DE4214088A1

DE4214088A1 - Verbesserter scramjet-einspritzer

Info

Publication number: DE4214088A1
Application number: DE4214088A
Authority: DE
Inventors: Melvin J Bulman
Original assignee: Aerojet General Corp
Current assignee: Aerojet Rocketdyne Inc
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1992-04-29
Publication date: 1992-11-05
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: FR2675850B1; US5220787A; IL101578A0; DE4214088C2; GB9208312D0; GB2255628A; JPH0681713A; GB2255628B; JP2553280B2; FR2675850A1; IL101578A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Vermischen von Treibstoff und Verbrennen in einem Fluidstrom. Insbe sondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Einspritzen von Treibstoff in einen Hochgeschwindig keits-Fluidstrom, um den Misch- und Verbrennungswirkungs grad des Treibstoffes zu erhöhen.

Bei vielen Arten ist es notwendig, einen Treibstoff in ein Fluid, beispielsweise Luft, so einzuspritzen, daß die Mi schung und Verbrennung des Treibstoffes in einer kommer ziell akzeptablen Zeitspanne und bei einem akzeptablen Raumbedarf erfolgt. Wenn der Luftstrom relativ zum Treib stoffeinspritzpunkt verläuft, tritt ein stetiges Problem auf, daß der Treibstoff nicht sauber in einem Abstand in den Luftstrom eindringt, der für das Vermischen des Treib stoffes mit der Luft bis zum Zeitpunkt, an dem der Luft strom die Verbrennungskammer verläßt, ausreicht.

Bei Hyperschallstaustrahltriebwerk-Einspritzern (Scramjet), bei denen der Treibstoff in einen Hyperschall-Luftstrom eingespritzt werden muß, wird das Problem kritisch, da das Vermischen und Verbrennen des Treibstoffes und der Luft ex trem schnell stattfinden muß, um eine wirksame Operation zu erzielen, d. h. bevor der Treibstoff die Verbrennungskammer verläßt.

Ein zweites Problem bei der Treibstoffverbrennung in Strahlantriebsgeräten und insbesondere Scramjets, besteht darin, daß der Betrieb bei derartig hohen Geschwindigkeiten die Maschine extrem empfindlich für den Wirkungsgrad der Komponenten macht. Wenn beispielsweise der Eingangsluft strom zusätzlich 1% der zur Verfügung stehenden kineti schen Energie (der Wirkungsgrad der kinetischen Energie sinkt von 98% auf 97%) verliert, ist es sehr wahrschein lich, daß die Maschine aufhören würde, einen verwendbaren Schub zu produzieren. Jede Komponente, die Verluste beim Verbrennungsprozeß einführt, kann auch schnell das Vermögen der Schuberzeugung der Maschine herabsetzen. Daher ist die Art der Treibstoffeinführung in den Luftstrom von äußerster Wichtigkeit.

Es wurden Pläne für das Treibstoffeinspritzen entwickelt, die diese Probleme berücksichtigten, die jedoch an der Er zeugung geeigneter Ergebnisse scheiterten. Das naheliegen ste Verfahren, mehr Treibstoff in den Luftstrom zu bringen, war einfach Pumpen von größeren Mengen unter Druck stehen den Treibstoffes in den Luftstrom von der Seite her in Form einer großen Öffnung. Dem Luft/Treibstoff-Mischen ist je doch nicht gedient, wenn einige wenige große Einspritzer vorgesehen sind, weil das Ergebnis ein Bereich mit starkem Treibstoffüberschuß ist, der von einer mit Treibstoff un terversorgten Luft umgeben ist.

Wenn das Einspritzen von Treibstoff von der Wand der Ver brennungskammer her, um in den Luftstrom einzudringen, be grenzt ist, ist eine Lösung, Einspritzer an allen Seiten vorzusehen, so daß der Einspritzer weit genug eindringt, beispielsweise 1/4 der Rohrweite. Wenn der Treibstoff ein mal in dem Strom draußen ist, vermischen sich Treibstoff und Luft so, daß die gesamte umgebende Luft Treibstoff auf nimmt. Die Art der Vermischung hängt von dem Abstand zwi schen den Treibstoffahnenformen ab. Der Begriff "Spalt" wird im allgemeinen so benutzt, daß er den Abstand zwischen den Treibstoff-Einspritzfahnenformen meint. Er wird häufig dazu verwendet, den relativen Abstand der Treibstoffwege vor seiner adequaten Vermischung mit der Luft zu beschrei ben (die Verbrennung erfolgt im wesentlichen direkt nach dem Vermischen). Es wurde jedoch herausgefunden, daß die Verwendung von herkömmlichen Schalleinspritzern, die durch einen Spalt "G" voneinander getrennt sind, der Treibstoff in den hyperschallschnellen Luftstrom eintritt und parallel zum Luftstrom läuft und ein Abstand von vielleicht 60×G erforderlich ist, um eine signifikante Vermischung zu er zielen. Dies führt zu dem Wunsch nach Einspritzern die nä her beieinander liegen, um die erforderliche Verbren nungskammernlänge zu reduzieren. Das zusätzliche Vorsehen von mehr Einspritzerplätzen (näher beieinander) würde je doch dazu führen, daß eine zusätzliche Treibstoffmenge ein gespritzt würde, die den Maschinenwirkungsgrad infolge der unvollständigen Verbrennung reduzieren würde. Die Verringe rung des Treibstoffstromes auf die gewünschte Menge (durch Reduzieren des Zuführdruckes oder der Größe der Einspritz öffnung) reduziert wird das Eindringen des Treibstoffes und beläßt Luft in der Nähe des Mittelpunktes der Verbrennungs kammer ohne ausreichenden Treibstoff für die Verbrennung.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, für die Maschi nenkonstrukteure Treibstoffeinspritzer zur Verfügung zu stellen, die gegenüber dem bekannten Treibstoffeinspritzern ein besseres Eindringen des Treibstoffes in den Luftstrom aufweisen, damit es möglich wird, eine große Anzahl von Einspritzern (Reduzierung des Mischspaltes) zu verwenden, ohne daß Treibstoff verloren geht oder die Mitte der Lei tung unterversorgt bleibt. Fig. 1 zeigt das gewünschte Er gebnis, wobei die Treibstoff-Fahnenformen von herkömmlichen Schalleinspritzern (Fig. 1a und 1b) mit den Treibstoffah nenformen von Einspritzern gemäß der vorliegenden Erfindung (Fig. 1c und 1d) verglichen werden. In allen vier Ansichten der Fig. 1 repräsentiert "I" den jeweiligen Einspritzer. Fig. 1a und 1b zeigen, daß mit sieben Schall-Einspritzern, welche Treibstoffahnen erzeugen, die einen Mischabstand G erfordern, eine Verbrennungskammernlänge von etwa 60 G er forderlich ist, während der verbesserte Einspritzer mit der gleichen Eindringanforderung mehr Einspritzorte (beispiels weise hierbei 15) einen Mischspalt von g erzeugt, der eine verringerte Verbrennungskammernlänge von 60 g erforderlich macht, wobei g < G ist.

