SE512942C2 - Förfarande för tillverkning av utloppsmunstycken för raketmotorer - Google Patents

Description

W U 20; 25 30 H;_tätt intill varandra och därefter sammanfogas längs sina~ 35 ttt förut känt sätt att - utloppsmunstycke är genom att utforma munstycksväggen av - 512 942 2 erforderliga dragkraften för raketen uppnås. Genom att en raketmotor kan alstra mycket stora drivkrafter och dessutom arbeta oberoende av det omgivande mediet lämpar den sig särskilt som transportmedel för rymdfärder.

Under drift av en raketmotor utsätts utloppsmunstycket för mycket höga påfrestningar, exempelvis i form av en mycket hög temperatur på dess insida (av storleksordningen 800 K) och en mycket låg temperatur på dess utsida (av storleksordningen 50 K). Till följd av denna höga termiska belastning ställs höga krav på materialval, konstruktion och tillverkningen av utloppsmunstycket. Inte minst är det nödvändigt med en effektiv kylning av utloppsmunstycket.

För att uppnå en optimal kylning är utloppsmunstycket enligt känd teknik utformat med ett antal kylkanaler som anordnas parallellt inuti själva munstycksväggen och med utsträckning mellan inloppsänden och utloppsänden hos utloppsmunstycket. Tillverkningen av utloppsmunstycket, d¿v.s¿ utformningen av_dess vägg så att de erforderliga__ kylkanalerna bildas, kan utföras genom ett flertal olika metoder.

I detta sammanhang gäller också att en hög verkningsgrad kan uppnås hos en raket om kylmediet också utnyttjas som bränsle. Av denna anledning finns det ofta önskemål att återanvända allt kylmedium för förbränning i brännkammaren. tillverka ett kylt ett' stort antal _runda' eller' ovala rör- av_ exempelvis_ _ nickelbaserat eller rostfritt_stål, vilka rör arrangeras sidor,' Denna sammanfogning" kan: då ske mede15t _lödning, _vilket dock är ett :tillverkningssätt som 'är relativt 10 15 . go., 25 30 _35 512% 942 3 kostsamt. Dessutom medför lödningen att utloppsmunstyckets vikt ökar. I övrigt utgör lödningen ett komplicerat och tidskrävande arbete, vid vilket det är svårt att uppnå den erforderliga styrkan och tillförlitligheten hos den kompletta väggstrukturen.

En annan betydande nackdel med en sammanfogning som baseras pà lödning är det är komplicerat och dyrbart att kontrollera ett fel längs någon lödfog är det mycket svårt att reparera fogen, lödfogarna. Om exempelvis uppstår eftersom denna skada normalt inte är åtkomlig. Vidare är lödningsstrukturen relativt svag i. tangentialriktningen, fall förstärkningsstruktur i form av en mantel. behov av en Detta gäller särskilt. i de fall där flamtrycket vid förbränningen i vilket i vissa kan skapa raketmotorn är mycket högt eller där stora sidokrafter föreligger.

Vidare kan en tillverkning medelst lödningen leda till en 'gräns '.för§ den Nmaximalaf temperatur” _vid _ vilken: utloppsmunstycket kan användas. ' En alternativt sätt att tillverka ett kylt utloppsmunstycke är genom diffusionssvetsning av runda eller rektangulära rör som arrangeras parallellt. Även om denna metod uppvisar fördelar mot lödningsmetoden är den trots detta relativt dyrbar.

Enligt ett ytterligare tillverkningssätt utnyttjas rektangulära rör_med konstant tvärsnitt av nickelbaserat 4eller'*rostfritt _stål_ som iarrangeras- parallellt_ med varandra och som att de bildar en vinkel mot munstyckets geometriska axel, _vilken~vinkel§ökar_successivt>från_munstyckets-inloppsände mot_ dess _utloppsände 'för _bildande Hav en klockformig munstycksvägg. Qvan nämnda sammanfogningsmetod uppvisar svetsas samman. Rören spirallindas då så W U 420' 25 30 _35, 512 942 4 nackdelen att de typer av rektangulära rör som finns kommersiellt tillgängliga för att utnyttjas vid denna metod normalt tillverkas med konstant väggtjocklek. Detta att kan utformas för en optimal kylkapacitet, två intill medför utloppsmunstyckets väggstruktur inte då väggarna mellan blir Dessutom medför spirallindningen att kylkanalerna varandra liggande kylkanaler onödigt tjocka. blir långa och därigenom ger upphov till ökat tryckfall, vilket för vissa driftstillstånd hos raketmotorn är ej önskvärt.

