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Die
Erfindung betrifft einen Einblaskopf zum Einblasen von Fluiden in
einen Mischungsraum.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Mischungsraum.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Triebwerk, umfassend eine Brennkammer
und eine an der Brennkammer angeordnete Düse mit einer Düsenwand.
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Aus
der WO 99/04156 ist eine Brennkammer, insbesondere für ein Raketentriebwerk,
bekannt, welche einen Brennraum umfasst, einen den Brennraum umschließenden Innenmantel
und einen den Innenmantel umschließenden Außenmantel. Zwischen dem Innenmantel
und dem Außenmantel sind
Kühlmittelkanäle ausgebildet.
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Aus
der
DE 10 2004
029 029 A1 ist ein Einspritzkopf zur Zuführung von
eine Verbrennung in einem Brennraum bewirkenden Medium bekannt,
welcher aus mindestens zwei koaxial zu einer Achse ineinandergreifenden
Segmenten aufgebaut ist. Die mindestens zwei Segmente weisen mindestens
einen Verteilkanal mit einem zugeordneten langgezogenen Auslassbereich
für einen
Strom eines ersten Mediums und mindestens einen Verteilkanal mit
einem zugeordneten langgezogenen Auslassbereich für einen
Strom eines zweiten Mediums begrenzende Wandbereiche auf. Der langgezogene
Auslassbereich für
das erste Medium und der langgezogene Auslassbereich für das zweite
Medium sind koaxial zueinander und mindestens in einem Winkelbereich von
360° um
die Achse umlaufend ausgebildet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einblaskopf zum Einblasen
von Fluiden in einen Mischungsraum bereitzustellen, mittels welchem
sich eine Vermischung mit hohem Homogenitätsgrad auf einer kurzen Strecke
erreichen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Einblaskopf eine Porenplatte mit einer konkaven ersten
Seite, welche dem Mischungsraum zugewandt ist, und mit einer zweiten Seite
umfasst, eine Trennwand mit einer ersten Seite, welche der zweiten
Seite der Porenplatte zugewandt ist, und mit einer konvexen zweiten
Seite umfasst, mindestens einen Fluidzuführungsraum umfasst, welcher
zwischen der Trennwand und der Porenplatte angeordnet ist, und eine
Mehrzahl von Injektorelementen umfasst, welche durch die Trennwand
und die Porenplatte verlaufen und jeweils mit einem Auslass in den
Mischungsraum münden.
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Durch
eine kuppelförmige
Ausbildung der Trennwand und der Porenplatte lässt sich bei hoher Druckfestigkeit
eine hohe Kontaktoberfläche
für eingeblasene
Fluide in dem Mischungsraum erreichen.
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Ein
oder mehrere Fluide lassen sich über
die Injektorelemente einblasen und ein oder mehrere Fluide lassen
sich über
die Porenplatte in den Mischungsraum einblasen. Dadurch erhält man eine schnelle
und homogene Vermischung der Fluide. Insbesondere lässt sich
eine Reaktionszone minimieren.
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Durch
die Injektorelemente erhält
man einen schnellen Strahlzerfall. Dadurch lässt sich die Länge der
Reaktionszone gering halten. Dadurch wiederum lässt sich der Mischungsraum
platzsparend und gewichtsparend herstellen.
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Der
Einblaskopf lässt
sich auf einfache Weise herstellen. Beispielsweise wird die Porenplatte
mit Bohrungen hergestellt, in welche die Injektorelemente eingesteckt
werden. Die Injektorelemente sind beispielsweise metallische oder
keramische Röhrchen, die
auf einfache Weise herstellbar sind. Die Injektorelemente lassen
sich auf einfache Weise an der Trennwand beispielsweise über Schweißung fixieren. Insbesondere
ist eine automatische Fixierung beispielsweise über einen Schweißroboter
möglich.
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Durch
die Anordnung und Ausbildung der individuellen Injektorelemente
lässt sich
der Einblaskopf an die spezielle Anwendung anpassen. Es lässt sich
eine Anpassung in Richtung optimaler Zerstäubung und Vermischung der Fluide,
welche insbesondere Reaktanten sind, erreichen.
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Die
Fluidzuführung
in den Mischungsraum erfolgt über
die gesamte Fläche
des Einblaskopfs zu dem Mischungsraum hin. Dadurch ist eine maximale Raumausnutzung
gewährleistet.
Weiterhin erhält man
dadurch auch eine hohe Toleranz gegenüber lokalen Abweichungen, die
herstellungsbedingt sein können
oder im Betrieb auftreten können.
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Günstig ist
es, wenn die Porenplatte eine offenporöse Struktur aufweist. Dadurch
lässt sich
ein Fluid über
den mindestens einen Fluidzuführungsraum
zwischen der Trennwand und der Porenplatte durch die Porenplatte
durch in den Mischungsraum einblasen.
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Es
ist grundsätzlich
möglich,
dass die Porenplatte beispielsweise aus einem metallischen Material
wie beispielsweise einem Sintermaterial hergestellt ist. Vorteilhaft
ist es, wenn sie aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, um einen
Einblaskopf mit geringem Gewicht bereitzustellen. Dies wiederum
ist sehr vorteilhaft für
einen Einsatz in einem Flugkörper und
insbesondere in einer Rakete, um die Nutzlast erhöhen zu können. Mögliche Keramikmaterialien sind
C/C-Keramikmaterialien oder oxidkeramische Materialien.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Trennwand fluiddicht ausgebildet
ist. Dadurch lässt sich
eine Trennung zwischen dem oder den Fluiden erreichen, welche über die
Injektorelemente in den Mischungsraum eingeblasen werden und dem
oder den Fluiden, welche über
die Porenplatte eingeblasen werden.
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Günstig ist
es, wenn die erste Seite der Trennwand konkav ist. Dadurch lässt sich
die Trennwand auf einfache Weise herstellen. Sie ist dann insbesondere
domförmig
oder kuppelförmig
ausgebildet und hält
hohen Druckbelastungen stand.
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Günstig ist
es, wenn die erste Seite der Trennwand im Wesentlichen parallel
zur ersten Seite der Porenplatte ist. Dadurch lässt sich der Einblaskopf auf
einfache Weise herstellen und der Fluidzuführungsraum lässt sich
auf einfache Weise bereitstellen.
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Aus
dem gleichen Grund ist es auch günstig, wenn
die erste Seite und die zweite Seite der Trennwand im Wesentlichen
parallel zueinander sind.
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Ebenfalls
günstig
ist es, wenn die zweite Seite der Porenplatte konvex ist. Dadurch
ist die Druckfestigkeit der Porenplatte gegenüber Fluiddruck in dem Fluidzuführungsraum
optimiert.
