DE2364269A1 - Anordnung einer berstmembrane in einem drucksystem, insbesondere treibstoff-foerdersystem eines fluessigkeitsraketentriebwerks - Google Patents

Description

Anordnung einer Berstmembrane in einem Drucksystem, insbesondere Treibstoff-Fördersystem eines Flüssigkeitsraketentriebwerks

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung einer gewölbten Berstmembrane im Strömungskanal eines Drucksystems, insbesondere Treibstoff-Fördersystems eines Flüssigkeitsraketentriebwerks, in der Weise, daß die konvexe Membranstirnfläche der Druckseite zugewandt ist und die Membranesich mit der in Förderrichtung

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zeigenden hinteren Kante ihres Außenrandes auf einen ringförmigen Absatz der Wand des Strömungskanals abstützt, wobei die unlösbar, korrosionsfest und druckdicht ausgeführte Verbindung des Außenrandes der Membrane mit der Kanalwand derart definiert erfolgt, daß bei einem bestimmten Ansprechdruck und kleiner Ansprechdrucktoleranz diese Verbindung reißt.

Unter einer Berstmembrane wird eine für den Einbau in einen Strömungsweg eines Drucksystems bestimmte, verhältnismäßig dünne Membrane verstanden, die im eingebauten Zustand den Strömungsweg druckdicht absperrt, solange der Betriebsdruck unterhalb eines festgelegten Grenzwertes, dem sogenannten Berst- oder Ansprechdruck, bleibt. Sobald der Ansprechdruck erreicht ist, plus/ minus einer kleinen Ansprechdrucktoleranz, gibt die Berstmembraneden gesamten Querschnitt des betreffenden Strömungsweges frei, indem sie an vorgesehenen Sollbruchstellen reißt und sich als Ganzes von ihrer Halterung löst. Die Membrane wird derart verformt, daß sie keinen Streuungswiderstand im Treibstoffsystem darstellt. Sie wird dabei in einer nachgeschalteten Fangvorrichtung definiert festgehalten.

Diese Freigabe des Strömungsweges soll also '- fachgerechter Einbau vorausgesetzt -nahezu trägheits los und~ praktisch ohne Verzögerung, d.h. mit kleinsten Ansprechtoleranzen erfolgen. Der häufige Einsatz von Berstmembranen auf vielen technischen Arbeitsgebieten ist auf diese letztgenannten, verfahrenstechnisch mitunter unbedingt erforderlichen oder vielfach erwünschten Eigenschaften zurückzuführen» So werden sie unter anderem in mit erhöhtem Betriebsdruck arbeitenden Anlagen

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der chemischen Industrie, der Kälte- und Kernreaktortechnik als Einrichtungen zum Schutz von Leitungen, Apparaturen und Maschinen gegen unerwartet auftretende Drucküberschreitungen eingesetzt· Sie finden darüber hinaus auch häufig bei Flüssigkeitsraketentriebwerken Verwendung, vor allem dann, wenn für diese LagerfShigkeit über längere Zeiträume gefordert wird. Hierdurch entfallen aufwendige Absperreinbauten. Hier sollen sie vor der Inbetriebsetzung der Triebwerke ein in jedem Fall schädliches Auslaufen von Treibstoffen aus den Treibstofftanks verhüten.

Die vorgenannten Schutz- bzw. Absperrfunktionen kann eine Berstmembrane jedoch nur dann mit Sicherheit übernehmen, wenn sie so beschaffen und derart im abzusperrenden Strömungsweg angeordnet ist, daß auch über verhältnismäßig lange Zeiträume folgenden Forderungen gleichzeitig Genüge getan wird:

a) absolute Dichtheit im Betrieb, auch bei Lagerung von korrosiven .Medien, solange der Ansprechdruck nicht erreicht ist,

b) hohe Ansprechgenauigkeit durch extrem niedrige Berstdrucktoleranz (unter 3% vom Berstdruck),

c) geringe Ansprechzeit,

d) hohe Belastbarkeit und,

e) insbesondere im Flüssigkeitsraketenbau, Beständigkeit • gegen aggressive Medien.

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Die für die bekannten Berstmembranen bisher gewählten Anordnungsarten werden diesen vorgenannten Forderungen

und
nicht in allen Punkten/exakt genug gerecht.

