DE3209251A1 - Verfahren zum hindraengen von in einem behaelter im scchwerelosen zustand befindlicher fluessigkeit zu ausflussoeffnungen hin sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zum Hindrängen von in einem Behälter im
• schwerelosen Zustand befindlicher Flüssigkeit zu Ausflußöffnungen hin sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hindrängen von in einem Behälter im schwerelosen Zustand befindlicher Flüssigkeit zu einer oder mehreren Ausflußöffnungen hin, sowie eine entsprechende Vorrichtung.
• Das Problem, einem Behälter im schwerelosen Zustand Flüssigkeit zu entnehmen, tritt beispielsweise bei Raumflugkörpern auf, die flüssige Treibstoffe für ihre Triebwerke mitführen. Grundsätzlich ergibt sich hierbei die Schwierigkeit, in einem nicht vollständig gefüllten Behälter stets Flüssigkeit an der Ausflußöffnung bereitzustellen. Im allgemeinen wird nämlich angestrebt, ausschließlich Flüssigkeit zu fördern und nicht etwa Gas bzw. Dampf oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch. Eine bisher angewandte Methode, die im Behälter jeweils vorhandene Flüssigkeit zur Ausflußöffnung hin zu drängen, besteht darin, den Behälter etwa an der der Ausflußöffnung gegenüberliegenden Seite mit Gasdruck zu beaufschlagen und die Trennung von Gas und Flüssigkeit durch flexible Zwischenwände, etwa in Form von Beuteln oder Blasen, aufrecht zu erhalten. So wird etwa in der DE-AS 22 41 383 der Treibstoffbehälter für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk mit aus einer Vorbrennkammer abgezweigtem Gasgemisch bedrückt. Nachteilig an dieser Methode ist, daß aufgrund der unterschiedlichen Kompressibilitäten von Flüssigkeit und Gas ein relativ hoher Druck im Behälter aufrechterhalten werden muß, da es nur dann gelingt, die Flüssigkeit auf den kleinstmöglichen Raum zusammenzudrängen.
• Dieser hohe Druck bedingt entsprechend starke Behälterwände und damit einen hohen Materialaufwand sowie erhöhtes Gewicht. Unter Wirtschaftlichkeitsgesiflhts punkten ist diese bisher angewandte Methode daher durchaus verbesserungsbedürftig.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die erforderliche Zuverlässigkeit in der Funktion aufweist und sich gleichzeitig durch möglichst hohe Wirtschaftlichkeit, insbesondere im Hinblick auf Material- und Gewichtsersparnis beim Flüssigkeitsbehälter, auszeichnet, sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Flüssigkeit, insbesondere in Form von Tröpfchen oder Strahlen mit zu der oder den Ausflußöffnungen hin gerichteten Impulskomponenten in den Behälter eingebracht wird. Eingebrachte Flüssigkeitströpfchen etwa besitzen jeweils von ihrer Masse und Geschwindigkeit abhängige kinetische Energien, die sie beim Zusammentreffen mit bereits im Behälter schwebender Flüssigkeit zumindest teilweise an diese übertragen.
• Die schwebende Flüssigkeit wird im allgemeinen einen oder mehrere getrennte, jeweils geschlossene Raum- bereiche erfüllen. Diese Raumbereiche werden dann unter Aufnahme von kinetischer Energie von seiten der eingebrachten Flüssigkeitströpfchen in Richtung auf die Ausflußöffnungen hin driften. Auch etwa an den Behälterwänden befindliche Flüssigkeit wird zu einer solchen Bewegung veranlaßt werden, wenn eingesprühte Flüssigkeitströpfchen dort auftreffen.
• Insgesamt wird somit nach einer gewissen Zeit, die von der eingebrachten Menge und Geschwindigkeit der Flüssigkeitströpfchen abhängt, ein Flüssigkeitsstau an der oder den Ausflußöffnungen resultieren. Dann kann Flüssigkeit zu dem jeweils vorgesehenen Verwendungszweck abgezogen werden, z.B. für Flugbahnkorrekturen von Raumflugkörpern mittels entsprechender Korrekturtriebwerke.