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Ferner
günstig
ist es, wenn die zweite Seite der Porenplatte und die zweite Seite
der Trennwand im Wesentlichen parallel zueinander sind. Dadurch lässt sich
der Einblaskopf auf einfache Weise herstellen.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn die erste Seite und die zweite Seite der Porenplatte im Wesentlichen
parallel zueinander sind.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Injektorelemente jeweils
einen Einlass aufweisen, welcher in mindestens einen weiteren Fluidzuführungsraum
mündet. Über diesen
Einlass lässt
sich in die Injektorelemente Fluid einkoppeln, welches dann in den
Mischungsraum einblasbar ist. Der weitere Fluidzuführungsraum
dient dabei insbesondere als Verteilungsraum zur Einkopplung von
Fluid in die unterschiedlichen Injektorelemente.
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Günstig ist
es, wenn der weitere Fluidzuführungsraum
durch die Trennwand und ein Deckelelement begrenzt ist. Das Deckelelement
ist insbesondere ein äußeres Deckelelement
des Einblaskopfes. Beispielsweise lässt sich dieser Einblaskopf über das Deckelelement
an einer Mischungskammer oder Brennkammer fixieren. Das Deckelelement
lässt sich beispielsweise
aus einem Keramikmaterial herstellen.
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Insbesondere
sind die Injektorelemente fluiddicht zwischen einem Einlass und
dem Auslass ausgebildet, das heißt Fluid, welches in den Einlass
eingekoppelt wird, kann das Injektorelement nur durch den Auslass
verlassen. Dies bedeutet, dass über
die Injektorelemente Fluid von dem weiteren Fluidzuführungsraum
in den Mischungsraum eingeblasen werden kann unter Durchströmung der
Trennwand, des Fluidzuführungsraums
zwischen der Trennwand und der Porenplatte, und der Porenplatte,
wobei das Fluid nicht in Kontakt mit dem weiteren, über die
Porenplatte eingeblasenen Fluid kommt.
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Günstig ist
es, wenn die Injektorelemente durch den Fluidzuführungsraum zwischen der Porenplatte
und der Trennwand geführt
sind. Dadurch lässt sich eine
hohe Flächendichte
von Injektorelementen bezogen auf die erste Seite der Porenplatte
anordnen, um einen hohen Vermischungsgrad (mit hoher Homogenität) mit kurzer
Vermischungsstrecke zu erreichen.
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Fertigungstechnisch
günstig
ist es, wenn die Injektorelemente rohrförmig ausgebildet sind. Diese lassen
sich dann auf einfache Weise herstellen. Ferner lassen sie sich
auf einfache Weise bei der Herstellung des Einblaskopfs an diesem
positionieren.
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Insbesondere
sind die Injektorelemente gerade ausgebildet, so dass sie auf einfache
und kostengünstige
Weise herstellbar sind. Ferner sind sie auf einfache Weise bei der
Herstellung positionierbar.
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Es
ist dann günstig,
wenn die Injektorelemente einen zylindrischen Ringmantel aufweisen. Insbesondere
ist dann ein Injektorelement als zylindrisches Rohr ausgebildet,
welches entsprechend kostengünstig
herstellbar ist. Insbesondere ist der Ringmantel aus einem metallischen
oder keramischen Material hergestellt.
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Vorteilhafterweise
sind die Injektorelemente an der Trennwand und/oder der Porenplatte
fixiert. Dadurch lässt
sich der Einblaskopf auf einfache Weise herstellen. Beispielsweise
sind die Injektorelemente durch Schweißung oder Lötung an der Trennwand fixiert.
Dadurch lässt
sich auch der Einblaskopf auf einfache Weise herstellen: Beispielsweise
wird die Porenplatte hergestellt mit Ausnehmungen für Injektorelemente.
Es werden dann die Injektorelemente in die Porenplatte eingeführt und
die Trennwand aufgesetzt. Die Injektorelemente werden dann an der Trennwand
beispielsweise durch Schweißung
oder Lötung
fixiert. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Injektorelemente
an der Trennwand fixiert werden und diese Kombination aus Injektorelementen
und Trennwand auf die Porenplatte aufgesetzt wird.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Injektorelemente gleichmäßig verteilt
angeordnet sind. Insbesondere ist der Abstand von Auslässen (Mündungsöffnungen)
in den Mischungsraum benachbarter Injektorelemente im Wesentlichen
gleich. Es kann auch eine nicht gleichmäßige Anordnung je nach Anwendung
vorgesehen sein.
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Bei
einer Ausführungsform
ist mindestens ein Injektorelement als Zylinder ausgebildet. Dadurch lässt sich
die Zündung
eines brennfähigen
Fluidgemischs im Mischungsraum erleichtern bzw. bewirken.
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Insbesondere
ist das oder sind die Injektorelemente, welche als Zünder ausgebildet
sind, zentral angeordnet und insbesondere an oder im Bereich um eine
Achse des Einblaskopfs angeordnet. Dadurch erhält man optimierte Zündbedingungen.
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Günstig ist
es, wenn der Einblaskopf eine Achse aufweist, auf welcher der Mittelpunkt
einer Krümmungskugel
der ersten Seite der Porenplatte und/oder der zweiten Seite der
Trennwand liegt. Dadurch erhält
man hohe Symmetrieverhältnisse,
durch welche die Mischung im Mischungsraum verbessert werden.
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Es
kann vorgesehen sein, dass Injektorelemente um die Achse verteilt
angeordnet sind, das heißt
unterschiedliche (ebene) Winkelabstände zu dieser Achse aufweisen.
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Ferner
ist es günstig,
wenn Injektorelemente bezogen auf den Winkel ihrer jeweiligen Längsachse zur
Achse des Einblaskopfs verteilt angeordnet sind, das heißt wenn
eine Verteilung im Azimutalwinkel vorliegt.
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Bei
einer Ausführungsform
schneiden die Längsachsen
der Injektorelemente eine Ebene, welche die Achse des Einblaskopfs
enthält.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Längsachsen der Injektorelemente
die Achse des Einblaskopfs schneiden oder sogar die Längsachse
der Injektorelemente sich in einem Punkt schneiden. Die Anordnung
und Ausrichtung der Injektorelemente hängt von dem speziellen Anwendungsfall
ab.
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Bei
einer Ausführungsform
sind alle oder die Mehrheit der Injektorelemente bezüglich der
Achse des Einblaskopfs geneigt angeordnet. Dadurch liegen diese
nicht parallel zu einer Hauptströmungsrichtung
in dem Mischungsraum; dadurch wird die Zerstäubung und Vermischung im Mischungsraum
verbessert.
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Günstig ist
es, wenn die Porenplatte sich in einem Winkelbereich ≤ 180° erstreckt.
Es lässt
sich dadurch erreichen, dass im Wesentlichen über den gesamten Flächenbereich
der Porenplatte zu dem Mischungsraum hin sich Fluide einblasen lassen,
wobei sich die Zerstäubung
und Vermischung optimieren lässt.
