特許 7220214 非銅製溶接移行リングによってインジェクタに取り付けられた銅製燃焼室

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-01

(45)【発行日】2023-02-09

(54)【発明の名称】非銅製溶接移行リングによってインジェクタに取り付けられた銅製燃焼室

(51)【国際特許分類】

   F02K 9/62 20060101AFI20230202BHJP

   F02K 9/52 20060101ALI20230202BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20230202BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

F02K9/62

F02K9/52

B33Y10/00

B33Y80/00

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020526911

(86)(22)【出願日】2018-10-09

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-18

(86)【国際出願番号】 US2018054920

(87)【国際公開番号】W WO2019108306

(87)【国際公開日】2019-06-06

【審査請求日】2021-06-18

(31)【優先権主張番号】62/593,910

(32)【優先日】2017-12-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】594203852

【氏名又は名称】エアロジェット ロケットダイン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】リカルド，マーク ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】スタストニー，エドモンド ビー．

(72)【発明者】

【氏名】ライバーグ，リー エー．

【審査官】松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００６／００３２２１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０８－２１０１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－００３０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１３２３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１３２１０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｋ ９／６２

Ｆ０２Ｋ ９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

付加的な製造を用いて銅合金製燃焼室を設け、
前記銅合金製燃焼室に非銅製溶接移行リングを溶接し、
前記非銅製溶接移行リングに非銅製インジェクタアッセンブリを溶接することを含み、
前記非銅製インジェクタアッセンブリは、ステンレス鋼またはニッケル基合金により形成されていることを特徴とするロケットエンジンの製造プロセス。

【請求項2】

前記銅合金製燃焼室に前記非銅製溶接移行リングを溶接することは、電子ビーム溶接によって実施されることを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジンの製造プロセス。

【請求項3】

前記非銅製溶接移行リングに前記非銅製インジェクタアッセンブリを溶接することは、溶接ビードを用いることを含むことを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジンの製造プロセス。

【請求項4】

前記非銅製溶接移行リングから前記非銅製インジェクタアッセンブリを除去すること、および引き続いて前記非銅製溶接移行リングに前記非銅製インジェクタアッセンブリまたは新しい非銅製インジェクタアッセンブリを再溶接することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジンの製造プロセス。

【請求項5】

前記銅合金製燃焼室の組成が前記除去することおよび前記再溶接することを通して変化しないことを特徴とする請求項４に記載のロケットエンジンの製造プロセス。

【請求項6】

前記銅合金製燃焼室に前記非銅製溶接移行リングを溶接することは、前記銅合金製燃焼室上のバックストップに隣接して前記非銅製溶接移行リングを溶接すること、および引き続いて前記銅合金製燃焼室から前記バックストップを除去することを含むことを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジンの製造プロセス。

【請求項7】

前記銅合金製燃焼室を設けることは、選択的なレーザー溶融によって前記銅合金製燃焼室を形成することを含むことを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジンの製造プロセス。

【請求項8】

銅合金製燃焼室と、
前記銅合金製燃焼室に溶接された非銅製溶接移行リングと、
前記非銅製溶接移行リングに溶接された非銅製インジェクタアッセンブリと、
を備え、
前記非銅製インジェクタアッセンブリは、ステンレス鋼またはニッケル基合金により形成されていることを特徴とするロケットエンジン。

【請求項9】

前記銅合金製燃焼室に取り付けられた中細ノズルをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。

【請求項10】

前記非銅製溶接移行リングは、ステンレス鋼またはニッケル基合金により形成されていることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。

【請求項11】

前記非銅製溶接移行リングおよび前記非銅製インジェクタアッセンブリは、溶接ビードによって共に接合されていることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。

【請求項12】

前記非銅製溶接移行リングおよび前記銅合金製燃焼室は、電子ビーム溶接接合部によって接合されていることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。

【請求項13】

前記非銅製溶接移行リングは第１キャビティ壁部を画定し、前記非銅製インジェクタアッセンブリは第２キャビティ壁部を画定し、前記第１キャビティ壁部および前記第２キャビティ壁部はキャビティを共に画定し、前記キャビティ内に溶接ビードが配置されていることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。

【請求項14】

前記非銅製溶接移行リングは、前記非銅製インジェクタアッセンブリに寄りかかって支えられている円錐台形の内径面を有していることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２０１７年１２月２日に米国で出願された、暫定的な米国特許出願第６２／５９３，９１０号の優先権を有する。

【背景技術】

【0002】

液体推進剤ロケットエンジンは、燃料推進剤および酸化剤推進剤によって動力が供給されることがある。燃料および酸化剤は、一般に、燃焼のための燃焼室に推進剤を導くインジェクタに供給される。そして、燃焼生成物は、燃焼室の下流側のノズルを通して排出される。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本発明の例に従うロケットエンジンの製造プロセスは、付加的な製造を用いて銅合金製燃焼室を設け、銅合金製燃焼室に非銅製溶接移行リングを溶接し、非銅製溶接移行リングにインジェクタアッセンブリを溶接するプロセスを含む。

