DE3838100A1 - Fluidverteiler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fluidverteiler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solcher Fluidverteiler ist aus der DE-PS 33 17 583 bekannt. Dieser Fluidverteiler weist einen Drehkörper auf, der um eine Drehachse gelagert ist und einen mit einer Fluidquelle kommunizierenden Fluidteiler sowie einen sich daran anschließenden und aus der Seitenwand des Drehkörpers austretenden Auslaßkanal aufweist. Aus diesem Auslaßkanal tritt das Fluid als Fluidstrahl in einer nicht die Drehachse des Drehkörpers schneidenden Richtung derart aus, daß auf den Drehkörper ein Drehmoment ausgeübt und dieser somit in Drehung versetzt wird. Um den Drehkörper in festen Drehlagen zu halten und in andere Drehlagen zu überführen, ist eine Freigabe- und Haltevorrichtung, z.B. nach Art einer lösbaren Bremse, vorgesehen. Der bekannte Fluidverteiler kann hochminiaturisiert und z.B. zur Lenkung von kleinkalibrigen Geschossen verwendet werden. Der Drehkörper ist hierbei in dem Geschoß gelagert, wobei dieses an seiner Seitenwand mehrere Durchbrechungen aufweist, durch die der Fluidstrahl gesteuert ins Freie gelenkt werden kann, so daß auf das Geschoß eine Querkraft ausgeübt wird.

Der bekannte Fluidverteiler kann auch für den Betrieb eines miniaturisierten Heißgasmotors verwendet werden, wie dieses ebenfalls in der erwähnten Patentschrift beschrieben ist.

Der bekannte Fluidverteiler kann im Prinzip mit jeder Art Fluid betrieben werden, z.B. einem Gas, einer Flüssigkeit, einem Gas/Festkörpergemisch usw. In diesem Sinne soll auch im folgenden der Ausdruck "Fluid" verwendet werden.

Es sind nun eine Vielzahl von Anwendungsfällen denkbar, in denen ein solcher Fluidverteiler eingesetzt werden könnte, wobei jedoch im wesentlichen nur zwei Funktionsstellungen des Drehkörpers von Belang sind, die als aktive bzw. inaktive Stellung bezeichnet werden sollen. Der bekannte Fluidverteiler kann z.B. in einem Sekundärinjektionssystem verwendet werden. Hierbei kommt es nur darauf an, in der aktiven Stellung einen reagierenden Treibstoff in den Schubstrahl einer Schubdüse zu leiten oder dieses in der inaktiven Stellung zu verhindern. Da der bekannte Fluidverteiler, sofern er nur einen einzigen Auslaßkanal für das Fluid aufweist, immer eine volle Umdrehung, d.h. einen Drehwinkel von 360° zurücklegen muß, um wieder in die Ausgangsstellung zu gelangen, muß die Zeit für die Drehbewegung aus der aktiven in die inaktive Stellung, bzw. umgekehrt, als Totzeit hingenommen werden.

Diese Totzeit kann verringert werden, wenn der Drehkörper zwei an gegenüberliegenden Seiten der Wand des Drehkörpers austretende Auslaßkanäle aufweist, so daß die aus den Auslaßkanälen austretenden Fluidstrahlen entgegengerichtete Drehmomente auf den Drehkörper ausüben. Wenn dann jeweils ein Auslaßkanal abgedeckt wird, so führt der Drehkörper Schwingbewegungen aus, sofern er durch die Bremse nicht in einer der beiden Stellungen gehalten wird. Notwendig für einen solchen Fluidverteiler ist somit ein Drehkörper mit zwei Auslaßkanälen und einer den Drehkörper umgebenden Abdeckung mit zwei den Auslaßkanälen des Drehkörpers zugeordneten Durchbrechungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fluidverteiler der in Rede stehenden Art anzugeben, der mit geringem konstruktiven Aufwand in zwei definierte Drehstellungen überführt werden kann, wobei ein gutes dynamisches Verhalten, d.h. kurze Schaltzeiten und kurze Totzeiten, erreicht werden soll. Außerdem soll der Fluidverteiler weiterhin in hohem Maße miniaturisierbar werden.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß werden in den beiden Drehstellungen des Drehkörpers auf diesen entgegengerichtete Drehmomente ausgeübt, wobei in der zweiten Stellung dieses Drehmoment durch externe Strömungsführung des aus dem Drehkörper austretenden Fluidstrahles erzeugt wird. Diese Lösung ist konstruktiv sehr einfach, in hohem Maße miniaturisierbar und mit wenigen leichten Bauteilen zu realisieren, so daß insgesamt ein zwischen zwei Stellungen schwenkbarer Fluidverteiler angegeben ist, der ein gutes dynamisches Verhalten, d.h. kurze Schalt- und Totzeiten aufweist.

