-
Vorrichtung zur Regelung des Mengenverhältnisses von Brennstoff und
Sauerstoffträger für Brennkammern Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Regelung des Mengenverhältnisses von Brennstoff und Sauerstoffträger für Brennkammern,
insbesondere von Flüssigtreibstoff-Raketen, mit getrennten, zur Brennkammer führenden
Strömungswegen für den Brennstoff und den Sauerstoffträger, Einrichttungen in jedem
Strömungskanal, die in Abhängigkeit vom Durchfluß eine Druckdifferenz erzeugen,
einer Vorrichtung zur Betätigung eines Ventils, die auf die Druckdifferenzen in
jedem Strömungskanal anspricht und zwei differentiell betätigte Elemente aufweist,
wobei die Druckanzapfungen der einen auf Durchfluß ansprechenden Einrichtungen auf
gegen-Überliegende Flächen des einen und die der anderen auf den Durohfluß ansprechenden
Einrichtungen auf gegenüberliegende Flächen .des anderen Elementes einwirken, und
mit einem Ventil, das von .der Betätigungsvorrichtung so betätigt ist, daß der Durchfluß
durch den einen Strömungskanal in Abhängigkeit vom D.urchfluß durch den anderen
Strömungskanal so geändert wird, daß das Mengenverhältnis im wesentlichen konstant
bleibt. Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise für Regelung des Mengenverhältnisses
von Luft und Brennstoff bei Vergasern bekannt. Dabei werden die Einrichtungen zur
Erzeugung der Druckdifferenzen in den beiden Strömungskanälen durch Venturidüsen
dargestellt, deren Druckdifferenzen auf Membranen einwirken, die wiederum ein den
Brennstoffzufluß regelndes Ventil betätigen. Für Anlagen, bei .denen sehr große
Druckdifferenzen auftreten, wie beispielsweise bei Flüssigtreibstoff-Raketen, lassen
sich solche Vorrichtungen nicht verwenden, weil die Membranen so kräftig ausgebildet
werden müssen, daß die Regelung ungenau wird. Da weiterhin ein Durchlecken wegen
möglicher Reaktionen unbedingt verhindert werden muß, kann man die großen auftretenden
Druckdifferenzen auch nicht einfach mit den in .der Regeltechnik üblichen, mit Spiel
eingesetzten Kolben aufnehmen.
-
Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung der oben erläuterten Art,
die trotz der großen Druckdifferenzen eine genaue Regelung erlaubt und ein Durchlecken
der Medien mit Sicherheit verhindert.
-
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Vorrichtung
zur Betätigung des Ventils ein Gehäuse mit zwei axial in einer Richtung liegenden
Abteilen aufweist, welche durch eine Trennwand voneinander getrennt sind und je
einen Kolben aufnehmen, die durch eine .durch eine Bohrung in der Trennwand hindurchfassende
Kolbenstange miteinander verbunden sind, wobei in der Bohrung der Trennwand eine
den Durchtritt von Sauerstoffträger oder Brennstoff von einem Abteil in das andere
verhindernde Dichtung vorgesehen ist, und wobei an den Umd'ängen der Kolben weitere
Dichtungen angebracht sind, die mit einer Auskleidung geringer Reibung in den Abteilen
zusammenwirken und den Durchtritt von Sauerstoffträger oder Brennstoff von einer
Seite jedes Kolbens auf die andere verhindern, und wobei das eine Ende der Kolbenstange
mit dem Ventil verbunden ist, welches direkt an eines der Abteile angeschlossen
ist.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet durch die Verwendung von
Kolben die Aufnahme der großen Druckdifferenzen und verhindert .durch die Verwendung
von Dichtungen an den Kolben und in der Trennwand ein Durchlecken der Medien, wobei
durch das Zusammenwirken der Dichtungen mit Auskleidungen geringer Reibung die ungehinderte
Bewegungsmöglichkeit der Kolben und damit die Genauigkeit der Regelung sichergestellt
wird.
-
Nach einem weiteren Merkmal wird die Wandung zwischen den Abteilen
aus zwei Trennwänden gebildet, die in Richtung der Kolbenstange im Abstand voneinander
liegen und je mit einer Bohrung mit Dichtung versehen sind, durch die die Kolbenstange
hindurchfaßt, wobei jede Trennwand in der Nähe
des Zwischenraumes
zwischen den beiden Wänden einen Sammelraum aufweist, in dem sich durch die Dichtungen
durchleckender Sauerstoffträger bzw. Bernnstoff sammelt und dann durch getrennte,
mit den Sammelräumen in Verbbindung stehende Ablaufleitungen abläuft.
