DE4015204C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für ein Flugtriebwerk, die
einen inneren, mit einer Anzahl Kühlkanälen durchsetzten Mantel aus
wärmeleitendem Werkstoff, einen äußeren, den inneren Mantel um
gebenden festen Stützmantel und eine dazwischenliegende Zwischen
schicht aufweist.
Die bisher bekannten Schubdüsen, wie auch aus der DE 35 35 779 C1
bekannt, die beispielsweise in Raketentriebwerken für Trägerraketen
oder im Space Shuttle eingesetzt werden, weisen eine rotations
symmetrische Kontur auf. Insbesondere verjüngt sich der kreisförmige
Querschnitt von der Brennkammer in Richtung des Engquerschnittes, um
sich anschließend wieder zu erweitern. Eine derartige rotations
symmetrische Kontur ist fertigungstechnisch einfach und ermöglicht
eine effektive Aufnahme der Gaskräfte.
Wegen der hohen Temperatur von ca. 3000°C muß jedoch die Schubdüse
wirkungsvoll gekühlt werden. Dies geschieht durch die gattungsgemäße
Ausbildung der Schubdüse, die normalerweise aus einem inneren Mantel
aus einer Kupferlegierung besteht, in den in Umfangsrichtung oder in
Axialrichtung Kühlkanäle eingelassen sind. Diese Kühlkanäle werden
von einem Kühlmedium, vorzugsweise dem in der Schubdüse zu ver
brennenden flüssigen Wasserstoff gekühlt. Außen ist dieser innere
Mantel von einem Stützmantel fugenlos umgeben, der die Gasdruckkräfte
aufnimmt. Dieser Stützmantel sollte möglichst hohe Zugfestigkeit auf
weisen, während wegen der innen angeordneten Kühlung die Wärmefestig
keit nicht von großer Bedeutung ist.
Es sind Bestrebungen zur Entwicklung von sogenannten Hyperschallflug
zeugen im Gange, die ebenfalls eine gattungsgemäße Schubdüse auf
weisen. Das Problem bei Schubdüsen für derartige Flugzeuge ist der
erforderliche hohe Wirkungsgrad bei der Schuberzeugung, wobei mehrere
Triebwerke nebeneinander angeordnet sein sollen. Zur Erreichung
dieser Forderungen werden Schubdüsen vorgeschlagen, deren Quer
schnittskontur von rundem Querschnitt im Bereich der Brennkammer zu
rechteckigem Querschnitt im Bereich des Düsenaustritts oder sogar des
Düsenengquerschnitts übergeht.
Dies wiederum bedeutet, daß die Düsenwandung eine kompliziert ge
krümmte Gestalt annehmen muß. Einerseits muß der relativ weiche in
nere Mantel eine formgenaue Innenkontur aufweisen, um eine optimale
Durchströmung zu erzielen, andererseits muß der Stützmantel aus Fe
stigkeitsgründen so formsteif sein, daß eine Anpassung an die Form
des inneren Mantels nicht möglich ist. Die Herstellung der beiden
Mäntel mit eimer derart hohen Formgenauigkeit ist bei der kom
plizierten Geometrie jedoch fertigungsbedingt sehr aufwendig.
Trotzdem kann nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, daß nicht
nach dem Zusammenfügen der beiden Mäntel Hohlräume verbleiben, die im
Betrieb zu Verformungen und Rissen und somit zum Ausfall führen kön
nen.
Auch das aus dem Abstract JP 61-58 957 bekannte Ver
fahren, bei welchem auf einen inneren Mantel eine Zwischenschicht zur
Abdeckung der Kühlkanäle galvanisch aufgetragen wird und anschließend
ein äußerer Zylinder angebracht wird, gibt keinen Hinweis zur Ver
meidung dieser Gefahren.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße
Schubdüse und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schubdü
se anzugeben, die unter geringem Fertigungsaufwand eine Düsenwandung
mit großer Formgenauigkeit ermöglicht, wobei gleichzeitig sicherge
stellt ist, daß zwischen den beiden Mänteln keine Hohlräume ver
bleiben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 und
7 angegebenen Merkmale gelöst.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die
Fertigungstoleranz des inneren Mantels und des Stützmantels ausgegli
chen werden können. Statt beide Konturen des inneren Mantels und die
Innenkontur des Stützmantels unter hohem Aufwand mit einer hohen
Formgenauigkeit zu fertigen und ferner das Zusammensetzen dieser
Mäntel mit großem Prüfaufwand zu überwachen, muß nur noch die Innen
kontur des inneren Mantels formgenau gefertigt werden. Hinsichtlich
der anderen Konturen sind vorteilhafterweise sehr geringe Anforderun
gen ausreichend. Ferner ist von Vorteil, daß die Oberflächengüte
aller Flächen bis auf die Düseninnenfläche die herkömmlicherweise
ebenfalls erheblichen Bearbeitungsaufwand erfordern, ohne Einfluß
ist.
