DE19616838A1 - Brennkammer mit Schwitzkühlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Schwitzkühlung einer Kammer, die heiße Gase enthält, wie etwa einer Leitung für heiße Gase, eines Kessels oder einer Brennkammer eines Ra­ ketenantriebs, oder eines Gaserzeugers, oder einer Vorkam­ mer.

Es sind bereits Schwitzkühlungssysteme mit porösen Wänden bekannt.

Das Abströmen eines kalten Strömungsmittels von einer er­ sten Oberfläche einer porösen Wand, die auf der Seite der Kältequelle gelesen ist, zur zweiten Oberfläche der porösen Wand, die auf der Seite der Wärmequelle gelegen ist, wird "Schwitzen" genannt und erfolgt mit Wärmeübertragungen mit­ ten in der porösen Wand. Die poröse Wand ist der Sitz zwei­ er Wärmeflüsse mit entgegengesetzten Richtungen, nämlich eines Wärmeleitungsflusses, der durch die feste Matrix be­ trieben wird, und einen Advektionsfluß, der durch das Strö­ mungsmittel betrieben wird. Diese beiden Flüsse treten in Wechselwirkung, indem sie Leistung nach einem Austauschme­ chanismus austauschen, der "Transvektion" genannt ist und der auf dem mikroskopischen Niveau der Poren einer Konvek­ tion des Strömungsmittels im Wandbereich entspricht, das in Berührung mit der festen Matrix steht. Dieser Wärmeübergang der wärmeren Wand zum kälteren Strömungsmittel hin modifi­ ziert die beiden gegensätzlichen Flüsse des Wärmeübergangs und der Advektion. Die Energie, die dem einfallenden Über­ gangsfluß entzogen wird, wird vom Advektionsfluß rückgewon­ nen, der durch das Strömungsmittel betrieben wird, und zu seinem Ursprung, d. h. der Wärmequelle, zurückgebracht. Der Übergangsfluß, der zur kalten Zone hin voranschreitet, ist demnach um diese entzogene Energie verringert. Die Intensi­ tät der thermischen Koppelung in der Mitte der Wand zwi­ schen dem Material, das diese bildet, und dem Strömungsmit­ tel, d. h. der innere Austauschbeiwert, hängt von der inne­ ren Geometrie des porösen Mediums, der Art des Strömungs­ mittels und dem Ausflußdurchsatz ab.

Die Schwitzkühlung wurde bereits für eine Antriebskammer eines Raketenantriebs ins Auge gefaßt, dessen Wand an der einen seiner Flächen dem Wärmefluß ausgesetzt ist, der von der Verbrennungsquelle herkommt, und muß indessen bei einer Temperatur diesseits der Grenze gehalten werden, die für das Baumaterial zulässig ist und mit den Forderungen an die mechanische Haltbarkeit kompatibel ist. In dem Fall einer solchen Schwitzkühlung wird die Kältequelle von einem der Treibstoffe mit Umgebungstemperatur oder in kryotechnischem Zustand gebildet, und die Wand der Kammer ist aus einem po­ rösen Material gebildet, das für den Kühltreibstoff durch­ lässig ist. Der Schwitzausfluß durchquert die Wand, bevor er in die Brennkammer hinein ausgeschieden wird. Das Strö­ mungsmittel entzieht während seines Durchtrittes der Wand Wärmeenergie und hält diese infolgedessen in zulässigen Temperaturgrenzen. Eine zweite Kühlwirkung wird in gleicher Weise durch die Tatsache erhalten, daß das in die Kammer hinein ausgeschiedene Strömungsmittel sich zwischen die Wand und die Verbrennungsquelle zwischenlegt und somit für den einfallenden Wärmefluß ein Hindernis bildet, bevor die­ ser bis zur Wand gelangt.

Die Patente US-A-3 832 290 und US-A-3 910 039 beschreiben so eine Brennkammer eines Raketentriebwerks, mit einer po­ rösen Wand, auf deren Außenfläche Rippen angesetzt sind, um Abteile zum Aufbringen von Strömungsmittel zu bilden, die etwa rechteckig sind und regelmäßig auf dem gesamten Umfang der Kammer verteilt sind. Eine äußere Zwischenwand, die der porösen Wand gegenüberliegt, legt die Außenfläche der Ab­ teile fest. Eine einzige, kalibrierte Öffnung zum Einspei­ sen von Kühlströmungsmittel ist in jedem Abteil durch die äußere Zwischenwand hindurch ausgebildet, um den ermittel­ ten Wert des Schwitzdurchsatzes auf der Höhe eines jeden Abteils einzustellen. Die beschriebenen Vorrichtungen ge­ statten es so, mit einer gewissen Anpassung des Kühldurch­ satzes durch Schwitzen an den verschiedenen Bereichen der Kammer mit konstanter Porosität der Innenwand vorzugehen, aber diese Anpassung kann nur diskontinuierlich von einem Abteil zum anderen wirksam sein. Außerdem bringt die Her­ stellung von bekannten Brennkammern, die den Einsatz einer Schwitzkühlung gestatten, einen wesentlichen Bearbeitungs­ aufwand und demzufolge erhöhte Herstellungskosten mit sich.

