DE19828199C2 - Absperrventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Absperrventil, insbesondere für kryogene Flüssigtreibstoffe, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Absperrventile dieser Art, wie sie als Treibstoffventile in Raketentriebwerken zum Einsatz kommen und dann vom Zündbeginn bis zum Brennschluß des Triebwerks in der geöffneten Ventilstellung verbleiben müssen, enthalten einen die Ventilumschaltung bewirkenden, druckmittelgesteuerten Aktuator in Form einer doppelt wirkenden oder einer einseitig in Richtung der Ventilschließlage federbelasteten, einfach wirkenden Kolben-Zylindereinheit und für jede der beiden Endlagen der Kolben-Zylindereinheit eine quer zur Kolbenstange der Kolben-Zylindereinheit bewegliche, formschlüssige Verriegelung, durch die die Kolben-Zylindereinheit auch noch bei einem Steuerdruckausfall sicher in der jeweiligen Ventilposition gehalten wird (DE 36 09 765 A1 bzw. DE 42 21 230 C1 und DE 43 23 846 C1). Die Verriegelung erfolgt mittels zweier entge­ gengesetzt zueinander wirkender, federnd vorgespannter Verriegelungsflächen und einer druckumsteuerbaren Mehrfach-Kolbenanordnung, durch die die je­ weils verrastete Verriegelungsfläche unter Überwindung der Federvorspannung bei einer Hubaktivierung der Kolben-Zylindereinheit aus dem formschlüssigen Eingriff mit der Kolbenstange angehoben wird, während die andere Verriege­ lungsfläche unter der Federkraft an die Kolbenstange angedrückt bleibt, bis sie am Hubende der Kolben-Zylindereinheit in eine entsprechende Ausneh­ mung der Kolbenstange einrastet. Ein derartiges Absperrventil mit gegensin­ nig druckgesteuerter Doppelverriegelung besitzt jedoch eine mechanisch re­ lativ komplizierte Bau- und Funktionsweise und ist aufgrund des Reibkontak­ tes zwischen Endlagenverriegelung und Kolbenstange während der Hubbe­ wegung relativ verschleißanfällig und insofern von begrenzter Schaltzuverläs­ sigkeit, als die Gefahr besteht, daß sich die Verriegelungsfläche und die Kol­ benstange beim Öffnungshub miteinander verklemmen und dadurch die Kol­ ben-Zylindereinheit in einer teilweise geöffneten Zwischenstellung des Ventils blockiert wird.

Aus DE 37 36 750 A1 und aus EP 0 601 794 A1 sind weitere Verriegelungen für Kolben-Zylindereinheiten bekannt, bei denen einseitig eine Verriegelung mit Hilfe eines Steuerkolbens gegen eine Federkraft erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Absperrventil der eingangs genannten Art den erforderlichen Bau- und Gewichtsaufwand zu verringern und zugleich eine erhöhte Schaltzuverlässigkeit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Ab­ sperrventil gelöst.

Aufbauend aus der Überlegung, daß eine doppeltwirkende Kolben-Zylinderein­ heit - anders als eine in Ventilschließrichtung federnd vorgespannte - selbst bei einem Steuerdruckausfall allein durch den auf den Ventilteller wirkenden Druck des ventilgesteuerten Arbeitsmediums, also insbesondere den Flüssig­ treibstoffdruck in einem Raketentriebwerk, sicher in der Ventilöffnungslage gehalten wird, wird erfindungsgemäß auf eine konstruktiv aufwendige und in beiden Hubrichtungen reibbehaftete Doppelverriegelung verzichtet und statt­ dessen die Kolben-Zylindereinheit nur in der Ventilschließlage formschlüssig arretiert. Hierdurch werden der Bau- und Gewichtsaufwand für die Endlagen­ verriegelung sowie die Verschleißanfälligkeit des Ventilantriebs deutlich redu­ ziert und das Blockrisiko merklich verringert, weil die Kolbenstange beim Öff­ nungshub vom Kontakt der Endlagenverriegelung vollständig freigehalten wird. Das erfindungsgemäße Absperrventil eignet sich daher in hervorragen­ der Weise für Anwendungsfälle, in denen sich, wie in der Raumfahrt, hohe Zu­ verlässigkeitsanforderungen unter extremen Temperaturbedingungen mit strikten Gewichtsbeschränkungen verbinden. Es ist ein Umschaltventil vorge­ sehen, welches alternativ den Steuerkolben oder einen ersten Strömungs­ mittelanschluß der Kolbenzylindereinheit mit einem Betätigungsdruck beauf­ schlagt. Der Stellweg des Steuerkolbens ist auf einen weiteren Strömungs­ mittelanschluß der Kolben-Zylindereinheit derart abgestimmt, daß in der Öff­ nungslage des Steuerkolbens der weitere Strömungsmittelanschluß mit dem Betätigigungsdruck druckmittelbeaufschlagt ist.

