DE102018112389A1

DE102018112389A1 - Injektorvorrichtung, Brennkammersystem und Verfahren zum Einbringen von reaktionsfähigem Fluid in eine Brennkammer

Info

Publication number: DE102018112389A1
Application number: DE102018112389.2A
Authority: DE
Inventors: Lukas Werling; Steffen Müller; Jan Deeken
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Injektorvorrichtung (2) zur Verwendung in einem Brennkammersystem (1) eines Raketentriebwerks, über welche ein reaktionsfähiges Fluid (42) in einen Brennraum (10) des Brennkammersystems (1) einbringbar ist, wobei die Injektorvorrichtung (2) bezüglich einer Mittelachse (M) ausgerichtet ist, mit einem Strömungsweg, der stromauf mit einer Zuleitungseinrichtung (40) für das reaktionsfähige Fluid (42) und stromab mit dem Brennraum (10) in Strömungsverbindung bringbar ist, und mit einer in dem Strömungsweg angeordneten Flammensperrvorrichtung (35) zur Verhinderung eines Flammenrückschlags in die Zuleitungseinrichtung (40). Eine Injektorvorrichtung (2) für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb mit vorgemischten Treibstoffen kann dadurch bereitgestellt werden, dass die Injektorvorrichtung (2) eine Zufuhreinrichtung (20) aufweist, die stromab der Flammensperrvorrichtung (35) angeordnet ist, sodass die Zufuhreinrichtung (20) in dem Brennkammersystem (1) zwischen der Flammensperrvorrichtung (35) und der Brennkammer (10) positionierbar ist, und die zumindest eine Zufuhröffnung (25) umfasst, über die der Strömungsweg in die Brennkammer (10) mündet das reaktionsfähige Fluid (42) im Betrieb in die Brennkammer (10) einbringbar ist

Description

Die Erfindung betrifft eine Injektorvorrichtung zur Verwendung in einem Brennkammersystem eines Raketentriebwerks, über welche ein reaktionsfähiges Fluid in eine Brennkammer des Brennkammersystems einbringbar ist, wobei die Injektorvorrichtung bezüglich einer Mittelachse ausgerichtet ist, mit einem Strömungsweg, der stromauf mit einer Zuleitungseinrichtung für das reaktionsfähige Fluid und stromab mit der Brennkammer in Strömungsverbindung bringbar ist, und einer in dem Strömungsweg angeordneten Flammensperrvorrichtung zur Verhinderung eines Flammenrückschlags in die Zuleitungseinrichtung.
Neuartige Treibstoffe für Raketentriebwerke stellen Herausforderungen an diejenigen Systeme innerhalb der Triebwerke, die für die Speicherung und/oder Energieumwandlung der Treibstoffe konzipiert sind. Vielversprechende neue Treibstoffe stellen Gemische aus Lachgas (N₂O) als Oxidator und Kohlenwasserstoffen, z.B. Ethen (C₂H₄), als Brennstoff dar. Diese Treibstoffgemische werden vorzugsweise vorgemischt gespeichert und in ein Brennkammersystem des Raketentriebwerks eingebracht. Die getrennte Einbringung von Oxidator und Brennstoff in die Brennkammer entfällt.
Da das Treibstoffgemisch zumindest in großen Teilen der Peripherie vorgemischt und damit zündfähig vorliegt, besteht eine wesentliche Aufgabe darin, einen Flammenrückschlag aus dem Brennkammersystem in diese Peripherie des Raketentriebwerkes zu verhindern. Die Peripherie umfasst z.B. eine Tankstruktur mit einer Speichereinrichtung und ein Zuleitungssystem zu dem Brennkammersystem. Ein Flammenrückschlag in die Peripherie könnte zu einer Zerstörung des Raketentriebwerkes und ggf. zu einem Verlust des gesamten Raumfahrzeugs führen. Die Gefahr eines Flammenrückschlags ergibt sich insbesondere während instationärer Zustände, wie z. B. der Zündung, des Triebwerks.
Eine Injektorvorrichtung der oben genannten Art, die dazu ausgebildet ist, einen Flammenrückschlag bei Betrieb mit vorgemischten Treibstoffen zu verhindern, ist aus der US 8 572 946 B2 bekannt. Bei der dort angegebenen Injektorvorrichtung ist in dem Strömungsweg der Injektorvorrichtung ein poröses Medium zur Verhinderung eines Flammenrückschlages angeordnet, das an die Brennkammer angrenzt. Das Treibstoffgemisch strömt durch das poröse Medium in die Brennkammer, wo es der Verbrennung zugeführt wird.
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass während des Betriebs die Flamme sehr nahe an der Injektorvorrichtung ankert. Dies bedeutet eine hohe thermische Belastung, die insbesondere während einer längeren Betriebsdauer zu einer Überhitzung und Beschädigung der Injektorvorrichtung führen kann. Wird die Wärme innerhalb der Injektorvorrichtung durch Wärmeleitung in dem Strömungsweg stromauf der Flammensperrvorrichtung geleitet, besteht dort zudem die Gefahr der Zündung des Treibstoffgem isches.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Injektorvorrichtung bereitzustellen, die einen sicheren und zuverlässigen Betrieb mit vorgemischten Treibstoffen gewährleistet. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennkammersystem mit einer entsprechenden Injektorvorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von reaktionsfähigem Fluid in eine Brennkammer eines Raketentriebwerks bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für die Injektorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Injektorvorrichtung eine Zufuhreinrichtung aufweist, die stromab der Flammensperrvorrichtung angeordnet ist, sodass die Zufuhreinrichtung in dem Brennkammersystem zwischen der Flammensperrvorrichtung und der Brennkammer (bzw. deren Brennraum) positionierbar ist (bzw. in eingebautem Zustand positioniert ist), und die zumindest eine Zufuhröffnung umfasst, über die der Strömungsweg in die Brennkammer, insbesondere deren Brennraum, mündet und das reaktionsfähige Fluid im Betrieb in die Brennkammer (bzw. deren Brennraum) einbringbar ist.
Bei dem reaktionsfähigen Fluid handelt es sich um einen flüssigen und/oder gasförmigen Treibstoff für das Raketentriebwerk (zwischen einer Speichereinrichtung und der Brennkammer kann ein Phasenwechsel stattfinden). Insbesondere ist das reaktionsfähige Fluid bei Einbringung von Zündenergie entzündlich, wobei es sich um ein bei Zuleitung in die Brennkammer vorgemischtes Treibstoffgemisch aus Brennstoff und Oxidator handelt. Möglich ist auch ein einkomponentiger Treibstoff (ein sogenannter Monopropellant). Insbesondere kann es sich bei dem Treibstoff um ein Gemisch aus Lachgas (N₂O) als Oxidator und Kohlenwasserstoffen, z. B. Ethen (C₂H₄), als Brennstoff handeln. Die Begriffe „reaktionsfähiges Fluid“ und „Treibstoff“ werden vorliegend synonym verwendet.