In der Patentanmeldung FR 2 691 209, die schon früher von der Anmelderin eingereicht wurde, ist die Steuerung des Durchsatzes des Kühlströmungsmittels auf progressive und kontinuierliche Weise in jedem Abschnitt der Kammer sicher­ gestellt, einerseits dank des Einsatzes einer Umhüllung, die durch ihre unmittelbare Anlage gegen die Außenfläche der porösen Wand eine hydraulische Kalibrierung mit räumli­ cher Anpassung gestattet, und andererseits dank der Ausfüh­ rung einer örtlichen Perforierungsdichte, die in progressi­ ver Weise fortschreiten kann und in jedem Abschnitt einen Kühlströmungsmitteldurchsatz über die poröse Wand hinweg festlegt, der an dem Wärmefluß angepaßt ist, der an der In­ nenfläche der porösen Wand auftritt. Die zur Ausführung ei­ ner solchen Kammer eingesetzten Techniken erfordern aller­ dings Spitzentechnologien. Außerdem ist die mechanische Haltbarkeit der so erhaltenen Kammer mit der Abmessung und der Materialwahl der Umhüllung sowie mit den Bedingungen beim Ausfluß des Kühlströmungsmittels verknüpft.

Die Erfindung zielt darauf ab, den oben genannten Nachtei­ len dadurch abzuhelfen, daß sie den Anlagebereich der tat­ sächlichen Kühlsysteme vergrößert, was zum Schwitzen der porösen Wand einer Kammer führt, die warme Gase enthält, und zur Vereinfachung der Ausführung einer solchen Kammer.

Diese Ziele werden durch eine schwitzgekühlte Kammer er­ reicht, die heiße Gase enthält, mit einer porösen Wand, de­ ren Innenfläche die Innenwand der Kammer bildet, und mit Mitteln zum Aufbringen eines Kühlströmungsmittels auf die Außenfläche dieser porösen Wand, die zwischen der Innenwand der Kammer und einem äußeren Abdichtkörper der Kammer aus­ gebildet sind, um ein Schwitz-Kühlströmungsmittel durch die poröse Wand hindurchtreten zu lassen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mittel zum Auf­ bringen von Kühlströmungsmittel mehrere Leitungen zum Ver­ teilen von Kühlflüssigkeit aufweisen, die regelmäßig rund um die poröse Wand angeordnet sind und tangential auf ihrer Außenfläche längs einer Vielzahl horizontaler, übereinan­ derliegender Einspritzniveaus münden, sowie Speisekanäle, die im wesentlichen senkrecht die Verteilleitungen kreuzen, zwischen jede von diesen eingebracht sind und mit einer Einrichtung zur Einspeisung von Kühlflüssigkeit verbunden sind, wobei Kalibrierleitungen mit einem bestimmten Quer­ schnitt auf jedem der vertikalen Speisekanäle mit zwei ho­ rizontalen Verteilleitungen verbinden, die um sie herumlau­ fen, um auf dem Niveau der Innenfläche der porösen Wand ei­ ne Mengenabgabe einzustellen, die vorbestimmt ist und als Funktion der abzukühlenden Zone derart angepaßt ist, daß die Kühldurchsätze längs der porösen Wand optimiert sind.

Die poröse Wand kann nur einen mittigen Abschnitt der In­ nenwand der Kammer bilden, wobei die nicht-mittigen Ab­ schnitte der Innenwand der Kammer von inneren Metallmänteln gebildet sind, die in der Verlängerung der porösen Wand montiert sind und vorteilhafterweise durch Schweißen bei­ derseits deren befestigt sind.

Durch diesen besonderen Aufbau ist es möglich, Momente bzw. Paarungen aus Kammerdurchmesser/Druck in der Kammer zu er­ zielen, die viel höher sind als jene, die gegenwärtig vor­ liegen, um eine viel bessere Beherrschung der Kühlung der Kammer sicherzustellen. Außerdem sind die Kalibrierungen, die den Kühlungsdurchsatz begrenzen, weil sie stromaufwärts von der porösen Wand gelegen sind, vor den heißen Gasen ge­ schützt, und man vermeidet somit jede Gefahr des Versagens durch den Lawinen- bzw. Dominoeffekt.

Bevorzugt sind die Metallmäntel an jedem ihrer Enden durch weiche Metallelemente mit Federwirkung außer Berührung mit der porösen Wand gehalten, die mit dem Körper der Kammer verbunden sind, und jeder innere Mantel weist mehrere, zu­ einander benachbarte Speisekanäle auf, die durch einen Ring bzw. Reifen verschlossen sind, der auf der Außenoberfläche dieses Mantels montiert ist, und bilden einen Hohlraum, in welchem die Kühlflüssigkeit umläuft.

Das Kühlströmungsmittel wird von einem Torus bzw. Kreis­ ringkörper zur Einspeisung abgegeben, der am einen Ende der Kammer angeordnet ist und sich zum Hohlraum hin öffnet.

Die Speisekanäle des mittigen Abschnitts der Kammer münden mit jedem ihrer beiden Enden in ringförmigen Verteilnuten stromaufwärts und stromabwärts, in welche in gleicher Weise die Umlaufkanäle einmünden.

