DE3327738A1

DE3327738A1 - Fluidspeicher- und ausstossvorrichtung

Info

Publication number: DE3327738A1
Application number: DE19833327738
Authority: DE
Inventors: Vincent Joseph 06108 East Hartford Conn. Sansevero jun.; Walter Frank 06096 Windsor Conn. Skrabal
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1982-08-09
Filing date: 1983-08-01
Publication date: 1984-02-09
Anticipated expiration: 2003-08-02
Also published as: FR2532373B1; FR2532373A1; IT8322442A0; GB2124705A; IT8322442A1; DE3327738C2; IT1164381B; GB8320767D0; US4533067A

Description

Fluidspeicher- und -ausstoßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Speichern und Ausstoßen eines Fluids und betrifft insbesondere eine Vorrichtung dieser Art zur Verwendung mit einem Treibstoff für ein Fahrzeug, wie beispielsweise einem Raketen-Flugkörper od.dgl.

Raketengetriebene Fahrzeuge, wie beispielsweise Flugkörper oder Raumfahrzeuge, können ein Druckfluid, wie beispielsweise einen Treibstoff, für die Lenksteuerung eines Feststoffraketentriebwerks oder einen Brennstoff für einen Fluglage-Gasdruckzylinder oder -Druckgeber (thruster) benötigen. Im Stand der Technik ist es üblich, ein solches unter Druck stehendes Fluid (Primärfluid) in einem dafür vorgesehenen Behälter zu speichern und das Primärfluid aus dem Behälter beispielsweise mit Hilfe eines Druckgases (Sekundärfluids) auszutreiben, das aus der Verbrennung einer Feststoffladung, aus den Abgasen des Fahrzeughaupt-

-Ir-

. G-

triebwerks oder einem auf dem Fahrzeug gespeicherten komprimierten Gas stammt. Der Behälter kann ein flexibler Sack sein, der durch das Sekundärfluid zusammengedrückt wird/ um das Primärfluid aus ihm auszutreiben. Statt desäen kann der Behälter ein ring- oder schraubenliniehförmiger Tank sein, durch den das Sekundärfluid einen Kolben hindurchtreibt, um das Primärfluid aus dem Tank auszutreiben. Kolben-Tank-Anordnungen weisen zwar verschiedene Vorteile gegenüber dem vorerwähnten System mit einem flexiblen Sack auf, die Kolben-Tank-Systeme haben aber auch manche Nachteile. Ein solcher Nachteil besteht darin, daß solche Systeme nicht in der Lage sind, das Primärfluid in dem Tank für unbegrenzte Zeit zu speichern, ohne daß es zur Leckage des Fluids aus dem Tank zwischen der inneren Oberfläche der Tankwände und dem Kolben kommt. Ein weiterer Nachteil ist die Unwucht, die ein verschiebbarer Kolben dem System (und dem Fahrzeug) verleiht, wenn der Kolben den Tank durchquert. Wenn beispielsweise der Tank ring- oder schraubenlinienförmig ist, wie es der Fall ist, wenn der Tank um einen Körper herum angeordnet werden muß, beispielsweise um das Fahrzeughaupttriebwerk, wird ein einzelner Kolben, der den Tank von einem Ende zum anderen durchquert, um das Fluid aus diesem auszutreiben, notwendigerweise eine zyklische, laterale Unwucht in dem Fahrzeug erzeugen, wodurch die Gefahr besteht, daß das Fahrzeug von einem gewünschten Weg oder einer gewünschten Flugbahn abweicht. Darüber hinaus kann der Tank durch Wärme, die ihm durch das Sekundärfluid zugeführt wird, beschädigt werden, beispielsweise wenn das Sekundärfluid ein Gas ist, das aus einer Feststoffladung oder aus dem Abgas des Fahrzeughaupttriebwerkes stammt.

Es· ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Fluidspeicher- und -ausstoßvorrichtung zu schaffen.

Die Vorrichtung soll in der Lage sein, ein Fluid bei minimaler Gefahr einer Leckage desselben langfristig zu spei-

ehern.

Bei der Vorrichtung soll das Gleichgewicht erhalten bleiben, wenn das Fluid aus ihr ausgestoßen wird.

Bei der Vorrichtung soll die Gefahr einer thermischen Beschädigung eines Tanks, der in der Vorrichtung benutzt wird, durch ein Sekundärfluid minimal sein.

