ES2261667T3 - Boquilla de salida y procedimiento de fabricacion de la misma. - Google Patents
Boquilla de salida y procedimiento de fabricacion de la misma.Info
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Abstract
Boquilla de salida (10) para utilizarla en un motor de cohete de combustible líquido, dicha boquilla formando un cuerpo de revolución que tiene un eje (11) de revolución y una sección transversal que varía en diámetro a lo largo de dicho eje y provista de una estructura de pared que comprende una pluralidad de canales de refrigeración mutuamente adyacentes (12), que se extienden helicoidalmente sustancialmente en paralelo desde dicho extremo de admisión (13) de la boquilla hasta su extremo de salida (14), caracterizada porque la boquilla (10) comprende por lo menos dos secciones longitudinalmente dispuestas (10a, 10b) y porque existen un desplazamiento entre un ángulo de canal positivo y uno negativo en la transición desde una sección a la sección adyacente.
Description
Boquilla de salida y procedimiento de
fabricación de la misma.
La presente invención se refiere al campo de las
boquillas de salida para utilizarlas en motores de cohetes de
combustible líquido, de acuerdo con el preámbulo de la subsiguiente
reivindicación 1, una boquilla de este tipo se describe en el
documento US-A. 5 221 045. También, la invención se
refiere a un procedimiento para la fabricación de estas boquillas.
La invención está especialmente pensada para utilizarla con respecto
a boquillas de salida refrigeradas para motores de cohetes
accionados por combustible líquido.
Durante el funcionamiento, una boquilla de un
cohete está sometida a tensiones muy elevadas, por ejemplo en forma
de una temperatura muy alta en su interior (de un orden de magnitud
de 800ºKelvin) y una temperatura muy baja en su exterior (de un
orden de magnitud de 50ºKelvin). Como resultado de esta elevada
carga térmica, se exigen rigurosos requerimientos en la elección del
material, el diseño y la fabricación de la boquilla de salida. Por
lo menos existe la necesidad de una refrigeración efectiva de la
boquilla de salida.
La refrigeración se proporciona uniendo
longitudes individuales de tubos en la superficie interior de la
boquilla. La geometría de cada tubo es de tal forma que debe
adaptarse a la forma cónica o parabólica de la boquilla.
Adicionalmente, toda la superficie interior de la boquilla debe
estar cubierta para evitar "puntos calientes" lo cual podría
resultar en un fallo prematuro de la boquilla. Cada boquilla tiene
una relación del diámetro desde el extremo de salida posterior o
mayor de la boquilla hasta el extremo de admisión anterior o menor
de la boquilla. Las relaciones típicas de los diámetros varían desde
2:1 hasta 3:1.
De acuerdo con un procedimiento anteriormente
conocido de fabricación de una boquilla de salida refrigerada, se
utilizan tubos rectangulares de sección transversal constante
fabricados de acero a partir de níquel o acero inoxidable, tubos los
cuales se disponen paralelos unos con otros y soldados juntos.
Los tubos están helicoidalmente enrollados de
tal modo que forman un ángulo de hélice con relación al eje
longitudinal de la boquilla, ángulo el cual aumenta progresivamente
desde el extremo de admisión de la boquilla hasta su extremo de
salida para formar una pared de la boquilla en forma de campana. El
escape del motor de cohete que fluye a lo largo de la superficie
interior de una boquilla de este tipo provista de tubos
helicoidalmente dispuestos resulta en una fuerza de reacción en
ángulo que crea un momento de balanceo en el cohete que tiene que
ser compensado por algunos medios adicionales. Estos medios
adicionales a menudo conducen a un incremento del peso y una
resistencia incrementada al flujo. Disponer canales largos sin un
incremento en la sección transversal también afectará negativamente
a la resistencia al flujo refrigerante.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una boquilla y un procedimiento para fabricarla que
evita los problemas descritos antes. Esto se consigue por medio de
la boquilla de acuerdo con la invención, la cual está caracterizada
porque comprende por lo menos dos secciones longitudinalmente
dispuestas y porque existe un desplazamiento entre un ángulo de
canal positivo y uno negativo en la transición desde una sección a
la sección adyacente. Como resultado de la invención, es posible
reducir el momento de balanceo creado por los canales de tubos
helicoidales.
