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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzelement in Koaxialbauweise,
insbesondere für ein
Raketentriebwerk, aufweisend eine erste, zentrale Einspritzanordnung
mit mindestens einer ersten Einspritzöffnung und mindestens eine
zweite Einspritzanordnung, welche koaxial zur ersten Einspritzanordnung
angeordnet ist, mit mindestens einer zweiten Einspritzöffnung.
Solche Einspritzelemente sind hinlänglich aus dem Stand der Technik
bekannt. Es wird beispielhaft auf die Druckschriften
DE 101 30 355 A1 ,
DE 43 05 154 C1 ,
DE 44 38 495 A1 ,
DE 100 15 369 A1 ,
EP 0 924 424 A2 und
EP 0 344 463 A1 verwiesen.
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Einspritzelemente
für Raketentriebwerke können entweder
im Einspritzkopf des Raketentriebwerkes oder auch in einem Gasgenerator
des Raketentriebwerkes Verwendung finden. Hierzu wird auf
US 6,212,878 B1 verwiesen.
Bei einer Verwendung in einem Gasgenerator sind in der Regel andere
Vorgaben zu beachten als bei einer Verwendung im Einspritzkopf des
Raketentriebwerkes. Die Einspritzelemente dienen dabei Aufbereitung
eines Gemisches aus mindestens zwei Treibstoffkomponenten und zur Gewährleistung
einer optimalen Verbrennung. Die Besonderheit der Gasgenerator-Einspritzelemente besteht
in der Notwendigkeit der Erzeugung entweder eines sehr brennstoffreichen
oder sehr oxydatorreichen Treibstoffgemisches. Eine solche Notwendigkeit
kann aber auch bei anderen Anwendungen auftreten. Weiterhin können durch
die Verbrennung des Treibstoffgemisches sehr hohe Temperaturen im
Bereich des Einspritzelements auftreten, die zu einer Schädigung des
Einspritzelements führen
können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbessertes Einspritzelement
bereitzustellen, das den o.g. Anforderungen genügt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Erfindung umfasst ein
Einspritzelement in Koaxialbauweise, insbesondere für ein Raketentriebwerk,
aufweisend
- – eine erste, zentrale Einspritzanordnung
mit mindestens einer ersten Einspritzöffnung und
- – mindestens
eine zweite Einspritzanordnung, welche koaxial zur ersten Einspritzanordnung
angeordnet ist, mit mindestens einer zweiten Einspritzöffnung.
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Gemäß der Erfindung
ist nun vorgesehen, dass das Einspritzelement folgendes aufweist:
- – eine
erste Brennzone, in die die ersten und zweiten Einspritzöffnungen
einmünden
und
- – eine
zweite Brennzone, welche stromabwärts der ersten Brennzone angeordnet
ist, in die mindestens eine dritte Einspritzöffnung einer dritten Einspritzanordnung
einmündet,
welche koaxial zur ersten und zweiten Einspritzanordnung angeordnet
ist.
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Es
ergibt sich damit eine Möglichkeit
für eine gestufte
Zuführung
von Treibstoffen, wobei in einer ersten Brennzone bereits ein brennbares
Treibstoffgemisch erzeugt werden kann, welches in der zweiten Brennzone
durch die dort einmündenden
weiteren Einspritzöffnungen
noch weiter angereichert werden kann. Damit kann in der ersten Brennzone
eine sichere und stabile Verbrennung initiiert werden, was durch
ein bereits dort übermäßig angereichertes
Gemisch verhindert werden könnte.
Die Anreicherung des Gemisches der Treibstoffkomponenten wird also räumlich von
der Entzündung
des Gemisches entkoppelt. Man erreicht insgesamt also eine verbesserte
Verbrennung und Anreicherung durch die Bereitstellung von zwei in
Strömungsrichtung
nacheinander angeordneten Brennzonen. Durch die koaxiale Anordnung
der dritten Einspritzeinrichtung können außerdem noch Kühleffekte
für das
Material des Einspritzelements in diesem Bereich erzielt werden,
wie noch im folgenden detailliert ausgeführt wird.