【0004】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、銅合金製燃焼室に非銅製溶接移行リングを溶接することは、電子ビーム溶接によって実施される。

【0005】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、非銅製溶接移行リングにインジェクタアッセンブリを溶接することは、溶接ビードを用いることを含む。

【0006】

上記実施例のいずれかの更なる実施例は、非銅製溶接移行リングからインジェクタアッセンブリを除去すること、および引き続いて非銅製溶接移行リングにインジェクタアッセンブリまたは新しいインジェクタアッセンブリを再溶接することを含む。

【0007】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、銅合金製燃焼室の組成が上記除去することおよび上記再溶接することを通して変化しない。

【0008】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、銅合金製燃焼室に非銅製溶接移行リングを溶接することは、銅合金製燃焼室上のバックストップに隣接して非銅製溶接移行リングを溶接すること、および引き続いて銅合金製燃焼室からバックストップを除去することを含む。

【0009】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、銅合金製燃焼室を設けることは、選択的なレーザー溶融によって銅合金製燃焼室を形成することを含む。

【0010】

本発明の例に従うロケットエンジンが、銅合金製燃焼室と、銅合金製燃焼室に溶接された非銅製溶接移行リングと、非銅製溶接移行リングに溶接されたインジェクタアッセンブリと、を備えている。

【0011】

上記実施例のいずれかの更なる実施例は、銅合金製燃焼室に取り付けられた中細ノズルを備えている。

【0012】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、非銅製溶接移行リングは、ステンレス鋼またはニッケル基合金により形成されている。

【0013】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、インジェクタアッセンブリは、ステンレス鋼またはニッケル基合金により形成されている。

【0014】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、非銅製溶接移行リングおよびインジェクタアッセンブリは、ステンレス鋼またはニッケル基合金により形成されている。

【0015】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、非銅製溶接移行リングおよびインジェクタアッセンブリは、溶接ビードによって共に接合されている。

【0016】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、非銅製溶接移行リングおよび銅合金製燃焼室は、電子ビーム溶接接合部によって接合されている。

【0017】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、非銅製溶接移行リングは第１キャビティ壁部を画定し、インジェクタアッセンブリは第２キャビティ壁部を画定し、第１キャビティ壁部および第２キャビティ壁部はキャビティを共に画定し、キャビティ内に溶接ビードが配置されている。

【0018】

上記実施例のいずれかの更なる実施例では、非銅製溶接移行リングは、インジェクタアッセンブリに寄りかかって支えられている円錐台形の内径面を有している。

【0019】

本発明の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下に簡潔に説明されることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】例示的なロケットエンジンを示す図である。

【図2】燃焼室およびインジェクタアッセンブリに取り付けられた溶接移行リングを有するロケットエンジンの断面図である。

【図3】ロケットエンジンの製造の一例を示す図である。

【図4】後に除去される犠牲部を有する燃焼室の形成を示す図である。

【図5】燃焼室への溶接移行リングの溶接を示す図である。

【図6】燃焼室からのバックストップの除去を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は、液体推進剤ロケットエンジン２０を概略的に示している。理解されるように、本発明を適用し得る多くの異なる形式の液体推進剤エンジンがある。この点では、図示されていないが、エンジン２０は、一般に、推進剤を運搬する配管と、推進剤の運搬を制御するポンプおよびバルブとを備える。

【0022】

この例では、エンジン２０は、インジェクタアッセンブリ２２に燃料（例えば、液体水素または炭化水素）および酸化剤（例えば、液体酸素）を注入するように作動可能である。インジェクタアッセンブリ２２は、一般に、インジェクタハウジング２２ａと、下流側の銅合金製燃焼室２４に燃料および酸化剤を導入するように作動可能な１つまたは複数のインジェクタエレメント２２ｂと、を備えても良い。そして、燃焼生成物は、ノズル２６を通して排出される。図示された例では、ノズル２６は、収束部２６ａ、喉部２６ｂおよび末広がり部２６ｃを有した中細ノズルである。

【0023】

ノズル２６は燃焼室２４に取り付けられており、該燃焼室２４はインジェクタアッセンブリ２２に取り付けられている。修理および／または交換の目的であるがこれに限定されない様々な理由のために、インジェクタアッセンブリ２２および燃焼室２４を分離し、そして、インジェクタアッセンブリ２２（または交換用インジェクタアッセンブリ）および燃焼室２４を再び取り付けることが望ましい。以下にさらに詳細に説明されるように、インジェクタアッセンブリ２２と燃焼室２４との間の取付は、燃焼室２４の特性および組成に不当に影響を及ぼすことを防止しながら、上記分離および再取付を促進するように適合される。