Der Fluidverteiler gemäß der Erfindung kann vielfältig angewandt werden, so u.a. für die Lenkung eines Flugkörpers oder den Betrieb eines Heißgasmotors, wie oben erwähnt, sowie ferner zum Schalten von leistungsstarken Ventilen, etwa Schubventilen für die Flugkörperlenkung.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines Fluidverteilers gemäß der Erfindung mit einem zwischen zwei Drehstellungen schwenbkbaren Drehkörper;

Fig. 2 eine geschnittene Aufsicht auf den Drehkörper in den beiden Drehstellungen;

Fig. 3 und 4 schematische, jeweils geschnittene Darstellungen eines schnellschaltenden Schubventiles mit einem Fluidverteiler gemäß der Erfindung in unterschiedlichen Drehstellungen des Drehkörpers.

In Fig. 1 ist ein Fluidverteiler 1 mit einem Drehkörper 2, einer als lösbare Bremse 3 ausgebildeten Halte- und Freigabevorrichtung für den Drehkörper 2, einem Gasgenerator 4 als Fluidquelle und einer als Umlenkplatte 5 ausgebildeten Umlenkvorrichtung dargestellt.

Der Drehkörper 2 ist um eine Drehachse A mit Hilfe eines Kugellagers 6 drehbar gelagert, wobei das Kugellager 6 einen oberen Hals 7 des Drehkörpers 2 umfaßt. Dieser Hals 7 ist in die lösbare Bremse geführt und dort mit einer Reibscheibe 8 verbunden, die mit Bremsbacken 9 zusammenwirkt. Ausgestaltung der Lagerung und der Bremse sind lediglich beispielhaft.

In dem Drehkörper 2 ist ein, in diesem Falle zur Drehachse A koaxialer Fluidkanal 10 vorgesehen, der an der unteren Seite des Drehkörpers 2 mit einer Mündung 11 des Gasgenerators 4 kommuniziert. Dieser Fluidkörper 10 geht unterhalb des Halses 7 des Drehkörpers 2 in einen Auslaßkanal 12 über, der etwa senkrecht zur Drehachse A verläuft und an der Seitenwand des Drehkörpers 2 in einer Mündung 13 austritt.

Für den Drehkörper 2 sind, wie in Fig. 2 gezeigt, noch zwei Anschläge 14 und 15 vorgesehen, die den Drehbereich des Drehkörpers begrenzen. Im vorliegenden Falle ist der Drehkörper im Querschnitt als abgeschnittenes längliches Oval ausgebildet, so daß die Anschläge 14 und 15 direkt mit der Seitenwand des Drehkörpers zusammenarbeiten. Selbstverständlich sind hier andere Lösungen möglich.

Die Wirkungsweise des Fluidverteilers 1 wird anhand der Fig. 2 näher erläutert. In Fig. 2a ist der Drehkörper 2 in der ersten Drehstellung dargestellt, in der er an dem ersten Anschlag 14 anliegt. Das aus dem Gasgenerator 4 ausströmende Heißgas wird über den Fluidkanal 10 in den Auslaßkanal 12 geleitet und tritt aus der Mündung 13 etwa senkrecht zur Drehachse A in Richtung des Pfeiles P 1 aus, dessen Richtung durch die Längsachse des Auslaßkanales 12 bestimmt ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, schneidet diese Längsachse nicht die Drehachse A des Drehkörpers, so daß auf den Drehkörper 2 ein Drehmoment ausgeübt wird, das den Drehkörper in eine Drehung in der Figur im Gegenuhrzeigersinn zwingt, was durch den Pfeil P 2 angedeutet ist. Wird der Drehkörper 2 jedoch durch die lösbare Bremse 3 festgehalten, so verbleibt er in der in Fig. 2a gezeigten Stellung.

Wird die Bremse 3 jetzt gelöst, so dreht der Drehkörper 2 in Richtung auf den zweiten Anschlag 15, bis er an diesem anschlägt und dort wiederum durch die erneut betätigte Bremse 3 festgehalten wird. Diese Drehstellung ist in Fig. 2b dargestellt. In dieser Stellung trifft der aus dem Auslaßkanal 12 austretende Fluidstrahl auf die Umlenkplatte 5 und wird in diesem Falle annähernd um 90° umgelenkt, was durch den Pfeil P 3 angedeutet ist. Der Drehkörper 2 ist nun so ausgebildet, daß der umgelenkte Strahl sich auf einer Stützfläche 16 abstützen kann, die sich an die Mündung 13 des Auslaßkanales 12 auf der der Drehachse A zugeordneten Seite anschließt. Der längs des Pfeiles P 3 austretende Heißgasstrahl übt jetzt ein Drehmoment auf den Drehkörper 2 im Uhrzeigersinn aus, was durch den Pfeil P 4 angedeutet ist. Wird jetzt die Bremse 3 gelöst, so wird der Drehkörper 2 durch dieses Drehmoment in Richtung auf den ersten Anschlag 14 geschwenkt. Die Anordnung und Ausgestaltung der Umlenkplatte 5, die Bemessung der Stützflache 16 und des Drehbereiches des Drehkörpers 2 sind so bemessen, daß durch dieses Drehmoment im Uhrzeigersinn der Drehkörper 2 bis zu dem ersten Anschlag 14 dreht, wo er erneut mit Hilfe der Bremse 3 festgehalten wird. Dieses Wechselspiel kann dann beliebig wiederholt werden.

