
bezüglich ihrer Lage und Richtung so angeordnet werden, daß im stirnseiti
gen Verschlußbereich der Röhrchen (3) keine "Totwasserzonen" entstehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Anschlußflansch (9) mittels zweier Schweißnähte (12, 13) mit der
Spritzschicht (4) der Wand (2) verbunden wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Wand (2) aus Röhrchen (3) mit rechtecki
gem oder quadratischem Querschnitt hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens ein von der mit Überlänge gefer
tigten Wand (2) abgestochener, aus Spritzschicht (4) und Röhrchenab
schnitten bestehender Ring für Prüfzwecke im Rahmen der Qualitätssiche
rung benutzt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (3) hinsichtlich Querschnitt,
Wandstärke und Werkstoff optimiert werden, und daß die Spritzschicht als
Mehrschichtaufbau ausgeführt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934304559 DE4304559C1 (de) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten Struktur, insbesondere einer Staubrennkammer für einen Hyperschallantrieb |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934304559 DE4304559C1 (de) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten Struktur, insbesondere einer Staubrennkammer für einen Hyperschallantrieb |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4304559C1 true DE4304559C1 (de) | 1994-03-24 |
Family
ID=6480518
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934304559 Expired - Fee Related DE4304559C1 (de) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten Struktur, insbesondere einer Staubrennkammer für einen Hyperschallantrieb |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4304559C1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19547515A1 (de) * | 1995-12-19 | 1997-07-03 | Daimler Benz Aerospace Airbus | Brennkammer |
RU2511791C1 (ru) * | 2013-03-18 | 2014-04-10 | Николай Борисович Болотин | Система охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя |
RU2804439C1 (ru) * | 2022-11-03 | 2023-09-29 | Акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" | Способ вытеснения горючего из внутренних полостей камеры кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при останове и устройство для его осуществления |
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DE2246075A1 (de) * | 1972-09-20 | 1974-04-11 | Maschf Augsburg Nuernberg Ag | Waermetauscher, insbesondere raketenbrennkammer mit schubduese und diesbezuegliches herstellungsverfahren |
-
1993
- 1993-02-16 DE DE19934304559 patent/DE4304559C1/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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