DE19602731C1

DE19602731C1 - Wandstruktur für treibstoffgekühlte Triebwerkswände

Info

Publication number: DE19602731C1
Application number: DE19602731A
Authority: DE
Inventors: Guenther Prof Dr Ing Schmidt
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2016-01-27
Also published as: US5899060A; FR2744174B1; JPH09217654A; FR2744174A1; JP3004930B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Wandstruktur für treibstoffgekühlte Triebwerks wände, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine entsprechende Wandstruktur für Brennkammern und Schubdüsen von Flüssigkeitsraketentriebwerken ist beispielsweise aus der DE-PS 17 51 691 bekannt. Bei der dort beschriebenen Wandstruktur sind die Kühlkanäle in einen einstückigen Grundkörper aus gut-wärmeleitendem Material, vorzugsweise Kupfer, eingearbeitet, so daß die heißgasseitige Innenwand und die radialen Stege zwischen den Kühlkanälen integral verbunden sind und aus dem selben Material bestehen. Als dünne Außenwand wird auf die Stege von außen eine Schicht aus dem selben Material wie der Grundkörper aufgalvanisiert. Diese Schicht dient auch als Haftschicht für den nachfolgend aufgalvanisierten, rela tiv dickwandigen Außenmantel/-Druckmantel aus hochfestem, schlecht wärmeleitendem Material, vorzugsweise Nickel. Dieser Außenmantel nimmt über die Stege und die dünne Außenwand im wesentlichen auch die Belastun gen aus dem Brennkammer- bzw. Düseninnendruck auf.

Im Betrieb einer derartigen Wandstruktur spielen sich folgende Vorgänge ab: Die Kühlkanäle werden z. B. von 30 bis 200 K kaltem Wasserstoff durch strömt, wobei der tragende Außenmantel etwa diese Temperatur annimmt und im Durchmesser sogar noch schrumpft. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch Schichtungseffekte im Kühlmittel, welches sich am inneren Kanalgrund, d. h. an der Innenwand, erwärmt, in den Außenzonen aber relativ kalt bleibt. Die für einen guten Wärmeübergang zum Kühlmittel dünn ausgeführte Innen wand erwärmt sich unter der thermischen Belastung des Brennraumes bzw. der Düse durch die heißen Brenngase, möchte sich ausdehnen und wird daran aber durch den Gegendruck der kalten, steifen Außenwand über die Stege gehin dert. Dadurch fließt Material der Innenwand in Richtung der Übergangsberei che zu den Stegen. Dieser Effekt ist umso stärker, je länger die Brennzeit dau ert. Er kommt erst zum Stehen, wenn die thermisch induzierten Spannungen sich bis an die Elastizitätsgrenze abgebaut haben. Somit nimmt die radiale Wanddicke der ohnehin dünnen Innenwand etwa in der Mitte zwischen den Stegen weiter ab.

Bei Brennschluß des Triebwerkes wird aus Sicherheitsgründen zunächst die Verbrennung im Brennraum durch Schließen der Sauerstoffzufuhr beendet, der auch die Kühlkanäle durchströmende Wasserstoff fließt dagegen kurzzeitig nach. Dabei wird die dünne Innenwand wegen ihrer geringen Wärmekapazität sofort stark abgekühlt, was nun zu einer hohen Zugbelastung in dieser führt. Zumindest nach mehrmaligem Start und längeren Brennzeiten kann dies relativ bald eine Rißbildung in den geschwächten Mittelzonen der Innenwand zur Fol ge haben, welche die Funktion der Brennkammer bzw. Düse akut gefährdet und bis zu ihrer vollständigen Zerstörung führen kann.

