DE3714425C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Steuern des Volumen­ stromes von aus einem Behälter austretenden, partikelbeladenen Heißga­ sen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Solche Ventileinrichtungen werden insbesondere in mit festen Treibstof­ fen arbeitenden Staustrahl-Raketentriebwerken verwendet und sind bei­ spielsweise 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 Sau­ erstoffmangel 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 Dreh­ schieberbauweise 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 Tem­ peraturen (ca. 1600°C) und örtlich hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Am problematischsten jedoch sind die in den erzeugten Heißgasen enthalte­ nen, glühenden und extrem haftfähigen Brennstoffpartikel. Diese schlagen sich praktisch auf allen angrenzenden Bauteilen, wie z. B. der austritts­ seitigen Brennkammerwand, den Drehschiebern, den Austrittsöffnungen etc., nieder und bilden mit zunehmender Brenndauer immer dickere Schich­ ten, welche die strömungsmechanische und mechanische Funktion bis zum völligen Versagen verschlechtern können. Wie insbesondere aus dem deut­ schen Gebrauchsmuster 85 32 148 zu ersehen, wird diesen Gefahren kon­ struktiv entgegengewirkt. Die Austrittsöffnungen, an welche sich die sog. Gasleitrohre anschließen, ragen mindestens um das Maß der zu erwar­ tenden Schichtdicke aus der Brennkammerwand heraus. Die Drehschieber ar­ beiten bezüglich der Austrittsöffnungen berührungslos. Je nach Ausfüh­ rung verdecken sie die Austrittsquerschnitte mit ihren Steuerkanten bei konstantem axialem Abstand nach Bedarf mehr oder weniger stark (Figur 1 bis 4) oder sie verdecken die Austrittsquerschnitte immer vollständig und ändern dabei den axialen Abstand (Figur 5). Um nun exakt definierte Austrittsquerschnitte mit wenig Angriffsfläche für Ablagerungen zu er­ zielen, 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 Treibstoffablagerun­ gen, so daß mit einer im Verlauf der Brenndauer zunehmenden Strahlein­ schnürung zu rechnen ist.

Aus der US-PS 26 13 497 ist ein Feststoff-Raketentriebwerk bekannt, wel­ ches an beiden Stirnseiten mit einer oder mehreren Schubdüsen versehen ist. Bei stetig abbrennendem Treibsatz läßt sich der effektive Schub dieses Triebwerkes stufenlos von maximal vorwärts bis maximal rück­ wärts regeln, wobei ein schubloser Zustand dann gegeben ist, wenn durch die vorderen und hinteren Düsen eine gleich große Abgasmenge strömt. Ge­ mäß der Ausführung nach Fig. 1 bis 3 werden alle Düsen eines Triebwerks­ endes von einem gemeinsamen Drehschieber durch Veränderung des wirksamen Austrittsquerschnittes gesteuert. Die Drehschieber sind miteinander ge­ koppelt und so angeordnet, daß eine Querschnittsvergrößerung an einem Triebswerksende einer Querschnittsverkleinerung am anderen Ende ent­ spricht. Die Drehschieber weisen strömungsgünstig gerundete Zuströmdüsen auf, welche in Zahl und Größe den Austrittsöffnungen der Schubdüsen entsprechen und koaxial vor diese schwenkbar sind. Mit den geschlossenen Drehschieberflächen neben den Zuströmdüsen können die Austrittsöffnungen ganz oder teilweise versperrt werden. Im fluchtenden Zustand von Zu­ strömdüsen und Austrittsöffnungen werden unerwünschte Strahleinschnürun­ gen somit vermieden. Die dargestellte Bauweise geht davon aus, daß der Treibsatz in der Brennkammer vollständig verbrennt, und daß seine Abgase keinen nennenswerten Feststoffanteil (Partikel) mehr enthalten. Nur un­ ter diesen Voraussetzungen ist es möglich, die Drehschieber - wie ge­ zeigt - eng in den Brennkammermantel einzupassen und auf der Stirnwand gleiten zu lassen. Im Vorbrennkammerbetrieb, bei unvollständiger Ver­ brennung und hohem Partikelanteil, würden derartige Drehschieber sehr schnell festgehen und somit versagen. Ein kreisrunder, geschlossener Drehschieber besitzt außerdem den Nachteil einer hohen Masse bzw. eines großen Massenträgheitsmomentes.