Die zumindest eine Zufuhröffnung bildet insbesondere einen stromab liegenden Abschnitt des Strömungsweges. Bei Vorhandensein mehrerer Zufuhröffnungen weist dieser Abschnitt des Strömungswegs mehrere Strömungsabschnitte, gebildet durch die mehreren Zufuhröffnungen, auf. Der Gesamtströmungsquerschnitt ergibt sich dann aus der Summe der Strömungsquerschnitte der Zufuhröffnungen. Der Strömungsquerschnitt innerhalb der Flammensperrvorrichtung entspricht dem freien Strömungsquerschnitt innerhalb des Flammensperrkörpers, d.h. z.B. einer Summe von Kapillarquerschnitten (bei einer kapillaren Struktur des Flammensperrkörpers) oder unter Berücksichtigung der Porosität (bei einer porösen Struktur desselben). Die Injektorvorrichtung ist beispielsweise entlang der Mittelachse und/oder symmetrisch umlaufend um diese ausgebildet. Die Zufuhreinrichtung kann z. B. nach Art einer Brausekopf-Konfiguration, Prallstrahl-Konfiguration oder einer Drall-Konfiguration ausgebildet sein. Durch diese Ausbildung kann die Flamme auf einem Abstand von der Injektorvorrichtung mit der Flammensperre gehalten werden. Die Flammensperre wird vor einer Überhitzung und Beschädigung geschützt. Auf diese Weise wird ein sicherer und zuverlässiger Betrieb der Injektorvorrichtung bzw. des Brennkammersystems gewährleistet.
Besonders zweckmäßig zur Erreichung einer geringeren thermischen Belastung des Injektors ist es, wenn der Gesamtströmungsquerschnitt des Strömungsweges in der zumindest einen Zufuhröffnung, insbesondere an dem stromabseitigen Ende der Zufuhröffnung, das zur Mündung in die Brennkammer ausgebildet ist, gegenüber dem Strömungsquerschnitt innerhalb der Flammensperrvorrichtung verringert ist, wobei der Gesamtströmungsquerschnitt weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als 1/4, z. B. 1/6, des Strömungsquerschnitts der Flammensperrvorrichtung beträgt. Vorzugsweise wird am Austritt aus der Zufuhreinrichtung Schallgeschwindigkeit erreicht.
Die Verringerung bzw. Reduktion des Strömungsquerschnitts ist derart, dass, unter Berücksichtigung einer Druckdifferenz über die Zufuhreinrichtung, die Strömungsgeschwindigkeit des reaktionsfähigen Fluids innerhalb der Zufuhröffnung/en (zumindest an deren stromabseitigen Ende/n) höher ist als an dem stromabseitigen Ende der Flammensperrvorrichtung, z. B. um mehr als einen Faktor 2, insbesondere um mehr als einen Faktor 4 oder 6. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich zum einen unmittelbar aufgrund des reduzierten Strömungsquerschnitts. Zum anderen sind die Flammensperrvorrichtung und die Zufuhreinrichtung vorzugsweise derart ausgelegt, dass (insbesondere aufgrund der Querschnittsreduktion) an der Zufuhreinrichtung ein wesentlich höherer Druck abfällt (z.B. mit einer Druckdifferenz um mehr als einen Faktor 1,5, vorzugsweise Faktor 2) als an der Flammensperrvorrichtung. Dieser Druckabfall bewirkt eine Reduktion der Dichte, und durch die damit verbundene Erhöhung des Volumenstroms ebenfalls eine Beschleunigung der Strömung. Dadurch tritt die Strömung des reaktionsfähigen Fluids mit einer größeren Geschwindigkeit in die Brennkammer ein, als es bei Durchströmung, insbesondere an dem stromabseitigen Ende, der Flammensperrvorrichtung aufweist. Insbesondere ist der Gesamtströmungsquerschnitt an dem stromabseitigen Ende der Zufuhröffnung/en, d.h. der Mündung in die Brennkammer, unter Kenntnis der Betriebsbedingungen (umfassend Druck- und Temperaturbereich und Treibstoff-Massenstrom) derart ausgelegt, dass der Treibstoff mit einer hohen Austrittsgeschwindigkeit, z. B. mit einer axialen Geschwindigkeit zwischen 50 und 160 m/s, in die Brennkammer eingebracht wird. Die Austrittsgeschwindigkeit orientiert sich insbesondere an der Zusammensetzung des reaktionsfähigen Fluids und dessen (turbulenter) Flammengeschwindigkeit bei den relevanten Betriebsbedingungen. Die Austrittsgeschwindigkeit ist derart ausgelegt, dass die Flammenwurzel (das stromauf gelegene Ende der Flamme) im stationären Betrieb in einem gewissen Abstand zu der Injektorvorrichtung gehalten wird, beispielsweise entsprechend einem Mehrfachen, z.B. mindestens einem 5-fachen, des Durchmessers der Zufuhröffnung. Der Abstand ist derart, dass die thermische Belastung der Injektorvorrichtung auch über längere Betriebsdauern gering gehalten ist und z. B. maximale Temperaturen unterhalb der maximalen Einsatztemperatur des verwendeten Materials, z. B. unterhalb von 550 °C, aufweist. Auf diese Weise wird die Injektorvorrichtung vor einer Überhitzung und Beschädigung geschützt. Zusätzlich verhindert dies einen Flammenrückschlag durch eine Wiederzündung stromauf der Flammensperrvorrichtung durch eine heiße Oberfläche in Kontakt mit dem reaktionsfähigen Fluid. Auf diese Weise wird ein sicherer und zuverlässiger Betrieb der Injektorvorrichtung bzw. des Brennkammersystems gewährleistet.
In einer einfach zu fertigenden und zugleich widerstandsfähigen Variante umfasst die Zufuhreinrichtung eine Stirnplatte, die vorzugsweise senkrecht zu der Mittelachse ausgerichtet ist. Die Stirnplatte ist dabei zwischen der Flammensperrvorrichtung und der Brennkammer angeordnet. Auf diese Weise wird zudem die Flammensperrvorrichtung zusätzlich vor Strahlungswärme aus der Brennkammer geschützt.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Zufuhröffnung in der Stirnplatte ausgebildet, wobei die Zufuhröffnung kanalartig durch die Stirnplatte hindurch verläuft und dabei insbesondere parallel zu der Mittelachse (d.h. axial) ausgerichtet ist. Die zumindest eine Zufuhröffnung ist dabei z. B. durch eine Bohrung durch die Stirnplatte gebildet. Sie kann zudem weitere Abschnitte stromauf oder stromab der Stirnplatte, z. B. Düsenaufsätze, umfassen. Besonders teileoptimiert und widerstandsfähig gegen thermische Belastung ist jedoch eine Ausbildung derart, dass die Dicke der Stirnplatte der axialen Ausdehnung der Zufuhröffnung entspricht. Durch die kanalartige Ausbildung und insbesondere die parallele Ausrichtung der Zufuhröffnung kann die Strömung mit einem hohen axialen Impuls in die Brennkammer eingebracht werden, wodurch die Flammenwurzel (zumindest in stationärem Betrieb) effektiv von der Injektorvorrichtung, insbesondere axial, beabstandet gehalten werden kann.