Eine primäre Verbesserung bei den vorliegend beanspruchten Treibstoff-Einspritzern ist das erhöhte relative Eindringen des Treibstoffstrahls. Wenn Treibstoff in einen hierzu quer strömenden Luftstrom eingespritzt wird, tritt eine aero dynamische Interaktion auf, bei der der Treibstoffstrahl so lange abgelenkt wird, bis er parallel zum Luftstrom läuft. Der Punkt, an dem der Treibstoffstrahl parallel zur Rohr wandung wird, ist der Punkt des maximalen Eindringens. Der Abstand in dem der Treibstoffstrom eindringt, wird durch die Bahnkurve des Treibstoffstrahls bestimmt. Die Bahnkurve wird durch zwei konkurrierende Faktoren bestimmt. Der erste Faktor ist die Triebkraft des Treibstoffstrahls rechtwink lig zum Luftstrom. Diese Triebkraft kann verschieden ausge drückt werden, beispielsweise ρ_jV_j ² sin R_j, wobei ρ_j die Treibstoffstrahldichte, V_j die Strahlgeschwindigkeit und R_j der Einspritzwinkel ist. Der entgegenwirkende Faktor ist der Strömungswiderstand, mit dem der Treibstoffstrahl durch die Luft beaufschlagt wird, die mit einer Geschwindigkeit von M_a ankommt. Der Strömungswiderstand auf diesen "Körper′′ kann durch die normale Formel D = C_D A q_a berechnet werden, wobei C_D der Strömungskoeffizient (eine Funktion der Form des Objektes), A der projizierte Querschnitt des Treibstoffstrahls und q_a der dynamische Druck der Luft, er rechnet aus der Gleichung q_a = 1/2 ρ_a V_a ², ist. Fig. 2 zeigt eine modifizierte Darstellung aus dem Artikel "A Unified Analysis of Gaseous Jet Penetration", aus der Zeit schrift "American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal", Band 9, Nr. 6, Juni 1971, S. 1048-1058, der Auto ren Billig, F.S., Orth, R.C., Lasky, M., zur Erläuterung dieses Eindringvorganges. Für eine gegebene Treibstoff- Triebkraft wird ein engerer oder mehr stromlinienförmiger Treibstoffstrahl eine geringere Strömungswiderstandskraft pro Einheit des Strömungsabstandes (Y) zeigen. Wenn eine geringere Abweichkraft auf den Treibstoffstrahl wirkt, wird dieser weiter in den Luftstrom strömen, bevor seine Bewe gung nach außen gebremst wird. Es ist ein Ziel der vorlie genden Erfindung einen engen Treibstoffstrahl mit niederem Strömungswiderstand zu erzeugen, der diese und andere Vor teile erzielen kann.

Das Eindringen und Vermischen von Treibstoffstrahlen in Querströme wurde ausgiebig 1960 von Billig und anderen un tersucht. In dieser frühen Untersuchung wurden Versuche mit begrenztem Erfolg durchgeführt. Das Eindringen, wie es bei Scramjet-Treibstroffeinspritzern verwendet wird, ist wie folgend definiert:

P Y/d_*j

wobei
P = das dimensionslose Eindringen,
Y = das tatsächliche Eindringen, und
D_*j = der Einschnürungsdurchmesser der äquivalenten Schalleinspritzerdüse ist.

Billig und andere haben gezeigt, daß das Eindringen etwa um 8% verbessert wird, wenn ein einziger Hyperschall-Ein spritzer (konvergierend - divergierend) im Gegensatz zu einem einzigen Schalleinspritzer (konvergierend) bei glei chem Treibstoffstrom verwendet wird. (Billig, F.S., Orth, R.C., Lasky, M., "A Unified Analysis of Gaseous Jet Pene tration", American Institute of Aeronautics and Astronau tics Journal, Band 9, Nr. 6, Juni 1971, S. 1048-1058). Die ses Ergebnis kann als die Konsequenz daraus angesehen wer den, daß der Einspritzer-Ausgangsdruck an einen mittleren Gegendruck, welcher den Treibstoffstrahl umgibt, angepaßt ist. Die Anpassung des Austrittsdruckes erzeugt einen Strahl mit der geringsten Weite und der höchsten Trieb kraft. Die Fig. 3 bis 5 zeigen Treibstoffstrahle, die in eine ruhige Atmosphäre austreten. Fig. 3 zeigt einen Schalleinspritzer 10, der Treibstoff 12 aus einer Vertei lerleitung erhält. In der Fig. 3 übersteigt der Druck des Treibstoffes am Ausgang (P_e) den Druck der Umgebung (P_a). Da der Druck bestehenbleibt, der für die zusätzliche Expan sion und Beschleunigung des Treibstoffes verwendet werden könnte, wird diese Düse, wie dem Fachmann bekannt, als "un terexpandiert" bezeichnet. Wenn der Strahl an dieser Schalldüse austritt, hat er die geringste Weite, die für eine kreisförmige Düse mit einer einem vorgegebenen Zu führdruck und einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit möglich ist. Wenn das Gas erst einmal von dem Einschluß der Düse befreit ist, kann es frei radial nach außen bis auf eine Weite W expandieren, um den Überdruck auszugleichen. Hierdurch werden zwei unerwünschte Effekte erzeugt. Die un kontrollierte, radiale Expansion erzeugt einen geringeren Anstieg der Triebkraft bei der Normaldüse als bei der idealen Düse. Es entwickelt sich eine große radiale Ge schwindigkeit, die bewirkt, daß sich der Strahl unterhalb des Wertes für einen ideal expandierenden Strahl ausweitet. Der Strahl ist nun überexpandiert und fällt dann in sich selbst zusammen, und erzeugt dabei ein starkes System von Stößen, inklusive einer Mach′schen Scheibe, was zu ernst haften Stoßverlusten und Temperaturanstieg führt. Diese Strömungsstruktur ihrerseits führt zu einem Strahl mit niedriger Dichte mit signifikant größerer Weite und nie derer Triebkraft.

Fig. 4 zeigt eine de Laval-Düse mit einem Ausgangsdruck P_e, der an den Luftdruck P_a angepaßt ist. Das Expandieren des Treibstoffes auf den vorherrschenden Gegendruck in der de Laval-Düse erzeugt einen Hyperschall-Strahl mit einer hohen Geschwindigkeit und nahezu parallelen Strömungslinien. Da der Treibstoffdruck an die Umgebungsatmosphäre angepaßt ist, kann der Treibstoffstrahl seine Weite W für eine signifikante Distanz über den Einspritzer aufrechterhalten.

Fig. 5 zeigt eine "überexpandierte" de Laval-Düse (P_e klei ner als P_a). In diesem Fall wird der Treibstoff auf eine noch höhere Geschwindigkeit beschleunigt und seine Strö mungslinien können am Austritt nahezu parallel sein, der höhere umgebende Luftdruck P_a ändert jedoch den Austritts strom. Schräge Stöße am Austritt bewirken, daß der Strom nach innen auf sich selbst zu abgelenkt wird. Da der Strom an der Mittellinie konvergiert, lenken zusätzliche Stöße die Gase zurück in die parallele Richtung und lassen den Druck über den Druckwert der Umgebung ansteigen, womit eine explosive Reexpansion ähnlich der am Ausgang des Schallein spritzers, startet. Wie bei dem Schalleinspritzer (unter expandiert), hat der überexpandierte Strahl eine niedrigere Geschwindigkeit und ist weiter als der Strahl mit dem ange paßten Druck.

Eine aufeinanderfolgende Bestätigung des Vorstehenden kann durch die Verwendung der Kontinuitätsgleichung erhalten werden, die die Treibstoff-Massenströmungsgeschwindigkeit, Geschwindigkeit, Dichte und den Querschnitt zueinander in Beziehung setzt:

_j = ρ_j V_j A_j

mit
_j = Massenströmungsgeschwindigkeit (4,59 kg/sec)
ρ_j = Massendichte (4,59 kg/ft³)
V_j = Strömungsgeschwindigkeit (ft/sec)
A_j = Strömungsquerschnitt (ft²)
= π/4 W²
W = Düsendurchmesser (Weite).

Die Kontinuitätsgleichung kann mit dem idealen Gasgesetz kombiniert werden und die Düsenweite als eine Funktion des Druckes und der Geschwindigkeit ausgedrückt werden, so daß:

W² = _jRT/π P_jV_j

mit
T = Temperatur des Treibstoffstrahls (°R)
R = Universalgaskonstante
P_j = Treibstoffstrahldruck.

Bei den unter- und überexpandierten Strömen reduzieren die Stöße die Geschwindigkeit und heben die Treibstofftempera tur an, was zu einem breiteren Treibstoffstrahl führt.

Beim Übertragen dieser Physik auf die Situation mit einer Querströmung, wurde der Begriff "effektiver Gegendruck" P_eb definiert als der mittlere Druck, der um den Strahl vari iert (hoch an der Vorderseite, mittel an den Seiten und niedrig an der Rückseite). Bei den frühen Versuchen wurde unterschiedlich das 2/3- oder 0,8fache des Normalstoß druckes verwendet, um P_eb zu definieren.

