DE1626050C - Vorrichtung zum Zuteilen eines Zund mittels fur Brennkammern von hypergol gezun deten Flüssigkeitsraketentriebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zuteilen eines Zündmittels für Brennkammern von hypergolgezündeten Flüssigkeitsraketentriebwerken, das durch einen Zündkanal in die Brennkammer eingespritzt wird und mit einer der beiden Treibmittelkomponenten hypergol reagiert.

Zum Zünden der Brennkammer eines z. B. mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Raketentriebwerks ist es bekannt, Chlortrifluorid oder Aluminiumtriäthylen als Zündmittel zu verwenden, je nachdem bei Ingangsetzen der Brennkammer vorab Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennkammer eingebracht wird, die mit dem einen oder anderen der genannten Zündmittel hypergol reagieren. Nach Zünden der Brennkammer wird dann die jeweilige zweite Treibmittelkomponente in die Brennkammer eingefördert und diese voll in Betrieb genommen (NASA, TECHNICAL NOTE, D-684, April 1961). Das Einbringen einer vorgelagerten bestimmten Zündmittelmenge über einen in die Brennkammer führenden Zündkanal für eine einmalige Zündung der Brennkammer erfolgt hierbei durch ein unbrennbares (inertes) Druckgas. Um Oxydbildung und Verstopfung der Zündkanäle zu vermeiden, wird vor jeder neuen Zündung der Zündkanal mit unbrennbarem Gas durchgespült.

Ferner ist nach der deutschen Patentschrift 941 034 eine Zündeinrichtung für Raketen- und Gasturbinentriebwerke in Form einer mit ihrer Mündung in die Brennkammer hineinragenden doppelwandigen Zündkammer mit einer elektrischen Zündkerze bekannt, die das aus einem Zündbrennstoff und Zündsauerstoff bestehende sauerstoffreiche Zündgemisch entflammt, dem ausgangs der Zündkammer bzw. im Zündkanal der Zündbrennstoffrest über einen durch eine Doppelwand gebildeten Ringspalt unter Drallerzeugung beigemischt wird. Mit dieser Zündvorrichtung ist es wohl möglich, entsprechend dem mitgeführten Vorrat an Zündbrennstoff und Zündsauerstoff beliebig viele Zündungen vorzunehmen; es haften einer solchen Ausführung jedoch auch verschiedene Nachteile an. Diese bestehen einmal darin, daß diese konstruktiv aufwendigen Zündeinrichtungen während des Betriebes des Triebwerkes zum Verkoken neigen, wodurch ihre Betriebsbereitschaft zumindest in Frage gestellt ijt. Außerdem weisen elektrisch initiierte Zündeinrichtungen durch geringe Zündenergie eine verhältnismäßig lange Zündverzugszeit auf, im Gegensatz zu hypergol reagierenden Zündmitteln, deren Zündverzugszeit äußerst kurz ist.

Weiter zeigt die deutsche Auslegeschrift 1 228 858 eine zum Zuteilen des Zündbrennstoffes für Nachbrenner von Gasturbinentriebwerken bestimmte Vorrichtung, die als Zylinderkolbeneinheit ausgebildet ist, deren Kolben den Zylinderraum in einen am Brennstoffhochdrucksystem angeschlossenen Druckraum und in einen Zündmittelspeicherraum mit einer Zündbrennstoffmenge für eine Zündung aufteilt, von dem eine ventilgesteuerte Leitung zum Zündbrenner führt, der üblicherweise in der Wand der Brennkammer installiert ist. Zum Auslösen der Zündmittelzufuhr und zur Förderung des Zündmittels zum Zündbrenner sind Steuerventile und ein Stellkolben vorgesehen, welche auch die Zu- und Abfuhr des als Druckmittel dienenden Brennstoffes in den Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit überwachen, wobei der Kolben durch eine Feder in Richtung »Füllen des Ziiiulmittelspeichers« belastet ist. Abgesehen davon, daß diese bekannte Vorrichtung, wie bereits erwähnt, ausschließlich zum Zünden für Nachbrenner von Gasturbinentriebwerken bestimmt ist, ist sie außerdem konstruktiv aufwendig und kompliziert. Der Vollständigkeit halber sei noch mit angeführt, daß die in der Brennkammerwand von Gasturbinentriebwerken installierten bekannten Zündbrenner im wesentlichen aus einer Hochspannungszündkerze und aus einem Brennstoffzerstäuber mit einem durch ein Solenoid betätigten einfachwirkenden Absperrventil bestehen.