Im Handel werden hauptsächlich zwei Arten von Berstmembranen angeboten. Beide Membranarten sind gewölbt ausgebildet, weisen also jeweils eine konvexe und eine konkave Stirnfläche auf. Der Unterschied besteht lediglich in der andersartigen Ausbildung ihrer Randbereiche und der daraus resultierenden andersartigen Anordnung in den abzusperrenden Strömungswegen. Während bei der einen Membranart die Randbereiche profiliert und zu Einspannwulsten aufgebogen sind, die zusätzliche Dichtstellen bilden, fehlen nämlich bei der anderen Membranart derartige profilierte Einspannwulste.

Membranen der erstgenannten Art werden üblicherweise mit ihren profilierten Einspannwulsten jeweils zwischen zwei zum abzusperrenden StrÖmungsweg gehörenden, miteinander verschraubten Anschlußflansche eingeklemmt, und zwar derart, daß ihre konkaven Stirnflächen auf der Druckseite liegen..Die Membranen der letztgenannten Art werden gemäß einer anderen bekannten Anordnungsart zunächst jeweils in eine radial innen 11 eg ende Ringnut einer kreis-" ringförmigen Scheibe eingelötet. Im Anschluß daran werden die kreisringförmigen Scheiben unter Zwischenlegung von ebenen Dichtringen jeweils zwischen zwei zum abzusperrenden Stromungsweg gehörenden, miteinander verschraubten Anschlußflansche gespannt, und zwar derart, daß die konvexen Stirnflächen der mit ihnen verlöteten Berstmembranen auf der Druckseite liegen.

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Beide bekannten Berstmembran-Anordnungen sind leckgefährdet· Weder die profilierten Einspannwulste der einen Berstmembranen noch die den mit den anderen wulstlosen Berstmembranen verlöteten Scheiben zugeordneten Dichtringe vermögen die lösbaren Flanschverbindungen längere Zeit dichtzuhalten, vor allem bei verhältnismäßig hohen Betriebsdrücken und/oder wenn die Berstmembranen und die ihre Lage fixierenden Flansche - wie es beispielsweise bei lange Zeit lagernden Flüssigkeitsraketentriebwerken der Fall ist - häufigen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Bei der letztgenannten . Berstmembran-Anordnung kommen noch zwei weitere Nachteile hinzu. Einmal halten die die Randbereiche der Berstmembranen mit den kreisringförmigen Scheiben druckdicht verbindenden Lötnähte infolge ihrer aus geometrischen Gründen verhältnismäßig geringen Nahttiefen und -breiten aggressiven Medien, zu welchen eine Vielzahl der gebräuchlichen Raketentreibstoffe zählt, nur schwerlich längere Zeit stand. Zum anderen bleibt eine Verlötung, selbst dann wenn keine aggressiven Medien auftreten, nur bei verhältnismäßig dicken Berstmembranen, die bezüglich Ansprechgenauigkeit und Ansprechzeit vergleichsweise dünnen Berstmembranen unterlegen sind, ohne schädliche Folgen. Die hohe Ansprechgenauigkeit und geringste Ansprechzeiten gewährleistenden dünnen und daher besonders verformungsgefährdeten Berstmembranen würden nämlich durch die beim Lötprozeß nicht zu vermeidende, örtlich verschiedene Erwärmung und Abkühlung großer Berstaembranbereiche die Ansprechdrücke unerwünscht verändernde, bisweilen zu vorzeitiger Zerstörung führende Verformungen erleiden.

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Ferner ist nach der US-Patentschrift 3 667 644 eine Anordnung einer gewölbten Berstmembrane im Strömungskanal eines Drucksystems bekannt, wonach die konvexe Membranstirnfläche der Druckseite zugewandt ist und • die Membran sich mit der in Förderrichtung zeigenden hinteren Kante.ihres Außenrandes auf einen ringförmigen Absatz der Wand des Strömungskanals abstützt, wobei die unlösbar und druckdicht ausgeführte Verbindung des Außenrandes der Membrane mit der Kanalwand derart definiert erfolgt, daß bei einem bestimmten

Ansprechdruck diese Verbindung reißt.

