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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzungssystem
hauptsächlich aber nicht ausschließlich für
Flüssigtreibstofftriebwerke, insbesondere für Steuerungs- oder
Raketentriebwerke, das mit einer reaktivierbaren Vorrichtung zum
Verschluß der Einspritzungsleitungen versehen ist.
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Aus der Patentschrift FR-2474101 ist eine mit Ventilen
ausgestattete Vorrichtung zum Reaktivieren für
Raketentriebwerke bekannt, die einen zylindrischen Durchlaß umfasst,
der an einem Ende geschlossen ist und am anderen Ende in
die Verbrennungskammer eines Raketentriebwerkes mündet, und
in dessen Innenraum sich ein Kolben bewegt. Dieser Kolben
ist von Kanälen durchbrochen, für den Durchtritt von
Treibstoffen zwischen einer Einspritzungskammer, die zwischen
dem geschlossenen Ende des zylindrischen Durchlasses und
dem Kolben, und der Verbrennungskammer enthalten ist. Die
Kanäle werden periodisch von Ventilen verschlossen, die von
einem Steuergas unter Druck betätigt werden. Der
Druckunterschied, der den Treibstofftransport in den Kanälen
erlaubt, wird durch das Verhältnis von der der
Einspritzungskammer ausgesetzten Kolbenoberfläche und jener erzeugt, die
zur Verbrennungskammer hin gerichtet ist.
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Eine derartige Struktur ist relativ komplex, denn, um diese
Ventile einzusetzen und hohe Drücke zu erhalten, ist es
notwendig, den Querschnitt des hinteren Endes des Kolbens
zu minimieren und diesen mit mehreren verschiedenen
Wandungen auszuführen. Dies führt notwendigerweise zu einer
Beschränkung der Leistungen, die darüber hinaus die
Schwerfälligkeit solch einer Konstruktion von Wandungen
verringert. Außerdem erhöht das Vorhandensein eines rückwärtigen,
geschlossenen Hohlraumes das Risiko einer nicht erwünschten
Verbrennung in dessen Innenraum.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die vorgenannten
Nachteile zu beseitigen und ein Einspritzungssystem zu
schaffen, das insbesondere eine geringe Anzahl von massiven
und folglich wenig zerbrechlichen Teilen umfasst, und
dessen Dimensionierung dem zu seinem Funktionieren gerade
notwendigen Druck angepasst sei.
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Dieses Ziel wird durch ein Triebwerk erreicht, das dazu
dient, die Erzeugung von Antriebsgas aus flüssigen
Treibstoffen zu ermöglichen, und einen Körper umfasst, in dem
ein zylindrischer Durchlaß angeordnet ist, der an einem
Ende geschlossen ist und in eine Verbrennungskammer mündet,
und in dem sich eine Einspritzdüse bewegt, wobei die
Einspritzdüse von Einspritzkanälen durchbrochen ist, um die
flüssigen Treibstoffe zur Verbrennungskammer zu leiten, und
wobei die Kanäle wahlweise durch einen Verschluß
verschlossen werden können, der einen ringförmigen Abschnitt
aufweist, der nach hinten vorspringt und zwei konzentrische
Hohlräume begrenzt, wobei dieses Sytem dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Verschluß einstückig mit Zugeinrichtungen
ausgebildet ist, deren abwechselnde Verschiebung, durch
eine stirnseitige Anlage des Verschlusses gegen die
ringförmige Einspritzdüse, die gleichzeitige Öffnung oder
Schließung der Kanäle gewährleistet, wobei die Verschiebung der
Einspritzdüse in eine Rückzugsposition durch einen
Mitnehmeranschlag
ausgeführt wird, der mit den Zugeinrichtungen
einstückig ausgebildet ist.
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Mit einer derartigen Bauart, die eine Relativbewegung
zwischen dem Verschluß und der Einspritzdüse zulässt, wird das
Freisetzen der Treibstoffe auf einfache Art verwirklicht,
was diesem System eine sehr große Zuverlässigkeit verleiht.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die
Zugvorrichtungen einen doppeltwirkenden Kolben, der sich zwischen
einer ersten Vorschubstellung des Verschlusses, in der die
Hohlräume mit Treibstoff gefüllt und die Kanäle
verschlossen sind, und einer zweiten Rückzugsstellung des
Verschlusses bewegt, in der die Hohlräume dann von Treibstoff
geleert werden.
