DE3137579C2 - Vorgesteuertes Heißgas-Schaltventil - Google Patents

Abstract

Bei einem vorgesteuerten Heißgas-Schaltventil in Widerstandsschaltung (Fig. 2) zur Umsteuerung eines schuberzeugenden Heißgasstroms eines Feststoff-Strahltriebwerks wird die gesamte Vorsteuerstufe (34) thermisch und strömungsmäßig vom Heißgasstrom isoliert und mit einem gesonderten, kühlenden und rückstandfreien Steuermedium betrieben, dessen Versorgungsdruck über dem Arbeitsdruck des Heißgases liegt, und am heißgasseitigen Ende des Führungsspalts (12) zwischen der Gehäusebohrung (14) und dem den Heißgasstrom steuernden Ventilkörper (10) ist eine dynamische Heißgassperre (54, 58) angeordnet, die einen kontinuierlich mit Steuermedium unter Versorgungsdruck beaufschlagten Ringkanal (54) und einen an diesen anschließenden, gegenüber dem Führungsspalt (12) erweiterten, sich keilförmig zur Heißgasseite des Ventils öffnenden Ringspalt (58) enthält. Durch die Heißgassperre (54, 58) und den diese ständig zur Heißgasseite hin durchsetzenden Spülstrom wird der Führungsspalt (12) wirksam gegen thermisch und verunreinigungsbedingte Störeinflüsse abgeschirmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein vorgestcuertes Heißgas-Schaltventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Schaltventile dieser Art (DE-OS 22 39 299), bei denen mit Hilfe der Steuerdruckkammer, die über eine Drosselstelle kontinuierlich mit der Ventil-Eingangsseite in Verbindung steht, ein semistabiles, selbstverstärkendes Schaltverhalten nach Ari eines Fluidikelements erzielt wird, sind in Anwendungsfällen, in denen sie hohen thermischen Belastungen und zusätzlich den Einwirkungen von im Heißgas mitgeführten Feststoff- und Kondensatrückständen ausgesetzt sind, also etwa zur Schubstrahlumsteusrung von Feststoff-Strahltriebwerken, nur begrenzt verwendbar, weil unter solchen Einsatzbedingungen zumeist schon nach einer geringen Anzahl von Schaltzyklen die besonders temperaturund rückstandscinpfindliche Vorsteucrstufe ausfällt und/oder sich der Veniilkörpcr in dem notwendigerweise engen Führungsspalt zur Gchausebohning festsetzt und «-omit das gesamte Schaltventil funktionsfähig macht.