In bevorzugter Ausgestaltung ist der Strömungsmittelanschluß zu der den Ventilöffnungshub bewirkenden Arbeitskammer der Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 2 in der Sperrlage der Endlagenverriegelung geschlossen und in der Freigabestellung aufgesteuert, während der Strömungsmittelanschluß zu der Ventilschließkammer der Kolben-Zylindereinheit permanent geöffnet ist. Hierdurch wird erreicht, daß die den Öffnungshub bewirkende Zylinder­ kammer erst nach dem vollständigen Freischalten der Endlagenverriegelung druckaktiviert wird und sich daher auch beim Entriegelungsvorgang eine weit­ gehend verschleiß- und klemmungsfreie Arbeitsweise ergibt. Dabei erfolgt die verzögerte Druckaktivierung der Kolben-Zylindereinheit gemäß Anspruch 3 auf baulich besonders einfache, zweckmäßige Weise über eine von der Steu­ erdruckkammer des Steuerkolbens abzweigende und unmittelbar mit diesem zusammenwirkende, an die Ventilöffnungskammer der Kolben-Zylindereinheit angeschlossene Strömungsmittelöffnung.

Nach Anspruch 4 enthält der Strömungsmittelanschluß zu der Ventilöffnungs­ kammer der Kolben-Zylindereinheit vorzugsweise eine gegenüber dem Strö­ mungsmittelanschluß zur Ventilschließkammer im Querschnitt verengte Dros­ selstelle, um so die vom ventilgesteuerten Arbeitsmedium, also typischerweise vom Flüssigtreibstoff, auf den Ventilteller ausgeübte, die Hubbewegung der Ventilöffnungskammer unterstützende Druckkraft durch eine drosselstellen­ freie und somit vergleichsweise verstärkte Druckmittelaktivierung der Ventil­ schließkammer zu kompensieren und dadurch ein in Schließ- und Öffnungs­ richtung symmetrisches Schaltverhalten des Absperrventils zu erzielen.

In vielen Fällen, etwa bei der bevorzugten Verwendung als Absperrventil für Tieftemperatur-Flüssigtreibstoffe, bieten dynamische Abdichtungen an der Kolben-Zylindereinheit keine ausreichend sichere Trennung zwischen dem Steuerfluid in den Arbeitskammern und dem das Ventil durchströmenden Ar­ beitsmedium. In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung besitzt daher die Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 5 zwei hubfest miteinander verbundene Einzelkolben, die gemeinsam mit einer zwischen diesen angeord­ neten Zylinder-Zwischenwand jeweils eine der Arbeitskammern und mit den endseitigen Zylinder-Stirnwänden jeweils eine permanent entlüftete Sammel­ kammer begrenzen. Auf diese Weise wird für jede der beiden Arbeitskammern eine drucklose Pufferzone gebildet, die mögliche Dichtleckagen sowohl von Seiten der zugeordneten Arbeitskammer als auch von Seiten des ventilgesteuer­ ten Arbeitsmediums aufnimmt und abführt, und dadurch eine hochsichere, ge­ genseitige Isolation der beiden Druckmittelsysteme garantiert.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstel­ lung:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Absperrventils nach der Erfindung in der Ventilschließlage; und

Fig. 2 u. 3 das Absperrventil gemäß Fig. 1 in verkleinertem Maßstab in Zwischenstellungen während des Ventilöffnungs- bzw. -schließhubs.

Das in den Figuren gezeigte Absperrventil ist ein Zweistellungsventil für Raketen­ treibstoffe, etwa kryogenen Flüssigsauerstoff oder Flüssigwasserstoff, und ent­ hält als Hauptbestandteile einen aus Ventilsitz 2 und Ventilteller 4 bestehenden Ventilteil, einen den Ventilteller 4 betätigenden Linearantrieb in Form einer doppeltwirkenden Kolben-Zylindereinheit 6 sowie eine insgesamt mit 8 be­ zeichnete Endlagenverrriegelung für die in Fig. 1 gezeigte Ventilschließlage der Kolben-Zylindereinheit 6.