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Diese Kolbenbetätigung lässt eine einfache Steuerung des
Systems zu und erlaubt es, wiederholtes und sehr
zufriedenstellendes Funktionieren auch bei erhöhten Taktfolgen von
Treibstoffzufuhr sicherzustellen.
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Vorzugsweise sind die Kanäle in Dubletten-Kränzen
angeordnet und andere kranzförmig angeordnete Kanäle, die die
Einspritzdüse durchsetzen, zwischen die Dubletten-Kränze
eingefügt, um einen Druckausgleich auf der Höhe der Innenseite
dieser Einspritzdüse zu ermöglichen.
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Vorteilhafterweise weist der Verschluß an seiner
Vorderseite wenigstens einen Vorsprung auf, der, am Ende des
Rückzugs der Zugvorrichtungen, in wenigstens einen Hohlraum
eindringt, der im geschlossenen Ende des zylindrischen
Durchlasses ausgebildet ist, wodurch eine Dämpfung der
Bewegung des Verschlusses infolge des in diesem Hohlraum
erzeugten Druckverlustes erzeugt wird.
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Dieser spezielle Aufbau bildet das Aguivalent zu einer
hydraulischen Bremse, die eine Dämpfung des Hubes des
Veschlusses ohne irgendeinen Stoß ermöglicht, wobei
gleichermaßen die Dynamik der Systembenutzung erhöht wird.
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Das geschlossene Ende des zylindrischen Durchlasses wird
aus zwei konzentrischen Muffen gebildet, zwischen denen der
hintere ringförmige Abschnitt gleitet, wobei die äußere
Oberfläche der ersten Muffe in dem Durchlaß und die innere
Oberfläche der zweiten Muffe auf der Achse der
Zugvorrichtungen gleitet.
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Der ringförmige Hohlraum, der zwischen den beiden Muffen
gebildet wird und in dem der hintere Abschnitt des
Veschlusses gleitet, steht mit der Umgebung in Verbindung.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werde bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung
verdeutlicht, die zur Information und nicht einschränkend
gemacht ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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- Figur 1 einen Längsschnitt der Einspritzungseinheit
gemäß der Erfindung zeigt, und
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- die Figuren 2 bis 4 vereinfachte Schemata sind, die
die verschiedenen Betriebsschritte der Vorrichtung der
Figur 1 zeigen.
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Die Figur 1 ist ein Längsschnitt einer Einspritzungseinheit
eines Triebwerkes, das einen Hauptkörper 10 umfasst, in dem
ein zylindrischer Durchlaß 11 angeordnet ist, der in eine
Verbrennungskammer 12 mündet. In diesem Durchlaß kann sich
eine ringförmige Einspritzdüse 13 zwischen einer ersten und
einer zweiten Stellung bewegen, die festgelegt sind durch
die Bewegung eines Kolbens 14 in einer geschlossenen Kammer
15, die an seiner Verlängerung angeordnet ist und koaxial
zum Durchlaß 11 ist. Ein um die Einspritzdüse herum
angebrachtes ringformiges Element 16 bildet eine gleitende
Dichtung zwischen letzterem und dem zylindrischen Durchlaß.
