Entwicklung von Schnellschaltventilen für grüne Treibstoffe

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung direktgesteuerter 2/2-Wege-Magnetventile zur Steigerung des Technologiereifegrads von Satellitenantriebssystemen mit der Treibstoffkombination Lachgas (N2O) und Ethan (C2H6). Als Vertreter der HyNOxTreibstoffe („Hydrocarbons and Nitrous Oxide“) gelten diese Treibstoffe als sogenannte grüne Treibstoffe. Die unternommenen Arbeiten basieren auf den Anforderungen des HyNOx-22 Triebwerks der 22 N-Schubklasse. Zur Untersuchung der wichtigsten funktionalen Elemente schnellschaltender Magnetventile wird ein modulares Testventil entworfen und gefertigt. Der Sitzdurchmesser beträgt 2 mm und der maximale Betriebsdruck 70 bar. Mit dem Ventil können verschiedene aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und Edelstahl gefertigte Poppet- und Sitzgeometrien untersucht werden. Die Betätigung erfolgt pneumatisch oder mittels einem im Rahmen dieser Arbeit entworfenen und gefertigten Elektromagneten. Bei den Versuchen zur Einordnung der verschiedenen Poppet- und Sitzgeometrien wird ein kugelförmiges Poppet aus PTFE auf kegeligem Sitz aus Stahl als vielversprechendste Kombination identifiziert. Dies geschieht vorrangig anhand der benötigten Kraft zum Erreichen einer bestimmten Dichtigkeit. In weiteren Versuchen wird die Leckage dieser Kombination im gesamten Betriebsdruckbereich bei Raumtemperatur und bei −20 °C genauer untersucht. Die tieferen Temperaturen sind dabei dimensionierend für die benötigte Federkraft. Bei einer Federkraft von 25 N wird bei −20 °C mit einem Helium-Leckdetektor eine maximale Leckage von (3, 6±2, 0)·10−5 sccs gemessen. Die Größenordnung der Leckage entspricht dabei jener vergleichbarer Ventile für Raumfahrtanwendungen. Der Vergleich der Kraft des Elektromagneten mit der Simulation über dem Hub zeigt eine ausreichend gute Übereinstimmung, um die Simulation als geeignete Auslegungsmethode zu betrachten. Die Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Schaltzeiten des Ventils zeigt einen signifikanten Einfluss des anliegenden Drucks auf die Öffnungszeiten (identifizierbarer Beginn des Öffnungsvorgangs bei 0 bar nach 5 ms und bei 70 bar nach 14 ms). Im vorliegenden Anwendungsfall ist der Einfluss des anliegenden Drucks auf die Schließzeit gering. Des Weiteren wird ein signifikanter Einfluss der auf die beweglichen Teile wirkenden Kraft (z.B. Federkraft) auf die Schließzeit beobachtet. Der Durchflusskoeffizient CD wird bei verschiedenen Druckverhältnissen und Hüben untersucht. Dabei wird bei Hüben von über 1 mm kein Einfluss auf die Durchflusskoeffizienten mehr festgestellt. In Versuchen zur Lebensdauer des Poppets wird eine Lebensdauer von mindestens 5000 Schaltvorgängen gezeigt.