Bei Quetschventilcn anderer Bauart ist es an sich bekannt (DE-GM 17 81 651). die Quetschmombrai: zum Schütze vor Obcrhilzungen mi ι einem gekühlten Druckmedium zu betätigen. Bekannt ist ferner ein Druckminderventil (US-PS 20 84 397), bei dem der sich zur Ventil-Aitsgangsseite öffnende Teil des Führungsspalts zwischen Ventilkörper und Gehäusebohrung zum Schutz vor einer übermäßigen Erwärmung mit einem Kühlmittel bedrückt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltventil der beanspruchten Art so auszubilden, daß die Y'orsteuerstufe und der gesamte Führungsspalt des Ventilkörpers wirksam gegen eine Verschmutzung und Überhitzung geschützt werden, so daß das Ventil auch in einem hochtemperierten und rückstandbeladenen Arbeitsmedium mit hoher Zuverlässigkeit störungsfrei arbeitet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im t υ Anspruch 1 gekennzeichnete Schaltventil gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltventil werden der gesamte Führunggsspalt und die Vorsteuerstufe aufgrund der Kühl- und besonderen Sperrwirkung des zum Betrieb der Vorsteuerstufe verwendeten, vom Heißgasstrom getrennten Steuermedium thermisch und strömungsiTiäßig wirksam gegen Störeinüüsse von der Ventil-Eingangsseite her isoliert und an den hitze- und verschmutzungsempfindlichen Stellen des Ventils, also dem Führungsspalt, der Steuerdrossel und den der Steueröffnung zugeordneten Schaltorganen, Kondensat- bzw. Feststoffablagerungen oder übermäßige Wärmebelastungen mit Sicherheit verhindert wobei die zusätzlich zur Steuerdruckkammer mit Steuermedium bedrückte Heißgassperre speziell dazu beiträgt, daß an den dem Heißgasstrom stromaufwärts des Ventilsitzes unmittelbar ausgesetzten, besonders gefährdeten Führungs- und Gleiflächenbereichen des Ventils eine hochgradige Kühl- und Reinigungswirkung garantiert wird. Das erfindungsgemäße Schaltventil eignet sich daher in hervorragender Weise für Anwendungsfälle, wo unter extremen Betriebsbedingungen eine hohe Schaltzuverläs· sigkcit gefordert wird, wie dies etwa bei Fests'.offtriebwerken zur Schubvektorsteuerung eines zumeist stark rückstandbeladenen Heißgassirt'i'sder Fall ist. In besonders bevorzugter Weise ist gemäß Anspruch 2 als Heißgassperre ein an das heißgasseitige Ende des Führungsspaltes angrenzender Ringkanal mit einem an diesen anschließenden, gegenüber dem Führungsspalt erweiterten, kontinuierlich vom Steuermedium zur Heißgasseite hin durchströmten Ringspalt vorgesehen. Der kräftige Spülstrom längs des erweiterten Ringspalts wirkt einem Eindringen von Heißgas bzw. Heißgasrückständen aktiv entgegen, so daß sich die Sperrwirkung des Steuermediums an dieser kritischen so Stelle des Ventils weiter erhöht. Im Hinblick auf eine zu diesem Zweck günstige Ausgestaltung des Ringspalts ist dieser gemäß Anspruch 3 vorzugsweise zur Heißgasseite hin keilförmig erweitert

Gemäß Anspruch 4 schließlich sind zweckmäßigerweise getrennt von dem Ventilsitz angeordnete, den Schließweg des Ventilkörpers kurz vor dessen Anlage am Ventilsitz unter Freilassung eines engen Leckspalts begrenzende Anschläge vorgesehen, wodurch neben einer gewissen Sclbstreinigungswirkung am Ventilsitz vor bo allem eine Rückwirkung auf den Heißgasschutz des Führungsspalts in der Weise erzielt wird, daß selbst in der Ventil-Schlicßlagc Stcuermcdium über die I leißgasspcrre zur Ventii-Ausgangsscite abströmt und eine gute üurchspülung der Heißgassperre sichergestellt wird. b^r. Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführiingsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

lig. 1 eine stark schematisierte Darstellung cii

Feststofftriebwerks mit zwei, zur Schubstrahlsteuerung gegensinnig betätigten Heißgas-Schaitventilen; und

Fig.2 einen schematischen Längsschnitt eines der Schaltventile gemäß F i g. 1.

Das in F i g. 1 gezeigte Feststofftriebwerk 2 enthält einen Gasgenerator 4 zur Erzeugung heißer, zumeist stark rückstandbeladener Rsaktionsgase (mit einem Feststoff- und Kondensatanteil bis zu 30%), sowie zwei diesem nachgeschaltete, gegensinnig schräg geneigte Steuerschubdüsen 6A B, in deren Gaszufuhrleistung jeweils ein vorgesteuertes Heißgas-Absperr- oder Schaltventil SA bzw. B angeordnet ist. Zur Erzeugung eines in der einen oder anderen Richtung schräg zur Triebwerkslängsachse A-A geneigten Schubvektors wird nur eines der beiden Schaltvcniile SA oder SB geöffnet, während das jeweils andere Schaltventil geschlossen bleibt.