Die Einspritzdüse 13 ist mit einem ringförmigen Abschnitt
17 versehen, der einen Vorsprung bildet und auf den ein
ringförmiger Verschluß 18 ineinandergeschoben werden kann,
der einstückig mit einer Stange oder einem Schaft 19 des
Kolbens 14 ausgebildet ist. Dieser Verschluß selbst umfasst
einen ringförmigen Abschnitt 20, der nach hinten vorspringt
und der in einem Hohlraum 21 gleitet, der zwischen zwei
zylindrischen, konzentrischen Muffen 22 und 23 gebildet ist,
die, die eine in der anderen, in dem Durchlaß 11 angeordnet
sind. Der Hohlraum 21 steht mit der Umgebung durch eine
öffnung 24, die beispielsweise in der Muffe 23 ausgeführt
ist, in Verbindung. Die erste Muffe 22 außerhalb des
ringförmigen Abschnittes 20 gleitet in dem Durchlaß 11 während
die zweite Muffe 23 innerhalb dieses Abschnittes 20 auf dem
Schaft 19 des Kolbens 14 gleitet. Ringförmige Dichtungen 25
stellen die Dichtheit des Hohlraumes 21, des Durchlasses 11
bzw. des Schaftes 19 sicher, wobei sie so einen dichten
Verschluß des einen Endes des zylindrischen Durchlasses 11
sicherstellen und zwei getrennte bzw. verschiedene
konzentrische Hohlräume 26 und 27 zur Einspritzung von
Treibstoffen begrenzen.
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Der zentrale Schaft 19 des Kolbens 14 ist an seinem freien
Ende mit einem Mitnehmeranschlag 28 versehen, der dazu
dient, mit der Außenfläche der Einspritzdüse 13
zusammenzuwirken, die die Endwand der Verbrennungskammer bildet.
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Die Raketen-Treibstoffe, die aus verschiedenen, nicht
dargestellten Quellen stammen, werden in die Hohlräume 26 und
27 durch die Einlaßleitungen 29 und 30 zugeführt, die in
dem Körper 10 bzw. in der Muffe 23 ausgebildet sind, wobei
die Überleitung dieser flüssigen Treibstoffe in die
Verbrennungskammer 12 mittels Einspritzkanälen 31 und 32
bewerkstelligt wird, die in der Einspritzdüse 13 durchbrochen
sind und die vorteilhafterweise in Form eines Dubletten-
Kranzes angeordnet sind. Um die Drücke auf der Höhe der
Einspritzdüse auszugleichen, sind gleichermaßen andere
Kanäle 33 in dieser Einspritzdüse vorhanden und vorzugsweise
zwischen die Einspritzdubletten eingefügt.
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Die Bewegungen des Kolbens 14 und dessen Schaftes 19 werden
unter dem Schub von einem Steuergas durchgeführt, das aus
einer nicht dargestellten Quelle stammt und unter Druck in
die Kammer 15 mittels Leitungen 34 und 35 zugeführt wird,
die an jedem Ende dieser Kammer angeordnet sind. Dieser
Doppeleinlaßaufbau erlaubt so eine abwechselnde
Verschiebung des Kolbens 14. Es wird darauf hingewiesen, daß, um
das Zusammensetzen der Einheit zu erleichtern, der Körper
10 vorzugsweise aus mehreren Teilen ausgeführt ist und die
Kammer 15 vorzugsweise in einem anderen Teil 36 ausgebohrt
bzw. ausgedreht ist, der durch ein Endelement 37
verschlossen wird, das einen Deckel bildet.
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Der Betrieb eines die erfindungsgemäße Einspritzungseinheit
enthaltende Triebwerk erfolgt durch Impulse gemäß dem
folgenden Prozess, der im Hinblick auf die Figuren 2 bis 4
beschrieben ist.
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In einem Anfangszustand treibt der Einlaß von Steuergas
durch die Leitung 34 in den Hohlraum 15 den Kolben 14
heraus und drückt gleichzeitig den Verschluß 18 gegen die
innere Fläche der Einspritzdüse 13, wobei die Kanäle 31 und
32 verschlossen werden. Dann kann zur Befüllung der
Treibstoffe in die Hohlräume 26 und 27 durch die Einlaßleitungen
29 und 30 geschritten werden, ohne irgendeine Vermischung
oder einen Durchgang dieser flüssigen Treibstoffe in die
Verbrennungskammer 12 nach sich zu ziehen. Figur 2 zeigt
die durch den Verschluß und die Einspritzdüse gebildete
bewegliche Einheit oder Anordnung am Ende dieser Befüllung
Es kann beobachtet werden, daß der Mitnehmeranschlag 28
nicht die äußere Fläche der Einspritzdüse berührt und daß
dann die mit hypergolen Bzw. Raketen-Treibstoffen gefüllten
Hohlräume 26 und 27 völlig voneinander getrennt sind.
