DE3714425A1 - Ventileinrichtung fuer partikelbeladene heissgase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Steuern des Volumenstromes von aus einem Behälter austretenden, partikelbeladenen Heißgasen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Ventileinrichtungen werden insbesondere in mit festen Treibstoffen arbeitenden Staustrahl-Raketentriebwerken verwendet und sind beispielsweise aus der DE-OS 30 05 864 oder dem DE-GM 85 32 148 bekannt. Man steuert damit den Volumenstrom der in der Vorbrennkammer unter Sauerstoffmangel erzeugten, brennstoffreichen Heißgase zu der mit Stauluft arbeitenden Hauptbrennkammer, um über den Triebwerksdurchsatz gezielt den Schub bzw. die Brenndauer zu beeinflussen. Wie aus den genannten Druckschriften zu ersehen, hat sich in den letzten Jahren eine Drehschieberbauweise durchgesetzt, bei der die strömungsmechanisch wirksamen Teile der Ventileinrichtung im Austrittsbereich der Vorbrennkammer, der Antrieb und die Regelung von den Heißgasen möglichst isoliert zwischen Haupt- und Vorbrennkammer untergebracht sind. Dabei ist zu beachten, daß die strömungstechnischen Regelorgane (Drehschieber, Austrittsöffnungen) unter mechanisch und thermisch extrem ungünstigen Bedingungen arbeiten. In der Vorbrennkammer herrschen hohe Drücke (bis ca. 100 bar), hohe Temperaturen (ca. 1600°C) und örtlich hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Am problematischsten jedoch sind die in den erzeugten Heißgasen enthaltenen, glühenden und extrem haftfähigen Brennstoffpartikel. Diese schlagen sich praktisch auf allen angrenzenden Bauteilen, wie z.B. der austrittsseitigen Brennkammerwand, den Drehschiebern, den Austrittsöffnungen etc., nieder und bilden mit zunehmender Brenndauer immer dickere Schichten, welche die strömungsmechanische und mechanische Funktion bis zum völligen Versagen verschlechtern können. Wie insbesondere aus dem deutschen Gebrauchsmuster 85 32 148 zu ersehen, wird diesen Gefahren konstruktiv entgegengewirkt. Die Austrittsöffnungen, an welche sich die sog. Gasleitrohre anschließen, ragen mindestens um das Maß der zu erwartenden Schichtdicke aus der Brennkammerwand heraus. Die Drehschieber arbeiten bezüglich der Austrittsöffnungen berührungslos. Je nach Ausführung verdecken sie die Austrittsquerschnitte mit ihren Steuerkanten bei konstantem axialem Abstand nach Bedarf mehr oder weniger stark (Fig. 1 bis 4) oder sie verdecken die Austrittsquerschnitte immer vollständig und ändern dabei den axialen Abstand (Fig. 5). Um nun exakt definierte Austrittsquerschnitte mit wenig Angriffsfläche für Ablagerungen zu erzielen, sind die Austrittsöffnungen mit scharfen, ringschneidenförmigen Strömungskanten versehen. Dies führt jedoch insbesondere bei von den Drehschiebern weitgehend freigegebenen Austrittsquerschnitten zu einer starken Strahleinschnürung (Borda-Mündung) im Inneren der Gasleitrohre, so daß die geometrisch vorhandenen Strömungsquerschnitte nur zum Teil ausgenützt werden können. Außerdem sind die Totwassergebiete im Bereich der Strahleinschnürung bevorzugte Ansatzstellen für Treibstoffablagerungen, so daß mit einer im Verlauf der Brenndauer zunehmenden Strahleinschnürung zu rechnen ist.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ventileinrichtung zu schaffen, welche die strömungsmechanischen Verhältnisse wesentlich verbessert und zu geringeren Treibstoffablagerungen führt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der wesentliche Unterschied gegenüber den bekannten Lösungen besteht somit darin, daß den scharfkantigen Austrittsöffnungen strömungsgünstig geformte Zuströmdüsen im jeweiligen Drehschieber vorgeschaltet sind. Diese wirken sich am stärksten bei vollständig geöffneten Austrittsquerschnitten aus, wenn die Düsen konzentrisch vor den Austrittsöffnungen stehen. Aber auch im teilgeöffneten Zustand ergeben sich noch deutliche Verbesserungen. Die weitgehend optimale Nutzung der Strömungsquerschnitte erlaubt höhere Triebwerksdurchsätze und schränkt dabei die unerwünschten Ablagerungsvorgänge ein. Die zum Verdecken der Austrittsöffnungen erforderlichen, geschlossenen Steuerflächen sind an jedem Drehschieber zumindest einseitig neben jeder Zuströmdüse vorhanden.

