DE19937812A1 - Bauelement mit einem bei erhöhter Temperatur belastbaren Teil aus Verbundwerkstoff mit Fluidumwälzkühlung - Google Patents

Bauelement mit einem bei erhöhter Temperatur belastbaren Teil aus Verbundwerkstoff mit Fluidumwälzkühlung

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Abstract

Ein aus Verbundmaterial bestehendes Werkstück enthält eine Platte (10) und mehrere einstückig damit ausgebildete Versteifungen (12). Eine Metallwand (14) ist an den Enden der Versteifungen (12) befestigt und ist mit Kanälen (16) für die Zirkulation eines Kühlfluids ausgestattet. Die einem Wärmefluß ausgesetzte Platte strahlt in Richtung der Metallwand über die Lücken zwischen den Versteifungen und nimmt außerdem ihre bauliche Funktion wahr. Die Erfindung ist einsetzbar bei Strukturen, die einem extrem starken Wärmefluß ausgesetzt sind, beispielsweise Wänden von Jet-Brennkammern, Wänden von Raumfahrzeugen sowie Wänden von Kernfusions-Reaktoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Konstruktions-Bauelement mit einem bei erhöhter Temperatur belastbaren Teil aus Verbundwerkstoff, das durch Fluidumwälzung gekühlt wird.
Anwendungsgebiete der Erfindung sind Vorrichtungen, die im Betrieb einen sehr starken Wärmefluß oder agressiven Umgebungsbedingungen bei extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Es geht speziell um Wandelemente, die heißen Gasströmen ausgesetzt sind, so z. B. Wandelementen für Brennkammern von Jet- oder Raketenantrieben, oder Wandelemente, die intensiver Erhitzung ausgesetzt sind, so z. B. Wandelemente von Raumfahrzeugen, insbesondere in Verbindung mit dem Wiedereintritt solcher Raumfahrzeuge in die Erdatmosphäre. Es geht außerdem um Wandelemente, die als Hitzeschirme fungieren, so z. B. in Kernfusions-Reaktoren.
Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften, die sie als Konstruktionselemente tauglich machen, und aufgrund ihrer Fähigkeit, diese Eigenschaften auch bis hin zu sehr hohen Temperaturen beizubehalten, werden in den oben genannten Fällen Verbundwerkstoffe eingesetzt, die auch bei erhöhter Temperatur belastbar sind. Insbesondere geht es um Werkstoffe in Form von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen (C/C-Werkstoffe), die eine Kohlefaserverstärkung aufweisen, die mittels einer Kohlenstoffmatrix verdichtet ist. Es geht außerdem um Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMCs von ceramic matrix composites), die eine Verstärkung aus hitzebeständigen Fasern (z. B. Kohlenstoff oder Keramik) aufweisen, die von einer Keramikmatrix verdichtet ist.
Wenn solche bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoffe unter extrem widrigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden (intensiver Wärmefluß oder aggressive Atmosphäre, insbesondere eine stark oxidierende Atmosphäre), so muß man die Oberflächentemperatur des Werkstoffs begrenzen, um eine zufriedenstellende Lebensdauer zu erreichen.
Ein herkömmliches Kühlverfahren besteht darin, ein kühlendes oder "wärmeleitendes" Fluid umzuwälzen.
Es gibt Vorschläge, Fluidumwälzkanäle innerhalb eines Verbundwerkstoffs oder auf dessen Rückseite auszubilden. Da bei Hitze belastbare Verbundwerkstoffe unvermeidlich eine gewisse Restporosität aufweisen, bedingt durch ihr Herstellungsverfahren, muß man Fluiddichtigkeit für die Wände der Fluidumwälzkanäle garantieren. Verwiesen wird hierzu auf das US-Patent 5 583 895.
Es gibt außerdem Vorschläge, ein Verbundmaterial-Werkstück mit einem aus Metall, beispielsweise Kupfer bestehenden Substrat zu verbinden, welches durch ein zirkulierendes Kühlfluid gekühlt wird. Ein schwer zu lösendes Problem dabei ist das Verbinden der beiden Teile miteinander, da die Teile signifikant voneinander verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, verwiesen sei hierzu auf die WO 98/03 297.