Gemäß der Erfindung wird die Gefahr einer Fluidleckage aus der Vorrichtung minimiert, indem eine durchbrechbare Dichtung vorgesehen wird, die an dem Kolben und an der Wand des Tanks permanent befestigt ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Gleichgewicht des Systems aufrechterhalten, indem in dem System Kolben in gegenüberliegenden Paaren vorgesehen werden, so daß die Verlagerung eines Kolbens durch eine gleiche Verlagerung des gegenüberliegenden Kolbens ausgeglichen wird. In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die überhitzung der Tankwände aufgrund des Auftreffens von heißem Sekundärfluid durch einen expandierbaren Wärmeschild minimiert, der mit einem Ende an einer Innenoberfläche der Tankwand und an seinem entgegengesetzten Ende an dem Kolben befestigt ist. Durch die Kolbenbewegung in dem Tank wird der Wärmeschild aufgeweitet, so daß der Schild zwischen dem heißen Sekundärfluid und der Innenoberfläche der Tankwand angeordnet wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Dichtung ein zerreißbarer Balg oder eine raembranartige Dichtung, und der ausdehnbare Wärmeschild weist rohrförmige Gewebeteile auf, die zur kompakteren Lagerung ziehharmonikaartig gefaltet sind.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in Draufsicht und teilweise im Schnitt

eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

Pig. 2 eine vergrößerte Längsschnittatisicht

von einem der Kolben und Wärmeschilde, die in der Vorrichtung benutzt werden, und

Fig. 3 eine Seitenansicht einer weiteren Aus-

führungsform des Tanks, der in der Vorrichtung nach der Erfindung benutzt wird,

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist die Vorrichtung nach der Erfindung insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet und weist einen ringförmigen Tank 15 auf, in welchem ein Primärfluid gespeichert und später ausgestoßen wird. Der Tank 15 kann jeden gewünschten Querschnitt haben, beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt, wenn der Tank ringförmig ist. Der Tank 15 hat zwei diametral gegenüberliegende Einlaßöffnungen 20 und 25, über die ein Sekundärfluid in den Tank eingeleitet wird. Weiter hat der Tank zwei diametral gegenüberliegende Auslaßöffnungen 30 und 35, über die das Primärfluid aus dem Tank abgegeben wird. Der Tank 15 ist durch Wände 40 und 45 in zwei insgesamt gleichvolumige Kammern unterteilt, wobei die Wand 40 die Auslaßöffnung 30 und die Wand 45 die Auslaßöffnung 3 5 aufweist. Der Tank 15 besteht aus irgendeinem Material, das mit den chemischen Eigenschaften und den Drücken des Primär- und des Sekundärfluids kompatibel ist. Wenn beispielsweise das Primärfluid der Einzeltreibstoff Hydrazin ist und das Sekundärfluid aus Kohlenwasserstoffverbrennungsprodukten besteht, besteht der Tank aus einer Titanlegierung.

In dem Tank 15 sind zwei im wesentlichen gleiche Kolben 50 angeordnet. Die Kolben 50 sind insgesamt becherförmig,

so daß jeder einen hohlen Teil 55 hat. Die Kolben 50 sind an den Innenoberflächen der Tankwände durch dynamische Dichtungen 60 abgedichtet, die in mit ihnen zusammenpassenden Nuten in den Kolbenmantelflächen aufgenommen sind. Die Kolben 50 und die Dichtungen 60 bestehen wie der Tank 15 aus irgendeinem geeigneten Material, das mit den chemischen Eigenschaften und den Drücken des Primär- und des Sekundärfluids kompatibel ist, und ebenso wie die Einlaß- und Auslaßöffnungen sind die Kolben insgesamt diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet. Eine gleiche Druckbeaufschlagung der Kolben mit Sekundärfluid und gleiche Pirmärfluidströmungswiderstände bewirken, daß sich jeder Kolben 50 über eine entsprechende Hälfte des Tanks 15 bewegt, wobei er diametral entgegengesetzt zu dem anderen Kolben bleibt, wodurch der Schwerpunkt der Vorrichtung insgesamt stationär bleibt, um die gewünschte Fluglage des Fahrzeugs zu bewahren, in welchem die Vorrichtung benutzt wird.

Zum Verhindern der Leckage des Primärfluids zwischen dem Kolben und den Tankwänden während langfristiger Speicherung ist die Vorrichtung mit Dichtungen 6 5 versehen, die an den Kolben und an den Tankwänden durch irgendeine geeignete Technik permanent befestigt sind. In der bevorzugten Ausführungsform, in der der Tank 15, die Kolben 50 und die Dichtungen 65 aus einer Titanlegierung bestehen, sind die Dichtungen 65 an den Kolben und an den Tankwänden durch Schweißen od.dgl. befestigt. Die Dichtungen können, wie dargestellt, Bälge sein. Andere gleich wertige Konfigurationen können jedoch ohne weiteres verwendet werden.