Eine andere Taktik zur Verbesserung des Eindringens wurde von Billig und anderen versucht, indem nicht kreisförmige Düsen für die Schalleinspritzer verwendet wurden, um die aerodynamischen Eigenschaften zu verbessern, d. h. den Strömungswiderstand auf den Treibstoffstrahl zu reduzieren, indem ein engerer Strahl erzeugt wird. Fig. 6 zeigt eine normalisierte Skizze der Feinstrahlstruktur, die aus drei unterschiedlichen Formen deduziert wurde, und aus dem Johns Hopkins Applied Physics Laboratory Seminar herrührt. Obwohl die Form des Einspritzers die Form der Feinstruktur des un terexpandierten Sekundärstrahls beeinflußt, wurde das Ein dringen durch die Verwendung der nichtkreisförmigen Düsen nicht signifikant verbessert. Obwohl dieses Ergebnis zu dieser Zeit überraschend war, erläutert die folgende Dis kussion einen möglichen Grund für dieses Ergebnis. Das Strömen eines kreisförmigen Strahls in ruhige Luft wurde vorstehend diskutiert. In diesem Fall war der Gegendruck auf den austretenden Strahl entlang dem Umfang des Strahls gleichförmig. In einem querfließenden Strom variiert der Druck entsprechend der Position um den Austritt der Düse. Der gleiche Effekt kann bei einer nichtkreisförmigen Düse erwartet werden. Für den Fall einer langgestreckten Düsen form deren Hauptachse mit dem Luftstrom fluchtet (eine Form mit offensichtlich niederem Strömungswiderstand), wird der Druck an der Vorderseite des Einspritzers am größten sein, dort wo die Luft infolge der durch den Strahl erzeugten Un terbrechung zur Ruhe gebracht wird. Der Druck an den Seiten des Strahls wird nahe dem Wert der freien Strömung sein. Dies erzeugt einen hoch unterexpandierten Zustand für den Strom an den Seiten dieses Strahls. Unter diesen Bedingun gen kann erwartet werden, daß der Treibstoffstrahl sich sehr viel schneller in Seitenrichtung ausdehnt, wodurch der Strahl in seiner Querschnittsform mehr kreisförmig wird, wenn er sich von der Düse entfernt. Obwohl Billig und an dere den Vorteil der angepaßten Druckbedingung erkannten, wandten sie diese nur im gewöhnlichen Sinn an. Das Anwenden des angepaßten Druckzustandes lokal um den Umfang eines nichtkreisförmigen Strahls wird es erlauben, dessen Form auch weiter weg vom Austritt der Düse aufrechtzuerhalten.

In einer anderen Studie zum Verbessern der Stromlinienför migkeit des Treibstoffstrahls, wurde auch festgestellt, daß die Bildung mehrerer Schallstrahlen in einer Linie parallel zum Luftstrom, wie in der Fig. 7a und 7b dargestellt, das Eindringen etwas verbessert. In der Fig. 7a wurde das Ein dringen eines einzelnen Schalleinspritzers 32 mit dem Ein dringen 34 für fünf Schalleinspritzer verglichen, die in einer Linie in der Richtung X angeordnet waren. Es wurde herausgefunden, daß mit X/D_*j=7.5 ungefähr 20% Erhöhung des Eindringens, verglichen mit einem einzelnen Schall strahl mit gleicher Treibstoffströmung, erfolgte. Das Ein dringen wurde am 60%-Konzentrationspunkt gemessen (Wagner, J.P. Cameron, J.M., Billig, F.S., "Penetration and Spreading of Transverse Jets of Hydrogen in a Mach 2.72 Airstream", NASA CR-1794, März 1971).

Weil bei Hyperschall-Luftströmungsbedingungen die Strömung der Luft sehr organisiert ist, kann diese nicht leicht um den Treibstoffstrahl herumströmen. Der Luftstrom reagiert mit den Hindernissen und erzeugt einen Stoß ähnlich dem in den Fig. 8a bis 8c gezeigten, wenn eine schallblockierte Düse verwendet wird. In diesen Figuren sind erste und zweite Strahlungskeulen der Treibstoffstrahlfahnen 18 und 20, die durch die Mach′sche Scheibe D getrennt sind, ge zeigt. Entlang einem Grenzschicht-Trennstoß 24 entwickelt sich ein äußerer Stoß 22. Die Hyperschall-Strömung an Stel len entfernt von der Wand kann eine große Änderung des Win kels tolerieren; die Grenzschicht in der Nähe der Wand strömt jedoch sehr viel langsamer (unterhalb des Hyper schall) und kann nicht die Druckerhöhung annehmen und trennt sich daher wie dargestellt, so daß eine Rückführung 26 stattfindet, die eine Trennblase bildet. Diese Rück führungszone erzeugt einen Bereich 28 mit sehr hoher Tem peratur an der Wand der Verbrennungskammer. Dies wurde auch in der Veröffentlichung "The Possibility of Blowing a Gas Jet into a Supersonic Flow Without the Formation of a Three Dimensional Boundary Layer Seperation Zone" von Masyakin, N.E. und Polyanskii, M.N., übersetzt aus der Izvestiya Akadenii Nauk SSSR, Mekhanika Thadkosti i Gaza, Nummer 3, Seite 162-165, Mai-Juni 1979 veröffentlicht. Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen heißen Punkt zu verringern oder zu beseitigen.

Andere Treibstoffeinspritzer sind durch die US-PS-35 81 495, US-PS-36 99 773, US-PS-48 21 512, US-PS-49 03 480 und US-PS-49 51 463 bekannt.

Obwohl alle diese Anstrengungen in der Tat beeindruckend sind, wäre es von Vorteil, wenn ein Hyperschall-Treibstoff- Einspritzer Treibstoffstrahle erzeugen könnte, die weiter eindringen würden, eine größere Anzahl an Einspritzorten erlauben würden und Treibstoff in einen Hyperschall-Luft strom einmischen würden, wobei die vorstehend genannten Verlustwirkungen reduziert würden, so daß Verbrennungskam mern in Hyperschall-Fahrzeugen effizienter mit einer gerin geren Verbrennungskammerlänge arbeiten könnten, als wenn sie die bekannten Einspritzer verwenden würden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können Treibstoffstrahle in Schall- oder Hyperschall-Luftströme mit erhöhter Ein dringung mit erhöhter Luft/Treibstoffvermischung eingelei tet werden. Dies wird durch örtliches Anpassen des Druckes eines aerodynamischen Treibstoffstrahls am Einspritzdüsen austritt an den Luftstromdruck erzielt. Die Erfindung schafft einen neuen Treibstoffeinspritzer mit wenigstens einer Eingangsöffnung, Einschnürung und Treibstoffaus trittsöffnung, die hintereinander angeordnet sind und in Kombination sowohl die örtliche Druckanpassung als auch die Form mit geringem Strömungswiderstand erzeugen.

Allgemein umfaßt die vorliegende Erfindung einen Scramjet- (Hyperschallstaustrahltriebwerks)-Treibstoffeinspritzer vom Typ, der bündig mit der Wandung einer Brennkammer verbunden ist, durch welche Luft strömt, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen langgestreckten Körper, der eine Oberfläche aufweist, die im wesentlichen bündig mit der Wandung liegt, wobei die Oberfläche ein naheliegendes und ein fernliegen des Ende aufweist und das naheliegende Ende mit der Luft zusammentrifft, in welche der Treibstoff vor dem fernerlie genden Ende eingespritzt werden soll; mindestens eine Treibstoffeinlaßöffnung, die mit dem Körper verbunden ist, mindestens eine Treibstoffauslaßöffnung in der Oberfläche, die im wesentlichen bündig mit der Wand liegt; und min destens eine Einschnürung innerhalb des Körpers, durch wel che der Treibstoff der Reihe nach passiert, nachdem er durch die Einlaßöffnungen durchgetreten ist und bevor er durch die Auslaßöffnungen durchtritt, wobei die Treib stoffaustrittsöffnungen und die Einschnürungen so kombi niert sind, daß sie eine im wesentlichen stromlinienförmige Hyperschall-Treibstoffstrahlform erzeugen und aufrechter halten, deren Austrittsdruck lokal an die strömende Luft angepaßt ist.

Bei einer Ausführungsform hat der Einspritzer eine Treib stoffaustrittsöffnung mit einem einzelnen langgestreckten, eingeschnürten (taylored) Schlitz, der sich im wesentli chen zwischen dem naheliegenden und fernerliegenden Ende der Einspritzerkörperoberfläche erstreckt. Die Ein spritzereinschnürung hat einen sich progressiv aufweitenden länglichen Kanal im Inneren des Körpers und ist unterhalb des langgestreckten Ausgangsschlitzes zentriert, wobei der Kanal mit dem Ausgangsschlitz eine fortlaufende Reihe von konvergierenden - divergierenden Düsen mit zunehmendem Grad der Ausdehnung aufweist.

