DE10130355C2

DE10130355C2 - Einspritzelement für einen Raketenantrieb

Info

Publication number: DE10130355C2
Application number: DE2001130355
Authority: DE
Inventors: Chris Udo Maeding
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: EADS Space Transportation GmbH
Priority date: 2001-06-23
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2021-06-24
Also published as: DE10130355A1; JP2003035207A; ITMI20021240A1; FR2826406B1; JP4057850B2; FR2826406A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzelement für einen Raketen antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einspritzelemente dienen in einem Raketenantrieb der Gemisch aufbereitung zur optimalen Verbrennung des Treibstoffes. Es ist bekannt, zur Beeinflussung der Verbrennung einen der Brenn kammer zugeführten Oxidatorstrom mit einem Drehmoment zu ver sehen, wozu in dem Einspritzelement unter anderem ein Drall einsatz - der auch als "Swirler" bekannt ist - eingesetzt ist. Zusätzlich ist es bekannt, den separat der Brennkammer zuge führten Brennstoffstrom eines derartigen Einspritzelementes mittels eines mit Bohrungen versehenen Strömungsteilers in mehrere über den Umfang des Zuführungskanals verteilte Einzel ströme aufzuspalten (DE 43 05 154 C1).

DE 195 15 879 C1 offenbart zusätzlich ein Einspritzelement für den Betrieb mit zwei Treibstoffen bei dem einem ersten Treibstofffluss in einem zentralen Kanal mittels eines Dralleinsatzes eine Drehbewegung aufgeprägt wird und ein Strömungsteiler einen zweiten Treibstofffluss über mehrere Bohrungen in die Brennkammer einleitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzelement zu schaffen, das einen einer Brennkammer zugeführten Treib stoffstrom aufspaltet und die beiden Teilströme separiert in die Brennkammer einspritzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Aufspaltung eines geswirlten Treibsstoffstromes mittels eines Strömungsteilers in einem dafür ausgelegten Einspritzelement. Die Aufspaltung des geswirlten Treibstoffstomes erfolgt erfindungsgemäß so, dass der Treibstoffstrom mit zwei zueinander koaxialen Hohlkegel-Strömungen in die Brennkammer eingespritzt wird.

Durch eine entsprechende Dimensionierung des Einspritzelements kann vorteilhaft eine optimale Tröpfchenaufbereitung mit unter schiedlicher Tröpfchengröße in den beiden Hohlkegel-Strömungen erzielt werden, die partielle Verbrennungszonen mit unter schiedlichem Verbennungsverhalten oder eine stufenweise Ver brennung des Treibstoffes ermöglicht.

Durch die Ausbildung der beiden Hohlkegel-Strömungen können in der Brennkammer der jeweiligen Aufgabenstellung angepasste Treibstoffgemische gebildet werden. Ein weiterer Vorteil be steht darin, dass die erfindungsgemäße Lösung im Vergleich mit Strömungsteilern, die Strömungen mittels Bohrungen aufspalten, eine Beeinflussung der Tröpfchengröße ermöglicht, wodurch das Brennkammervolumen vorteilhaft verkleinert werden kann.

Außerdem hat das erfindungsgemäße Einspritzelement stabilisie rende Wirkungen auf Schwingungen in dem Verbrennungsvorgang, da die Verbrennung in einem relativ großen Bereich stattfindet und somit nur ein Teil der Verbrennungszone zur Verstärkung auftre tender Schwingungen beitragen kann. Dieser Vorteil kann auch in Hauptbrennkammern mit mehreren Einspritzelementen zur zonalen Schwingungsdämfung ausgenutzt werden.

Bezüglich vorgegebener Mischungsverhältnisse läßt sich das erfindungsgemäße Einspritzelement vorteilhaft in einem weiten Betriebsbereich einsetzen.

Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch in Gasgeneratoren und Kleintriebwerken vorteilhaft anwenden.

In Gasgeneratoren mit einem stark vom stöchiometrischen Mischungsverhältnis abweichenden Treibstoffgemisch sind die erfindungsgemäßen Hohlkegel-Strömungen von Vorteil, da in einer von der primären Hohlkegel-Strömung gebildeten Verbrennungszone die thermo-chemischen Voraussetzungen für die Verbrennung geschaffen werden können und die zwecks Temperatursenkung erfolgende überschüssige Zufuhr des Treibstoffes in einer von der sekundären Hohlkegel-Strömung gebildeten Verbrennungszone stattfinden kann.

Kleintriebwerke sind üblicherweise nur mit einem Einspritzele ment ausgerüstet und benötigen aufgrund der bei diesen Trieb werken fehlenden Brennkammerkühlung in der Brennkammer einen wandnahen Niedertemperaturbereich, der erfindungsgemäß durch eine angepasste Gemischaufbereitung in der von der primären Hohlkegel-strömung gebildeten Verbrennungszone einstellbar ist.