Schließlich ist es nach der deutschen Auslegeschrift 1 143 061 bekannt, bei einem mit flüssigen Treibstoffen betriebenen Raketentriebwerk zur Verhinderung von Brand- und Explosionsgefahren beim Starten und Abschalten des Triebwerks die Leitungen für beide Treibstoffe hinter den Einschalt- und Abschaltventilen und die Brennkammer mit inertem Gas durchzuspülen. Ein eigenes Zündmittel zum Starten der Brennkammer ist hier nicht vorgesehen, da die beiden Treibstoffarten miteinander hypergol reagieren werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die neben der Eigenschaft, ohne Nachladen von Zündmittel mehrere Zündungen zu ermöglichen, einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist sowie gleichzeitig ein betriebssicheres exaktes Arbeiten garantiert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, im Hinblick auf die vorgenannten Forderungen und mit Rücksicht auf das gegebene Treibmittelkomponenten- und hypergole Zündsystem einfache funktionell Verhältnisse zu schaffen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Vorrichtung als Zylinder-Kolbeneinheit ausgebildet ist, deren Kolben den Zylinderraum in einen von einem Arbeitsmedium beaufschlagten Druckraum und in einen den Zündmittelvorrat für mehrere Zündungen enthaltenden Raum aufteilt, dessen Zündmittelausgangsbohrung von einem Zweiwege-Umschaltventil derart beeinflußbar ist, daß dieses Ventil in seiner Stellung während des Normalbetriebes der Brennkammer die Zündmittelausgangsbohrung sperrt und gleichzeitig einen den Zündkanal durchströmenden Spülkreislauf öffnet und daß das Zweiwege-Umschaltventil in seiner Stellung während des Zündvorganges die Zündmittelausgangsbohrung freigibt und gleichzeitig den Spülkreislauf sperrt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Spülkreislauf und der Druckraum der Zylinder-Kolben-Einheit am Hochdrucksystem der mit dem Zündmittel nicht hypergol reagierenden Treibmittelkomponente, z. B. des Brennstoffs, angeschlossen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, das Zweiwege-Umschaltventil am die Zündmittelausgangsbohrung aufweisenden Ende des Zylinders der Zylinder-Kolben-Einheit in einem mit der Zylinder-Kolben-Einheit achsgleichen Gehäuse mit einem an seinem der Zylinder-Kolben-Einheit abgewandten Ende aufweisenden zylindrischen Fortsatz anzuordnen, insbesondere lösbar zu befestigen.

Weitere die Erfindung ausgestaltende Merkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Durch die konstruktiv einfach aufgebaute und in funktioneller Hinsicht einfach arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung werden folgende spezielle Vorteile erzielt: Größte Betriebssicherheit durch ständiges Durchspülen des Zündkanals während des