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Insbesondere
kann vorgesehen werden dass die zweite Brennzone quer zur Strömungsrichtung
einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser
der ersten Brennzone. Es erfolgt also eine Aufweitung von der ersten
zur zweiten Brennzone. Dadurch wird eine turbulente Strömung erzeugt,
die für
eine bessere Durchmischung des Treibstoffgemisches sorgt. Somit
wird ein sehr gleichmäßiges Temperaturfeld
am Ende der zweiten Brennzone garantiert, d.h. dass über den
Austrittsquerschnitt des Einspritzelements nur geringe Temperaturunterschiede
bestehen. Dies ist erforderlich, da insbesondere bei Gasgeneratoren
die auf die Turbinen auftreffenden Gasströme eine möglichst homogene Temperaturverteilung
aufweisen müssen.
Aufgrund der oben genannten Maßnahmen
kann diese homogene Temperaturverteilung mit einer relativ kurzen
Baulänge
des Einspritzelements erreicht werden.
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Dabei
kann insbesondere vorgesehen werden, dass die zweite Brennzone einen Übergangsbereich
aufweist, der an die erste Brennzone angrenzt, wobei sich in dem Übergangsbereich
der Durchmesser der zweiten Brennzone in Strömungsrichtung stetig vergrößert. Es
wird bei dieser Ausgestaltung also keine abrupte Stufe vorgesehen,
sondern ein stetiger Übergang
von dem Durchmesser der ersten Brennzone zum Durchmesser der zweiten
Brennzone. Gleichzeitig kann bevorzugt vorgesehen werden, dass die
mindestens eine dritte Einspritzöffnung
im Übergangsbereich
in die zweite Brennzone einmündet.
Dies hat den Vorteil, dass einerseits der Treibstoffanteil, der
in der zweiten Zone zugeführt
wird, durch die turbulente Strömung
im Übergangsbereich besser
mit dem übrigen
Treibstoffgemisch vermischt wird. Andererseits ergibt sich aufgrund
des stetigen Übergangs
zum Durchmesser der zweiten Zone eine Abschrägung der dritten Einspritzöffnungen,
so dass zum Zentrum des Einspritzelements hin bereits eine Verwirbelung
des zugeführten
Treibstoffanteils beginnt, während
zur Wand hin die Treibstoffkomponente noch im Kontakt mit dem Wandmaterial
ist und damit noch eine Kühlung
der Wand bewirken kann.
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Die
dritte Einspritzanordnung kann so ausgebildet sein, dass sie die
erste Brennzone koaxial in Form von Kanälen umgibt. Es sind dabei also
Kanäle in
der Wand des Einspritzelements im Bereich der ersten Brennzone vorgesehen,
in denen eine Treibstoffkomponente zur zweiten Brennzone geleitet wird.
Da diese Treibstoffkomponente regelmäßig eine geringere Temperatur
aufweist als die Wand des Einspritzelements, die mit den Verbrennungsgasen in
der ersten Brennzone in Kontakt ist, wird durch die Kanäle eine
Kühlung
der Wand des Einspritzelements bewirkt und damit dessen Lebensdauer
erhöht.
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Weiterhin
wird bevorzugt vorgesehen, dass die erste Einspritzanordnung mit
einem ersten Einlass für
eine erste Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden ist
und die zweite und dritte Einspritzanordnung mit einem gemeinsamen
zweiten Einlass für
eine zweite Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden sind.
Es wird also eine erste, zentral eingespritzte Treibstoffkomponente
mit zwei aufeinanderfolgenden Einspritzströmen einer zweiten Treibstoffkomponente
vermischt, die die erste Treibstoffkomponente koaxial umgeben. Dadurch wird
eine besonders günstige
und regelmäßige Vermischung
und Anreicherung erzielt.
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Mehrere
der vorgenannten Einspritzelemente können auch zu einer größeren Einspritzanordnung
zusammengefasst werden, wobei mindestens zwei Einspritzelemente
sowie eine stromabwärts
der Einspritzelemente angeordnete, den Einspritzelementen gemeinsame,
dritte Brennzone vorgesehen wird. Hierbei treten keinerlei Änderungen
des Frequenzverhaltens der Einspritzelemente im Vergleich zu den
einzelnen Einspritzelementen auf, da die geometrischen Abmessungen
der ersten und zweiten Brennzone der Einspritzelemente grundsätzlich unverändert beibehalten
werden können.