Anhand der Zeichnung ist nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in geschnittener Darstellung ein erfindungsgemäßes Einspritzelement,

Fig. 2 zeigt als Einzelteil in perspektivischer Ansicht den Swirler des Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 zeigt als Einzelteil in perspektivischer Ansicht den Strömungsteiler des Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante mit verkürztem, sekun dären Austrittskanal,

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante mit verjüngtem, primären Austrittskanal,

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante mit einem koaxial ange ordneten Swirler zur Einspritzung einer zusätzlichen Treibstoffkomponente und

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsvariante mit einem koaxial ange ordneten Strömungsteiler zur Einspritzung einer zusätz lichen Treibstoffkomponente über Bohrungen.

Das in Fig. 1 gezeigte Einspritzelement 1 weist einen axialen, Eintrittskanal 2, einen primären Austrittskanal 11 und einen sekundären Austrittskanal auf. In den Eintrittskanal 2 ist ein Swirler 3 und ein Strömungsteiler 4 eingesetzt.

Dem in dem Eintrittskanal zugeführten, flüssigen Treibstoff strom wird mit dem Swirler ein Drehmoment verliehen, bevor er am Austritt des Swirlers mit dem Strömungsteiler auf die beiden Austrittskanäle aufgeteilt wird. Das von dem Swirler in den flüssigen Treibstoffstrom eingeprägte Drehmoment bewirkt, dass die Teilströme in den Austrittskanälen als wandnahe Filmströ mungen 13 und 14 geführt und als koaxial zueinander angeord nete, primäre Hohlkegel-Strömung 5 und sekundäre Hohlkegel- Strömung 6 mit unterschiedlichen Einspritzwinkeln α₁ und α₂ in die Brennkammer eingespritzt werden.

Eine typische Massenverteilung für die erfindungsgemäß in die Brennkammer eingespritzten Hohlkegel-Strömungen 5 und 6 ist mit dem Diagramm 7 in Fig. 1 dargestellt.

Der in Fig. 2 gezeigte Swirler 3 weist beispielsweise vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Nuten 8 mit trapezförmi gem Nutquerschnitt 9 und Steigungswinkel β auf. Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel können für die erfindgungsge mäße Lösung auch Swirler mit weniger oder mehr als vier Nuten, anderen Nutquerschnitten - z. B. mit einem rechteckförmigen Nutquerschnitt - oder mit einem steileren oder flacheren Steigungswinkel β ausgeführt sein.

Der in Fig. 3 gezeigte Strömungsteiler 4 ist als ein trichter förmiger Einsatz mit vier Trennöffnungen 10 und integriertem, sekundären Austrittskanal 12 ausgebildet. Die primäre Hohlke gel-Strömung 5 entsteht aus dem Anteil des Treibstoffstromes, der durch die vier Trennöffnungen in den primären Austritts kanal 11 hindurchtritt; die sekundäre Hohlkegel-Strömung 6 aus dem Anteil des Treibstoffstromes, der in den sekundären Aus trittskanal 12 des Strömungsteilers 4 gelangt.

Der Strömungsteiler 4 kann von dem in Fig. 3 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel abweichende konstruktive Ausgestaltungen auf weisen; z. B. kann der sekundäre Austrittskanal 12 als ein von dem Strömungsteiler 4 getrenntes Bauteil ausgeführt sein. Wesentlich für die konstruktive Ausführung ist neben den Trennöffnungen das Vorhandensein einer Verjüngung in dem Strömungsteiler 4, die einen sekundären Austrittskanal 12 ermöglicht, der einen kleineren Querschnitt als der primäre Austrittskanal 11 aufweist.

Die Anzahl und Positionierung der Trennöffnungen 10 auf dem Umfang des Strömungsteilers 4 soll mit der Anzahl und Positio nierung der Nuten 8 auf dem Umfang des Swirlers 3 übereinstim men. Mittels der Größe dieser Anzahl kann die über den Kegel umfang eintretende Gleichförmigkeit der primären Hohlkegel- Strömung 5 beeinflußt werden.

Bei einer geringeren Anzahl - z. B. bei jeweils zwei oder drei Nuten und Trennöffnungen - ist mit einer größeren Ungleichför migkeit besonders in der primären Hohlkegel-Strömung zu rech nen. Dies kann insbesondere dann auftreten, wenn der primäre Austrittskanal 11, wie in Fig. 1 gezeigt, zum Austritt hin selbst keine Verjüngung aufweist. Eine ungleichförmige Hohl kegel-Strömung hat zwar negative Einflüsse auf den Verbren nungswirkungsgrad, es können damit andererseits jedoch stabili sierende Effekte bei der Verbrennung erzielt werden.

Die obere Anzahl für Nuten und Trennöffnungen liegt üblicher weise jeweils etwa bei sechs, wobei aber im Einzelfall auch größere Anzahlen möglich sind.

Abweichend von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, in dem der primäre Austrittskanal 11 und der sekundäre Austritts kanal 12 in der Austrittsebene 15 des Einspritzelements enden, kann - wie in Fig. 4 gezeigt - der Austrittskanal 11 kürzer ausgeführt sein und innerhalb des Einspritzelementes enden.

Auch kann als alternative Ausführungsform der primäre Aus trittskanal 11 zum Austritt hin eine Verjüngung 16 aufweisen, wie in Fig. 5 gezeigt ist, was sich vorteilhaft auf die Glättung des Spritzbildes auswirkt und Anpassungen des Einspritzwinkels α₁ der primären Hohlkegel-Strömung 5 ermöglicht.

