DE3710984A1 - Vakuumduesen-auslassring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Auslaßring für eine Vakuumdüse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Auslaßringes.

Eine Düsenstruktur, welche aus rechteckigen, spiralgewickelten Kühlröhrchen besteht, weist beispielsweise das HM7-Triebwerk der Trägerrakete "Ariane" auf. Bei diesem Triebwerk strömt eine Teilmenge des flüssigen Wasserstoffes als Kühlmittel durch die Wandstruktur der Vakuumdüse und tritt am Düsenende zur Nachverbrennung ins Freie aus. Dabei wäre es konstruktiv am einfachsten, den Wasserstoff direkt aus den offenen Enden der Kühlröhrchen ins Freie austreten zu lassen, wie beispielsweise in der US-PS 32 67 664 beschrieben. Infolge des starken Spiralwinkels der Kühlröhrchen würde dabei aber neben der gewünschten, axialen Schubkomponente eine mindestens ebenso große, das Triebwerk in eine unerwünschte Drehbewegung versetzende Drallkomponente entstehen, außerdem wäre die Schubkomponente wesentlich kleiner als bei axialer Ausströmung (Schubverlust). Deshalb schließt sich an die Kühlröhrchen ein Auslaßring an, welcher für definierte Ausströmgeschwindigkeiten und -richtungen sorgen soll. Gemäß dem Stand der Technik wird der Ring aus dem gleichen Halbzeug hergestellt wie die Kühlröhrchen der Düsenstruktur, das heißt aus dünnwandigem Vierkantrohr mit den Maßen 4 × 4 × 0,4 mm. Zunächst wird ein unbearbeitetes, gerades Rohrstück durch Biegen (Rollen) zu einem Ring mit vorgegebenem Durchmesser geformt, die Rohrenden werden exakt abgelängt und verschweißt, die Schweißnaht wird danach verputzt. Der fertig verschweißte Ring wird mittels Funkenerosion auf der Eintrittsseite mit 242 Öffnungen zur Strömungsverbindung mit den 242 Kühlröhrchen, auf der Austrittsseite mit 726 Öffnungen zur Aufnahme der Austrittsdüsen versehen. Die 726 Lotringe und Austrittsdüsen müssen als separate, trichterförmige Bauteile einzeln gefertigt und mittels Widerstandslötung in den Auslaßring integriert werden. Auf diese Weise erhält man zwar eine relativ leichtgewichtige Ringkonstruktion, der Aufwand für Fertigung, Prüfung und ggf. Nacharbeit ist jedoch beträchtlich. So kommt es häufig vor, daß Lötstellen nicht dicht sind und nachgelötet oder neu eingelötet werden müssen. Oft beschädigt der hohe Stromfluß die Düsenkontur beim Nachlöten. Weiterhin stehen manche Düsen nach der Integration leicht schräg, dadurch bilden ihre Stirnseiten keine plane Anlagefläche, was wiederum zu einem unerlaubten Drall des Triebwerks führt und die Druckprüfung der fertigen Vakuumdüse erschwert oder unmöglich macht. In Versuchen hat sich gezeigt, daß trotz axialer Ausrichtung der Düsen das Kühlmittel immer noch leicht schräg im Sinne des Spiralwinkels der Kühlröhrchen austritt (Drall). Eine Abhilfe ist nicht möglich, da das beschriebene Fertigungsverfahren nur eine axiale Düsenanordnung zuläßt. Überhaupt ist das Spritzbild der Austrittsdüsen nicht einheitlich, insbesondere weil die einzelnen Zuströmöffnungen auf der Eintrittsseite keine gleichmäßige Versorgung der in wesentlich größerer Anzahl vorhandenen Austrittsdüsen ermöglichen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Herstellung eines Auslaßringes zu ermöglichen, welcher bei gleichem oder nur geringfügig höherem Gewicht zu erheblichen Einsparungen hinsichtlich Kosten- und Zeitaufwand bei Fertigung, Test und Abnahme führt, welcher Nacharbeiten praktisch überflüssig macht und ein optimales, einheitliches Spritzbild aller Austrittsdüsen bei minimaler Drallerzeugung aufweist, wodurch sich ein höherer Triebwerkswirkungsgrad ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie im Nebenanspruch 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der Auslaßring wird von einer vollwandigen, massiven Vierkantstange hergestellt. Dadurch ist es möglich, auf der Eintrittsseite einen umlaufenden, d. h. ununterbrochenen Sammelkanal zu schaffen, welcher eine gleichmäßige Mengenzuteilung zu allen Austrittsdüsen gewährleistet. Durch die vollwandige Ausführung ist es weiterhin möglich, auf separate, einzulötende Düsenkörper zu verzichten, da die Austrittsdüsen als einfache, präzise Bohrungen direkt in den Auslaßring eingeformt werden. Neben der höheren Präzision sei auch auf den kleineren Platzbedarf der Bohrungen gegenüber den Düsenkörpern hingewiesen, wodurch mehr Düsen über den Umfang des Auslaßringes angeordnet werden können. Nunmehr ist es auch möglich, die Austrittsdüsen mit einem dem Spiralwinkel der Kühlröhrchen entgegengesetzten Drallwinkel zu fertigen und damit eine weitgehend drallfreie Abströmung des Kühlmittels zu erzielen.

