DE3618038A1 - Stuetzstruktur fuer fluessigkeitsgekuehlte expansionsduesen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stützstruktur für eine an einer Raketenbrennkammer angeflanschte, flüssigkeitsge­ kühlte Expansionsdüse nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Die getrennte Herstellung von Brennkammer und Düse so­ wie deren Zusammenfügen mittels Flanschverbindung ist vor allem bei größeren Raketentriebwerken üblich, weil dadurch die Fertigung, Handhabung und Erprobung dieser beiden Komponenten erleichtert werden und die Verwen­ dung unterschiedlicher, jeweils optimal angepaßter Werkstoffe möglich wird. Die Flanschverbindung wird dann auch dazu benutzt, um die Kühlflüssigkeit, z. B. H₂, in die Strukturen einzuleiten. Speziell die Dü­ senstruktur besteht in der Regel aus einer Vielzahl von aneinandergrenzenden, miteinander verlöteten oder ver­ schweißten Kühlröhrchen. Dabei können die Röhrchen in Düsen-Längsrichtung angeordnet sein und zur Anpassung an den sich ändernden, divergenten Düsendurchmesser variable Breite besitzen. Günstiger kann die Verwendung von spiralgewickelten Röhrchen konstanten Querschnitts sein, deren effektive Breite in Umfangsrichtung der Dü­ senstruktur durch Variation des Spiralwinkels angepaßt wird. Bei Verwendung von Röhrchen mit etwa rechteckigem Querschnitt erhält man glattflächige Düsenstrukturen mit fast ideal kreisrunden Außen- und Innenquerschnit­ ten, welche besonders strömungsgünstig, formstabil und widerstandsfähig gegen Belastung durch Innendruck sind. Da die Röhrchen im Hinblick auf gute Kühlwirkung rela­ tiv dünnwandig sein, und für die erforderlichen Strö­ mungsquerschnitte eine Strukturdicke von wenigen Milli­ metern ausreicht, kann bei großen Vakuum-Expansionsdü­ sen mit einem Maximaldurchmesser von beispielsweise 1,8 m dennoch der Fall auftreten, daß die Düsenstruktur durch den Innendruck spannungsmäßig überlastet wird oder sich durch asymmetrische Belastung, z. B. beim Schwenken des Triebwerkes, unzulässig verformt. Als Ab­ hilfemaßnahmen wären eine Erhöhung der Röhrchenwand­ stärken oder eine Vergrößerung der Strukturdicke (Röhr­ chenhöhe) denkbar. Durch die damit verbundene Ver­ schlechterung der Kühlung stünde der geringe Gewinn an mechanischer Festigkeit aber in keinem sinnvollen Ver­ hältnis zur Masseerhöhung.

Aus der US-PS 29 76 679 ist es bekannt, die aus etwa rechteckigen Kühlröhrchen bestehende Düsen- und Brenn­ kammerstruktur eines kleinen Raketentriebwerkes durch äußere, direkt auf die Struktur einwirkende Spannbänder 12 gegenüber Innendruck belastbar zu machen. Derartige Maßnahmen sind in Amerika auch bei größeren Triebwerken bekannt, was jedoch die Verwendung von Kühlröhrchen mit federnd nachgiebigem Querschnitt (Kreis, Ellipse etc.) voraussetzt. Temperaturbedingte, stark unterschiedliche Maßänderungen der Versteifungselemente einerseits und der Düsenstruktur andererseits können dabei im wesent­ lichen nur durch elastische Deformation der Kühlröhr­ chenquerschnitte kompensiert werden.