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Figur 3 zeigt den folgenden Schritt, der der Einleitung der
Verbrennung entspricht. In diesem Schritt wird der
Verschluß mittels des Rückzugs des Schafts 19, mit dem er
einstückig verbunden ist, zurückgezogen, wobei dieser Rückzug
durch einen neuerlichen Einlaß von Steuergas in den
Hohlraum 15 möglich ist, aber dieses Mal durch die Leitung 35,
wobei die Leitung 34 mit der Umgebung in Verbindung steht.
Dieses Ziehen bewirkt die Trennung von Verschluß und
Einspritzdüse und somit die Schaffung einerseits der
Durchgänge zwischen den Treibstoffhohlräumen und der
Verbrennungskammer 12 für die Überleitung der Treibstoffe mittels der
Kanäle 31 und 32 zu dieser Kammer, und andererseits eines
ringförmigen Hohlraumes 37 zwischen dem Verschluß und der
Einspritzdüse, um mittels des Kanals 33, der die
Einspritzdüse durchbricht und in die Kammer 12 mündet, die
Einwirkung der Verbrennungsgase auf die innere Fläche der
Einspritzdüse und die entsprechende Fläche des Verschlusses zu
ermöglichen. Die Trennung der Einspritzdüse und des
Veschlusses wird jedoch durch die Verschiebung des Anschlags
28 begrenzt, der dann mit der äußeren Fläche der
Einspritzdüse in Berührung kommt. Die Vermischung der hypergolen
Treibstoffe in der Kammer verursacht deren Verbrennung,
wobei die Einspritzung von einem Differentialkolbeneffekt
gefolgt wird. Aufgrung des Gleichgewichts der Drücke, die auf
beiden Seiten der Einspritzdüse herrschen, und des Drucks
der Treibstoffe, bleiben die Durchgänge für die Treibstoffe
offen und die Einspritzdüse bleibt in der Anlage gegen den
Mitnehmeranschlag 28.
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Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße bewegliche Einheit nach
Verbrauch der Treibstoffe. Der Verschluß 18 befindet sich
in einer hinteren Stellung, in der seine vordere Fläche an
den Muffen 22 und 23 anliegt, die den zylindrischen
Durchlaß 11 verschließen. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese
vordere Fläche in ihrer Mitte und an ihrem Umfang
Vorsprünge
bzw. Schultern 38 und 39 aufweist, die in einen Hohlraum
40 bzw. 41 eindringen, der, in dem er am Ende der Bewegung
des Veschlusses einen Druckverlust erzeugt, eine Dämpfung
ihrer Bewegung ohne irgendein mechanisches Element, durch
die einzige Tatsache des Freigebens des Treibstoffes
verursacht, der in diesem nicht dichten Hohlraum beim Endrückzug
des Verschlusses eingeschlossen ist.
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Das Stoppen der Bewegung des Verschlusses unterbricht die
Einspritzung der Treibstoffe in die Verbrennungskammer, in
der der Druck dann schnell fällt. Die Vorrichtung gemäß der
Erfindung ist von neuem bereit für einen neue Zündung mit
einer Verschiebung des Kolbens und einer Befüllung der
Treibstoffhohlräume, wie in Figur 2 dargestellt ist.
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Es geht aus den oben stehenden Elementen deutlich hervor,
daß der Aufbau der Erfindung in der Lage ist, ohne
Austausch von Teilen aufeinanderfolgende, reproduzierbare
Funktionsabläufe, deren Periodizität mit Genauigkeit
eingestellt werden kann, zu verwirklichen. Er ist daher
besonders an eine Verwendung bei Steuerungstriebwerken oder
durch Impuls betriebene Gasgeneratoren angepasst, aber
auch, auf dem Gebiet der Feuerwaffen, beispielsweise bei
Kanonen mit Flüssigvortrieb.
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Selbstverständlich wird der Fachmann jegliche Veränderungen
an der vorliegenden Erfindung vornehmen können, ohne ihren
Rahmen zu verlassen.