DE1256482B - Steuerventil fuer ein Raketentriebwerk - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 46 g -1/05

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1256482
B 781311 a/46 g
17. August 1964
14. Dezember 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil zum Regeln der Durchfiußmenge eines Arbeitsmediums, das einer Turbine zugeführt wird, die eine Pumpe zum Zuführen eines Sauerstoffträgers zur Brennkammer eines Raketentriebwerks antreibt, wobei das Steuerventil als Ventilglied einen ersten Kolben aufweist, der in Abhängigkeit von der Durchfiußmenge des von der Pumpe geförderten Sauerstoffträgers derart bewegbar ist, daß zum Konstanthalten der Betriebsdrehzahl der Turbine der Durchfluß des Arbeitsmediums geändert wird.

Es ist bereits ein Ventil dieser Art bekannt, das aber bei einer Einrichtung verwendet wird, bei der die von der Turbine angetriebene Pumpe den zersetzten Sauerstoffträger in einen Druckgasbehälter drückt, um dadurch den Sauerstoffträger in die Triebwerksbrennkammer zu fördern. Zum Anlassen wird dabei Stickstoff verwendet, der direkt aus einem Stickstoffbehälter entnommen wird, bis die Förderung der Pumpe ausreicht. Bei einer solchen Anordnung ist während des Anlaßvorgangs die Drehzahl der Turbine ohne Bedeutung, da die Pumpe nur in den Druckgasbehälter fördert. Wenn dagegen die Pumpe den Sauerstoffträger direkt in die Brennkammer fördert, muß mit Sicherheit verhindert werden, daß beim Anlassen zuviel Sauerstoffträger in die Brennkammer eingespeist wird. Dazu ist es erforderlich, gerade beim Anlaufen die Turbinendrehzahl zu begrenzen. Mit dem Steuerventil der bekannten Bauart ist eine solche Begrenzung nicht zu verwirklichen.

Ziel der Erfindung ist ein Steuerventil der oben erläuterten Art, bei dem eine Begrenzung der Turbinendrehzahl derart erreicht wird, daß beim Anlassen nicht zuviel Sauerstoffträger in die Brennkammer eingespeist wird, während im Betrieb des Raketentriebwerks das Steuerventil die Drehzahl der Turbine im wesentlichen konstant halten soll.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Steuerventil eine Einrichtung aufweist, die beim Anlaufen der Turbine betätigt wird und den möglichen Weg des ersten Kolbens in der Richtung, in der die Durchflußmenge des Arbeitsmediums zur Turbine zunimmt, begrenzt und damit auch die Drehzahl der Turbine begrenzt.

Gemäß der Erfindung wird also durch eine Begrenzung des Weges des den Durchfluß regelnden ersten Kolbens die Drehzahl der Turbine begrenzt und dadurch eine zu reichliche Versorgung der Brennkammer mit Sauerstoffträger verhindert.

Nach einem weiteren Merkmal wird bei einem Steuerventil dieser Art, bei dem der erste Kolben den Durchfluß des Sauerstoffträgers zu einem Dampf-Steuerventil für ein Raketentriebwerk

Anmelder:

Bristol Siddeley Engines Limited,

Bristol (Großbritannien)

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
und Dr. G. Manitz, Patentanwälte,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:

Victor Nigel Ferriman,

Conventry, Warwickshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 16. August 1963 (32478)

erzeuger regelt, aus dem das Arbeitsmedium der Turbine zuströmt, gemäß der Erfindung die Einrichtung zum Begrenzen des Weges des ersten Kolbens in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Druck des Arbeitsmedium an einer Stelle zwischen dem ersten Kolben und dem Dampferzeuger und dem Druck des Sauerstoffträgers in der Pumpenförderleitung betätigt.