In einer ersten Ausführungsform, die danach trachtet, die Verluste an Kühlflüssigkeit einzuschränken, ist jedes Ende der Verteilleitungen, das der porösen Wand entgegengesetzt ist, durch einen Stopfen verschlossen. In einer zweiten Ausführungsweise sind alle die Enden der Verteilleitungen, die von der porösen Wand entgegengesetzt sind, gleichzeitig durch eine oder mehrere Drehplatten bzw. Rotationskörper bildende Platten versperrt.

Bevorzugt weisen die Verteilleitungen einen polygonalen oder kreisförmigen Querschnitt auf.

In einer ersten Ausführungsform der porösen Wand ist diese von übereinandergelegten Metallgeweben gebildet, die eine bestimmte Porenabmessung aufweisen, eine erhöhte mechani­ sche Beständigkeit bieten und durch Aufwalzen in warmem Zu­ stand auf der Innenoberfläche des mittleren Abschnitts der Kammer aufgebracht sind. In einer zweiten Ausführungsform ist diese poröse Wand unmittelbar auf der Innenoberfläche der Kammer durch Plasmaformung oder durch eine pulverme­ tallurgische Technik mit einem Pulver mit einem oder zwei Komponenten ausgebildet. In einer dritten Ausführungsform ist die poröse Wand durch ein leitfähiges Blech gebildet, das eine Vielzahl von Mikroperforierungen aufweist, das in warmem Zustand auf der Innenoberfläche der Kammer geformt ist und mit dieser diffusionsverschweißt ist.

Das Kühlströmungsmittel ist vorteilhafterweise ein kryo­ technisches Strömungsmittel.

Die Kammer kann durch eine Raketenantriebs-Treibkammer ge­ bildet sein, deren Halsring dann den mittleren Abschnitt der Kammer bildet.

Die vorliegende Erfindung richtet sich in gleicher Weise auf ein Verfahren zur Herstellung einer schwitzgekühlten Kammer, die heiße Gase enthält, wobei man an erster Stelle einen inneren Abschnitt der Kammer herstellt, nachfolgend eine poröse Wand auf der Innenoberfläche dieses inneren Ab­ schnitts bildet und dann die gesamte Anordnung auf einem äußeren Kammerkörper montiert, wobei dieses Verfahren da­ durch gekennzeichnet ist, daß man zum Herstellen des inne­ ren Abschnitts der Kammer, der von einem strukturellen Bau­ teil zusammengesetzt ist, Verteilleitungen bohrt, die Kühl­ flüssigkeit an die poröse Wand heranbringen, Speisekanäle bohrt, die diese Leitungen mit Kühlflüssigkeit speisen, und Kalibrierleitungen bohrt, die diese Kanäle mit diesen Lei­ tungen verbinden und deren Querschnitt eine vorbestimmte Mengenabgabe definiert, und dann jede dieser Verteilleitun­ gen durch einen Einsatz verschließt, der genau an die In­ nenabmessungen der Leitung angepaßt ist, in welche er ein­ geführt ist.

Die Einsätze sind aus einem Material gebildet, das keiner­ lei Haft- oder Schweißverbindung mit dem Material eingeht, das die poröse Wand bildet, die die Innenfläche des mitti­ gen Abschnitts abdeckt, was es gestattet, sie mühelos durch eine mechanische Einrichtung oder durch chemischen Eingriff nach der Bildung der porösen Wand zu entfernen, ohne diese letztgenannte zu verändern.

Die poröse Wand kann entweder durch Aufwalzen in warmem Zu­ stand auf die Innenoberfläche des inneren Abschnitts der Kammer von übereinanderliegenden Metallgeweben gebildet werden, die eine bestimmte Porenabmessung aufweisen und ei­ ne erhöhte mechanische Beständigkeit bieten, oder kann un­ mittelbar auf der Innenoberfläche des mittigen Abschnitts der Kammer durch Plasmaformung oder durch eine pulverme­ tallurgische Technik gebildet werden. Bei dieser letztge­ nannten Technik kann, wenn man ein Zwei-Komponenten-Pulver benutzt, die eine der beiden Komponenten dieses Pulvers nach der Verfestigung durch chemischen Einfluß herausgelöst werden, um eine bestimmte Porosität der Wand zu erzeugen. Indessen kann in herkömmlicher Weise die poröse Wand auch einfach durch Diffusionsaufschweißen eines leitfähigen Ble­ ches auf der Innenoberfläche des inneren Abschnitts der Kammer gebildet werden, das warmverformt ist und eine Viel­ zahl von Mikroperforierungen aufweist.

Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden sich aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ergeben, in welchen:

Fig. 1 ein Axial-Halbschnitt einer speziellen Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen Schwitzkühlvorrichtung ist, die an einer Raketenantriebsbrennkammer angewandt ist,

Fig. 2 bis 5 Teilschnitte längs jeweils einer der Ebe­ nen II, III, IV, V in Fig. 1 sind,

Fig. 6 den Halsring mit den Einsätzen für die Herstel­ lung der Verteilleitungen für die Kühlflüssigkeit in Per­ spektivansicht zeigt, und

Fig. 7 schematisch die Überdeckung oder Schachtelung verschiedener Einsätze im Halsring darstellt.

Es erfolgt nun die detaillierte Beschreibung spezieller Ausführungsformen.

