DE3028824C2

DE3028824C2 - Steuerventil zum Dosieren der Treibstoffmengen von regelbaren Raketentriebwerken

Info

Publication number: DE3028824C2
Application number: DE19803028824
Authority: DE
Inventors: Manfred 7101 Erlenbach Biebricher; Hans 7101 Oedheim Bohatsch; Willi 7110 Öhringen-Möglingen Zumbroich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-07-30
Filing date: 1980-07-30
Publication date: 1982-12-02
Also published as: GB2081847A; GB2081847B; DE3028824A1; FR2489420A1; FR2489420B1

Description

triebssicherheit und die F^::ihaltung genauer Steuerzeiten über eine lange Betriebszeit und Lebensdauer garantieren sowie die Grundlage für eine Kompaktbauweise mit reduziertem Baugewichi und einfacherer" Aufbau bilden.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das rohrförmige Steuerelement im Triebwerksgehäuse teststeht und zentral innerhalb des rohrförmigen Steuerelementes ein Steuerkolben zum Steuern des radial inneren Zulaufkanals für den einen flüssigen Treibstoff, insbesondere Sauerstoff oder einen Sauerstoff-rager und koaxial außerhalb des rohrförmigen Steuerelements ein mit dem vorgenannten Steuerkolben in Tester Verbindung stehender rohrförmiger Ventilschieber zum Steuern des radial äußeren Zulaufkanals für den anderen flüssigen Treibstoff, insbesondere Brennstoff in axialer Richtung verstellbar angeordnet sind, und der Ringkolben des Ventilschiebers in einem Stellzylinder gleitet, der an dem den radial äußeren Zulaufkanal mit Treibstoff versorgenden Drucksystem mit angeschlossen ist

Das erfindungsgemäße Steuerventil zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus und dadurch, daß es durch seinen direkten Antrieb über eine range Betriebszeit und Lebensdauer exakt arbeitet Auch bei Verwendung hypergol miteinander reagierender Treibstoffe ist diesbezüglich eine absolute Sicherheit gegeben, da ein Übertreten von Leckmengen vom Stellzylinder zum radial äußeren Treibstoffringkanal und umgekehrt völlig ungefährlich ist.

Bei Anordnung einer radial inneren Reihe und einer radial äußeren Reihe von Steuernuten vor der Einspritzebene zur Dosierung der Einspritzmengen beider Treibstoffe, wird in Ausgestaltung der Erfindung weiter vorgeschlagen, daß dem radial inneren Steuerring unter Belassung eines geringen radialen Trennspalts einen radial innen gelegenen Distanzring und dem äußeren Steuerring unter Belassung eines geringen radialen Trennspalts einen radial außen gelegenen Distanzring zuzuordnen, wobei beide fest eingespannten Distanzringe in bezug auf die Steuerringe eine etwas größere axiale Länge aufweisen.

Dadurch sind die beiden Steuerringe in ihrer radialen Spannebene frei beweglich; sie können also beim Gleitvorgang während des Steuerungsbetriebes leichtgängig arbeiten, ferner funktionieren sie spielfrei und sind als altbewährtes Maschinenteil praktisch störungsfrei.

Um die bei höheren Leistungen erforderlichen überproportionalen Zunahmen der Treibstoffmengen bewältigen zu können, sind die Steuernuten in Richtung zur Brennkammer mit progressivem Querschnitt ausgeführt.

Die feste Verbindung zwischen dem äußeren rohrförmigen Ventilschieber und dem zentralen Steuerkolben erfolgt über einen mit Drallschaufeln versehenen Verteilerpilz zur Anfachung einer Drallströmung innerhalb der Brennkammer, wobei der Verteilerpilz konstruktiv dem zentralen Steuerkolben zugeordnet ist und die Drallschaufeln eine Brücke zwischen dem Mi Verteilerpilz und dem rohrförmigen Steuerschieber bilden,

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Flüssigkeitsraketentriebwerk im Bereich tv· des Einspritzkopfes im Längsschnitt,

F i g. 2 einen Teilaus:,chniti nach F i g. I und

F i κ. 3 einen Schnitt nach der Linie Ill-Ill der Fi g. 2.