Die Unteransprüche 2 bis 4 enthalten bevorzugte Ausführungen der Ventileinrichtung, wobei diejenigen nach Anspruch 3 und 4 besonders unempfindlich gegenüber Ablagerungen auf der austrittsseitigen Brennkammerwand sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Vorbrennkammer eines Feststoff-Staustrahltriebwerkes mit Blickrichtung auf eine Ventileinrichtung mit zwei Drehschiebern,

Fig. 2 einen vergleichbaren Schnitt wie Fig. 1 mit Blickrichtung auf eine Ventileinrichtung mit einem Drehschieber,

Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Es hat sich in der Praxis bewährt, die Hauptbrennkammer von Feststoff-Staustrahltriebwerken über vier gleichmäßig am Umfang verteilte Kanäle mit Stauluft zu versorgen. Für eine gute Durchmischung der in der Vorbrennkammer 2 erzeugten Brenngase mit der Stauluft sind daher auch vier in gleichem Abstand zueinander angeordnete Gasleitrohre 5 bzw. Austrittsöffnungen 4 vorgesehen, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung der Ventileinrichtung 1 mit zwei getrennten Drehschiebern 6. Vorteilhaft dabei ist, daß die Drehschieber 6 klein sind und eine geringe Masse bzw. ein geringes Massenträgheitsmoment besitzen, wodurch sich mit kleinen Antriebsleistungen schnelle Verstellbewegungen erzielen lassen. Falls die beiden Drehschieber 6 mit voneinander unabhängigen Antrieben ausgestattet sind, wird die Ausfallsicherheit erhöht. Es ist die Stellung gezeigt, in der die Austrittsquerschnitte maximal geöffnet sind, d.h. die strömungsgünstig gerundeten Zuströmdüsen 8 stehen konzentrisch vor den scharfkantigen Austrittsöffnungen 4 (siehe auch Fig. 3). Damit die Drehschieber 6 die Austrittsöffnungen 4 auch teilweise oder vollständig verdecken können, sind im Uhrzeigersinn neben den Zuströmdüsen 8 geschlossene Steuerflächen 10 angeordnet. Wenn die Austrittsöffnungen 4 von den Steuerflächen 10 vollständig verdeckt sind, ist ein Ausströmen der brennstoffreichen Heißgase aus der Vorbrennkammer 2 praktisch nur noch durch die kleinen - aus Fig. 3 ersichtlichen - axialen Spalte zwischen den Drehschieberrückseiten und der Austrittsebene YZ möglich. Durch die Anordnung der Zuströmdüsen 8 und der Steuerflächen 10 ergibt sich die dargestellte Doppelkeulenform der Drehschieber 6 mit den Drehpunkten D als Mittelpunkt. Die Verwendung von zwei Drehschiebern 6 hat aber auch einen Nachteil. Falls nämlich die Brennstoffablagerungen auf der austrittsseitigen Brennkammerwand 3 bis in den Schwenkbereich der Drehschieber 6 wachsen, müssen diese Ablagerungen bei Schwenkbewegungen unter hohem Drehmomentbedarf verdrängt werden. Um die ggf. erforderlichen Drehmomente zu reduzieren, sind die Drehschieber 6 im Bereich der Steuerflächen 10 mit Keilschneiden 12 versehen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, werden diese Keilschneiden 12 durch Abschrägen der dem Brennrauminneren zugewandten Drehschieber-Stirnflächen erzeugt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung der Ventileinrichtung 1, bei welcher den vier Austrittsöffnungen 4 nur ein einziger, kreisscheibenförmiger Drehschieber 7 zugeordnet ist, dessen Drehpunkt E im Mittelpunkt des - gedachten - Quadrates durch die Mitten der Austrittsöffnungen 4 liegt. Es ist eine Drehschieberstellung wiedergegeben, bei welcher die Steuerflächen 11 die Austrittsöffnungen 4 zu mehr als der Hälfte verdecken, d. h. die Zuströmdüsen 9 liegen zwar auf dem selben Teilkreis wie die Austrittsöffnungen 4, jedoch alle um den gleichen Winkel bezüglich des Drehpunktes E verschwenkt. Bei dem Drehschieber 7 sind die eigentlichen Steuerflächen 11 übergangslos in die geschlossene Kreisscheibenform integriert und somit beiderseits jeder Zuströmdüse 9 vorhanden. Dadurch kann der Drehschieber 7 von der maximal geöffneten Stellung aus wahlweise im Uhrzeigersinn oder dagegen verschwenkt werden. Der Hauptvorteil der kreisscheibenförmigen Ausführung ist darin zu sehen, daß gegenüber den Brennstoffablagerungen auf der Brennkammerwand 3 keine Verdrängungsarbeit geleistet werden muß. Die zu erwartenden Scherkräfte bzw. -momente sind gegenüber den Verdrängungsmomenten deutlich kleiner, so daß die Ausführung nach Fig. 2 bei starken Ablagerungstendenzen vorzuziehen ist.

