Un componente configurado para ser sometido a elevada carga térmica durante el funcionamiento.

Un componente (1; 101) configurado para ser sometido a una elevada carga térmica durante el funcionamiento,

que comprende una estructura de pared (6; 106) con canales de refrigeración (7, 10, 11; 107, 110, 111) adaptadospara encargarse de un flujo de refrigerante, en el que al menos un primer canal de refrigeración (7, 10; 107, 110)está adaptado para transportar el refrigerante desde una primera porción (24; 124) del componente hasta unasegunda porción (25; 125) del componente, en el que al menos un segundo canal de refrigeración (11; 111) de lasegunda porción (25; 125) está cerrado de manera que se impide al menos sustancialmente que entre el refrigeranteen el segundo canal de refrigeración cerrado (11; 111) desde un canal de refrigeración (7; 107) de la primeraporción, en el que al menos uno de dichos canales de refrigeración (7) de la primera porción (24) está dividido endos canales (10, 11) de la segunda porción (25), ese uno de los dos canales divididos está cerrado y el otro canalestá abierto de manera que el refrigerante puede entrar en el canal de refrigeración abierto (10) desde el canal derefrigeración (7) de la primera porción, caracterizado porque el canal cerrado (11) está cerrado por un miembro deinserción (212) que comprende una estructura de refrigeración (213) que tiene al menos una primera abertura (214)que permite un flujo de fuga controlado dentro del canal cerrado (11) de la segunda porción desde el al menos unprimer canal de refrigeración de la primera porción (24; 124).

Un componente configurado para ser sometido a elevada carga térmica durante el funcionamiento

Campo de la invención La presente invención se refiere a un componente configurado para ser sometido a una elevada carga térmica durante el funcionamiento, que comprende una estructura de pared con canales de refrigeración adaptados para encargarse de un flujo de refrigerante, en el que al menos un primer canal de refrigeración está adaptado para transportar el refrigerante desde una primera porción del componente hasta una segunda porción del componente.

En lo que viene a continuación, el componente se describirá para ser usado como componente de motor cohete. Esta aplicación debería considerarse como preferida. Sin embargo, también son posibles otras aplicaciones, tales como para un motor a reacción o una turbina de gas.

En funcionamiento, el componente es refrigerado activamente por un refrigerante que circula por dichos canales de refrigeración. El refrigerante además puede usarse para combustión después de haber servido como refrigerante. La presente invención está diseñada específicamente para un motor cohete de combustible líquido refrigerado regenerativamente.

El componente de motor cohete en cuestión forma una parte de una cámara de combustión y/o una tobera para expansión de los gases de combustión. La cámara de combustión y la tobera juntos se denominan comúnmente como cámara de empuje.

Durante el funcionamiento, un componente de motor cohete que forma una cámara de combustión y/o una tobera de salida está sometido a esfuerzos muy elevados. Una tobera está sometida, por ejemplo, a una temperatura muy elevada en su interior (del orden de 800ºK) y una temperatura muy baja en su exterior (del orden de 50ºK) . Como resultado de esta elevada carga térmica, se establecen estrictos requisitos sobre la elección del material, el diseño y la fabricación de la tobera. Al menos existe la necesidad de una refrigeración eficaz de la tobera.

La estructura de pared que forma la tobera tiene una forma tubular con un diámetro variable a lo largo de un eje central. Más específicamente, la estructura de pared de la tobera de salida tiene una forma cónica o parabólica. La tobera de salida normalmente tiene una proporción de diámetro del extremo de salida de popa o grande al extremo de entrada de proa o pequeño en el intervalo de 2:1 a 4:1.

La estructura de pared de la tobera de salida comprende canales de refrigeración que se extienden entre un extremo de aguas arriba y un extremo de aguas abajo de la tobera. Según un diseño previamente conocido, la estructura de pared de la tobera de salida comprende una pared interior, en la que se admite gas caliente durante el funcionamiento del motor y una pared exterior, que está más fría que la pared interior durante el funcionamiento del motor. Una pluralidad de nervios alargados está adaptada para conectar la pared interior a la pared exterior dividiendo el espacio entre las paredes en una pluralidad de canales de refrigeración.