Bei großen, relativ steifen Düsenstrukturen aus etwa rechteckigen Kühlröhrchen ist eine direkte Verbindung mit starren Versteifungs- oder Stützelementen nicht ratsam, da die an den Kontaktstellen auftretenden, hohen Spannungen zu bleibenden Deformationen oder zum Bruch der Struktur führen würden.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine leichte und einfache Stützstruktur für eine an einer Raketenbrennkammer angeflanschte, flüssigkeitsgekühlte Expansionsdüse mit einer relativ steifen Düsenstruktur zu schaffen, welche die mechanische Belastbarkeit der Düsenstruktur wesentlich erhöht und temperaturbedingte Maßänderungen der Düsenstruktur weitgehend ungehindert zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Stützstruktur besteht also aus einem starren, kä­ figartigen Teil mit in Längs- und in Umfangsrichtung angeordneten Elementen, welcher die Düsenstruktur zu­ mindest auf einem Teil ihrer Länge umfaßt, sowie aus elastischen Ausgleichselementen zur Kraftübertragung und zur Kompensation temperaturbedingter Relativver­ schiebungen zwischen Düse und Stützkäfig. Die Kraft­ übertragung zwischen Düse und Stützstruktur erfolgt an mehreren, über Umfang und Länge der Düse verteilten Stellen in vorwiegend radialer Richtung, so daß die Düsenstruktur in kleine, durch den Düseninnendruck hauptsächlich auf Biegung beanspruchte Flächenelemente zwischen den Kraftübertragungsstellen aufgeteilt wird. Einseitig auf die Düsenstruktur wirkende Beanspruchun­ gen, z. B. beim Schwenken der Düse, werden zumindest teilweise von der Stützstruktur abgefangen und über den Anschlußring an die stabile Flanschverbindung zur Brennkammer weitergegeben. Die Elastizität der Aus­ gleichselemente reduziert zwar die auf die Stützstruk­ tur übertragbaren Kräfte, sie vermeidet aber auch unzu­ lässige, örtliche Spannungsspitzen in der Düsenstruktur und macht dadurch die Anwendung einer steifen Stütz­ struktur überhaupt erst möglich.

Die Unteransprüche 2 bis 6 enthalten bevorzugte Ausge­ staltungen der Erfindung.

Die Ausführung der Ausgleichselemente nach Anspruch 2 ist zwar etwas aufwendig, dafür aber in statischer Hin­ sicht besonders günstig. Bei geeigneter Wahl des Nei­ gungswinkels der Stützflächen wirken sich temperaturbe­ dingte, instationäre Maßänderungen des Düsenstruktur­ durchmessers praktisch nicht auf den Außendurchmesser der Ausgleichselemente aus. Die Anordnung axialer Gleit­ flächen ermöglicht weitgehend ungehinderte axiale Rela­ tivverschiebungen zwischen Düse und Stützstruktur.

Die Ausführungen nach den Ansprüchen 2 bis 5 sind ein­ facher, aber in ihrer Stützwirkung nicht so präzise wie die Ausführung nach Anspruch 1. Die Querschnitte der Ausgleichselemente besitzen die Form eines liegenden U oder Ω, wobei ein Schenkel fest mit der Düsenstruk­ tur, der andere fest mit dem käfigartigen Teil der Stützstruktur verbunden ist. Somit wirken die Aus­ gleichselemente in axialer Richtung als Rollmembranen.

Die Teilung des käfigartigen Teiles der Stützstruktur nach Anspruch 6 ermöglicht dessen nachträgliche Anbrin­ gung an die fertige Düsenstruktur. Dabei ist nicht aus­ geschlossen, daß der Stützkäfig beim Verbinden mit der Düse zu einem Teil zusammengelötet oder -geschweißt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher er­ läutert. Dabei zeigt in vereinfachter Darstellung

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht der mit der Düse verbundenen Stützstruktur,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch den von der Stütz­ struktur umgebenen Düsenbereich,

Fig. 3 einen Teilschnitt entsprechend dem Schnittver­ lauf III-III in Fig. 2,

Fig. 4, 5, 6 unterschiedliche Ausführungsarten der Ausgleichselemente in perspektivischer Teilansicht.