Bei einer anderen Ausführungsform hat der Treibstoffein spritzer eine Vielzahl an querliegenden rechteckigen Treibstoff-Austrittsschlitzen, die in Reihe fluchtend mit der Verbrennungskammerwand angeordnet sind. Der erste der Treibstoff-Austrittsschlitze ist an dem naheliegenden Ende der Einspritzerkörperoberfläche positioniert und der letzte der Treibstoff-Austrittsschlitze ist an dem fernliegenden Ende der Körperoberfläche positioniert. Jeder der Aus trittsschlitze hat eine Querabmessung, die vom naheliegen den Ende zum fernerliegenden Ende der Oberfläche hin zu nimmt. Der Einspritzer hat weiterhin Eingangsöffnungen und Einschnürungen, die hintereinander mit den Ausgangsschlit zen verbunden sind, wobei die Einschnürungen eine Vielzahl an Querkanälen aufweisen, die vom naheliegenden Ende zum fernerliegenden Ende hin eine fortlaufend ansteigende Weite aufweisen.

Eine weitere Ausführungsform des neuen Treibstoffeinsprit zers hat wenigstens eine Austrittssöffnung, die eine dreidimensional konturierte Oberfläche aufweist, die offen zum Luftstrom ist. Die Einschnürung hat einen im wesentli chen rechtwinkeligen Kanal in dem Einspritzerkörper, dessen Querschnitt im wesentlichen in der Y-Z-Ebene liegt. Ein schnürung und Treibstoffeinlaßöffnung sind vorzugsweise an einer Position unterhalb des naheliegenden Endes der Ein spritzerkörperoberfläche bezogen auf die Strömungsrichtung des Luftstromes, und unter der Verbrennungskammerwand ange ordnet, um einen Gegenstrom aus Treibstoff und Luft zu er zeugen.

Der hier beschriebene Treibstoffeinspritzer hat gewisse Vorteile gegenüber anderen Hyperschall- und Schall-Treib stoffeinspritzern. Da hier kein Teil des Einspritzers in den Luftstrom vorsteht, ist das Kühlen des Einspritzers kein Problem. Der Bereich der Wärmeübertragung auf die Ver brennungskammerwand ist weitgehend reduziert und die Ver brennungskammern selbst können im allgemeinen kürzer und leichter gebaut sein als die Verbrennungskammern, bei denen Schalleinspritzer für ein vorgegebenes Eindringen verwendet werden, da mehrere Einspritzer verwendet werden können, um den Mischspalt zu reduzieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Einspritzer und Verfahren zum Einspritzen von Treibstoff in Hyperschall-Luftströme werden anhand der folgenden Beschreibung zusammen mit den begleitenden Figuren beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1a-d einen schematischen Vergleich der Schall-Ein spritzung (Fig. 1a, 1b) und Einspritzung mit niederem Strömungswiderstand (Fig. 1c, 1d), zur Erläuterung des Hauptziels der vorliegenden Erfindung, der Verringerung von Länge und Gewicht eines Scramjet-Triebwerks;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des physikalischen Vorganges bei einem Einspritzer gemäß dem Stand der Tech nik;

Fig. 3 einen üblichen Schall-(unterexpandierten)-Treib stoffeinspritzer in der Seitenansicht, der Treibstoff in ein bewegungsloses Medium einspritzt;

Fig. 4 einen im Druck angepaßten, konvergierenden - diver gierenden, Hyperschall-Treibstoffeinspritzer beim Einsprit zen von Treibstoff in ein stillstehendes Medium in einer Seitenansicht;

Fig. 5 eine überexpandierte Treibstoffahne aus einem Hy perschall-Treibstoffeinspritzer, der Treibstoff in ein stillstehendes Medium einspritzt, in einer Seitenansicht;

Fig. 6 die Auswirkung unterschiedlicher Schall-Einsprit zer-Düsenausgangsformen auf das Eindringen des Treibstoffes in einen Hyperschall-Luftstrom;

Fig. 7a die Ergebnisse des Vergleichs der Treibstoffein dringung aus einem Schalleinspritzer mit Treibstoffeindrin gung aus fünf Schalleinspritzern, die in der Reihe X-Rich tung angeordnet sind; während

Fig. 7b die Anordnung der fünf Schalleinspritzer zeigt;

Fig. 8a-c den Seitenschnitt, den Endschnitt und die Draufsicht auf einen Schalleinspritzer, der Treibstoff in einen Hyperschall-Luftstrom einspritzt;

Fig. 9a, 9b jeweils eine schematische Darstellung zum Vergleichen des Strömungswiderstandes an Gegenständen im Hyperschallstrom, wobei der Gegenstand in der Fig. 9a die Strahlfahne repräsentiert, welche an einem kreisförmigen Einspritzer (hoher Strömungswiderstand) austritt, und der Gegenstand in der Fig. 9b die Strahlfahne repräsentiert, welche an einem länglichen Einspritzer (niederer Strömungs widerstand) austritt;

Fig. 10a-d einen zugeschnittenen Schlitz-Einspritzer ge mäß der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht, im Schnitt durch das fernliegende Ende, dem Schnitt durch das näherliegende Ende und in der Draufsicht;

Fig. 11a-d eine Hyperschall-Treibstoffeinspritzerkaskade gemäß der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht, in einem Schnitt durch das fernliegende Ende und das nahelie gende Ende sowie eine Draufsicht;

Fig. 12a-d einen Hyperschall-Gegenstrom-Treibstoffein spritzer gemäß der vorliegenden Erfindung in der Seitenan sicht, einen Schnitt durch das fernliegende Ende und das naheliegende Ende und einer Draufsicht;

Fig. 13a-d jeweils verschiedene Abmessungen von Fig. 13a und 13b eines Keilschlitzes in der Draufsicht im Schnitt und in einem Schnitt durch das fernerliegende Ende; und in

Fig. 13c und 13d eines Kaskadeneinspritzers in der Drauf sicht und Seitenansicht;

Fig. 14 eine schematische Seitenansicht eines Strahlaus trittsvorganges beim Kaskadeneinspritzer;

Fig. 15a eine schematische Draufsicht auf das Strömungs feldmuster um eine stromlinienförmige Hyperschall-Treib stoffeinspritzer-Fahne, die an einem zugeschnittenen Schlitzeinspritzer austritt;

Fig. 15b einen Teilschnitt entlang der Mittellinie der Strahlfahne gemäß Fig. 15a; und

Fig. 15c einen Schnitt durch das fernerliegende Ende der Strahlfahne gemäß der Fig. 15a und 15b;

Fig. 16 einen Vergleich zwischen dem vorhergesagten Ein dringen aus einem einzelnen Schall-Treibstoff-Einspritzer und dem Eindringen, was mit einem einzelnen zugeschnittenen Schlitz-Hyperschall-Treibstoffeinspritzer gemäß der vorlie genden Erfindung erzielt wird, wobei der Schall-Treibstoff- Einspritzer-Querschnitt dem Querschnitt des keilförmigen Einspritzers überlagert ist;

Fig. 17 eine graphische Darstellung des Maschinenverhal tens in Abhängigkeit von der Flugmachzahl, zur Erläuterung der Vorteile der Mehrfacheinspritzung;

Fig. 18 eine alternative Ausführungsform eines Kaskaden- Hyperschall-Treibstoffeinspritzers; und

Fig. 19 eine alternative Ausführungsform eines zugeschnit tenen Schlitz-Hyperschall-Treibstoff-Einspritzers.

Bei der Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden gewisse Ausdrücke, die im nachfolgenden verwendet werden, definiert, um die besondere Bedeutung zu definieren.