In der DE-PS 21 37 109 wird die Herstellung einer regenerativ gekühlten Ra ketenbrennkammer auf galvanoplastischem Weg mit Hilfe eines Galvanisier kerns beschrieben. Die auf diese Weise erzeugte Kühlstruktur weist eine dünne Innenwand, eine dicke, stabile Außenwand und eine Vielzahl von radial zwi schen Innen- und Außenwand verlaufenden Stegen auf, welche den Zwischen raum in entsprechend viele Kühlkanäle unterteilen und die Innenwand mecha nisch abstützen. Im Hinblick auf eine Reduzierung der thermisch bedingten Spannungen im Bereich Innenwand/Stege sind zur Heißgasseite hin offene Schlitze vorhanden, welche durch die Innenwand und die Stegmitten bis in den Bereich der Außenwand verlaufen. Die auf diese Weise in eine Vielzahl schmaler Streifen mit dazwischen offenen "Dehnungsfugen" unterteilte Innen wand kann sich so relativ frei ausdehnen und zusammenziehen, d. h. an die thermischen Gegebenheiten anpassen. Es ist aber zu bedenken, daß die Heiß gase zumindest zeitweise in die Spalte eindringen können, so daß jeder Kühl kanal statt von einer nun von drei Seiten (1 × Innenwand, 2 × Steg) heißgasbe aufschlagt ist. Daraus resultiert eine - zumindest zeitweise - erhöhte ther mische Belastung der Kühlstruktur. Konstruktiv kritisch sind dabei speziell die Eckbereiche Innenwand/Steg. Bei den bekannt kleinen Abmessungen der Kühl kanalquerschnitte (wenige Millimeter in Höhe und Breite) ist es praktisch nicht möglich hier mit exakt gleichbleibenden Wandstärken, Eckradien etc. zu arbei ten. Somit sind Schwachstellen ungewollt "vorprogrammiert", verbunden mit der Gefahr des Durchbrennens bis hin zum Strukturversagen. Um dieser Ge fahr entgegenzuwirken müßten wiederum die mittleren Wandstärken erhöht bzw. die Fertigungsgenauigkeit verbessert werden. Es dürfte einleuchten, daß der zunächst vermutete Vorteil dieser Bauweise durch die genannten Nachteile zumindest weitgehend aufgehoben wird.

Angesichts dieser bekannten Lösungen und ihrer Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Wandstruktur für treibstoffgekühlte Triebwerkswän de zu schaffen, welche durch eine erhebliche Reduktion der thermisch indu zierten Spannungen bei mäßigem konstruktivem Aufwand eine wesentlich hö here Lebensdauer bzw. Betriebssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches genannten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merk malen in dessen Oberbegriff.

Die Kühlstruktur der erfindungsgemäßen Wandstruktur ist von der Außenseite, d. h. der Kaltseite", her geschlitzt, so daß die heißgasseitige Innenwand als glatte, nicht unterbrochene Strömungskontur erhalten bleibt.

Die Stützstruktur ist zumindest in dem an die Kühlstruktur angrenzenden Be reich elastisch nachgiebig ausgeführt und/oder weist einen Abstand zur Kühl struktur auf.

Die Kühlstruktur - alleine für sich betrachtet - kann sich weitgehend span nungsfrei ausdehnen und zusammenziehen, da die vielfach geschlitzte Außen wand und die geschlitzten Stege die thermischen Bewegungen der dünnen, kri tischen Innenwand i.w. nicht behindern. In Verbindung mit der zumindest be reichsweise elastisch nachgiebigen und/oder beabstandeten Stützstruktur wer den die thermisch - und mechanisch (Heißgasdruck) - induzierten Maßände rungen der Kühlstruktur nur eben in dem Maße eingeschränkt/behindert, wie es für die Aufnahme und Begrenzung der Belastungen erforderlich ist. Dadurch werden die induzierten Spannungen in erträglichen Grenzen gehalten, bleiben de Deformationen und Materialfließen in der Kühlstruktur werden weitestge hend vermieden.