Zum Verhindern einer überhitzung der Tankwände, wenn ein heißes Sekundärfluid in den Tank eingeleitet wird, ist die Vorrichtung 10 nach der Erfindung mit zwei auseinanderziehbaren Wärmeschilden 70 versehen, die jeweils an

der Innenoberfläche des Tanks 15 und an der Innenoberfläche der Kolben befestigt sind, so daß durch die Kolbenbewegung die Wärmeschilde in Längsrichtung auseinandergezogen werden, wodurch der Wärmeschild zwischen dem Sekundärfluid und der Tankwand angeordnet wird. Der Wärmeschild ist in der Lage, höhere Temperaturen als die Tankwand auszuhalten_/ und besteht in der bevorzugten Ausführungsform aus einem Material wie Glas-, Quarz- oder Keramikfasergewebe. Solche Gewebe können auch kompakt zusammengefaltet werden, indem beispielsweise das Gewebe mit Harmonikafalten versehen wird, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist. Wenn die Kolben 50 in ihren Ausgangspositionen (an den Einlaßöffnungen) sind, sind die Wärmeschilde 70 in den Hohlräumen 55 kompakt aufbewahrt und können durch die Kolben leicht auseinanderge~ zogen werden, wobei die Gefahr einer Behinderung durch irgendwelche benachbarten Teile gering ist.

Zum Bewahren seiner Form ist jeder Wärmeschild mit mehre ren Streben oder Abstandshaltern versehen, deren Form dem Querschnitt des Wärmeschilds entspricht. Im allgemeinen haben die Wärmeschilde und die Streben einen kreisförmigen Querschnitt, der dem des Tanks 15 angepaßt ist. Wenn der Tank 15 einen kreisförmigen Querschnitt hat, wird der Wärmeschild insgesamt zylindrisch sein, und die Streben werden insgesamt rund sein. Die Streben können aus einem einzelnen schraubenlinienförmigen Element aus steifem Draht od.dgl. bestehen.

Der Wärmeschild ist an dem Tank und an dem ihm zugeordneten Kolben befestigt. Gemäß der Darstellung in den Zeichnungen sind die Endteile des Wärmeschildgewebes gefalzt oder umgelegt und an dem Kolben und den Tankwänden durch Klemmringe 75 und 80 festgeklemmt, die an dem Kolben bzw. an den Tankwänden durch Schrauben 85 oder Nieten befestigt sind. Bei Bedarf kann zum Verringern

der Gefahr einer thermischen Beschädigung des Wärmeschilds 70 durch die anfängliche Druckbeaufschlagung des Tanks 15 mit dem Sekundärfluid der Kolben 50 mit
einem sich in Längsrichtung erstreckenden Rand oder
Rohr 90 versehen sein, das innerhalb des Wärmeschilds 70 angeordnet ist. Das Rohr 90 weist einen Flansch 95 auf, der sich am Ende desselben nach außen erstreckt, um das Sekundärfluid um den Wärmeschild herum und in das Innere des Rohres 90 zu leiten.

Im Betrieb wird der Tank 15 mit dem Primärfluid gefüllt, und die Kolben sind in dem Tank diametral entgegengesetzt zueinander an den Sekundärfluideinlaßöffnungen 20 bzw. 25 angeordnet. Der Wärmeschild 70 ist
im Innern der Kolben zusammengedrückt (durch Zusammenlegen der Falten desselben). Die Dichtung 65, die an
dem Kolben und an den Tankwänden permanent befestigt
ist, verhindert wirksam das Entweichen des Primärfluids zwischen dem Kolben und den Tankwänden während langen Speicherzeiten. Wenn das Primärfluid aus dem Tank ausgestoßen werden soll, beispielsweise zum Einstellen
der Fluglage eines Flugkörpers, in welchem die Vorrichtung benutzt wird, werden die Innenräume der Kolben mit dem Sekundärfluid (beispielsweise aus einer
Feststoffladung) über die Einlaßöffnungen 20 und 25 und nicht dargestellte Ventile mit Druck beaufschlagt. Durch die Druckbeaufschlagung der Innenräume der Kolben wird die Dichtung 65 zerrissen, wodurch den Kolben gestattet wird, das Innere des Tanks zu durchqueren und dadurch das Primärfluid in dem Tank über die Auslaßöffnungen 30 und 35 auszustoßen. Da die Kolben 5Q gleich aufgebaut und diametral entgegengesetzt angeordnet
sind, werden sich beide unter gleicher Druckbeaufschlagung mit gleichen Geschwindigkeiten bewegen und diametral entgegengesetzt bleiben, so daß der Massenmittelpunkt der Vorrichtung fest bleibt, wodurch die Gefahr einer Unwucht der Vorrichtung und damit des Fahrzeugs, in