Die Wahl der folgenden konstruktiven Parameter bestimmt die Differenz der Einspritzwinkel α₁ und α₂ der erfindungsgemäßen Hohlkegel-Strömungen:
R_e: effektiver Radius des Swirlers
n: Anzahl der Nuten im Swirler
β: Steigungswinkel der Nuten
r₁: hydraulischer Radius des primären Austrittskanals 11
r₂: hydraulischer Radius des sekundären Austrittskanals 12

Die konstruktive Auslegung von Einspritzelementen wird bekann terweise mittels eines sogenannten "geometrischen Parameters A" charakterisiert, der für die erfindungsgemäßen Hohlkegel- Strömungen Werte in den Bereichen von etwa
1 < A < 20 für die primäre Hohlkegel-Strömung 5 und
1 < A < 12 für die sekundäre Hohlkegel-Strömung 6 annimmt.

Der Parameter A ist wie folgt definiert:

A = Re.r₁.sin(β)/(r_n ².n) für die primäre,

oder

A = R_e.r₂.sin(β)/(r_n ².n) für die sekundäre

Hohlkegel-Strömung. In den Definitionen bedeutet:
r_n: effektiver Radius des Nutquerschnittes
R_e: effektiver Radius des Swirlers
β: Steigungswinkel der Nuten im Swirler
n: Anzahl der Nuten im Swirler
r₁: hydraulischer Radius des primären Austrittskanals 11
r₂: hydraulischer Radius des sekundären Austrittskanals 12

Die erfindungsgemäße Lösung kann sowohl - wie vorangehend beschrieben - als allein wirkendes Einspritzelement Verwendung finden, als auch in Einspritzsystemen mit zusätzlichen, koaxial angeordneten Einspritzelementen verwendet werden. Fig. 6 und Fig. 7 zeigen für diese Lösungen jeweils ein Ausführungsbei spiel.

In Fig. 6 wird eine zusätzliche Treibstoffkomponente 17 mit einer dritten Hohlkegel-Strömung 19 - zusätzlich zu der primären Hohlkegel-Strömung 5 und der sekundären Hohlkegel- Strömung 6 - in die Brennkammer eingespritzt. Die dritte Hohlkegel-Strömumg 19 ist mit einem Swirler 18 erzeugt, der koaxial angeordnet um das Einspritzelement 1 rotiert.

In Fig. 7 wird die zusätzliche Treibstoffkomponente 17 über mehrere Bohrungen 20 in einzelne Strahlen 21 aufgeteilt und in die Bennkammer eingespritzt. Die Bohrungen 20 umgeben das Einspritzelement 1.

Claims

1. Einspritzelement für einen Raketenantrieb mit einem Swirler und einem Strömungsteiler, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzelement (1) mit dem Swirler (3) einem zugeführten Treibstoffstrom ein Drehmoment einprägt und der Strömungsteiler (4) den geswirlten Treibstoffstrom in einem primären Austrittskanal (11) und einem sekundären Austrittskanal (12) in eine primäre Hohlkegel-Strömung (5) und eine sekundäre Hohlkegel-Strömung (6) aufspaltet und mit unterschiedlichen Einspritzwinkeln (α₁, α₂) in die Brennkammer einspritzt.

2. Einspritzelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der geometrische Parameter A des Einspritzelements Werte im Bereich von etwa 1 < A < 20 für die primäre Hohlkegel- Strömung (5) und Werte im Bereich von etwa 1 < A < 12 für die sekundäre Hohlkegel-Strömung (6) aufweist.

3. Einspritzelement nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nuten (8) in dem Swirler (3) vorzugsweise etwa zwei bis sechs beträgt.

4. Einspritzelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (8) des Swirlers (3) einen rechteck- oder trapezförmigen Nutquerschnitt (9) aufweisen.

5. Einspritzelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsteiler (4) als ein trichterförmiger Einsatz mit integriertem, verjüngten, sekun dären Austrittskanal (12) und Trennöffnungen (10) für die Aufspaltung des Treibstoffstromes besteht.

6. Einspritzelement nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass die Anzahl und Positionierung der Trennöffnungen (10) auf dem Umfang des Strömungsteilers (4) mit der Anzahl und Positionierung der Nuten (8) auf dem Umfang des Swirlers (3) übereinstimmt.

7. Einspritzelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Austrittskanal (12) vor der Austrittsebene (15) des Einspritzelements endet.

8. Einspritzelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Austrittskanal (11) zum Austritt hin eine Verjüngung (16) aufweist.

9. Einspritzelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzelement (1) mit einem koaxial angeordneten Swirler (18) umgeben ist, der eine zusätzliche Treibstoffkomponente (17) als dritte Hohlkegel-Strömung (19) in die Brennkammer einspritzt.

10. Einspritzelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzelement (1) von einem koaxial angeordneten Strömungsteiler umgeben ist, der über Bohrungen (20) eine zusätzliche Treibstoffkomponente (17) in die Brennkammer einspritzt.