Normalbetriebes der Brennkammer und damit eine absolute Gewähr dafür, daß — nach einer Betriebspause der Brennkammer — der Weg für das Zündmittel durch den Zündkanal für den nächsten Zündvorgang frei ist. Durch die Einbeziehung des Spülsystems und des Drucksystems (zur Betätigung des Kolbens der Zylinder-Kolben-Einheit) in das Brennstoffhochdrucksystem wird das gesamte Flüssigkeitskreislaufsystem des Raketentriebwerks vereinfacht und in f unktioneller Hinsicht konzentriert. Die wechseiweise Schaltung des (offenen) Spülkreislaufes und des (offenen) Zündkreislaufes wird durch ein einfaches Bauelement, nämlich ein magnetisch betätigtes Zweiwege-Umschaltventil bewirkt, das eine exakte Dosierung der erforderlichen Zündmittelmenge ermöglicht. Außerdem wird der Zündkanal durch das Spülmittel (Brennstoff) während des Betriebes der Brennkammer vor Ansammlungen der anderen Treibmittelkomponente, in vorliegendem Fall von Sauerstoff, oder von Verbrennungsprodukten, wie Wasserdampf bei Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff, bewahrt, so daß beim Durchtreten des Zündmittels anläßlich eines neuerlichen Startvorganges nach vorhergehender Stillsetzung der Brennkammer mit absoluter Sicherheit jede Explosionsgefahr innerhalb des Zündkanals vermieden wird. Andererseits stellt der während des Normalbetriebes durch den Zündkreislauf erfolgende ständige Spülmittelfluß in Form einer verhältnismäßig geringen Brennstoffmenge keine leistungsvermindernde Belastung für den Brennkammerprozeß dar.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht die vorrichtung im wesentlichen aus einer Zylinder-Kolben-Einheit 1 mit einem Zylinder 2 und einem Verdrängerkolben 3, der den Zylinderraum in einen Druckraum 4 und in einen Zündmittelvorratsraum 5 aufteilt, dessen Volumen für mehrere Einspritzungen (Zündungen) bemessen ist. Der Druckraum 4 wird nach außen hin verschlossen durch ein Anschlußstück 6 mit einer Bohrung 7, das gegenüber dem Zylinder 2 durch einen Dicht ring 8 abgedichtet und durch einen Federring 9 sowie eine Schulter la in beiden axialen Richtungen fixiert ist. Der Druckraum 4 ist über die Bohrung 7 des Anschlußstückes 6 mit dem Hochdrucksystem einer Treibmittelkomponente, im Beispielsfall mit dem Brennstoffhochdrucksystem über eine Brennstoffdruckleitung 10 verbunden, die aus einem unter Druck stehenden Brennstoffbehälter 11 oder mittels einer Förderpumpe gespeist wird. Der Zündmittelvorratsraum 5, der einerseits vom Verdrängerkolben 3 abgeschlossen wird, wird andererseits durch einen Verschlußkopf 12 begrenzt, in dem die Zündmittelausgangsbohrung 13 mit einer Mündung 13 a vorgesehen ist.

Ein Gehäuse 14 bildet einen weiteren Hauptteil der Vorrichtung. Es besteht aus einem mittleren Gehäuseteil 15 mit einer radial nach innen gerichteten Stirnwand 15 a sowie einer radial nach außen sich erstrekkenden Stirnwand 15 b und aus einem zylindrischen Fortsatz 16, der zur Unterbringung des Ventilkörpers 17 eines Zweiwege-Umschaltventils 17, 22, 23 dient, das hier als Magnetventil 18 ausgebildet ist, dessen Wicklung 19 in einer Haube 20 mit Boden 21 untergebracht ist. Der bewegliche Ventilkörper 17 weist an seiner zur Zylinder-Kolben-Einheit 1 zeigenden Stirnseite eine erste, die Mündung 13 a der Zündmittelausgangsbohrung 13 steuernde Ventilfläche 22 auf, die von einem im Ventilkörper 17 befestigten Dichtungskörper 22 a gebildet wird. Eine zweite Ventilfläche wird durch einen Dichtring, im folgenden Ventilring 23 genannt, gebildet, der auf dem zur Zylinder-Kolben-Einheit zeigenden Ende des Ventilkörpers 17 sitzt und sich auf einem dort befindlichen Ringbund 24 abstützt. Die zweite Ventilfläche bzw.