Die beiil,.-- Treibstoffe, Sauerstoffträger O und Brennstoff B, werden dem EinspiiizK.O(.v." ί der Brennkammer 2 über zwei koaxial rjemamier engt, ordnete ringförmige Zulaufkanälo S u.iii 4- iugetühri. ^ie gtSvuri.e Ventileinrichtung zur Dosierung der jeweiligen Treibstoifmengen besieht im wesentlichen aus einem f-.;sr rehenden, die beiden ringförmigen Zulaufkanäle ? und 4 trennenden Steuerelement E mit Steuernuten / und 8, aus einem in beiden axialen Richtungen verstellbaren zentralen Steuerkolben K mit seinem Steuerring 5 und aus einem ebenfalls axial beweglichen rohrförmigen Ventilschieber V mit einem Sieuerring 6. Die Steuernuten 7 und 8 sind im rohrförmigen Steuerelement Ean dessen brennkammerseitigem Ende getrennt voneinander eingearbeitet und sind, wie insbesondere die Fig.3 zeigt, in zwei Reihen in Umfangsrichtung angeordnet, wobei ihr Querschnitt in Richtung zur Brennkammer 2 hin progressiv zunimmt (Fig.2). Die beiden Steuerringe 5 und 6 sind als sogenannte Sprengringe aus Federslahl ausgeführt, d. h. sie sind quergeschlitzt und daher in Umfangsrichtung nicht geschlossen. Der radial innere Stellring 5 liegt dabei spannschlüssig an der innenfläche liey Steueriementes Fan, während der radial äußere Steuerring 6 mit Spannschluß auf dem Steuerelement E sitzt. Um den beiden Steuerringen 5 und 6 in radialer Richtung eine geringe Bewegungsfreiheit zu geben, sind ihnen Distanzringe 10 und 11 zugeordnet, die axial in geringen Grenzen länger sind, wobei der radial innere Distanzring 10 gegenüber dem Steuerkolben K mittels einer Schraubenmutter 12 und der radial äußere Distanzring 11 mittels einer Spannhülse 13 gegenüber dem Ventilschieber V fixiert sind. Zwischen den Steuerringen 5 und 6 und den Distanzringen 10 und 11 ist jeweils ein radialer Trennspalt 14 beSassen.

Zur Brennkammer 2 hin ist am Steuerkolben K ein an sich bekannter Verteilerpilz 9 mit Drallschaufeln 15 vorgesehen. Über diese sind der Steuerkolben K und der Ventilschieber Vfest miteinander verbunden. Radial außen weist der Ventilschieber V einen Ringkoiben 18 auf, der in einem Stellzylinder 16 gleitet. Durch Einleiten eines Druckmediums, im vorliegenden Fall des Brennstoffs B, vor oder hinter dem Ringkolben 18 wird dieser angetrieben. Beim Verschließen des Steuerventils zur Brennkammer 2 hin werden die freien Querschnitte der Steuernuten 7 und 8 vergrößert und beim Zurückschieben werden diese Querschnitte verkleinert.

Während des Betriebes der Brennkammer 2 findet im Vordrallraum 17 eine Vorvermischung der beiden Treibstoffe Sund Ostatt. Handelt es sich um hypergole Treibstoffe, so erfolgt hier eine Teilreaktion. Das Treibstoffgemisch gelangt dann über die zwischen den Drallschaufeln 15 gelegenen Schaufelkanäle unter Erzeugung einer beschleunigten Drallströmung in die Brennkammer 2.