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Günstig ist
es, wenn ein Deckelelement vorgesehen ist, wobei mindestens ein
weiterer Zuführungsraum
zwischen dem Deckelelement und der Trennwand angeordnet ist. Über diesen
mindestens einen weiteren Zuführungsraum
lassen sich den Injektorelementen ein oder mehrere Fluide zum Einblasen
in den Mischungsraum bereitstellen. Die Zuführung von Fluid oder Fluiden
in den mindestens einen Zuführungsraum
wiederum lässt
sich auf einfache Weise durchführen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass einem Injektorelement ein Stützelement
zugeordnet ist, über welches
die Porenplatte an dem Injektorelement abstützbar ist. Üblicherweise ist der Druck
in dem mindestens einen Fluidzuführungsraum
zwischen der Trennwand und der Porenplatte größer als in dem Mischungsraum,
damit überhaupt
ein Fluid oder mehrere Fluide über
die Porenplatte in den Mischungsraum einblasbar sind. Es besteht
die grundsätzliche
Möglichkeit,
dass sich beispielsweise aufgrund von Verbrennungsstörungen die
Druckverhältnisse
umkehren. Durch das vorgesehene Stützelement lässt sich die Porenplatte dann
an dem Injektorelement abstützen,
um sie so an dem Einblaskopf zu halten.
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Insbesondere
ist das Stützelement
mindestens teilweise in dem Fluidzuführungsraum zwischen der Trennwand
und der Porenplatte angeordnet. Dadurch kann das Stützelement
eine Anlagefläche
für die
Porenplatte bereitstellen, welche Stützwirkung hat.
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Das
Stützelement
kann dabei Teil des Injektorelements sein oder an diesem angeordnet
sein, das heißt
es kann integraler Bestandteil des Injektorelements sein oder es
kann nachträglich
an diesem positioniert und insbesondere fixiert sein.
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Bei
einer fertigungstechnisch einfachen Ausführungsform ist das Stützelement
als Hülse
ausgebildet. Die Hülse
lässt sich
auf einfache Weise auf das Injektorelement aufschieben und an diesem
fixieren. Die Hülse
wiederum stellt eine beispielsweise ringförmige Anlagefläche zur
Abstützung
der Porenplatte bereit.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Mischungskammer
bereitzustellen, welche mit kurzer Bauweise realisierbar ist und
in welcher sich eine schnelle und homogene Vermischung von Fluiden
erreichen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein erfindungsgemäßer Einblaskopf
vorgesehen ist.
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Die
erfindungsgemäße Mischungskammer weist
die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Einblaskopf
erläuterten
Vorteile auf.
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Die
erfindungsgemäße Mischungskammer ist
beispielsweise für
Raumfahrtanwendungen, bei Chemieanlagen, bei Heizsystemen, in der
Verfahrenstechnik und der Kraftwerkstechnik einsetzbar.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die Mischungskammer als Brennkammer ausgebildet. In sie werden über den
Einblaskopf Reaktanten-Fluide eingeblasen, nämlich Brennstoff und Oxidator.
Diese verbrennen in der Brennkammer. Im Fall eines Triebwerks ist
die Brennkammer als Schubkammer ausgebildet.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mischungskammer einen porösen Innenmantel
zur Effusions-/Transpirationskühlung
aufweist. Bei der Effusions-/Transpirationskühlung tritt ein Kühlmedium
in einen Brennraum ein und bildet einen Kühlmediumfilm. Als Kühlmedium
kann dabei ein Reaktanten-Fluid eingesetzt werden. Es lässt sich
dadurch eine Brennkammer bereitstellen, welche bei relativ niedrigem
Herstellungsaufwand eine sehr hohe Energiedichte erlaubt. Die Zuführung von
Kühlmedium zu
dem porösen
Innenmantel lässt
sich, wenn als Kühlmedium
ein Reaktant eingesetzt wird, in die Reaktanten-Fluidzuführung zu dem Einblaskopf integrieren.
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Günstig ist
es, wenn der Innenmantel sich an den Einblaskopf anschließt. Beispielsweise
stützt sich
die Porenplatte des Einblaskopfs an dem porösen Innenmantel ab. Dadurch
erhält
man eine Brennkammer mit hoher mechanischer Festigkeit und hoher
thermischer Beständigkeit.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass der Innenmantel und die Porenplatte
verbunden sind. Sie können
dabei mechanischen Kontakt haben, wobei eine entsprechende Anpresskraft
ausgeübt
wird. Es ist auch möglich,
dass der Innenmantel und die Porenplatte einstückig miteinander verbunden
sind.
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Günstig ist
es, wenn ein Außenmantel
vorgesehen ist, wobei zwischen dem Außenmantel und dem Innenmantel
ein oder mehrere Verteilungskanäle
für Kühlmedium
angeordnet sind. Dadurch lässt sich
eine Funktionstrennung an der Brennkammer durchführen. Der Außenmantel
dient in erster Linie zur Bereitstellung der mechanischen Festigkeit
der Brennkammer. Der Innenmantel dient zur Bereitstellung der thermischen
Beständigkeit
der Brennkammer. Über
den oder die Verteilungskanäle
lässt sich dem
porösen
Innenmantel Kühlmedium
zuführen.
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Insbesondere
stehen der oder die Verteilungskanäle in fluidwirksamer Verbindung
mit mindestens einem Zuführungskanal
für Fluid
in den Fluidzuführungsraum
zwischen Porenplatte und Trennwand. Dadurch ist der Aufwand zur
Bereitstellung von Reaktanten-Fluid und Kühlmedium gering gehalten. Dadurch
lässt sich
die Mischungskammer mit einer minimierten Anzahl von Flanschen und
dergleichen ausbilden und damit wiederum gewichtsparend ausbilden.
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Günstig ist
es, wenn zur Zuführung
von Kühlmedium
in den oder die Verteilungskanäle
eine oder mehrere Düsen
vorgesehen sind. Dadurch lässt
sich insbesondere aus einem Reaktanten-Fluid-Strom ein Teilstrom
zur Bereitstellung von Kühlmedium
auskoppeln, wobei dieses Kühlmedium
wiederum über
den oder die Verteilungskanäle
dem porösen
Innenmantel zugeführt
wird, um eine Effusions-/Transpirationskühlung bereitzustellen.
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Insbesondere
ist die mindestens eine Düse als
Dosierdüse
ausgebildet. Dadurch lässt
sich einstellen, welche Kühlmediummenge
dem porösen
Innenmantel bereitgestellt wird.
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Günstig ist
es, wenn eine Düse
an einem Wandabschnitt angeordnet ist, welcher den Fluidzuführungsraum
zwischen Trennwand und Porenplatte und einen Verteilungskanal trennt.
Dadurch lassen sich die Düse
oder Düsen
auf einfache Weise in die Mischungskammer integrieren; der fertigungstechnische
Aufwand ist minimiert.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Außenmantel aus einem faserkeramischen
Material hergestellt ist. Dadurch lässt sich das Gewicht der Mischungskammer
gering halten. Ferner lassen sich Kräfte über die Faserverstärkung optimal
ableiten, so dass man eine hohe mechanische Festigkeit erhält.