Es wird zunächst Bezug auf die Fig. 1 bis 5 genommen, die beispielsweise eine Kammer darstellen, die heiße Gase ent­ hält und durch eine Raketenantriebs-Treibkammer gebildet ist.

Eine Treibkammer ist in herkömmlicher Weise aus einem Kam­ merkörper 10 zusammengesetzt, der gleichzeitig die Aufnahme der mechanischen Kräfte und die Abdichtung gegenüber der Außenseite sicherstellt und eine allgemeine Form aufweist, die der einer Düse ähnelt, mit einem konvergierenden und einem divergierenden Abschnitt, aus einem Innenmantel 12, der die Innenwand der Treibkammer bildet, und einem Hohl­ raum 14, der zwischen dem Kammerkörper 10 und dem Innenman­ tel 12 gebildet ist und einen Umlauf einer Kühlflüssigkeit gestattet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel, das sich auf einen herkömmlichen regenerativen Umlauf bezieht, ist der Hohl­ raum 14 für den Umlauf von Kühlflüssigkeit von mehreren Um­ laufkanälen 15 gebildet, die nebeneinanderliegen und im in­ neren Mantel 12 ausgebildet sind. Während die Kanäle ge­ fräst sind, ist ein Ring 16 auf der Außenoberfläche des Mantels durch Löten oder Elektroerosion angebracht, um den Hohlraum zu bilden (Fig. 5).

Erfindungsgemäß ist der Innenmantel 12, der in Berührung mit den heißen Gasen steht, mindestens auf der Höhe des Dü­ senhalses derart unterbrochen, daß in diesen eine poröse Wand 20 integriert ist, die einerseits die klassische Funk­ tion sicherstellt, indem er das Ausströmen des Verbren­ nungsgases in dem Raum eingrenzt, der von dieser Rotations­ wand begrenzt ist, und andererseits die Bildung eines Wär­ meaustausches zwischen dem Wärmefluß, der vom Verbrennungs­ gas herkommt, und dem Kühlströmungsmittel gestattet, das auf die Außenfläche der porösen Wand 20 aufgebracht wird, um über diese Wand hindurch zu "schwitzen". Die beiden Ab­ schnitte des Innenmantels, die so gebildet sind und die po­ röse Wand 20 beiderseits verlängern, sind an jedem Ende durch weiche Metallelemente 22 mit Federwirkung gehalten, die mit dem Kammerkörper 10 verbunden sind, um sich von differentiellen Wärmeänderungen zwischen der porösen Wand und diesem Mantel freizusetzen.

Ein Ring 18, der auf Höhe des Düsenhalses gelegen ist und einerseits eine gute Leitfähigkeit und andererseits eine gute mechanische Haltbarkeit aufweist, wie etwa eine Legie­ rung auf Kupferbasis, ist zwischen der porösen Wand 20 und dem Kammerkörper 10 zwischengeordnet und weist Mittel zum Aufbringen von Kühlströmungsmittel auf die Außenfläche der porösen Wand auf. Der Halsring 18 ist am Kammerkörper 10 durch Verankerungsmittel 24 befestigt, die beispielsweise durch hakenförmige Unebenheiten gebildet sind, die auf die­ sem Körper vorliegen und auf denen sich der Ring abstützt, oder auch durch Montagebereiche zwischen dem Ring und dem Kammerkörper (beispielsweise einen Montagering bzw. -wulst).

Die Wahl eines Verbundaufbaus, der aus Metall (auf dem im wesentlichen zylindrischen Abschnitt zur Einspritzdüse hin und auf dem konischen Abschnitt im divergierenden Abschnitt der Kammer) und aus einem porösen Material (auf Höhe des Halses) gebildet ist, um die Treibkammer zu bilden, recht­ fertigt sich durch die Tatsache, daß in der Nähe des Düsen­ halses der auftretende Wärmefluß örtlich am höchsten ist und daß dementsprechend genau an dieser Stelle die Kühlung (ohne übermäßigen Mengenverlust) am wirksamsten sein muß. Es ist jedoch auch möglich, einen Aufbau ohne Metallteile ins Auge zu fassen, indem die poröse Wand 20 sich über die gesamte Kammer erstreckt, wobei man somit das Erfordernis erübrigt, auf einen Innenmantel 12 zurückgreifen zu müssen, der wie vorher die Kontinuität der Kammer-Innenwand sicher­ stellt.

Die poröse Wand 20 weist eine durchlässige Struktur auf, mit einer Dicke, die einige Millimeter betragen kann, und mit einer Kornklassierung, die zwischen 50 und 200 µm liegt und offene Poren aufweist, die in der Zahl ausreichend sind, um es zu vermeiden, daß der Durchsatz in diesem Be­ reich kalibriert werden muß. Wie dies schon weiter oben er­ läutert wurde, kann diese Wand beispielsweise aus überein­ anderliegenden Metallgeweben oder in herkömmlicherer Weise durch ein Metallmaterial gebildet sein, das auf pulverme­ tallurgische Weise hergestellt wurde, oder durch ein leit­ fähiges Blech, das mit Mikroperforierungen versehen ist.