En ytterligare metod för tillverkning av en brännkammare för raketmotorer beskrivs i patentdokumentet US 5233755.

Enligt denna metod utnyttjas en korrugerad struktur i form av en inre vägg som sammanfogas med en yttre vägg genom exempelvis eller laser- lödning, diffusionssvetsning svetsning. På så vis bildas kylkanaler genom vilka ett kylmedium kan ledas.

En nackdel med metoden enligt US_5233755 är att det på grund av utformningen av den korrugerade Ainre väggen bildas ”fickor” väggen. Således fås i dessa avsnitt en begränsad strömning vid dess kontaktpunkter mot den yttre av kylmediet, vilket resulterar i en lokalt försämrad kylning av väggstrukturen. Detta medför i sin tur en risk för överhettning av väggstrukturen. Dessutom finns det en att ansamlas i dessa fickor. risk smuts, exempelvis i form av små partiklar, Denna smuts riskerar att senare släppas ut ur kylkanalerna, vilket också är en nackdel, särskilt om kylmediet även skall utnyttjas som bränsle i _raketmotorn.

En ytterligare nackdel med tillverkningsmetoden enligt US 5233755_ är- attf korrugeringarna' i den' inre väggen -leder- till att en begränsad del av kylmediet_tillàts ha kontakt med den inre, varma munstycksväggen. Även detta påverkar 10 15 '_20 25 30 35 '___vä9_g. ' 512 942 5 ett strukturen sätt. böjkrafter på kylningen pà negativt Vidare utsätts den korrugerade för grund av kylmediets tryck inuti strukturen. Dessa böjkrafter leder tillsammans med den skarpa anvisningen vid respektive svetsfog till mycket höga pàkänningar pà väggstrukturen. typ beträffar dess tryckkapacitet och livslängd.

Denna av struktur har därför begränsningar vad Den korrugerade formen hos distansmaterialet, jämfört med raka, radiellt riktade distanselement, leder dessutom till ökad vikt och ökat strömningsmotstànd.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN: Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förbättrat förfarande för tillverkning av ett kylt utloppsmunstycke för en raketmotor. Detta uppnås medelst ett förfarande, vars kännetecknande särdrag framgår av efterföljande patentkrav 1. _Uppfinningen::avser_ närmare _bestämt ,ett_ förfarande för' tillverkning av ett utloppsmunstycke- vid raketmotorer, vilket utloppsmunstycke är 1itformat. med en 'väggstruktur som innefattar ett flertal intill varandra belägna kylkanaler med utsträckning huvudsakligen från utloppsmunstyckets inloppsände till dess utloppsände, vilket förfarande innefattar positionering av en yttre vägg kring en inre vägg, utformning och positionering av ett flertal distanselement mellan nämnda yttre vägg och Vägg, distanselement mellan nämnda inre vägg och nämnda yttre nämnda inre samt sammanfogning av nämnda varvid nämnda gkylkanaler bildas. att Uppfinningen kännetecknas .~av'~ sammanfogningen - sker medelst lasersvetsning och inrättas för utformning av svetsfogar' 'som i ett tvärsnitt genom väggstrukturen är huvudsakligen' T-formiga och uppvisar en mot insidan 'av kylkanalerna ' rundad form.

W 15 29 25 30 35. 512 942 Genom uppfinningen uppnås ett flertal fördelar. Dels till- handahålls en tillverkningsmetod för ett utloppsmunstycke som kan genomföras till låg kostnad. Dessutom fås genom den speciella geometrin i svetsfogarna en väggstruktur med goda egenskaper avseende kylningen av munstycket. Dessutom fås genom den rundade formen på svetsfogarna en jämn strömning där det föreligger mycket liten risk för ansamling av partiklar.

En ytterligare fördel med uppfinningen är att distanselementen genom sin plana utformning i radiell led, i förhållande till en tänkt symmetriaxel, I övrigt genom utloppsmunstycket inte utsätts för några böjkrafter. låg på grund av utformingen av radierna mellan fås en mycket koncentration av påkänningar i svetsfogarna, de ingående komponenterna.