Steuerventile zur Durchflußregelung weisen üblicherweise eine Kammer auf, durch die — auf den vorliegenden Fall angewendet — einem Dampferzeuger Wasserstoffsuperoxyd zugeführt wird, und sind mit einem ersten Kolben, der in der Kammer verschiebbar ist und zusammen mit der Kammerwandung einen Durchflußweg veränderlichen Querschnitts festlegt, dessen Querschnitt von der Stellung des Kolbens in der Kammer abhängt, mit einer federnden Einrichtung, die den ersten Kolben zur Stellung maximalen Durchflusses hindrückt, und mit zwei im Gehäuse auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Kolbens angeordneten Druckanzapfleitungen versehen, von denen die erste mit der engsten Stelle einer Venturidüse und die zweite mit einer Stelle stromaufwärts dieser engsten Stelle in Verbindung steht. Ein solches Steuerventil weist vorzugsweise gemäß der Erfindung einen zweiten Kolben auf, der mit

709 708/108

3 4

einem Ende des ersten Kolbens zum Eingriff kommen einen zylindrischen Block 12 enthält, welcher an einer und der federnden Einrichtung entgegenwirken kann, Bewegung im Gehäuse gehindert ist und eine zenwobei noch eine dritte Druckanzapfleitung vorge- irische, durchgehende Bohrung aufweist, in der ein sehen ist, die mit einem Ende zur einen Seite des erster Kolben 14 verschiebbar ist. Der Block 12 ist zweiten Kolbens führt, dessen andere Seite von der 5 mit einer inneren Kammer 15 versehen, die mit der zweiten Anzapfung beaufschlagt wird, die stromauf- durchgehenden Bohrung in Verbindung steht, und" wärts der Venturitdüse abzweigt, und deren anderes weist einen Einlaß 17 auf, der über eine Rohrleitung Ende mit der Leitung zum Dampferzeuger an einer 39 mit dem Wechselventil 8 in Verbindung steht. Ein Stelle stromabwärts des ersten Kolbens verbunden ist, Auslaß 18 des Blocks steht über eine Rohrleitung 24 so daß beim Anlassen der zweite Kolben den ersten io mit dem Dampferzeuger 2 in Verbindung. Ein Teil Kolben gegen die Wirkung der Feder so verschiebt, des Kolbens 14 ist, wie bei 16 dargestellt, verjüngt daß der Durchflußquerschnitt verkleinert und da- ausgebildet. Diese Verjüngung liegt in der Nähe der durch die Drehzahl der Turbine begrenzt wird, wäh- Kammer 15, so daß bei einer Bewegung des Kolbens rend sich nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl von links nach rechts (in der Zeichnung gesehen) der der Turbine der zweite Kolben vom ersten Kolben 15 Durchlaßquerschnitt um den verjüngten Teil 16 herwegbewegt hat, so daß sich dieser unter der Wirkung um zwischen der Kammer 15 und dem Auslaß 18 der ersten und zweiten Druckanzapfung derart be- verkleinert wird, während bei einer Bewegung des wegen kann, daß die Betriebsdrehzahl der Turbine im Kolbens von rechts nach links der Durchlaßquerwesentlichen konstant gehalten wird. schnitt vergrößert wird. Der Kolben 14 ist in Rich-

Vorzugsweise wird nach einem weiteren Merkmal 20 tung zunehmenden Durchlaßquerschnitts durch eine

der Erfindung das Absperrventil in Verbindung mit Feder 20 vorgespannt, die zwischen zwei Endkappen

einem Wechselventil benutzt, welches derart betätig- 28 und 29 angeordnet ist. Die Endkappe 28 liegt am

bar ist, daß Wasserstoffsuperoxyd entweder aus benachbarten Ende des Kolbens 14 an, während die

einem Anlaßtank oder von der Pumpe für das Was- Kappe 29 an einer Einstellschraube 21 anliegt, die

serstoffsuperoxyd durch das Steuerventil dem Dampf- 25 zum Verändern der Spannung der Feder 20 verstellt

erzeuger zugeführt wird, wobei das Wechselventil werden kann. Das Gehäuse ist mit einer Entlüftung

automatisch dann betätigt wird, wenn der Förder- 30 versehen, die an dem Ende der Einstellschraube

druck der Pumpe den Druck des aus dem Anlaßtank 21 angeordnet ist, so daß sich die Endkappe 29 im

zugelieferten Wasserstoffsuperoxyd übersteigt. Gehäuse 11 bewegen kann.