Die Bau- und Funktionsweise der beiden identisch ausgebildeten Schaltventil 8 wird im einzelnen anhand der F i g. 2 erläutert: Jedes Schaltventil 3 enthält einen zylindrischen Ventilkörper 10, der unter Freilassung eines engen Führungsspalts 12 axial verschieblich m einer entsprechenden zylindrischen Bohrung 14 des (aus Montagegründen natürlich mehrteiligen) Ventilgehäuses 16 geführt ist und an seinem konisch verjüngten Ende IS mit einem entsprechend geformten, im Zuge des Heißgaskanals 20 zwischen dem Heißgasein- und dem Heißgasauslaß 22, 24 des Ventils 8 angeordneten Ventilsitz 26 zusammenwirkt. Radial außerhalb des konischen Endes 18 ist am Ventilkörper 10 ein zylindrischer Bund 28 ausgebildet, der mit mehreren, in Umfangsrichtung verteilten, schlitzförmigen Durchlässen 30 versehen ist und als ein den Schließweg des Ventilkörpers 10 begrenzende Anschlag wirkt, derart, daß in der gezeigten Ventilschließanlage zwischen dem Ventilkörper 10 und dem Ventilsitz 26 ein enger, im Umfangsrichtung durchgehender Leckspalt 32 freigehalten bleibt. Auf diese Weise wird in der Ventilschließlage im Bereich des Ventilsitzes 26 ein mengenmäßig geringer Heißgas-Leckagestrom hoher Geschwindigkeit aufrechterhalten, der der Gefahr höchst unerwünschter Feststoff- oder Kondensatablagerungen aus dem rückstandbeladenen Heißgas zwischen den miteinander zusammenwirkenden Ventilkörper- und Ventilsitzflächen entgegenwirkt

Zum Umsteuern des Ventilkörpers 10 zwischen der Schließ- und der Öffnungslage dient eine Vorsteuerstufe 34, welche eine am oberen Ende der Gehäusebohrung 14 vom Ventilkörper 10 begrenzte Steuerdruckkammer 36 enthält, die unter Zwischenschaltung einer Steuerdrossel 38 festen Drosselquerschnitts mit kühlendem, rückstandfreiem Steuermedium aus einem Kaltgasspcicher 40, dessen Versorgungsdruck über dem Arbeitsdruck des Heißgases liegt, versorgt wird. Der Auslaß der Steuerdruckkammer 36 wird durch eine Steueröffnung 42 gebildet, die einen wesentlich größeren Durchflußquerschnitt als die Steuerdrossel 38 aufweist und durch den Anker 44 eines über ein von Entlüftungsbohrungen 46 durchsetztes Distanzstück 48 am Ventilgehäuse 16 befestigten, elektrisch betätigten Steuermagneten 50 selektiv verschließbar ist.

Wird der Anker 44 von der Steueröffnung 42 abgehoben, so sinkt der Steuerdruck in der Stcuerdruckkammer 36 unter der Wirkung der Steuerdrossel 38 rasch ab, so daß sich der Ventilkörper 10 unter dem Einfluß des auf das untere Ventilko-nerende einwirkenden Heißgasdrucks nach oben in die Öffnungslage bewegt. Diese wird durch am oberen Ventilkörperende angeordnete.

flache Anschläge 52 begrenzt, so daß sich die Steuerkammer 36 am Ende des Öffnungshubs des Ventilkörpers 10 zu einem schmalen Slrömungsspalt engen Durchflußquerschnitts verkleinert, wodurch zu einem der Verbrauch an Steuermedium und zum anderen der statische Druckanteil des die Steuerdruckkammer 36 nunmehr mit merklich erhöhter Geschwindigkeit durchsetzenden Steuermediums deutlich verringert wird. Sobald die Steueröffnung 42 durch den Anker 44 des Steuermagneten 50 wieder verschlossen wird, wird die Stenerdruckkammer 36 erneut vom Kaltgasspeicher 40 über die Steuerdrossel 38 mit dem vollen Steuerdruck beaufschlagt, so daß der Ventilkörper 10 wieder in die gezeigte Schließlage zurückkehrt. Dieser Schließbewegung wirkt zunächst der am unteren Ventilkörperende über die gesamte Querschnittsfläche des Ventilkörpers angreifende Heißgasdruck entgegen. Am Ende des Schließhubs verringert sich jedoch die vom Heißgasdruck beaufschlagte Druckangriffsfläche des Ventilkörpers 10 bis auf die radial außerhalb de/ Ventilsitzes 26 Hegende Ringfiäche, während die den Leckspaii 32 begrenzende Sitzfläche des Ventilkörpers 10 mit einem deutlich geringeren und die vom Ventilsitz 26 umschlossene Zentralfläche des Ventilkörpers 10 nunmehr mit dem Strömungsmitteldruck am Ventilausgang 24 beaufschlagt wird. Aufgrund dieser Steuerung einerseits der durch den Heißgasdruck in Öffnungsrichtung auf den Ventilkörper 10 einwirkenden, hubabhängig veränderlichen Vorspannkraft und andererseits der dieser entgegenwirkenden, durch den Steuerdruck erzeugten und durch dessen gestufte Absenkung am Ende des Öffnungshubs gegensinnig hubabhängig veränderlichen Öffnungskraft wird eine Art semistabües Schaltverhalten des Ventils 8 erreicht.

J5 Um neben der Vorsteuerstufe 34, also dort vor allem der Steuerdrossel 38, der Steueröffnung 42, dem Anker 44 und dem Magneten 50, auch den Führungsspalt 12 vor dem thermischen und verschmutzungsbedinjten Störeinflüssen des Heißgasstroms zu schützen, ist am heißgasseitigen Ende des Führungsspalts 12 ein Ringkanal 54 ausgebildet, der über eine stromaufwärts der Steuerdrossel 38 abzweigende Zulaufbohrung 56 kontinuierlich mit Steuermedium unter Versorgupgsdruck bedrückt wird. An den Ringkanal 54 schließt sich ein 4·) gegenüber dem Führungsspalt 12 erweiterter, sich keilförmig zur Heißgasscitc des Ventils 8 hin öffnender Ringspalt 58 an. Die Spaltbreite des Ringspalts 58 ist unter Berücksichtigung der Druckdifferenz zwischem dem Versorgungsdruck des Steuermediums und dem Arbeitsdruck des Heißgases so bemessen, daß der Ringspalt 58 ständig von einem geringen Kaltgas-Spülstrom durchsetzt ist, so daß der Ringkanal 54 und der Ringsptlt So eine dynamische Heißgassperre bilden, die ein Eindringen von Feststoff- oder Kondensatanteilen des Heißgasstroms in den Führungsspalt 12 wirksam verhindern. Zum Betrieb der Vorsteuerstufe 34 und der Heißgassperre 54, 58 kann anstelle eines gasförmigen gewünschtenfalls auch ein flüssiges, rückstandfreies, kühlendes Steuermedium verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorgesteuertes Heißgas-Schaltventil in Widerstandsschaltung, insbesondere für rückstandbeladenes Heißgas, mit einem in einer Gehäusebohrung verschüebüch geführten, den Heißgasstrom steuernden Verntilkörper und einer diesen betätigenden Vorsteuerstufe einschließlich einer an die Ventil-Druckseite angeschlossenen, einerseits von einer Steuerdrossel und andererseits von einer selektiv verschließbaren Steueröffnung begrenzten Steuerdruckkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerstufe (34) druckseitig an eine Versorgungsquelle (40) für ein im wesentlichen rückstandfreies kühlenden Steuermedium mit einem oberhalb des Arbeitsdruckes des Heißgases liegenden Versorgungsdruck angeschlossen und im heißgasseitigen Endbereich des Führungsspalts (*2) zwischen Gehäusebohrung (14) und Ventilkörper (10) eine sich zur Heißgasseite siromauiwaris des Ventilsitzes (26) öffnende, mit dem Steuermedium unter Versorgungsdruck beaufschlagte Heißgassperre (54, 58) angeordnet ist

2. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heißgasspsrre eine an das heißgasseitige Ende des Führungsspalts (12) angrenzender Ringkanal (54) mit einem an diesen anschließenden, gegenüber dem Führungsspalt erweiterten, kontinuierlich vom Steuermedium zur Heißgasseite hin durchströmen Ringspalt (58) vorgesehen ist.

3. Schaltventil npch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (58) zur Heißgasseite hin keilförmig erweitert ist.

4. Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch getrennt von dem Ventilsitz (26) angeordnete, den Schließweg des Ventilkörpers (10) kurz vor dessen Anlage am Ventilsitz unter Freilassung eines engen, durchgehenden Leckspaltes (32) begrenzende Anschläge (28).