DE8532148U1

DE8532148U1 - Ventileinrichtung zum Steuern strömender Medien mit hoher Temperatur und hohem Druck

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Publication number: DE8532148U1
Application number: DE19858532148
Authority: DE
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-11-14
Filing date: 1985-11-14
Publication date: 1986-04-17

Description

Patentabteilung

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Ventileinrichtung zum Steuern strömender Medien mit hoher Temperatur und hohem Druck

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung nach Art des Oberbegriffes des Schutzanspruches 1.

Bei Staustrahl-Raketentriebwerken dienen derartige Ventileinrichtungen zur Mengenregulierung der in einer Vorbrennkammer unter Sauerstoffmangel aus einem festen Brennstoff erzeugten, brennstoffreichen Heißgase und zum Überleiten derselben in die Hauptbrennkammer, wo unter Beimischung der Stauluft die schuberzeugende, stöchiometrische Verbrennung stattfindet- Da die Ventileinrichtung die Rückwand der Vorbrennkammer bildet, ist sie hohen Drücken (ca. 100 bar), hohen Temperaturen (ca. 16OO°C), hohen Strömungsgeschwindigkeiten und einer starken Verschmutzung durch die äußerst haftfähigen, heißen Brennstoffteilchen ausgesetzt. Diese extremen Anforderungen beeinflussen in starkem Maße die Konstruktion, und zwar hinsichtlich Festigkeit, Formsteifigkeit, Hitzebeständigkeit und Strömungsverhalten.

Der Stand der Technik liefert bereits Hinweise zur Lösung der genannten Probleme. Den Druckschriften DE-OS 31 15 187 und DE-PS 32 Ol 020 ist die Ausführung der Regelventile als Drehschieber zu entnehmen, welche im Hinblick auf Ablagerungen möglichst strömungsgünstig gerundet sind und berührungsfrei arbeiten.

Die bezüglich der vorliegenden Erfindung gattungsgleiche DE-OS 30 05 864 zeigt bereits einen

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scheibenförmigen, druckfesten Ventilblock mit einer "heißen" und einer "kalten" wärraeisolierten Seite, mit axialen Gasleitkanälen und einem radialen Drehschieber, Welcher über eine Welle von einem Motor auf der "kalten" Seite des Ventilblocks angetrieben wird, wobei der Drehschieber die Eintrittsöffnungen der Gasleitkanäle einseitig freigibt.

Nachteilig bei den bekannten Ventileinrichtungen ist jedoch, daß sie mit starren, gleitgelagerten Drehschieberwellen arbeiten, welche einerseits empfindlich gegenüber Gehäuseverzug sind und andererseits relativ hohe Antriebsmomente infolge der hohen Gaskräfte erfordern. Bei der DE-PS 32 Ol 020 kompensieren sich zwar die axialen Gaskräfte auf den Drehschieber vollständig und die radialen Gaskräfte teilweise, dies wird jedoch mit einer strömungsungünstigen, mehrfachen Gasstromumlenküng erkauft. Heiterhin ist bei den bekannten Lösungen von Nachteil, daß keine zuverlässige Abdichtung der Lager gegenüber den Brennstoffteilchen vorhanden ist.

Dem Stand der Technik gegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ventileinrichtung zu schaffen, welche möglichst reibungsarm arbeitet, dadurch weniger Antriebsleistung benötigt und welche infolge weitgehender Unempfindlichkeit gegenüber Verformung und Verschmutzung eine erhöhte Betriebssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Schutzanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Anordnung des beispielsweise aus Siliziumkarbid

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hergestellten Ventilblocks in einem Metalldeckel sowie die Verschraubung mit dem Gehäuse über einen Gewindering dient einerseits der Abdichtung des nicht gasdichten Keramikwerkstoffes, andererseits einer möglichst gleichmäßigen Kraft- und Spannungsverteilung an den Grenzflächen und in den Bauteilen. Die Aufteilung der Steuerfunktion auf zwei Drehschieber sowie die Anordnung des Motors zwischen den Wellen ermöglicht die Verwendung kleiner, trägheitsarmer Bauteile sowie eine kurze, raumsparende Bauweise der ganzen Einheit. Die Drehbewegungsübertragung mittels Wellen und Kreuzgelenken erhöht die Unempfindlichkeit des Antriebs gegenüber Verformungen und reduziert den Wärmefluß von den Drehschiebern in die Wellen aufgrund der kleinen, wärmeleitenden Kontaktflächen in den Kreuzgelenken. Die Wälzlagerung der Drehschieber und Wellen ist erforderlich, um trotz der hohen Gasdrücke mit einer möglichst kleinen Antriebsleistung auszukommen. Die Dichtelemente für Lager und Wellen stellen auch einen Schutz gegen das Eindringen der stark haftenden Brennstoffteilchen dar, wobei im Hinblick auf geringe Leckagen und Reibmomente die Dichtflächen möglichst klein auszuführen sind, was vorzugsweise durch kleine Wellendurchmesser erreicht wird. Da die Wellen aufgrund der Lager- und Gelenkanordnung hauptsächlich auf Torsion beansprucht werden, ist es möglich, mit sehr kleinen Durchmessern auszukommen, wobei dank des geringen Wärmeflusses in die Wellen hochfeste Metallwerkstoffe verwendet werden können. Die Anordnung des f« ·. :s auf einem eigenen Motorträger, welcher mit der Wellenlagerung verschraubt ist, führt dazu, da6 Verformungen des Ventilblocks die Antriebegeometrie weniger stark beeinflussen.