Herstellungstechnisch ist von Bedeutung, daß der Sammelkanal und die Austrittsdüsen im geraden Zustand des Stangenmaterials gefertigt werden, was die Fertigung (Spannen, Bearbeiten) vereinfacht und die Genauigkeit erhöht.

Die Unteransprüche 2 und 4 beziehen sich auf eine bevorzugte Ausführungsform, welche gewichtsmäßig gegenüber dem Stand der Technik gleichwertig oder sogar günstiger ist.

Durch radial asymmetrische Anordnung der Austrittsdüsen, verbunden mit einer Erhöhung ihrer Anzahl und mit einer Verkleinerung ihrer Abmessungen, ist es möglich, den Sammelkanal axial zu vertiefen und den Auslaßringdurchmesser austrittsseitig stufenförmig zu verringern, wodurch der Gewichtsnachteil (ca. 75 g) einer vollwandigen Ringausführung mit radial symmetrisch angeordneten, bezüglich der Lötversion gleich großen Austrittsdüsenbohrungen beseitigt werden kann, bzw. sogar ein Ringgewicht erzielbar ist, welches unter demjenigen der Lötversion liegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine radiale Ansicht eines Teils der Düsenstruktur und des Auslaßringes, wobei Struktur und Ring örtlich aufgeschnitten sind,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Auslaßring im Bereich einer Austrittsdüse,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Auslaßring in Leichtbauweise im Bereich einer Austrittsdüse.