Auch diese Ausführung erfüllt noch nicht die gewünschten hohen Anforderungen an die Ansprechgenauigkeit in Form von extrem niedrigen Berstdrucktoleranzen, da das Abreißen der Membrane dabei praktisch nur von der gegebenen spezifischen Zugfestigkeit der hergestellten. Verbindung abhängig ist, deren genauer Wert bei der Herstellung einfach nicht kalkulierbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine solche Verbindung zu schaffen, die mit Sicherheit eine extrem hohe Ansprechgenauigkeit. auch bei Verwendung korrosiver Medien bei einfacher Herstellung einer solchen Verbindung garantiert.

Zur.Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Berstmembrane nur mit ihrer hinteren Kante ihres Außenrandes mit der Kanalwand zu verbinden.

In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verbindung der hinteren Kante der Berstmembran mit der Kanalwand durch Elektronenstrahlschweißen. Auf diese Weise werden

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die empfindliche Berstmembrane gefährdende bzw. ihre Wirkungsweise stark beeinträchtigende Spannungen, Gefügeveränderungen und daraus resultierende Verzugserscheinungen sicher vermieden bzw. auf ein vernachlässigbares Maß reduziert, denn beim Elektronenstrahlschweißen dringt der scharf begrenzte, mit Mitteln der Elektronenoptik präzis auf die Stoßstelle von Berstmembrane und Montagering einstellbare Elektronenstrahl und mit diesem die erforderliche Wärme nur in eine sehr schmale Zone des beiderseits der Stoßstelle befindlichen Werkstoffs ein.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Verbindung zwischen dem Rand der Berstmembrane an dessen hinterer Kante und dem Strömungskanal garantiert deswegen ein Maximum an Ansprechgenauigkeit und niedrigster Berstdrucktoleranz, weil hier die Verbindungsnaht praktisch vom Anfang der Berstbelastung an einer ungehinderten kombinierten Torsions- und Biegebeanspruchung unterworfen ist, wobei hier mechanisch die Beanspruchungskraft im Zentrum der Hebelwirkung ein Maximum aufweist. Dies bedingt auch kürzeste Ansprechzeiten.

die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß in einem Strömungskanal angeordneten Berstmembrane im Schnitt. -','..

In einem Strömungskanal 1 ist eine gewölbte Berstmembrane mit ihrer konvexen Seite zum Druckraum 3 hin zeigend eingebaut. Der Außenrand 4 sitzt dabei passend in einer Ringfläche 5 eines Bundes 6 des Strömungskanals 1. Die Berstmembrane 2 ist nur mit ihrer dem Druckraum 3 abgewandten hinteren Kante 7 ihres Aüßenrandes 4 mit dem Bund 6 des Kühlkanals 1 druckdicht verbunden, und zwar mit einer Schweißnaht 8, die insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen erzeugt wird.

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In der Zeichnung ist zur beeseren Veranschaulichung der Situation die Schweißnaht 8 nur auf der rechten Bildhälfte dargestellt.

Patentansprüche:

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Claims (2)

1. Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 19. Dez. 1973

   Gesellschaft mit BS63 Hn/er beschränkter Haftung

   München 7652

   Patentansprüche

   Ii) Anordnung einer gewölbten Berstmembrane Im Strömungskanal eines Drucksystems, insbesondere Treibstoff-Fördersystems eines Flüssigkeitsraketentriebwerks, in der Weise, daß die konvexe Membranstirnfläche der Druckseite zugewandt ist und die Membrane sich mit der in Förderrichtung zeigenden hinteren Kante ihres Außenrandes auf einen ringförmigen Absatz der Wand des Strömungskanals abstützt, wobei die unlösbar, druckdicht und korrosionsfest ausgeführte Verbindung des Außenrandes der Membrane mit der Kanalwand derart definiert erfolgt, daß bei einem bestimmten Ansprechdruck diese Verbindung reißt, dadurch gekennzeichnet , daß die Berstmembrane (2) nur mit ihrer hinteren Kante (7) mit der Kanalwand (1) verbunden ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung der hinteren Kante (7) der Berstmembrane (2) mit der Kanalwand (1) durch eine Elektronenstirahlschweißnaht (8) erfolgt.

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