Wenn mehrere Zufuhröffnungen (z. B. zwischen 10 und 20, z. B. 16) vorhanden sind, kann vorteilhaft die axiale Flammenlänge verkürzt werden. Ein Grund hierfür ist die Vergrößerung der Kontaktoberfläche an reaktionsfähigem Fluid, die bei Einbringung in den Brennraum in Kontakt mit der Brennraumumgebung gebracht wird. Hierdurch kann z. B. die Vermischung des frischen, reaktionsfähigen Fluids mit heißen Brenngasen und so das Einsetzen der Verbrennungsreaktion beschleunigt werden. Durch die Verkürzung der Flammenlänge kann die Brennkammer axial kompakter ausgestaltet werden, was wiederum Gewichtsvorteile mit sich bringt. Die Zufuhröffnungen können in der Stirnplatte beispielsweise zumindest bereichsweise gleichmäßig verteilt oder auch als zumindest ein Düsenring, z.B. äquidistant und/oder umlaufend um die Mittelachse, ausgebildet sein. Die Anzahl und/oder die Ausbildung der Zufuhröffnungen können ebenfalls Parameter darstellen, um den Abstand der Flammenwurzel zu der Injektorvorrichtung zu beeinflussen. Beispielsweise hat sich eine Strahlkraft ([Massenstrom(reaktionsfähiges Fluid) pro Bohrung] multipliziert mit der Austrittsgeschwindigkeit) von 0,0625 N als vorteilhaft für eine Flammenstabilisierung herausgestellt, bei der die Flamme in ausreichendem Abstand zu der Injektorvorrichtung positioniert ist. Dies ist beispielsweise mit einer Brausekopf-Konfiguration mit 16 Zufuhröffnungen erreichbar.
Vorzugsweise weist die Zufuhröffnung einen stromaufseitigen Eintrittsbereich und einen stromabseitigen Austrittsbereich auf, wobei der Querschnitt des Austrittsbereichs gegenüber dem des Eintrittsbereichs verringert ist. So wird die Strömung nicht über die gesamte Distanz durch einen derart engen Querschnitt geleitet, wie er zum Erreichen der hohen Austrittsgeschwindigkeiten nötig ist. Auf diese Weise kann der Druckverlust über die Zufuhröffnung gegenüber einer Ausbildung mit z.B. konstantem Querschnitt verringert werden.
Eine zuverlässige Verhinderung des Flammenrückschlags ist dadurch erreichbar, dass die Flammensperrvorrichtung in einem Injektorraum stromauf der zumindest einen Zufuhröffnung angeordnet ist und in einem axialen Bereich (im Wesentlichen) den gesamten Querschnitt (senkrecht zu der Mittelachse) des Injektorraums einnimmt. Vorzugsweise liegt die Strömung des reaktionsfähigen Fluids in dem Injektorraum als Gesamtstrom vor, der noch nicht in Teilströme (wie beispielsweise bei Vorliegen mehrerer Zufuhröffnungen) aufgeteilt ist. Der Injektorraum dient so als eine Art Plenum bzw. Verteilerbereich für das reaktionsfähige Fluid vor Einströmung in die zumindest eine Zufuhröffnung. Der Strömungsweg wird dann z. B. durch den Injektorraum als stromauf liegender Abschnitt und eine oder mehrere Zufuhrdüsen als ein oder mehrere stromab liegende/r Abschnitt/e gebildet. In dieser Ausbildungsvariante wird vorteilhaft lediglich eine Flammensperrvorrichtung innerhalb der Injektorvorrichtung benötigt, um einen Flammenrückschlag zu verhindern. Durch die Anordnung über den gesamten Querschnitt kann die Flamme nicht an der Flammenvorrichtung vorbei weiter stromauf wandern. „Im Wesentlichen“ bedeutet, dass zusammen mit der Flammensperrvorrichtung weitere Mittel angeordnet sein können, die den Flammenrückschlag in Zusammenwirken mit der Flammensperrvorrichtung verhindern, z. B. Dichtungsmittel. Der axiale Bereich, in dem die Flammensperrvorrichtung angeordnet ist, ist so groß, dass innerhalb der Flammensperrvorrichtung zuverlässig eine Löschung der Flamme (Flammenquenching) erreicht wird. Die axiale Länge lässt sich insbesondere unter Kenntnis der Art des reaktionsfähigen Fluids und der Betriebsbedingungen (z.B. Massenstrom, Druck- und Temperaturbereich) auslegen, z. B. basierend auf reaktionskinetischen Berechnungen, Literaturdaten und/oder experimentellen Vorversuchen.
Wenn die Flammensperrvorrichtung (in dem Injektorraum) unmittelbar stromauf der zumindest einen Zufuhröffnung angeordnet ist, wird eine unerwünschte Stabilisierung einer Flamme innerhalb des Injektorraums, z. B. zwischen der Flammensperrvorrichtung und der Zufuhreinrichtung, verhindert. Zwischen der Flammensperrvorrichtung und der Zufuhreinrichtung ergibt sich kein Raum, in dem eine Flamme dauerhaft stabilisieren könnte. Eine dort stabilisierte Flamme könnte zur Zerstörung der Flammensperrvorrichtung und anschließend zu einer Flammenfortpflanzung stromauf führen. Durch eine derartige Ausbildung wird somit die Betriebssicherheit weiter erhöht.
Vorzugsweise ist die Injektorvorrichtung modular ausgebildet, wobei ein erster Teil einen Injektorkörper mit der Zufuhreinrichtung umfasst und ein zweiter Teil eine Trägervorrichtung umfasst, die die Flammensperrvorrichtung hält. Die Trägervorrichtung umgrenzt insbesondere mit einer Umfangswandung den Injektorraum, in dem die Flammensperrvorrichtung angeordnet ist. An dem zweiten Teil, insbesondere an der Trägervorrichtung, kann beispielsweise die Zufuhreinrichtung zur stromaufseitigen Mündung in den Injektorraum befestigt werden bzw. sein. Der erste Teil kann beispielsweise zur Befestigung an der Brennkammer, insbesondere an dem Injektorkopf, ausgebildet sein. Dieser modulare Aufbau ermöglicht es, auf einfache Weise eine Injektorvorrichtung ausgelegt für eine jeweilige Schubklasse, einen Massenstrom, eine spezielle Art eines reaktionsfähigen Fluids und entsprechende Betriebsbedingungen (Druck- und Temperaturverhältnisse) bereitzustellen. Zur Verwendung mit unterschiedlichen Druckklassen und/oder Treibstoffen kann beispielsweise einer der Teile der Injektorvorrichtung ausgetauscht werden. Zudem ergeben sich Montagevorteile, wobei die Flammensperrvorrichtung zunächst in die Trägervorrichtung und anschließend präziser positioniert in den Injektorkörper einsetzbar ist. Denkbar wäre bei einer nicht modularen Ausbildung, dass eine den Injektorraum umgrenzende Wandfläche einem Injektorkopf oder einem Injektorkörper zugeordnet ist bzw. einen Teil derselben bildet.
