DE69012427T2 - Reaction chamber and process for its manufacture. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine eines Staustrahltriebwerks oder eines Turboluftstrahltriebwerks und vor allem eine Kammer des Typs, bei dem ein Fluid durch Transpiration über eine hitzebeständige poröse Wand eingeleitet wird.The invention relates to a chamber of a ramjet engine or a turbojet engine and in particular to a chamber of the type in which a fluid is introduced by transpiration across a heat-resistant porous wall.
Die Verwendung eines porösen, Materials in einem hitzebeständigen Reaktionsrohr eines Turbopropellertriebwerks, ist in der GB-A-2 089 434 und der US-A-2,658,332 beschrieben. Das Rohr ist durch eine innere Leitung aus einem hitzebeständigem, porösen, Material mit geringer Dichte und einer äußeren Verstärkung gebildet, deren Vorhandensein wegen der mangelnden mechanischen Festigkeit des porösen hitzebeständigen Materials notwendig ist. Letzteres wird ausgehend von Siliciumdioxid- und Aluminiumoxidfasern gebildet, während die äußere Verstärkung ein Netz aus in Umfangsrichtung und axial verlaufenden Rohren und eine äußere Umhüllung aus Metall oder einem durch Kohlestoffphasern verstärktem Harz bildet. Die Rohre können von einem Kühlmittel oder vom Brennstoff durchströmt werden und haben perforierte Wände, die es dem Kühlmittel oder dem Brennstoff ermöglichen, in das innere isolierende Material einzudringen.The use of a porous material in a heat-resistant reaction tube of a turboprop engine is described in GB-A-2 089 434 and US-A-2,658,332. The tube is formed by an inner conduit of a low-density heat-resistant porous material and an external reinforcement, the presence of which is necessary due to the lack of mechanical strength of the porous heat-resistant material. The latter is formed from silica and alumina fibers, while the external reinforcement forms a network of circumferential and axial tubes and an outer casing of metal or a resin reinforced with carbon phases. The tubes can be traversed by a coolant or fuel and have perforated walls which allow the coolant or fuel to penetrate the internal insulating material.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reaktorkammer vorzuschlagen, bei der die Wirksamkeit des Verhaltens gegenüber erhöhten Temperaturen, die mechanische Festigkeit und die Brennstoffinjektion bei einer möglichst einfachen Struktur sichergestellt werden können.The invention is based on the object of proposing a reactor chamber in which the effectiveness of the behaviour towards elevated temperatures, the mechanical strength and fuel injection can be ensured with the simplest possible structure.
Gemäß der Erfindung wird die Wand der Reaktorkammer aus einem hitzebeständigen Verbundmaterial hergestellt, das eine durch eine Matrix verdichtete Verstärkungsstruktur und wenigstens eine Injektionszone hat, die durch einen Teil der porösen, für das in die Kammer zu injizierenden Fluid permeablen Wand gebildet wird, wobei die Permeabilität des bzw. jedes Teils der Wand eine Injektionszone bildet, die sich durch eine geringere Verdichtung des Verbundmaterials im Vergleich zum restlichen Teil der Wand ergibt, der für das zu injizierende Fluid dicht ist.According to the invention, the wall of the reactor chamber is made of a refractory composite material having a reinforcing structure compacted by a matrix and at least one injection zone formed by a part of the porous wall permeable to the fluid to be injected into the chamber, the permeability of the or each part of the wall forming an injection zone resulting from a lower compaction of the composite material compared to the remaining part of the wall which is impermeable to the fluid to be injected.
Unter dem hitzebeständigen Verbundmaterial wird hier ein Verbundstoff mit einer Keramik- oder Kohlenstoffmatrix verstanden.The heat-resistant composite material here is understood to be a composite with a ceramic or carbon matrix.