Gegenüber den Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ventileinrichtung zum Steuern partikelbelade­ ner Heißgase zu schaffen, welche strömungsgünstig, unempfindlich gegen­ über Ablagerungen, leichtgewichtig und leichtgängig ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Für die vier zu steuernden Austrittsöffnungen werden also zwei kleine, leichte Drehschieber verwendet, welche mit strömungsgünstigen Zuströmdü­ sen und seitlichen Steuerflächen versehen sind und mit Keilschneiden örtlich in den Schwenkbereich ragende Ablagerungen beseitigen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläu­ tert. Dabei zeigt in vereinfachter Darstellung

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

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1 in vergrö­ ßertem Maßstab.

Es hat sich in der Praxis bewährt, die Hauptbrennkammer von Fest­ stoff-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. Aus­ trittsöffnungen 4 vorgesehen, wie aus Fig. 1 ersichtlich.

Fig. 1 zeigt eine Ventileinrichtung 1 mit zwei getrennten Drehschiebern 6. Vorteilhaft dabei ist, daß die Drehschieber 6 klein sind und eine ge­ ringe Masse bzw. ein geringes Massenträgheitsmoment besitzen, wodurch sich mit kleinen Antriebsleistungen schnelle Verstellbewegungen erzielen lassen. Falls die beiden Drehschieber 6 mit voneinander unabhängigen An­ trieben 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 konzen­ trisch vor den scharfkantigen Austrittsöffnungen 4 (siehe auch Fig. 2). Damit die Drehschieber 6 die Austrittsöffnungen 4 auch teilweise oder vollständig verdecken können, sind im Uhrzeigersinn neben den Zuströmdü­ sen 8 geschlossene Steuerflächen 10 angeordnet. Wenn die Austrittsöff­ nungen 4 von den Steuerflächen 10 vollständig verdeckt sind, ist ein Ausströmen der brennstoffreichen Heißgase aus der Vorbrennkammer 2 prak­ tisch nur noch durch die kleinen - aus Fig. 2 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 üblichen Dreh­ schiebern hat aber auch einen Nachteil. Falls nämlich die Brennstoffab­ lagerungen auf der austrittsseitigen Brennkammerwand bis in den Schwenk­ bereich der Drehschieber wachsen, müßten diese Ablagerungen bei Schwenk­ bewegungen unter hohem Drehmomentbedarf verdrängt werden. Um die ggf. erforderlichen Drehmomente zu reduzieren, sind die Drehschieber 6 im Be­ reich der Steuerflächen 10 mit Keilschneiden 12 versehen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden diese Keilschneiden 12 durch Abschrägen der dem Brennrauminneren zugewandten Drehschieber-Stirnflächen erzeugt.

Die von der Erfindung erwarteten Verbesserungen hinsichtlich des Strö­ mungs- und Ablagerungsverhaltens haben sich in Versuchen bereits bestä­ tigt.

Claims (1)

1. Ventileinrichtung zum Steuern des Volumenstromes von aus einem Be­ hälter austretenden, partikelbeladenen Heißgasen, insbesondere von aus der Vorbrennkammer eines Feststoff-Staustrahltriebwerkes austretenden, brennstoffreichen Heißgasen, mit vier relativ scharfkantigen, in das Be­ hälterinnere hineinragenden und in einer gemeinsamen Austrittsebene lie­ genden, runden Austrittsöffnungen, deren Mitten in den Eckpunkten eines - gedachten - Rechteckes oder Quadrates liegen sowie mit mindestens ei­ nem, in geringem axialen Abstand vor der Austrittsebene angeordneten, parallel zu dieser beweglichen Drehschieber, dessen Steuerflächen vor die zugeordneten Austrittsöffnungen schwenkbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für zwei benachbarte Austrittsöffnungen (4) je ein Dreh­ schieber (6) mit zwei strömungsgünstig gerundeten Zuströmdüsen (8) und zwei in Umfangsrichtung jeweils neben den Zuströmdüsen angeordneten, ge­ schlossenen Steuerflächen (10) vorhanden ist, dessen Drehpunkt (D) mit­ tig zwischen den ihm zugeordneten Austrittsöffnungen (4) liegt, wobei jede Zuströmdüse (8) bezüglich ihres engsten Querschnittes an die zuge­ hörige Austrittsöffnung (4) angepaßt und koaxial vor diese verschwenkbar ist, und wobei mit jeder Steuerfläche (10) die zugehörige Austrittsöff­ nung (4) ganz oder teilweise verdeckt werden kann, und daß die Dreh­ schieber (6) im Bereich der Steuerflächen (10) mit zu den im wesent­ lichen radialen Drehschieberkanten hin spitz zulaufenden Keilschneiden (12) versehen sind (Fig. 1, 2).