Als Übereinkunft bedeuten die Begriffe "naheliegend" und "fernliegend" die Position, die in der X-Richtung, in der der Treibstoffeinspritzer gesehen wird, am weitesten strom auf liegt und die Position in der X-Richtung, in der der Treibstoffeinspritzer gesehen wird, die am weitesten stromab liegt. Der Begriff "Eingangsöffnungen" umfaßt die Treibstoffeingangsöffnungen mit zahlreichen Formen, Längen und inneren Oberflächenkonturen. Der Begriff soll langge streckte Eingangsöffnungen mit einer Innenfläche mit abneh mendem Querschnitt umfassen, um die Druckverluste bei dem Zuführen von Treibstoff in den Einspritzer zu vermindern. Die Treibstoffeingangsöffnungen können an zahlreichen Orten angeordnet sein. Der Begriff "direkt unterhalb der Verbrennungskammerwandoberfläche" wie bereits hier verwen det, bedeutet, daß die Eingangsöffnung im wesentlichen pa rallel zu und unterhalb einer relativ dünnen Verbrennungs kammerwand liegt, so daß die Eingangsöffnung in einer kom merziell akzeptablen Art und Weise im wesentlichen zwischen der Verbrennungskammerwand und anderen Maschinenbauteilen, wie beispielsweise elektrischen Bauteilen, Luft- und Raum fahrt-Elektronikbauteilen etc. liegt. Weiterhin kann eine Eingangsöffnung eine Reihe von Kammern mit gleichen oder unterschiedlichen Größen aufweisen, die in Reihe oder pa rallel angeordnet sind, wobei die Abmessungen der verschie denen Kammern mit D_*j bezeichnet sind, wobei die gleichen Kommentare anzuwenden sind, wenn der Begriff "Austrittsöff nungen" verwendet wird. Die Austrittsöffnungen haben vor zugsweise glattkonturierte Innenflächen, um Stöße oder an dere Verlustmechanismen bei der Ausdehnung des Treibstoff stromes zu eliminieren oder zu reduzieren. Eine unsauber geformte Innenfläche des Einspritzers würde starke Stöße in dem Strom erzeugen, wodurch die Treibstoffeinspritzge schwindigkeit verringert würde. Eine Austrittsöffnung kann eine Reihe von Kammern mit der gleichen oder unterschiedli chen Weite, die mit D_*j bezeichnet ist, aufweisen. Der Be griff "Einschnürung" bedeutet die kleinste Querschnittsflä che des Treibstoff-Einspritzerkörpers, durch welche Treib stoff direkt nach der Eingangsöffnung oder den Öffnungen und direkt vor der Austrittsöffnung oder den Austrittsöff nungen durchströmt. Dies bezieht sich auch auf eine be kannte de Laval-Düse. Die Formlänge, Kontur, Grad der Glätte der inneren Oberfläche, die Anordnung und die ver schiedenen Weiten und Durchmesser, die mit D_*j bezeichnet sind, sind alle darauf hin konstruiert, daß sich der Treib stoff wirksam auf den vorherrschenden örtlichen Druck von der Auslaßstelle expandieren kann. Die Düsenkontur soll so konstruiert sein, daß sie einen Treibstoffstrahl mit nahezu parallelen Stromlinien (minimaler Geschwindigkeitsdiver ganz) erzeugt.

Verbrennungskammerwände, in welchen die Treibstoffeinsprit zer gemäß der vorliegenden Erfindung positioniert sind, ha ben im allgemeinen glatte Oberflächen, können jedoch Ober flächenunregelmäßigkeiten oder erhabene Teile aufweisen, an welchen die Einspritzer bündig positioniert sind; d. h. die Einspritzerkörper-Oberfläche muß weder genau rechtwinklig zu den Ebenen XY, XZ und ZY liegen, noch muß der Treib stoffstrahl in den Luftstrom rechtwinkelig zu einer dieser Ebenen eintreten. Die Form der Wand kann von der rechtwin keligen, quadratischen, ovalen oder kreisförmigen Form ab weichen, wobei alle Wandformen in irgend einer Form von der Ausführungsform oder Kombination der Ausführungsformen der verwendeten Treibstoffeinspritzer, der erforderlichen Ge schwindigkeit des Triebwerks und des Fahrzeuges, dem Druck verhältnis, dem Schub, etc., abhängen. Die Einspritzer kön nen in diesen Wänden in mehr als einer möglichen Anordnung angeordnet sein, wobei sie unterschiedliche Mischspalte aufweisen können. Der Mischspalt ist definiert als der Ab stand zwischen entsprechenden Treibstoff-Einspritzfahnen. Obwohl die gleichen oder ähnliche Ausführungsformen der Treibstoffeinspritzer bei einer Verbrennungskammer verwen det werden können, ist dies nicht erforderlich und es ist möglich, eine Kombination von Einspritzerausführungsformen in einer oder mehreren Verbrennungskammerwänden zu verwen den, so daß die Gesamtausführungsform und das Gesamtgewicht der Maschine optimiert werden können.

Die beanspruchten Treibstoffeinspritzer können mit großem Vorteil beim Einspritzen verschiedener Arten von Treibstoff in strömende Luftströme verwendet werden. Die Hauptanforde rung besteht darin, daß der Treibstoff einen hohen Wärmein halt und ein hohes Kühlvermögen hat. Der Teibstoffstrom ist vorzugsweise gasförmig. Typische Treibstoffe sind Wasser stoff, JP5, Methan, Propan, Methylcyclohexan (MCH), Pentaboran, etc. und Gemische derselben, wobei vorzugsweise Wasserstoff verwendet wird. Die Begriffe "Schall" und "Hy perschall" werden hier in ihrer allgemein üblichen Art verwendet, d. h. "Schall" bedeutet im allgemeinen eine Geschwindigkeit gleich der örtlichen Geschwindigkeit von Schall im Gas, während "Hyperschall" eine Geschwindigkeit größer als die lokale Schallgeschwindigkeit bedeutet. Hyperschalluftstrom und Treibstoffstrahl-Geschwindigkeiten können ebenfalls in Machzahlen bezogen auf ihre jeweiligen Schallgeschwindigkeiten bezeichnet werden, wobei beispiels weise zwei Mach die Geschwindigkeit gleich dem Zweifachen der lokalen Schallgeschwindigkeit bedeutet.

Beim Beschreiben der Kontur und des Druckes des Eintretens eines Treibstoffstrahls in einen Schall- oder Hyperschall- Luftstrom werden zahlreiche Begriffe verwendet. Wenn im Nachfolgenden der Treibstoffstrahl als "fortlaufend und konturiert" bezeichnet wird, ist damit gemeint, daß der Treibstoffstrahl grundsätzlich ein fortlaufender Strom mit einem engen vorderen Abschnitt und nicht in einzelne Posten oder Teile des Luftstromes unterteilt ist und so geformt ist, daß der Treibstoffstrahl in den Luftstrom so eintritt, daß keine merkbar starken Stöße auf die Maschine übertragen werden. Die austretende Treibstoffahne kann als ein Körper behandelt werden, der in den Luftstrom ragt, um die Drucke, die diesen umgeben, zu berechnen. Es ist in der Literatur gut bekannt, daß der Strömungswiderstand in einem Hyper schall-Luftstrom am niedrigsten ist, wenn der Körper schlank ist und eine scharfe Führungskante mit einer gleichmäßig ansteigenden Weite hat. Die Fig. 9a, 9b, zeigen die Strömungswiderstandskraft auf zwei Körper mit der glei chen Projektionsfläche AP (das heißt in einer Ebene paral lel zu der Rohrleitungswand) von 6,45 cm², der bei diesem Beispiel einem Hyperschallstrom ausgesetzt ist. Fig. 9a zeigt die Form einer kreisförmigen, Schall-Einspritzfahne als ein aufrechter Kreiszylinder. Die Ähnlichkeit mit der Fig. 8c ist offensichtlich. In den Fig. 9a, 9b nähert sich die Luft den Körpern mit 4 Mach bei einem statischen Druck P_a von 26,5 psia und dem dynamischen Druck von q_a von 297 psia. Der abgestumpfte Körper der Fig. 9a erzeugt eine starke Stroßstruktur 22 und einen hohen Druck an der Vor derseite des Körpers P_p von ungefähr 503 psia bei einen Druck an den Seiten P_s von 30 psia und einem Druck von P_d am fernliegenden Ende von sehr viel weniger als 30 psia. Es kann gezeigt werden, daß infolge einer Fahnenweite von un gefähr 2,87 cm und einem Strömungswiderstandskoeffizienten C_D von ungefähr 1,0 der Strömungswiderstand auf diesen Kör per ungefähr 5,37 kg pro cm projizierter Höhe ist. Der in der Fig. 9b gezeigte Körper kann als eine typische Form für Hyperschall-Objekte, wie beispielsweise Projektile, Fern lenkkörper und Flugzeuge erkannt werden. Bei diesem Bei spiel beträgt die Körperlänge L 7,4 cm und α 10°. Die scharfe Führungskante erlaubt der Hyperschalluft am Körper mit nur einem kleinen Abweichungswinkel und Druckanstieg vorbeizuströmen. Die Strömungswiderstandskraft auf den Kör per in der Fig. 9b ist ungefähr 0,3035 kg/cm projizierter Höhe mit einem Strömungswiderstandskoeffizienten C_D von 0,11. Dies ist das Ergebnis der kombinierten Wirkungen des niedereren Druckes, der auf den Körper ausgeübt wird (P_p = 66 psia) und seiner geringeren Weite (W = 1,29 cm) infolge des halben Winkels α = 10°. Der Druck am Tangentenbe rührungspunkt T P_T beträgt 27 psia während P_d 13 psia be trägt. Andere Formen können ausgewählt werden, die mehr oder weniger Strömungswiderstand erzeugen. Die gewählte ex akte Form wird von anderen Konstruktionsbedingungen, wie beispielsweise Beschränkungen der für den Einspritzer zur Verfügung stehenden Raums, abhängen. Bei einer extrem engen Strahlform (weniger als 30° halber Winkel α) kann erwartet werden, daß diese Form unter größeren bis großen Wirkungen leidet (nicht in der vorstehenden Vergleichsanalyse enthal ten), die das Eindringen reduzieren. Wenn einmal eine Strahlform wie beispielsweise in der Fig. 9b gewählt worden ist, wird der Druck um ihren Umfang errechnet, wie bei spielsweise durch das bekannte Stoßexpansionsverfahren.