Erfindungsgemäß wird das Kühlströmungsmittel an die Wand 20 durch eine Vielzahl von Verteilleitungen 30 herangebracht, die im Halsring 18 gebohrt sind und regelmäßig rund um die Kammer verteilt sind. Diese Leitungen 30, von denen jede tangential an die poröse Wand 20 anstößt, sind in mehreren, übereinanderliegenden Einspritzniveaus über die gesamte Länge des Halses hinweg angeordnet. Sie werden mit Kühl­ flüssigkeit von Speisekanälen 32 her gespeist, welche diese Leitungen im wesentlichen senkrecht kreuzen und beiderseits des Halses in Verteilnuten 33 stromaufwärts und stromab­ wärts einmünden, die am Eingang des Hohlraumes 14 angeord­ net sind und in die die Umlaufkanäle 15 einmünden. Eine Verbindung bei jedem Einspritzniveau zwischen jedem Ein­ speisekanal 32 und zwei Verteilleitungen 30, die ihn umge­ ben, wird durch zwei Kalibrierleitungen 34 bewirkt, deren Querschnitt so bestimmt ist, daß man die gewünschte Mengen­ abgabe erhält, und die als Funktion des zu kühlenden Be­ reichs derart angepaßt sind, daß die Kühldurchsätze längs der porösen Wand 20 optimiert sind. Somit tritt das Kühl­ strömungsmittel durch die Umlaufkanäle 15 stromaufwärts von der Verteilnut 33 hindurch, die dann die Kanäle 32 speist (Einspeisekanäle der porösen Wand), und danach tritt das verbleibende Strömungsmittel von neuem in die Nut 33 und verteilt sich in den Kanälen 15, um zum Injektor bzw. zur Einspritzdüse zu gelangen.

Um den Kühldurchsatz praktisch konstant zu halten und die Verluste zu beschränkten, sind die verschiedenen Verteil­ leitungen 30 auf der von der porösen Wand 20 abgewandten Seite entweder einzeln durch Verwendung beispielsweise von Stopfen 36 verspannt oder gemeinsam dadurch, daß man auf eine oder mehrere Rotationsscheiben 38 zurückgreift, die übereinanderliegen und auf den Halsring aufgeschrumpft sind (siehe Fig. 4, in der absichtlich die beiden Varianten gleichzeitig dargestellt sind). In gleicher Weise kann sei­ tens der heißen Gase die Kühlflüssigkeit, die aus den Ver­ teilleitungen 30 herkommt, auf der Höhe einer Nut 19 ver­ teilt werden, die unmittelbar hinter der porösen Wand 20 gelegen ist und in welche die Leitungen 30 einmünden.

Im Ring 18 durchtritt das Kühlströmungsmittel, das ausge­ schwitzt werden wird, Kanäle 32 zu den Kalibrierleitungen 34 hin, strömt dann in Leitungen 30 und dann zu jeder Nut 19 hin, bevor es in der porösen Wand 20 hindurchtritt.

Das Kühlströmungsmittel ist bevorzugt ein kryotechnisches Strömungsmittel, wie der eine der Raketenantriebs-Treib­ stoffe, und kann an die verschiedenen Umlaufkanäle 15 von einem Einspeisetorus bzw. einer Einspeise-Ringleitung 40 her angeliefert werden, der bzw. die beispielsweise an der Verbindung der Düse des Raketenantriebs mit dem divergie­ renden Abschnitt angeordnet ist (in diesem Fall mit einer Kühlung durch einen regenerativen Umlauf). Der Aufbau der Erfindung kann jedoch in vollkommener Weise auch mit einer herkömmlicheren Kühlung durch Entnahme eines Anteils des Einspritzströmungsmittels in der Einspritzeinrichtung des Raketenantriebs (dump cooling) ins Auge gefaßt werden.

Es werden nun beispielsweise mehrere Herstellungsverfahren einer Kammer beschrieben, wie etwa einer Raketenantriebs- Treibkammer, die ein erfindungsgemäßes Schwitzkühlsystem einsetzt.

Zunächst wird die Herstellung des Kammerkörpers 10 als ein­ ziges Bauteil durch Schmieden oder Gießen oder jede andere, herkömmliche Technik vorgenommen. Der Halsring 18 (Fig. 5) wird ebenfalls in herkömmlicher Weise hergestellt, bei­ spielsweise durch Spanabhebung, wobei die Verteilleitungen 30 wahlweise auf Höhe des Halses gemäß einer bestimmten Einspritzausbildung ausgeführt werden (abhängen von der ge­ wünschten Zahl der Leitungen und Einspritzniveaus). Der Querschnitt dieser Leitungen ist bevorzugt kreisförmig, aber es kann auch irgendein polygonförmiger Querschnitt, beispielsweise quadratisch, ins Auge gefaßt werden. Es kön­ nen nun zwischen jedem der verschiedenen Verteilleitungen 30 und in einer im wesentlichen senkrechten Ebene das Boh­ ren der Einspeisekanäle 32 vorgenommen werden (beispiels­ weise durch Fräsen oder funkenerosives Schneiden (EDM fil)). Schließlich werden die Kalibrierleitungen 34 von der Außenoberfläche des Ringes 18 von einer Teilleitung zur an­ deren unter Durchquerung eines Einspeisekanals gebohrt.