Die oben angesprochenen Teile bekannter Bauelemente werfen also Probleme hinsichtlich ihrer Fertigung auf. Darüberhinaus sind die Bauelemente relativ schwer, was zumindest in einigen Anwendungsbereichen ein schwerwiegender Nachteil ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Bauelements mit einem Werkstück aus einem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff, welches durch Fluidumwälzung abgekühlt wird, und welches ohne die gleichen Schwierigkeiten gefertigt werden kann, die sich im Stand der Technik ergeben.
Für die Erfindung soll außerdem ein Bauelement geschaffen werden, welches im Vergleich zu bekannten Bauelementen wesentlich leichter ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Bauelement mit einem Werkstück aus einem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff, welches mit einer Metallwand verbunden ist, die ihrerseits mit Fluidumwälzkanälen ausgestattet ist, wobei in dem Bauelement das Verbundmaterial- Werkstück eine Platte und mehrere integral mit der Platte ausgebildete und auf einer Seite der Platte mit Abstand voneinander angeordnete Versteifungen aufweist und die Metallwand an endseitigen Kanten der Versteifungen befestigt ist.
Ein solches Werkstück aus einem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff widersteht Wärmefluß und mechanischen Belastungen, und es strahlt von seiner Rückseite in Richtung des Metallwerkstücks über die zwischen den Versteifungen befindlichen Lücken Wärme ab. Im Gegensatz zum Stand der Technik vereinfacht diese Entkopplung thermischer und mechanischer Effekte die Fertigung des Bauelements.
Insbesondere werden folgende Vorteile erzielt:
  • - die aus bei Hitze belastbarem Verbundwerkstoff bestehende Platte, die durch die Versteifungen versteift wird, kann ihrerseits dünn ausgebildet sein, so daß sie lediglich eine Haut bildet, wodurch die gesamte Anordnung äußerst leicht wird, dabei aber immer noch ihre baulichen Funktionen erfüllt;
  • - da die aus Verbundwerkstoff bestehende Platte dem Wärmefluß an ihrer der mit den Versteifungen versehenen Seite abgewandten Vorderseite ausgesetzt ist, erfolgt ein Wärmetransfer durch Wärmeleitung durch die Platte hindurch aufgrund von Strahlung in den Lücken zwischen den Versteifungen von der Rückseite der Verbundwerkstoff-Platte zu der Metallwand, außerdem durch erzwungene Konvektion des Fluids, welches durch die Kanäle in der Metallwand strömt;
  • - die Metallwand und das Werkstück aus dem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff werden lediglich über die endseitigen Kanten der Versteifungen zusammengebaut, d. h. in diskontinuierlicher Weise und an solchen Stellen, die am weitesten von dem Bereich der Platte entfernt sind, der dem Wärmefluß ausgesetzt ist. Als Folge davon werden thermomechanische Spannungen minimiert, die gesamte Anordnung wird vereinfacht;
  • - da die bauliche Funktion von dem aus dem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff bestehenden Werkstück übernommen wird, kann man eine dünne Metallwand verwenden, die mit Fluidumwälzrohren bestückt ist, um dadurch die Gesamtmasse des Bauelements zu minimieren; und
  • - das aus bei Hitze belastbarem Verbundwerkstoff bestehende Werkstück und die Metallwand können bei der Endmontage des Bauteils zusammengebaut werden, beispielsweise durch Hartlöten oder auf mechanischem Wege, um dadurch die Möglichkeit zu erhalten, Strukturen komplexer Gestalt zu fertigen, beispielsweise solche mit doppelter Krümmung.
Die Erfindung soll auch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements schaffen, welches den oben beschriebenen Aufbau besitzt.