Schließlich können Sensoren wie Temperatur- und Druckmeßsonden in den
Düsenmantel ohne Schwächung des Stützmantels dadurch eingebracht
werden, daß diese in die Zwischenschicht eingegossen werden. Es kön
nen mit geringem Aufwand alle Zwischenräume zwischen inneren und
Stützmantel einschließlich von Hinterschnitten vollständig ausgefüllt
werden.
Die gesamte Mantelfläche wird vom Stützmantel maßgenau abgestützt,
wobei gezielte Eigenschaften des Mantels durch Wahl eines geeigneten
Werkstoffes für die Zwischenschicht erzeugt werden können. So ist es
möglich, eine erhöhte Duktilität oder eine Vorspannung zu erzeugen,
wenn insbesondere ein Werkstoff gewählt wird, der sich beim Erstarren
gezielt ausdehnt.
Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht aus einer Metallegierung,
insbesondere aus einer Legierung, die Wismut und/oder Zinn als Haupt
bestandteil hat. Diese Legierungen haben relativ niedrige Schmelz
punkte und ermöglichen so ein Eingießen unter relativ geringem Auf
wand. Da die Wasserstoffkühlung einen sehr hohen Kühleffekt bewirkt,
können die Temperaturen im Bereich der Zwischenschicht sehr niedrig
gehalten werden, so daß ein Aufschmelzen im Betrieb nicht droht.
Beispielsweise können Zinn-Kupferlegierungen eingesetzt werden, die
einen Schmelzpunkt im Bereich von 220°C aufweisen. Wismutlegierungen
haben einen noch niedrigeren Schmelzpunkt. Alternativ kann durch
Verwendung von Kadmiumlegierungen ein höherer Schmelzpunkt im Bereich
von ca. 300°C eingestellt werden. Selbstverständlich ist auch die
Verwendung höher schmelzender Metalle, beispielsweise von Kupfer
ebenfalls möglich, wenngleich in diesem Fall erhöhte Vorsorge gegen
Wärmeverzug der beiden Mäntel beim Eingießen getroffen werden muß. Je
nach Wahl der in der Legierung enthaltenen Komponenten kann ein defi
niertes Erstarrungsverhalten, d. h. Ausdehnung zur Erzeugung einer
bestimmten Vorspannung oder Dehnungsfreiheit zur Erzielung einer
spannungsfreien Anordnung eingestellt werden.
Alternativ ist es auch möglich, die Zwischenschicht aus anderen
Werkstoffen zu fertigen, z. B. aus einer Keramikmasse in Form von
neutralisierter Kieselsäure. Schließlich ist auch die Verwendung von
Kunststoffen für die Zwischenschicht vorteilhaft, z. B. von tempera
turbeständigen Zwei-Komponentenkleber.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist die Zwischen
schicht eine Dicke von 0,5-5 mm, vorzugsweise ca. 1 mm auf. Dadurch ist
eine gute Eingießbarkeit des Zwischenschichtwerkstoffes bei niedrigem
Materialverbrauch gewährleistet.
Ein weiterer mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, daß
die Zwischenschicht durch Ausschmelzen entfernt werden kann, und der
innere Mantel ausgetauscht werden kann, ohne den Stützmantel zu ver
ändern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungs
form in der Zeichnung weiter erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schubdüse,
Fig. 2 einen Ausschnitt eines Düsenmantels, und
Fig. 3 einen anderen Ausschnitt des Düsennmantels.
Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Schubdüse 1, die im wesentlichen aus zwei Halbschalen eines Düsen
mantels 2a und 2b aufgebaut ist, die in nicht gezeigter Weise mitein
ander verschraubt sind. Der Düsenkanal 3 geht von rundem Querschnitt
im Bereich 3a, welches der Brennkammerbereich ist, im Übergangs
abschnitt 4 bis zum Bereich 3b in rechteckigen Querschnitt über. Die
Querschnitte sind durch die strichpunktierten Linien angedeutet. Im
Engquerschnitt 3c der Düse liegt ebenfalls rechteckige Kontur vor.
Der Bereich 3d stellt den Expansionsbereich der Schubdüse 1 dar, in
dem ebenfalls rechteckiger Querschnitt vorliegt.
Wenngleich die vorliegende Erfindung anhand der in Fig. 1 darge
stellte Schubdüse 1 erläutert wird, ist selbstverständlich auch eine
Abwandlung auf Düsen mit anderen Querschnitten wie tonnenförmigen,
oder ovalen Querschnitten durchführbar, ohne den Bereich der Erfin
dung zu verlassen.