Durante el funcionamiento del motor, puede usarse algún medio de refrigeración para que fluya a través de los canales de refrigeración. Respecto a un motor cohete, el combustible del motor cohete se usa normalmente como 45 medio de refrigeración en la tobera de salida. El motor cohete puede ser propulsado con hidrógeno o un hidrocarburo, es decir, keroseno, como combustible. De este modo, el combustible se introduce en un estado frío dentro de la estructura de pared, se reparte a través de los canales de refrigeración mientras que absorbe calor a través de la pared interior y posteriormente se usa para generar el empuje. El calor se transfiere de los gases calientes a la pared interior, más adelante al combustible, del combustible a la pared exterior y, por último, de la pared exterior a cualquier medio que la rodee. El calor también es expulsado por el refrigerante a medida que la temperatura del refrigerante aumenta por la refrigeración. Los gases calientes pueden comprender una llama generada por combustión de gases y/o combustible.

El problema básico es construir paredes de tobera refrigeradas que sean capaces de contener el gas caliente y

acelerar el gas y puedan hacerlo de un modo fiable durante un número requerido de ciclos de servicio de los motores. El refrigerante tiene que ser distribuido de un modo preciso para usar el refrigerante disponible de un modo eficiente y evitar deficiencias locales en el rendimiento de refrigeración.

Es deseable disponer conductos de refrigerante hacia y desde la tobera de tal modo que se minimice el tamaño de los colectores y la longitud de los conductos. Además, es deseable situar los colectores en áreas de la tobera donde esté protegida del elevado nivel de vibración y el flujo externo y las cargas térmicas. Los diseños conocidos previamente no cumplen plenamente estos requisitos.

Técnica anterior

Un diseño conocido previamente es una disposición denominada de flujo de paso único. La entrada de refrigerante está en la parte superior y la salida está en la parte inferior de la tobera, o viceversa. De este modo, la dirección del flujo podría ser de recorrido ascendente o recorrido descendente. El conducto de refrigerante conectado al colector en la parte inferior de la tobera será en este caso muy largo.

Un segundo diseño conocido previamente es una disposición denominada de flujo de doble paso. La configuración de refrigerante de doble recorrido completo tiene la entrada y la salida en la misma ubicación axial, en la parte superior de la tobera. Los colectores están situados en la posición deseada y los conductos son lo más cortos posible. Sin embargo, es difícil encontrar una disposición práctica entre los colectores y la entrada a, y la salida de la estructura de pared.

Un tercer diseño conocido previamente es una disposición denominada de flujo de doble paso equilibrado. La entrada está en la parte superior de la tobera. El flujo se dirige en la misma dirección por dos canales de refrigeración adyacentes en una primera parte de la tobera. Uno de los canales conduce directamente a una salida, que está situada entre la parte superior y la parte inferior de la tobera. El otro canal se extiende hasta la parte inferior

de la tobera. El refrigerante del otro canal es conducido a la parte inferior de la tobera y posteriormente hacia arriba por el primer canal hasta la misma salida. La posición axial de la entrada y la salida están separadas y, por consiguiente, el acceso a la pared es bueno. El colector de salida tiene que estar situado a una distancia significativa del colector de entrada para conseguir una distribución casi igual entre los canales. Por lo tanto, el tamaño del colector de salida y su conducto no es de tamaño mínimo. El desequilibrio del flujo significa refrigeración ineficiente y duración reducida. La distribución de flujo másico por los dos recorridos de flujo es decisiva de la caída de presión. La distribución podría variar ya que pequeñas diferencias en las entradas, los canales, los colectores de giro y las salidas podrían afectar al flujo. Un ejemplo de una disposición de flujo de doble paso equilibrado se desvela en el documento DE2 246 075 A1.

Sumario de la invención Un primer propósito de la invención es conseguir un componente que cree condiciones para un intercambio de calor mejorado y un diseño suficiente con respecto a los conductos de refrigerante y colectores externos. El componente debería ser especialmente adecuado para un motor cohete. Especialmente, la invención tiene como objetivo un componente que cree condiciones para disponer los conductos de refrigerante hacia y desde el componente de tal manera que el tamaño de los colectores y la longitud de los conductos se minimicen. Además, la invención tiene como objetivo un componente que cree condiciones para situar los colectores en áreas del componente donde esté protegido del elevado nivel de vibración y el flujo externo y las cargas térmicas.