ι ο der Dichtring 23 steuert einen Spülkreislauf 25. Am außenliegenden Ende des Fortsatzes 16 ist ein Verschlußstück 26 vorgesehen, auf dem sich eine Ventilfeder 27 abstützt, die andererseits den Ventilkörper 17 in Richtung des Schließens der Mündung 13 α der Zündmittelausgangsbohrung 13 belastet. Verschlußstück 26 und Ventilkörper 17 schließen einen Federeinbauraum 28 ein, der zusammen mit einer das Verschlußstück 26 durchsetzenden Längsbohrung 29, mit Querbohrungen 30 und mit einem Ringspalt 31, der zwischen der Innenseite des Fortsatzes 16 und dem Außendurchmesser des Ventilkörpers 17 vorgesehen ist, einen Teil der Wegstrecke des Spülkreislaufes 25 bildet, der vom Brennstoffbehälter 11 bis zum Ventilring 23 mit 25 a und von diesem bis zu einem Zündkanal 32 (einschließlich diesem) mit 25 b bezeichnet ist. Der Zündkanal 32 verläuft im Einspritzkopf 33 einer Brennkammer 34 und mündet in den Innenraum 34 a derselben. Außerdem münden in den letzteren im Brennkammerkopf 33 angeordnete und auf einem Teilkreis liegende Einspritzbohrungen 35 für die andere Treibmittelkomponente, im Beispielsfall für Sauerstoff, und ferner Einspritzöffnungen 36 für die Treibmittelkomponente Brennstoff, der über die Leitung 10 dem Brennkammerkopf 33 zugeführt wird. Im vorliegenden Fall wird als Spülmedium Brennstoff verwendet, und der Spülkreislauf 25 ist daher am Brennstoffhochdrucksystem bzw. an der Brennstoffhochdruckleitung 10 angeschlossen. Zwischen dem Verschlußkopf 12 und dem Ventilkörper 17 befindet sich eine Ventilumschaltkammer 37, in die sowohl die Zündmittelausgangsbohrung 13 als auch der Ringspalt 31 mündet, die beide abwechselnd vom Zweiwege-Umschaltventil gesteuert werden. Am mittleren Gehäuseteil 15 ist ein Anschlußstück 38 befestigt, an das ein zum Zündkabel 32 führender Leitungsteil oder das am Zündkanal 32 unmittelbar angeschlossen sein kann.

Das Solenoid des Zweige-Umschaltventils wird gesteuert durch einen elektrischen Schaltkreis 39 mit einer Stromquelle 40 und einem Ein-Aus-Schalter 41.

Die Brennkammer 34 wird mit Hilfe der beschrie-

benen Vorrichtung auf folgende Weise gezündet:

Vorab wird in die Brennkammer 34 die eine Treibmittelkomponente eingespritzt, im vorliegenden Fall Sauerstoff, die mit dem verwendeten Zündmittel, beispielsweise Aluminiumtriäthyl, hypergol reagiert. Dann wird durch Drücken des Schalters 41 der Stromkreis 39 geschlossen und das Solenoid unter Strom gesetzt, wodurch der Ventilkörper 17 gegen den Widerstand der Ventilfeder 27 angezogen wird. Dabei wird die Mündung 13 a der Zündmittelausgangsbohrung 13 geöffnet und gleichzeitig der Ringspalt 31 durch den Dichtring 23 geschlossen, so daß der Spülkreislauf unterbrochen ist. Durch die Freigäbe der Ausgangsbohrung 13 wird entsprechend einem vorgegegebenen Zeitquerschnitt eine bestimmte Menge Zündmittel durch den Zündkanal 32 in die Brennkammer 34 gefördert, der dort hypergol mit

dem bereits vorhandenen Sauerstoff reagiert. Nach Flammenbildung wird durch Einspritzen von Brennstoff die Brennkammer 34 voll in Betrieb genommen und gleichzeitig die Zündmittelzufuhr abgestellt, was durch Unterbrechung des Stromkreises 39 mit Hilfe des Schalters 41 erfolgt, wobei der Ventilkörper 17 durch die Ventilfeder 27 nach rechts bewegt und die Ventilfläche 22 auf die Mündung 13 α der Ausgangsbohrung 13 gedrückt wird. Gleichzeitig wird der Spülkreislauf 25 durch Öffnen des Ringspaltes 31 freigegeben. Eine gewisse Spülbrennstoffmenge durchströmt ständig reinigend den Zündkanal 32 und bewahrt diesen während des Betriebes der Brennkammer 34 vor Verkokung und Sauerstoffansammlung.