An Hand der Zeichnung soll jetzt als Beispiel ein 30 Am linken Ende des Gehäuses 11 ist ein zweiter Wasserstoffsuperoxyd-Regelsystem für ein Raketen- Kolben 22 vorgesehen, der einen größeren Quertriebwerk beschrieben werden, bei dem Wasserstoff- schnitt als der Kolben 14 besitzt und auf seiner linken superoxyd und ein Brennstoff einer Brennkammer Seite dem Druck des Wasserstoffsuperoxyds ausgedurch Rotationspumpen zugeführt werden, wobei setzt ist, der durch eine Druckanzapfleitung 23 zugewenigstens die Pumpe für das Wasserstoffsuperoxyd 35 führt wird, die oben als die dritte Druckanzapfung von einer Dampfturbine angetrieben wird, die mit bezeichnet wurde. Diese Anzapfleitung steht mit der Dampf versorgt wird, der durch das Zersetzen von Rohrleitung 24 in Verbindung, die den Auslaß 18 mit Wasserstoffsuperoxyd in einem Dampferzeuger er- dem Dampferzeuger 2 verbindet. Die rechte Seite des halten wird, welcher ebenfalls mit Wasserstoffsuper- zweiten Kolbens ist dem Druck des Wasserstoffsuperoxyd entweder aus einem Anlaßtank oder von der 40 oxyds ausgesetzt, das durch die Pumpe 5 gefördert Pumpe für das Wasserstoffsuperoxyd gespeist wird. wird. Dieser Druck wird durch eine Druckanzapf-In der Zeichnung ist außer der schematischen Dar- leitung 25 wirksam, die oben als die zweite Druckstellung des Regelsystems ein Längsschnitt durch ein anzapfung bezeichnet wurde. Stromabwärts der Steuerventil gemäß der Erfindung dargestellt. Druckanzapfung 25 ist eine Venturidüse 26 vorge-

Das im ganzen mit 1 bezeichnete Steuerventil 45 sehen, an deren engstem Querschnitt eine weitere regelt den Zustrom von Wasserstoffsuperoxyd zu Druckanzapfung 27 angeordnet ist, die oben als die einem Dampferzeuger 2, der Dampf an die Dampf- erste Druckanzapfung bezeichnet wurde. Diese Anturbine 3 liefert. Die Dampfturbine treibt über eine zapfleitung führt rechts vom Kolben 14 in das GeWelle 4 eine Pumpe 5 für das Wasserstoffsuperoxyd häuse 11.

an und kann außerdem noch die Pumpe für den 50 Das Wechselventil 8 weist zwei Einlaßventile 32

Brennstoff antreiben, die nicht dargestellt ist. Die und 33 auf, die durch eine Druckfeder 34 in die

Pumpe 5 ist mit einer Einlaßleitung 6 versehen, die Schließstellung gedruckt werden. Das Einlaßventil 32

von einem nicht dargestellten Haupttank kommt, so- öffnet oder schließt einen Einlaß einer Rohrleitung

wie mit einer Förderleitung 7, die zur nicht darge- 38, die von der Förderleitung 7 stromaufwärts der

stellten Brennkammer führt. Dem Steuerventil 1 55 Venturidüse 26 kommt. Das Ventil 33 öffnet oder

strömt das Wasserstoffsuperoxyd über ein Wechsel- schließt einen Einlaß einer Leitung 37, die vom An-

ventil 8 zu, das entweder von einem Anlaßtank 9, laßtank 9 kommt. Zwischen den Ventilen 32 und 33

der Wasserstoffsuperoxyd enthält, oder von der ist ein Auslaß vorgesehen, der mit einer Rohrleitung

Förderleitung 7 über ein Filter 10 gespeist wird. Der 39 in Verbindung steht, die mit dem Einlaß 17 des