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Günstig ist
es, wenn eine Fluiddichtung für den
Außenmantel
zu dem oder den Verteilungskanälen
hin vorgesehen ist. Der Außenmantel
kann insbesondere für
Fluide mit hoher Diffusivität
(wie Wasserstoff) durchlässig
sein. Durch das Vorsehen einer Fluiddichtung wird dafür gesorgt,
dass Kühlmedium einen
Verteilungskanal nur in Richtung des porösen Innenmantels verlassen
kann.
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Beispielsweise
ist die Fluiddichtung mittels eines Folienmaterials und insbesondere
mittels einer Metallfolie gebildet.
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Günstig ist
es, wenn der Außenmantel
und ein Deckelelement des Einblaskopfs verbunden sind. Dadurch lässt sich
der Einblaskopf über
sein Deckelelement an dem Außenmantel
abstützen.
Zur Verbindung können
beispielsweise Flanschverbindungen vorgesehen sein.
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Es
ist auch möglich,
dass der Außenmantel und
das Deckelelement des Einblaskopfs einstückig miteinander verbunden
sind.
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Es
ist vorgesehen, dass ein Brennraum der Brennkammer sich in einem
Querschnitt in einer Richtung von dem Einblaskopf weg verjüngt, um
optimierte Verbrennungseigenschaften zu erhalten.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Triebwerk der eingangs
genannten Art bereitzustellen, welches bei hoher Leistung und Effizienz
ein geringes Gewicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Triebwerk erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
die Brennkammer einen Innenmantel und einen Außenmantel aufweist und dass
der Außenmantel der
Brennkammer einstückig
mit der Düsenwand
verbunden ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
die Anzahl von Konstruktionselementen gering halten. Es muss insbesondere
keine getrennte Verbindungseinrichtung zur Verbindung der Brennkammer
und der Düse
vorgesehen sein. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten gering
halten und das Gewicht des Triebwerks lässt sich gering halten.
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Weiterhin
ergibt sich durch die Kombination der Brennkammer und der Düse zu einer
Einheit die Möglichkeit,
den Außenmantel
mit der Düsenwand aus
einem faserkeramischen Material herzustellen. Durch entsprechende
ununterbrochene Faseranordnung ergibt sich dadurch eine hohe mechanische Festigkeit.
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Insbesondere
sind durchgehende Fasern von dem Außenmantel zu der Düsenwand
vorhanden, das heißt
die Fasern sind nicht unterbrochen. Dadurch ergibt sich eine hohe
mechanische Steifigkeit und Festigkeit.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Außenmantel am Übergangsbereich
zu der Düsenwand verstärkt ist.
Diese Verstärkung
ist beispielsweise durch eine Materialverdickung am Außenmantel
und ggf. der Düsenwand
erreicht. Es ist auch möglich, dass
eine separate Umwicklung des Triebwerks am Übergangsbereich durch Faserbündel vorgesehen ist.
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Es
ist ferner günstig,
wenn der Außenmantel am Übergangsbereich
zu der Düsenwand
abgerundet ist. Dadurch sind Spitzen vermieden, die die mechanische
Festigkeit verringern können.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Innenmantel zur Bereitstellung
einer Effusions-/Transpirationskühlung
porös ist.
Bei der Effusions-/Transpirationskühlung tritt ein Kühlmedium
durch den porösen
Innenmantel in einen Brennraum der Brennkammer ein und bildet dort
einen Kühlfilm
aus. Mit der Effusions-/Transpirationskühlung lässt sich die thermische Belastung
des Innenmantels unter eine für
das Material des Innenmantels akzeptable Grenze setzen.
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Insbesondere
sind zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel ein oder mehrere
Verteilungskanäle
für Kühlmedium
angeordnet. Über
diese Verteilungskanäle
lässt sich
Kühlmedium
dem porösen
Innenmantel zuführen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Innenmantel an dem Außenmantel
abgestützt
ist, um für
eine mechanische Verbindung zu sorgen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Innenmantel und der Außenmantel
im Übergangsbereich zu
der Düsenwand
abgestützt
ist. Die notwendige Anpresskraft wird beispielsweise durch eine
Flanschverbindung im Bereich eines Einblaskopfs erreicht.
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Beispielsweise
ist der Innenmantel über
einen Einblaskopf, welcher mit dem Innenmantel verbunden ist, an
dem Außenmantel
abgestützt
und insbesondere zusätzlich
abgestützt.
Dadurch lässt
sich eine erste Abstützungsstelle
für den
Innenmantel an dem Außenmantel
im Bereich des Übergangsbereichs
bereitstellen und eine weitere Abstützungsstelle im Bereich des
Einblaskopfes. Dadurch wiederum lassen sich Innenmantel und Außenmantel
auf einfache Weise relativ zueinander fixieren.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen
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1 eine
Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Triebwerks mit
einem Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Einblaskopfes
und mit einem Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Mischungskammer
in der Form einer Brennkammer;
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2 eine
schnittperspektivische Ansicht des Triebwerks gemäß 1;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung des Einblaskopfs gemäß 1;
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4 eine
vergrößerte Darstellung
des Bereichs A gemäß 3;
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5 eine
Variante des Einblaskopfs gemäß 3;
und
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6 eine
weitere Variante des Einblaskopfs gemäß 3.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Triebwerks,
welches in den 1 und 2 gezeigt
und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Mischungskammer 12,
welche als Brennkammer 14 ausgebildet ist. Die Brennkammer 14 weist
einen Mischungsraum 16 auf, in welchen Reaktanten-Fluide einblasbar
sind und dort vermischbar sind. Bei der Ausbildung als Brennkammer 14 ist
der Mischungsraum 16 ein Brennraum 18, in welchem
Verbrennungsvorgänge
stattfinden. In diesem Fall ist (mindestens) ein Reaktanten-Fluid
ein Brennstoff und (mindestens) ein Reaktanten-Fluid ein Oxidator.
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Die
Mischungskammer 12 weist einen Außenmantel 20 und einen
Innenmantel 22 auf. Der Innenmantel 22 begrenzt
den Mischungsraum 16. An dem Innenmantel 22 ist
ein Einblaskopf 24 (Einspritzkopf) angeordnet oder dieser
Einblaskopf 24 ist zumindest teilweise ein Teil des Innenmantels 22.
Der Einblaskopf 24 begrenzt den Mischungsraum 16 zu einer
Seite hin.
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Der
Mischungsraum 16 ist insbesondere rotationssymmetrisch
zu einer Achse 26 ausgebildet.
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Der
Einblaskopf 24 ist, wie unten noch näher erläutert wird, domförmig oder
kuppelförmig
ausgestaltet.
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Zwischen
dem Außenmantel 20 und
dem Innenmantel 22 der Mischungskammer 12 sind
Verteilungskanäle 28 angeordnet. Über diese
lässt sich Kühlmedium
dem Innenmantel 22 zuführen.