In Fig. 1 verläuft die Blickrichtung schräg von hinten auf die Außenseite einer mit einer Stützstruktur 1 ver­ sehenen Expansionsdüse 13. Das vordere, im Durchmesser kleinere Düsenende ist mit einem Flansch 15 versehen, welcher als Verbindungselement zur nicht dargestellten Brennkammer dient. Außerdem wird über den Flansch 15 die Kühlflüssigkeit zugeführt und gleichmäßig auf die zahlreichen Kühlröhrchen 16 der Düsenstruktur 14 ver­ teilt. Mit der Rückseite des Flansches 15 fest ver­ schraubt oder anderweitig verbunden ist der Anschluß­ ring 2 der Stützstruktur 1. Vom Anschlußring 2 gehen mehrere, über den Düsenumfang verteilte Längsstreben 3 aus. Von diesen Längsstreben 3 ist der Übersichtlich­ keit halber nur eine dargestellt, man erkennt aber die Ausführung als geschweißter, biegesteifer T-Träger mit Erleichterungsbohrungen. Am hinteren Ende sind die Längsstreben 3 mit einem umlaufenden Ring 4 fest ver­ bunden, so daß die Elemente 2, 3 und 4 einen relativ starren Stützkäfig für die Düsenstruktur 14 bilden. Durch weitere, jeweils axial beabstandete Ringe 4 kann der Stützkäfig noch feinmaschiger und stabiler ausge­ führt sein. Die eigentlichen Kraftübertragungselemente zur Düsenstruktur 14 bilden die in Umfangsrichtung an­ geordneten Ausgleichselemente 5. Diese sind an ihren Auflagestellen mit der Düsenstruktur 14 verschweißt oder anderweitig fest verbunden. Von den Auflagestellen ragen paarweise zusammenwirkende Stützflächen 8 schräg nach außen und sind durch axiale Gleitflächen 10 zin­ nenförmig verbunden. Auf den Gleitflächen 10 der Aus­ gleichselemente 5 liegen die Gleitflächen 12 der Längs­ streben 3, so daß axiale Relativbewegungen zwischen dem aus 2, 3 und 4 bestehenden Stützkäfig und den mit der Düsenstruktur 14 verbundenen Ausgleichselementen 5 mög­ lich sind, welche sich insbesondere kurz nach dem Star­ ten des Triebwerkes durch stark unterschiedliche Bau­ teiltemperaturen ergeben. Dabei tritt auch der Fall auf, daß die Außenhaut der Düsenstruktur 14 beispiels­ weise heißer ist und sich stärker ausdehnt, als die Gleitflächen 10 der zinnenförmigen Ausgleichselemente 5. Dadurch werden die geneigten Stützflächen 8 stärker gespreizt, wobei ihre an der Düsenoberfläche aufliegen­ den Enden sich voneinander entfernen und gleichzeitig nach außen auf den größeren, gedehnten Düsendurchmesser ausweichen. Bei geeigneter Wahl des Spreizwinkels der Stützflächen 8 bleibt hierbei der Außendurchmesser, auf welchem die Gleitflächen 10 liegen, annähernd gleich. In Fig. 1 sind die Ausgleichselemente 5 als durchgehen­ de Bänder gezeichnet. Diese Anordnung ist dann sinnvoll, wenn relativ viele Längsstreben 3 vorhanden sind. Bei wenigen Längsstreben genügt es, einzelne, in Umfangs­ richtung beabstandete Ausgleichselemente 5 vorzusehen, welche jeweils eine Gleitfläche 10, zwei Stützflächen 8 und zwei düsenseitige Auflageflächen besitzen. Bei der Auswahl der Anzahl und Lage der Krafteinleitungspunkte ist zu beachten, daß der Düseninnendruck nahe am Flansch 15 am größten ist und zum Düsenaustritt hin stark abnimmt. Von daher kann es sinnvoll sein, die axialen Abstände der Ausgleichselemente vom Anschluß­ ring 2 zum Ring 4 hin kontinuierlich zu vergrößern und die Stützstruktur 1 bereits axial vor dem Düsenaustritt enden zu lassen.