welchem sie benutzt wird, minimiert wird. Durch die Bewegung der Kolben werden die Wärmeschilde auseinander*- gezogen, die die metallischen Tankwände vor dem Sekundär fluid schützen, wobei die Harmonikafalten und die Streben der Wärmeschilde die gleichmäßige Ausdehnung derselben gewährleisten.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist zwar in Verbindung mit einem insgesamt ringförmigen Primärfluidtank beschrieben worden, wenn jedoch Bedarf an einer grösserten Tankkapazität besteht, kann die Erfindung auch in Verbindung mit mehreren Tanks oder mit einem schraubenlinienförmigen Tank 100, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, benutzt werden. In der letztgenannten Konfiguration bleiben die Kolben diametral entgegengesetzt, wenn sie den Tank in einer gemeinsamen Richtung durchqueren, wodurch die laterale (radiale) Lage des Massenmittelpunkts der Vorrichtung konstant gehalten wird. Durch diese Bewegung der Kolben wird jedoch die longitudina-Ie Lage des Massenmittelpunkts des Systems verschoben. Während die Tankkonfiguration nach Fig. 3 dort geeignet ist, wo eine größere Kapazität, die der wendeiförmige Tank bietet, verlangt wird und eine longitudinale Verschiebung des Massenmittelpunkts zulässig ist, können in dem Fall, in welchem eine Längsverschiebung des Massenmittelpunkts nicht zulässig ist, zwei Tanks vorgesehen werden, und zwar einer in Form einer rechtsgängigen Schraubenlinie und der andere in Form einer linksgängigen Schraubenlinie/ wobei die Kolben die Schraubenlinien von entgegengesetzten Enden her zu dem Mittelpunkt hin durchqueren. In dieser Konfiguration werden die Kolben diametral entgegengesetzt bleiben, wenn sie sich von den Enden her einander longitudinal nähern, wodurch die longitudinale Lage des Massenmittelpunkts der Vorrichtung sowie dessen laterale (radiale) Lage erhalten bleiben.

Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einem einzelnen Primärfluid beschrieben worden, es können jedoch im Rahmen der Erfindung mehrere Primärfluids benutzt werden. Beispielsweise können in der Vorrichtung nach Fig. 1 zwei Fluids benutzt werden/ beispielsweise ein Brennstoff und ein Sauerstoffträger, wobei der Brennstoff in der Kammer zwischen dem unteren Kolben und der Wand 40 und der Sauerstoffträger in der Kammer zwischen dem oberen Kolben und der Wand 45 gespeichert wird, oder umgekehrt. Bei der Abgabe aus der Vorrichtung 10 können der Brennstoff und der Sauerstoffträger zur Zündung vermischt werden, wobei nicht dargestellte Leitungen und Ventile die Fluids in Berührung miteinander bringen.

Weiter ist die Erfindung zwar in Verbindung mit zwei Kolben beschrieben worden, es können jedoch auch mehr als zwei Kolben benutzt werden. So kann der einzelne ringförmige Tank, der in Fig. 1 gezeigt ist, in vier oder mehr als vier Kammern unterteilt werden, wobei jede Kammer einen Kolben zum Austreiben des in ihr enthaltenen Fluids aufweist. Jeder Kolben würde entgegengesetzt zu einem gleichen Kolben angeordnet sein, um die Lage des Massenmittelpunkts des Systems aufrechtzuerhalten. In einer solchen Anordnung können beispielsweise zwei Kammern Brennstoff aufnehmen, während die anderen beiden Kammern den Sauerstoffträger aufnehmen, oder jede Kammer kann ein anderes Fluid aufnehmen.