Die Endlagenverriegelung 8 mit quer zur Hubbewegung der Kolben-Zy­ lindereinheit 6 beweglichem Steuerkolben 10, Stellstange 12, Verriegelungs­ kulisse 14 einschließlich Verriegelungsfläche 16 sowie einer die Verriege­ lungskulisse 14 in Richtung der Sperrlage beaufschlagenden Druckfeder 18 und einer den Steuerkolben 10 entgegen der Druckfederkraft in die Freigabe­ stellung umschaltenden Steuerdruckkammer 20 ist in einer Zwischenwand 22 der Kolben-Zylindereinheit 6 angeordnet, welche gemeinsam mit jeweils ei­ nem Einzelkolben 24 bzw. 26 einerseits die Ventilschließkammer 28 und an­ dererseits die Ventilöffnungskammer 30 der Kolben-Zylindereinheit 6 be­ grenzt. Die beiden Einzelkolben 24, 26 sind über die sich zum Ventilteller 4 erstreckende und die Zwischenwand 22 abgedichtet durchsetzende Kolben­ stange 32 der Kolben-Zylindereinheit 6 hubfest miteinander verbunden. Auf der freien Stirnseite begrenzen die Arbeitskolben 24, 26 zusammen mit den Zylinder-Endabschnitten jeweils eine über einen Rückführkanal 34 permanent entlüftete Sammelkammer 36 bzw. 38, um so mögliche Dichtleckagen an den dynamischen Dichtungen, sei es seitens des Flüssigtreibstoffs über die Kol­ benstangendichtung 40 oder seitens des die Kolben-Zylindereinheit 6 betrei­ benden Steuerfluids über die (nicht gezeigten) Arbeitskolbendichtungen, auf­ zufangen und abzuführen und dadurch eine sichere Trennung des Steuerfluids vom Flüssigtreibstoffsystem zu erreichen. Steuerfluidleckagen, die aus den Arbeitskammern 28, 30 vorbei an der Kolbenstange 32, der Verriegelungsku­ lisse 14 und der Stellstange 12 in die Federkammer 42 des Steuerkolbens 10 gelangen, werden über einen weiteren, permanent entlüfteten Rückführkanal 44 (gestrichelt gezeichnet) ebenfalls zum Sammelanschluß 46 abgeführt.

Das zum Antrieb des Absperrventils verwendete Steuerfluid ist ein Druckgas, typischerweise Helium unter einem Druck von etwa 70 bar, welches den Ar­ beitskammern 28, 30 der Kolben-Zylindereinheit 6 und der Steuerdruckkam­ mer 20 der Endlagenverriegelung 8 mittels eines solenoidbetätigten Steuer­ ventils 48 selektiv zugeleitet wird, das einlaßseitig an eine Druckgas- und ei­ ne Entlüfungsleitung 50 bzw. 52 angeschlossen und auslaßseitig mit der Steuerdruckkammer 20 sowie über einen ersten Strömungsmittelanschluß 54 in der Zwischenwand 22 mit der Ventilschließkammer 28 der Kolben-Zylinder­ einheit 6 verbunden ist. Der weitere Strömungsmittelanschluß 56 der Ventilöffnungskammer 30 zweigt von der Steuerdruckkammer 20 an einer in der Verriegelungsstel­ lung der Endlagenverriegelung 6 vom Steuerkolben 10 verschlossenen Strö­ mungsmittelöffnung 58 ab und enthält eine gegenüber dem Anschlußkanal 54 im Querschnitt verengte Drosselstelle 60.

In der Fig. 1 gezeigten Ventilstellung ist die Ventilschließkammer 28 über das Umschaltventil 48 druckgasbeaufschlagt und hält den Ventilteller 4 entgegen dem darauf einwirkenden Treibstoffdruck von etwa 15 bar in der Ventil­ schließlage. Zusätzlich ist die Kolbenstange 32 durch die federnd in eine ent­ sprechende Kolbenstangenausnehmung 62 eingerastete Verriegelungskulisse 14 hubfest arretiert, so daß das Absperrventil auch bei einem Druckgasausfall in der Schließlage verbleibt.

Wird das Umschaltventil 48 in die in Fig. 2 gezeigte Schaltstellung gebracht, so wird die Ventilschließkammer 28 entlüftet und die Steuerdruckkammer 20 unter Druck gesetzt, so daß der Steuerkolben 10 entgegen der Kraft der Fe­ der 18 nach unten verfahren und dadurch die Verriegelungsfläche 16 aus der Kolbenstangenausnehmung 62 herausbewegt wird, wobei die Strömungsmit­ telöffnung 58 zunächst noch durch den Steuerkolben 10 verschlossen bleibt. Erst wenn die Verriegelungsfläche 16 vollständig aus dem Kontakt mit der Kolbenstange 32 abgehoben ist, wird die Strömungsmittelöffnung 58 vom Steuerkolben 10 freigegeben und somit die Ventilöffnungskammer 30 druck­ gasbeaufschlagt. Da der auf den Ventilteller 4 ausgeübte Treibstoffdruck ebenfalls in Öffnungsrichtung wirkt, wird durch die gedrosselte Druckgaszu­ fuhr zur Ventil­ öffnungskammer 30 ein in Öffnungs- und Schließrichtung annähernd gleiches Umschaltverhalten des Absperrventils erzielt.