Für den Fall, daß zunächst ein definierter Abstand zwischen Kühlstruktur und Stützstruktur vorhanden ist, sollte dieser so bemessen sein, daß die Kühlstruk tur im Betrieb, d. h. thermisch gedehnt und unter Last, allseitig spaltfrei an der Stützstruktur anliegt, so daß letztere ihre mechanische Stützfunktion uneinge schränkt erfüllen kann. In kurzzeitigen Übergangs-Betriebszuständen mit Ab stand zwischen Kühl- und Stützstruktur, d. h. mit nicht vorhandener bis einge schränkter Stützwirkung, ist Sorge zu tragen, daß die Kühlstruktur nicht me chanisch überlastet wird.

Die Unteransprüche 2 bis 9 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Wand struktur nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch eine Wandstruktur mit anliegendem, nachgiebigem Außenmantel,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch eine Wandstruktur mit anliegender, nachgiebiger Zwischenschicht und steifem Außenmantel,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch eine Wandstruktur mit beabstandetem, steifem Außenmantel.

Die in allen drei Figuren wiedergegebenen Teilquerschnitte zeigen der Ein fachheit halber Wandstrukturen mit ebenen Außen-, Innen- und Zwischenkon turen. Dem Fachmann ist klar, daß diese in Wirklichkeit in aller Regel ge krümmt ausgeführt sein werden, vorzugsweise als konzentrische Kreislinien. In jeder Figur ist gleichermaßen die Heißgasseite (Innenseite) unten, die kalte Sei te (Außenseite) oben.

Die Wandstruktur 1 gemäß Fig. 1 läßt sich zunächst in zwei Funktionsbereiche einteilen, nämlich die Kühlstruktur 4 und die Stützstruktur 7. Erstere umfaßt das Kühlkanalsystem und somit die Innenwand 10, die geschlitzte Außenwand 13, die Stege 16, die Schlitze 22 und die Kühlkanäle 19. Die Kühlstruktur 4 besteht aus Gründen der Temperaturbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit vor zugsweise aus Kupfer bzw. Kupferlegierung. Die Schlitze 22 erstrecken sich zwischen den Kühlkanälen 19 von außen (oben) bis in den Bereich der Innen wand 10, wo sie in einer spannungsgünstig gerundeten Kontur enden. Die Ste ge 16 lassen sich somit als tief geschlitzte Einfachstege oder als eng benach barte Doppelstege betrachten, wobei hier die erste Auffassung bevorzugt wird. Dies ist jedoch technisch ohne Belang.

Die Stützstruktur 7 ist hier zweischichtig aufgebaut und umfaßt den tragenden, mechanisch belastbaren Außenmantel 25 und die thermisch isolierende Trenn schicht 28. Alle Schichten liegen spaltfrei aneinander an. Der Außenmantel 25 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, z. B. glas- und/oder aramidfaserver stärktem Kunstharz, mit einem E-Modul von etwa 10 000 bis 20 000 N/mm² des Verbundes. Er weist somit einerseits genügend Elastizität auf, um die ther misch induzierten Mäßänderungen/Verformungen der Kühlstruktur nicht zu sehr einzuschränken, andererseits besitzt er genügend mechanische Festigkeit, um die aus den Heißgasdrücken resultierenden Belastungen aufzunehmen. Die Trennschicht 28 besteht z. B. aus Teflon und dient als thermische Barriere. In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften des Außenmantels 25 kann diese auch entfallen. Am rechten Rand von Fig. 1 sind typische Betriebstemperatur werte angegeben. Die mittlere Betriebstemperatur der Innenwand 10 liegt so mit etwa bei 685 K Die Temperaturdifferenz zur Außenwand 13 beträgt somit 620 K (685 - 65). Es wird deutlich, daß diese große Differenz bei starrer Ausführung der Außenwand bzw. der Stützstruktur zu entsprechend hohen Thermospannungen im Innenwandbereich führen würde, was die Erfin dung jedoch verhindert.