Das aus dem Auslaßkanal 12 austretende Fluid kann in beiden Drehstellungen des Drehkörpers ausgenutzt werden, so z.B. zur Lenkung eines Flugkörpers, zum Verstellen eines Stellgliedes oder dergleichen.

In den Fig. 3 und 4 ist der beschriebene Fluidverteiler in Verbindung mit einem schnellschaltenden, leistungsstarken Schubventil 21 zur Steuerung eines Flugkörpers eingesetzt. Dieses Schubventil weist ein Gehäuse 22 mit einer Kolbenkammer 23 auf, in der ein Differentialkolben 24 aus einem Kolben 25 und einer Kolbenstange 26 verschiebbar gelagert ist. Die Kolbenkammer 23 besteht aus einem unteren und einem oberen Kolbenraum 27 bzw. 28, wobei der Kolben 25 in dem unteren Kolbenraum 27 gelegen ist und die Kolbenstange 26 in den oberen Kolbenraum 28 hineinragt. Sowohl die Kolbenstange 26 als auch der Kolben 25 gleiten in dichtenden Führungen 29 bzw. 30. An den unteren Kolbenraum 27 schließt sich ein Hals 31 mit einer Bohrung 32 an, die dem Auslaßkanal 12 des Drehkörpers 2 direkt gegenüberliegt, wenn der Drehkörper 12 an dem zweiten Anschlag 15 anliegt. Die Mittelachse der Bohrung 32 liegt in der Längsachse L des Differentialkolbens 24, die gleichzeitig die Verschiebeachse ist. Diese Längsachse ist auch die Mittelachse einer Schubdüse 33, die in den oberen Kolbenraum 28 mündet. Die Mündung der Schubdüse 33 in den Kolbenraum 28 ist von einem Stützwulst 34 umgeben, auf den sich die Endfläche der Kolbenstange 26 abstützen kann, wie dieses in Fig. 3 gezeigt ist, so daß außerhalb des Stützwulstes 34 noch eine freie Ringfläche 35 verbleibt. Seitlich in den oberen Kolbenraum 38 mündet eine Bohrung 36, über die Heißgas G in diesen Kolbenraum eingeleitet wird.

Die Funktion der gezeigten Anordnung ist folgende:

In der Stellung des Drehkörpers 2 gemäß Fig. 3a wird Fluid aus dem Auslaßkanal des Drehkörpers 2 über die Bohrung 32 in den unteren Kolbenraum 27 eingeblasen, wodurch der Differentialkolben 34 nach oben gedrückt wird, bis dessen freie Endfläche an dem Stützwulst 34 anliegt. Das Heißgas G wird dadurch abgesperrt und kann nicht aus der Schubdüse 33 austreten, da die Kraft, die durch das Heißgas G auf die Ringfläche 35 des Differentialkolbens wirkt, kleiner als die Kraft ist, die durch das Fluid auf die untere Bodenfläche des Kolbens 25 ausgeübt wird. Wenn der Kolbenraum 27 gefüllt ist, kann weiteres Fluid in diesen nicht eintreten. Wie in Fig. 3b gezeigt, wird dann der Fluidstrahl um 90° entlang des Pfeiles P 3′ umgelenkt. Der gefüllte Kolbenraum 27 und der Hals 31 übernehmen somit die Funktion der in Fig. 2 dargestellten Umlenkplatte 5. Der umgelenkte Fluidstrahl stützt sich wiederum auf die Stützfläche 16 des Drehkörpers 2 ab und übt auf diesen ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment aus. Wird der Drehkörper jetzt durch die nichtgezeigte Bremse freigegeben, so dreht dieser bis zum Anschlag 14, wo er wiederum festgehalten wird. Diese Stellung ist in Fig. 4a dargestellt. In dieser Stellung strömt das aus dem Drehkörper 2 längs des Pfeiles P 1′ austretende Fluid an der Seite des Halses 31 vorbei.