De acuerdo con una realización ventajosa de la
invención, los diferentes ángulos de los canales de refrigeración en
las secciones de la boquilla están adaptados para amortiguar las
fuerzas de reacción que se origina a partir del escape que fluye
pasando por los canales. De esta manera, es posible evitar
completamente el momento de balanceo.
De acuerdo con otra realización de la invención,
cada canal de refrigeración se extiende helicoidalmente con respecto
al eje longitudinal de la boquilla.
De acuerdo con una realización de la invención,
los canales en cada sección tienen una sección transversal constante
a lo largo de sus longitudes.
Alternativamente, el área de la sección
transversal de los canales de dos secciones adyacentes de la
boquilla puede ser diferente. En esta realización, el área de la
sección transversal de los canales de la boquilla es preferiblemente
mayor para una sección de la boquilla aguas abajo que para una
sección de la boquilla aguas arriba.
Un procedimiento de acuerdo con la invención
está caracterizado por los pasos de la unión de una pluralidad de
canales tubulares para formar una primera sección de la boquilla de
salida en la cual los canales tienen un ángulo de hélice en relación
con el eje longitudinal de la boquilla, la unión de una pluralidad
de canales tubulares para formar una segunda sección de la boquilla
de salida en la cual los canales tienen ángulos opuestos de la
hélice en relación con el eje longitudinal de la boquilla y la unión
de dichas secciones para formar una boquilla de salida compuesta
provista de canales continuos de refrigeración
La invención se describirá adicionalmente en lo
que sigue a continuación, de un modo no limitativo, con referencia a
los dibujos que se acompañan en los cuales:
la figura 1 es una vista lateral que muestra una
boquilla de acuerdo con la invención,
la figura 2 es una vista en sección longitudinal
a través de una unión entre dos secciones, representada a mayor
escala y antes de la soldadura, y
la figura 3 muestra la unión de acuerdo con la
figura 2, después de la soldadura.
La figura 1 muestra una vista lateral
esquemática y algo simplificada de una boquilla de salida 10 la cual
está fabricada de acuerdo con la presente invención. La boquilla
está pensada para utilizarla en motores de cohete del tipo de los
que utilizan un combustible líquido, por ejemplo hidrógeno líquido.
El funcionamiento de un motor de cohete de este tipo es
anteriormente conocido por sí mismo y por lo tanto no se describe en
detalle aquí. La boquilla 10 se refrigera con la ayuda de un medio
de refrigeración el cual también preferiblemente se utiliza como
combustible en el motor de cohete particular. La invención sin
embargo no está limitada a boquillas de salida de este tipo sino que
también se puede utilizar en aquellos casos en los cuales el medio
de refrigeración se descarga después de que ha sido utilizado para
la refrigeración.
La boquilla de salida está fabricada con una
forma exterior que es sustancialmente en forma de campana. Por lo
tanto, la boquilla 10 forma un cuerpo de revolución provisto de un
eje de revolución 11 y una sección transversal que varía en diámetro
a lo largo de dicho eje.
La boquilla de la figura 1 comprende tres
secciones longitudinalmente dispuestas 10a, 10b, 10c. Es posible
tener un número mayor o menor de estas secciones.
La pared de la boquilla de cada sección es una
estructura que comprende una pluralidad de canales de refrigeración
tubulares mutuamente adyacentes 12 que se extiende helicoidalmente
sustancialmente en paralelo uno con otro desde el extremo de
admisión de la sección hasta su extremo de salida.