Die beiden Halbschalen des Düsenmantels 2a und 2b bestehen im
wesentlichen aus einem inneren Mantel 5, der von Kühlkanälen durch
zogen ist, und aus einem Stützmantel 6, der den inneren Mantel 5
umschließt. Zwischen beiden Mänteln 5 und 6 ist eine relativ dünne,
schwarz gezeichnete Zwischenschicht 7 vorgesehen, die eingegossen
worden ist.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Düsenmantel 2a entlang der Linie
II-II gemäß Fig. 1, wo der Düsenmantel 2a noch runden Querschnitt
aufweist. Dieser umfaßt, wie bereits erwähnt, den inneren Mantel 5,
der aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. In den
inneren Mantel 5 sind regelmäßig beabstandete, in Düsenlängsrichtung
sich erstreckende Nuten 8 eingelassen, zwischen denen Stützstege 9
verbleiben. Diese von radial außen in den inneren Mantel 5 einge
lassenen Nuten 8 bilden die Kühlkanäle 8 dadurch, daß der innere
Mantel 7 von einem dünnen Deckmantel 10 umschlossen ist, der an die
sem bzw. an den Stützstegen 9 angelötet, geschweißt oder galvanisch
angebracht ist, so daß die Kühlkanäle 8 in sich geschlossen sind.
Vorzugsweise besteht der Deckmantel 10 aus dem gleichen Werkstoff wie
der innere Mantel 5. Außen ist der relativ dicke Stützmantel 6 ange
ordnet, wobei zwischen dem inneren Mantel 5, genauer gesagt zwischen
dem Deckmantel 10 und dem Stützmantel 6, ein ca. 1 bis 2 mm breiter
Spalt verbleibt. Dieser Spalt ist mit einer gegossenen, druckfesten
Zwischenschicht 7 vollständig ausgefüllt.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1.
Der einzige Unterschied zu Fig. 2 besteht darin, daß im Bereich des
Schnittes gemäß Fig. 3 der Düsenmantel 2a rechteckigen Querschnitt
hat, so daß der dargestellte Ausschnitt geradlinig verläuft.
Die erfindungsgemäße Schubdüse 1 wird dadurch hergestellt, daß ein
innerer Mantel 5 aus wärmeleitendem Werkstoff mit Kühlkanälen 8 ver
sehen, und in die vorgesehene Endkontur geformt wird, und ein Stütz
mantel 6 mit angepaßter Form unter Einhaltung eines Spaltes zwischen
beiden Mänteln 5 und 6 angebracht ist, und anschließend der Spalt
ausgegossen wird. Das Einarbeiten der Kühlkanäle kann beispielsweise
mittels Fräsen erfolgen.
Das Eingießverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Teile, also
der innere Mantel 5 und der Stützmantel 6 auf die Gießtemperatur des
einzugießenden Werkstoffes erwärmt wird, und anschließend die Aus
gießmasse unter Druck im Vakuum eingebracht wird. Vorzugsweise wird
dabei unter Vibration gegossen, um alle Hohlräume sicher auszufüllen.
Claims (7)
1. Schubdüse für ein Flugtriebwerk, die einen inneren, mit einer
Anzahl Kühlkanälen durchsetzten Mantel aus wärmeleitenden Werk
stoff, einem äußeren, den inneren Mantel umgebenden festen Stütz
mantel und eine dazwischen liegende Zwischenschicht aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der innere Mantel (5) mit dem Stütz
mantel (6) über eine eingegossene Zwischenschicht (7) auswechsel
bar verbunden ist.
2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi
schenschicht (7) aus einer Metallegierung besteht.
3. Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall
legierung Wismut und/oder Zinn als Hauptbestandteil(e) hat.
4. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenschicht (7) aus einer Kunststoffmasse besteht.
5. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zwischenschicht (7) eine Schichtdicke von
0,5-5 mm, vorzugsweise ca. 1 mm aufweist.
6. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß in die Zwischenschicht (7) Sensoren für die Messung
von Düsenmeßdaten wie der Temperatur eingelassen sind.
7. Verfahren zur Herstellung einer Wandung einer Schubdüse, nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Mantel (5) aus
wärmeleitendem Werkstoff mit Kühlkanälen (8) versehen, und in die
vorgesehene Endkontur geformt wird, und ein Stützmantel (6) mit
angepaßter Form unter Einhaltung eines Spaltes zwischen beiden
Mänteln (5, 6) angebracht ist, und anschließend der Spalt ausge
gossen wird.
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