Am Ende des Öffnungshubs verbleibt das Absperrventil infolge der anhalten­ den Druckbeaufschlagung der Ventilöffnungskammer 28 in der vollständig ge­ öffneten Ventilposition. Selbst bei einem Druckgasausfall reicht aber die auf den Ventilteller 4 ausgeübte Druckkraft des das Absperrventil in Pfeilrichtung durchströmenden Arbeitsmediums, also des Flüssigtreibstoffs, aus, das Ab­ sperrventil in der vollständigen Öffnungslage zu halten, so daß auf eine zusätz­ liche Endlagenverriegelung für die geöffnete Ventilposition verzichtet wird.

Zum Rückhub in die Ventilschließlage wird das Umschaltventil 48 erneut in die in den Fig. 1 und 3 gezeigte Ventilposition zurückgestellt und dadurch die Ventilschließkammer 28 druckgasbeaufschlagt und die Steuerdruckkammer 20 entlüftet. Hierdurch gelangt die Verriegelungskulisse 14 unter der Wirkung der Druckfeder 18 mit der Verriegelungsfläche 16 in Anlage an die Kolbenstange 32, so daß der Steuerkolben 10 aufgrund seiner starren Verbindung mit der Veriegelungskulisse 14 über die Stellstange 12 in der unteren, die Strömungs­ mittelöffnung 58 freigebenden Hubposition gehalten und somit die Ventilöff­ nungskammer 30 entlüftet wird, bis die Kolben-Zylindereinheit 6 erneut die Ventilschließlage erreicht und die Verrieglungskulisse 14 in die Kolbenstan­ genausnehmung 62 einrastet.

Claims (5)

1. Absperrventil (2, 4), insbesondere für kryogene Flüssigtreibstoffe in Raketen­ triebwerken, mit einer druckmittelgesteuerten, doppeltwirkenden Kolben- Zylindereinheit (6) zur Ventilbetätigung und einer quer zur Hubbewegung der Kolben-Zylindereinheit (6) beweglichen und diese am Hubende formschlüssig arretierenden Endlagenverriegelung (8) mit einer Steuerkolbenanordnung (10, 12, 14), die einen beim Ventilöffnungshub der Kolben-Zylindereinheit (6) ent­ gegen der Kraft einer vorgespannten Feder (18) druckmittelbetätigten und die Endlagenverriegelung (8) in der Freigabestellung haltenden Steuerkolben (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltventil (48) vorgesehen ist, welches alternativ den Steuerkolben (10) oder einen ersten Strömungs­ mittelanschluß (54) der Kolben-Zylindereinheit (6) mit einem Betätigungs­ druck beaufschlagt und wobei der Stellweg des Steuerkolbens (10) so auf einen weiteren Strömungsmittelanschluß (56) der Kolben-Zylindereinheit (6) abgestimmt ist, daß in der Öffnungslage des Steuerkolbens (10) der weitere Strömungsmittelanschluß (56) mit dem Betätigungsdruck druckmittelbeauf­ schlagt ist.

2. Absperrventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Strömungsmittelanschluß (56) zu der den Ventilöffnungshub bewirken­ den Arbeitskammer (30) der Kolben-Zylindereinheit (6) abhängig von der Hublage des Steuerkolbens (10) in der Verriegelungslage des Steuerkolbens geschlossen und am Hubende des Freigabehubs aufgesteuert ist, während der erste Strömungsmittelanschluß (54) zu der Ventilschließkammer (28) der Kolben-Zylindereinheit permanent geöffnet ist.

3. Absperrventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ventilöffnungshub bewirkende Arbeitskammer (30) der Kolben- Zylindereinheit (6) über eine am Hubende des Freigabehubs vom Steuerkol­ ben (10) aufgesteuerte Strömungsmittelöffnung (58) an die Steuerdruck­ kammer (20) des Steuerkolbens angeschlossen ist.

4. Absperrventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Strömungsmittelanschluß (56) zu der den Ventilöffnungshub bewirken­ den Arbeitskammer (30) der Kolben-Zylindereinheit (6) eine gegenüber dem ersten Strömungsmittelanschluß (54) zu der Ventilschließkammer (28) im Quer­ schnitt verengte Drosselstelle (60) enthält.

5. Absperrventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylindereinheit (6) zwei hubfest miteinander verbundene Ein­ zelkolben (24, 26) besitzt, die gemeinsam mit einer zwischen diesen ange­ ordneten Zylinder-Zwischenwand (22) jeweils eine der Arbeitskammern (28, 30) und mit den endseitigen Zylinder-Stirnwänden jeweils eine perma­ nent entlüftete Sammelkammer (36, 38) begrenzen.