Tubos rectangulares de sección transversal
constante fabricados de acero a partir de níquel, acero inoxidable o
bien otros materiales resistentes al calor pueden ser utilizados
para fabricar las secciones. En este proceso, los tubos están
dispuestos helicoidalmente en paralelo uno con otro y están soldados
juntos. El ángulo de la hélice puede aumentar progresivamente desde
el extremo de admisión 13 de la sección de la boquilla hasta su
extremo de salida 14 para formar una pared de la boquilla en forma
de campana. Los tubos se sueldan uno a otro, preferiblemente en el
exterior, mediante soldadura por láser. El interior de la boquilla
no está soldado, lo cual significa que los espacios se pueden abrir
cuando la boquilla está en funcionamiento, cuando se invierte el
ciclo térmico. El ciclo de tensión térmica máxima por lo tanto está
limitado.
Los tubos 12 de secciones adyacentes están
orientados de forma que existe un desplazamiento entre un ángulo de
canal positivo y uno negativo en la transición de una sección a la
sección adyacente. Por lo tanto, los canales de tubo en dos
secciones adyacentes tienen ángulos de hélice opuestos en relación
con el eje longitudinal 11 de la boquilla.
La figura 2 muestra una unión axial de dos
secciones antes de la soldadura que permite soldar desde el
exterior. Con este propósito, se ha practicado una muesca 15 en el
exterior radial de los extremos del tubo de cada sección. Las
muescas 15 hacen posible que el rayo láser alcance las partes
remotas interiores de los tubos para fundirlas juntas. Entonces es
posible unir los lados de los tubos rectangulares. Finalmente, como
se representa en la figura 3, se aplica un anillo 16 sobre la unión
y se suelda para formar un puente sobre el espacio entre las dos
secciones de boquilla adyacentes.
La utilización de dos o más secciones en la
boquilla de salida hace posible cambiar el área de la sección
transversal de los tubos en cada unión axial. Por ejemplo, la altura
radial de la sección transversal se puede incrementar para
proporcionar más área de flujo y reducir la caída de presión en los
canales de refrigeración. La reanudación de los tubos en la
transición de una sección a la sección siguiente incrementa el área
del flujo de la sección transversal constante del tubo. Sólo un
pequeño número de reanudaciones son necesarias para reducir la caída
de presión para que sea aceptable en los ciclos cerrados del motor.
Se necesitan colectores de distribución en las juntas para asegurar
la distribución de la presión y del flujo.
En el extremo aguas arriba de la boquilla, es
deseable mantener la sección transversal pequeña para proporcionar
el flujo de calor necesario para reducir la temperatura del
material. Aquí, el grosor del tubo se puede adelgazar proporcionando
todavía la capacidad de presión. Paredes más delgadas conducen a una
temperatura inferior del material que incrementa el ciclo de vida de
la boquilla. En el extremo aguas abajo de la boquilla, es deseable
tener un área del flujo grande para minimizar la caída de presión.
Los tubos más anchos necesitan material más grueso para mantener la
capacidad de presión. Esto está estrechamente relacionado con las
necesidades de una estructura rígida de la boquilla para soportar
la carga lateral, la presión exterior y las vibraciones.
El interior de una boquilla acabada está
provisto de ranuras helicoidales pequeñas. En el caso de un
enrollado unidireccional, la fricción de la llama crea un momento de
reacción que normalmente tiene que ser contrarrestado con algunos
medios adicionales. Desplazando el ángulo de la hélice de acuerdo
con la invención, el momento de balanceo se puede contrarrestar sin
recurrir a medios adicionales. En el caso de los motores de cohete
de ciclo expandido, la fricción incrementada conduce a que sea
transferido más calor al refrigerante y a que la turbo maquinaria
sea suministrada con más energía.
Antes de soldar los tubos unos a otros, todos
los lados de los tubos son accesibles. El lado encarado a la llama y
parte de los lados del tubo encarados a tubos adyacentes pueden
estar recubiertos con cobre. Esto mejora la transferencia de calor
desde las partes del tubo que no están directamente dispuestas a la
llama del cohete. Esto conduce a una temperatura reducida del
material en la estructura que transporta la carga.
La invención no está limitada a las
realizaciones anteriormente descritas, sino que son posibles muchas
modificaciones dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones.