Die interne Expansion des Treibstoffes wird dann so berech net, daß der Treibstoff mit lokalem Gegendruck austritt. Bei diesem nicht einschränkenden Beispiel muß der Treib stoff an der Führungskante P_p von 66,3 psia austreten. Wenn der Treibstoff mit 1500 psia zugeführt wird, würde das Dü sen-Expansions(flächen)-Verhältnis ε ungefähr 3,12 zu 1 sein, was eine Treibstoffmachzahl von 2,68 (vertikal nach oben) am naheliegenden Ende ergeben würde. Am rückwärtigen (fernerliegenden) Ende des Einspritzers in der Nähe der Tangente T hat sich der örtliche Druck P_T auf 26,6 psia verringert, während der Druck P_d im Nachlauf ungefähr 13 psia beträgt. Wenn der Treibstoffzuführdruck der gleiche wäre, würde ein örtliches Düsenexpansionsverhältnis (E) bei T von ungefähr 5,52 zu 1 erforderlich sein, um eine Anpas sung an den lokalen Druck zu erzielen. Die lokale Ein spritz-Machzahl würde dann 3,29 betragen. Die Außenfläche des Treibstoffstrahls welcher in den Hyperschalluftstrom eintritt, ist somit so konstruiert, daß sie den Mindestströmungswiderstand in Berührung mit dem Luftstrom erzeugt und eine lokale Druckanpassung zwischen dem in den Luftstrom eintretenden Treibstoff und der Luft, welche an der Treibstoffstrahlfahne vorbeiströmt, erzielt wird. Der Begriff "lokal", wie er bei der lokalen Druckanpassung ver wendet wird, bedeutet, daß der Druck an diskreten Punkten an der Außenfläche des Treibstoffstrahls an den Druck ange paßt ist, der in dem Luftstrom herrscht, welcher an dem Treibstoffstrahl vorbeiströmt, so daß der Treibstoffstrahl aus dem Einspritzer in im wesentlichen parallelen Strö mungslinien strömt. Wo an der Wand eine merkliche Grenz schicht existiert, sollten die lokalen Strömungsbedingungen in der Mitte zwischen dem freien Strom und den Wandbedin gungen gewählt werden, um die außergewöhnliche Expansion des Strahls in der Grenzschicht infolge des Triebkraftdefizits in der Grenzschicht zu minimieren.

Auf der Grundlage der vorstehenden Konzepte und Definitio nen werden in der folgenden Diskussion die verschiedenen Ausführungsformen des neuen Treibstoffeinspritzers gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In den Fig. 10, 11 und 12 sind drei Ausführungsformen des Scramjet-Hyperschall-Treibstoffeinspritzers im allgemeinen dargestellt, wobei jede Figur eine andere, nicht begren zende Ausführungsform des Treibstoffeinspritzers reprä sentiert. Fig. 10a zeigt eine Seitenansicht eines zuge schnittenen Schlitz-Treibstoffeinspritzers mit einem Körper 36 mit einer Treibstoff-Einführungsöffnung 38, die Treib stoff von einer Treibstoffpumpe oder anderen Quelle, bei spielsweise wie bei einem Überschallflugzeug, erhält. Der Treibstoff läuft durch die Eingangsöffnung 38 und durch einen länglichen Kanal mit größer werdender Weite oder eine Einschnürung 42 im Inneren des Körpers, wobei die Einschnü rung innerhalb des langgestreckten Austrittsschlitzes 40 zentriert ist. Der langgestreckte Treibstoff-Austritts schlitz 40 erstreckt sich im wesentlichen zwischen dem na heliegenden und fernerliegenden Ende der Oberfläche 44 des Einspritzerkörpers. Der langgestreckte Austrittsschlitz 40 hat eine Weite und eine Tiefe, die vom naheliegenden Ende zum fernerliegenden Ende der Einspritzerkörperfläche größer wird. Fig. 10b zeigt den Querschnitt durch das fernerlie gende Ende des Treibstoff-Einspritzerkörpers 36 mit der Treibstoff-Austrittsöffnung 40, der Einschnürung 42 und der Einspritzerkörperoberfläche 44, wobei der Schnitt durch das naheliegende Ende in der Fig. 10c dargestellt ist. Durch Vergleichen der Fig. 10b und 10c ist zu ersehen, daß die Einschnürung des Einspritzers in der Breite langsam zu nimmt, während die entsprechende Austrittsöffnung in der Breite ausgehend vom naheliegenden Ende des Treibstoffein spritzerkörpers schneller zunimmt. Das Verhältnis der Aus trittsbreite zur Einschnürungsbreite bestimmt das örtliche Querschnittsverhältnis. Das Querschnittsverhältnis seiner seits bestimmt den Austrittsdruck und die Einspritzge schwindigkeit. Die Austrittskontur wird so ausgewählt, daß sie eine Fahnenform mit niederem Strömungswiderstand mit einem bekannten Oberflächendruck erzeugt. Bei bekanntem, örtlichem, externen Druck wird die Einschnürungskontur so ausgewählt, daß sie eine Korrektur des Querschnittsverhält nisses erzeugt, um den örtlichen Druckanpassungszustand zu erzielen, bei dem der Treibstoffstrahl, der am Treibstof feinspritzer am naheliegenden Ende (Fig. 10c) austritt, eine geringere Geschwindigkeit und daher einen höheren Druck hat, während der Treibstoffstrahl, der am Einsprit zerkörper in der Nähe des fernerliegenden Endes (Fig. 10b) austritt, eine höhere Geschwindigkeit und einen niedrigeren örtlichen Druck hat. Fig. 10d zeigt in der Draufsicht des Einspritzers den zugeschnittenen Schlitzaustritt 40 und die entsprechende Einschnürung 42.