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Die Ansprüche 2 bis 8 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Ventileinrichtung nach Anspruch 1. Diese Ausgestaltungen beziehen sich größtenteils auf die Auswahl geeigneter Werkstoffe (Änspr. 4-7} aber auch auf konstruktive Merkmale (Anspr. 2 und 8) sowjs auf Möglichkeiten zur Reduzierung der Teilevielfalt und damit der Kosten (Anspr. 3).

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch die Ventileinrichtung eines

Staustrahl-Raketentriebwerkes längs der Linie I-I in Fig. 3,

Fig. 2 einen horizontalen Längsschnitt durch die Ventileinrichtung im Antriebsbereich,

Fig. 3 eine Ansicht der Ventileinrichtung von vorne, also in Ströraungsrichtung,

Fig. 4 und 5 Teilansichten bzw. Teilschnitte spezieller Drehschieberausführungen.

Hie aus Fig. 1 zu erkennen, ist die Ventileinrichtung zwischen der Vorbrennkammer 29 mit dem festen Brennstoff 30 und der Hauptbrennkammer 31 angeordnet. Bei Verbrennung des festen Brennstoffes 30 unter Sauerstoffmangel entstehen stark mit Brennstoffteilchen angereicherte Heißgase mit hohem Druck (ca. 100 bar)

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und hoher Temperatur (ca. 1600 ⁰C), welche über die Tuben 6 des Ventilblocks 3 und die Gasleitrohre 27 der Hauptbrennkammer 31 zur stöchiometrischen Endverbrennung zugeführt verden. Die Mengen- und damit Schubregulierung erfolgt dabei über die Drehschieber 7, welche die Austrittsöffnungen der Vorbrennkammer hinsichtlich ihres Querschnittes verändern. Der Antrieb der beiden Drehschieber 7 ist größtenteils in dem nicht heißgasbeaufschlagten, "kalten" Raum zwischen dem Metalldeckel 4 des Ventilblocks 3 und der Stirnwand der Hauptbrennkammer 31 untergebracht, wobei der über den Gewindering 5 mit dem Gehäuse 2 des Triebwerkes verschraubte Metalldeckel 4 den Ventilblock 3 axial und Lddial abdichtet und die auf die heiße, vordere Stirnfläche des Ventilblocks wirkenden Gaskräfte aufnimmt. I^ Hinblick auf geringe Verformung und gute Isolationswirkung ist der Ventilblock 3 dickwandig ausgeführt, wobei geringfügige Verformungsbewegungen dank der Geometrie des Metalldeckels 4 zulässig sind, ohne die Dichtheit der Einheit oder die Funktonsfähigkeit des Antriebes nachteilig zu beeinflussen. Abgesehen vom Motor 23 mit Zahnritzel 25 (siehe Fig. 2) sind in Fig. 1 alle Elemente des Drehschieberantciebee gezeigt, wobei die folgenden Erläuterungen gleichermaßen für die beiden identischen Drehschieberantriebe gelten. Da jeder Drehschieber 7 nur eine winkelmäßig begrenzte Drehbewegung ausführt, genügt ein Zahnradsegment 22, um das Motordrehmoment - mit gewünschter übersetzung - in die Welle 15 einzuleiten. Die Welle 15 überträgt das Drehmoment mittels eines Kreuzgelenkes auf den Drehschieber 7, wobei das Gelenk aus einer zweifach radial durchbohrten Hülse 1(>, aus durch diese Bohrungen gesteckten Stiften 17 und 18, aus einer Ausnehmung im