Einsätze 50, die sich in Form von Dornen mit den Innenab­ messungen der Leitungen darbieten und aus einem Material hergestellt sind, das derart gewählt ist, daß es während der Herstellung der porösen Wand 20 keine Anhaftung oder Verschweißung mit dem porösen Material während der Bildung dieser Wand stattfinden kann, werden dann in jede der Ver­ teilleitungen 30 eingeführt, um deren Volumen genau aus zu­ füllen, wobei das Ende dieser Einsätze bearbeitet wird, um eine gleichförmige Innenoberfläche des Halsrings zu gewähr­ leisten (Fig. 6).

Drei verschiedene Techniken können für die Herstellung der porösen Wand 20 eingesetzt werden. Nach einem ersten Ver­ fahren wird durch eine Technik vorgegangen, bei welcher auf die Innenoberfläche des Halsrings 18 übereinanderliegende Metallgewebe warm aufgewalzt werden, die unter dem Namen Dynapore der amerikanischen Gesellschaft Michigan Dynamics oder Rigimesh der deutschen Gesellschaft Thyssen bekannt sind. Man erhält so eine Verschweißung durch Diffusion der Drähte dieser Gewebe untereinander und auf dem Ring 18 mit Ausnahme der Räume, die den Enden der Einsätze 50 entspre­ chen (diese Einsätze sind durch ihre Beschaffenheit zu ei­ ner solchen Anhaftung nicht befähigt). Nach einem zweiten Verfahren wird das poröse Material ganz einfach auf der In­ nenoberfläche des Rings 18, der dann ein Substrat bildet, durch Plasmaformung oder durch eine pulvermetallurgische Technik niedergeschlagen. Nach dem Niederschlag des Materi­ als, das die poröse Wand 20 bildet, werden die Einsätze 50 durch eine mechanische Einrichtung oder durch chemische Einwirkung zurückgezogen, was auf der Höhe der Innenwand des Ringes in jedem Einspritzniveau ringförmige Sammelkanä­ le 19 hinterläßt, deren Querschnitt von dem der Einsätze abhängt (es kann aber auch ein größerer Querschnitt ins Au­ ge gefaßt werden), und in die die verschiedenen Verteillei­ tungen 30 einmünden. Es kann vermerkt werden, daß das Pul­ ver vorteilhafterweise aus zwei Komponenten bestehen kann, wobei die eine der beiden Komponenten dieses Pulvers nach der Verfestigung durch chemische Einwirkung herausgelöst werden kann, um eine bestimmte Porosität der Wand 20 zu er­ zeugen. Schließlich kann nach einem dritten Verfahren die poröse Wand 20 einfach durch ein leitfähiges Blech (bei­ spielsweise aus Kupfer) gebildet sein, das mit Mikroperfo­ rierungen durchbohrt ist (die beispielsweise durch eine La­ sertechnik herausgearbeitet sind), das warm auf den Ring 18 aufgeformt wird und das dann durch Diffusion auf die In­ nenoberfläche dieses Ringes aufgeschweißt wird.

Der Halsring 18, der mit seiner porösen Wand 20 versehen ist, kann dann im Kammerkörper 10 angebracht werden, wobei Verankerungseinrichtungen 24, die auf dessen Höhe vorgese­ hen sind, es gestatten, einen guten Zusammenbau zu gewähr­ leisten. Schließlich wird die Innenwand der Treibkammer durch das Einsetzen der Innenmäntel 12 vervollständigt, die mit den Enden des Rings 18 auf der Höhe zweier Lippen ver­ schweißt werden, die stromaufwärts und stromabwärts vom Ring 18 belassen wurden. Diese Lippen und Schweißstellen können durch einen sehr dünnen Film aus kalten Treibstoffen gekühlt werden, der im regenerativen Kühlkreis abgezapft wird. Die beiden Abschnitte des Mantels 12 werden in her­ kömmlicher Weise durch Fräsen und dann durch Verschließen mittels einer Wand 16 hergestellt, die einen Ring bildet, und zwar entweder durch Galvanostegie oder durch Lötung. Es wird in Erinnerung gerufen, daß dieser letzte schritt des Anfügens der Innenmäntel 12 nur dann gerechtfertigt ist, wenn die poröse Wand nur einen Abschnitt der Innenwand der Kammer bildet.

Es ist wesentlich, zu vermerken, daß man, wenn man vorher die Vorab-Herstellung des Kammerkörpers durch herkömmliche Techniken in Betracht gezogen hat, dieser ebensogut auch durch ein Galvanostegie-Verfahren hergestellt werden kann, wenn erst einmal die Innenmäntel 12 am Ring 18 anmontiert sind und die poröse Wand 20 auf diesem Ring gebildet ist. Es müssen, worauf ausdrücklich hingewiesen wird, auf der Höhe der Mäntel und der porösen Wand während dieses Schrit­ tes der Galvanostegie Masken vorgesehen sein.

Die so erhaltene Treibkammer ist besonders für erhöhte Brennkammerdrücke geeignet (mehr als 200 Bar für Triebwerke mit mittlerem und starkem Schub). Außerdem ist es infolge der Tatsache, daß der Kammerkörper absichtlich vom Kühlsy­ stem getrennt ist, möglich, eine Entkoppelung der Funktio­ nen von Kühlung und mechanischer Haltbarkeit durchzuführen, was für den Kammerkörper die Verwendung von Materialien ge­ stattet, die sehr hohe Charakteristiken zur Aufnahme der allgemeinen Kräfte und der Druckkräfte aufweist, während das innere Kühlsystem im Gegensatz dazu wenig belastet ist, das hier auf Höhe des Düsenhalses vorliegt.