Fig. 1 zeigt einen kleinen Teil der Strukturoberfläche einer spiralgewickelten Vakuumdüse im Bereich des Düsenaustritts, d. h. im Bereich des größten Durchmessers der divergenten Düse. Die Ansicht in Fig. 1 entspricht einer radialen Blickrichtung von außen auf die Düsenstruktur 10, die Schubrichtung verläuft horizontal von rechts nach links. Zum besseren Verständnis ist die Struktur teilweise aufgeschnitten. Man erkennt, daß die Düsenstruktur 10 im wesentlichen aus spiralgewickelten (Spiralwinkel α) Kühlröhrchen 11 besteht, welche miteinander verschweißt sind, und daß der austrittsseitige Abschluß der Düsenstruktur 10 von einem senkrecht zur Triebwerksachse umlaufenden Auslaßring 1 gebildet wird, welcher mit den abgeschrägten Enden der Kühlröhrchen 11 verschweißt ist. Das Kühlmittel, beispielsweise flüssiger Wasserstoff, wird in einem - nicht dargestellten - Bereich zwischen Düsenhals und Düsenaustritt in die Düsenstruktur 10 eingeleitet und gleichmäßig auf die strömungstechnisch parallelgeschalteten Kühlröhrchen 11 verteilt. Es folgt der spiraligen Bahn der Kühlröhrchen 11 unter Wärmeaufnahme aus dem Düseninneren, bis es in die Gegend des Auslaßringes 1 gelangt. In Fig. 1 verläuft die Strömung in den Kühlröhrchen 11 also von links oben nach rechts unten im Spiralwinkel α zur Horizontalen. Die aus den spitzwinkeligen Enden der Kühlröhrchen 11 austretenden Einzelströme werden im Sammelkanal 3 des Auslaßringes 1 vereinigt und ausgehend von der hinteren Stirnwand 5 des Sammelkanales 3 gleichmäßig durch die Austrittsdüsenbohrung 7 ins Freie geleitet. Dort entzündet sich der Wasserstoff und trägt somit zur Schuberhöhung des Triebwerkes bei. Da der Kühlmittelaustritt möglichst keine Drallwirkung auf das Triebwerk ausüben soll, wäre es theoretisch am günstigsten, die Achsen X der Austrittsdüsenbohrungen 7 parallel zur Triebwerksachse, d. h. in Fig. 1 horizontal anzuordnen. In Versuchen hat sich aber gezeigt, daß eine axiale Ausrichtung der Austrittsdüsenbohrungen 7 nicht genügt, um die sehr schräg (Spiralwinkel α) ankommenden Kühlmittelströme genau in Schubrichtung umzulenken. Falls eine weitgehende Drallfreiheit gewünscht wird, ist es angebracht, die Austrittsdüsenbohrungen 7 - wie in Fig. 1 - mit einem kleinen Drallwinkel β zu versehen, welcher dem Spiralwinkel a entgegengerichtet ist. Nur so läßt sich ein weitgehend axialer Austritt des Kühlmittels erreichen.

Fig. 2 zeigt einen radialen Längsschnitt durch den Auslaßring 1, wobei die Schnittebene längs der - nicht dargestellten - Ringachse (=Triebwerksachse) sowie durch eine Austrittsdüsenbohrung 7 verläuft. Der ggf. vorhandene Drallwinkel β der Achse X ist in dieser Darstellung nicht berücksichtigt (Achse X würde die Blattebene horizontal von links vorne nach rechts hinten durchstoßen). Die quadratische Außenkontur mit den vier abgerundeten Ecken entspricht unverändert dem Querschnitt des vollwandigen Stangenmaterials, aus welchem der Auslaßring 1 gebogen und dann zusammengeschweißt wird. Im Hinblick auf eine bessere Größenvorstellung sei gesagt, daß der Auslaßring 1 einen Durchmesser von 1 m und mehr haben kann, daß die in Fig. 2 (und 3) gezeigte Schnittfläche aber nur wenige Millimeter mißt, z. B. 4 × 4 mm.

Der Sammelkanal 3 sowie die Austrittsdüsenbohrungen 7 werden spanabhebend aus dem Vollmaterial herausgearbeitet; die dünnen, umlaufenden Wandbereiche, welche den Sammelkanal 3 radial nach innen und außen begrenzen, sind etwa so dick wie die Wände der - nicht dargestellten - Kühlröhrchen 11 und dienen als Anschweißlippen.

Wie bereits erwähnt, besteht ein dem Stand der Technik entsprechender Auslaßring aus einem dünnwandigen (Wanddicke z. B. 0,4 mm), gebogenen und verschweißten Vierkantrohr, in welches eine Vielzahl von einzelnen, trichterförmigen Austrittsdüsenkörpern von hinten eingelötet ist.

Die vollwandige Ausführung nach Fig. 2 bringt gegenüber dieser Lötversion eine gewisse Gewichtszunahme des Auslaßringes 1 (ca. 75 g) mit sich, bei etwa gleicher Anzahl und Größe der Austrittsdüsen. Nützt man die Tatsache aus, daß sich bei der vollwandigen, erfindungsgemäßen Ausführung mehr Austrittsdüsen am Umfang anordnen lassen (kleinerer Platzbedarf der Bohrung gegenüber dem Düsenkörper), und macht man unter weiterer Erhöhung der Anzahl die Austrittsdüsen bei gleichem Strömungswiderstand (Druckverlust) kleiner und somit axial kürzer, so kann auch der Sammelkanal axial vertieft werden. Damit ergibt sich gegenüber der Lötversion eine etwa gleichgewichtige Lösung. Verschiebt man diese kleineren Austrittsdüsen gegenüber dem mittleren Durchmesser des Sammelkanales noch radial nach innen, so kann der Ringaußendurchmesser gestuft werden, was sogar zu einer Gewichtsreduzierung gegenüber der Lötversion führt. Diese Leichtbauversion des Auslaßringes 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Beachtenswert dabei sind der radiale Versatz der Achse Y der Austrittsdüsenbohrung 8 gegenüber dem mittleren Durchmesser D des Sammelkanales 4, die axial weit nach hinten versetzte Stirnwand 6 sowie die Stufe 9 des Ringaußendurchmessers.