• In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die einzubringende Flüssigkeit an der oder den Ausflußöffnungen des Behälters abgezogen und mittels einer Pumpe auf höheren Druck gebracht wird. Diese unter Druck stehende Flüssigkeit kann dann gegenüber der oder den Ausflußöffnungen durch eine oder mehrere Düsen oder ähnliche Vorrichtungen in den Behälter eingesprüht werden, wobei die zur Druckerhöhung aufgewendete Arbeit nunmehr in Form von gerichteter kinetischer Energie freigesetzt wird. Diese Art der Bereitstellung der einzubringenden Flüssigkeit durch Umpumpen wird im allgemeinen der ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegenden Möglichkeit der Entnahme aus einem separaten Druckbehälter vorzuziehen sein. Eine besonders zweckmäßige Verfahrensweise für den stationären Betriebszustand besteht darin, einen Teil der aus dem Behälter abgezogenen Flüssigkeit auf höheren Druck zu bringen und wieder in den Behälter einzubringen und den Rest einem Flüssigkeitsverbraucher zuzuführen.
• Eine einfache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht demnach aus einem eine oder mehrere Ausflußöffnungen aufweisenden Behälter, einer oder mehreren, in etwa gegenüber der oder den Ausflußöffnungen in die Behälterwand eingesetzten Düsen, einer über Rohrleitungen saugseitig mit der oder den Ausflußöffnungen und druckseitig mit der oder den Düsen verbundenen Pumpe sowie einer von der die Düsen mit der Pumpe verbindenden Rohrleitung abzweigenden, absperrbaren, zum Flüssigkeitsverbraucher führenden Rohrleitung.
• In weiterer Ausgestaltung einer derartigen Vorrichtung wird vorgeschlagen, im Behälter vor der oder den Ausflußöffnungen jeweils ein poröses, unter Ausnutzung von Oberflächenspannung bzw. Kapillarwirkung Flüssigkeit aufnehmendes und speicherndes System, etwa in Art eines Schwammes, anzuordnen. Dies hat den Vorteil, daß zu jeder Zeit eine gewisse Menge an Flüssigkeit an den Ausflußöffnungen zur Verfügung steht. Ein Teil davon kann somit jederzeit sofort abgezogen, auf höheren Druck gebracht und gegenüber den Ausflußöffnungen wieder in den Behälter eingesprüht werden, um den Transport der noch im Behälter befindlichen Flüssigkeit zu den Ausflußöffnungen hin in Gang zu setzen. Sobald sich genügend Flüssigkeit angesammelt hat, kann die Absperrung der zdm Flüssigkeitsverbraucher führenden Rohrleitung aufgehoben und der zum Verbrauch bestimmte Anteil abgezweigt werden.
• Der Einsatz eines Kapillarsystems der oben erwähnten Art ist gerechtfertigt bei Verwendung von Verdrängungspumpen, beispielsweise Zahnrad-, Rollen- oder Schraubenpumpen. Diese sind beim Hochlaufen relativ unempfindlich gegen den Durchtritt von Gasblasen. Der Gefahr von Leckverlusten durch den Einsatz einer Pumpe kann dadurch begegnet werden, daß der Pumpenantrieb mit berührungsfreien Kupplungen ausgestattet ist. Als weitere Möglichkeit sei in diesem Zusammenhang der Einsatz von Wechselstrom- bzw. Drehstrommotoren mit außenliegenden Wicklungen genannt, wobei die entstehende Verlustwärme in an sich bekannter Weise durch Flüssigkeitskühlung mittels der gepumpten Flüssigkeit abgeleitet werden kann.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Abbildung näher erläutert.
• Die Abbildung zeigt in schematischer Weise einen Behälter 1 für flüssigen Treibstoff. Dieser Treibstoff wird zum Betreiben eines Flüssigkeitsverbrauchers 6, der aus beispielsweise drei Raketentriebwerken 14, 15, 16, besteht, benötigt. In dem etwa in Raumfahrzeugen auftretenden schwerelosen Zustand wird der flüssige Treibstoff, wenn der Behälter 1 nicht vollständig gefüllt ist, sich in einem oder mehreren geschlossenen Raunibereichen 4 ansammeln, die im allgemeinen annähernd Kugelform aufweisen werden.
• Am unteren Ende des Behälters 1 befindet sich eine Ausflußöffnung*2, am oberen Ende eine Düse 7. Im Inneren des Behälters 1 ist über der Ausflußöffnung 2 ein poröses, Flüssigkeit speicherndes, schwammartiges System 11 angeordnet. Eine Pumpe 5 ist saugseitig über eine Leitung 8 mit der Ausflußöffnung 2, druckseitig über eine Leitung 9 mit der Düse 7 verbunden.
• Die Pumpe 5 wird über eine berührungslose Kupplung 17 durch einen elektrischen oder pneumatischen Antrieb 12 betätigt.
