DE3612002A1 - Betankungsvorrichtung zum betanken eines fluessigkeitstankes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betankungsvorrichtung zum Betanken eines Flüssigkeitstankes bei verschiedenen Schwerkraftbedingungen, insbesondere eines mit Treibgas gefüllten Oberflächenspannungstanks.

Es ist bekannt, daß Raumfahrtgeräte für Antriebs- und Lageregelungszwecke (gegebenenfalls auch für Lebenser­ haltungseinrichtungen) flüssige Treibstoffe in Tanks mitführen. Da das begrenzte Tankvolumen solcher Raum­ fahrtgeräte derzeit nur Nutzungsdauern von bis zu 10 Jahren zuläßt, besteht ein Bedarf zur (Wieder-) Betan­ kung derartiger Tanks im Erdorbit.

Neben den bekannten Einkomponententreibstoffen, wie zum Beispiel Hydrazin, werden für Langzeiteinsätze, insbe­ sondere wegen ihres höheren Energiegehaltes, in der Regel Mehrkomponententreibstoffe genutzt. Ein wichtiger Nachteil solcher Mehrkomponententreibstoffe ist, her­ vorgerufen durch die Oxidatorkomponente, ihre chemische Agressivität, die eine Lagerung in herkömmlichen Treib­ stofftanks, in denen bewegliche Trennwände (zum Bei­ spiel Kolben oder Membranen) die Flüssigkeit von dem Austreibgas trennen, nicht erlaubt.

Für diese Flüssigkeiten kommen sogenannte Oberflächen­ spannungstanks zur Anwendung, bei denen Fördergas und Flüssigkeit allein durch die unter Schwerelosigkeit sehr wirksamen Oberflächenspannungskräfte getrennt wer­ den (siehe DE-OS 31 46 262).

Eine Betankung derartiger Oberflächenspannungstanks er­ folgt zur Zeit nur auf der Erde, wobei das Befüllen re­ lativ viel Zeit erfordert. Dies beruht darauf, daß das Befüllen eines Tanks durch die Treibstoffentnahmevor­ richtung erfolgt, welche in der Regel für viele kleine Treibstoffentnahmevorgänge ausgelegt ist. Unter Schwe­ relosigkeit stellt sich das Problem, daß mit einer sol­ chen Betankungsmethode keine zuverlässige Trennung von Gas- und Flüssigkeitsphase möglich ist. Das aus Ober­ flächenspannungstanks langsam entweichende Gas wäre stark angereichert mit Flüssigkeitspartikeln, die zum einen den maximalen Befüllungsgrad des Tanks erheblich einschränken und zum anderen das Treibgas auf aus Sicherheitsgründen unzulässige Werte verschmutzt. Eine weitere theoretische Möglichkeit zur (Wieder-)Betankung unter Schwerelosigkeit besteht darin, die Flüssigkeit mit Hilfe einer Kolbenbetankungsvorrichtung in den Tank einzufüllen. Da die Verbraucher der getankten Flüssig­ keit in der Regel Kleinschubtriebwerke sind, wird eine höchstmögliche Reinheit des Treibstoffes gefordert. Mechanisch bewegte Bauteile sind wegen des entstehenden Materialabriebes daher ungeeignet. Darüber hinaus sind eventuell erforderliche Wellendurchführungen durch den Tank wegen der Leck- und Kontaminationsgefahr durch Schmier-, Dichtungs- und Lagerwerkstoffe unerwünscht. Die in diesem Zusammenhang auftretenden Anforderungen hinsichtlich Antrieb, Energie und Regelung bewirken außerdem eine erhebliche Komplizierung des Tanks und der Betankungseinrichtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Betankungsvorrichtung für eine Gleichdruck-(wieder-)be­ tankung von Flüssigkeitstanks unter Schwerelosigkeit, insbesondere für Oberflächenspannungstanks, zu schaf­ fen, die mit hoher Zuverlässigkeit eine effiziente Trennung von Flüssigkeit und Gas ermöglicht.

Die Kennzeichen der erfindungsgemäßen Betankungsvor­ richtung sind in den Ansprüchen im einzelnen angegeben. Das Prinzip der Betankungsvorrichtung basiert auf dem sogenannten Zentrifugeneffekt, d.h. auf der Trennung zweier Medien unterschiedlicher Dichte in rotierenden Strömungen durch Fliehkraftwirkung. Dabei wird die zur Rotation der Strömung auf zubringende Antriebsenergie durch das Fördersystem des Tankfahrzeuges oder, allge­ mein gesagt, durch die Betankungsanlage aufgebracht. Diese Ausgestaltung der Erfindung erspart Antriebsele­ mente im Flüssigkeitstank.

Mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen lassen sich die Wirkprinzipien und Einbauvarianten der Betankungsvor­ richtung erläutern. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Betankungsvorrich­ tung,

Fig. 2 eine Einbauvariante der Betankungsvorrichtung in einem kugelförmigen Oberflächenspannungs­ tank,

Fig. 3 eine zweite Einbauvariante in einen zylindri­ schen Flüssigkeitstank,

Fig. 4 eine Variante der Betankungsvorrichtung in ebener, spiralförmiger Bauform.

In der ersten Einbauvariante (Fig. 2) ist die Betan­ kungsvorrichtung 17 gemäß Fig. 1 Bestandteil eines ku­ gelförmigen Oberflächenspannungstanks, mit dessen Haut 11 es fest verbunden ist. Die zu tankende Flüssigkeit tritt durch eine Betankungszuleitung 1 tangential in eine Dralldüse 2 ein, um mit hoher Umfangsgeschwindig­ keitskomponente durch einen mit Leitschaufeln versehe­ nen Düsenkranz 3 auszutreten. Leitbleche 12 an der Tankinnenseite unterstützen die entstehende Rotations­ bewegung der Flüssigkeit im Tank. Die hohe Umfangsge­ schwindigkeitskomponente der Flüssigkeit sorgt bei Schwerelosigkeit in Verbindung mit der wirksam werden­ den Fliehkraft dafür, daß sich die getankte Flüssig­ keitsmenge an der Tankinnenwand sammelt, während das Gas im Tank eine zentrierte Säule bildet, deren Längsachse mit der Längsachse der Betankungsvorrichtung 17 zusammenfällt. Aus dieser Gassäule wird das Gas durch das Entnahmerohr 4 abgezogen und einem Schrauben­ kanal 5, der durch das Schraubblech 6 gebildet wird, zugeführt.

Die Außenwand des Schraubenkanals 5 besteht aus kapil­ laraktivem Material, zum Beispiel feinmaschiges Sieb­ material, das im flüssigkeitsbenetzten Zustand einem Gasdurchtritt einen sehr hohen Widerstand, einem Flüs­ sigkeitsdurchtritt einen sehr geringen Widerstand ent­ gegensetzt. Die Geometrie des Schraubenkanals 5 ist so gewählt, daß im Gas mitgerissene Flüssigkeitspartikel wegen der durch die erzwungene Rotationsbewegung ent­ stehenden Fliehkräfte an die Außenwand des Schraubenka­ nals 5 geschleudert werden und infolge des radial nach außen wirkenden Druckgradienten den Durchgangswider­ stand des Kapillarmaterials überwinden und sich an der Außenseite des Kapillarsiebes 7 sammeln. Der um die Siebwand 7 gelegte Blechmantel 8 sorgt für eine gleich­ mäßige Dicke und eindeutige Orientierung des durch die Siebwand 7 abfließenden Flüssigkeitsfilms 9.

Ein Ringspalt 10 zwischen Blechmantel 8 und Düsenkranz­ austritt 3 der Dralldüse 2 sorgt für eine Zwangsabsau­ gung dieses Flüssigkeitsfilms 9 aufgrund der Sogwirkung des kegelförmig vom Düsenkranzaustritt 3 in den Tank strömenden Flüssigkeitsschleiers. Das von Flüssigkeits­ resten gereinigte Gastritt schließlich aus der Betan­ kungsvorrichtung 17 aus, um einem geeigneten Speicher­ behälter zugeführt zu werden.

Der gefüllte Oberflächenspannungstank kann anschlie­ ßend, wie bekannt, über Treibstoffaustriebselemente 19, die Treibstoffsammelrohre 20, dem Treibstoffsammelbe­ hälter 21 und der Leitung für den Treibstoffaustritt beim Förderbetrieb 15 entleert werden. Dazu wird Fördergas über eine Zuleitung 14 zur Betankungsvorrich­ tung 17 geleitet und über das Gaszuleitungs- und -ableitungsrohr 4 in den Tank geführt.

