DE3328973A1

DE3328973A1 - Einspritzduesen fuer einspritzkoepfe von brennkammern fuer raketentriebwerke

Info

Publication number: DE3328973A1
Application number: DE19833328973
Authority: DE
Inventors: Günther Dr. 8028 Taufkirchen Schmidt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-11
Filing date: 1983-08-11
Publication date: 1985-02-21
Also published as: JPS6056152A

Description

Einspritzdüsen für Einspritzköpfe von Brennkammern für
Raketentriebwerke Die Erfindung bezieht sich auf Einspritzdüsen für Einspritzköpfe von Brennkammern für mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff betriebene Raketentriebwerke, wobei der Sauerstoff mit tiefen Temperaturen über eine Zentralbohrung im Düsenkörper jeweils einer Einspritzdüse mit Drall und der vorher durch Wärmeaustausch hocherhitzte Wasserstoff über einen zwischen dem Düsenkörper und der Düseneinsatzöffnung im Einspritzkopf befindlichen, konzentrisch zu der vorgenannten Zentralbohrung gelegenen Ringspalt geradlinig in die Brennkammer eingebracht werden.
Nach der DE-PS 1 290 375 ist ein Raketentriebwerk bekannt, bei dem der eine flüssige Treibstoff, insbesondere der Sauerstoff, über Einströmdüsen und der andere Treibstoff, insbesondere der Brennstoff bzw. Wasserstoff, über viele Bohrungen im Einspritzkopf in die Brennkammer eingebracht werden. Die generelle Aufgabe des Einspritzkopfes besteht darin, die beiden Treibstoffe so in den Brennraum einzubringen, daß eine möglichst gleichmäßige Verteilung und innige Vermischung des Sauerstoffes und des Brenn- bzw.
Wasserstoffes in kürzester Zeit erreicht wird, was die Reaktion beschleunigt, den Ausbrandgrad erhöht und die Ausbrandstrecke und damit die Brennkammerlänge verkürzt.
Eine wesentliche Verbesserung für den Ablauf des Verbrennungsprozesses innerhalb der Brennkammer wird durch Dralleinbringung eines oder beider Treibstoffe erzielt. Wie z. B. die beiden DE-PS 20 58 583 und 30 28 824 offenbaren, sind Einspritzvorrichtungen bekannt, bei denen der flüssige Sauerstoff in zentraler Position und der flüssige Brennstoff hierzu koaxial miteinander in Berührung kommen, die dann zusammen mit Hilfe von Drallschaufeln noch vor dem Einströmen in die Brennkammer in Drehung versetzt und damit einer intensiven Vermischung unterworfen werden. Die vorbeschriebenen Einspritzvorrichtungen eignen sich insbesondere für Brennkammern relativ kleiner Leistung, erfordern eine große Konstruktionslänge und sind zumeist baulich aufwendig, während die Erfindung einfache Einzeldüsen betrifft, die in großer Anzahl über den ganzen Einspritzquerschnitt verteilt im Einspritzkopf angeordnet sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Einzeldüsen so auszubilden und deren Anordnung im Einspritzkopf so vorzunehmen, daß der Vermischungsvorgang zwischen den beiden Treibstoffen Sauerstoff und Wasserstoff zeitlich verkürzt und qualitativ verbessert wird, was zu einer rascheren Aufbereitung des Gemisches und damit auch zur Verminderung der Brennkammerlänge führt, wodurch insgesamt der Ausbrand intensiviert und die spezifische Brennkammerleistung erhöht wird. Auch soll durch die vorgeschlagenen Maßnahmen erreicht werden, daß die Aggressivität des Sauerstoffes gegenüber den empfindlichen Flächen des Einspritzkopfes praktisch nicht zur Wirkung kommt Gelöst wird diese Aufgabe bei in Einspritzköpfen eingebauten einzelnen Einspritzdüsen dadurch, daß die im Einspritzdüsenkörper verlaufende Zentralbohrung zum Einbringen des Sauerstoffes in einen Diffusor ausmündet, in dem Drallschaufeln angeordnet sind, wobei die vordere Kante des Düsenkörpers und die vorderen Kanten der Drallschaufeln in einem eine insbesondere mechanische Aufbereitungsstrecke für das Treibstoffgemisch §'Sauerstoff-Wasserstoff" bildenden Abstand - in Strömungsrichtung gesehen - vor der Stirn fläche des Einspritzkopfes liegen.
Der besseren Verständlichkeit wegen werden die mit der Erfindung verbundenen Vorteile, die aus der Funktion der Einspritzdüsen und deren Anordnung im Einspritzkopf resultieren, im Rahmen der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung erläutert.
Die Zeichnung zeigt die Anordnung einer einzelnen Einspritzdüse im Einspritzkopf einer Brennkammer für Raketentriebwerke.
Im Einspritzkopf 1 einer Brennkammer 2 ist eine große Anzahl von Einspritzdüsen 3 angeordnet, und zwar liegt jede einzelne Einspritzdüse 3 innerhalb einer Düseneinsatzöffnung 4. Der Einspritzdüsenkörper 3a weist zur Zufuhr von flüssigem Sauerstoff 0 eine zylindrische Zentralbohrung 5 auf, die am Einspritzdüsenende in einen Diffusor 6 ausmündet. Innerhalb desselben sind Drallschaufeln 7 vorgesehen, deren vordere Kanten 7a zusammen mit der vorderen Kante 3b des Düsenkörpers 3a sich vor der Stirnfläche la des tinspritzkopfes 1 befinden. Der Wasserstoff H strömt innerhalb eines Ringkanales 8 zu, der sich vorne zu einem Ringspalt 8a verengt, über den der Wasserstoff H als lineare Wasserstoffströmung LH in die Brennkammer 2 mit hoher Geschwindigkeit eingebracht wird.
Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken dient bekanntlich der Wasserstoff, bevor er in die Brennkammer 2 eingespritzt wird, zur Kühlung der thermisch hoch belasteten Brenn- kammer- und Schubdüsenwand und kommt daher im hocherhitzten Zustand und mit hohem Druck, dem Einscritzdruck, in den Einspritzdüsen 3 an. Dagegen gelangt der Sauerstoff 0, auch unter hohem Druck, jedoch mit tiefen Temperaturen in die Einspritzdüsen 3. Hier wird dem.
Sauerstoff 0 durch die Drallschaufeln 7 eine Drallströmung DO aufgezwungen, der eine gegenüber derWasserstoffströmung LH relativ niedrige Einströmgeschwindigkeit vermittelt wird bzw. werden muß, und zwar auf folgenden Gründen: Um eine hohe spezifische Triebwerksleistung zu bekommen, d.h. das Triebwerk impulsoptimal zu betreiben, wird eine Treibstoffmischung von Sauerstoff zu Wasserstoff wie etwa 6:1 gewählt. Wegen der geringen Dichte des Wasserstoffes bzw. seines großen Volumens gegenüber dem Sauerstoff (der 30 bis 40 mal dichter ist als der Wasserstoff), und um eine gute Durchmischung der beiden Treibstoffe zu erhalten, ist eine etwa 20 mal höhere Düseneinspritzgeschwindigkeit des Wasserstoffes gegenüber dem Sauerstoff notwendig. Dies bedingt ungünstige Querschnittsverhältnisse für die beiden Flüssigkeitsstrahlen zueinander, insofern, als demnach der Wasserstoff eine dünne Ringströmung und der Sauerstoff eine hierzu relativ dicke massive Zentralströmung aufweist.
Trotz dieser für eine vollständige Durchmischung ungünstigen strömungstechnischen Konstellation wird durch die Erfindung ein bis jetzt nicht erreichter Vermischungsgrad erzielt, wie nachstehend beschrieben.
Die erfindungsgemäße Einrichtung funktioniert wie folgt: Die mit hoher Lineargeschwindigkeit den Ringspalt 8a verlassende Wasserstoffströmung LH wird an ihrer Innenfläche von der durch Zentrifugalkräfte radial nach außen drängenden Sauerstoffdrallströmung D0 strömungsmechanisch angegriffen und Schicht um Schicht abgetragen, wobei durch die Wand der Düseneinsatzöffnung 4 die Wasserstoffströmung LH nicht radial nach außen ausweichen kann, so daß beide Treibstoffe gezwungen werden, sich zu vermischen. Der Vermischungseffekt wird dabei sowohl durch die auftretenden unterschiedlichen Bewegungsrichtungen als auch durch die gegebenen großen Geschwindigkeitsdifferenzen der beiden Treibstoffströmungen LH und D0 erreicht. Das Maß, umdas die vorderen Kanten 3b und 7a gegenüber der Stirn fläche ta des Einspritzkopfes 1 zurückversetzt sind, wird als mechanische bzw. innere Aufbereitungsstrecke MS für die beiden Treibstoffströmungen LH und D0 bezeichnet. Durch den Drall wird außerdem eine Ablösung der Strömung von der Wand des die Sauerstoffströmung verzögernden Diffusors 6 verhindert. Ferner führen die Austrittskanten bzw. vorderen Kanten 7a der Drallschaufeln 7 zu Wirbelschleppen innerhalb der Sauerstoffströmung D0, was sich auf die Intensität der Treibstoffvermischung zusätzlich auswirkt.
Nach der vorderen Stirnfläche la des Einspritzkopfes 1 setzt sich der Fermischungsvorgang innerhalb der Brennkammer 2 bis zur völligen Vermischung fort, wobei die thermische Aufbereitung in verstärktem Umfang hinzukommt, die innerhalb der Aufbereitungsstrecke MS zwischen dem heißen Wasserstoff H und dem kühleren Sauerstoff 0 eine geringere Rolle spielt. Der sich innerhalb der Brennkammer 2 erstreckende Vermischungs- und Aufbereitungsbereich ist mit MTS angedeutet.
Die vorgeschlagenen Maßnahmen geben dem Fachmann die Möglichkeit, durch Dosierung der Intensität des Dralles, der durch die Anordnung der Schaufeln 7 am hinteren Ende des Düsenkörpers 3a bzw. im Diffusor 6 ungestört und damit homogen ist und durch die Bemessung der Länge der inneren Aufbereitungsstrecke MS den Ablauf der Vermischung weitgehend zu steuern bzw. zu optimieren und auch darauf Einfluß zu nehmen, daß der den Einspritzkopf schützende Film der Wasserstoffströmung gegenüber dem aggressiven Sauerstoff am Ende der Aufbereitungsstrecke MS noch existent ist, jedoch nur in dünnster Schicht, die außerdem eingangs des Brennraumes der Brennkammer 1 noch einen Schutz bietet vor abgeschleuderten Sauerstoffnengen gegenüber benachbarten Einspritzdüsen 3 und der Stirnfläche 1a der Brennkammer 1. - Leerseite -