Es kann aber auch die zweite Brennzone jedes der Einspritzelemente
verkürzt
ausgebildet werden, da in der dritten, gemeinsamen Brennzone der
Durchmischungsprozess der Treibstoffe fortgesetzt wird. Dabei bleibt aber
zumindest das Frequenzverhalten in der ersten Brennzone eines jeden
Einspritzelements unverändert.
Die Einspritzelemente können
also für
sich optimiert und dann in beliebiger Anzahl in Einspritzanordnungen
integriert werden. Somit können
ohne wesentliche technische Einschränkungen beinahe beliebig große Einspritzanordnungen
für beliebig
große Gasgeneratoren
oder Einspritzköpfe
bereitgestellt werden.
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Ein
spezielles Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Verbindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 5 beschrieben.
Es zeigen:
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1:
Schematische Darstellung des Aufbaus des Zweizonen-Einspritzelements
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2:
Darstellung der dritten Einspritzanordnung in Form von Kanälen
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3:
Schnittzeichnung der ersten und zweiten Brennzone des Einspritzelements
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4:
Detaildarstellung des Übergangsbereiches
zur zweiten Brennzone
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5:
Darstellung der Einspritzung in die erste Brennzone
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6:
Darstellung einer Einspritzanordnung mit mehreren Einspritzelementen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einspritzelements.
Dieses weist eine erste, zentrale Einspritzanordnung 1 auf, welche
eine erste Einspritzöffnung 2 aufweist,
die zentral in eine erste Brennzone 5 mündet. Die erste Einspritzanordnung 1 ist über Bohrungen 15 mit
einem ersten Einlass 11 für eine erste Treibstoffkomponente
strömungstechnisch
verbunden. Als erste Treibstoffkomponente ist in diesem Beispiel
Kerosin vorgesehen.
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Die
erste Einspritzanordnung 1 ist koaxial von einer ringförmigen zweiten
Einspritzanordnung 3 umgeben, von welcher Bohrungen ausgehen,
die über
mehrere, ringförmig
angeordnete Einspritzöffnungen 4 ebenfalls
in die erste Brennzone 5 einmünden. Die Einspritzöffnungen 2 und 4 liegen
dabei in einer gemeinsamen Ebene, welche sich senkrecht zur Strömungsrichtung
erstreckt. Die zweite Einspritzanordnung 3 weist einen
zweiten Einlass 12 für eine
zweite Treibstoffkomponente auf. Als zweite Treibstoffkomponente
ist in diesem Beispiel ein Oxidator (GOX) vorgesehen.
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In
der Wand 10 des Einspritzelements ist im Bereich der ersten
Brennzone 5 eine dritte Einspritzanordnung 8 vorgesehen,
welche in 2 in einer transparenten Darstellung
des Einspritzelements deutlich wird. Die dritte Einspritzanordnung 8 wird
dabei durch mehrere, ringförmig
in der Wand 10 angeordnete Kanäle gebildet, die jeweils im
Bereich einer zweiten Brennzone 6 in eine Einspritzöffnung 7 münden. Die
dritte Einspritzanordnung 8 ist über die ringförmige zweite
Einspritzanordnung 7 mit dem zweiten Einlass 12 für die zweite
Treibstoffkomponente strömungstechnisch
verbunden, d.h. die Kanäle
der dritten Einspritzanordnung 8 erstrecken sich innerhalb
der Wand 10 des Einspritzelements von der ringförmigen zweiten
Einspritzanordnung 7 bis zu den Einspritzöffnungen 7.
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3 ist
eine Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Einspritzelements im Bereich
der ersten Brennzone 5 und der zweiten Brennzone 6. Die
erste Brennzone 5 beginnt stromabwärts der ersten Einspritzöffnung 2 und
weist einen Durchmesser d senkrecht zur Strömungsrichtung auf. Die zweite Brennzone 6 weist
einen Durchmesser D auf, der größer ist
als der Durchmesser d der ersten Brennzone 5. Die zweite
Brennzone weist außerdem
einen Übergangsbereich 9 auf,
der an die erste Brennzone 5 angrenzt und in dem sich der
Durchmesser der zweiten Brennzone 6 stetig von einem Wert
d auf den Wert D erweitert. Der Übergangsbereich 9 bildet
also eine abgeschrägte
Stufe am Beginn der zweiten Brennzone 6.