In der linken Hälfte von Fig. 1 sind Maßpfeile mit Buchstabensymbolen vor handen, welche die geometrischen Verhältnisse in der Kühlstruktur 4 erfassen. Im einzelnen stehen "a" für die Kühlkanalbreite, "t" für die Kühlkanalhöhe, "b/2" für die Stegdicke beiderseits der Schlitze 22, "s_i" für die Dicke der In nenwand 10, "s_a" für die Dicke der Außenwand 13. Typische Abmessungen in der Realität wären:

s_i = 0,6 ÷ 1 mm
s_a = 0,6 ÷ 1 mm
a = 1 ÷ 2 mm
t 2 mm
b = 1 ÷ 2 mm.

Mit s_i≈s_a sollte folgende Ungleichung gelten, um die Biegespannungen in den geschlitzten Stegen gering zu halten:

Die Wandstruktur 2 gemäß Fig. 2 besitzt eine Kühlstruktur 5 mit Innenwand 11, Außenwand 14, Stegen 17, Schlitzen 23 und Kühlkanälen 20, welche gleich aufgebaut ist wie diejenige nach Fig. 1.

Der wesentliche Unterschied zu Fig. 1 liegt im Aufbau der Stützstruktur 8, welche hier aus einem - relativ - steifen Außenmantel 26 und einer elastisch nachgiebigen Zwischenschicht 29 besteht. Der Außenmantel 26 besteht vor zugsweise aus massivem Metall mit hohem E-Modul, z. B. aus Nickel, Nickel legierung oder rostfreiem Stahl. Die Zwischenschicht 29 hingegen sollte nur einen E-Modul von etwa 10 000 bis 20 000 N/mm² aufweisen und kann bei spielsweise aus Metallschaum bestehen. Hier ist also eine gewisse Funktions aufteilung gegeben, welche bei verbesserter Abstützung/Formhaltung eher noch günstigere Spannungsverhältnisse ermöglicht. Allerdings ist mit einer Zu nahme der Strukturdicke und ggf. des Strukturgewichtes zu rechnen.

Wie zu erkennen ist, liegen auch hier alle Schichten spaltfrei aneinander an.

Fig. 3 zeigt demgegenüber eine Wandstruktur 3, welche mit einem definierten Spalt A zwischen der Kühlstruktur 6 und der Stützstruktur 9 arbeitet.

Die Kühlstruktur 6, mit Innenwand 12, Außenwand 15, Stegen 18, Schlitzen 24 und Kühlkanälen 21 ist genauso aufgebaut wie in den beiden vorausgehen den Figuren.

Die Stützstruktur 9 besteht lediglich aus einem steifen, beispielsweise metalli schen, Außenmantel 9, welcher im inaktiven, unbelasteten Zustand der Wand struktur 3 einen definierten Abstand A zur geschlitzten Außenwand 15 auf weist. Dieser Abstand A ist so bemessen, daß er im Betrieb zu "Null" wird, d. h., die Kühlstruktur 6 legt sich allseitig an den stützenden Außenmantel 27 an. Nun können zeitweise Betriebszustände auftreten, in denen die Kühlstruk tur 6 mechanisch durch die Heißgasdrücke stark belastet wird, während sie noch nicht/nicht mehr an der Stützstruktur 9 anliegt. Für diese Fälle ist Vorsor ge zu treffen, daß die Kühlstruktur 6 nicht bleibend, d. h. plastisch, überdehnt wird. Im dargestellten Fall ist zu diesem Zweck eine volumetrische Verbindung 30 vom Heißgasbereich zum Raum zwischen der Außenwand 15 und dem Au ßenmantel 27 vorhanden. Auf diese Weise herrscht beiderseits (hier oberhalb und unterhalb der gleiche Druck p, so daß praktisch keine druckbedingte Ten denz zur Dehnung in Umfangsrichtung gegeben ist. Die mechanischen Bela stungen durch den Kühlkanalinnendruck sind in diesem Zusammenhang weni ger kritisch und werden durch die annähernd allseitige Druckbeaufschlagung der Kühlkanäle von außen (Druck p wirkt auch in den Schlitzen 24) zusätzlich reduziert.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß es im Ermessen des Fachman nes liegt, die Einzellösungen nach Fig. 1, 2 und 3 in geeigneter Weise zu kom binieren.