-
Diese Maßnahme verhindert mit Sicherheit ein Zusammentreffen von Sauerstoffträger
und Brennstoff, das zu Reaktionen führen würde. Vorzugsweise ist nach einem anderen
Merkmal ein Nebenschluß vorgesehen, der parallel zu einer der Einrichtungen zur
Erzeugung einer Druckdifferenz liegt und ein von Hand einstellbares Ventil aufweist.
Da die Verwendung einer Nebenschlußleitung mit einem den Durchfluß einstellenden
Ventil in der Regeltechnik bereits üblich ist, wird für die genannte Maßnahme allein
in Verbindung mit dem Hauptanspruch Schutz begehrt.
-
Die Einrichtungen zur Erzeugung der Druckdifferenzen können bei einer
Ausführungsform der Erfindung durch je eine Venturidüse dargestellt werden, die
je zwei Druckanzapfungen aufweisen, welche zu den entsprechenden Kolben der Betätigungsvorrichtung
führen, wobei die Druckanzapfungen jeweils stromaufwärts der Venturidüse bzw. an
der engsten Stelle liegen.
-
Auch diese Maßnahme ist bei mit Membranen arbeitenden Regelvorrichtungen
bereits bekannt und soll deshalb ebenfalls nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch
unter Schutz gestellt werden.
-
Bei einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung weisen die Einrichtungen
in jedem Strömungskanal zur Erzeugung einer Druckdifferenz in Abhängigkeit vom Durchfluß
einen Kanal auf, in dem eine venturiartige Verengung mit festen Querschnittsabmessungen
vorgesehen ist, die stromaufwärts und stromabwärts der Verengung mit Druckzapfungen
versehen ist, wobei koaxial in dem Kanal ein zylindrischer Kolben liegt, der auf
dem Umfang mit einem Flansch versehen ist, welcher anfänglich im Bereich der engsten
Stelle der Verengung liegt und gegen die Wirkung einer Feder durch das durchströmende
Medium bewegbar ist, wodurch der Umfang des Flansches mit der engsten Stelle der
Verengung so zusammenwirkt, daß der Strömungsquerschnitt geändert wird"bis die Federkraft
durch den Durchfluß des Mediums ausgeglichen ist und der Flansch sich stromabwärts
von dem Bereich der engsten Stelle wegbewegt hat.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
beispielsweise veranschaulicht und wird im folgenden im einzelnen erläutert.
-
F i g. 1 ist ein schematischer Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß
der Erfindung; F i g. 2 ist ein Axialschnitt durch einen Teil der in F i g. 1 dargestellten
Vorrichtung; F i g. 3 zeigt einen Axialschnitt durch eine auf den Durchfluß ansprechende
Vorrichtung, die an Stelle der üblichen Venturidüsen nach F i g. 1 verwendet werden
kann; F i g. 4 ist ein Diagramm, das die Wirkungsweise der in F i g. 3 dargestellten
Einrichtung erkennen läßt. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist
die Vorrichtung mit zwei Venturidüsen 1, 2 versehen, die jeweils in einem Rohr 3
bzw. 4 liegen, in welchen Sauerstoffträger bzw. Brennstoff auf getrennten Strömungswegen
zu einer nicht dargestellten Brennkammer strömen. Parallel zur Venturidüse, die
in der Leitung für den Sauerstoffträger liegt, ist ein Nebenschlußrohr 5 vorgesehen,
in dem ein von Hand betätigtes Ventil 6 liegt, mit dem der Anteil der Gesamtmenge
des Sauerstoffträgers, der durch das Nebenschlußrohr 5 strömt, verändert werden
kann. Eine Änderung der Strömungsmenge im Nebenschlußrohr ergibt eine Änderung der
durch die Venturidüse 1 strömenden Menge, wobei die Antesle, die durch das Nebenschlußrohr
5 und durch die Venturidüse 1 strömen, bei einer gegebenen Einstellung des Nebenschlußventils
6 unabhängig von der Gesamtmenge im wesentlichen ungeändert bleiben. Der Brennstoffdurchfluß
wird von einem Ventil 7 geregelt, das stromaufwärts der Venturidüse 2 in der Brennstoffleitung
4 angeordnet ist. Das Ventil 7 ist durch eine Betätigungsstange 8 mit einer differentiell
zu betätigenden Vorrichtung 9 verbunden, die zwei Kolben 10, 11 aufweist,
welche an der Betätigungsstange 8
angebracht sind und in einem Zylinder
12 liegen, wobei die Kolben zu beiden Seiten einer mittleren Trennwand 14
des Zylinders angeordnet sind. Der am weitesten vom Ventil entfernt liegende Teil
des Zylinders 12 ist mit einer Druckanzapfung 15 verbunden, die stromaufwärts der
Venturidüse 1 von der Leitung 3 für den Sauerstoffträger abgenommen wird. Der dem
Ventil 7 am nächsten liegende Teil des Zylinders 12 ist bei 18 direkt
mit der Ventilöffnung 17 und mit dem stromaufwärts der Venturidüse 2 liegenden Teil
der Brennstoffleitung 4 verbunden, so. daß auf den Kolben 11 jederzeit im
wesentlichen der Brennstoffdruck, der stromaufwärts der Venturidüse 2 herrscht,
einwirkt. Die Teile des Zylinders 12 zwischen den beiden Kolben 10, 11 sind
mit Druckanzapfungen 19, 20 verbunden, die zu den engsten Stellen der Venturidüsen
1, 2 führen. Die Kolben 10,
11 und die Venturidüsen
1, 2 sind so ausgelegt und besitzen solche Querschnittsabmessungen, daß für
eine gegebene Durchflußmenge von Sauerstoffträger durch die Venturidüse 1 für den
Sauerstoffträger das Ventil 7 um einen Betrag geöffnet wird, der erforderlich ist,
das Mengenverhältnis aufrechtzuerhalten, auf das die Vorrichtung eingestellt ist.
