DE1905635A1

DE1905635A1 - Druckvorratsbehaelter mit Austreibmembran

Info

Publication number: DE1905635A1
Application number: DE19691905635
Authority: DE
Inventors: Karl Butter
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1969-02-05
Filing date: 1969-02-05
Publication date: 1970-08-20
Also published as: FR2033951A5

Description

Messerschmitt-Bölkow Ottobrunn, 28. Jan. I969

Gesellschaft mit SX^ Ba/wi

beschränkter Haftung BP 805
München

Druckvorratsbehälter mit Austreibmembran

Die Erfindung bezieht sich auf einen rotationssymmetrischen, insbesondere kugelförmigen Druckvorratsbehälter für Strömungsmedien mit einer darin angeordneten Austreibmembran, die den Behälter in zwei voneinander getrennte Räume unterteilt,
wovon einer das Nutzmedium, der andere das Austreibmedium
enthält. Das Nutzmedium soll durch Volumenänderung des Austreibmediums über die Membran aus dem Vorratsbehälter ausgetrieben werden·

009834/0040

-2- ' 190563G

Es sind kugelförmige Tanks für Raketentreibstoffe mit Austreibmembranen bekannt, bei denen dem Tankradius entsprechend zwei kreisförmige, konzentrisch gefaltete Membranen mit den Tankhalbkugelschalen an deren Stoßstelle miteinander dicht verbunden werden, so daß dadurch im geschlossenen Tank zwei volumengleiche Räume entstehen. Beide Räume werden mit Treibstoff gefüllt. Das Austreiben des Treibstoffes erfolgt durch Volumenvergrößerung des Raumes zwischen den beiden Membranen, die sich dadurch gleichmäßig nach außen bewegen und nach Anliegen an der Tankinnenwand allen Treibstoff austreiben sollen. Das zum Austreiben benötigte Medium wird außerhalb des Kugeltanks gespeichert.

Weiterhin sind Kugeltanks bekannt, die nur durch eine Membran in zwei Räume unterteilt sind, wovon einer mit Kraftstoff und der andere mit dem Austreibmedium gefüllt ist. Das Austreiben der Flüssigkeit erfolgt aufgrund des Druckunterschiedes zwischen Austreibmedium und Umgebung.

Bei beiden vorbekannten Arten von Kugeltanks bestehen die Membranen, um sich von der kleinen Kugelquerschnittsfläche auf die größere Halbkugelfläche ausdehnen zu können, aus elastischem Material und besitzen außerdem konzentrische Falten. Die Auffaltung dieser Membranen an den Kreisfalten erfordert aufgrund dreidimensionaler Fonnänderungsarbeit ' verhältnismäßig große Formänderungskräfte und damit einen entsprechend großen Auffangsdruckuntersehied zwischen Behälterinnenraum und Umgebung. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß der Behälter aufgrund der großen Betriebsdruckspannungen entsprechend dicke Wandstärken aufweisen muß und somit größeres Eigengewicht besitzt, was sich insofern besonders ungünstig auswirkt, als solche Druckbehälter vor allem in der Luft- und Raumfahrt Verwendung finden. Die großen Formänderungskräfte sind darauf zurückzuführen, daß die dreidimensionale Gestaltänderung der ■Membran bei konzentrischer Faltung auch dreidimensionale Formänderungsarbeit erfordert.

009834/0040

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckvorratsbehälter mit Austreibmembran zu schaffen, bei dem nur geringe Pormähderungskräfte der Membran überwunden werden müssen, so daß geringes Eigengewicht des Behälters erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Membran die Form einer zum Raum des Austreibmediums zeigenden Kuppel mit aufgebogenem Rand hat, von deren Zenith strahlenartig ausgehend und sich bis zur Berührungslinie des Membranrandes mit der Hohlfläche des Behälters erstreckend Radialfalten angeordnet sind.

Hauptvorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung ist es, daJ3 durch die strahlenartige Faltung der Membran ihre dreidimensionale Gestaltänderung praktisch nur zweidimensionale Formänderungsarbeit erfordert. Da nur die Radialfalten aufgebogen werden müssen und nicht wie bei den bisher bekannten Membranen eine über die Kreisfalte erfolgende Stülpung mit dreidimensionaler Formänderungsarbeit erforderlich ist, werden vergleichsweise geringere Kräfte für die Gestaltänderung der Membran benötigt. Die Druckdifferenz zwischen Kugelbehälterinnenraum und Umgebung kann somit gering und die Wandstärke entsprechend dünn sein, so daß die Forderung nach kleinem Eigengewicht des Druckvorratsbehälters bei maximaler Kapazität erfüll-t wird.

In günstiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckbehälters soll die Länge einer Profillinie der Membran gleich sein der Länge eines sich zwischen den Berührungspunkten mit der Membran erstreckenden Abschnittes des Profilkreises des Kugelbehälters. Dadurch wird erreicht, daß sich die Membran der Halbkugelform vollständig anpaßt, ohne daß ein toter Raum verbleibt, der mit nicht austreibbarem Kraftstoff gefüllt wäre. Die in weiterer Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung vorgeschlagene Variation der Faltentiefe, ausgehend vom Zenith der Membran mit der Tiefe Null, bis zu einem Maximal-

009834/Q(KO

wert zunehmend und dann wieder bis zum Wert Null abnehmend, dient ebenfalls der Vermeidung von Toträumen, da durch diese Maßnahme bei vollständigem Anliegen der Membran an der Kugelinnenfläche keine Falten mehr gebildet werden, so daß also die gesamte Oberfläche der Membran gleich ist der Halbkugelfläche des Behälters.

Nach einem erfindungsgemäßen Merkmal ist die Berührungslinie der Membran mit der Kugelhohlfläche des Behälters ein Kreis, der eine vereinfachte Herstellung und eine günstige Abwälzung der Membran an der Kugelwand bedingt.

Nach einem weiteren Merkmal besteht der Druckbehälter aus zwei Kugelhalbschalen, wobei der Berührungskreis von Membran und Kugelhohlfläche nur in einer der Kugelhalbschalen verläuft. Auch dieses Merkmal der Erfidnung hat besonders einfache Herstellung der Einzelteile und einfache Pertigmontage derselben zur Folge.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal hat die Membran im Querschnitt etwa die Form einer Sinuslinie, die aus Kreisabschnitten zusammengesetzt ist. Diese geometrische Form dient ebenfalls einer günstigen Herstellung^ da sie auf konventionellen Werkzeugmaschinen herstellbar ist.

Nach einem weiteren Merkmal besitzt die Membran über ihrem Profil eine unterschiedliche Wandstärke _o Insbesondere wird durch eine vergrößerte Wandstärke in der weniger zu verformenden Zone des Zeniths der Kugel eine bessere Lagestabilität der Membran bei ihrer Gestaltänderung erreichte

Schließlich soll die Membran von einer solchen Größe s daß.die beiden getrennten Räirae für Ihitziüeö.lxwi und ilrbeits medium im Kugelbehälter gleiche Volumina aufwelsem_o Es hat sich gezeigt, daß sich dann ein Optimum zwischen überdruck

24

des Austreibmediums und mittelbar daraus folgend zwischen Eigengewicht des Kugelbehälters einerseits und der gespeicher- ' ten Kraftstoffmenge andererseits ergibt.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Druckvorratsbehältern dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 eine Teilansicht gemäß Pfeilrichtung I der Fig. 1 bei abgenommener oberer Halbkugelschale des Behälters.

Der in Fig. 1 dargestellte Druckvorratsbehälter 1 besteht aus zwei Halbkugelschalen 2, 3 mit Ventilen 6, 7· Im Inneren des Behälters 1 ist eine rotationssymmetrische Austreibmembran 4 angeordnet, und zwar so, daß sie an der Stoßstelle A, C der beiden Halbkugelschalen 2, 3 in der unteren Halbkugelschale 3 befestigt ist. Die Membran 4 hat die Form einer Kuppel mit aufgebogenem Rand und stellt sich im Profil (Querschnitt) als Aneinanderreihung von drei Halbkreisbogen dar. Die Radien r, der an die Profilkreise des Kugelbehälters 1 angrenzenden Profilhalbkreise AB, CE der Membran sind so bestimmt, daß der Durchmesser besagter Halbkreise den Radius des kuppeiförmigen Teiles der Membran zum Kugelradius R ergänzt, daß die Volumina der durch die Membran 4 entstehenden abgetrennten Räume Vl, V2 gleich groß sind und daß die Bogenlänge ADC (Halbkreis) gleich ist der Länge der Profillinie ABZEC. Die Membran 4 ist in strahlenartig vom Zenith Z der Kuppel ausgehende Radialfalten 5 gelegt, die sich bis zum Berührungskreis der Membran 4 mit der Kugelhalbschale 3 erstrecken. Dabei verändert sich die Faltentiefe t vom Wert Null im Zenith Z der dw Kuppel bis zu einem Maximalwert (im Profil etwa bei den Punkten B, E) und wieder zum Wert Null am Berührungskreis AC.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eines DruckvorratsbehHlters haben lediglich die Radien der Profil-

