DE4304559C1 - Verfahren zur Herstellung einer fluidgekühlten Struktur, insbesondere einer Staubrennkammer für einen Hyperschallantrieb - Google Patents

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.