Vidare fås med uppfinningen en låg materialåtgång, làg vikt, låga'kostnader¿ hög tillförlitlighet och god termisk," kylförmåga hos den kompletta väggstrukturen. Dessutom kan väggstrukturens geometri enkelt anpassas till de kylbehov som föreligger i aktuell tillämpning.

Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen framgår av de efterföljande beroende patentkraven.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen skall i det följande närmare förklaras med hänvisning till ett föredraget utföringsexempel och de bifogade figurerna,-i vilka: ' figur l W'är' en perspektivvy som visar- ett 'utlopps- ' munstycke enligt den föreliggande uppfinningen, figur 2' 'är en' perspektivvyv som i detalj visar hurä! 10 15 20 " 25 30 35 512 942 7 utloppsmunstycket kan tillverkas i enlighet med en första utföringsform av uppfinningen, figur 3 är en tvärsnittsvy som i detalj visar utloppsmunstyckets väggstruktur efter en sammanfogning enligt nämnda första utföringsform, figur 4 är en tvärsnittsvy som i detalj visar utloppsmunstyckets väggstruktur efter en sammanfogning i enlighet med en andra utföringsform av uppfinningen, och figur 5 visar hur ett antal kylkanaler kan arrangeras i ett utloppsmunstycket tillverkat enligt upp- finningen.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER: I figur l visas en schematisk och något förenklad perspéktivvy av_ett utloppsmunstycke l som_är framställt i f enlighet' med den föreliggande uppfinningen. Enligt en föredragen utföringsform är utloppsmunstycket l av den typ att leda ut förbränningsgaser från en till raketmotorn hörande (och ej som utnyttjas vid raketmotorer, för visad) brännkammare. Uppfinningen är företrädesvis avsedd att utnyttjas vid raketmotorer av den typ som drivs med ett flytande bränsle, exempelvis flytande väte. Funktionen hos en sådan raketmotor är i sig förut känd och beskrivs därför inte i detalj här.

Utloppsmunstycket l-är av den_typ som kyls med hjälp-av ett kylmedium, vilket företrädesvis också utnyttjas som motorbränsle i den aktuella raketmotorn. Uppfinningen är i'dóck inte begränsad till denna typ av-utloppsmunstyckenff utan kan även utnyttjas i de fall där kylmediet dumpas efter att det har utnyttjats för kylning.

N U _20 25 30 35 _ distanselementen '4 512 942 Utloppsmunstycket 1 är tillverkat med en yttre form som i sig är i enlighet med känd teknik, d.v.s. huvudsakligen klockformigt. Vidare är utloppsmunstycket 1 enligt uppfinningen i huvudsak uppbyggt av tvà väggar, närmare bestämt en inre vägg 2 samt en yttre vägg 3 som omsluter den inre väggen 2. Den inre väggen 2 och den yttre väggen 3 àtskiljs av särskilda distanselement 4. Dessa distans- element 4 utformas enligt en första så att ett företrädesvis genom fräsning, utföringsform av uppfinningen antal längsgående spår först utformas, 2. På utskjutande i den inre väggen så vis bildas distanselementen 4 som ett antal element 4 med utsträckning huvudsakligen rätvinkligt ut från den inre väggen 2 och till den yttre väggen 3, d.v.s. i radiell led i förhållande till en genom utloppsmunstycket 1 tänkt symmetriaxel.

Enligt vad som kommer att beskrivas i detalj nedan är det uppfinningsenliga förfarandet baserat på att Enligt den första utföringsformen sammanfogas distanselementen 4 mot den yttre väggen 3. Pà så vis bildas ett huvudsakligen antal kylkanaler 5 med utsträckning parallellt i utloppsmunstyckets 1 längsriktning, fràn utloppsmunstyckets 1 inloppsände 6 till dess utloppsände 7. I figur 1 illustreras en sådan kylkanal 5 genom streckade linjer, vilka anger de distanselement som utgör kylkanalens 5 begränsningar i sidled.

De material som utnyttjas för den inre väggen 2, den yttre- väggen_ 3 och- distanselementen 4 ,utgörs av -svetsbara material, företrädesvis rostfria stål av typen 347 eller A286; Alternativt Exempel på Hastaloy x. kan-~nickelbaslegeringar INCO600, INQO625 varianter sådana material är och Enligt ytterligare kan _sammanfogas_' genom ' läsersvetsning¿' utnyttjas. d 10 U 20 25 30 35 .Avq 512 942 9 koboltbaslegeringar av typen HAYNES 188 och HAYNES 230 utnyttjas vid uppfinningen.