Vorzugsweise weist die Trägervorrichtung eine um die Flammensperrvorrichtung umlaufende Umfangswandung auf, mittels der die Flammensperrvorrichtung (kraft-, form- und/oder stoffschlüssig) gehalten ist, wobei die Umfangswandung mit zumindest einem stromabseitigen Abschnitt in einen Raum des Injektorkörpers eingesetzt ist. Die Umfangswandung ist beispielsweise strömungsgünstig zylindrisch um die Mittelachse ausgebildet. Die Flammensperrvorrichtung liegt dabei zumindest mittelbar und insbesondere umlaufend an einer inneren Wandfläche der Umfangswandung an. Die Trägervorrichtung ist an dem Injektorkörper befestigt, sodass im Betrieb eine sichere Positionierung erreicht wird, beispielsweise mit Befestigungsmitteln und/oder kraft-, form- und/oder stoffschlüssig. Eine äußere Wandfläche der Umfangswandung liegt, insbesondere umlaufend, an einer Innenwandfläche des Raums zumindest mittelbar an. „Zumindest mittelbar“ bedeutet beispielsweise jeweils unter Zwischenlage eines Dichtungsmittels. Somit sind die Trägervorrichtung bzw. die Umfangswandung hülsenartig ausgebildet und in den Injektorkörper bzw. den Raum des Injektorkörpers eingesetzt. Die Flammensperrvorrichtung und die Umfangswandung sowie die Umfangswandung und die den Raum umgrenzende Innenwandfläche weisen entsprechend komplementäre Querschnittsformen auf, die beispielsweise kreisförmig ausgebildet sind. Die Anlage zwischen der Umfangswandung und der Innenwandfläche kann abschnittsweise oder über die gesamte axiale Erstreckung der Innenwandfläche sein, aber zumindest derart, dass die Trägervorrichtung sicher an dem Injektorkörper gehalten ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Umfangswandung bis an die Stirnplatte, die an dem stromabseitigen Ende des Injektorraums angeordnet ist.
Ein sicherer Halt der Flammensperrvorrichtung in der Trägervorrichtung und einfache Montagemöglichkeiten in den Injektorkörper bzw. an eine Zuleitungseinrichtung ergeben sich, wenn die axiale Ausdehnung der Umfangswandung zumindest der axialen Ausdehnung der Flammensperrvorrichtung entspricht.
Die Flammenfortpflanzung stromauf kann zuverlässig verhindert werden, wenn zwischen dem Injektorkörper und der Flammensperrvorrichtung, insbesondere zwischen der Umfangswandung und der Flammensperrvorrichtung und/oder zwischen der Umfangswandung und der Innenwandfläche, ein Dichtungsmittel zur Verhinderung einer Flammenfortpflanzung angeordnet ist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Gasfluss an reaktionsfähigem Fluid durch Mikrokanäle in diesem Bereich verhindert werden, durch die ebenfalls eine Flamme zurückschlagen könnte. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise das Dichtungsmittel (radial) geschlossen umlaufend angeordnet. Im Falle einer nicht-modularen Ausbildung ist das Dichtungsmittel vorzugsweise zwischen dem Flammensperrkörper und der inneren Wand umgrenzend den Injektorraum vorhanden.
Gewichtsvorteile ergeben sich dadurch, dass das Dichtungsmittel aus einem temperaturbeständigen Kunststoffmaterial (z. B. beständig bis zu einer Temperatur von 130 °C oder höher...), z. B. aus Teflon, besteht.
Für eine präzise, einfache Positionierung der Flammensperrvorrichtung bei Montage ist vorzugsweise an der äußeren Wandfläche der Umfangswandung, insbesondere zumindest bereichsweise umlaufend, eine Anschlagvorrichtung zur axialen Positionierung der Trägervorrichtung an dem Injektorkörper ausgebildet.
Vorzugsweise steht die Anschlagvorrichtung über eine, insbesondere senkrecht zu der Mittelachse ausgerichtete, Dichtfläche mit dem Injektorkörper in Kontakt, z. B. mit einer komplementär ausgerichteten Dichtfläche des Injektorkörpers. Dazwischen ist vorzugsweise ein Dichtelement, beispielsweise eine Flachdichtung, ein O-Ring oder dergleichen angeordnet, um eine gasdichte Anordnung zu erreichen. Vorzugsweise ist an der Anschlagvorrichtung eine weitere, der ersten Dichtfläche (parallel) gegenüberliegende Dichtfläche ausgebildet, z. B. zur gasdichten Anordnung der Injektorvorrichtung gegenüber einer das Brennkammersystem umgebenden Peripherie oder dem Injektorkopf.
Leicht und kompakt ist die Flammensperrvorrichtung auslegbar, wenn die Flammensperrvorrichtung einen Flammensperrkörper mit einer porösen und/oder kapillaren Struktur, insbesondere bestehend aus Sintermaterial oder aus Kugelschüttmaterial, aufweist. Der Poren- und/oder Kapillardurchmesser ist dabei derart ausgelegt, dass die Flamme in dem relevanten Betriebsbereich, insbesondere Druckbereich, sicher gelöscht wird, wobei sich vorzugsweise ein geringerer Druckverlust ergibt als an der Zufuhreinrichtung. Die Auslegung erfolgt insbesondere unter Kenntnis der Art des reaktionsfähigen Fluids und der Betriebsbedingungen (z.B. Massenstrom, Druck- und Temperaturbereich) z. B. basierend auf reaktionskinetischen Berechnungen, Literaturdaten und/oder experimentellen Vorversuchen. Beispielsweise hat sich als poröse Struktur ein Sinter-Material mit einer Porosität von 30 % als geeignet herausgestellt.
Für das Brennkammersystem wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Für diese Ansprüche gelten sinngemäß die entsprechenden Ausbildungs- bzw. Ausführungsvarianten, wie sie bezüglich der Injektorvorrichtung beschrieben wurden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Brennkammersystem mit einer erfindungsgemäßen Injektorvorrichtung in einer perspektivischen Schnittdarstellung und
2 die erfindungsgemäße Injektorvorrichtung in einer seitlichen Schnittdarstellung.

1 zeigt ein Brennkammersystem 1 zum Einsatz in einem Raketentriebwerk mit einer erfindungsgemäßen Injektorvorrichtung 2 zum Einbringen eines reaktionsfähigen Fluids 42 in eine Brennkammer 10 in einer perspektivischen Schnittdarstellung. Das Brennkammersystem 1 umfasst eine Zuleitungseinrichtung 40 zur Zuleitung des reaktionsfähigen Fluids 42 an die Injektorvorrichtung 2. Über die Zuleitungseinrichtung 40 ist das Brennkammersystem 1 verbindbar mit weiterer Versorgungsperipherie des reaktionsfähigen Fluids (umfassend z. B. eine Tankstruktur mit einer Speichereinrichtung, hier nicht gezeigt).