Anlaßtank 9 ist mit Wasserstoffsuperoxyd gefüllt und 60 Steuerventils 1 in Verbindung steht,

kann eine Füllleitung 35 aufweisen. Das Wasserstoff- Die Wirkungsweise des Steuerventils und der zuge-

superoxyd wird durch Stickstoff unter Druck gehal- hörigen Teile des Regelsystems ist folgende:

ten, der durch eine Rohrleitung 36 zugeführt wird Beim Anlassen, wenn die Pumpe 5 noch nicht för-

und vom Wasserstoffsuperoxyd durch eine Membran dert und deshalb durch die Rohrleitung 38 kein

31 getrennt ist. Das unter Druck stehende Wasser- 65 Druck wirksam weiden kann, bleibt das Ventil 32

stoffsuperoxyd wird aus dem Anlaßtank 9 dem Wech- durch die Feder 34 geschlossen. Weiterhin ist auch

selventil 8 über eine Rohrleitung 37 zugeführt. über die Anzapfleitung 25 auf der rechten Seite des

Das Steuerventil 1 weist ein Gehäuse 11 auf, das Kolbens 22 kein Förderdruck wirksam. Der Druck

des Wasserstoffsuperoxyds im Anlaßtank öffnet das Ventil 33 gegen die Wirkung der Feder 34, so daß Wasserstoffsuperoxyd durch die Rohrleitung 39 strömt, in den Einlaß 17 eintritt und um den verjüngten Teil 16 des Kolbens 14, durch den Auslaß 18 sowie die Rohrleitung 24 zum Dampferzeuger 2 gelangt. Der Druck des Wasserstoffsuperoxyds in der Rohrleitung 24 wird außerdem durch die Anzapfleitung 23 auf die linke Seite des Kolbens 22 gegeben. Dieser bewegt sich somit nach rechts und kommt zur Anlage am linken Ende des Kolbens 14, der dadurch gegen die Kraft der Feder 20, die mittels der Schraube 21 voreingestellt ist, nach rechts bewegt wird. Diese Bewegung des Kolbens 14 verringert den Mengenstrom des zum Dampferzeuger 2 gelangenden Wasserstoffsuperoxyds, so daß die Drehzahl der Turbine begrenzt wird, die sonst auf Überdrehzahl kommen könnte. Wenn der Förderdruck der Pumpe 5 so weit angestiegen ist, daß er den Druck in der Rohrleitung 37 und die Kraft der Feder 34 übersteigt, ao öffnet sich das Ventil 32 und das Ventil 33 wird geschlossen. Jetzt wird Wasserstoffsuperoxyd von der Pumpe 5 dem Dampferzeuger 2 zugeleitet. Der Förderdruck der Pumpe wirkt dann über die Anzapfleitung 25 gegen die rechte Seite des Kolbens 22, der hierdurch nach links bewegt wird und die Belastung des Kolbens 14 verringert, wobei er schließlich vom Kolben 14 freikommt, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Wenn sich der Kolben 22 nach links bewegt, drückt die Feder 20 den Kolben 14 ebenfalls nach links, so daß der Durchlaßquerschnitt um den verjüngten Teil des Kolbens 14 herum vergrößert wird. Damit kann die Drehzahl der Turbine 3 auf die Betriebsdrehzahl ansteigen. Wenn diese erreicht ist, bewegt sich der Kolben 14 entsprechend der Druckdifferenz zwischen den Anzapfleitungen 25 und 27, so daß die Drehzahl der Turbine und damit auch die der Pumpe 5 in Abhängigkeit von irgendeiner Änderung der Pumpenfördermenge im wesentlichen konstant gehalten wird. Da die Enden des Kolbens gleichen Querschnitt besitzen, ist die resultierende Belastung auf den Kolben 14 gleich der Druckdifferenz zwischen den Anzapfungen 25 und 27 und der Kraft der Feder 20. Diese kann aber durch die Schraube 21 eingestellt werden, so daß sich die Betriebsdrehzahl der Turbine auf einen gewünschten Wert einstellen läßt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Steuerventil zum Regeln der Durchflußmenge eines Arbeitsmediums, das einer Turbine zugeführt wird, die eine Pumpe zum Zuführen eines Sauerstoffträgers zur Brennkammer eines Raketentriebwerks antreibt, wobei das Steuerventil als Ventilglied einen ersten Kolben aufweist, der in Abhängigkeit von der Durchflußmenge des von der Pumpe geforderten Sauerstoffträgers derart bewegbar ist, daß zum Konstanthalten der Betriebsdrehzahl der Turbine der Durchfluß des Arbeitsmediums geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (1) eine Einrichtung aufweist, die beim Anlaufen der Turbine (3) betätigt wird und den möglichen Weg des ersten Kolbens (14) in der Richtung, in der die Durchflußmenge des Arbeitsmediums zur Turbine zunimmt, begrenzt und damit auch die Drehzahl der Turbine begrenzt.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, bei dem der erste Kolben den Durchfluß des Sauerstoffträgers zu einem Dampferzeuger regelt, aus dem das Arbeitsmedium der Turbine zuströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zum Begrenzen des Wegs des ersten Kolbens (14) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Druck des Arbeitsmediums an einer Stelle zwischen dem ersten Kolben (14) und dem Dampferzeuger (2) und dem Druck des Sauerstoffträgers in der Pumpenförderleitung (7) betätigt wird.