Die von der Erfindung erwarteten Verbesserungen hinsichtlich des Strömungs- und Ablagerungsverhaltens haben sich in Versuchen bereits bestätigt.

Claims (4)

1. Ventileinrichtung zum Steuern des Volumenstromes von aus einem Behälter austretenden, partikelbeladenen Heißgasen, insbesondere von aus der Vorbrennkammer eines Feststoff-Staustrahltriebwerkes austretenden, brennstoffreichen Heißgasen, mit vorzugsweise mehreren relativ scharfkantigen, in das Behälterinnere hineinragenden und in einer gemeinsamen Austrittsebene liegenden, runden Austrittsöffnungen, sowie mit mindestens einem, in geringem axialen Abstand vor der Austrittsebene angeordneten, parallel zu dieser beweglichen Drehschieber, dessen Steuerflächen vor die zugeordneten Austrittsöffnungen schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Drehschieber (7) bzw. in den Drehschiebern (6) zu jeder Austrittsöffnung (4) eine strömungsgünstig gerundete Zuströmdüse (8, 9) vorhanden ist, welche koaxial vor die zugeordnete Austrittsöffnung (4) geschwenkt werden kann und deren engster, austrittsseitiger Querschnitt etwa so groß wie derjenige der Austrittsöffnung (4) ist, und daß jeder Drehschieber (6, 7) in Umfangsrichtung neben jeder Zuströmdüse (8, 9) mindestens eine geschlossene Steuerfläche (10, 11) aufweist, mit welcher die zugeordnete Austrittsöffnung (4) ganz oder teilweise verdeckt werden kann.

2. Ventileinrichtung nach Anspruch 1 für eine Vorbrennkammer eines Feststoff-Staustrahltriebwerkes mit vier Austrittsöffnungen, deren Mitten in der Austrittsebene in den Eckpunkten eines - gedachten - Rechteckes oder Quadrates liegen, dadurch gekennzeichnet, daß für zwei benachbarte Austrittsöffnungen (4) je ein Drehschieber (6) mit zwei Zuströmdüsen (8) und zwei Steuerflächen (10) vorhanden ist, dessen Drehpunkt (D) mittig zwischen den ihm zugeordneten Austrittsöffnungen (4) liegt (Fig. 1).

3. Ventileinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieber (6) im Bereich der Steuerflächen (10) mit zu den im wesentlichen radialen Drehschieberkanten hin spitz zulaufenden Keilschneiden (12) versehen sind (Fig. 1, 3).

4. Ventileinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die vier Austrittsöffnungen (4) ein kreisscheibenförmiger Drehschieber (7) mit vier Zuströmdüsen (9) vorhanden ist, dessen Drehpunkt (E) in der Mitte des von den Austrittsöffnungen (4) gebildeten - gedachten - Rechteckes oder Quadrates liegt (Fig. 2).