Das Brennkammersystem 1 umfasst die Brennkammer 10 mit einem eingangsseitig angeordneten Injektorkopf 16, dem die Injektorvorrichtung 2 zugeordnet sein kann bzw. in den die Injektorvorrichtung 2 eingebaut ist und/oder der zumindest einen Teil der Injektorvorrichtung 2 bildet. An dem oder in dem Injektorkopf 16 mündet die Zuleitungseinrichtung 40 in die Injektorvorrichtung 2. Die Brennkammer 10 umgrenzt mit einer Wandung 11 einen Brennraum 12. Die Wandung 11 ist beispielhaft im Wesentlichen zylindrisch um eine Mittelachse M ausgebildet, sodass der Brennraum 12 einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Der Brennraum 12 erstreckt sich entlang der Mittelachse M, zu der er im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet ist (z.B. abgesehen von Einbauten wie etwa eine Zündvorrichtung 14, 15). An einem austrittsseitigen Ende der Brennkammer 10 mündet der Brennraum 12 in einen dort angeordneten Brennkammeraustritt 13. In den Brennraum 12 hineinragend sind beispielhaft eine erste Zündvorrichtung 14, beispielsweise eine Zündkerze, und eine zweite Zündvorrichtung 15, beispielsweise eine Glühkerze, zur Zündung des reaktionsfähigen Fluids 42 bei einem Start des Raketentriebwerks, angeordnet. Möglich ist auch das Vorhandensein nur einer Zündvorrichtung 14, 15 oder eine andere Anordnung und/oder Ausbildung der Zündvorrichtung 14, 15. Weiterhin können, wie vorliegend beispielhaft, Messbohrungen 50 vorhanden sein, um den Betrieb des Brennkammersystems 1 zu überwachen.
Bei dem reaktionsfähigen Fluid 42 handelt es sich um einen flüssigen und/oder gasförmigen Treibstoff für das Raketentriebwerk (zwischen der Speichereinrichtung und der Brennkammer 10 kann ein Phasenwechsel stattfinden). Insbesondere ist das reaktionsfähige Fluid 42 bei Einbringung von Zündenergie entzündlich, d.h. es handelt sich um ein, bei Zuleitung bereits vorgemischtes, Treibstoffgemisch aus Brennstoff und Oxidator. Möglich ist auch ein einkomponentiger Treibstoff (ein sogenannter Monopropellant). Insbesondere kann es sich bei dem Treibstoff um ein Gemisch aus Lachgas (N₂O) als Oxidator und Kohlenwasserstoffen, z. B. Ethen (C₂H₄), als Brennstoff handeln.
Die Zuleitungseinrichtung 40 mündet in die Injektorvorrichtung 2. Die Injektorvorrichtung 2 ist in 2 in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Die Injektorvorrichtung 2 umfasst einen Injektorraum 22, der sich entlang der Mittelachse M erstreckt und beispielhaft zu dieser symmetrisch ausgebildet ist. Der Injektorraum 22 bildet einen ersten, stromauf angeordneten Abschnitt eines Strömungsweges für das reaktionsfähige Fluid 42 in der Injektorvorrichtung 2. Der Injektorraum 22 weist stromaufseitig eine Öffnung auf, über die das reaktionsfähige Fluid 42 im Betrieb mittels der Zuleitungseinrichtung 40 in den Injektorraum 22 eingebracht wird. Die Kopplung mit der Zuleitungseinrichtung 40 ist hier nicht gezeigt. Vorliegend ist die stromaufseitige Öffnung auf der Mittelachse M zu dieser senkrecht angeordnet und zu dieser symmetrisch ausgebildet, insbesondere kreisförmig. Die Form und/oder Anordnung der Öffnung kann abhängig von der Anordnung und/oder Ausbildung des Brennkammersystems 1 und dessen umgebenden Peripherie anders sein. Der Injektorraum 22 ist beispielhaft strömungsgünstig zylindrisch ausgebildet und umfangsseitig von einer inneren Wandfläche 38 umgrenzt. Die innere Wandfläche 38 ist vorliegend insbesondere einer Trägervorrichtung 28 der Injektorvorrichtung 2 zugeordnet. Möglich wäre auch, dass die innere Wandfläche 38 einem Injektorkörper 21 und/oder dem Injektorkopf 16 zugeordnet ist bzw. einen Teil von denselben bildet.
Die Injektorvorrichtung 2 umfasst weiterhin eine Flammensperrvorrichtung 35, die in dem Strömungsweg, genauer in dem Injektorraum 22, angeordnet ist. Die Flammensperrvorrichtung 35 verhindert im Betrieb, z. B. während instationärer Zustände wie Zündvorgängen etc., einen Flammenrückschlag aus der Brennkammer 10 in die Zuleitungseinrichtung 40 und darüber in die weitere Versorgungsperipherie. Die Flammensperrvorrichtung 35 ist derart angeordnet, dass sie innerhalb eines axialen Bereiches den gesamten Querschnitt des Injektorraums 22 (senkrecht zu der Mittelachse M) einnimmt. Dies verhindert, dass sich eine Flamme abseits der Flammensperrvorrichtung 35 durch den Injektorraum 22 stromauf in die Zuleitungseinrichtung 40 fortpflanzt. Zu diesem Zweck ist zwischen der Flammensperrvorrichtung 35 und der inneren Wandfläche 38 ein Dichtungsmittel 32 angeordnet, das sich insbesondere radial umlaufend und über den gesamten Kontaktbereich zwischen der Flammensperrvorrichtung 35 und der inneren Wandfläche 38 erstreckt. Das Dichtungsmittel 32 ist zwecks Gewichtsersparnis aus einem, insbesondere temperaturbeständigen, Kunststoffmaterial, z. B. Teflon, ausgebildet.
Die Flammensperrvorrichtung 35 umfasst einen Flammensperrkörper 33, der aus einer porösen und/oder kapillaren Struktur, insbesondere aus porösem Sintermaterial oder einem Kugelschüttmaterial, und/oder mit gleichgerichteten kapillaren Kanälen, ausgebildet ist. So kann vorteilhaft eine kompakte, leichte Flammensperrvorrichtung 35 bereitgestellt werden. Innerhalb des Flammensperrkörpers 33 wird im Falle eines Flammenrückschlags die Flamme durch Wärmeabfuhr an den Flammensperrkörper 33 gelöscht („Flammenquenching“). Der Flammensperrkörper 33 ist bezüglich des Poren- bzw. Kapillardurchmessers („Löschdurchmessers“) und/oder der axialen Ausdehnung für einen entsprechenden Betriebsbereich, insbesondere einen relevanten, erwarteten Druck- und Temperaturbereich und Massenstrom, für ein spezifisches reaktionsfähiges Fluid 42 derart ausgelegt, dass eine sichere Flammenlöschung stattfindet. Relevante Drücke können beispielsweise zwischen 5 und 25 bar liegen, wobei z. B. Spitzenwerte während instationärer Zustände auch höher liegen können. Verbrennungstemperaturen liegen z. B. in einer Größenordnung um 3000 °C. Die Auslegung erfolgt beispielsweise mittels reaktionskinetischer Berechnungen, Literaturdaten und/oder experimentellen Vorversuchen.
