DE10044624A1

DE10044624A1 - Koaxial-Einspritzdüse

Info

Publication number: DE10044624A1
Application number: DE2000144624
Authority: DE
Inventors: Vladimir Viktorov Chernichenko; Viktor Dmitrievich Gorokhov; Dietrich Haeseler; Sergey Petrovich Khrisanfov; Valentina Petrovna Kosmacheva; Vitaliy Romanovich Rubinskiy
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 2000-09-09
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2020-09-10
Also published as: DE10044624B4; RU2171427C2

Abstract

Die Erfindung betrifft den Bereich der Raketentechnik und kann bei schubgeregelten Raketentriebwerken verwendet werden. Sie betrifft eine Koaxial-Einspritzdüse mit einem Einsatz mit einem axialen Kanal und mit einer Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet. Die innere Fläche der Hülse ist profiliert als Zylinderflächen mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen gefertigt, die mindestens einen Ringkonfusor bilden, und der Einsatz weist Durchgangskanäle auf, die den Ringspalt mit dem axialen Kanal verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich Raketentechnik und kann insbesondere in schubgeregelten Raketentriebwerken verwendet werden.

Eines der wichtigsten Probleme bei der Entwicklung von Flüssigkeitsraketen triebwerken mit variiablem Schub ist zur Zeit die Gewinnung eines hohen spe zifischen Schubimpulses bei unterschiedlichem Betriebsverhalten des Trieb werkes. Die Schubregelung in diesen Triebwerken erfolgt durch eine Ände rung des Massenstroms der zur Schuberzeugung benutzten Treibstoffkompo nenten durch Einspritzdüsen des Einspritzkopfes. Eine Reduzierung des Mas senstroms einer flüssigen Treibstoffkomponente führt zu einer quadratischen Reduzierung der Einspritzdüsen-Druckdifferenz, und eine Reduzierung einer gasförmigen Treibstoffkomponente zu einer linearen Reduzierung der Ein spritzdüsen-Druckdifferenz. Bei Schubwerten niedriger als Nominalschub führt die Änderung der Einspritzdüsen-Druckdifferenz zu einer Verschlechte rung der Bedingungen für eine Treibstoff-Gemischbildung, einer Reduzierung des Verbrennungswirkungsgrades des Treibstoffs und entsprechend zu Ver lusten beim spezifischen Schubimpuls. Außerdem entsteht bei stark reduzier ten Betriebswerten des Triebwerkes eine instabile Verbrennung in der Brenn kammer aufgrund der geringen Werte der Einspritzdüsen-Druckdifferenzen.

Bekannt ist eine Koaxial-Einspritzdüse mit einem Einsatz als Hohlzylinder, der einen Raum eines flüssigen Oxydators mit dem Raum der Brennkammer ver bindet, mit einer Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet und den Raum des gasförmigen Brennstoffs mit dem Raum der Brennkammer verbindet. Hierzu wird einerseits auf W. E. Alemas sow u. a. "Theorie der Raketentriebwerke": Lehrbuch für Studenten von Ma schinenbaufächern der Hochschule, M., Maschinostrojenije, 1980 - 533, Ab bildungen, Abb. 18.2, S. 225-226 - Urbild verwiesen, andererseits bei spielsweise auf die Dokumente DE 34 24 225, DE 34 32 607, DE 197 03 630 und US 4,621,492.

In der vorliegenden Einspritzdüse wird der Oxydator durch einen axialen Kanal innerhalb des Einsatzes aus einem Oxydatorraum dem Brennkammerraum zugeführt, und andererseits wird der Brennstoff durch den Ringspalt zwischen Hülse und Einsatz dem Brennkammerraum zugeführt. Dieses Schema der Zu fuhr der Treibstoffkomponenten läßt es nicht zu, dass eine Änderung des Massenstrom der Komponenten durch die Einspritzdüse in einem weitem Be reich erfolgt, ohne dass eine wesentliche Minderung der Qualität der Ge mischbildung resultiert, da sich die Druckdifferenz in der Einspritzdüse auf grund der Verwendung flüssiger Treibstoffe nach einer quadratischen Ge setzmässigkeit in Abhänigkeit von der Massenstromvariation ändert. Eine Re duzierung der Druckdifferenz führt zu einer Verschlechterung der Betriebsbe dingungen der Einspritzdüse, insbesondere zur Entstehung einer niederfre quenten Instabilität. Außerdem gewährleistet dieses Zufuhrschema beim Be trieb im hauptsächlich vorgesehenen Bereich der Betriebsparameter keine optimale Zerstäubung der Treibstoffkomponenten, was zu einer Reduzierung des Verbrennungs-Wirkungsgrades des Treibstoffs führt und entsprechend zu Verlusten des spezifischen Schubimpulses.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Leistung einer vorgenannten Brennkammer und des spezifischen Schubimpulses im Nennverhalten und im Drosselverhalten durch eine verbesserte Gemischbildung.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung umfasst eine Koaxial-Einspritzdüse mit einem Einsatz, der im wesentlichen die Form Hohlzylinders aufweist und der einen Raum eines flüs sigen Oxydators mit einem Raum einer Brennkammer verbindet sowie mit ei ner Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet und einen Raum eines zweiten Treibstoffs mit einem Raum einer Brennkammer verbindet.