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Drehschieber 7 für den Stift 18 sowie aus einer Wellenverdickung zur Aufnahme des Stiftes 17 besteht. Das Kreuzgelenk hat dabei erstens die Aufgabe, das vordere Wellenende von Biegekräften freizuhalten, zweitens hat es die Aufgabe, den Wärmefluß in die Welle 15 zu reduzieren. Das motorseitige, entgegengesetzte Wellenende ist in einem Schrägkugellager 21 zuc Aufnahme radialer und axialer Kräfte geführt. Dieses Lager ist in einer mit dem Metalldeckel 4 verschraubten Bundschraube 26 angeordnet, welche gleichzeitig zur Befestigung des Motorträgers 24 dient. Die Bundschraube 26 hält auch die zur Wellenabdichtung gegenüber Heißgas und Brennstoffteilchen erfolderlichen, aus Graphit bestehenden Stopfbuchsen 19 in der vorgesehenen Position. Der Drehschieber 7 ist in Querrichtung im Radialgleitlager 28 und in Längsrichtung im Axiallager IO geführt, wobei seine Lagerung über das Kreuzgelenk

16, 17, 18 gleichzeitig die vordere Wellenlagerung übernimmt. Das Axiallager 10 ist aus Gründen der Leichtgängigkeit als Rillenkugellager ausgeführt, wobei die vordere Lagerlaufbahn 11 der Lagerkugeln 12 direkt in den Drehschieber 7 eingeformt ist, die hintere Lager laufbahn trägt der Lager kranz 13. Das nur einseitig wirkende Axiallager 10 wird durch die Telltrfedern 20 über die Welle 15, das Kreuzgelenk 16,

17, 13 und den Drehschieber 7 vorgespannt; auf diese Weise erreicht man eine definierte Lagerbelastung, wobei Abstandsänderungen zwischen D.-3hschieber 7 jp.d Schrägkugellager 21 infolge thermischer oder mechanischer Verformungen elastisch ausgeglichen werden. Gegenüber den heißen und sehr haftfähigen Brennstoffpartikeln ist das Axiallager 10 mit einem als Graphitpackung ausgeführten Dichtelement 14 geschützt,

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die hohe thermische Belastung macht es erforderlich,
alle Lagereleraente aus keramischen Werkstoffen
herzustellen.

Fig. 2 zeigt deutlich die paarweise Anordnung der

platzsparende, mittige Lage des Motors 23 zwischen den
Wellen 15 ist gut zu erkennen. Der Motor 23 ist
vorzugsweise ein elektrischer Getriebemotor mit einem
Zahnritzel 25, welches gleichzeitig mit beiden |

Zahnradsegmenten 22 in Eingriff steht. \

In Fig. 3 ist gezeigt, wie die beiden Drehschieber 7
mittels ihrer radialen Kanten die Querschnitte der
Austrittsöffnungen in den vier Tuben 6 steuern. In der
durchgezogen gezeichneten Drehschieberstellung ist
jeder Tubus 6 etwa halb geöffnet, in der
strichpunktierten Stellung annähernd ganz geöffnet. Zum
besseren Verständnis sind noch die hinter dem

Ventilblock 3 angeordneten Zahnradsegmente 22 sowie das i

Zahnritzel 25 gestrichelt eingezeichnet, und zwar ?;

passend zur durchgezogenen, vertikalen |

Drehschieberstellung. Der Schnittverlauf I-I entspricht | der Fig. 1. ι

Die Figuren 4 und 5 zeigen weitere '

Drehschieberbauformen in Ergänzung zu Fig. 3. Der
Drehschieber 8 nach Fig. 4 gibt die Austrittsöffnungen
der Vorbrennkammer 29 jeweils mittels zweier radialer,
einander gegenüberliegender Kurven zweiseitig frei,
wobei im Hinblick auf günstigere Zuströmverhältnisse
eine Bohrung 32 im Drehschieber vorhanden ist. Die
Drehschieber 7 und 8 steuern also mit radial

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angeordneten Kurven die Austritfcsöffnungen berührungsfrei, unter Beibehaltung eines weitgehend konstanten Axialspaltes zu jedem Tubus 6. Der Drehschieber 9 nach Fig. 5 dagegen verdeckt die Austrittßöffnungen in radialer Richtung völlig, dafür ändert er über eine axial angeordnete Keilfläche den Axialspalt bezüglich der Tuben 6.

Zusammenfassend sei gesagt, daß die vorliegende Erfindung die Konstruktion von Ventileinrichtungen - speziell für Stausträhl-Raketentriebwerke ermöglicht, welche bei minimalem Leistungsbedarf maximale Betriebssicherheit gewährleisten.