Weiterhin umfasst die Injektorvorrichtung 2 eine Zufuhreinrichtung 20 mit hier beispielhaft mehreren Zufuhröffnungen 25 zur Mündung in die Brennkammer 10, genauer in den Brennraum 12. Die Zufuhreinrichtung 20 ist stromab des Injektorraums 22, zwischen der Flammensperrvorrichtung 35 und der Brennkammer 10 bzw. dem Brennraum 12 angeordnet. Die Zufuhröffnungen 25 bilden stromabliegende Abschnitte des Strömungswegs der Injektorvorrichtung 2, d.h. stromab des Injektorraums 22 teilt sich der Strömungsweg auf die Zufuhröffnungen 25 auf und mündet in die Brennkammer 10 bzw. den Brennraum 12.
Die Zufuhreinrichtung 20 ist hier beispielhaft in Art einer Brausekopf-Konfiguration ausgebildet. Die Zufuhröffnungen 25 sind in einer Stirnplatte 24 der Zufuhreinrichtung 20 ausgebildet, die senkrecht zu der Mittelachse M ausgerichtet ist. Die Zufuhröffnungen 25 verlaufen kanalartig und insbesondere parallel zu der Mittelachse M durch die Stirnplatte 24 hindurch. Möglich wäre auch eine andere Ausbildung der Zufuhreinrichtung 20, beispielsweise nach Art einer Prallstrahl-Konfiguration oder einer Drall-Konfiguration.
In der Stirnplatte 24 sind mehrere Zufuhröffnungen 25 (z. B. 19) ausgebildet, die hier beispielhaft im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Stirnplatte 24 verteilt sind. Denkbar wäre auch beispielsweise eine umlaufend kreisartige Anordnung in Art eines Düsenrings um die Mittelachse M. Durch das Vorhandensein mehrerer Zufuhröffnungen 25 kann die Flammenlänge und damit die Länge der Brennkammer 10 reduziert werden gegenüber einer Ausbildung mit lediglich einer Zufuhröffnung 25, was einen Gewichtsvorteil mit sich bringt.
Die Zufuhröffnungen 25 weisen einen stromaufseitigen Eintrittsbereich 26 auf, der über eine Querschnittsverengung in einen stromabseitigen Austrittsbereich 27 übergeht. Der Austrittsbereich 27 mündet in die Brennkammer 10. Auf diese Weise kann die Länge des Abschnitts, in dem die Strömung des reaktionsfähigen Fluids 42 auf die Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt ist, verringert werden, was den Druckverlust reduziert.
Der Flammensperrkörper 33 ist unmittelbar stromauf der und angrenzend an die Stirnplatte 24 bzw. die Zufuhröffnungen 25 angeordnet. Auf diese Weise wird der Injektorraum 22 unmittelbar stromauf der Zufuhröffnungen 25 durch den Flammensperrkörper 33 eingenommen. Ein freier Raum innerhalb des Injektorraums 22, innerhalb dessen eine stromauf gewanderte Flamme stabilisieren könnte, wird vermieden. So wird eine Überhitzung der Injektorvorrichtung 2 stromauf der Zufuhröffnungen 25, umfassend auch den Flammensperrkörper 33, verhindert.
Im Betrieb durchströmt das reaktionsfähige Fluid 42 den Strömungsweg der Injektorvorrichtung 2. Dabei wird das reaktionsfähige Fluid 42 in einem Gesamtstrom über die Zuleitungseinrichtung 40 in den Injektorraum 22, der den stromauf liegender Abschnitt des Strömungsweges bildet, eingebracht. Innerhalb des Injektorraums 22 durchströmt das reaktionsfähige Fluid 42 den Flammensperrkörper 33. Unmittelbar stromab des Flammensperrkörpers 33 strömt das reaktionsfähige Fluid 42, nun aufgeteilt in Teilströme, durch die Zufuhröffnungen 25 in die Brennkammer 10. Die Zufuhröffnungen 25 sind derart ausgebildet, dass der Strömungsquerschnitt innerhalb der Zufuhröffnungen 25 in Summe (entsprechend einem Gesamtströmungsquerschnitt) gegenüber dem Strömungsquerschnitt innerhalb der Flammensperrvorrichtung 35, d. h. dem freien Strömungsquerschnitt innerhalb des Flammensperrkörpers 33, reduziert bzw. verringert ist. Auf diese Weise wird die Strömung des reaktionsfähigen Fluids 42 innerhalb der Zufuhröffnungen 25, insbesondere an deren Austrittsöffnung in die Brennkammer 10, gegenüber der Durchströmung der Flammensperrvorrichtung 35 auf eine Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt. Durch die kanalartige, parallel zu der Mittelachse M ausgerichtete Ausbildung der Zufuhröffnungen 25 strömt das reaktionsfähige Fluid 42 mit hohem axialen Impuls in die Brennkammer 10 ein. Je nach Austrittsgeschwindigkeit positioniert sich im Betrieb bei einem stationären Betriebspunkt eine Flammenwurzel, d.h. das stromauf gelegene Ende der Flammen-Reaktionszone, in einem gewissen Abstand zu der Stirnplatte 24. Unter Kenntnis der Betriebsbedingungen und der Art des reaktionsfähigen Fluids 42 kann der Gesamtströmungsquerschnitt am stromabseitigen Ende der Zufuhröffnungen 25 und damit die Austrittsgeschwindigkeit derart ausgelegt werden, dass sich im stationären Betrieb ein gewünschter axialer Mindestabstand der Flammenwurzel zu der Stirnplatte 24 einstellt. Eine Flammenankerung unmittelbar an der Injektorvorrichtung 2 bzw. der Stirnplatte 24 wird verhindert und die Flammenwurzel im stationären Betrieb auf einem gewissen Abstand zu der Stirnplatte 24 bzw. der Injektorvorrichtung 2 gehalten. Dies reduziert die thermische Belastung der Stirnplatte 24 bzw. der Injektorvorrichtung 2 und schützt die Injektorvorrichtung 2 vor Überhitzung. Zusätzlich wird die Aufheizung von Oberflächen innerhalb bzw. stromauf der Injektorvorrichtung 2 vermindert. Dies verhindert eine Zündung von reaktionsfähigem Fluid 42 innerhalb bzw. stromauf der Injektorvorrichtung 2.