【0024】

一般に、燃焼室およびインジェクタアッセンブリは、一緒に溶接されることがある。燃焼室およびアッセンブリが同じ材料により形成されている場合には、アッセンブリおよび燃焼室の背面を分離し、そして一緒に再溶接することで、アッセンブリまたは燃焼室の特性および組成に著しい変化が生じることはない。しかし、燃焼室およびアッセンブリが異なる材料により形成されている場合には、溶接されると、材料が溶接接合部で混合する。アッセンブリおよび燃焼室が溶接接合部で後に分離される場合には、混合された組成の領域が残り得る。再溶接時には、混合された組成の上記領域は、溶接プロセスに影響を及ぼし、新しい溶接接合部の完全性に変化を生じさせ、これにより、新しい溶接接合部の特性に変化を潜在的に生じさせ得る。特に、燃焼室での使用に魅力的な銅基合金は、異なる合金、例えばニッケル基合金またはステンレス鋼に溶接される場合に上記混合を被り易い。この点では、本明細書に開示されたエンジン２０は、非銅製溶接移行リング２８を用いており、この非銅製溶接移行リング２８は、ニッケル基合金またはステンレス鋼により形成されることができるインジェクタアッセンブリ２２から、銅合金により形成された燃焼室２４の分離および除去を促進する。リング２８の使用により、さもなければ燃焼室２４および／またはインジェクタアッセンブリ２２の特性を変化させ得る組成の混合が防止される。

【0025】

図２は、銅または銅合金により形成された燃焼室２４とステンレス鋼またはニッケル基合金により形成され得るインジェクタアッセンブリ２２との間の取付の拡大図を示している。このようなケースにおいて、インジェクタアッセンブリ２２のステンレス鋼またはニッケル基合金が燃焼室２４の銅または銅合金に直接的に溶接される場合には、鋼／ニッケル合金は銅と混合し得る。このような状況を緩和するために、非銅製溶接移行リング２８は、インジェクタアッセンブリ２２と燃焼室２４との間に配置されている。より詳細には、リング２８は、溶接ライン３０に沿って燃焼室２４の頂部、例えば軸方向端面２４ａに溶接され、インジェクタアッセンブリ２２は、リング２８に溶接される。

【0026】

図示した例では、溶接ライン３０は、電子ビーム溶接によって形成された電子ビーム溶接接合部である。この点では、接合部３０は、燃焼室２４の銅または銅合金およびリング２８の材料から構成されたバイメタルの溶接接合部である。つまり、接合部３０は、該接合部３０を形成するように付加された付加的なまたは個別の溶接充填剤を有していない。一例としては、リング２８は、ニッケル基合金により形成される。

【0027】

インジェクタアッセンブリ２２は、溶接ビード３２を用いてリング２８に溶接される。例えば、溶接ビード３２は、リング２８の第１キャビティ壁部３４ａと、インジェクタアッセンブリ２２、例えばハウジング２２ａ上の第２キャビティ壁部３４ｂとによって部分的に画定されたキャビティ３４内に配置されている。キャビティ３４は、環状をなしており、リング２８およびインジェクタアッセンブリ２２の周囲に全体的に延びている。また、溶接ビード３２は、インジェクタアッセンブリ２２とリング２８との間に気密なシールを提供する。溶接ビード３２は、インジェクタアッセンブリ２２およびリング２８に加えて設けられた個別の全く異なったボディである。例えば、溶接ビード３２は、ニッケル基合金またはステンレス鋼であっても良いが、これに限定されるものではない。溶接ビード３２のニッケル基合金またはステンレス鋼は、インジェクタアッセンブリ２２のニッケル基合金またはステンレス鋼と組成が同じであっても良いしまたは異なっていても良い。

【0028】

リング２８は、インジェクタアッセンブリ２２の合わせ面に寄りかかって支えられている円錐台形状の内径面２８ａを有している。この例では、内径面２８ａは、実質的に平らな面２８ｂへと外側へフレア状に拡大し、該面２８ｂはまた、インジェクタアッセンブリ２２の合わせ面に寄りかかって支えられている。少量の溶接ビード３２が面２８ｂに沿って境界面へ溶けて浸透することがあるが、面２８ｂ／２８ａは、実質的に自由で、インジェクタアッセンブリ２２に結合されていない。つまり、溶接ビード３２は、壁３４ａ／３４ｂによってリング２８およびインジェクタアッセンブリ２２を実質的に結合している。この点では、インジェクタアッセンブリ２２を除去するために、溶接ビード３２は、リング２８および燃焼室２４からインジェクタアッセンブリ２２を解放するために、（例えば、図２の水平方向に）切断されることができる。このような切断プロセスは、特に面２８ｂの境界面に沿って、リング２８および／またはインジェクタアッセンブリ２２へと小さな距離だけ切断することもあるが、燃焼室２４からのインジェクタアッセンブリ２２の解放は、該解放が結合に責任のある溶接ビード３２であるため、上記構成要素のいずれの切断にも依存することない。従って、解放は溶接ビード３２の切断を必要とするのみである。