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4 zeigt
den abgeschrägten Übergangsbereich 9 in
einer vergrößerten Detaildarstellung.
In diesem Übergangsbereich 9 sind
die dritten Einspritzöffnungen 7 ringförmig um
die Längsachse
des Einspritzelements angeordnet, so dass die Einspritzöffnungen 7 dort
in die zweite Brennzone 6 einmünden. Nachdem der Übergangsbereich 9 eine
abgeschrägte
Wandzone bildet, sind auch die Einspritzöffnungen 7 abgeschrägt ausgebildet.
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In 5 ist
schließlich
die Einspritzung in die erste Brennzone 5 dargestellt.
Eine erste Treibstoffkomponente wird dabei durch weitgehend tangential in
der ersten Einspritzanordnung angeordnete Bohrungen 15 der
ersten Einspritzanordnung 1 zugeführt und durch die erste Einspritzöffnung 2 in
die erste Brennzone 5 eingespritzt. Die tangentiale Anordnung der
Bohrungen 15 verleiht dem Treibstoffstrom innerhalb der
ersten Einspritzanordnung eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente,
so dass der Treibstoffströmung
in Richtung der Einspritzöffnung 2 eine Rotationsbewegung
der ersten Treibstoffkomponente um die Längsachse des Einspritzelements überlagert
ist. Die erste Einspritzanordnung 1 ist also als Zentrifugal-Einspritzanordnung
ausgebildet, so dass bei der Einspritzung der ersten Treibstoffkomponente eine
kegelförmige
Zerstäubung 13 dieser
Komponente bewirkt wird. Eine zweite Treibstoffkomponente wird über die
zweite Einspritzanordnung 3 und die entsprechenden Bohrungen
durch die Einspritzöffnungen 4 in
die erste Brennzone eingespritzt, wobei sich nur relativ gering
aufgeweitete Treibstoffströme 14 bilden.
Durch die Zerstäubung
der ersten Treibstoffkomponente wird aber eine ausreichende Durchmischung
der beiden Treibstoffkomponenten erzielt.
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Zur
Zündung
der Verbrennung innerhalb des Einspritzelements kann in einer ersten
Einspritzphase als erste Treibstoffkomponente statt Kerosin eine Komponente
verwendet werden, die spontan mit GOX reagiert, d.h. die sich bei
Kontakt mit GOX spontan entzündet.
Solche Treibstoffkomponenten sind beispielsweise Treibstoffe, die
Triethylaluminium, Triethylbor oder Xylidin enthalten. Sobald die Verbrennung
der Treibstoffe gestartet ist, kann dann in einer zweiten Einspritzphase
die erste Treibstoffkomponente auf Kerosin umgestellt werden, welche dann
für die
Dauer des Einspritzbetriebes beibehalten wird.
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6 zeigt
eine Einspritzanordnung 16 aus sieben Einspritzelementen 18a, 18b, 18c etc.,
wie sie anhand der 1 bis 5 beschrieben
wurden. Sechs der Einspritzelemente 18a, 18b, 18c sind
dabei ringförmig
um ein zentrales Einspritzelement angeordnet. Die einzelnen Einspritzelemente 18a, 18b, 18c grenzen
jeweils mit ihren Wänden 10a, 10b, 10c aneinander
an. Stromabwärts
der jeweiligen ersten Brennzonen 5a, 5b, 5c und
zweiten Brennzonen 6a, 6b, 6c der Einspritzelemente 18a, 18b, 18c ist
eine dritte Brennzone 17 vorgesehen, die allen Einspritzelementen 18a, 18b, 18c gemeinsam
ist. Die mit Hilfe der einzelnen Einspritzelemente 18a, 18b, 18c eingespritzten
und gezündeten
Treibstoffkomponenten gelangen in diese dritte Brennzone 17,
wo sich der Durchmischungs- und Verbrennungsprozess der Treibstoffkomponenten
fortsetzt. Die jeweiligen zweiten Zonen 6a, 6b, 6c der
Einspritzelemente 18a, 18b, 18c können daher
bei Bedarf etwas kürzer
ausgebildet werden. Die Vorteile einer solchen Einspritzanordnung
wurden bereits oben ausgeführt.