Die Fig. 11a-d zeigen zahlreiche Ansichten eines Kaska den- Hyperschall-Treibstoff-Einspritzers gemäß der vorlie genden Erfindung. Der in der Fig. 11a gezeigte Treibstoff einspritzerkörper 36 hat eine Reihe von rechteckigen Treib stoffaustrittsschlitzen 40, die in Reihe angeordnet sind und mit der Einspritzerkörperoberfläche 44 fluchten. Der erste der Schlitze 40 ist am naheliegenden Ende der Ein spritzerkörperoberfläche 44 positioniert und der letzte der Schlitze 40 ist an dem ferner liegenden Ende der Einsprit zerkörperoberfläche 44 gelegen. Weiterhin ist eine einzige Treibstoff-Eingangsöffnung 38 zu sehen, die eine Vielzahl an Einschnürungen 42 für jede Treibstoffaustrittsöffnung 40 speist. Wie anhand der Fig. 11b und 11c zu sehen ist, ist die Treibstoffeingangsöffnung 38 grob betrachtet ein Kanal mit konstanter Breite; da er jedoch mit der zugeschnittenen Schlitzausführung kombiniert ist, ist er mit den diskreten Einschnürungen 42 und den Austrittsöffnungen 40 des Kaska den-Einspritzers kombiniert, um konvergierende und diver gierende Düsen mit verschiedenen, gewählten Expansions graden zur Erzeugung der örtlichen Druckanpassung, zu er zeugen. Fig. 11d zeigt eine repräsentative Draufsicht auf den Kaskaden-Treibstoff-Einspritzer gemäß der Fig. 11a-c. Wie leicht zu ersehen ist, haben die rechteckigen Treib stoffaustrittsschlitze 40 Querabmessungen, die vom nahelie genden Ende zum ferner liegenden Ende der Einspritzerkör peroberfläche 44 hin größer werden (siehe auch Fig. 13c). Eine Reihe von im wesentlichen parallelen Rippen 46 die quer zum Luftstrom liegen verbinden die einander gegen überliegenden Seiten der Einspritzeroberfläche 44. Diese Ausführungsform zeigt den Vorteil einer besseren Unterbrin gung als bei der zugeschnittenen Schlitzversion des Treib stoff-Einspritzers, da die Treibstoffeingangsöffnung 38 eine ziemlich flache Tiefe haben kann und Treibstoff aus einer Verteilungsleitung dergestalt erhält, daß in der Ma schine und im Flugzeug Raum eingespart wird.

Die Fig. 12a-d zeigen in vier Ansichten einen Gegenstrom- Hyperschall-Treibstoff-Einspritzer gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 12a zeigt in einer Seitenansicht eine ein zige Treibstoffeingangsöffnung 38 und Einschnürung 42. Diese Ausführungsform hat, anstatt daß sie einen zuge schnittenen Ausgangsschlitz oder eine Reihe von diskret konvergierenden und divergierenden Düsen wie bei der Kaska denversion hat, einen dreidimensional konturierten Aus trittsschlitz 40, der eine Kombination aus Prandtl-Meyer- Expansion und Kompressionswellen erzeugt, um die gewünschte örtliche Druckanpassung und Treibstoffstrahlkontur zu er zeugen. Wie in der Fig. 12a dargestellt, tritt der Treib stoff in einer Gegenstromart aus der Treibstoffeingangsöff nung 38 ein, läuft durch die Einschnürung 42 und den kontu rierten Austrittsschlitz 40 in einen Luftstrom, der in der Richtung X strömt. Die Fig. 12b-d zeigen jeweils einen Querschnitt durch das naheliegende Ende und das fern lie gende Ende sowie eine Draufsicht der vorliegenden Ausfüh rungsform. Die Fig. 12b und 12c zeigen, wie die Austritts öffnung dreidimensional konturiert ist, um die nach oben gerichtete Drehung des Treibstoffes in den Luftstrom zu er zeugen. Der Treibstoffstrahl wird mittels einer Kombination aus Prandtl-Meyer-Expansion und Kompressionswellen in der dreidimensional konturierten Düse durch Drehen des entge genfließenden Treibstoffes nach außen erzeugt. Diese Aus führungsform begünstigt einige Konstruktionen einer Brenn kammer und des inneren Zubehörs für Hyperschallmaschinen, aber es ist zu erwarten, daß sie von den drei Ausführungs formen die niedrigere Leistung hat.

Im folgenden wird auf die Fig. 13a-d Bezug genommen, die typische Abmessungseinzelheiten der verschiedenen Treib stoff-Einspritzer-Ausführungsformen zeigen, die von Inter esse sind. Fig. 13a zeigt eine keilförmige Ausführungsform eines zugeschnittenen Schlitz-Treibstoff-Einspritzers in einer Draufsicht auf den Einspritzer. Die keilförmige Aus führungsform ist die einfachste Form des zugeschnittenen Schlitzes. Diese Ausbildung ermöglicht eine einfache Kon struktion und Herstellung. Diese Vorteile rühren hauptsäch lich von dem konstanten Oberflächen-Halbwinkel α her, der entlang der Seite des Einspritzers einen im wesentlichen konstanten Druck liefert. Der angepaßte Druckzustand ist somit mit einem festen Expansionsverhältnis ε und einer fe sten Einspritz-Machzahl erreicht. (Viele Einzelheiten wur den weggelassen, um die Klarheit der Fig. 13a-d zu verbes sern). Für die keilförmige Einspritzerausführung wird wie folgt ein Konstruktionsvorgang empfohlen. Ermitteln der ge wünschten Eindringung für den Einspritzer. Veranschlagen der Treibstoff-Strömungsgeschwindigkeit, die notwendig ist, um das gewünschte Eindringen bei einem vorgegebenen Luft strom und vorgegebenen Treibstoffzuführbedingungen zu er zielen. Der Referenz-Einschnürungsquerschnitt wird dann berechnet:

A_t = m_fC*/gP_i

mit
m_f = Treibstoffströmungsgeschwindigkeit in g/sec
g = Erdbeschleunigung 980,66 cm/sec²
P_i = Einspritzzuführdruck in psia
C* = (gRT_f/γ[2/(γ+1)] ⁽ ^γ ^+1)/( ^q ^-1)1/2
T_f = Treibstoffzuführtemperatur in °C
γ = Verhältnis der spezifischen Wärmen.

Wenn der Einführungsquerschnitt bekannt ist, kann der Durchmesser einer äquivalenten kreisförmigen Einschnürung (D_j*) leicht errechnet werden. D_j* wird die Referenzabmes sung zum Beschreiben der verbleibenden Geometrie des Ein spritzers, selbst wenn die Einschnürungen nicht kreisförmig sind. Der nächste Schritt ist das Auswählen des Halbwinkels α des naheliegenden Endes. Wenn dieser Winkel größer als ungefähr 10° ist, kann eine Grenzschichttrennung auftreten, die zu einem extremen Aufheizen des Vorderteils des Strahls führt. Diese Empfehlung stimmt überein mit der Arbeit von Masyakin und Polyanskii, die vorstehend bereits erwähnt worden sind. Wenn der Winkel zu klein wird (weniger als un gefähr 3°) wird der Einspritzer extrem lang und die Visko seeffekte können die Vorteile des Eindringens verringern. Mit dem gewählten Winkel (in der Fig. 13a 7,4°) wird der örtliche Druck errechnet. Da der keilförmige Einspritzer im wesentlichen einen konstanten Umgebungsdruck entlang seiner Länge aufweist, ist das Expansionsverhältnis ε ebenfalls im wesentlichen konstant. Bei diesem Beispiel beträgt der er forderliche Austrittsdruck 52,8 psia. Mit einem Zuführdruck von 1500 psia beträgt das Expansionsverhältnis ε zum Herab senken des Druckes auf 52,8 psia ungefähr 3,6 : 1, was ein Machzahl von 2,83 ergibt. Der Austrittsquerschnitt wird dann aus der Formel

A_e = εA_t = ε π D_j*/4

ermittelt, da der keilförmige Austrittsquerschnitt L×W/2 ist. Das Lösen der geometrischen Gleichungen ergibt eine Länge von 4,67 D_j* und eine Breite von 1,21 D_j*.