Sollte sich die Durchflußmenge des Sauerstoffträgers ändern, dann würden sich die
Kolben 10, 11 der Vorrichtung 9 bewegen und ein teilweises (Offnen
oder Schließen des Ventils 7 bewirken, so daß die Brennstoffmenge entsprechend eingestellt
wird und im wesentlichen dasselbe Verhältnis von Sauerstoffträger und Brennstoff
aufrechterhalten wird. Wenn andererseits sich die Brennstoffmenge ändern sollte,
wird das Ventil 7 derart bewegt, daß die Brennstoffmenge wieder auf den ursprünglichen
Wert gebracht wird, so daß dasselbe Mengenverhältnis erhalten bleibt. Die anfängliche
Einstellung des erforderlichen Mengenverhältnisses kann durch Öffnen oder Schließen
des Ventils 6 im Nebenschlußrohr erreicht werden, wodurch der Anteil des
Sauerstoffträgers geändert wird, der statt durch die Venturidüse 1 nun durch das
Nebenschlußrohr 5 strömt. Bei dieser Anordnung können die Mengen in einem Verhältnis
gehalten werden, das sicherstellt, daß der zugeführte Sauerstoffträger und Brennstoff
im wesentlichen gleichzeitig ausgestoßen werden. Weiterhin können die Mengen in
einem Verhältnis gehalten werden, das erforderlich ist, um eine optimale Leistung
zu erhalten. Dieses Verhältnis kann über einen großen Mengenbereich aufrechterhalten
werden.
-
F i g. 2 zeigt eine praktische Ausbildungsform der differentiell betätigten
Einrichtung 9 und des Ventils 7. Dabei sind gleiche Teile wie in F i g. 1 mit den
gleichen
Bezugszeichen versehen, jedoch wurden zum besseren Verständnis für die Bereiche
der Vorrichtung 9, die mit dem Teil stromaufwärts der Venturidüse 1, der engsten
Stelle der Venturidüse 1, dem Einlaß zur Venturidüse 2 und der engsten Stelle der
Venturidüse 2 in Verbindung stehen, zur Bezeichnung die Buchstaben A, B,
C und D verwendet. Die Anzapfung 20 des Bereiches D ist in F i g. 2 nicht
dargestellt. Sie ist jedoch in ähnlicher Weise wie die Anzapfung 19 des Bereiches
B angeordnet.
-
Um sicherzustellen, daß Sauerstoffträger und Brennnstoff innerhalb
der Vorrichtung 9 auf keinen Fall in Berührung miteinander kommen, sind getrennnte
Ablaufeinrichtungen für jegliche Leckflüssigkeit vorgesehen, die um die gemeinsame
Kolbenstange 8 herum auftreten können. Jeglicher Sauerstoffträger, der um die Stange
8 herum durchleckt, sammelt sich in einem kreisringförmigen Raum 25, aus dem er
durch ein Ablaufrohr 26 abläuft. In gleicher Weise sammelt sich jeglicher Brennstoff,
der um die Stange 8 herum durchleckt, in einem kreisringförmigen Raum 27, aus dem
er durch ein dem Ablaufrohr 26 entsprechendes Ablaufrohr, das nicht dargestellt
ist, abläuft. Weiterhin ist eine kreisringförmige Zwischenplatte 28 vorgesehen,
die als Flansch an der gemeinsamen Betätigungsstange 8 ausgebildet ist, um jeglichen
Brennstoff abzulenken, der um die Stange 8 herum durchleckt und nicht durch das
Ablaufrohr abläuft, das mit dem Raum 27 in Verbindung steht, so daß er nicht mit
durchleckendem Sauerstoffträger in Berührung kommt, der in gleicher Weise nicht
durch das Ablaufrohr 26 läuft. An dem in der Nähe des Bereiches A liegenden Ende
des Zylinders 12 ist ein weiterer Ablauf 36 vorgesehen, mit dem der Sauerstoffträger
aus diesem Bereich entfernt werden kann, wenn die Vorrichtung nicht benutzt wird.