Bei dem Herstellungsverfahren wird ein Faservorformling für das Verbundmaterial-Werkstück angefertigt, indem Vorformling-Elemente, die der Platte und den Versteifungen entsprechen, zusammengebaut werden, der Vorformling dann verdichtet wird, um das Verbundmaterial-Werkstück zu erhalten, und anschließend die Metallwand an den endseitigen Rändern der Versteifung fixiert wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht durch eine Ausführungsform eines Bauelements gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3A bis 3C Diagramme, die die aufeinanderfolgenden Schritte einer ersten Implementierung eines Verfahrens zum Fertigen des Werkstücks aus bei Hitze belastbarem Verbundwerkstoff eines in Fig. 1 gezeigten Bauelements veranschaulichen;
Fig. 4A und 4B Diagramme, die die aufeinanderfolgenden Schritte einer zweiten Implementierung eines Verfahrens zum Herstellen des Werkstücks aus bei Hitze belastbarem Verbundmaterial für ein Bauelement der in Fig. 1 gezeigten Art veranschaulichen; und
Fig. 5A und 5B Diagramme, die die aufeinanderfolgenden Schritte bei einer dritten Implementierung eines Verfahrens zum Fertigen des aus bei Hitze belastbarem Verbundwerkstoff bestehenden Werkstücks für ein Bauelement veranschaulichen.
Fig. 1 ist eine Querschnittansicht durch ein Konstruktions-Bauelement, welches eine dünne Platte oder Haut 10 aus Verbundwerkstoff, Versteifungen 12, die integral oder einstückig mit der Haut 10 ausgebildet sind und auf deren Rückseite 10a liegen und voneinander beabstandet sind, und eine Metallwand 14 mit Kanälen 16 für die Umwälzung eines Kühlfluids aufweist, wobei die Metallwand an den endseitigen Kanten oder Stirnflächen der Versteifungen fixiert ist.
Das die Platte 10 und die Versteifungen 12 aufweisende Werkstück ist aus einem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff gefertigt, insbesondere aus einem C/C- oder einem CMC-Verbundwerkstoff, beispielsweise einem C/SiC-Verbundwerkstoff aus einer Kohlefaserverstärkung, die mittels einer Matrix aus Siliziumkarbid oder im wesentlichen Siliziumkarbid verdichtet ist. Das Vorhandensein der Versteifungen 12 macht es möglich, dem Bauteil eine Struktureigenschaft aufzuprägen, wobei das Bauteil dennoch eine Platte 10 und eine Metallwand 14 mit relativ geringer Dicke aufweist, um dadurch zu gewährleisten, daß die fertige Anordnung eine sehr geringe Masse besitzt.
Bei dem dargestellten Beispiel haben die Versteifungen 12 die Form von zueinander parallelen, geradlinigen Rippen, die zwischen sich Lücken 20 bilden.
Beispielsweise ist die Metallplatte 14 ein dünnes Kupferblechstück, auf dessen Rückseite 14a durch Schweißen Rohre 18 befestigt sind, die die Kanäle 16 bilden.
In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Metallwand 14 an den Stirnflächen der Versteifungen 12 durch Hartlöten fixiert. Zu diesem Zweck wird auf den Stirnflächen der Versteifungen eine Schicht aus einer Hartlöt-Legierung 22 aufgebracht, die Metallwand 14 wird zusammen mit den daran befestigten Rohren 18 in Berührung mit den Versteifungen gebracht, auf denen sich die Hartlöt-Legierung befindet, und anschließend wird die gesamte Anordnung erhitzt.
Die Diskontinuität der Bindung an der Metallwand und der Abstand zwischen der Verbindungszone und der Haut 10, die dem Wärmefluß ausgesetzt ist, beschränken die thermomechanischen Spannungen, die sich aus der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des bei Hitze belastbaren Verbundmaterials der Versteifungen 12 und des die Wand 14 bildenden Metalls ergeben, was den Hartlötprozeß vereinfacht. Außerdem besteht nicht die Notwendigkeit, die Ränder der Versteifungen zu metallisieren, um dadurch das Haften der Hartlötlegierung zu steigern.
Als Hartlötlegierungen lassen sich unter anderem beispielsweise die Legierungen einsetzen, die unter der Handelsbezeichnung "Cu-ABA" oder TiCuSil von der US-Firma Wesgo, Inc. vertrieben werden.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ist die Metallwand 14 an den Stirnflächen der Versteifungen 12 durch Schrauben 24 befestigt. Beispielsweise können die Schrauben aus einem hitzebeständigen Metall bestehen, beispielsweise Molybdän oder einer Molybdän-Legierung, rostfreiem Stahl, einer Nickel-Kobalt-Legierung oder aus einem Keramikwerkstoff. Um die Schrauben 24 aufnehmen zu können, werden die Endabschnitte 12a der Versteifungen vorzugsweise vergrößert ausgebildet.