Claims

Einspritzdüsen für Einspritzköpfe von Brennkammern für Raketentriebwerke Patentanspruch Einspritzdüsen für Einspritzköpfe von Brennkammern für mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff betriebene Raketentriebwerke, wobei der Sauerstoff mit tiefen Temperaturen über eine Zentralbohrung im Düsenkörper jeweils einer Einspritzdüse drallförmig und der vorher durch Wärmeaustausch hocherhitzte Wasserstoff über einen zwischen dem Düsenkörper und der Düseneinsatzöffnung im Einspritzkopf befindlichen, konzentrisch zu der vorgenannten Zentralbohrung gelegenen Ringspalt geradlinig in die Brennkammer eingebracht werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die im Einspritidüsenkörper (3a) verlaufende Zentralbohrung (5) zum Einbringen des Sauerstoffes (O) in einen Diffusor (6) ausmündet, in dem Drallschaufeln (7) angeordnet sind, wobei die vordere Kante (3b) des Düsenkörpers (3) und die vorderen Kanten (7a) der Drallschaufeln (7) in einem eine insbesondere mechanische Aufbereitungsstrecke (MS) für das Treibstoffgemisch "Sauerstoff-Wasserstoff" bildenden Abstand - in Strömungsrichtung gesehen - vor der Stirnflache (la) des Einspritzkopfes (1) liegen.