Claims

1. Wandstruktur für treibstoffgekühlte Triebwerkswände, insbesondere für mit kryogenen Treibstoffen gekühlte Brennkammer- und Schubdüsenwände von Raketentriebwerken, mit einer Kühlstruktur, welche aus einer im Betrieb heißgasbeaufschlagten Innenwand, aus einer von dieser beabstandeten, im Be trieb kälteren Außenwand sowie aus einer Vielzahl von die Innenwand mit der Außenwand verbindenden und den zwischen diesen vorhandenen Hohlraum in viele Kühlkanäle aufteilenden Stegen besteht, und mit einer sich an die Au ßenwand anschließenden Stützstruktur, welche zumindest aus einem mecha nisch stabilen Außenmantel besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlstruktur (4, 5, 6) von außen her im Bereich jedes Steges (16, 17, 18) geschlitzt ist, wobei die Schlitze (22, 23, 24) durch die Außenwand (13, 14, 15) und die Stegmitten bis in den Bereich der Innenwand (10, 11, 12) füh ren, und
daß die Stützstruktur (7, 8, 9) zumindest in dem an die Kühlstruktur (4, 5, 6) angrenzenden Bereich elastisch nachgiebig ausgeführt ist und/oder einen Ab stand (A) zur Kühlstruktur (4, 5, 6) aufweist.

2. Wandstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (25) direkt oder über eine dünne, thermisch isolierende Trenn schicht (28) auf der Außenwand (13) der Kühlstruktur (4) angeordnet ist und aus einem elastisch nachgiebigen Material oder Materialverbund besteht.

3. Wandstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (26) steif ausgeführt ist, und daß zwischen Außenwand (14) und Außenmantel (26) eine Zwischenschicht (29) aus einem elastisch nachgiebigen Material oder Materialverbund angeordnet ist.

4. Wandstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenmantel (27) steif ausgeführt und in Abstand (A) zur Außenwand (15) angeordnet ist, und
daß der Raum zwischen Außenwand (15) und Außenmantel (27) mindestens eine volumetrische, druckübertragende Verbindung (30) zum Heißgasraum aufweist.

5. Wandstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenmantel (25) aus einem Faserverbundwerkstoff, z. B. glas- und/oder aramidfaserverstärktem Kunstharz, besteht, welcher einen E-Modul von etwa 10000 bis 20000 N/mm² aufweist, und
daß die thermisch isolierende Trennschicht (28) aus einem Material auf der Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem vergleichbar hitzebeständi gen Kunststoff besteht.

6. Wandstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (29) einen E-Modul von etwa 10000 bis 20 000 N/mm² auf weist und beispielsweise aus Metallschaum besteht.

7. Wandstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Wandelemente der Kühlstruktur (4, 5, 6) (Innenwand, Stege, Außenwand) aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung bestehen, z. B. mit den Bestandteilen Kupfer, Silber und Zirkonium.

8. Wandstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3, 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (26, 27) aus rostfreiem Stahl, Nickel oder einer Nickellegierung, z. B. Inconel, besteht.

9. Wandstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß für die Kühlstrukturgeometrie die Unglei chung gilt, und daß s_i etwa so groß ist wie s_a ist, wobei "t" für die Kühlkanalhöhe (Abstand Innen- zu Außenwand), "s_a" für die Dicke der Außenwand (13, 14, 15), "b" für die Dicke der Stege (16, 17, 18) und "s_i" für die Dicke der Innenwand (10, 11, 12) stehen.