Zudem wird, wobei es sich hier um einen wesentlichen Vor­ teil des vorliegenden Aufbaus handelt, die Kalibrierung des Durchsatzes durch Kalibrierleitungen bewirkt, die deutlich stromaufwärts von der porösen Wand angeordnet sind, was es gestattet, ein hinnehmbares Kühlniveau beizubehalten, selbst wenn sich die Porosität der Wand an der Lage ihrer Zusammendrückung unter der Wirkung der Temperaturerhöhung der Wand verringert, die den heißen Verbrennungsgasen aus­ gesetzt ist, und es wird jede zerstörende Wirkung vermie­ den.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine schwitzgekühlte, heiße Gase enthaltende Kammer mit einer porösen Wand 20 und Mitteln zum Aufbringen eines Kühlströmungsmittels auf die Außenfläche dieser porösen Wand 20, um einen Schwitz-Kühl­ strömungsmittel-Durchsatz durch die poröse Wand 20 hin­ durchtreten zu lassen, wobei die Mittel zur Aufbringung von Kühlströmungsmittel mehrere Verteilleitungen 30 für Kühl­ flüssigkeit aufweisen, die regelmäßig rund um die poröse Wand 20 angeordnet sind und tangential auf ihre Außenfläche längs einer Anzahl übereinanderliegender, horizontaler Ein­ spritzniveaus einmünden, sowie Speisekanäle 32, die im we­ sentlichen senkrecht die Verteilleitungen 30 kreuzen, zwi­ schen jede von diesen eingebracht sind und mit einer Ein­ richtung 14, 40 zur Einspeisung mit Kühlflüssigkeit verbun­ den sind, wobei Kalibrierleitungen 34 mit einem bestimmten Querschnitt auf jedem dieser Einspritzniveaus die vertika­ len Speisekanäle 32 mit den horizontalen Verteilleitungen 30 verbinden, die um sie herumlaufen, um auf der Höhe der Innenfläche der porösen Wand 20 für eine vorbestimmte Men­ genabgabe zu sorgen, die als Funktion des zu kühlenden Be­ reichs derart eingestellt ist, daß die Kühldurchsätze längs der porösen Wand optimiert sind.

Claims (24)

1. Schwitzgekühlte Kammer, die heiße Gase enthält, mit einer porösen Wand (20), deren Innenfläche die Innenwand der Kammer (12, 20) bildet, und mit Mitteln zum Aufbringen eines Kühlströmungsmittels auf die Außenfläche dieser porö­ sen Wand (20), die zwischen der Innenwand der Kammer (12, 20) und einem äußeren Abdichtkörper (10) der Kammer ausge­ bildet sind, um ein Schwitz-Kühlströmungsmittel durch die poröse Wand (20) hindurchtreten zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aufbringen von Kühlströmungsmittel mehrere Leitungen (30) zum Vertei­ len von Kühlflüssigkeit aufweisen, die regelmäßig rund um die poröse Wand (20) angeordnet sind und tangential auf ih­ rer Außenfläche längs einer Vielzahl horizontaler, überein­ anderliegender Einspritzniveaus münden, sowie Speisekanäle (32), die im wesentlichen senkrecht die Verteilleitungen (30) kreuzen, zwischen jede von diesen eingebracht sind und mit einer Einrichtung (14, 40) zur Einspeisung von Kühl­ flüssigkeit verbunden sind, wobei Kalibrierleitungen (34) mit einem bestimmten Querschnitt auf jedem dieser Ein­ spritzniveaus jeden der vertikalen Speisekanäle (32) mit zwei horizontalen Verteilleitungen (30) verbinden, die um sie herumlaufen, um auf dem Niveau der Innenfläche der po­ rösen Wand (20) eine Mengenabgabe einzustellen, die vorbe­ stimmt ist und als Funktion der abzukühlenden Zone derart angepaßt ist, daß die Kühldurchsätze längs der porösen Wand optimiert sind.

2. Kammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (20) nur einen mittigen Abschnitt (18) der Innenwand der Kammer bildet, wobei die nicht-mittigen Ab­ schnitte der Innenwand der Kammer von inneren Mänteln (12) gebildet sind, die in der Verlängerung der porösen Wand (20) angebracht sind und vorteilhafterweise durch Schweißen beiderseits deren befestigt sind.

3. Kammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mäntel (12) an jedem Ende durch weiche Metallelemente (22) mit Federwirkung außer Berührung mit der porösen Wand (20) gehalten sind, die mit dem Körper (10) der Kammer ver­ bunden sind.

4. Kammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Innenmantel (12) mehrere Umlaufkanäle (15) aufweist, die durch einen Ring (16) verschlossen sind, der auf der Außenoberfläche dieses Mantels aufgebracht ist, und einen Hohlraum (14) bilden, in dem die Kühlflüssigkeit umläuft.

5. Kammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlströmungsmittel von einem Einspeise-Torus (40) her abgegeben wird, der an einem Ende der Kammer angeordnet ist und sich zum Hohlraum (14) hin öffnet.

6. Kammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisekanäle (32) des mittleren Abschnitts der Kammer (18) mit jedem ihrer beiden Enden in ringförmige, stromauf­ wärts und stromabwärts angeordnete Verteilnuten (33) ein­ münden, in die in gleicher Weise in die Umlaufkanäle (15) einmünden.

7. Kammer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Enden der Verteilleitungen (30), die der porösen Wand (20) entgegengesetzt sind, von einem Stopfen (36) verschlossen ist.

8. Kammer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Verteilleitungen (30), die der porösen Wand (20) entgegengesetzt sind, gleichzei­ tig durch eine oder mehrere Drehplatten (38) verschlossen sind.

9. Kammer nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verteilleitungen (30) einen polygon­ förmigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

10. Kammer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (20) aus übereinander­ liegenden Metallgeweben gebildet ist, die eine bestimmte Porenabmessung aufweisen, einen erhöhten mechanischen Wi­ derstand bieten und durch Warmaufwalzen auf der Innenober­ fläche der Kammer aufgelegt sind.

11. Kammer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (20) unmittelbar mit der Innenoberfläche der Kammer durch Plasmaformung oder durch eine pulvermetallurgische Technik mit Pulvern aus ei­ nem oder zwei Komponenten gebildet ist.

12. Kammer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (20) von einem leitfä­ higen Blech gebildet ist, das eine Vielzahl von Mikroperfo­ rierungen aufweist, das in warmem Zustand auf die Innen­ oberfläche der Kammer aufgeformt ist und mit dieser diffu­ sionsverschweißt ist.

13. Kammer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kühlströmungsmittel ein kryo­ technisches Strömungsmittel ist.

14. Kammer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß sie durch eine Raketenantriebs- Treibkammer gebildet ist, deren Halsring den mittigen Ab­ schnitt der Kammer bildet.

15. Verfahren zur Herstellung einer Kammer, die warme Gase enthält, die schwitzgekühlt sind, worin man an einer ersten Stelle einen inneren Abschnitt der Kammer (18) bildet, man dann eine poröse Wand (20) auf der Innenoberfläche dieses inneren Abschnitts bildet und dann die gesamte Anordnung auf einem äußeren Kammerkörper (10) montiert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man zum Herstellen des inneren Abschnitts der Kammer, der von einem strukturellen Bauteil (18) gebil­ det ist, Verteilleitungen (30) bohrt, die Kühlflüssigkeit an die poröse Wand (20) heranbringen, Speisekanäle (32) bohrt, die diese Leitungen mit Kühlflüssigkeit speisen, und Kalibrierleitungen (34) bohrt, die diese Kanäle mit diesen Leitungen verbinden und deren Querschnitt eine vorbestimmte Mengenabgabe definiert, und dann jede dieser Verteilleitun­ gen (30) durch einen Einsatz (50) verschließt, der genau an die Innenabmessungen der Leitung angepaßt ist, in welche er eingeführt ist.

16. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (50) aus einem Material gebildet sind, das keinerlei Neigung zur Anhaftung oder Verschweißung mit dem Material aufweist, das die porö­ se Wand (20) bildet, die die innere Fläche des inneren Ab­ schnitts (18) abdeckt.

17. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die Einsätze (50) nach Bildung der porösen Wand (20), aber vor der Montage des in­ neren Abschnitts der Kammer (18) auf dem äußeren Körner der Kammer (10) entnimmt.

18. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Körper der Kam­ mer (10) durch Elektroniederschlag eines Metalls, bei­ spielsweise Nickel, auf der Außenoberfläche des inneren Ab­ schnitts der Wand, hergestellt ist.

19. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte innere Ab­ schnitt auf einen mittigen Abschnitt der Kammer (18) be­ schränkt ist, wobei man diese Kammer dadurch vervollstän­ digt, daß man mit diesem mittigen Abschnitt einen inneren Mantels (12) in zwei Abschnitten verbindet und daran befe­ stigt.

20. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (20) durch Aufwalzen von Metallgeweben in warmem Zustand auf der In­ nenoberfläche des inneren Abschnitts der Kammer (18) gebil­ det ist, die übereinanderliegen, eine bestimmte Porenabmes­ sung aufweisen und einen erhöhten mechanischen Widerstand bieten.

21. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (20) unmit­ telbar auf der Innenoberfläche des inneren Abschnitts der Kammer (18) durch Plasmaformung oder durch eine pulverme­ tallurgische Technik gebildet ist.

22. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß man ein aus zwei Komponen­ ten zusammengesetztes Pulver benutzt, wobei die eine der beiden Komponenten dieses Pulvers nach der Verfestigung durch chemische Einwirkung entfernt wird, um eine vorbe­ stimmte Porosität der Wand (20) zu erzeugen.

23. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (20) durch Diffusions-Aufschweißen eines warmverformten, leitfähigen Bleches, das eine Vielzahl von Mikroperforierungen auf­ weist, auf der Innenoberfläche des inneren Abschnitts der Kammer (18) gebildet ist.

24. Verfahren zur Herstellung einer Kammer nach irgendei­ nem der Ansprüche 15 bis 23, angewandt bei der Herstellung einer Raketenantriebs-Treibkammer, wobei der genannte mitt­ lere Abschnitt der Kammer (18) einen Düsenhals bildet.