Vorliegend ist die Injektorvorrichtung 2 vorteilhaft modular ausgebildet. Dabei umfasst ein erster Teil den Injektorkörper 21 mit der Zufuhreinrichtung 20. Der Injektorkörper 21 kann zur Befestigung an dem Injektorkopf 16 ausgebildet sein. Alternativ könnte der Injektorkörper 21 ein Teil des Injektorkopfes 16 sein. Zur Anlage an die Brennkammer 10 bzw. den Injektorkopf 16 weist der erste Teil eine Dichtfläche 36 auf, die die Zufuhröffnungen 25 umgebend an der in Richtung Brennkammer 10 weisenden Seite der Stirnplatte 24 gebildet ist. In dem Injektorkörper 21 ist ein Raum 44 gebildet, der vorliegend beispielhaft zylindrisch ausgebildet ist. Der Raum 44 ist von einer Innenwandfläche 23 des Injektorkörpers 21 umfangsseitig umgrenzt. An der stromabseitigen Stirnseite des Raums 44 ist die Zufuhreinrichtung 20, insbesondere die Stirnplatte 24, angeordnet. An der stromaufseitigen Stirnseite ist der Raum 44 offen ausgebildet, und ein zweiter Teil der Injektorvorrichtung 2 ist von dieser Seite aus eingesetzt und an dem Injektorkörper 21 z. B. mit Befestigungsmitteln und/oder form-, kraft- oder stoffschlüssig mit dem Injektorkörper 21 verbunden.
Der zweite Teil der Injektorvorrichtung 2 umfasst die Trägervorrichtung 28, die eine hülsenartige Umfangswandung 31 aufweist. Die Umfangswandung 31 ist beispielhaft zylindrisch umlaufend geformt und an den Stirnseiten jeweils offen. Eine innere Wandfläche 38 der Umfangswandung 31 bildet die Umgrenzung des Injektorraums 22. Die Flammensperrvorrichtung 35 bzw. der Flammensperrkörper 33 ist zur Positionierung in dem Injektorraum 22 von der Umfangswandung 31 umschlossen und in der Trägervorrichtung 28 gehalten. Dabei ist der Flammensperrkörper 33 befestigt, beispielsweise in die hülsenartige Umfangswandung 31 eingepresst, gelötet, geklebt oder auf sonstige Weise form-, kraft- und/oder stoffschlüssig mit dieser verbunden.
Die Umfangswandung 31 ragt mit ihrem stromabseitigen Abschnitt in den Injektorraum 22 hinein und liegt mit einer äußeren Wandfläche 37 an der Innenwandfläche 23 umlaufend mittelbar an. „Mittelbar“ bedeutet unter Zwischenlage eines Dichtungsmittels 32. Beispielsweise ist die Trägervorrichtung 28 auf diese Weise ebenfalls in den Injektorkörper 21 eingepresst. Dabei erstreckt sich die Umfangswandung 31 bis zu der Stirnplatte 24, um zusammen mit der Flammensperrvorrichtung 35 den Raum 44 stromauf der Stirnplatte 24 vollständig auszufüllen.
Für einen sicheren, definierten Einbau in den Injektorkörper 21 ist an der äußeren Wandfläche 37 der Umfangswandung 31 eine zumindest bereichsweise umlaufende, ringartige Anschlagvorrichtung 29 ausgebildet. Die Anschlagvorrichtung 29 dient als Anschlag gegenüber dem Injektorkörper 21, umlaufend um die stromaufseitige Stirnseite des Raums 44. An der Anschlagvorrichtung 29 ist eine senkrecht zu der Mittelachse M ausgerichtete erste Dichtfläche 34 ausgebildet, über welche die Flammensperrvorrichtung 35 gegenüber dem Injektorkörper 21 gasdicht gedichtet ist. Als Dichtungsmittel dient beispielsweise ein O-Ring, eine Flachdichtung oder eine andere geeignete Dichtung. Durch die Anschlagvorrichtung 29 wird beim Einbau eine definierte Positionierung der Flammensperrvorrichtung 35 erreicht, wobei verhindert wird, dass diese zu weit eingeschoben wird und feine poröse bzw. kapillare Öffnungen beschädigt werden.
Auf der gegenüberliegenden (stromaufseitigen) Seite weist die Anschlagvorrichtung 29 eine zweite Dichtfläche 30 auf, über die die Injektorvorrichtung 2 z. B. gegenüber übrigen Teilen des Injektorkopfes 16 über z. B. gleiche Dichtmittel gedichtet ist, wie die Dichtfläche 34 gegenüber der Injektorvorrichtung 2.
Für einen sicheren Halt des Flammensperrkörpers 33 an der Trägervorrichtung 28 entspricht die axiale Ausdehnung der Umfangswandung 31 zumindest der axialen Ausdehnung der Flammensperrvorrichtung 35 bzw. des Flammensperrkörpers 33. Die axiale Ausdehnung des Flammensperrkörpers 33 ergibt sich aus seiner Funktion des Flammenquenchings über vorstehend genannte Auslegungswerkzeuge (z. B. Reaktionskinetische Berechnungen, Literaturdaten, experimentelle Versuche). Stromauf kann die Umfangswandung 31 axial weiter ausgedehnt sein als die Flammensperrvorrichtung 35, z. B. um die axiale Ausdehnung des Injektorraums 22 zu definieren, die abhängig von der Ausbildung des Brennkammersystems 1 und/oder einer Peripherie verschieden sein kann.
Zwischen der inneren Wandfläche 38 der Umfangswandung 31 und dem Außenumfang des Flammensperrkörpers 33 ist ein Dichtungsmittel 32 angeordnet, um eine Flammenfortpflanzung zwischen der Trägervorrichtung 28 und dem Flammensperrkörper 33 zu verhindern. Das Dichtungsmittel 32 ist zugunsten eines geringen Gewichts aus einem temperaturfesten Kunststoffmaterial, z. B. Teflon, ausgebildet. Dieses Dichtungsmittel 32 ist vorzugsweise auch zwischen der äußeren Wandfläche 37 der Umfangswandung 31 und der Innenwandfläche 23 vorhanden, um eine Flammenfortpflanzung stromauf durch diesen Bereich zu verhindern.