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Die
Verteilungskanäle 28 stehen
in fluidwirksamer Verbindung mit einer Zuführungseinrichtung 30.
Zur Einkopplung von Kühlmedium
in einen Verteilungskanal 28 ist (mindestens) eine Düse 32 vorgesehen,
welche insbesondere als Dosierungsdüse ausgebildet ist. Es kann
dabei vorgesehen sein, dass jedem Verteilungskanal 28 eine
eigene Düse 32 zugeordnet
ist oder dass mehreren Verteilungskanälen 28 eine gemeinsame
Düse 32 zugeordnet
ist.
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Die
Düse 32 sitzt
an einem Wandabschnitt 34, welcher den oder die Verteilungskanäle 28 von dem
Einblaskopf 24 und insbesondere von einem (ersten) Fluidzuführungsraum 36 des
Einblaskopfes 24 trennt.
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Die
Verteilungskanäle 28 sind
im Wesentlichen parallel zu einer dem Außenmantel 20 zugewandten
Außenseite
des Innenmantels 22 orientiert, so dass dem Innenmantel 22 über einen
großen
Flächenbereich
Kühlmedium
zuführbar
ist.
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Der
Innenmantel 22 umfasst einen Stützbereich 38, mittels
welchem er sich an dem Außenmantel 20 abstützt.
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Der
Außenmantel 20 ist
vorzugsweise aus einem faserkeramischen Material hergestellt. Zur
fluiddichten Abdichtung gegenüber
den Verteilungskanälen 28 ist
an einer Innenseite des Außenmantels 20 eine
Fluiddichtung 40 angeordnet. Diese ist beispielsweise in
Folienform und insbesondere als Metallfolie ausgebildet. Die Fluiddichtung 40 erstreckt sich
dabei in den Stützbereich 38 hinein,
da der Innenmantel 22 aus einem porösen Material hergestellt ist,
wie unten noch näher
erläutert
wird.
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Der
Außenmantel 20 der
Mischungskammer 12 weist einen Flanschbereich 42 auf, über welchen der
Einblaskopf 24 an der Mischungskammer 12 fixierbar
ist.
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Es
ist dabei grundsätzlich
auch möglich, dass
der Einblaskopf ein Deckelelement aufweist, welches einstückig mit
dem Außenmantel 20 verbunden
ist, so dass zur Verbindung kein Flanschbereich mehr vorgesehen
werden muss.
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Bei
der Ausbildung der Mischungskammer 12 als Brennkammer 14 verjüngt sich
der Brennraum 18 von dem Einblaskopf 24 weg. Die
Stelle des Brennraums 18 mit dem kleinsten Querschnitt
liegt an oder in der Nähe
des Stützbereichs 38.
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An
der Mischungskammer 12 ist eine Düse 44 als Expansionsteil
angeordnet. Diese Düse 44 weist
eine Düsenwand 46 und
einen Düsenraum 48 auf.
Sie ist insbesondere koaxial zur Achse 26 angeordnet und
rotationssymmetrisch bezüglich
dieser ausgebildet. Der Düsenraum 48 erweitert
sich in seinem Querschnitt von der Mischungskammer 12 weg zu
einer Düsenöffnung 50.
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Die
Düsenwand 46 ist
einstückig
mit dem Außenmantel 20 des
Mischungsraums 12 verbunden. Die Düsenwand 46 ist ebenfalls
aus einem faserkeramischen Material hergestellt.
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Fasern
im faserkeramischen Material verlaufen dabei durchgehend von dem
Außenmantel 20 zu der
Düsenwand 46 durch
einen Übergangsbereich 52 zwischen
dem Außenmantel 20 und
der Düsenwand 46.
Ein entsprechender Faserverlauf ist in 1 mit dem
Bezugszeichen 54 angedeutet.
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An
dem Übergangsbereich 52 zwischen
Außenmantel 20 und
der Düsenwand 46 ist
der Außenmantel 20/die
Düsenwand 46 verstärkt ausgebildet und
weist eine größere Dicke
auf.
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Es
kann grundsätzlich
vorgesehen sein, dass insbesondere in dem Übergangsbereich 52 eine
Faserumwicklung 56 des Triebwerks 10 vorliegt mit
einer Wicklungsachse, welche mit der Achse 26 zusammenfällt.
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Der
Außenmantel 20 und
die Düsenwand 46 sind
aus zugfester Faserkeramik hergestellt und es ist eine Einheit gebildet.
Dadurch lässt
sich die Anzahl der Verbindungsstellen wie Flansche minimieren.
Dies wiederum verringert den Herstellungsaufwand und das Gesamtgewicht.
Es können
auch größere mechanische
Belastungen aufgenommen werden, so dass die Ausbildung des Außenmantels 20 und
der Düsenwand 46 mit
nicht unterbrochenen Fasern (vgl. den Faserverlauf 54)
mechanische Belastungen effektiver aufnehmen können.
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Der Übergangsbereich 52 ist
abgerundet ausgestaltet, um Spitzen und dergleichen zu vermeiden.
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Der
Innenmantel 22 ist aus einem porösen Material hergestellt, welches
insbesondere offenporös
ist. Beispielsweise ist der Innenmantel 22 aus einem porösen Keramikmaterial
oder einem oxidkeramischen Material oder einem porösen metallischen Material
wie beispielsweise sintermetallischem Material hergestellt. Der
Innenmantel 22 ist beispielsweise aus einem C/C-Keramikmaterial
hergestellt, wenn "fuel
rich"-Verbrennungsvorgänge in dem
Brennraum 18 dominieren, oder ist aus einem Oxidkeramikmaterial
hergestellt, wenn "ox
rich"-Verbrennungsvorgänge in dem
Brennraum 18 dominieren. Durch die Porenstruktur kann Kühlmedium
in den Mischungsraum 16 eingebracht werden, wobei das Kühlmedium
insbesondere ein Reaktant ist. Es lässt sich dann beim Betrieb
der Mischungskammer 12 (insbesondere als Brennkammer) eine
Effusions-/Transpirationskühlung
bewirken. Unter Effusionskühlung
wird üblicherweise
die Schwitzkühlung
ohne Phasenübergang und
unter Transpirationskühlung
die Schwitzkühlung mit
Phasenübergang
verstanden.
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Der
Einblaskopf 24 weist eine Porenplatte 58 auf.
Diese begrenzt den Mischungsraum 16. Die Porenplatte 58 ist
mit dem Innenmantel 22 verbunden. Sie kann sich dabei an
dem Innenmantel 22 abstützen
oder auch einstückig
verbunden sein. Die Porenplatte 58 ist aus einem offenporösen Material
wie beispielsweise einem Keramikmaterial hergestellt. Sie kann beispielsweise
auch aus einem porösen
Sintermetall hergestellt sein.