Figur 2 är en perspektivvy av ett avsnitt av utloppsmun- styckets l väggstruktur, vilken således huvudsakligen utgörs av en inre vägg 2, en yttre vägg 3 och ett antal distanselement 4, vilka är utformade som utskjutande element genom fräsning av den inre väggen 2. Enligt uppfinningen sammanfogas väggstrukturen medelst lasersvetning av distanselementen 4 mot den yttre väggen 3, varvid ett antal huvudsakligen parallella och något försänkta spår 8 uppstår på utsidan av den yttre väggen 3.

Dessutom bildas då de kylkanalerna 5 ovannämnda, huvudsakligen ett kylmedium är avsedda att strömma vid drift av den aktuella raketmotorn. parallella, genom vilka lämpligt Vid lasersvetsningen utnyttjas företrädesvis en Nd:YAG- laser, men även andra typer av svetsarrangemang, t.ex. en V CCQ¿laS6¥f kan utnyttjaS_enligt uppfinningen. d Av figur 2 framgår att det bildas en svetsfog 9 längs varje sträcka där respektive distanselement 4 är sammanfogat med den yttre väggen 3. Genom en noggrann avstämning av svetsförfarandet och av dimensionerna hos de i väggstrukturen ingående komponenterna fås vid respektive svetsfog 9 en huvudsakligen T-formig och mjukt rundad form på insidan av respektive kylkanal 5, vilket i sin tur ger ett det utloppsmunstycket, t.ex. goda kylegenskaper, antal fördelaktiga egenskaper hos kompletta hög styrka samt en enkel tillverkning¿“ ~ _11 aetaij ett 'tvärsnitt figur 3 framgår -genom__> I utloppsmunstyckets 1 vägg, i enlighet med den första utföringsformen. Tvärsnittet av de ovan beskrivna svetsfogarna 9 illustreras i figur 3 med streckade linjer.

W U 20 25 30 35 512' 942 10 Uppfinningen baseras på att en lasersvetsning utförs så att den yttre väggen 3 fogas samman med respektive distanselement 4. Härvid förutsätts att distanselementet 4 har en förutbestämd tjocklek t1, som enligt utföringsformen är av storleksordningen 0,4-1,5 mm. Vidare har den yttre väggen 3 en förutbestämd tjocklek tg, vilken också är av storleksordningen 0,4-1,5 mm. Genom en noggrann avstämning av bl.a. dimensionerna hos de två väggarna 2, 3 och distanselementen 4 fås enligt uppfinningen en svetsfog 9 med den ovannämnda T-formen, varvid en nüuk rundning 10 av innerväggen i. respektive kylkanal 5 fås. Genom lasersvetsningen fås en radie R hos denna rundade skarv 10 som är av storleksordningen thun < R < thæx, vilket med de ovan angivna dimensionerna motsvararar en radie R i intervallet 0,4-1,5 mm. Vidare fås ett djup tg hos fogen i förhållande till den yttre väggens 3 ovansida. Detta djup ta är maximalt av storleksordningen O,3Xt2, vilket svarar 'mot intervallet 0,12-0,45 mm.

I figur 4 visas hur ett utloppsmunstycke kan tillverkas genom en andra utföringsform av uppfinningen, enligt vilken en inre vägg 2' och en yttre vägg 3 utnyttjas. Den yttre väggen väggen 3 är av samma typ som vid den ovannämnda utföringsformen, men den inre väggen 2' är inte utformad med några urfrästa kanaler eller motsvarande.

Istället utnyttjas vid denna andra utföringsform ett antal separata distanselement 4' som fixeras på den inre väggen 2' innan lasersvetsningsoperationen utförs. På så vis utnyttjas dessa distanselement 4' till att avgränsa ett antal kylkanaler 5' genom vilka det aktuella kylmediet kan strömma.

Enligt den andra utföringsformen utförs lasersvetsningen' på såväl utsidan som insidan av väggstrukturen. På så vis fås ett antal svetsfogar 9, 9' med utsträckning på ömse 10 15 20 25 30 35 5121942 H sidor av den kompletta väggstrukturen. Liksom i. figur 3 illustreras dessa svetsfogar 9, 9' i figur 4 med streckade linjer. Svetsfogarna 9, 9' har samma huvudsakligen T- formiga tvärsnitt som vid den ovannämnda första utföringsformen.