• Soll nun flüssiger Treibstoff zu dem Flüssigkeitsverbraucher 6 hin gefördert werden, so wird zunächst mittels der Pumpe 5 Flüssigkeit aus dem porösen System 11 abgezogen, auf höheren Druck gebracht und durch die Düse 7 von oben in den Behälter 1 eingesprüht. Die Flüssigkeit wird in Form einzelner Tröpfchen oder aus diesen zusammenfließender Strahlen in einen nach unten offenen, kegelförmig aufgeweiteten Raumbereich eingesprüht, so daß jedes auf diese Weise eingebrachte Flüssigkeitströpfchen bzw.
• -teilchen eine nach unten, d.h. zur Ausflußöffnung hin, gerichtete Impulskomponente aufweist. Beim Zusammentreffen mit bereits im Behälter befindlicher Flüssigkeit wird kinetische Energie auf diese übertragen, so daß eine zur Ausflußöffnung hin resultierende Bewegung eintritt. Schließlich wird die gesamte im Behälter befindliche Flüssigkeit über der Ausflußöffnung 2 anstehen. Spätestens zu diesem Zeitpunkt kann flüssiger Treibstoff für den Flüssigkeitsverbraucher 6 abgezweigt werden, indem eine von diesem ausgehende Leitung 10 durch Öffnen eines Ventils 13 mit der Pumpe 5 verbunden wird. Je nach Richtung der bei Betätigung der Triebwerke auftretenden Beschleunigung muß weiter Flüssigkeit durch die Düse 7 in den Behälter 1 eingesprüht werden oder nicht.
• Anstelle der Düse 7 kann jede Vorrichtung verwendet werden, die es erlaubt, auf erhöhtem Druck befindliche Flüssigkeit aus der Leitung 9 so in den Behälter 1 einzusprühen, daß die eingebrachten Flüssigkeitströpfchen bzw. Flüssigkeitsstrahlen zur Ausflußöffnung 2 hin gerichtete Impulskomponenten aufweisen.
• Es ist zweckmäßig, zumindest dem an die Düse 7 bzw.
• die äquivalente Vorrichtung angrenzenden Teil des Behälters 1 eine Kegelform zu geben, die an den Auffächerungsgrad der eingesprühten Flüssigkeitströpfchen angepaßt ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Hindrängen von in einem Behälter im schwerelosen Zustand befindlicher Flüssigkeit zu Ausflußöffnungen hin sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Patentansprüche 1. Verfahren zum Hindrängen von in einem Behälter im schwerelosen Zustand befindlicher Flüssigkeit zu einer oder mehreren Ausflußöffnungen hin, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Flüssigkeit, insbesondere in Form von Tröpfchen (3) oder Strahlen mit zu der oder den Ausflußöffnungen (2) hin gerichteten Impulskomponenten in den Behälter (1) eingebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die einzubringende Flüssigkeit an der oder den Ausflußöffnungen (2) des Behälters (1) abgezogen und mittels einer Pumpe (5) auf höheren Druck gebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Teil der aus dem Behälter (1) abgezogenen Flüssigkeit auf höheren Druck gebracht und wieder in den Behälter eingebracht und der Rest einem Flüssigkeitsverbraucher (6) zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die einzubringende Flüssigkeit durch eine oder mehrere, der oder den Ausflußöffnungen (2) in etwa gegenüber angeordnete Düsen (7) in den Behälter (1) eingesprüht wird.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem, eine oder mehrere Ausflußöffnungen (2) aufweisenden Behälter (1), g e k e n n z e i c h n e t durch eine oder mehrere, in etwa gegenüber der oder den Ausflußöffnungen (2) in die Behälterwand eingesetzte Düsen (7), eine über Rohrleitungen (8, 9) saugseitig mit der oder den Ausflußöffnungen (2) und druckseitig mit der oder den Düsen (7) verbundene Pumpe (5), sowie eine von der die Düsen mit der Pumpe verbindenden Rohrleitung (9) abzweigende, absperrbare, zum Flüssigkeitsverbraucher (6) führende Rohrleitung (10).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Pumpe eine Verdrängerpumpe, beispielsweise eine Zahnrad-, Rollen- oder Schraubenpumpe, verwendet wird.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine elektrisch oder pneumatisch angetriebene Pumpe verwendet wird.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Pumpenantrieb mit berührungsfreien Kupplungen ausgestattet ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für den Pumpenantrieb ein Wechselstrom- oder Drehstrommotor mit außenliegenden Wicklungen verwendet wird.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Behälter (1) vor der oder den Ausflußöffnungen (2) jeweils ein poröses, unter Ausnutzung von Oberflächenspannung bzw. Kapillarwirkung Flüssigkeit aufnehmendes und speicherndes System (11), etwa in Art eines Schwammes, angeordnet ist.