Die Kolben 10, 11 sind mit Dichtungen, wie beispielsweise O-Ringen 29, versehen,
die in zylindrischen Buchsen 30, 31 aus Polytetrafluoräthylen oder einem anderen
Material mit geringer Reibung hergestellt sind. Die Betätigungsstange 8 ist ebenfalls
mit Buchsen 32, 33 aus Polytetrafluoräthylen oder einem anderen Material mit geringer
Reibung versehen, die so angeordnet sind. daß sie in Dichtungen, wie beispielsweise
O-Ringen 34, gleiten können, die in die mittlere Trennwand 14 eingebaut sind.
Die mittlere Trennwand 14 steht durch O-Ringe 35 mit den Buchsen
30,
31 in dichtender Berührung.
-
An Stelle einer Zwischenplatte 28 kann auch eine besondere
Dichtung vorgesehen werden. An Sitelle der Buchsen können auch Überzüge aus einem
Material mit geringer Reibung benutzt werden.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform können die Venturidüsen, die mit
unveränderlichen engsten Querschnitten versehen sind, durch eine auf den Durchfluß
ansprechende Vorrichtung ersetzt werden, die eine einstellbare Charakteristik aufweist.
Eine derartige Vorrichtung ist in F i g. 3 dargestellt. Sie enthält einen bleistiftähnlichen
Kolben 60, der teleskopartig in einem festliegenden, rohrförmigen Gehäuse 61 angebracht
ist, welches von Streben 62 in Kanal 63 getragen wird, der die Brennstoff- oder
Sauerstoffträgerleitung ersetzt. Der Brennstoff bzw. der Sauerstoffträger strömt
am Kolben 60 vorbei und zwischen den Streben 62 hindurch. Das stromaufwärts liegende
Ende des Kolbens 60 ist mit einem auf dem Umfang liegenden Flansch 64 versehen,
der mit einer festen, venturiähnlichen Verengung 65 zusammenwirkt. In dem rohrförmigen
Gehäuse 61 sitzt eine Schraubendruckfeder 66 von vorbestimmter Federstärke. In der
Anfangsstellung strömt der Brennstoff oder der Sauerstoffträger zwischen dem Flansch
64 auf dem Kolben 60 und der engsten Stelle 65 hindurch. Die Auslegung der
venturiähnlichen Verengung und die Abmessungen des Flansches 65 sind so gewählt,
daß sich eine sehr steile Charakteristik ergibt, wenn die Druckdifferenz über dem
Quadrat der Durchsatzmenge aufgetragen wird, wie es durch die Linie EF in F i g.
4 angedeutet wird. Bei einer vorbestimmten Menge beginnt die Zusammendrückung der
Feder und die Neigung der die Beziehung zwischen der von der Venturiverengung bewirkten
Druckdifferenz und dem Quadrat der Durchfiußmenge kennzeichnenden Linie wird entsprechend
der Kennung der Feder verringert. Das wird durch die Linie FG dargestellt. Der Druck
wird an den Stellen 67 und 68 stromaufwärts und stromabwärts jeder Vorrichtung abgenommen
und zu einer differentiell betätigten Vorrichtung, wie beispielsweise 9 in F i g.
1, in der gleichen Weise wie bei den beiden üblichen Venturidüsen 1, 2 geführt.
Im F i g. 4 zeigt die Linie GH die Charakteristik bei voller Auslenkung des Kolbens.
Jedoch wird die Federkennung derart ausgewählt, daß diese Stellung auch bei maximalem
Durchfluß nicht erreicht wird. Die gestrichelte Linie zeigt die Beziehung zwischen
Druckdifferenz und dem Quadrat des Durchflusses für eine übliche Venturidüse, wie
sie bei 1 und 2 in Figur dargestellt sind.
-
Obwohl die beschriebenen Mittel zur Erzeugung einer Druckdifferenz
in jedem Strömungsweg entweder durch eine Venturidüse oder eine Einrichtung nach
F i g. 3 dargestellt werden, können unter gewissen Umständen auch andere Mittel
verwendet werden. Beispielsweise kann eine Blende oder eine andere geeignete Einrichtung,
die zwischen zwei Punkten in einem Strömungsweg eine Druckdifferenz hervorruft,
benutzt werden.
-
In F i g. 1 ist das ventilgesteuerte Nebenschlußrohr 5 parallel zur
Venturidüse-1 in der Leitung 3 gelegt. Selbstverständlich kann diese Nebenschlußleitung
auch parallel zu der in der Brennstoffleitung 4 liegenden Venturidüse 2 gelegt werden.