Fördelen med den andra utföringsformen är att ingen fräsning krävs av den inre väggen 2', vilket skapar tids- och materialbesparingar. Istället måste vid denna utföringsform distanselementen 4' fixeras på lämpligt sätt mellan den inre väggen 2' och den yttre väggen 3, varefter svetsning sker på båda sidor av väggstrukturen.

I figur 5 visas ett avsnitt av ett utloppsmunstycke 1 närmare bestämt ett avsnitt av den inre väggen 2 med tillhörande distanselement. I det fall tillverkats enligt uppfinningen, att denna struktur enligt den ovannämnda första utföringsformen utformas dessa distanselement genom Enligt distanselementen fräsning. vad som framgår av figur 5 är uppdelade pà en första uppsättning distanselement 4a och en andra uppsättning distanselement 4b, förskjutet i utloppsmunstyckets längsriktning. Pà så vis där den andra uppsättningen är positionerad något fås en uppdelning och styrning av kylmedieflödet i en första kylkanal 5a som delas upp i en andra kylkanal 5b och en tredje kylkanal 5c.

Genom uppfinningen tillhandahålles ett flertal fördelar.

Främst kan konstateras att det uppfinningsenliga förfarandet medger en mycket god flexibilitet vid utformning av ett utloppsmunstycke. Exempelvis kan tvärsnittsformen hos respektive kylkanal 5 enkelt varieras genom ändring av parametrar som djupet och bredden vid den ovannämnda fräsningen av den inre väggen 2. På så vis kan utloppsmunstycket enkelt dimensioneras pá ett sätt som anpassas i belastningen på enlighet med den termiska W U 512 942 12 utloppsmunstycket, vilken normalt varierar längs utloppsmunstyckets längsriktning. Detta medför i sin tur en ökad livslängd hos ett sådant utloppsmunstycke. Vidare fås ingen ökad vikt hos de olika svetsfogarna som bildas mellan respektive distanselement 4, den inre väggen 2' och den yttre väggen 3. En ytterligare fördel är att en eventuell defekt svetsfog är relativt enkel att reparera.

Vidare fàs mycket gynnsamma till följd av 9'. strömningsförhàllanden hos kylmediet, den rundade formen hos svetsfogarna 9, Uppfinningen är inte begränsad till ovan beskrivna och på ritningarna visade utföringsexempel, utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven. Exempelvis kan uppfinningen utnyttjas oberoende av om utloppsmunstycket är runt till formen eller om detta är utformat som en polygon.

Claims (7)

W 15 20 25 30 35 512 942 U PATENTKRAV:

1. Förfarande för tillverkning av ett utloppsmunstycke (1) vid raketmotorer, vilket utloppsmunstycke (1) är utformat intill med utsträckning med en väggstruktur som innefattar ett flertal (5; 5') huvudsakligen från utloppsmunstyckets (1) inloppsände (6) varandra belägna kylkanaler till dess utloppsände (7), vilket förfarande innefattar: positionering av en yttre vägg (3) vägg (2), utformning och positionering av ett flertal distans- kring en inre element (4; 4') mellan nämnda yttre vägg (3) och nämnda inre vägg (2), samt nämnda distanselement (2) varvid nämnda kylkanaler (5; 5') bildas, sammanfogning av (4: och nämnda yttre vägg 4') mellan nämnda inre vägg (3), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda sammanfogning sker medelst lasersvetsning och inrättas för utformning av svetsfogar (9; 9') som i ett tvärsnitt genom väggstrukturen är huvudsakligen T-formiga och uppvisar en mot insidan av kylkanalerna (5; 5') rundad form (10).

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , (2) är utformad med att nämnda inre vägg integrerade distanselement (4).

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda distanselement (4) är utformade medelst fräsning.

4. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t (4') separata komponenter som fixeras mellan nämnda inre vägg d ä r a 'v , att nämnda distanselement utgörs av 10 15 512 942 14 (2') och nämnda yttre vägg (3), varefter lasersvetsning utförs på ömse sidor av väggstrukturen.

5. Förfarande enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda distanselement (4; 4') har en utsträckning huvudsakligen rätvinkligt från den inre väggen (2; 2') och till den yttre väggen (3).

6. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda yttre vägg (3) och nämnda distanselement (4; 4') har en tjocklek av storleksordningen 0,4-1,5 mm.

7. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda svetsfog (9: 9') har en radie (R) som är av storleksordningen 0,4- l,5 mm.