009834/0040 - ⁶ ■

-6- " 1305635

kreise der Membran andere Größen und es ergibt sich somit aufgrund der Forderung, daß die Volumina der beiden abgetrennten Räume Vl, V2 gleich groß sein sollen, ein Berührungskreis zwischen Membran 4 und Kugelhalbschale 3, dessen Radius kleiner ist als der des Kugelbehälters. Der Einfachheit halber sind die Ventile 6, 7 in Fig. 2 weggelassen.

In der in Fig. 3 gezeigten Ansicht des Kugeldruckbehälters aus Fig. 1 sind die strahlenartig vom Zenith Z der kuppeiförmigen Membran ausgehenden Falten 5 besonders gut zu erkennen.

Im Aus gangs zustand befindet sich in dem mit V2 bezeichneten Raum des in Fig. 1 dargestellten Druckvorratsbehälters 1 die aus dem Vorratsbehälter auszutreibende NutzflUssigkeit· In dem mit Vl bezeichneten Raum befindet sich das Austreibmedium, im Regelfall ein komprimiertes Gas, das durch das Ventil 6 eingebracht wurde. Beide Ventile 6, 7 sind geschlossen, so daß im Behälter auf beiden Seiten der elastischen Membran 4 gleicher Überdruck gegen die Umgebung des Druckbehälters herrscht. Durch öffnen des Ventils 7 verschiebt sich das Druckgleichgewicht zugunsten eines Überdruckes im Raum Vl, so daß über die Membran die Nutzflüssigkeit aus dem Raum V2 durch das Ventil 7 in die Umgebung ausgetrieben wird. Dabei wälzt sich die Membran an * der Kugelinnenfläohe der Kugelhalbschale 5 ab«, Gleichzeitig mit dem Abwälzen an der Behälterwand erfolgt die Auffaltung der strahlenartigen Falten 5· Der Austreibvorgang erfolgt solange, bis die Membran an der Innenfläche der Kugelhalbschale anliegt und Punkt Z der Memore^ auf Punkt D der Kugelhalbschale 3 zu liegen kommt.

- Patentansprüche -

- 7 009834/0040

Claims

Me s s erschmitt-Bölkow
Gesellschaft mit
beschränkter Haftung
M Ü η c h e η

Ottobrunn, 28. Jan. 1969 SXJ Ba/wi BP 8

Patentansprüche

Rotationssymmetrischer insbesondere kugelförmiger Druckvorratsbehälter für Strömungsmedien mit einer darin angeordneten Austreibmembran, die den Behälter in zwei voneinander getrennte Räume unterteilt, wovon einer das Nutzmedium, der andere das Austreibmedium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (h) die Form einer zum Raum des Austreibmediums (Vl) zeigenden Kuppel mit aufgebogenem Rand hat, von deren Zenith (Z) strahlenartig ausgehend und sich bis zur Berührungslinie des Membranrandes alt der Hohlfläche des Behälters (1) erstreckend Radialfalten (5) angeordnet sind.

Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge eine r Profillinie der Membran (4; gleich ist der Länge eines sich zwischen den Berührungspunkten (AO) mit der Membran erstreckenden Abschnittes des Profiliereises des Kugelbehälters (1).

ruck■e.'c!Itv>r nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e e η η s e i c h η e t, daß die Faltentiefe (t) vom ih (*?; ausgehend "/on Null bis auf einen Maximalwert zu- « "inet danach wieder bis zum Viert Null abnimmt.

bis 4. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 HHtaj, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Berührungslinie der Membran (4) mit der Kugelhohlfläche des Behälters (1) ein ' Kreis "ist.

5. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch -g e kennzeichnet, daß er aus zwei Kugelhalbschalen (2,3) besteht und der Berührungskreis von Membran (4) und Kugelhohlfläche nur in einer der Kugelhalbschalen verläuft_o

6. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) im Quer-

W schnitt etwa -die Form einer Sinuslinie hat, 'die aus Kreisabschnitten zusammengesetzt ist.

7. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e kennz e ichne t, daß die Wandstärke der Membran (4jj über dem Profil variiert.

8. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß im gefüllten Zustand die Volumina der beiden getrennten Räume (Vl, V2) für Nutzmedium bzw. Austreibmedium gleich groß sind.

009834/OOiO