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Die
Porenplatte 58 weist eine erste Seite 60 auf,
welche dem Mischungsraum 16 zugewandt ist. Diese erste
Seite 60 ist konkav ausgebildet.
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Der
Einblaskopf 24 weist eine Längsachse auf, welche bei an
der Mischungskammer 12 angeordneten Einblaskopf 24 mit
der Achse 26 zusammenfällt.
Ein Mittelpunkt einer Krümmungskugel
der ersten Seite 60 liegt auf der Achse 26.
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Die
Porenplatte 58 ist an der ersten Seite 60 beispielsweise
sphärisch
gekrümmt.
Auch andere Krümmungsformen
sind möglich.
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Die
Porenplatte 58 weist ferner eine der ersten Seite 60 gegenüberliegende
Seite zweite Seite 62 auf, welche insbesondere konvex gekrümmt ist. Vorzugsweise
sind die erste Seite 60 und die zweite Seite 62 parallel
zueinander. Ein Mittelpunkt einer Krümmungskugel für die zweite
Seite 62 liegt ebenfalls auf der Achse 26. Die
Porenplatte 58 ist insbesondere domförmig oder kuppelförmig ausgebildet.
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Wie
oben erwähnt,
ist es bei einer Ausführungsform
vorgesehen, dass die Porenplatte 58 sich an dem Innenmantel 22 abstützt (3).
Der Innenmantel 22 weist dazu eine entsprechende Anlagefläche 64 auf.
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Der
Einblaskopf 24 umfasst ferner eine Trennwand 66,
welche beabstandet zu der Porenplatte 58 ist. Die Trennwand 66 hat
eine erste Seite 68, welche konkav ausgebildet ist und
der zweiten Seite 62 der Porenplatte 58 zugewandt
ist. Die erste Seite 68 liegt insbesondere parallel zur
zweiten Seite 62 der Porenplatte 58. Ferner ist
es insbesondere vorgesehen, dass ein Mittelpunkt einer Krümmungskugel
für die
erste Seite 68 auf der Achse 26 liegt.
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Die
Trennwand 66, welche fluiddicht ausgebildet ist, umfasst
ferner eine zweite Seite 70, welche konvex ausgebildet
ist. Die zweite Seite 70 liegt parallel zur ersten Seite 68.
Die Trennwand 66 ist domförmig oder kuppelförmig ausgebildet.
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Zwischen
der Trennwand 66 und der Porenplatte 58 ist der
erste Fluidzuführungsraum 36 gebildet, über den
ein oder mehrere Reaktanten der Porenplatte 58 zuführbar sind,
wobei das Fluid über
die Poren der Porenplatte 58 in die Mischungskammer 12 einblasbar
ist. Der erste Fluidzuführungsraum 36 bildet
dadurch einen Verteilungsraum für
in den Mischungsraum 16 einzublasendes Reaktanten-Fluid.
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Es
ist grundsätzlich
möglich,
dass mehrere getrennte Fluidzuführungsräume zwischen
der Trennwand 66 und der Porenplatte 58 angeordnet sind,
wenn beispielsweise über
die Porenplatte 58 unterschiedliche Fluide in den Mischungsraum 16 einzublasen
sind.
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An
der Trennwand 66 sind Injektorelemente 72 fixiert.
Die Injektorelemente 72 verlaufen von der Trennwand 66 ausgehend
durch Ausnehmungen in der Trennwand 66 und durch den ersten
Fluidzuführungsraum 36 und
durch Ausnehmungen 74 in der Porenplatte 58. Die
Injektorelemente 72 sind dabei fluiddicht ausgebildet jeweils
mit einem Einlass 76 und einem Auslass 78. Über einen
Einlass 76 lässt sich
Fluid in das entsprechende Injektorelement 72 einkoppeln.
Der Auslass 78 mündet
in den Mischungsraum 16.
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Die
Einlasse 76 der Injektorelemente 72 stehen in
einer Verbindung mit einem zweiten Fluidzuführungsraum 80, welcher
oberhalb der Trennwand 66 liegt und durch diese fluiddicht
begrenzt wird. Der zweite Fluidzuführungsraum 80 ist
ein Verteilungsraum für
ein Reaktanten-Fluid, welches über
die Injektorelemente 72 in den Mischungsraum 16 eingeblasen
werden soll.
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Es
ist dabei grundsätzlich
möglich,
dass die Trennwand 66 eine Mehrzahl von zweiten Fluidzuführungsräumen 80 begrenzt.
Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn über die Injektorelemente 72 unterschiedliche
Fluide in den Mischungsraum 16 eingeblasen werden sollen.
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Der
zweite Fluidzuführungsraum 80 ist
durch ein domförmiges
oder kuppelförmiges
Deckelelement 82 nach außen begrenzt. Das Deckelelement 82 ist
beispielsweise aus einem keramischen Material hergestellt. An dem
Deckelelement 82 ist zu dem zweiten Fluidzuführungsraum 80 hin
eine Fluiddichtung 84 angeordnet, welche beispielsweise
in Folienform ausgebildet ist. Durch die Fluiddichtung 84 wird der
zweite Fluidzuführungsraum 80 gegenüber dem Deckelelement 82 fluiddicht
abgeschlossen.
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Das
Deckelelement 82 weist einen Flanschbereich 86 zur
Kooperation mit einem Flanschbereich 42 des Außenmantels 20 auf.
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Wie
oben erwähnt,
ist es auch grundsätzlich möglich, dass
das Deckelelement 82 einstückig mit dem Außenmantel 20 verbunden
ist. Es sind dann keine Flanschbereiche notwendig.
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Die
Flanschbereiche 42 und 86 kooperieren miteinander.
Dazu sind an dem Flanschbereich 42 und an dem Flanschbereich 86 jeweils
durchgehende Ausnehmungen 88a, 88b vorgesehen,
wobei Ausnehmungen 88a und 88b fluchtend ausgerichtet
sind. Durch die Ausnehmungen 88a, 88b ist jeweils
eine Schraube 90 geführt.
Diese weist einen Schraubenkopf 92 auf, über welchen
eine Anpresskraft auf den Flanschbereich 42 ausübbar ist.
Ferner weist sie eine Mutter 94 auf, über welche eine Anpresskraft
auf den Flanschbereich 86 ausübbar ist. Zwischen dem Schraubenkopf 92 und
dem Flanschbereich 42 ist ein Unterlagelement 96 angeordnet,
welches zur gleichmäßigen Verteilung
der Anpresskraft dient. Dieses Unterlagelement 92 ist beispielsweise
als Halbring ausgebildet.
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Ferner
ist zwischen der Mutter 94 und dem Flanschbereich 86 ein
Unterlagelement 98 angeordnet, welches ebenfalls zur Verteilung
der Anpresskraft dient. Auch das Unterlagelement 98 ist
beispielsweise als Halbring ausgebildet.
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Es
sind dabei insbesondere mehrere Schrauben 90 zur Fixierung
des Einblaskopfs 24 an der Mischungskammer 12 vorgesehen.