Der bzw. jeder Teil der Wand, der eine Injektionszone bildet, hat beispielsweise die Form eines Ringes, dessen Oberfläche, die derjenigen gegenüberliegt, die einen Teil der inneren Oberfläche der Kammer bildet, mit einer Quelle des zu injizierenden Fluids in Verbindung steht.The or each part of the wall forming an injection zone is, for example, in the form of a ring, the surface of which opposite to that forming part of the internal surface of the chamber is in communication with a source of the fluid to be injected.
Ein hitzebeständiges Verbundmaterial mit einer Keramikmatrix (CMC) oder einer Kohlenstoffmatrix ist insbesondere für die Herstellung einer Reaktorkammer geeignet, in deren Wand eine oder mehrere Zonen zur Flulidinjektion durch Transpiration durch ein poröses Material integriert sind.A heat-resistant composite material with a ceramic matrix (CMC) or a carbon matrix is particularly suitable for the manufacture of a reactor chamber in whose wall one or more zones for fluid injection by transpiration through a porous material are integrated.
Tatsächlich hat solch ein Material thermostrukturelle Eigenschaften, d. h., ein mechanisches Verhalten und ein Verhalten gegenüber erhöhten Temperaturen, die es zur Herstellung von Strukturelementen der Kammer geeignet machen. Insbesondere ist eine äußere Verstärkung um die Wand aus einem Verbundstoff, wie sie die in der GB-A-2 089 434 beschrieben ist, nicht notwendig.In fact, such a material has thermostructural properties, that is, mechanical behavior and behavior towards elevated temperatures, which make it suitable for the manufacture of structural elements of the chamber In particular, external reinforcement around the wall made of a composite material as described in GB-A-2 089 434 is not necessary.
Außerdem kann die Porosität eines Verbundstoffes leicht dadurch gesteuert werden, daß man auf den Volumenanteil der Hauptfasern seiner Verstärkungs- Faserstruktur und/oder den Verdichtungsgrad durch das Grundmaterial der Matrix einwirkt, um die Permeabilität oder Impermeabilität gegenüber dem zu injizierenden Fluid zu erhalten.In addition, the porosity of a composite can be easily controlled by acting on the volume fraction of the main fibers of its reinforcing fiber structure and/or the degree of compaction by the base material of the matrix in order to obtain the permeability or impermeability to the fluid to be injected.
Ein Material des Typs C/SiC (Verstärkung aus Kohlestoff-Fasern und Matrix aus Siliciumcarbid) oder des Typs SiC/SiC (Verstärkung aus Fasern im wesentlichen aus Siliciumcarbid und Matrix aus Siliciumcarbid) oder auch des Typs C/C geschützt (Verstärkung aus Kohlenstoff-Fasern, Matrix aus Kohlenstoff und Antioxidationsschutz) kann geeignet sein.A material of type C/SiC (reinforcement of carbon fibers and matrix of silicon carbide) or of type SiC/SiC (reinforcement of fibers essentially of silicon carbide and matrix of silicon carbide) or of type C/C protected (reinforcement of carbon fibers, matrix of carbon and antioxidant protection) may be suitable.
Die Verbindung zwischen dem bzw. jedem Teil der Wand, der eine Injektionszone bildet, und dem bzw. jeden Teil der Wand, der den restlichen Teil der Kammer bildet, erfolgt vorteilhafterweise durch Montage aller Hauptteile der Wand in einem Zustand unvollständiger Verdichtung bezüglich des gewünschten Grades der Endverdichtung für jeden der Teile und durch Mischverdichtung der montierten Wandteile. Diese Mischverdichtung erfolgt vorzugsweise durch chemische Infiltration in der Dampfphase.The connection between the or each part of the wall forming an injection zone and the or each part of the wall forming the remainder of the chamber is advantageously achieved by assembling all the main parts of the wall in a state of incomplete compaction with respect to the desired degree of final compaction for each of the parts and by mixed compaction of the assembled wall parts. This mixed compaction is preferably achieved by chemical infiltration in the vapour phase.
Ein bevorzugstes Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur ein schematischer Axialschnitt einer Statoreaktorkammer ist.A preferred embodiment is described below with reference to the accompanying drawing, the only figure of which is a schematic axial section of a stator reactor chamber.
Bei dem gezeigten Beispiel hat die Kammer 10 eine zylindrische Form mit kreisförmigen Querschnitt und in der Austrittsrichtung der Luft (Pfeil A) einen stromaufwärtigen, dichten Abschnitt, einen Injektionsring 20 zum Injizieren eines Stromes eines gasförmigen Brennstoffes und einen dichten stromabwärtigen Abschnitt 14. Die inneren Oberflächen der Abschnitte 12, 14 und des Injektionsringes 20 bilden die innere, kontinuierliche, zylindrische Wand der Kammer eines Staustrahltriebwerks.In the example shown, the chamber 10 has a cylindrical shape with a circular cross-section and in the outlet direction of the air (arrow A) an upstream, sealed section, an injection ring 20 for injecting a flow of gaseous fuel and a sealed downstream section 14. The inner surfaces of the sections 12, 14 and the injection ring 20 form the inner, continuous, cylindrical wall of the chamber of a ramjet engine.
Die äußere Oberfläche des Ringes 20 begrenzt eine Kammer 22 zur Brennstoffinjektion, die mit einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Brennstoff ist z. B. Wasserstoff, der im gasförmigen Zustand injiziert wird, wobei der in der Injektionskammer 22 herrschende Druck höher als der ist, der in der Brennkammer des Staustrahltriebwerks herrscht.The outer surface of the ring 20 defines a fuel injection chamber 22 which is connected to a fuel source (not shown). The fuel is, for example, hydrogen which is injected in the gaseous state, the pressure prevailing in the injection chamber 22 being higher than that prevailing in the combustion chamber of the ramjet engine.
Der Ring 20 ist ein einstückiges Teil aus einem porösen Verbundmaterial mit einer Keramik- oder Kohlenstoffmatrix. Die Porosität des Grundmaterials des Rings 20 verleiht diesem die Permeabilität, die erforderlich ist, um die Injektion des Gasbrennstoffstromes durch Transpiration über den Injektionsring zu ermöglichen. Die in die Brennkammer injizierte Brennstoffmenge wird durch die Porosität des Injektionsringes, dessen Länge und die Druckdifferenz zwischen den äußeren und inneren Flächen des Ringes bestimmt.The ring 20 is a one-piece part made of a porous composite material with a ceramic or carbon matrix. The porosity of the base material of the ring 20 provides it with the permeability required to allow the injection of the gaseous fuel stream by transpiration across the injection ring. The amount of fuel injected into the combustion chamber is determined by the porosity of the injection ring, its length and the pressure difference between the outer and inner surfaces of the ring.
Das Grundmaterial des Rings 20 ist ein Verbundmaterial, das aus einer faserigen, teilweise durch ein Keramik- oder Kohlenstoffmaterial verdichteten Verstärkung besteht. Zur Herstellung des Ringes wird eine ringförmige Vorform gefertigt, die die faserige Verstärkung bildet. Die Vorform ist aus Kohlenstoff- oder Keramikfasern, z. B. aus Fasern im wesentlichen aus Siliciumkarbid hergestellt. Die faserige Formform wird beispielweise durch Bewickeln eines Mandrins mit einem Gewebeband bis zum Erreichen der gewünschten Dicke hergestellt. Die übereinander angeordneten Gewebeschichten können untereinander durch Vernadeln oder Einsetzen von Fäden verbunden werden.The base material of the ring 20 is a composite material consisting of a fibrous reinforcement partially compacted by a ceramic or carbon material. To produce the ring, an annular preform is manufactured which forms the fibrous reinforcement. The preform is made of carbon or ceramic fibers, e.g. from fibers in the made essentially of silicon carbide. The fibrous mold is produced, for example, by winding a fabric tape around a mandrel until the desired thickness is achieved. The fabric layers arranged one above the other can be connected to one another by needling or inserting threads.