【0029】

その後、上記切断プロセス後に存在し得る溶接ビード３２の残りは、インジェクタアッセンブリ２２およびリング２８から除去される、または実質的に除去されても良い。同じインジェクタアッセンブリ２２が後に再び取り付けられる場合には、インジェクタアッセンブリ２２は、壁３４ａ／３４ｂがキャビティ３４を再び形成し、そして、新しい溶接ビード３２がリング２８にインジェクタアッセンブリ２２を再び取り付けるように適用されることができるように、リング２８上に再位置決めされることができる。代替的に、同じプロセスが、新しいインジェクタアッセンブリを用いてインジェクタアッセンブリ２２を除去および交換するように適用されることができる。
図３は、本明細書で説明されているようなロケットエンジン２０を製造する例示的なプロセス５０を示している。この例では、プロセス５０は、燃焼室２４を設けるステップ５２を含む。例えば、燃焼室２４は、予め製造された構成要素として燃焼室２４を備え付けることによって５２で設けられても良い。代替的に、設けるステップ５２は、三次元印刷と呼ばれることもある付加的な製造を用いて燃焼室２４を作製することを含んでも良い。例示の付加的な製造プロセスは、選択的なレーザ焼結を含んでも良いが、これに限定されるものではない。
そして、ステップ５４では、リング２８は、燃焼室２４に溶接される。上述したように、電子ビーム溶接が、燃焼室２４にリング２８を溶接するように使用されることができる。ステップ５４に続いて、ステップ５６では、リング２８にインジェクタアッセンブリ２２を溶接する。一例として、この溶接は、上述した溶接ビード３２の使用を含むことができる。
図４、図５および図６は、プロセス５０のさらなる例を図示している。例えば、図４は、燃焼室２４の形成を図示している。この例では、燃焼室２４は、破線領域６０内に示された犠牲部を用いて最初に形成される。この犠牲部は、エンジン２０または燃焼室２４の作動におけるいかなる機能的な目的に役立つことはない。むしろ、形成後には、犠牲部６０は、例えば機械加工の作業によって除去される。この除去により、燃焼室２４の頂部にバックストップ６２が残される。例えば、バックストップ６２は、燃焼室２４の頂部の周囲に周方向に延びる環状の隆起部である。
図５は、燃焼室２４への移行リング２８の溶接の例を図示している。ここで、リング２８は、溶接作業前にバックストップ６２に隣接して位置決めされる。この点では、バックストップ６２は、燃焼室２４に対するリング２８の適切な配置を促進しても良い。また、バックストップ６２は、キャビテーションまたは反りを減少させる過剰の材料を接合部３０に沿って供給することによって接合部３０に沿った電子ビーム溶接を促進する。溶接されると、図６に図示されているように、バックストップ６２およびリング２８の一部は、燃焼室２４から除去される。従って、バックストップ６２はまた、犠牲となり、エンジン２０または燃焼室２４の作動の目的に役立たない。例えば、機械加工作業は、バックストップ６２およびリング２８の一部を切断または削って除去するように用いられることができる。特に接合部３０に沿ったバックストップ６２およびリング２８の一部の除去により、溶接および欠肉の終端を除去し、これにより、滑らかで連続的な接合部３０が設けられる。この後続の機械加工作業は、溶接の入口および終端の影響を除去し、接合部の不連続性を生じさせないことを意図している。
バックストップ６２の除去後には、インジェクタアッセンブリ２２がリング２８に溶接されることができる。インジェクタアッセンブリ２２の存在がバックストップ６２の除去を妨げる場合には、リング２８へのインジェクタアッセンブリ２２の溶接の前にバックストップ６２を除去することが有利であるが、代替的に、インジェクタアッセンブリ２２は、バックストップ６２の除去前にリング２８に溶接されることができる。
特徴部の組み合わせが図示した例に示されているが、本発明の種々の実施例の利益を実現するために、特徴部の全てが結合される必要はない。換言すれば、本発明の実施例に従って設計されたシステムは、図の任意の１つに示された特徴部の全てまたは図に概略的に示された部分の全て必ずしも含んでいない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴部は、他の例示的な実施例の選択された特徴部と組み合わされても良い。
上述の説明は、本質の例示的なものであって、限定的なものではない。開示された例への変更および修正は、本発明を逸脱することのない当業者に明らかになるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによって決定されるのみとすることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】