Durch die modulare Ausbildung der Injektorvorrichtung 2 mit dem Injektorkörper 21, umfassend die Zufuhreinrichtung 20, und mit der Trägervorrichtung 28, die die Flammensperrvorrichtung 35, insbesondere den Flammensperrkörper 33, hält, ergeben sich gute Anpassungsmöglichkeiten der Injektorvorrichtung 2 an Triebwerke unterschiedlicher Schubklassen, die mit unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere Massenströmen, betrieben werden. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Herstellung einer optimierten Injektorvorrichtung 2. Dabei kann eine, für eine jeweilige Schubklasse, ein bestimmtes reaktionsfähiges Fluid 42 und dessen Massenstrom sowie für ein entsprechendes Druckverhältnis (Druck in der Versorgungsperipherie zu Brennkammerdruck) optimierte Flammensperrvorrichtung 35 (mit entsprechenden Löschquerschnitt) mit einem Injektorkörper 21 umfassend eine entsprechend optimierte Zufuhreinrichtung 20 (mit entsprechender Zufuhröffnung) kombiniert werden. Zudem erlaubt die modulare Ausbildung eine präzise, einfache Fertigung der Injektorvorrichtung 2. Zunächst kann dabei die Trägervorrichtung 28 mit der Flammensperrvorrichtung 35 vormontiert werden und anschließend präzise in den Injektorkörper 21 eingebracht und befestigt werden.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt eine Injektorvorrichtung 2 bzw. ein Brennkammersystem 1, mittels der bzw. dem vorgemischte Treibstoffe sicher verwendet werden können. Zudem wird eine lange Haltbarkeit der Injektorvorrichtung erreicht, indem dessen thermische Belastung gering gehalten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8572946 B2 [0004]

Claims

Injektorvorrichtung (2) zur Verwendung in einem Brennkammersystem (1) eines Raketentriebwerks, über welche ein reaktionsfähiges Fluid (42) in eine Brennkammer (10) des Brennkammersystems (1) einbringbar ist, wobei die Injektorvorrichtung (2) bezüglich einer Mittelachse (M) ausgerichtet ist, mit - einem Strömungsweg, der stromauf mit einer Zuleitungseinrichtung (40) für das reaktionsfähige Fluid (42) und stromab mit der Brennkammer (10) in Strömungsverbindung bringbar ist, und - einer in dem Strömungsweg angeordneten Flammensperrvorrichtung (35) zur Verhinderung eines Flammenrückschlags in die Zuleitungseinrichtung (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Injektorvorrichtung (2) eine Zufuhreinrichtung (20) aufweist, die stromab der Flammensperrvorrichtung (35) angeordnet ist, sodass die Zufuhreinrichtung (20) in dem Brennkammersystem (1) zwischen der Flammensperrvorrichtung (35) und der Brennkammer (10) positionierbar ist, und die zumindest eine Zufuhröffnung (25) umfasst, über die der Strömungsweg in die Brennkammer (10) mündet und das reaktionsfähige Fluid (42) im Betrieb in die Brennkammer (10) einbringbar ist.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtströmungsquerschnitt des Strömungsweges in der zumindest einen Zufuhröffnung (25), insbesondere an dem stromabseitigen Ende der Zufuhröffnung (25), das zur Mündung in die Brennkammer (10) ausgebildet ist, gegenüber dem Strömungsquerschnitt innerhalb der Flammensperrvorrichtung (35) verringert ist, wobei der Gesamtströmungsquerschnitt vorzugsweise weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als ¼, des Strömungsquerschnitts der Flammensperrvorrichtung (35) beträgt.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (20) eine Stirnplatte (24) umfasst, die vorzugsweise senkrecht zu der Mittelachse (M) ausgerichtet ist.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zufuhröffnung (25) in der Stirnplatte (24) ausgebildet ist, wobei die Zufuhröffnung (25) kanalartig durch die Stirnplatte (24) hindurch verläuft und dabei insbesondere parallel zu der Mittelachse (M) ausgerichtet ist.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zufuhröffnungen (25) vorhanden sind.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhröffnung (25) einen stromaufseitigen Eintrittsbereich (26) und einen stromabseitigen Austrittsbereich (27) aufweist, wobei der Querschnitt des Austrittsbereichs (27) gegenüber dem Querschnitt des Eintrittsbereichs (26) verringert ist.
Injektorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperrvorrichtung (35) in einem Injektorraum (22) stromauf der zumindest einen Zufuhröffnung (25) angeordnet ist und in einem axialen Bereich den gesamten Querschnitt des Injektorraums (22) einnimmt.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperrvorrichtung (35) unmittelbar stromauf der zumindest einen Zufuhröffnung (25) angeordnet ist.
Injektorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektorvorrichtung (2) modular ausgebildet ist, wobei ein erster Teil einen Injektorkörper (21) mit der Zufuhreinrichtung (20) umfasst und ein zweiter Teil eine Trägervorrichtung (28) umfasst, die die Flammensperrvorrichtung (35) hält.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (28) eine um die Flammensperrvorrichtung (35) umlaufende Umfangswandung (31) aufweist, mittels der die Flammensperrvorrichtung (35) gehalten ist, wobei die Umfangswandung (31) mit zumindest einem stromabseitigen Abschnitt in einen Raum (44) des Injektorkörpers (21) eingesetzt ist, wobei eine äußere Wandfläche (37) der Umfangswandung (31) an einer Innenwandfläche (23) des Raums (44) zumindest mittelbar anliegt.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung der Umfangswandung (31) zumindest der axialen Ausdehnung der Flammensperrvorrichtung (35) entspricht.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Injektorkörper (21) und der Flammensperrvorrichtung (35), insbesondere zwischen der Umfangswandung (31) der Trägervorrichtung (28) und der Flammensperrvorrichtung (35) und/oder zwischen der Umfangswandung (31) der Trägervorrichtung (28) und der Innenwandfläche (23), ein Dichtungsmittel (32) zur Verhinderung einer Flammenfortpflanzung angeordnet ist.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmittel (32) aus einem temperaturbeständigen Kunststoffmaterial, insbesondere Teflon, besteht.
Injektorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren Wandfläche der Umfangswandung (31), insbesondere zumindest bereichsweise umlaufend, eine Anschlagvorrichtung (29) zur axialen Positionierung der Trägervorrichtung (28) an dem Injektorkörper (21) ausgebildet ist.
Injektorvorrichtung (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagvorrichtung (29) über eine, insbesondere senkrecht zu der Mittelachse (M) ausgerichtete, Dichtfläche (34) mit dem Injektorkörper (21) in Kontakt steht.
Injektorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperrvorrichtung (35) einen Flammensperrkörper (33) mit einer porösen und/oder kapillaren Struktur, insbesondere bestehend aus Sintermaterial oder aus Kugelschüttmaterial, aufweist.
Brennkammersystem (1) zur Verwendung in einem Raketentriebwerk, mit einer Brennkammer (10) und einer Injektorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einbringen eines reaktionsfähigen Fluids (42) in die Brennkammer (10).
Verfahren zum Einbringen von reaktionsfähigem Fluid (42) in eine Brennkammer (10) eines Raketentriebwerks, insbesondere mit einer Injektorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem das reaktionsfähige Fluid (42) über eine Zuleitungseinrichtung (40) in einen Strömungsweg einer Injektorvorrichtung (2) geleitet wird, innerhalb des Strömungswegs eine Flammensperrvorrichtung (35) durchströmt und stromab der Flammensperrvorrichtung (35) in eine Brennkammer (10) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktionsfähige Fluid (42) stromab der Flammensperrvorrichtung (35) über eine Zufuhröffnung (25) einer Zufuhreinrichtung (20) in einen Brennraum (12) der Brennkammer (10) eingebracht wird, wobei es gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit in der Flammensperrvorrichtung (35) beschleunigt wird.