3. Steuerventil nach Anspruch 2 mit einer Kammer, durch die einem Dampferzeuger Wasserstoffsuperoxyd zugeführt wird, mit einem ersten Kolben, der in der Kammer verschiebbar ist und zusammen mit der Kammerwandung einen Durchflußweg veränderlichen Querschnitts festlegt, dessen Querschnitt von der Stellung des Kolbens in der Kammer abhängt, mit einer federnden Einrichtung, die den ersten Kolben zur Stellung maximalen Durchflusses hinrückt, und mit zwei im Gehäuse auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Kolbens angeordneten Druckanzapfleitungen, von denen die erste mit der engsten Stelle einer Venturidüse und die zweite mit einer Stelle stromaufwärts dieser engsten Stelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (1) einen zweiten Kolben (22) aufweist, der mit einem Ende des ersten Kolbens (14) zum Eingriff kommen und der federnden Einrichtung (20) entgegenwirken kann, und daß eine dritte Druckanzapfleitung (23) vorgesehen ist, die mit einem Ende zur einen Seite des zweiten Kolbens (22) führt, dessen andere Seite von der zweiten Anzapfung (25) beaufschlagt wird, die stromaufwärts der Venturidüse (26) abzweigt und deren anderes Ende mit der Leitung zum Dampferzeuger (2) an einer Stelle stromabwärts des ersten Kolbens verbunden ist, so daß beim Anlassen der zweite Kolben den ersten Kolben gegen die Wirkung der Feder so verschiebt, daß der Durchflußquerschnitt verkleinert und dadurch die Drehzahl der Turbine begrenzt wird, während sich nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl der Turbine der zweite Kolben vom ersten Kolben wegbewegt hat, so daß sich dieser unter der Wirkung der ersten und zweiten Druckanzapfung derart bewegen kann, daß die Betriebsdrehzahl der Turbine im wesentlichen konstant gehalten wird.

4. Steuerventil nach Anspruch 3 in Verbindung mit einem Wechselventil, welches derart betätigbar ist, daß Wasserstoffsuperoxyd entweder aus einem Anlaßtank oder von der Pumpe für das Wasserstoffsuperoxyd durch das Steuerventil dem Dampferzeuger zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselventil (8) automatisch dann betätigt wird, wenn der Förderdruck der Pumpe (5) den Druck des aus dem Anlaßtank (9) zugelieferten Wasserstoffsuperoxyds übersteigt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 019 863;
britische Patentschrift Nr. 899 681.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 708/108 12.67 © Bundesdruckerei Berlin