Eine zweite Einbauvariante, die eine stärkere räumliche Trennung von Gas- und Flüssigkeitsströmen erlaubt, ist in Fig. 3 dargestellt. Der verwendete Tank hat ein gro­ ßes Speichervolumen, ist für hohe Entleerungsraten aus­ gelegt und ist kein Oberflächenspannungstank. Hier ist der Flüssigkeitseintrittsteil, dargestellt durch die Betankungszuleitung 1, die Dralldüse 2 und den Düsen­ kranz 3, mit dem Flüssigkeitsaustrittsteil (Rohr 15) kom­ biniert. Gleiches gilt für den Zentrifugalseperator mit den Bauteilen Gaszuleitung und -ableitung 4, Schrau­ benkanal 5, Schraubblech 6 und Kapillarsieb 7, der mit dem Gasableitungsrohr 13 kombiniert ist.

Die Arbeitsweise der Betankungsvorrichtung 17 ändert sich dabei prinzipiell nicht, obwohl der Blechmantel 8 nicht benötigt wird. Der Treibstoff wird über die Dralldüse 2 und dem Düsenkranz 3 eingetankt. Im Tank entsteht, wie zuvor erläutert, eine durch die Leitbleche 12 unterstützte Flüssigkeitsrotation um die Achse der Dralldüse 2, wodurch gleichzeitig eine zentrierte Gas­ säule entsteht. Das teilweise mit Flüssigkeitströpfchen beladene Gas strömt durch das Rohr 4 in den Schraubenka­ nal 5, wo aufgrund der wirksam werdenden Zentrifugal­ kräfte die Abtrennung der Flüssigkeitsanteile stattfin­ det.

Die durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Zen­ trifugalseperator erzeugten Fliehkräfte und Druckgradi­ enten bewirken eine problemlose Ablösung der abgeschie­ denen Flüssigkeitsanteile von der Außenwand des Kapil­ larsiebes 7, ohne daß die Gefahr einer Schraubenkanal­ blockierung entsteht.

Eine dritte Variante der Betankungsvorrichtung zeigt Fig. 4. Das während des Betankungsvorganges aus dem Tank abzuführende Gas wird druch das Gaszu- und -ableiterohr 4 einem Kanalkörper 23 zugeführt, der aus einem spiral­ förmig gewickelten Gaskanal 24 besteht. In diesem Gaskanal 24 strömt das mit Flüssigkeitströpfchen belade­ ne Gas auf die Mitte des Kanalkörpers 23 zu. Die dabei entstehenden Zentrifugalkräfte sorgen dafür, daß die im Gas mitgeführte Flüssigkeit gegen die aus einem Kapil­ larsieb 7, bestehende Seitenwand 7 des Gaskanals 24 prallt und diese durchdringt. Die abgeschiedene Flüssigkeit sammelt sich im Flüssigkeitskanal 25 zwischen dem Kapillarsieb 7 und der Außenwand des Kanalkörpers 23 bzw. der Innenwand des Nachbarkanals.

In der Mitte des Kanalkörpers 23 ist ein Schaftrohr 28 befestigt, über das das verwirbelte Gas den Tank verlassen kann. Das Schaftrohr ist im unteren Abschnitt doppelwandig ausgebildet, wobei der Innenmantel aus einem Kapillarsieb 7 besteht. Der vom Schaftrohrinnen­ mantel und -außenmantel gebildete Flüssigkeitskanal 25 steht mit dem Flüssigkeitskanal 25 im Kanalkörper 23 in Verbindung, so daß der Abfluß der aus dem Gas abgeschie­ denen Flüssigkeit gewährleistet ist. Die Abfließrichtung kann sowohl gleich- als auch entgegengesetzt gerichtet zur Gasstromrichtung beim Betanken erfolgen, obwohl ein Abfließen entgegen der Gasstromrichtung bevorzugt zur Anwendung gelangt. In diesem Fall tritt die abgeschiede­ ne Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanalauslaß 27 aus dem Flüssigkeitskanal 25, der sich neben dem Tankeinlaß 26 für die Betankungsflüssigkeit befindet. Die aus diesem Einlaß in den Tank strömende Flüssigkeit sorgt durch die entstehende Sogwirkung, ähnlich wie bei einer Wasserstrahlpumpe, für einen sicheren Abfluß der Flüs­ sigkeit aus dem Flüssigkeitskanal 25 und wird von Leitblechen in die erwünschte Rotationsbewegung im Tank gezwungen.