Im Einbauzustand und im Betrieb wird das Bauelement dem Wärmefluß über die Vorderseite 10a der Haut 10 ausgesetzt. Es erfolgt ein Wärmetransfer aufgrund von Wärmeleitung durch die Haut 10, anschließend aufgrund von Strahlung in den Lücken 20 zwischen den Versteifungen 12 und in Richtung der Wand 14, wobei die Wärme dann von dem in den Kanälen 16 zirkulierenden Kühlfluid aufgenommen wird.
Entlang den Versteifungen 12 gibt es praktisch keine Wärmeleitung. Da außerdem die Haut 10 sehr dünn ist, kann die Materialauswahl für die Haut 10 und die Versteifungen aus solchen Werkstoffen erfolgen, die nicht notwendigerweise einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten besitzen. Abhängig vom Einsatzgebiet und insbesondere in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen besteht also die Möglichkeit, C/C- Verbundwerkstoffe oder CMCs auszuwählen, wobei sich CMCs insbesondere für den Einsatz in einer oxidierenden Atmosphäre eignen. Geeignete CMCs enthalten Verbundwerkstoffe vom Typ C/SiC.
Fig. 3A bis 3C zeigen eine erste Implementierung eines Verfahrens zum Herstellen eines Werkstücks aus der Haut 10 und der Versteifung 12.
Für die Haut 10 und für die Versteifung 12 werden separat Faservorformlinge 10' und 12' (Fig. 3A und 3B) hergestellt.
Beispielsweise erhält man die Vorformlinge 10' durch Übereinanderlegen von Faserstoff-Lagen, beispielsweise Tuch- oder Filzlagen, oder von unidirektionalen Flachstücken aus Fäden oder Schnüren, die ihrerseits in unterschiedliche Richtungen übereinandergelegt werden. Die Lagen werden dann untereinander verbunden, beispielsweise durch Nadeln in Querrichtung des Lagenstapels.
Die Vorformlinge 12' haben einen T-förmigen Querschnitt. Sie können ebenfalls durch Übereinanderlegen von Faserstoff-Lagen angefertigt werden, wobei die Lagen rechtwinklig abgebogen werden. Die Vorformlinge 12' können durch Verfestigung in ihrer Form erhalten werden. Zu diesem Zweck werden die Lagen mit einem Bindemittel imprägniert, und sie werden mit Hilfe geeigneten Werkzeugs so lange in der gewünschten Form gehalten, bis das Bindemittel sich verfestigt hat. Als Bindemittel kann z. B. ein Harz verwendet werden. Die Menge des verwendeten Bindemittels wird so gewählt, daß sie gerade ausreicht, den Vorformlingen ausreichende mechanische Festigkeit zu verleihen, damit sie gehandhabt werden können.
Die Vorformlinge 12' werden mit dem Vorformling 10' (der ebenfalls verfestigt sein kann) zusammengesetzt, beispielsweise durch Nähen oder Heften (Fig. 3C).
Im Anschluß daran werden die Vorformlinge mit der Matrix aus dem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff verdichtet. Verdichtungsverfahren mit Hilfe von Gas (chemische Dampf-Infiltration) oder mit Hilfe einer Flüssigkeit (Imprägnierung mit einem Vorläufermaterial für die Matrix, gefolgt von einer Wärmebehandlung) sind für die Fertigung von C/C- und CMC-Verbundwerkstoffen bekannt.
Das für die Verfestigung der Vorformlinge 12' und möglicherweise auch des Vorformlings 10' verwendete Bindemittel wird entweder durch während der Verdichtung anfallende Wärme entfernt, oder es wird transformiert in einen Kohlenstoffrest, beispielsweise dann, wenn das Bindemittel ein Harz mit einem von Null verschiedenen Koksanteil ist.
Fig. 4A und 4B zeigen eine weitere Implementierung der Anordnung aus der Haut 10 und den Versteifungen 12.