Erfindungsgemäß ist die innere Fläche der Hülse profiliert als Zylinderflächen mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen gefertigt ist, die mindestens einen Ringkonfusor bilden. Der der Einsatz weist dabei Durchgangskanäle auf, die den Ringspalt mit dem axalen Kanal verbinden. Somit erfolgt eine Vermi schung der Treibstoffkomponenten bereits im Inneren des Einsatzes.

Es kann bevorzugt vorgesehen werden, dass die Durchgangskanäle strom aufwärts des Ringkonfusors angeordnet sind. Insbesondere kann die Quer schnittsfläche der Durchgangskanäle geringer sein als die Querschnittsfläche des Durchgangsquerschnitts des Einsatzes. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Durchgangskanäle im Einsatz in einem Abstand des 1- bis 4-fachen des inneren Einsatz-Durchmessers vom Hülsen-Austrittsquerschnitt angeord net sind.

In einer übrigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Koaxial-Einspritzdüse ist vorgesehen, dass der Austrittsquerschnitt des Einsatzes vom Austrittquer schnitt der Hülse im Abstand vom 0- bis 1,3-fachen des inneren Einsatz- Durchmessers liegt.

Diese erfindungsgemäße Lösung ist aus dem Stand der Technik bislang nicht bekannt. Außerdem zeigt sich, dass die erfindungsgemäße technische, Lö sung über das technische Niveau des Standes der Technik hinausgeht. Dies ergibt sich infolge der verbesserten Mischung der Treibstoffkomponenten durch die Erfindung und der Reduzierung der charakteristischen Zahl des O xydatorstrahls bzw. der Oxydatorstrahlen ohne Komplizierung der Einspritz düse- und Einspritzkopfkonstruktion im Nennbetrieb der Kammer und der Er haltung einer optimalen Mischung bei reduzierten oder stark reduzierten Be triebswerten wegen der Mischung eines größeren Anteils der Treibstoffkom ponenten als im Nennbetrieb.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfol gend erläutert anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Konstruktionsvariante.

Es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einspritzdüse

Fig. 2 Querschnitt A-A durch die Koaxial-Einspritzdüse nach Fig. 1,

Fig. 3 Darstellung der Abhängigkeit der Druckdifferenz ΔP im Verlauf der flüssigen Treibstoffkomponente vom Massenstrom m dieser Kom ponente bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen k_m in der Einspritzdüse ΔP = f(m₁, km),

Fig. 4 Darstellung der Abhängigkeit der Druckdifferenz ΔP im Verlauf bei der Treibstoffkomponenten vom Abstand I zwischen den Austritts querschnitten des Einsatzes und der Hülse ΔP = f(I).

Die vorgeschlagene Koaxial-Einspritzdüse beinhaltet einen Hohleinsatz 1 mit einem axialen Kanal 2 innerhalb des Einsatzes 1, der einen Oxydatorraum mit einem Brennkammerraum verbindet. Um den Einsatz 1 wird die Hülse 3 mon tiert, so dass sie den Einsatz 1 koaxial umschließt und mit diesem einen Ring spalt 6 bildet, der einen Brennstoffraum mit dem Brennkammerraum verbin det. Die innere Fläche der Hülse 3 ist so gefertigt, dass ein Ringkonfusor 4 gebildet wird. Im Austrittsteil des Einsatzes 1 sind Durchgangskanäle 5 gefer tigt, die eine Zufuhr der gasförmigen Treibstoffkomponente aus dem den Ein satz 1 umgebenden Ringspalt 6 in den Einsatz 1 ermöglichen, so dass bereits in dem Austrittsteil des Einsatzes 1 eine Vermischung der beiden Treibstoff komponenten erfolgen kann. Die Durchgangskanäle 5 können im wesentli chen radial in dem Einsatz 1 ausgebildet sein, sie können jedoch auch einen Winkel verschieden von Null mit der Radialrichtung einschließen.