Die Verdichtung der Vorform erfolgt auf gasförmige oder flüssige Weise. Im ersten Falle erfolgt eine Verdichtung durch chemische Infiltration in der Dampfphase eines Grundmaterials der Matrix, z. B. von Siliciumcarbid oder Kohlenstoff. Im zweiten Falle wird die Vorform durch einen Zwischenstoff des Grundtmaterials der Matrix imprägniert, welche dann durch thermische Behandlung erhalten wird.The preform is densified in a gaseous or liquid manner. In the first case, densification is carried out by chemical infiltration in the vapor phase of a base material of the matrix, e.g. silicon carbide or carbon. In the second case, the preform is impregnated with an intermediate of the base material of the matrix, which is then obtained by thermal treatment.
Die Dauer der chemischen Infiltration in der Dampfphase bzw. die Anzahl der Flüssig-Thermolyse- Imprägnierungszyklen werden so gewählt, daß die gewünschte Endporosität unter Berücksichtigung der Anfangsporosität der Vorform erreicht wird. Beispielsweise kann ein Injektionsring aus Keramikmaterial C/SiC dadurch hergestellt werden, daß eine Vorform aus Kohlenstoff-Fasern gefertigt wird, die einen Volumenanteil an Fasern von etwa 35% hat, und daß diese durch chemische Infiltration in der Dampfphase von Siliciumcarbid verdichtet wird, bis eine Restporosität von etwa 40% erreicht wird.The duration of the chemical infiltration in the vapor phase or the number of liquid thermolysis impregnation cycles are selected so that the desired final porosity is achieved taking into account the initial porosity of the preform. For example, an injection ring made of ceramic material C/SiC can be produced by making a preform from carbon fibers that has a fiber volume fraction of about 35% and compacting it by chemical infiltration in the vapor phase of silicon carbide until a residual porosity of about 40% is achieved.
Im Falle eines Materials des Typs C/C wird eine spezielle Behandlung durchgeführt, um das Material gegen Oxidation zu schützen. Verschiedene Anti- Oxidations-Schutzbehandlungen der Verbundstoffe C/C sind bekannt.In the case of a C/C type material, a special treatment is carried out to protect the material against oxidation. Various anti-oxidation protection treatments for C/C composites are known.
Die Abschnitte 12, 14 der Staustrahltriebwerkskammer bestehen ebenfalls vorzugsweise aus einem Verbundmaterial mit einer Keramik- oder Kohlenstoffmatrix. Vorteilhafterweise wählt man ein Material, das eine Verstärkung und eine Matrix der gleichen Art wie der Injektionsring 20 hat. Im Gegensatz zum Ring 20 sind jedoch die Abschnitt 12, 14 dicht, wobei die Dichtigkeit durch eine mit ausreichendem Druck ausgeübte Verdichtung erreicht wird, um die Porosität der faserigen Verstärkung auszufüllen, bis das Material undurchlässig wird.The sections 12, 14 of the ramjet engine chamber are also preferably made of a composite material with a ceramic or Carbon matrix. Advantageously, a material is chosen which has a reinforcement and a matrix of the same type as the injection ring 20. However, unlike the ring 20, the sections 12, 14 are impermeable, the impermeability being achieved by compaction exerted with sufficient pressure to fill the porosity of the fibrous reinforcement until the material becomes impermeable.