Wie aus Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, werden der ringförmige Zulaufkana' 4 und der Stellzylinder «6 mit dem gleichen Druckmedium, nämlich dem Brennstoff B, versorgt. Dabei ist der Brennstoffvorratsbehälter mit 19 und die Förderpumpe mit 20 bezeichnet. Ein Umsteuerventil 21 bewirkt, daß vvechselweise entweder der vor oder der hinter dem Rjngkolben 18 liegende Druckraum des Stellzylinders 16 mit Druckmedium beaufschlagt wird. Die aus dem jeweiligen Druckraum zu verdrängende Flüssigkeit strömt über gesteuerte Rückströrnleitungen 22 und 7\ zum Brennstoffbehälter 19 zurück.

Die ^A,bdich;ung des Sn iUyIiriders 16 einerseits /:um ringförmigen Zukiiifkanal 4 und andererseits zur

Brennkammer 2 muß aus den bereits erwähnten Gründen nicht absolut sein. i^:.s können daher einfache Dichtungen 24 verwendet werden, die unvermeidlich gewisse Leckmengen durchlassen, dafür aber kostenmäßig billiger sind.

Hierzu 1 Blatt Zeielmunecii

Claims

Il Palentansprüche:

1. Steuerventil zum Dosieren der Treibstoffmengen von in ihrer Leistung regelbaren Raketentriebwerken, mit einem rohrförmigen Steuerelement, das zwei ringförmige, koaxial zueinander liegende Zulaufkanäle für zwei zum Einspritzkopf strömende flüssige, insbesondere hypergole Treibstoffe bis zur Einspritzebene, wo die Einspritzquerschnitte gesteuert werden, voneinander trennt, wobei außen am Ventilschieber ein von einem Druckmittel beaufschlagter Ringkolben angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Steuerelement (E) im Triebwerksgehäuse feststeht und zentral innerhalb des rohrförmigen Steuerelementes (E) ein Steuerkolben (K) zum Steuern des radial inneren Zulaufkanals (3) für den einen flüssigen Treibstoff, insbesondere Sauerstoff (O) oder einen Sauerstoffträger und koaxial außerhalb des rohrförmigen. ^Steuerelementes (E) ein mit dem vorgenannten Steuerkolben (K) in fester Verbindung stehender rohrförmiger Ventilschieber (V) zum Steuern des radial äußeren Zulaufkanals (4) für den anderen flüssigen Treibstoff, insbesondere Brennstoff (B) in axialer Richtung verstellbar angeordnet sind, und der Ringkolben (18) des Ventilschiebers (V) in einem Stellzylinder (16) gleitet, der an dem den radial äußeren Zulaufkanal (4) mit Treibstoff (Brennstoff B) versogenden Drucksystem mit angeschlossen ist

2. Steuerventil nach Anspruch 1, wobei vor der Einspritrebene zur Dosierung der Einspritzmengen beider Treibstoffe eine radial innere Reihe und eine radial äußere Reihe voii Steuernuten vorgesehen sind, die von als geschlitzte Federringe ausgebildeten Steuerringen, einem radial inneren Steuerring js und einem radial äußeren Steuerring, überfahren werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem radial inneren Steuerring (5) unter Belassung eines geringen radialen Trennspalts (14) ein radial innen liegender Distanzring (10) und dem radial äußeren Steuerring (6) unter Belassung eines geringen radialen Trennspalts (14) ein radial außen gelegener Distanzring (U) zugeordnet sind und beide fest eingespannten Distanzringe (10 und 11) in bezug auf die Steuerringe (5 und 6) eine etwas größere axiale Länge aufweisen, so daß die beiden Steuerringe (5 und 6) in ihren radialen Spannebenen frei beweglich sind.

3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innen liegende Distanzring (10) durch eine Schraubenmutter (12) gegenüber dem zentralen Steuerkolben (K) und der radial außen liegende Distanzring (11) durch eine im Ventilschieber (V) eingeschraubte Spannhülse (13) gegenüber dem Ventilschieber fV^fixiert sind.

4. Steuerventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernuten (7 und 8) in Richtung zur Brennkammer (2) hin mit progressivem Querschnitt ausgeführt sind.

5. Steuerventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am zentralen Steuerkolben (K) ein mit Drallschaufeln (15) besetzter Verteilerpilz (9) vorgesehen ist, der über die vorgenannten Drallschaufeln (15) mit dem Ventilschieber (V) fest verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil zum Dosieren der Treibstoffmengen von in ihrer Leistung regelbaren Raketentriebwerken, mit einem rohrförmigen Steuerelement, das zwei ringförmige, koaxial zueinander liegende Zulaufkanäle für zwei zum Einspritzkopf strömende flüssige, insbesondere hypergole Treibstoffe bis zur Einspritzebene, wo die Einspritzquerschnitte gesteuert werden, voneinander trennt, wobei außen am Ventilschieber ei*< von einem Druckmittel beaufschlagter Ringkolben angeordnet ist.

Aus der US-PS 32 32 049 geht ein mit flüssigen Treibstoffen betriebenes Raketentriebwerk hervor, bei dem die jeweiligen Treibstoffmengen durch ein in axialer Richtung verstellbares, rohrförmiges Steuerelement dosiert werden. Dabei überfährt dieses Steuerelement, das zwei koaxial zueinander verlaufende Ringkanäle für den Zulauf der beiden Treibstoffkomponenten zum Einspritzkopf der Brennkammer voneinander trennt, Ringnuten, deren Querschnitte dadurch variiert werden.

Der Antrieb des rohrförmigen Steuerelementes erfolgt dabei durch einen Zahnstangenantrieb, wobei die Zahnstange über das Triebwerksgehäuse durchdringende Betätigungsstangen mit dem Steuerelement verbunden ist. Zwei koaxial zueinander angeordnete ringförmige Faltenbälge, zwischen denen die Betätigungsstangen verlaufen, sind mit ihren vorderen Enden hinten am Steuerelement und mit ihren hinteren Enden am Triebwerksgehäuse befestigt, wodurch die aus radial inneren und radial äußeren Führungen für das ringförmige Steuerelement unvermeidbar austretenden Leckflüssigkeiten der beiden hypergolen Treibstoffe hermetisch voneinander getrennt bleiben. Ein nicht zu übersehender Nachteil solcher Faltenbälge besteht darin, daß sie nur bis zu einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln hohe Bruchsicherheit garantieren und insbesondere gegenüber hochfrequenten Schwingungen empfindlich sind. Die vorstehend beschriebene bekannte Konzeption eignet sich datier nicht für Raketentriebwerke, die für eine lange Betriebszeit und Lebensdauer ausgelegt und dauernder Leistungsvariierung während des Betriebes unterworfen sind. Dies tritt insbesondere bei Flugkörpern mit Triebwerksbündelung und Schubvektorsteuerung durch Leistungsvariierung der einzelnen, über den Umfang verteilt angeordneten Triebwerke auf. Dabei werden, je nach Schubrichtungsänderung, die im Bereich der neu angesteuerten Richtung gelegenen Triebwerke in ihrer Leistung vermindert oder ganz abgeschaltet und die gegenüberliegenden Triebwerke auf Höchstleistung betrieben. Außerdem erfordert ein mechanisch aufwendiger Zahnstangenantrieb für hochfrequente Schwingungen mit dauernder Richtungsänderung durch die relativ großen Massen nicht nur hohe Antriebskräfte, sondern ist auch träge in seinen Bewegungen und unterliegt besonderen Abnutzungserscheinungen.

Ferner zeigt die DE-AS 12 28 463 ein Einspritzsystem für flüssige Treibstoffe in die Brennkammer von Raketentriebwerken mit einem beweglichen Ventilschieber, dessen Ringkolben von einem besonderen Druckmittel beaufschlagt wird. Im Bereich der Einspritzebene sind in Ringnuten dieses Ventilschiebers ein innerer und äußerer Federring vorgesehen, die durch Überführen von progressiven Längsnuten die Treibstoffmengen bestimmen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Steuerventil und hierzu eine Anordnung zu schaffen, die auch bei hochfrequenten Leistungsänderungen absolute Be-