Die günstigsten Betriebsbedingungen der Einspritzdüse werden in dem Falle erzielt, wenn der Abstand des Austrittsquerschnittes des Einsatzes vom Hül sen-Austrittsquerschnitt das 0- bis 1,3-fache des inneren Einsatz- Durchmessers beträgt. Eine Vergrößerung dieses Abstades bei Aufrechterhal tung des Mischungsverhältnisses der Treibstoffkomponenten mit in der Kammer kann dazu führen, dass ein Verbrennungsprozeß bereits innerhalb der Einspritzdüse stattfindet, was zum Ausbrennen des Einspritzdüsen- Materials führen kann.

Die Durchgangskanäle 5 im Einsatz 1 sind in einem Abstand des 1- bis 4- fachen des inneren Einsatz-Durchmessers vom Hülsen-Austrittsquerschnitt angeordnet. Bei einer Reduzierung des Abstandes vom Austrittsquerschnitt der Hülse 3 bis zu den Durchgangskanälen 5 auf weniger als einen Durchmes ser des Einsatzes 1 übt der Effekt der gasdynamischen Wirkung der Strömung des gasförmigen Brennstoffs auf den Strahl des flüssigen Oxydators keinen ausreichenden Einfluß mehr aus. Bei einer Vergrößerung des Abstandes auf mehr als 4 Durchmesser beginnt der Verbrennungsprozeß der Treibstoffkom ponenten bereits innerhalb des Einspritzdüse-Einsatzes, was zur Erhöhung der Temperatur innerhalb des Einsatzes verbunden mit der Gefahr des Durch brennens führt.

Würden die Querschnittsflächen der Durchgangskanäle in Durchgangsrich tung größer oder gleich der Querschnittsfläche des Einsatzes 1, genauer des axialen Kanals 2 in Durchgangsrichtung gewählt, so würde dies zu einem zu starken Einströmen der gasförmigen Komponente aus dem Ringspalt 6 in den Einsatz 1 führen. Folge wäre, dass das Verhältnis der Treibstoffkomponenten innerhalb des Einsatzes 1 ausreichend für Beginn des Verbrennungsprozesses wäre und dieser somit schon im Einsatz 1 in Gang kommen könnte, was zu einer Erhöhung der Temperatur innerhalb des Einsatzes 1 mit anschließen dem Durchbrennen führen könnte.

Die erfindungsgemäße Einspritzdüse funktioniert wie folgt: Der Oxydator tritt aus einem nicht dargestellten Oxydatorraum durch den Kanal 2 innerhalb des Einsatzes 1 in eine ebenfalls nicht dargestellte Brennkammer zur weitere Be nutzung (Verbrennung) ein. Ein Brennstoff wird aus einem nicht dargestellten Brennstoffraum durch den Ringspalt 6 zwischen Einsatz 1 und Hülse 3 der Brennkammer zugeführt. Dort, wo die Durchgangskanäle 5 vor Ringkonfusor 4 im Einsatz 1 angeordnet sind, wird Brennstoffstrom in zwei Teilströme auf geteilt. Ein Teilstrom des Brennstoffs tritt durch Konfusor 4 und Ringspalt 6, die durch den Zwischenraum zwischen Einsatz 1 und der Hülse 3 gebildet werden, in den Brennkammerraum ein. Der andere Teilstrom des Brennstoffs tritt in die Durchgangskanäle 5 des Einsatzes 1 ein. Da der Brennstoffdruck vor den Durchgangskanälen 5 höher ist als der Oxydatordruck innerhalb des Einsatzes 1 ist, kann der Brennstoff tatsächlich durch die Durchgangskanäle 5 in den axialen Kanal 2 eintreten. Diese Brennstoffzufuhr schafft einen zusätz lichen Widerstand für den Strom der flüssigen Treibstoffkomponente. Die Größe dieses Widerstandes hängt von dem der Brennkammer zugeführten Brennstoff-Massenstrom, dem Mischungsverhätnis in der Einspritzdüse, d. h. von dem den im wesentlichen radialen Durchtrittskanälen 5 zugeführten Brennstoff-Massenstrom sowie vom Betriebsverhalten ab. Die Einspritzdüsen- Druckdifferenz ändert sich dabei nicht quadratisch, sondern zweigt das Ver halten einer Exponentialfunktion mit einem Exponent im Bereich von 2 bis 1 (zwischen quadratischer und linearer Abhängigkeit). Hierzu wird auf Fig. 3 verwiesen. Die mit Q bezeichnete Kurve stellt dabei eine rein quadratische Funktion, also eine Parabel, dar. Die Abhängigkeit der Einspritzdüsen- Druckdifferenz nähert sich immer stärker einem linearen Verhalten, je größer die Werte des Mischungsverhältnisses in der Brennkammer werden. ΔP_x be zeichnet die Druckdifferenz im Verlauf der flüssigen Treibstoffkomponente, m_x den Durchsatz der flüssigen Komponente (Massenstrom) und k_m das Treib stoff-Mischungsverhältnis in der Einspritzdüse.