Claims

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A. Patentansprüche :

1./ Vorrichtung zum Speichern und Ausstoßen eines Primärfluids,

mit einem insgesamt rohrförmigen Tank (15, 100), der in radialem Abstand um eine zu der Längsachse des Tanks normale Mittelachse angeordnet ist und einen ersten verschiebbaren Kolben (50) enthält, welcher in ihm längsbewegbar ist, um dadurch das Primärfluid aus dem Tank auszutreiben, wobei der Tank eine erste Einlaßöffnung (20) aufweist, über die ein Sekundärfluid in den Tank eingeleitet wird, um den ersten Kolben anzutreiben, und eine erste Auslaßöffnung (30), über die das Primärfluid aus dem Tank durch den ersten Kolben ausgestoßen wird,
gekennzeichnet durch einen zweiten
Kolben (50) , der in dem Tank (15, 100) verschiebbar angeordnet und innerhalb desselben gleichzeitig mit dem ersten Kolben (50) in diametral entgegengesetzter Beziehung
zu diesem bewegbar ist, um ein Ungleichgewicht der Vorrichtung zu minimieren,

durch eine zweite Einlaßöffnung (25) in dem Tank, über die das Sekundärfluid zum Antreiben des zweiten Kolbens

(50) eingeleitet wird, und

durch eine zweite Auslaßöffnung (35) in dem Tank, über die das Primärfluid durch den zweiten Kolben (50) aus dent Tank ausgestoßen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einlaßöffnung (20) insgesamt diametral entgegengesetzt zu der zweiten Einlaßöffnung (25). angeordnet ist und daß die erste Auslaßöffnung (30) insgesamt diametral entgegengesetzt zu der zweiten Auslaßöffnung (35) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei Dichtungen (65), die jeweils an einem der Kolben (50) und an einer benachbarten Innenoberfläche des Tanks (15) permanent befestigt sind, wobei die Dichtungen durch die Bewegung der Kolben auf das Einleiten des Sekundärfluids über die erste und die zweite Einlaßöffnung (20, 25) in den Tank hin zerreißbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei rohrförmige, auseinanderziehbare Schirme (70), die jeweils an einem Ende an dem Tank (15, 100) insgesamt an einer entsprechenden Einlaßöffnung (20, 25) und an dem anderen Ende an einem entsprechenden Kolben (50) befestigt sind, wobei durch die Bewegung des entsprechenden Kolbens der Schirm in Längsrichtung des Tanks auseinandergezogen wird, um dessen Innenoberfläche vor dem Sekundärfluid zu schützen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirme (70) aus einem Gewebe bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (50) hohle Teile (55) enthalten, in denen die Schirme (70) im nichtauseinandergezo-

genen Zustand aufgenommen sind, wenn die Kolben an den Einlaßöffnungen (20, 25) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirme (70) aus einem harmonikaartig zusammengefalteten Gewebe bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeschild (70) mit mehreren in Längsrichtung ausgerichteten Streben versehen ist, deren Form der des Querschnitts des Wärmeschilds entspricht.

9. Vorrichtung zum Speichern und Ausstoßen eines Primär fluids, mit einem insgesamt rohrförmigen Tank (15, 100), der in radialem Abstand um eine zu der Längsachse des Tanks normale Mittelachse angeordnet ist, mit einem Kolben (50), der in dem Tank zum Austreiben des Primärfluids aus dem Tank längsverschiebbar angeordnet ist, wobei der Tank eine Einlaßöffnung (20, 25) aufweist, über die ein Sekundärfluid in den Tank eingeleitet wird, um den Kolben anzutreiben, gekennzeichnet durch einen flexiblen, auseinanderziehbaren Schirm (70), der an seinem einen Ende mit dem Kolben (50) und an seinem entgegengesetzten Ende mit einer inneren Wand des Tanks (15, 100) verbunden ist und durch die Bewegung des Kolbens auseinandergezogen wird, um dadurch eine Auskleidung für den Tank zu bilden, durch die der Tank vor den Einwirkungen des Sekundärfluids abgeschirmt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeschild (70) rohrförmig ist und aus einem Gewebe besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (50) einen hohlen Teil

(55) in seinem Innern hat, welcher den zusammengefalteten Schirm (70) im nichtauseinandergezogenen Zustand aufnimmt, wenn der Kolben in einer Position in der Nähe der Einlaßöffnung (20, 25) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe harmonikaartig zusammengefaltet und mit mehreren in Längsrichtung ausgerichteten Streben versehen ist, deren Form der des Querschnitts des Schirms (70) entspricht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Teil (55) des Kolbens (50) mit einem rohrförmigen Rand (90) versehen ist, der sich von ihm aus innerhalb des Schirms (70) erstreckt, um den Schirm im nichtauseinandergezogenen Zustand vor den Anfangsauswirkungen des Einleitens des Sekundärfluids in den Tank (15, 100) zu schützen.