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Durch
den Flanschbereich 86 des Einblaskopfs 24 führt (mindestens)
ein Zuführungskanal 100 in
den ersten Fluidzuführungsraum 36.
Dieser Fluidzuführungskanal 100 steht
in fluidwirksamer Verbindung mit der Zuführungseinrichtung 30. Über ihn lässt sich
der Porenplatte 58 Reaktant zuführen, welcher über die
Porenplatte 58 in den Mischungsraum 16 einblasbar
ist.
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Der
oder die Wandabschnitte 34, an welchen diese oder die Düsen 32 angeordnet
sind, begrenzen den Zuführungskanal 100 zu
dem oder den Verteilungskanälen 28 zwischen
dem Innenmantel 22 und dem Außenmantel 20 der Mischungskammer 12.
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Bei
der Effusions-/Transpirationskühlung lässt sich
der Reaktant, welcher über
die Porenplatte 58 in den Mischungsraum 16 eingeblasen
wird, dem oder den Verteilungskanälen 28 zuführen und über den
porösen
Innenmantel 22 zur Effusions-/Transpirationskühlung nutzen.
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Durch
den Flanschbereich 86 des Einblaskopfes 24 ist
ferner ein Zuführungskanal 102 geführt, welcher
in fluidwirksamer Verbindung mit dem zweiten Fluidzuführungsraum 80 steht. Über diesen
Zuführungskanal 102 lassen
sich die Injektorelemente 82 mit einem einzublasenden Fluid "versorgen".
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Wenn
entsprechend mehrere unterschiedliche Fluide über die Porenplatte 58 eingeblasen
werden sollen, dann sind mehrere Zuführungskanäle entsprechend dem Zuführungskanal 100 vorgesehen.
Wenn mehrere Fluide über
Injektorelemente 72 eingeblasen werden sollen, dann sind
mehrere Zuführungskanäle entsprechend
dem Zuführungskanal 102 vorhanden.
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Die
Injektorelemente 72, welche zwischen ihrem jeweiligen Einlass 76 und
Auslass 78 fluiddicht ausgebildet sind, sind durch den
ersten Fluidzuführungsraum 36 geführt. Sie
sind an der Trennwand 66 fixiert. Beispielsweise sind diese
angeschweißt
oder angelötet.
Die Fixierung ist derart, dass kein Fluidaustausch zwischen dem
ersten Fluidzuführungsraum 36 und
dem zweiten Fluidzuführungsraum 80 erfolgen
kann. Beispielsweise ist eine Abdichtung 104 (4)
vorgesehen. Diese Abdichtung ist beispielsweise durch eine Schweißnaht gebildet.
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Die
Injektorelemente 72 sind rohrförmig ausgebildet. Insbesondere
sind diese gerade ausgebildet mit einer Längsachse 106. Sie
weisen einen zylindrischen Ringmantel 108 auf. Dieser Ringmantel 108 ist
beispielsweise aus einem metallischen oder keramischen Material
hergestellt.
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Die
Anordnung der Injektorelemente 72 ist an der Anwendung
ausgerichtet. Die Injektorelemente 72 sind verteilt angeordnet,
wobei sie sowohl in einem Winkelbereich bezogen auf die Längsachse 26 verteilt
angeordnet sind als auch um diese Achse 26 selber verteilt
angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die Injektorelemente 72 gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Es
ist insbesondere eine Vielzahl von Injektorelementen vorgesehen.
Beispielsweise beträgt
die Anzahl der Injektorelemente 72 mehr als fünfzig.
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Es
ist dabei insbesondere vorgesehen, dass alle oder die Mehrheit der
Injektorelemente 72 in einem Winkel zu der Achse 26 angeordnet
sind.
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Es
kann vorgesehen sein, dass einem Injektorelement 72 ein
Stützelement 110 zugeordnet
ist. Über
dieses Stützelement 110 kann
sich die Porenplatte 58 abstützen. Dies kann sinnvoll sein,
wenn der Innendruck in dem Mischungsraum 16 größer ist als
der Druck in dem ersten Fluidzuführungsraum 36.
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Beispielsweise
ist ein solches Stützelement 110 durch
eine Hülse 112 ausgebildet
(4), welche an einem entsprechenden Röhrchen angeordnet ist
oder in welcher mindestens ein Teil des Röhrchens gebildet ist. Über diese
Hülse 112 ist
das entsprechende Injektorelement 112 an der Trennwand 66 fixiert
und die Hülse 112 ist
in dem ersten Fluidzuführungsraum 36 eingetaucht.
Sie weist eine ringförmige
Anlagefläche 114 auf,
an welcher sich die Porenplatte 58 abstützen kann.
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Die
Trennwand 66 kann sich an dem Innenmantel 22 der
Mischungskammer 12 abstützen.
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In
einem zentralen Bereich des Einblaskopfes 24 ist (mindestens)
ein Injektorelement 116 angeordnet, welches als Zünder ausgebildet
ist, um einen Zündvorgang
in dem Mischungsraum 16 als Brennraum 18 zu bewirken.
Das Injektorelement 116 steht dabei vorzugsweise über eine
entsprechende Zuführungseinrichtung 118 in
Verbindung mit einer Einrichtung zur Bereitstellung der Zündenergie
bzw. zur Bereitstellung eines gezündeten Gemischs.
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Die
Anordnung der Injektorelemente 72 richtet sich nach der
Anwendung. Es kann dabei eine symmetrische Anordnung vorgesehen
sein.
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Es
ist beispielsweise möglich,
dass sich die Längsachsen 106 der
Injektorelemente 72 in einer Ebene 120 schneiden,
welche die Achsen 26 umfasst. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel schneiden
sich die Längsachsen
auf der Achse 26 (5).
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel schneiden
sich die Längsachsen 26 in
einem Punkt 122, welcher auf der Achse 26 liegt
(6). Dieser Punkt ist insbesondere der Mittelpunkt
der Krümmungskugel
für die
Porenplatte 58 und die Trennwand 66. In diesem
Falle sind die Injektorelemente 72 radial ausgerichtet.
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Das
erfindungsgemäße Triebwerk
funktioniert wie folgt:
Ein Reaktant A wird über den
Zuführungskanal 102 in den
zweiten Zuführungsraum 80 eingekoppelt.
Von dort strömt
der Reaktant A durch die Injektorelemente 72 in den Brennraum 18.
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Der
Reaktant B wird über
den Zuführungskanal 100 in
den ersten Fluidzuführungsraum 36 eingekoppelt.
Von dort strömt
er durch die Porenplatte 58 in den Brennraum 18.
Ferner strömt
er durch die Düse
oder Düsen 32,
welche für
eine entsprechende Dosierung sorgen, in den oder die Verteilungskanäle 28.
Durch den porösen
Innenmantel 22 kann dann der Reaktant B als Kühlmedium
in den Brennraum 18 gelangen und für eine Effusions-/Transpirationskühlung sorgen.