Ein Faservorformling 13' mit sowohl Vorformlingsbereichen für die Haut 10 als auch solchen für die Versteifungen 12 wird auf direktem Weg dadurch hergestellt, daß man Faserstoff-Lagen stapelt, denen die benötigten Formen und Abmessungen verliehen wurden (Fig. 4A).
Der Vorformling 13' kann dann mechanisch durch Nähen oder Heften verfestigt werden (Fig. 4B), bevor er durch die Matrix aus dem Verbundwerkstoff verdichtet wird, er kann aber auch direkt verdichtet werden. Zumindest bei Beginn des Verdichtungsprozesses wird der Vorformling 13' mit Hilfe von Werkzeug in seiner Form gehalten.
Schließlich zeigen die Fig. 5A und 5B eine weitere Implementierung der Anordnung aus der Haut 10 und den Versteifungen 12.
Ein Rohling 15 in Form einer dicken Platte aus dem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff wird hergestellt (Fig. 5A) durch Verdichten von Lagen eines Faservorformlings 16 aus Faserstoff, der optional durch Nadeln gebunden werden kann. Beim dargestellten Beispiel sind die Lagen 16 flach übereinandergelegt.
Die Versteifungen 12 werden durch Materialabtragung zur Bildung der Lücken 20 ausgebildet (Fig. 5B).
Die Implementierung hat den Vorteil, daß der Vorformling für das bei Hitze belastbare Verbundmaterial leichter herzustellen ist, hat allerdings den Nachteil, daß beträchtlicher Materialverschnitt anfällt.

Claims (12)

1. Bauelement, mit einem Werkstück (10, 12) aus einem bei Hitze belastbaren Verbundwerkstoff, welches mit einer Metallwand (14) verbunden ist, die mit Fluidumwälzkanälen (16) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus Verbundwerkstoff eine Platte (10) und mehrere einstückig mit der Platte ausgebildete und auf deren einer Seite gelegene Versteifungen (12) aufweist, wobei die Versteifungen voneinander beabstandet sind, und die Metallwand (14) an den Enden der Versteifungen (12) befestigt ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwand (14) durch Hartlöten an den Versteifungen (12) befestigt ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwand (14) an den Versteifungen (12) durch mechanische Verbindungsmittel befestigt ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bei Hitze belastbare Verbundmaterial ausgewählt ist aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien und Keramikmatrix- Verbundmaterialien.
5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bei Hitze belastbare Verbundmaterial vom Typ Kohlenstoff/Siliziumkarbid ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwand (14) eine Platte ist, auf deren einer Seite sich Rohre (18) befinden, die Fluidumwälzkanäle bilden.
7. Verfahren zum Fertigen eines Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • 1. Herstellen eines Faservorformlings für das Verbundmaterial- Werkstück durch Zusammenbauen der Vorformlingselemente entsprechend der Platte und den Versteifungen;
  • 2. Verdichten des Vorformlings, um das Verbundmaterial- Werkstück zu erhalten; und
  • 3. Befestigen der Metallwand an den Enden der Versteifungen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Vorformlinge getrennt für die Platte einerseits und die Versteifungen andererseits angefertigt werden und die Vorformlinge vor dem Verdichten zusammengesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlinge durch Heften oder Nähen zusammengesetzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorformling für das Verbundmaterial-Werkstück mit Vorformling-Bereichen für die Platte und für die Versteifungen dadurch hergestellt wird, daß Faserstoff-Lagen übereinandergelegt und geformt werden.
11. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • 1. Herstellen eines Faservorformlings durch Übereinanderlegen von Faserstofflagen;
  • 2. Verdichten des Faservorformlings, um einen Rohling zu erhalten;
  • 3. materialabtragendes Bearbeiten des Rohlings, um die Versteifungen zu bilden, indem das Material entfernt wird, welches die Lücken zwischen den Versteifungen füllt; und
  • 4. Befestigen der Metallwand an den Enden der Versteifungen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinandergelegten Faserstofflagen untereinander durch Nadeln verbunden werden.
DE19937812A 1998-08-14 1999-08-11 Bauelement mit einem bei erhöhter Temperatur belastbaren Teil aus Verbundwerkstoff mit Fluidumwälzkühlung Ceased DE19937812A1 (de)

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