Es bietet sich auch an, den Anschlußring 2 und den bzw. die Ringe 4 mit einer gemeinsamen Teilungsebene zu ver­ sehen. Dadurch kann die aufwendige Düsenstruktur 14 einschließlich Flansch 15 komplett fertiggestellt und nachträglich mit den Ausgleichselementen 5 und dem aus 2, 3 und 4 bestehenden, geteilten Stützkäfig versehen werden. Die Möglichkeit der Teilung kann beibehalten werden, indem alle Teile des Käfigs verschraubt werden, man kann die Teilung aber auch beseitigen, indem der Käfig an der Expansionsdüse 13 verschweißt oder verlö­ tet wird.

Fig. 2 zeigt einen radialen Teillängsschnitt in der Nähe einer Längsstrebe 3. Die Düsenstruktur 14 ist der Einfachheit halber als Massivkörper schraffiert darge­ stellt, genau genommen müßten die geschnittenen Kühl­ röhrchen 16 sichtbar sein. Gut zu erkennen sind die axiale Anordnung der Gleitflächen 10, 12 sowie das En­ den der Stützstruktur vor dem größten Düsendurchmesser. Der Schnittverlauf III-III führt zu Fig. 3, in welcher deutlich die im Querschnitt rechteckigen Kühlröhrchen 16 zu sehen sind. Durch die große Anzahl der über den Düsenumfang verteilten Röhrchen ist die Düsenstruktur 14 innen und außen glattflächig und nahezu ideal kreisförmig.

In Fig. 3 sind vier düsenseitige Gleitflächen 10, aber der Einfachheit halber nur eine Längsstrebe 3 mit Gleitfläche 12 dargestellt. Die Gleitflächen 10 mit ihren Stützflächen 8 sind natürlich nur dort sinnvoll, wo in Verbindung mit Gegen-Gleitflächen 12 eine Kraft­ übertragung möglich ist, andernfalls ist es besser, die Zinnenstruktur zur Gewichtseinsparung zu unterbrechen. Die Gleitflächen 12 können übrigens nicht nur an den Längsstreben 3 sondern auch an dem bzw. den Ringen 4 vorgesehen sein.

Die Fig. 4, 5, 6 zeigen eine Gegenüberstellung ver­ schieden ausgeführter Ausgleichselemente 5, 6 und 7. Das zinnenförmige Ausgleichselement 5 nach Fig. 4 ist bereits aus den vorhergehenden Erläuterungen bekannt. Nach einem vergleichbaren Prinzip arbeitet das Aus­ gleichselement 6 in Fig. 5. Für die Kompensation von Dehnungsunterschieden sind hier in axialer Richtung ge­ neigte Stützflächen 9 vorgesehen, welche abwechselnd zum vorderen und hinteren Düsenende weisen. Infolge der radialen Schlitze mit spannungsreduzierenden Endbohrun­ gen läßt sich das Ausgleichselement aus einem geraden T-Profil herstellen und relativ einfach kreisförmig biegen. Die axiale Gleitfläche 11 läuft bei dieser Aus­ führungsform durchgehend um. Wie die Ausführung nach Fig. 4 kann das Ausgleichselement 6 nur radiale Druck­ kräfte übertragen. Andere Kraftübertragungs- und Bewe­ gungsverhältnisse liegen beim Ausgleichselement 7 in Fig. 6 vor. Dessen Querschnitt besitzt die Form eines liegenden U, wobei die Öffnung zwischen den beiden Schenkeln zum vorderen oder hinteren Ende der Expan­ sionsdüse 13 weisen kann. Infolge der vielen, in regel­ mäßigen Abständen eingearbeiteten, radialen Schlitze mit spannungsreduzierenden Endbohrungen läßt sich auch dieses Profil kreisförmig biegen und so dem jeweiligen Düsendurchmesser anpassen. Der durch Schlitze vielfach unterbrochene, radial innenliegende U-Schenkel ist mit der Düsenstruktur 14, der durchgehende, außenliegende U-Schenkel mit den Längsstreben 3 und/oder dem Ring 4 bzw. den Ringen 4 fest verbunden, z. B. verschweißt. Da­ durch kann das Ausgleichselement 7 auch in radialer Richtung sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen. Bei axialen Relativverschiebungen zwischen den mit den U-Schenkeln verbundenen Bauteilen führt das U-Profil in sich eine abrollende Bewegung nach Art einer Roll­ membran aus, ohne daß irgendwelche Flächen aufeinander gleiten. Prinzipiell wäre es aber auch möglich, den ra­ dial außenliegenden U-Schenkel als Gleitfläche auszu­ bilden und nur den innenliegenden U-Schenkel fest mit der Düsenstruktur 14 zu verbinden. Die Bewegungsver­ hältnisse wären dann ähnlich wie bei den Ausgleichsele­ menten 5 und 6.