Abgesehen von den vielen Vorteilen hinsichtlich Fertigung, Prüfung und Abnahme, läßt sich mit der vollwandigen Ausführung also außerdem eine - für den Fachmann unerwartete - Gewichtsgleichheit bzw. Gewichtsreduzierung gegenüber der hohlwandigen Lötversion erzielen.

Claims (4)

1. Auslaßring für eine Vakuumdüse eines mit flüssigen Treibstoffkomponenten arbeitenden Raketentriebwerkes, dessen Düsenstruktur im wesentlichen aus spiralgewickelten, mechanisch miteinander verbundenen, etwa rechteckigen Kühlröhrchen besteht, durch die eine Teilmenge einer Treibstoffkomponente strömt, welche am hinteren Ende der Düsenstruktur zur Nachverbrennung ins Freie austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Auslaßringes (1, 2) im Längsschnitt einem vollwandigen Vieleck mit zum Teil gerundeten Kanten und mit rechteckiger Hüllkurve entspricht, daß durch die Form des Auslaßringes (1, 2) auf seiner Eintrittsseite ein umlaufender, rechtecknutförmiger, nach vorne offener Sammelkanal (3, 4) gebildet wird, und daß von der hinteren Stirnwand (5, 6) des Sammelkanales (3, 4) zur Austrittsseite des Auslaßringes (1, 2) eine Vielzahl von sich trichterförmig erweiternden, gleichmäßig über den Umfang des Auslaßringes (1, 2) verteilten Austrittsdüsenbohrungen (7, 8) verläuft, deren Achsen (X, Y) entweder parallel zur Ringachse angeordnet sind oder einen dem Spiralwinkel (α) der Kühlröhrchen (11) der Düsenstruktur (10) entgegengesetzten Drallwinkel (β) aufweisen.

2. Auslaßring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittpunkte der Achsen (Y) der Austrittsdüsenbohrungen (8) mit der hinteren Stirnwand (6) des Sammelkanales (4) radial innerhalb seines mittleren Durchmessers (D) liegen, und daß sich der Außendurchmesser des Auslaßringes von der Eintrittsseite zur Austrittsseite stufenförmig (Stufe 9) verkleinert (Fig. 3).

3. Verfahren zur Herstellung eines Auslaßringes, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• 1. Bereitstellen einer geraden, vollwandigen Stange aus hochhitzebeständigem Werkstoff (z. B. Inconel 600) mit rechteckigem, vorzugsweise quadratischem, mit Eckradien versehenem Querschnitt,
• 2.1. Spanabhebende Herstellung (z. B. Fräsen) des rechtecknutförmigen, eintrittsseitigen Sammelkanales (3),
• 2.2. Spanabhebende Herstellung (z. B. Bohren) der trichterförmigen Austrittsdüsenbohrungen (7),
• 3. Biegen (z. B. Rollen) der bearbeiteten Stange zu einem Ring mit vorgegebenem Durchmesser,
• 4.1. Ablängen und Verschweißen der Stangenenden,
• 4.2. Verputzen der Schweißnaht.

4. Verfahren nach Anspruch 3 zur Herstellung eines Auslaßringes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (9) zur Verkleinerung des austrittsseitigen Außendurchmessers des Auslaßringes (2) entweder durch spanabhebende Bearbeitung (z. B. Fräsen) der Stange im geraden Zustand oder durch spanabhebende Bearbeitung (z. B. Drehen) im ringförmigen, verschweißten Zustand gefertigt wird.