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Ventileinrichtung zum Steuern strömender Medien mit hoher Temperatur und hohem Druck

Scliut zansprüche

1. Ventileinrichtung zum Steuern strömender Medien mit: hoher Temperatur und hohem Druck, insbesondere zum Dosieren der Durchströmmengen brennstoffreicher Haißgase bei Staustrahl-Raketentriebwerken, mit Ginem im wesentlichen kreisscheibenförmigen Ventilblock, welcher eine heißgasbeaufschlagte ("heiße") und eine .Licht heißgasbeauf schlagte ("kalte") Stirnfläche aufweist, mit zumindest annähernd axialen Gasleitkanä en durch den Ventilblock, mit mindestens einem Drehschieber auf der "heißen" Seite und einem Motor auf der "kalten" Seite des Ventilblock*. und mit Elementen zur übertragung von Drehbewegungen zwischen Motor und Drehschieber, dadurch

gekennzeichnet , daß der Ventilblock (3) in einen im wesentlichen topfförmigen Metalldeckel (4) integriert ist, welcher über einen separaten Gewindering (5) mit dem die Ventileintichtung (1) aufnehmenden Gehäuse (2) verschraubt ist, daß die Heißgassteuerung über zwei Drehschieber (7, 8, 9) erfolgt, daß beide Drehschieber gleichzeitig von dem einen, auf einem Motorträger (24) angeordneten Motor (23) betätigt werden, daß die Drehbewegungsübertragung vom Motor (23) zu den Drehschiebern (7, 8, 9) über je ein Zahnradsegment (22), eine Welle (15) und ein Kreuzgelenk (16, 17, 18) erfolgt, wobei letzteres

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unmittelbar am Drehschieber angreift, daß die Drehschieber (7, 8, 9} jeweils in einem Radialgleitlager (28) und einem Axiallager (10) in Form eines Kugellagers geführt sind, daß die beiden Axiallager (10) mit je einem Dichtelement (14) versehen sind, daß die Drehschieber (7, 8, 9) über Tellerfedern (20) an den motorseitigen Wellenenden axial vorgespannt sind, daß die motorseitigen Wellenenden in je einem Schrägkugellager (21) geführt sind, daß der Motorträger (24) im Bereich der Schrägkugellager (21) am Metalldeckel (4) befestigt ist, daß die Wellen (15) jeweils mit wenigstens einer Stopfbuchse (19) abgedichtet sind und aus einem Werkstoff bestenen, welcher festigkeitsmäßig eine Minimierung des Wellendurchmessers erlaubt.

2. Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Motor (23) ein elektrischer Getriebemotor mit Zahnritzel (25) ist, daß der Motor (23) achsparallel und raittig bezüglich der beiden Wellen (15) angeordnet ist und dadurch identische Drehbewegungen (Winkel, Drehrichtung) der Drehschieber (7, 8, 9) hervorruft.

3. Ventileinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die paarweise oder mehrfach vorhandenen Drehschieber (7, ä, 9), Kreuzgelenke (16, 17, 18), Wellen (15), Zahnradsegmente (22), Dichtelemente (14, 19), Axiallager (10) und Schrägkugellager (21) jeweils identisch ausgeführt sind.

4. Ventileinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Drehschieber (7, 8, 9) aus Siliziumkarbid oder Wolframkarbid bestehen, daß jeweils eine Lagerlaufbahn (11) der beiden Axiallager (1O) in die Drehschieber (7, 8, 9) eingeformt ist, und daß die Lagerkugeln (12) und die

Lagerkränze (13) mit der zweiten Lagerlaufbahn aus j

Wolframkarbid bestehen. \

5. Ventileinrichtung nach einem oder mehreren der j

Ansprüche 1 bis 4, dadurch !

gekennzeichnet , daß der Ventilblock (3) !

aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff oder aus \

Siliziumkarbid besteht. |

6. Ventileinrichtung nach einem oder mehreren der

Ansprüche 1 bis 5, dadurch {

gekennzeichnet , daß die Stopfbuchsen (19) der Wellen (15) aus Graphit bestehen, und daß die Dichteleraente (14) der Axiallager als Graphitpackungen ausgeführt sind.

7. Ventileinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet , daß die Wellen (15) aus hochwarmfestern Stahl bestehen.

8. Ventileinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet , daß die Drehschieber über radial angeordnete Kurven (Drehschieber 7) jede der Austrittsöffnungen zu den Gasleitrohren einseitig freigeben, daß die Drehschieber über je zwei radial angeordnete, einander gegenüberliegende Kurven

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(Drehschieber 8) jede der Austrittsöffnungen zweiseitig freigeben oder daß die Drehschieber Über axial angeordnete Kurven (Drehschieber 9) den Axialspait zu jeder der Aüstrittsöffnungen verändern.

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