Por ejemplo, la unión de las dos secciones se puede llevar a cabo de
forma diferente a la que se ha descrito.
Claims (12)
1. Boquilla de salida (10) para utilizarla en
un motor de cohete de combustible líquido, dicha boquilla formando
un cuerpo de revolución que tiene un eje (11) de revolución y una
sección transversal que varía en diámetro a lo largo de dicho eje y
provista de una estructura de pared que comprende una pluralidad de
canales de refrigeración mutuamente adyacentes (12), que se
extienden helicoidalmente sustancialmente en paralelo desde dicho
extremo de admisión (13) de la boquilla hasta su extremo de salida
(14), caracterizada porque la boquilla (10) comprende por lo
menos dos secciones longitudinalmente dispuestas (10a, 10b) y porque
existen un desplazamiento entre un ángulo de canal positivo y uno
negativo en la transición desde una sección a la sección
adyacente.
2. Boquilla de acuerdo con la reivindicación 1
caracterizada porque los ángulos diferentes de los canales de
refrigeración (12) en las secciones de la boquilla (10a, 10b) están
adaptados para compensar las fuerzas de reacción que se originan a
partir del escape que fluye pasando por dichos canales.
3. Boquilla de acuerdo con la reivindicación 1
o 2 caracterizada porque cada canal de refrigeración (12) se
extiende helicoidalmente con respecto al eje longitudinal (11) de la
boquilla (10).
4. Boquilla de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-3 caracterizada porque los
canales en cada sección (10a, 10b) tienen una sección transversal
constante a lo largo de sus longitudes.
5. Boquilla de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 caracterizada porque el
área de la sección transversal de los canales (12) de dos secciones
adyacentes de la boquilla (10a, 10b) es diferente.
6. Boquilla de acuerdo con la reivindicación 5
caracterizada porque el área de la sección transversal del
canal es mayor para una sección aguas abajo de la boquilla que para
una sección aguas arriba de la boquilla.
7. Boquilla de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-6 caracterizada porque los
canales (12) tienen una sección transversal rectangular.
8. Procedimiento para la fabricación de una
boquilla de salida (10) para utilizarla en un motor de cohete de
combustible líquido, dicha boquilla formando un cuerpo de revolución
que tiene un eje (11) de revolución y una sección transversal que
varía en diámetro a lo largo de dicho eje y provista de una
estructura de pared que comprende una pluralidad de canales de
refrigeración mutuamente adyacentes (12), que se extienden
helicoidalmente sustancialmente en paralelo desde dicho extremo de
admisión (13) de la boquilla hasta su extremo de salida (14),
caracterizado por los pasos de la unión de una pluralidad de
canales tubulares (12) para formar una primera sección (10a) de la
boquilla de salida (10) en la cual los canales tienen un ángulo de
hélice en relación con el eje longitudinal (11) de la boquilla; la
unión de una pluralidad de canales tubulares(12) para formar
una segunda sección (10b) de la boquilla de salida (10) en la cual
los canales tienen ángulos de hélice opuestos en relación con el eje
longitudinal de la boquilla; y la unión de dichas secciones (10a,
10b) para formar una boquilla de salida compuesta (10) que tiene
canales de refrigeración continuos (12).
9. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8 caracterizado porque dicha unión se realiza
por medio de soldadura láser y porque los canales tubulares (12)
están unidos mediante soldadura en el exterior de la boquilla.
10. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8 o 9 caracterizado por la formación de
canales tubulares (12) por medio de tubos provistos de una sección
transversal rectangular.
11. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 10 caracterizado por el paso de proporcionar
los bordes de encuentro de las secciones que se van a unir con
muescas (15) en el exterior, para permitir la soldadura de las
partes remotas de los canales tubulares desde el exterior de la
boquilla (10).
12. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11 caracterizado por los pasos de la
aplicación de un elemento en forma de anillo (16) para formar un
puente en el área de la muesca y la soldadura de dicho elemento a
los extremos de los canales de encuentro.
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