Die Brennstoffströme, die durch die Durchtrittskanäle 5 in den Einsatz 1 ein treten, deformieren den kontinuierlichen Oxydatorstrom, um ihm am Austritt aus dem Einsatz die Form des Sterns mit einigen Radialstrahlen zu geben.

Die Änderung der runden Form des Oxydatorstroms zu einer sternförmigen läßt führt zu einer Verbesserung der Bedingungen des Stroms hinsichtlich der Zerstörung seiner Struktur, zu einer Reduzierung des Strömungsquerschnittes sowie zu einem intensiveren Kontakt des Oxydators mit Brennstoff. Somit ist für den Oxydatorstrom beim Austritt aus dem Einsatz der Verlust seiner Struktur begünstigt, was bedeutet, dass der Oxydatorstrom schneller zerfällt. Dies wirkt sich günstiger für die Verbrennung aus.

Durch die erzielte Wirkung auf den Oxydatorstrom lassen sich die Bedingun gen der Komponentenmischung bei sämtlichen Triebwerksverhalten verbes sern, der Wert des spezifischen Schubimpulses infolge der Erhöhung des Treibstoff-Verbrennungswirkungsgrades vergrößern sowie die Gefahr einer instabilen Verbrennung reduzieren.

Durch die vorliegende Konstruktion der Einspritzdüse läßt sich ein zusätzli chen Strömungswiderstand für Treibstoffkomponenten gewährleisten infolge des zusätzlichen Zusammenwirkens der Strömung des Brennstoffs aus dem Ringspalt 6 mit dem zerfallenden Oxydatorstrahl innerhalb der Hülse 3, von der Austrittstelle des Oxydatorstroms aus dem Einsatz 1 bis zum Austritts punkt beider Treibstoffkomponenten aus der Hülse 3. Zur Abhängigkeit von dem Abstand des Austritts des Einsatzes 1 zum Austritt der Hülse 3 wird auf Fig. 4 verwiesen. Dort bedeutet ΔP die Druckdifferenz und I den Abstand vom Austrittsquerschnitt des Einsatzes 1 zum Austrittsquerschnitt der Hülse 3. Durch die Benutzung der vorliegenden technischen Lösung läßt sich der spe zifischen Schubimpuls und damit die Leistung des Triebwerks erhöhen sowie die Verbrennungsstabilität in der Brennkammer bei sämtlichen Betriebsver halten des Triebwerks gewährleisten.

Bezugszeichenliste

1

Einsatz

2

axialer Kanal

3

Hülse

4

Konfusor

5

Durchgangsskanäle

6

Ringspalt

Claims

1. Koaxial-Einspritzdüse mit

- einem Einsatz, der im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders mit ei nem axialen Kanal aufweist und der einen Raum eines ersten Treibstoffs mit einem Raum einer Brennkammer verbindet,
- einer Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet und einen Raum eines zweiten Treibstoffs mit einem Raum einer Brennkammer verbindet,

dadurch kennzeichnet, dass die innere Fläche der Hülse profiliert als Zylin derflächen mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen gefertigt ist, die mindestens einen Ringkonfusor bilden, und der Einsatz (1) Durchgangskanäle aufweist, die den Ringspalt mit dem axialen Kanal verbinden.

2. Koaxial-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (5) stromaufwärts des Ringkonfusors angeordnet sind.

3. Koaxial-Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichent, dass die Querschnittsfläche der Durchgangskanäle (5) geringer ist als die Querschnittsfläche des Durchgangsquerschnitts des Einsatzes.

4. Koaxial-Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Durchgangskanäle im Einsatz in einem Abstand des 1- bis 4-fachen des inneren Einsatz-Durchmessers vom Hülsen- Austrittsquerschnitt angeordnet sind.

5. Koaxial-Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt des Einsatzes vom Austritt querschnitt der Hülse im Abstand vom 0- bis 1,3-fachen des inneren Ein satz-Durchmessers liegt.