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In
dem Brennraum 18 erfolgt eine Verbrennung des Reaktanten
A und des Reaktanten B, wobei der Reaktant A der Brennstoff oder
der Oxidator sein kann und der Reaktant B der Oxidator oder der Brennstoff
sein kann.
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Über das
oder die Injektorelemente 116, welche als Zünder ausgebildet
sind, erfolgt die Zündung.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist
es möglich,
in dem Mischungsraum 16/Brennraum 18 eine hohe
Energiedichte zu erhalten. Dadurch lässt sich bei hohem Brennkammerdruck
eine hohe Leistung und Effizienz für das Triebwerk 10 erhalten.
Der Außenmantel 20 trägt die ganze
mechanische Belastung, die durch den Mischungsraumdruck entsteht. Er
wird dabei aber lediglich mit der Temperatur des Reaktanten, welcher
in den Verteilungskanälen 28 strömt, belastet.
Der durch die Effusions-/Transpirationskühlung an dem Innenmantel 22 gebildete
Kühlfilm
erlaubt es, die Oberflächentemperatur
in dem Übergangsbereich 52,
wo die Düsenwand 46 direkt mit
Heißgas
in Berührung
kommt, auf einen materialverträglichen
Bereich zu reduzieren.
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Durch
den erfindungsgemäßen Einblaskopf 24 erhält man eine
hocheffiziente Vermischung und Zerstäubung der Reaktanten bei minimiertem
Raumaufwand.
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Durch
die domförmige
oder kuppelförmige Ausbildung
der Porenplatte 58 und der Trennwand 66 erhält man eine
hohe mechanische Festigkeit bezogen auf den Druck in dem ersten
Fluidzuführungsraum 36 und
dem zweiten Fluidzuführungsraum 80.
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Durch
die große
Anzahl von "kleinen" Injektorelementen 72 im
Vergleich zu der Gesamtinnenfläche
der Porenplatte 58 erhält
man eine große
Kontaktoberfläche
zwischen Reaktant A und Reaktant B am Eintritt in den Brennraum 18.
Dadurch erhält
man eine schnelle und homogene Vermischung der Reaktanten und die
Reaktionszone ist minimiert. In die eigentliche Reaktionszone in
den Brennraum 18 strömt dann
im Betrieb eine Vormischung der Reaktanten A und B. Durch das Vorsehen
von Injektorelementen 72, welche durch die Porenplatte 58 durchtauchen, erhält man einen
schnellen Strahlzerfall. Dadurch lässt sich die Länge der
Reaktionszone in dem Brennraum 18 reduzieren, wodurch wiederum
die Brennkammer 14 mit relativ geringen räumlichen
Abmessungen hergestellt werden kann. Dadurch erhält man wiederum eine Gewichtsersparnis.
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Durch
eine nicht parallele Ausrichtung der Injektorelemente 72 bezogen
auf die Achse 26, wobei die Hauptströmung parallel zur Achse 26 verläuft, lässt sich
die Zerstäubung
und Vermischung verbessern.
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Die
Reaktantenzufuhr erfolgt über
die gesamte Fläche
des Einblaskopfes, so dass die Raumausnutzung optimiert ist. Man
erhält
auch eine hohe Toleranz gegenüber
lokalen Abweichungen bei der Reaktanten-Fluideinkopplung. Die Toleranz
gegenüber
lokalen Abweichungen ist beispielsweise bei einer koaxialen Strömungszufuhr
relativ gering.
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Durch
die Ausrichtung der Injektorelemente kann eine Anpassung an die
spezielle Anwendung erfolgen. Je nach Anwendungsfall kann die Verteilung
der Injektorelemente 72 variiert werden und auch die Durchmesser
der Injektorelemente 72 können variiert werden. Auf diese
Weise lässt
sich eine optimale Zerstäubung
und Vermischung der Reaktanten erreichen.
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Der
Einblaskopf 24 lässt
sich auf einfache Weise herstellen. Beispielsweise wird die Porenplatte 58 hergestellt
und mit Bohrungen für
die Injektorelemente 72 versehen. Die Injektorelemente 72 werden an
der Trennwand 66 und insbesondere an Bohrungen dort beispielsweise über Laserschweißung fixiert.
Es ist dabei beispielsweise möglich,
dass zunächst
die Porenplatte 58 mit den Bohrungen hergestellt wird,
dann die Injektorelemente 72 in die Bohrungen eingeführt werden
und anschließend
die Trennwand 66 aufgesteckt wird. Die Fixierung der Injektorelemente 72 an
der Trennwand 66 lässt
sich automatisiert beispielsweise über einen Schweißroboter
durchführen.
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Ein
solches Herstellungsverfahren lässt
sich mit relativ geringem Aufwand durchführen. Im Gegensatz zu konventionellen
Einspritzsystemen ist keine hochpräzise Fertigung mit minimalsten
Toleranzen erforderlich.
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Die
Injektorelemente 72 lassen sich aus konventionellen metallischen
oder keramischen Röhrchen
herstellen.
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Durch
die einstückige
Verbindung des Außenmantels 20 mit
der Düsenwand 46 lässt sich
bei effizienter Kühlung über Effusionskühlung/Transpirationskühlung eine
hohe mechanische Festigkeit erreichen, die sehr hohe Brennkammerdrücke in der Größenordnung
von 200 bis 400 bar bei extrem hoher thermischer Belastung erlaubt.
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Es
lassen sich keramische Werkstoffe insbesondere für den Außenmantel 20 und die
Düsenwand 46 sowie
für das
Deckelelement 82 verwenden. Weiterhin lassen sich keramische
Werkstoffe für
den Innenmantel 22 und die Porenplatte 58 verwenden.
Dadurch kann das Triebwerk 10 mit geringem Gewicht ausgebildet
werden.
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Die
erfindungsgemäße Konstruktion
ist dabei so, dass eine gute Anpassung an die Eigenschaften von
keramischen Werkstoffen möglich
ist.
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Weiterhin
lassen sich die Anzahl von Konstruktionselementen minimieren und
dadurch ergeben sich minimierte Herstellungskosten. Außerdem lässt sich
dadurch das Gewicht gering halten.
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Es
ist beispielsweise auch möglich,
Zuführungsleitungen
zu minimieren. Diese lassen sich beispielsweise in einer Ebene anordnen.
Dadurch muss kein zusätzlicher
Verteiler vorgesehen werden. Beispielsweise lässt sich der Zuführungskanal 100 sowohl
zur Zuführung
von Reaktant als auch von Kühlmedium
nutzen. Dadurch wird die Komplexität verringert und man erhält eine
Gewichtsersparnis sowie Raumersparnis.
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Die
Verteilungskanäle 28 sind
in ihrer geometrischen Ausgestaltung so angepasst, dass man unter
Berücksichtigung
der variablen thermischen Belastung des Innenmantels 22 und
der Druckverteilung eine hohe Kühleffizienz
erreicht.