Anstelle des liegenden U-Profiles könnte man gleicher­ maßen ein liegendes Ω-Profil verwenden. Dessen Her­ stellung wäre dadurch möglich, daß man - ausgehend vom U-Profil - dessen inneren Schenkel etwa rechtwinklig radial nach innen und dessen äußeren Schenkel etwa rechtwinklig radial nach außen abknickt. Auch ein lie­ gendes U mit einem radial nach außen abgeknickten, äußeren Schenkel wäre vorstellbar. Derartige Variatio­ nen richten sich hauptsächlich nach der Art der Verbin­ dung mit benachbarten Bauteilen.

Claims (6)

1. Stützstruktur für eine an einer Raketenbrennkam­ mer angeflanschte, flüssigkeitsgekühlte Expansionsdüse, welche im wesentlichen aus einer Vielzahl von aneinan­ dergrenzenden, fest miteinander verbundenen Kühlröhr­ chen besteht, wobei die Form der Röhrchenquerschnitte eine in Längs- und in Umfangsrichtung relativ steife Düsenstruktur ergibt, insbesondere für eine durch Spi­ ralwickeln und Verschweißen von rechteckigen Kühlröhr­ chen hergestellte Expansionsdüse, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit dem brennkammersei­ tigen Flansch (15) der Expansionsdüse (13) ein An­ schlußring (2) fest verbunden ist, daß vom Anschlußring (2) ausgehend mehrere, über den Düsenumfang verteilte und der Düsenform angepaßte Längsstreben (3) in radia­ lem Abstand zur Oberfläche der Düsenstruktur (14) in Richtung auf das austrittsseitige Düsenende verlaufen, daß die Längsstreben (3) in axialem Abstand vom An­ schlußring (2) durch einen oder mehrere, in Umfangs­ richtung angeordnete Ringe (4) käfigartig zusammenge­ halten werden, und daß zwischen den Längsstreben (3) und/oder dem Ring (4) bzw. den Ringen (4) einerseits und der Oberfläche der Düsenstruktur (14) andererseits elastische Ausgleichselemente (5, 6, 7) für die Einlei­ tung von Stützkräften in die Düsenstruktur (14) und für die Kompensation von temperaturbedingten Relativver­ schiebungen angeordnet sind.

2. Stützstruktur nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente (5, 6) über paarweise zusammenwirkende, spitzwinklig gegenüber der Oberfläche der Düsenstruktur (14) geneig­ te Stützflächen (8, 9) fest mit der Düsenstruktur (14) verbunden sind, und daß sowohl an den Ausgleichselemen­ ten (5, 6) als auch an den Längsstreben (3) und/oder dem Ring (4) bzw. den Ringen (4) axiale Gleitflächen (10, 11, 12) zur Aufnahme radialer Stützkräfte angeord­ net sind.

3. Stützstruktur nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente sowohl mit der Düsenstruktur (14) als auch mit den Längsstreben (3) und/oder dem Ring (4) bzw. den Ringen (4) fest verbunden sind und eine in axialer und radia­ ler Richtung nachgiebige Form besitzen.

4. Stützstruktur nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente (7) in Düsenlängsrichtung einen U-förmigen Querschnitt besitzen.

5. Stützstruktur nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgleichselemente in Düsenlängsrichtung einen Ω-förmigen Querschnitt besitzen.

6. Stützstruktur nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anschlußring (2) und der Ring (4) bzw. die Ringe (4) vor dem Zusammenfügen mit der Düsenstruk­ tur (14) jeweils an mindestens zwei Stellen ihres Um­ fanges geteilt sind.