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Zuteilen eines Zündmittels für Brennkammern von hypergol gezündeten Flüssigkeitsraketentriebwerken, das durch einen Zündkanal in die Brennkammer eingespritzt wird und mit einer der beiden Treibmittelkomponenten hypergol reagiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Zylinder-Kolbeneinheit (1) ausgebildet ist, deren Kolben (3) den Zylinderraum in einen von einem Arbeitsmedium beaufschlagten Druckraum (4) und in einen den Zündmittelvorrat für mehrere Zündungen enthaltenden Raum (5) aufteilt, dessen Zündmittelausgangsbohrung (13) von einem Zweiwege-Umschaltventil (17, 22, 23) derart beeinflußbar ist, daß dieses Ventil in seiner Stellung während des Normalbetriebes der Brennkammer (34) die Zündmittelausgangsbohrung (13) sperrt und gleichzeitig einen den Zündkanal (32) durchströmenden Spülkreislauf (25) öffnet und daß das Zweiwege-Umschaltventil (17, 22, 23) in seiner Stellung während des Zündvorganges die Zündmittelausgangsbohrung (13) freigibt und gleichzeitig den Spülkreislauf (25) sperrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülkreislauf (25) und der Druckraum (4) der Zylinder-Kolben-Einheit (1) am Hochdrucksystem der mit dem Zündmittel nicht hypergol reagierenden Treibmittelkomponente, ζ. Β. Brennstoff, angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zweiwege-Umschaltventil (17, 22, 23) am die Zündmittelausgangsbohrung (13) aufweisenden Ende des Zylinders (2) der Zylinder-Kolben-Einheit (1) in einem mit der Zylinder-Kolben-Einheit (1) achsgleichen Gehäuse (14) mit einem an seinem der Zylinder-Kolben-Einheit (1) abgewandten Ende aufweisenden zylindrischen Fortsatz (16) angeordnet, insbesondere lösbar befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zweiwege-Umschaltventil (17, 22, 23) als Magnetventil (18) ausgebildet ist, in dessen beweglichen Ventilkörper (17) an seiner zur Zylinder-Kolben-Einheit (1) zeigenden Stirnseite (22) ein Dichtungskörper (22 a) eingesetzt ist, der die die Zündmittelausgangsbohrung (13) steuernde Ventilfläche (22) aufweist, der ferner mit einer zweiten Ventilfläche versehen ist, die den Spülkreislauf (25) steuert, wobei die zweite Ventilfiäche von einem Dichtring bzw. Ventilring (23) gebildet wird, der auf dem zur Zylinder-Kolben-Einheit (1) zeigenden Ende des Ventilkörpers (17) sitzt und sich auf einem dort vorgesehenen Ringbund (24) abstützt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) einen nach seinen beiden Stirnseiten hin abgestuften mittleren Gehäuseteil (15) mit einer ventilseitig befindlichen radial nach innen gerichteten Stirnwand (15 a) und einer zylinderkolbenseitig gelegenen radial nach außen sich erstrekkenden Stirnwand (15 b) aufweist, welcher Gehäuseteil (15) eine zwischen der Mündung der Zündmittelausgangsbohrung (13) und dem Ventilkörper (17) gelegene Ventilumschaltkammer (37) umschließt, wobei die ventilseitige Stirnwand (15 a) den Sitz für die zweite Ventilfläche des Ventilkörpers bzw. für den Ventilring (23) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenseite des zylindrischen Fortsatzes (16) des Gehäuses (14) und der Umfangsfläche des Ventilkörpers (17) des Magnetventils (18) ein Ringspait (31) vorgesehen ist, der vom Spülmedium durchströmt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß um den zylindrischen Fortsatz (16) des Gehäuses (14) liegend und von einer Haube (20) mit Boden (21) umschlossen die Wicklung (19) des Magnetventils (18) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (17) durch eine in Schließrichtung der Zündmittelausgangsbohrung (13) wirkende Feder (27) belastet ist, deren nach außen zeigendes Ende sich auf ein Verschlußstück (26) abstützt, das mit dem Fortsatz (16) des Gehäuses (14) fest verbunden ist und für den Durchfluß des Spülmittels eine Längsbohrung (29) aufweist, die in einen Federeinbauraum (28) mündet, von dem zum Ringspalt (31) Querbohrungen (30) führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen