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Einspritzkopf, insbesondere für ein Raketentriebwerk
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Die Erfindung betrifft einen Einspritzkopf, insbesondere für ein Raketentriebwerk,
zum Einspritzen von mindestens einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff in eine
Brennkammer mit einer Bodenplatte und einem Verteilerraum für den Treibstoff, welcher
über Bohrungen in der Bodenplatte mit der Brennkammer in Verbindung steht.
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Einspritzköpfe haben die Aufgabe, den in flüssiger oder gasförmiger
Form zugeführten Treibstoff in einer Weise in die
Brennkammer einzuführen,
dass einerseits eine möglichst feine Verteilung des Treibstoffes in der Brennkammer
und andererseits bei Verwendung mehrerer Treibstoffkomponenten eine möglichst gute
Vermischung der Komponenten in der Brennkammer erfolgt.
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Bei bekannten Zweikomponenten-Raketentriebwerken werden die beiden
Treibstoffkomponenten durch getrennte Einspritzöffnungen oder Düsen in der Einspritzkopfbodenplatte
in die Brennkammer eingespritzt; dabei können sie parallel zur Längsachse der Brennkammer
eingespritzt werden, so dass sie sich erst in einer bestimmten Entfernung von der
Bodenplatte ausreichend vermischen, um reagieren zu können. Eine derartige Art der.
Einspritzung kann bei langen Brennkammern ausreichend sein. Bei kurzen Brennkammern
ist es in der Regel notwendig, die Düsen derart auszurichten, dass die Strahlen
der beiden Komponenten schräg aufeinanderprallen (sogenanntes Prallstrahlverfahren)
und sich dadurch vermischen und verteilen.
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Bei all diesen Verfahren ergibt sich das Problem, dass die heissen
Reaktionsprodukte, die z.B. Temperaturen von 3000 Kelvin aufweisen, infolge eines
in der Nähe der Bodenplatte herrschenden Unterdrucks gegen die Bodenplatte zurückströmen
und diese dabei beschädigen. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass als Treibstoffkomponenten
häufig chemisch aggressive Substanzen verwendet werden, deren Aggressivität bei
den hohen Temperaturen noch entsprechend gesteigert ist. Wenn keine Massnahmen ergriffen
werden, um die schädlichen Einwirkungen der heissen Brennkammergase auf die Bodenplatte
auszuschalten, kann eine solche Bodenplatte innerhalb weniger Sekunden zerstört
sein.
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Als Abhilfe ist es bekannt, in die Bodenplatte zusätzliche Zuführungen
für die eine oder die andere Treibstoffkomponente
einzusetzen. Dadurch
ergibt sich ein geändertes Mischungsverhältnis der Treibstoffkomponenten, was wiederum
eine niedrigere Temperatur der Brennkammergase zur Folge hat. Es gelingt zwar häufig
mit dieser Methode, die Zerstörung der Bodenplatte zu verhindern, aber dabei wird
auch der Wirkungsgrad der Brennkammer erniedrigt.
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Es ist auch möglich, die Länge der Brennkammer zu vergrößern und auf
die weniger wirksame achsenparallele Einspritzung zurückzugreifen, dann verlagert
sich das Gebiet, in welchem die heissen Reaktionsprodukte entstehen, von der Bodenplatte
weg. Dabei ergibt sich aber als Nachteil, dass infolge der grösseren Baulänge auch
das Gewicht der Brennkammer grösser ist, was insbesondere bei Raketentriebwerken
nicht tragbar ist.
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Es ist auch bereits bekannt, die Bodenplatte aus einem Sintermetall
zu fertigen, durch welches eine Treibstoffkomponente, nämlich ein Gas mit kleinem
Atomdurchmesser wie Wasserstoff, direkt in die Brennkammer gelangen kann. Dies führt
zu einer direkten Kühlung der Bodenplatte und ausserdem zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen,
da auch hier das Treibstoff-Mischungsverhältnis entsprechend geändert werden kann.
Dieses Verfahren lässt sich jedoch nur dann anwenden, wenn ein Gas mit sehr kleinen
Atomdurchmessern verwendet wird, da sonst die Gasatome nicht mehr durch das Sintermetall
gepresst werden können. Praktisch kommt eine derartige Kühlung nur dann in Frage,
wenn eine der Treibstoffkomponenten Wasserstoffgas ist Die beschriebenen Verfahren
zur Vermeidung der Erhitzung der Bodenplatte und/oder zu deren Kühlung können insbesondere
bei Brennkammern mit kurzer Baulänge nicht angewendet werden, da
hier
der Reaktionsraum notwendig dicht an der Bodenplatte liegen muss, so dass das Einwirken
der heissen Gase auf die Bodenplatte nicht vermeidbar ist. Die Bodenplatte muss
also ausreichend gekühlt werden.
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Eine derartige Kühlung der Bodenplatte kann mit Hilfe des in die Brennkammer
einzuspritzenden Treibstoffes erfolgen. Dabei ergibt sich allerdings folgende Schwierigkeit:
Der Treibstoff muss durch die über die gesamte Bodenplatte verteilten Düsen möglichst
gleichmässig in die Brennkammer eingespritzt werden.
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Aus diesem Grunde verbindet man üblicherweise die Treibstoffzufuhr
über einen grossvolumigen Verteilerraum mit den einzelnen Einspritzdüsen. In einem
solch grossvolumigen Verteilerraum hat der zugeführte Treibstoff nur eine geringe
Strömungsgeschwindigkeit, so dass sich der Druck im gesamten Verteilerraum ausgleichen
kann. Wenn man nun diesen Verteilerraum, wie es bereits vorgeschlagen worden ist,
in die Bodenplatte des Einspritzkopfes legt, ist der Treibstoff im Verteilerraum
zwar prinzipiell geeignet, als Kühlmittel zu wirken, jedoch ist ein Abtransport
der Wärmemenge von der Bodenplatte nur infolge natürlicher Konvektion möglich, denn
in dem Verteilerraum soll ja gerade bewusst jede Strömung des Treibstoffes vermieden
werden. Infolgedessen ist die Wärmeabfuhr einer solchen Treibstoffkühlung mangelhaft
und reicht nicht aus, die Bodenplatte in dem gewünschten Masse zu kühlen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einspritzkopf der
eingangs beschriebenen Art derart auszubilden, dass die Bodenplatte mittels des
einzuspritzenden Treibstoffs ausreichend gekühlt wird und trotzdem eine gleichförmige
Verteilung des Treibstoffes in der Brennkammer erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Zufuhr
des Treibstoffes in den Verteilerraum ein parallel zur Bodenplatte in dieser angeordnetes
Leitungssystem mit geringem Leitungsquerschnitt vorgesehen ist, welches einerseits
über eine Zuführung mit dem Verteilerraum und andererseits mit einem Treibstoffvorverteiler
in Verbindung steht.
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Bei der erfindungsgemässen Konstruktion wird also nicht mehr der Verteilerraum
zur Kühlung der Bodenplatte benutzt, sondern ein speziell gestaltetes, in der Bodenplatte
geführtes Leitungssystem mit engem Querschnitt. Dadurch wird erreicht, dass in dem
Leitungssystem mit engem Querschnitt hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Treibstoffes
auftreten, wodurch eine wirkungsvolle Kühlung der Bodenplatte gewährleistet ist.
Der mit hoher Geschwindigkeit strömende Treibstoff tritt über eine zentrale Verbindung
in den eigentlichen Verteilerraum ein, der gross genug ist, um die Strömung des
Treibstoffes abzubremsen und damit eine gleichförmige Druckverteilung über die gesamte
Bodenplattenfläche zu erreichen, so dass durch alle Einspritzdüsen in gleicher Weise
Treibstoff in die Brennkammer eingespritzt werden kann.
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Es ist vorteilhaft, wenn das spezielle Leitungssystem in der Bodenplatte
mit einem Vorverteiler in Verbindung steht, der zweckmässigerweise als Ringraum
ausgebildet ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines in Brennkammerlängsrichtung teilweise aufgeschnittenen
Einspritzkopfes gemäss der Erfindung und Fig. 2 eine Ansicht eines in radialer Richtung
geschnittenen Einspritzkopfes gemäss der Erfindung.
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Der in der Zeichnung dargestellte Einspritzkopf gemäss der Erfindung
sieht vor, zwei Treibstoffkomponenten in den Brennraum einzuspritzen. Selbstverständlich
kann ein erfindungsgemässer Einspritzkopf mit Bodenplattenzwangskühlung durch den
Treibstoff auch bei Einspritzköpfen angewendet werden, die nur einen Treibstoff
in die Brennkammer einspritzen, z.B. bei Einkomponententreibstoffen mit katalytischer
Verbrennung.
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Der erfindungsgemässe Einspritzkopf 1 ist mittels einer Dichtung 2
abgedichtet auf einen zylindrischen Brennraum 3 aufgesetzt, in welchen er die über
zwei Versorgungsleitungen 4 und 5 zugeführten Brennstoffkomponenten, z.B. Fluor
und Wasserstoff, feinverteilt einspritzt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einspritzkopf 1 aus vier
Deckeln oder Platten 6 bis 9 sandwich-artig aufgebaut, wobei die Platten 6 bis 9
durch Schrauben 10 zusammengehalten werden, welche durch Flansche 11 bis 13 der
Platten 6 bis 8 hindurchgesteckt und in einen Flansch 14 der eigentlichen
Bodenplatte
9 eingeschraubt sind. Die einzelnen Platten 6 bis 9 sind gegeneinander durch im
Bereich der Flansche 11 bis 14 angeordnete Dichtungen 15 bis 17 abgedichtet (Fig.
2).
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Zwischen dem oberen Deckel 6 und dem zweiten Deckel 7 befindet sich
ein Hohlraum 18, welcher als Verteilerraum für eine der beiden Treibstoffkomponenten,
z.B. für Fluor, dient und einerseits mit der Versorgungsleitung 4 und andererseits
mit einer Vielzahl von die Platten 7, 8 und 9 durchdringenden Dusenkörpern 19 in
Verbindung steht. Diese Düsenkörper weisen in ihrem oberen, mit dem Hohlraum 18
in Verbindung stehenden Teil einen zentralen Zulauf 20 auf, der über mehrere Einspritzbohrungen
21 mit der Brennkammer verbunden ist.
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In ähnlicher Weise befindet sich zwischen der zweiten Platte 7 und
der dritten Platte 8 ein Hohlraum 22, der als Verteilerraum für die zweite Treibstoffkomponente
dient. Dieser Hohlraum 22 ist über Kanäle 23 mit einer zentralen Bohrung 24 im unteren
Teil der Düsenkörper 19 verbunden, die konzentrisch im Düsenkörper angeordnet ist
und wie die Bohrungen (21) in den Brennraum 3 einmündet. Die aus den Bohrungen 21
und 24 austretenden Treibstoffkomponenten vermischen sich bereits kurz nach dem
Austritt innig, was u.a. darauf zurückzuführen ist, dass sämtliche Bohrungen auf
einen gemeinsamen Punkt, den sogenannten Prallpunkt, gerichtet sind.
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Gemäss der Erfindung wird dem als Verteilerraum dienenden Hohlraum
22 der Treibstoff nicht unmittelbar über eine externe Versorgungsleitung zugeführt,
wie dies bei dem Hohlraum 18 über
die Versorgungsleitung 4 geschieht,
sondern über ein in der Bodenplatte parallel zu derselben verlaufendes Leitungssystem.
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Die dritte Platte 8 umschliesst in ihrem peripheren Teil einen ringförmigen
Vorverteilerraum 25, der mit einer externen Versorgungsleitung 5 in Verbindung steht
(Fig. 1). Dieser Vorverteilerraum 25 ist mit einem schräg nach unten zur Mitte verlaufenden
Ringspalt 26 verbunden, der seinerseits mit einem schmalen, zwischen der Unterseite
der Platte 8 und der Oberseite der Bodenplatte 9 gebildeten, sich im wesentlichen
über die gesamte Fläche zwischen dem Vorverteilerraum 25 und einem zentralen Ringspalt
27 erstreckenden Spalt 28 in Verbindung steht. Der Ringspalt 27 verbindet den Spalt
28 mit dem Hohlraum 22, der - wie beschrieben - als Verteilerraum für die zweite
Treibstoffkomponente dient. Der Spalt 28 wird nur durch die die Platten 7,8 und
9 durchdringenden Düsenkörper 19 unterbrochen.
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Während die eine Treibstoffkomponente in an sich bekannter Weise durch
die Versorgungsleitung 4, den Hohlraum 18 und die Düsenkörper 19 direkt in die Brennkammer
eingespritzt wird, ergibt sich für die andere Treibstoffkomponente folgender Weg:
Nach dem Eintreten in den ringförmigen Vorverteilerraum 25 durch die Versorgungsleitung
5 strömt der Treibstoff im Vorverteilerraum 25 gleichmässig über den gesamten Umfang
verteilt durch den Ringspalt 26 radial von aussen nach innen durch den Spalt 28,
durch den Ringspalt 27 in den auptverteilerraum 22 und von dort in an sich bekannter
Weise durch die Düsenkörper 19 in die Brennkammer.
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Die zweite Treibstoffkomponente erreicht in dem Spalt 28 infolge dessen
geringen Querschnitts relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten, so dass die von der
Bodenplatte 9 auf die strömende Treibstoffkomponente übertragene Wärmemenge sehr
schnell abgeführt wird. Dadurch ergibt sich eine sehr wirkungsvolle Kühlung der
Bodenplatte 9. Es ist dabei von besonderem Vorteil, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit
des Treibstoffs sich in dem Spalt von aussen nach innen erhöht, so dassAin dem zentralen,
durch die heissen Verbrennungsgase besonders beanspruchten Gebiet der Bodenplatte
eine besonders effektive Kühlung ergibt.
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Durch das Vorsehen eines Vorverteilerraumes wird erreicht, dass der
Spalt 28 von allen Seiten her gleichmässig beschickt wird.
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Der Treibstoff tritt durch den Ringspalt 27 mit grosser Geschwindigkeit
in den Hauptverteilerraum 22 ein, verliert dort seine Strömungsgeschwindigkeit weitgehend,
so dass im gesamten Hauptverteilerraum eine gleichmässige Druckverteilung herrscht,
die eine gleichmässige Beschickung des Brennraumes über die Düsenkörper 19 gewährleistet.
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Selbstverständlich kann statt des Spaltes 28 auch eine Vielzahl von
radialenBohrungen vorgesehen werden, die den Vorverteilerraum 25 mit dem Ringspalt
27 verbinden. Ferner ist es möglich, den Spalt 28 oder entsprechende Radialbohrungen
in das Innere der Bodenplatte 9 zu verlegen, jedoch ist die beschriebene Ausführungsform,
bei welcher der Spalt zwischen zwei aufeinander gelegten Platten gebildet wird,
fertigungstechnisch besonders günstig.