Sobald während des Schwenkens des Drehkörpers 2 die durch das Fluid ausgeübte Kraft auf den Kolben 25 schwacher wird als die Kraft, die von dem Heißgas G auf die freie Ringfläche 35 wirkt, wird der Differentialkolben 24 in Fig. 4 nach unten geschoben. Hierbei wird das in dem Kolbenraum 27 vorhandene Fluid aus dem Kolbenraum herausgedrängt und strömt über die Bohrung 32 längs des Pfeiles P 5 nach außen. Dieses Ausströmen kann noch dazu ausgenutzt werden, die Schwenkbewegung des Drehkörpers 2 zu unterstützen. Hierzu ist in dessen Seitenwand, die der Mündung des Halses 31 gegenüberliegt, eine Leitfläche 37 vorgesehen, an der das aus dem Kolbenraum 27 herausgedrückte Fluid vorbeiströmt und dabei ein Drehmoment auf den Drehkörper ausübt, das dessen Schwenkbewegung in Richtung auf den ersten Anschlag 14 unterstützt. Schlägt der Kolben 25 am Boden des Kolbenraumes 27 an, dann ist die Schubdüse 33 vollständig freigegeben, so daß Heißgas G aus dem oberen Kolbenraum 28 in die Schubdüse 33 hinein- und aus dieser ausströmt. Der Schubstrahl kann dann zur Lenkung eines Flugkörpers benutzt werden.

Wird die Bremse für den Drehkörper 2 erneut gelöst, so schwenkt der Drehkörper wieder in die in Fig. 3a gezeigte Stellung, und das Wechselspiel kann wiederholt werden.

Die erwähnte Unterstützung der Schwenkbewegung des Drehkörpers 2 durch das aus dem unteren Kolbenraum 27 ausströmende Fluid kann auch durch eine Staukante 38 erreicht werden, die in Fig. 4b gestrichelt dargestellt ist. Während des Verschwenkens des Drehkörpers 2 prallt das aus dem Auslaßkanal 12 austretende Fluid auf diese Staukante, so daß das auf die Stutzfläche 16 wirkende Drehmoment über längere Zeit aufrechterhalten wird. Eine solche Staukante 38 kann auch dann vorgesehen sein, wenn die Schwenkbewegung des Drehkörpers nicht durch ruckströmendes Fluid unterstützt wird, was bei anderen Anwendungsfällen möglich ist.

Claims (7)

1. Fluidverteiler mit einem Drehkörper, der um eine Drehachse gelagert ist und einen mit einer Fluidquelle kommunizierenden Fluidkanal sowie einen sich daran anschließenden und aus der Seitenwand des Drehkörpers austretenden Auslaßkanal aufweist, aus dem Fluid als Fluidstrahl in einer nicht die Drehachse des Drehkörpers schneidenden Richtung derart austritt, daß der Drehkörper in Drehung versetzt wird, sowie mit einer Halte- und Freigabevorrichtung für den Drehkörper zum Halten des Drehkörpers in einer festen Drehstellung und zum Freigeben des Drehkörpers aus dieser Drehstellung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) es sind zwei Anschläge (14, 15) zur Begrenzung des Drehbereiches des Drehkörpers (2) vorgesehen, wobei der an dem ersten Anschlag (14) anliegende Drehkörper (2) bei Freigabe durch die Halte- und Freigabevorrichtung (lösbare Bremse 3) in Richtung auf den zweiten Anschlag (15) dreht;
• b) es ist eine nicht mit dem Drehkörper verbundene Strahlumlenkvorrichtung (5, 31) vorgesehen, die bei Anliegen des Drehkörpers (2) an dem zweiten Anschlag (15) dem Auslaßkanal (12) des Drehkörpers (2) in Ausströmungsrichtung des Fluids gegenüberliegt und die den überwiegenden Teil des aus dem Auslaßkanal (12) austretenden Fluidstrahles in Drehrichtung umlenkt;
• c) am Drehkörper (2) ist eine Stützflache vorgesehen, auf der sich der umgelenkte Fluidstrahl direkt nach dem Austritt aus dem Auslaßkanal (12) abstützt, so daß der von der lösbaren Bremse (3) freigegebene Drehkörper (2) vom zweiten Anschlag (15) in Richtung auf den ersten Anschlag (14) gedreht wird und dort anschlägt.

2. Fluidverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche durch eine über die Mündung (13) des Auslaßkanales (12) einseitig herausgezogene Wand des Auslaßkanales (12) gebildet ist, die in Richtung auf den ersten Anschlag (14) gelegen ist.

3. Fluidverteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung als Umlenkplatte (5) ausgebildet ist.

4. Fluidverteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (31, 27) als mit dem aus dem Drehkörper (2) austretenden Fluid aufzufüllende Kammer (27, 31) ausgebildet ist.

5. Fluidverteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (27) ein durch das aus dem Drehkörper (2) austretende Fluid zu verstellendes Stellglied (Kolben 25) gelagert ist.

6. Fluidverteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (25) Teil eines Ventilstellgliedes (Differentialkolben 24) eines schaltenden Ventiles (21) ist.

7. Fluidverteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (21) ein Heißgasventil ist.