Este propósito se logra mediante un componente según la reivindicación 1. De este modo, partiendo de la técnica anterior, en la que al menos un segundo canal de refrigeración de la segunda porción está cerrado de manera que se impide al menos sustancialmente que entre el refrigerante en el segundo canal de refrigeración cerrado desde un canal de refrigeración en la primera porción, la invención está caracterizada porque el canal cerrado está cerrado por un miembro de inserción que comprende una estructura de refrigeración que tiene al menos una primera abertura para permitir un flujo de fuga controlado dentro del canal cerrado de la segunda porción desde el al menos un primer canal de refrigeración... [Seguir leyendo]

1. Un componente (1; 101) configurado para ser sometido a una elevada carga térmica durante el funcionamiento, que comprende una estructura de pared (6; 106) con canales de refrigeración (7, 10, 11; 107, 110, 111) adaptados 5 para encargarse de un flujo de refrigerante, en el que al menos un primer canal de refrigeración (7, 10; 107, 110) está adaptado para transportar el refrigerante desde una primera porción (24; 124) del componente hasta una segunda porción (25; 125) del componente, en el que al menos un segundo canal de refrigeración (11; 111) de la segunda porción (25; 125) está cerrado de manera que se impide al menos sustancialmente que entre el refrigerante en el segundo canal de refrigeración cerrado (11; 111) desde un canal de refrigeración (7; 107) de la primera porción, en el que al menos uno de dichos canales de refrigeración (7) de la primera porción (24) está dividido en dos canales (10, 11) de la segunda porción (25) , ese uno de los dos canales divididos está cerrado y el otro canal está abierto de manera que el refrigerante puede entrar en el canal de refrigeración abierto (10) desde el canal de refrigeración (7) de la primera porción, caracterizado porque el canal cerrado (11) está cerrado por un miembro de inserción (212) que comprende una estructura de refrigeración (213) que tiene al menos una primera abertura (214)

que permite un flujo de fuga controlado dentro del canal cerrado (11) de la segunda porción desde el al menos un primer canal de refrigeración de la primera porción (24; 124) .

2. Un componente según la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda porción (25; 125) del componente comprende un mayor número de canales de refrigeración que la primera porción (24; 124) .

3. Un componente según la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda porción (25; 125) del componente comprende el doble del número de canales de refrigeración de la primera porción (24; 124) .

4. Un componente según cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque uno de cada dos canales de

refrigeración de la segunda porción (25; 125) está cerrado de manera se impide que entre el refrigerante en los canales de refrigeración cerrados desde los canales de refrigeración de la primera porción (24; 124) .

5. Un componente según cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque el componente comprende al menos una entrada (8; 108) en la primera porción (24; 124) para entrada del refrigerante y al menos una salida (9; 109) en la segunda porción (25; 125) para salida del refrigerante.

6. Un componente según la reivindicación 5, caracterizado porque la salida (9; 109) está colocada en el canal de refrigeración cerrado de la segunda porción (25; 125) .

7. Un componente según la reivindicación 6, caracterizado porque la salida (9; 109) está dispuesta en las inmediaciones del cierre.

8. Un componente según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la estructura de pared (6; 106) está configurada para dar la vuelta al flujo de refrigerante para que fluya en una dirección opuesta en el canal cerrado (11; 111) en relación con la dirección de flujo en un canal adyacente (10; 110) en la segunda porción (25; 125) .

9. Un componente según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un extremo (15; 115) de una pared divisoria (14; 114) que está dispuesta para separar el canal cerrado (10; 110) de un canal abierto (11;

111) en la segunda porción (25; 125) , opuesta a la primera porción en una dirección longitudinal del canal de refrigeración está colocado para permitir que el flujo de refrigerante desde el canal abierto (10;110) dé la vuelta alrededor del borde de la pared y vuelva por el canal cerrado (11; 111) .

10. Un componente según la reivindicación 1, caracterizado porque una anchura de un canal de refrigeración (7) de la primera porción (24) , que coincide con un canal de refrigeración abierto (10) de la segunda porción (25) , es sustancialmente igual que una anchura total del canal de refrigeración abierto y el canal de refrigeración cerrado (10, 11) de la segunda porción en una zona de transición entre la primera y la segunda porción.

11. Un componente según la reivindicación 9, caracterizado porque dicho miembro de inserción (212) comprende

una parte de pared transversal que conecta un extremo (22) de la pared divisoria (14) a una pared de canal de refrigeración adyacente (23) .

12. Un componente según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera porción (24; 124) está dispuesta en una sección de la estructura de pared que está configurada para ser sometida a una carga térmica más elevada que la segunda porción (25; 125) .

13. Un componente según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los canales de refrigeración (7, 10, 11; 107, 110, 111) están dispuestos de una manera divergente.

14. Un componente según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el componente (1) define un espacio interior (2) para flujo de gas.

15. Un componente según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el componente (1) tiene una sección transversal circular, porque un diámetro de la sección transversal varía en una dirección axial (3) del componente y porque los canales de refrigeración (7) se extienden a lo largo del contorno del componente.