Die beschriebenen Einsatzvarianten zeigen, daß mit Hilfe der hier vorgestellten Betankungsvorrichtung der Be­ tankungs- und der Betriebsentleerungs-Mechanismus vor­ teilhaft voneinander getrennt werden. Unabhängig von der Entleerungscharakteristik, insbesondere der Entleerungs­ geschwindigkeit, kann die Betankung eines Flüssigkeits­ tankes unter Schwerelosigkeit in sehr kurzer Zeit erfolgen, ohne daß äußere Störungen, wie zum Beispiel Störbeschleunigungen, einen Einfluß auf die Qualität der Phasentrennebenen im Tank hätten. Insbesondere beim Ein­ satz von Mehrkomponententreibstoffen ist eingefahrloser Betankungsvorgang gewährleistet, da die Gaszuleitungen und -ableitungen immer flüssigkeitsfrei bleiben.

Claims (13)

1. Betankungsvorrichtung zum Be­ tanken eines Flüssigkeitstanks bei unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen, insbesondere eines mit einem Treibgas gefüllten Oberflächenspannungstankes, dadurch gekennzeichnet, daß die Betankungsvorrichtung (17) ein die Flüssigkeit mit Drall in den Tank förderndes Betankungselement und ein das Treibgas beim Füllen abführendes Entgasungselement aufweist und daß das Entgasungselement mit einer Vorrichtung zum strömungs­ mechanischen Abscheiden der vom Treibgas aufgenommenen Flüssigkeit und Rückführung dieser in den Tank versehen ist.

2. Betankungsvorrichtung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betankungs­ vorrichtung (17) ein Bestandteil von Flüssigkeitstanks unterschiedlicher Geometrie ist.

3. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er­ zeugung der Rotationsströmung der getankten Flüssigkeit die Förderenergie einer externen Betankungsanlage ge­ nutzt wird.

4. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Betankung die Flüssigkeit durch eine Zuleitung (1) tan­ gential in eine Dralldüse (2) eingeleitet wird.

5. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er­ zeugung hoher Umfangsgeschwindigkeitskomponenten der zugeführten Flüssigkeit in der Austrittsebene der Dralldüse (2) im Düsenkranz (3) Leitschaufeln angeord­ net sind.

6. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit die Dralldüse (2) durch einen Düsenkranz (3) mit hoher Umfangsgeschwindigkeitskomponente verläßt und sich, durch tankseitige Leitbleche (12) in ihrer Rotationsbewegung unterstützt, an der Tankinnenwand anlegt, während das eine zentrierte Säule bildende Gas mit seiner Längsachse die Längsachse der Betankungsvor­ richtung (17) beschreibt.

7. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch ein Gaszuleitungs- und -ableitungsrohr (4) abge­ zogen und einem Schraubenkanal (5), der sich um eine Trommel (6) in der Betankungsvorrichtung (17) windet, zugeführt wird.

8. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Au­ ßenwand des Schraubenkanals (5) aus einem Kapillarsieb (7) besteht, welches im flüssigkeitsbenetzten Zustand ei­ nem Gasdurchtritt einen sehr hohen und einem Flüssig­ keitsdurchtritt einen geringen Widerstand entgegen­ setzt.

9. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge­ ometrie des Schraubenkanals (5) so gewählt ist, daß im Gas mitgerissene Flüssigkeitspartikel wegen der entste­ henden Fliehkräfte an die Außenwand des Schraubenkanals (5) geschleudert werden und infolge des radial nach au­ ßen gerichteten Druckgradienten den Durchgangswi­ derstand des Kapillarsiebes (7) überwinden und sich zwischen Kapillarsieb (7) und Blechmantel (8) sammeln.

10. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der um das Kapillarsieb (7) gelegte Blechmantel (8) für eine gleichmäßige Verteilung des durch das Kapillarsieb (7) austretenden Flüssigkeitsfilms (8) sorgt.

11. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Ringspalt (10) zwischen Blechmantel (8) und Düsenkranzaustritt (3) der Dralldüse (2) abfließende Flüssigkeitsfilm (9) durch die Sogwirkung des kegelför­ mig vom Düsenkranzaustritt (3) in den Tank strömenden Flüssigkeitsschleiers mitgerissen wird.

12. Betankungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkanal (5) spiralförmig ist.

13. Betankungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Betankungsleitung tangential an dem Schraubenkanal (5) anliegt und am Auslaßquerschnitt (27) des Flüssigkeits­ filmkanals in den Tank mündet.