Vorteilhafterweise wird die Verbindung zwischen den Abschnitten 12, 14 der Wand der Kammer 10 und dem Injektionsring 20 durch Mischverdichtung erreicht. Hierzu werden die Abschnitte 12, 14 und der Ring 20 getrennt hergestellt, wobei sie bezüglich des gewünschten Endverdichtungsgrades unvollständig verdichtet sind. Die Elemente werden dann aneinanderstoßend montiert und in einem Infiltrationsofen angeordnet, um eine Endmischverdichtung durch chemische Infiltration in der Dampfphase zu erhalten. Im Laufe der Endmischverdichtung stellt die Kontinuität des Materials der Matrix an den Grenzschichten zwischen den Abschnitten 12, 14 und dem Ring 20 die Verbindung zwischen diesen Elementen sicher. Diese abschließende Mischverdichtung wird fortgesetzt, bis der gewünschte Porositätsgrad für den Injektionsring 20 erreicht wird, wobei die Abschnitte 12, 14 ausreichend vorverdichtet wurden, um schließlich die gewünschte Dichtigkeit zu erhalten.Advantageously, the connection between the sections 12, 14 of the wall of the chamber 10 and the injection ring 20 is achieved by mixed compaction. To this end, the sections 12, 14 and the ring 20 are manufactured separately, incompletely compacted to the desired final compaction level. The elements are then assembled abutting one another and placed in an infiltration furnace to obtain a final mixed compaction by chemical infiltration in the vapor phase. During the final mixed compaction, the continuity of the material of the matrix at the interfaces between the sections 12, 14 and the ring 20 ensures the connection between these elements. This final mixed compaction is continued until the desired degree of porosity for the injection ring 20 is achieved, the sections 12, 14 having been sufficiently pre-compacted to finally obtain the desired tightness.
Aus dem vorangegangenen folgt, daß es die Verwendung von geschütztem CMC oder C/C ermöglicht, innerhalb der gleichen Struktur der Kammerwand das Verhalten bei hohen Temperaturen oder mechanischen Beanspruchungen und die Fluid-Injektionsfunktion in einer bestimmten Zone der Kammerwand zu kombinieren.From the above it follows that the use of protected CMC or C/C makes it possible to combine, within the same structure of the chamber wall, the behaviour at high temperatures or mechanical stresses and the fluid injection function in a specific zone of the chamber wall.
Die Anzahl der Injektionszonen kann größer als Eins sein, wenn man einen oder mehrere zusätzliche Injektionsringe vorsieht, um eine komplementäre Brennstoffinjektion die Injektion eines Sauerstoffträgers zur Verdünnung stromabwärts von der Bremmstoffinjektion durchzuführen. Außerdem können die Injektionszonen andere Formen als Ringformen erhalten. In allen Fällen können die Teile der Wand, die die Injektionszonen bilden, hergestellt und mit dem restlichen Teil der Wand der Kammer montiert werden, wie zuvor anhand des Injektionsringes 20 beschrieben wurde.The number of injection zones can be greater than one if one or more additional Injection rings are provided to carry out a complementary fuel injection or the injection of an oxidizer for dilution downstream of the fuel injection. In addition, the injection zones can be given shapes other than ring shapes. In all cases, the parts of the wall forming the injection zones can be manufactured and assembled with the rest of the wall of the chamber as previously described with regard to the injection ring 20.
Bei der anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsform ist die Injektion eines Gasbrennstoff- Fluids in das Innere einer Statorreaktorkammer beabsichtigt. Die Erfindung ist auch im Falle der Injektion eines flüssigen Brennstoffes anwendbar, wobei hierzu die Porosität von geschütztem CMC oder C/C in der Injektionszone angepaßt wird. Außerdem ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht auf Staustrahltriebwerkammer beschränkt, die mit Unter- oder Überschallverbrennung arbeiten und umfaßt auch Turboluftstrahltriebwerkskammer.In the embodiment described with reference to the drawing, the injection of a gas fuel fluid into the interior of a stator reactor chamber is intended. The invention is also applicable in the case of the injection of a liquid fuel, whereby the porosity of protected CMC or C/C in the injection zone is adapted for this purpose. In addition, the scope of application of the invention is not limited to ramjet engine chambers operating with subsonic or supersonic combustion and also includes turbojet engine chambers.
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