Bei der zweiten Ausführungsform (Fig. 13c, Kaskade), tritt der Treibstoff aus einer Reihe von diskreten Einspritzern aus, die innerhalb einer stromlinienförmigen Kontur ange ordnet sind. Durch andere Randbedingungen diktiert kann diese Kontur keilförmig oder eine andere Form mit niederem Strömungswiderstand sein. Bei diesem Beispiel wird die in der Fig. 9b gezeigte Konturenform verwendet. Der vorstehend beschriebene Vorgang wird modifiziert, um den variablen Austrittsdruck von vorne nach hinten berücksichtigen zu können. Dieser Vorgang führt zu einem Einspritzer mit einer Länge von 5,12 D_j* und einer Weite von 0,89 D_j*. Diese Kontur wird nur ungefähr die Hälfte des Strömungswiderstan des der keilförmigen Kontur erzeugen, da sie in der Weite stark reduziert ist. Die einzelnen Düsen sind so nahe als möglich nebeneinander mit einer Rippe 46, deren Breite so klein als möglich ist, um die Strömungsverluste beim Vermi schen der Strahle wie in der Fig. 14 gezeigt, zu reduzie ren. Die einzelnen Austritte 40 sind in der Fig. 13c rechteckig dargestellt, angefangen mit einer Breite die so eng wie die Herstelltechnik es erlaubt, ist, bis zu einer größer werdenden Weite, um eine Anpassung an die gewünschte Kontur zu erzielen. Das Querschnittsverhältnis ε jeder Düse ist variiert, um den Treibstoff auf das örtliche Druckni veau (nachdem die Strahle sich vermischt haben) zu expan dieren. Bei dem vorliegenden Beispiel werden die Einschnü rungslängen L_T mit Ausnahme der naheliegenden Düsenein schnürung, die so konstruiert sein muß, daß sie dem vollen Stagnationsdruck entspricht, auf dem gleichen Wert (L_T = 0,07 D_j*) gehalten. In diesem Beispiel L_T = 0,2 D_j* für die naheliegende Düse. Die Verwendung der gleichen Einschnü rungslänge bei allen Düsen bis auf die naheliegendste Düse, ermöglicht die Wiederholung der gleichen Düsenkontur, die bei unterschiedlichen Expansionsverhältnissen endet, wodurch die Herstellung wirtschaftlich wird. Der Hauptvor teil ist die flache Tiefe der ersten Düsen, die mit Annä hern an das ferner liegende Ende graduell tiefer unter die Oberfläche reichen. Dies führt zu einer natürlich zuge spitzten Zuführleitung nahe der Oberfläche. Eine zuge spitzte Verteilungsleitung hat geringere Strömungsverluste und eine kompaktere Bauweise der Einspritzer zur Folge. An dere Konstruktionseigenschaften können ohne Abweichung von den Konzepten der Erfindung angewendet werden.

Alle vier Ausführungsformen des neuen Treibstoff-Einsprit zers gemäß der Fig. 10, 11, 12 und 13, erzeugen ein er höhtes Treibstoffeindringen in den Hyperschall-Luftstrom, eine schnellere Vermischung von Treibstoff und Luft und eine schnellere nachfolgende Verbrennung des Treibstoffes, eine Verminderung der Maschinenstoßverluste verglichen mit den bekannten Hyperschall-Treibstoff-Einspritzern und Schall-Treibstoffeinspritzern, eine Verringerung der Wärme verluste der Verbrennungskammer oder an den Verstrebungs wänden, und eine verbesserte Unterbringung.

Das primäre Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Erzeu gung einer stromlinienförmigen Treibstoffstrahlfahne zur Reduzierung des Strömungswiderstandes und Erhöhung deren Eindringvermögen in den Luftstrom. Die bis hierher geführte Diskussion hat sich mit der Form der Fahne beschäftigt, wie sie anfänglich aus der Rohrwand austritt. Die Fig. 15a-c zeigen jeweils in der Draufsicht, im Schnitt und als An sicht des fernliegenden Endes die Strömungsform eines Hy perschall-Treibstoffstrahls, der an einem Einspritzer gemäß der vorliegenden Erfindung emittiert ist. Fig. 15a zeigt einen Schnitt durch die Treibstoffstrahlfahne in einem ge wissen Abstand zur Wand. Da der Treibstoff von der Wand wegströmt, ist die Führungskante der Fahne, welche dem Luftstrom ausgesetzt ist, abgestumpft und zerfranst. Die abgestumpfte Form der Führungskante nimmt zu, wenn der Druck an der Grenzfläche 48 zwischen Luft und Treibstoff steigt. Der hohe Druck an der Führungskante der Strahlfahne wird auf den Rest der Strahlfahne mittels eines mittleren Stoßes 54 übertragen, wie dies in der Fig. 15b dargestellt ist, die einen Schnitt bis zur Mittellinie der Strahlfahne zeigt. Der Treibstoff, der den inneren Stoß 54 passiert, wird teilweise in die Strömungsrichtung (X) abgelenkt. Der Treibstoff zwischen dem inneren Stoß 54 und der Grenzfläche 48 expandiert dann infolge seines hohen Druckes nach außen, wo er dann, wie in der Fig. 15a gezeigt, nach unten entlang der Seiten des immer noch mit Hyperschallgeschwindigkeit strömenden Kerns der Strahlfahne entlang streicht.

Der näherkommende Luftstrom reagiert mit der Treibstoffahne gemäß der Form, zu der sie verformt ist. Die Fahnenform nä hert sich einer pfeilförmig abgestumpften Flosse. Trotz der Abstumpfung (d. h. der wirksame Radius steigt mit dem stei genden Abstand zur Wand) führen der kleine mittlere Radius und der signifikante Neigungswinkel (ungefähr 45°) immer noch zu einem merklich geringeren Strömungswiderstand als bei dem Stand der Technik. In der Luft wird ein Stoß ausge bildet, wenn diese sich der "flossenähnlichen" Treibstof fahne nähert. Dieses Stoßsystem ist in Fig. 15a und 15b als der äußere Stoß 22 bezeichnet. Der Druckanstieg in der Luft, die durch diesen äußeren Stoß 22 strömt, muß sich an den Druckanstieg in dem Treibstoff anpassen, der durch den inneren Stoß 54 strömt. Der Winkel ⌀, den die Grenzfläche 48 zur Leitungswand einnimmt, ist durch diese Druckanpas sungsanforderung und durch das Impulsströmungsverhältnis zwischen dem eingespritzen Treibstoff und den Luftströmen bestimmt. Die Impulsströmung eines Stroms wird mit ρu² (herkömmlicherweise das 2fache des dynamischen Druckes) ausgedrückt. Das Verhältnis J der Impulsströmung von Treib stoff zu Luftstrom ist somit definiert durch:

J = [ρ_j(u_jsin R_j)²]/[ρ_a u_a²]

mit:
u_j = Geschwindigkeit des Treibstoffes
u_a = Geschwindigkeit der Luft
ρ_j = Treibstoffdichte
ρ_a = Luftdichte
R_j = Treibstoffstrahl-Einspritzwinkel

Je höher das Impulsströmungsverhältnis J ist, umso enger nähert sich der Winkel ⌀ der Grenzfläche 48 an den Treib stoffstrahl-Einspritzwinkel R_j. Wenn J = 1,0 ist und R_j 90° ist, kann gezeigt werden, daß der Grenzflächenwinkel ⌀ ungefähr 45° ist. Die inneren und äußeren Stöße 54 und 22 werden etwas von dem Winkel der Grenzfläche infolge des An steigens des Radius der Führungskante abweichen.

Das Eindringen des Treibstoffes kann geometrisch aus dem Weg des Innenstoßes 54 ermittelt werden. Wenn dieser Stoß das fernerliegende Ende der Treibstoffahne erreicht, hat er den gesamten Treibstoff "verarbeitet". Obwohl der Treib stoff immer noch eine vertikale Geschwindigkeit aufweist, nachdem er durch den inneren Stoß verarbeitet worden ist, wird er durch den nach unten gerichteten Luftstrom mit ho hem Druck des äußeren Stoßes 22 schnell stromab umgelenkt werden. Diese Analyse gibt die Voraussage, daß das Eindrin gen nur etwas weniger als die Länge des Einspritzers benö tigt (wenn J = 1,0, R_j = 90°).

Für sich genommen würde die vorstehende Diskussion dazu verleiten, zu glauben, daß die maximale Eindringung mit der maximalen Einspritzerlänge (X-Richtung) erzielt werden könnten. Die Begrenzung bei der vorstehenden Diskussion liegt darin, daß angenommen wird, daß die viskose Mi schungszone nicht die Mitte des Strahlkerns erreicht hat. Fig. 15c zeigt einen Querschnitt durch die Strahlfahne in der Nähe des fernerliegenden Endes des Einspritzers. Inner halb der Fahne können vier diskrete Strömungsbereiche iden tifiziert werden. In der Mitte befindet sich der nicht vis kose Kern 56. Die Kernströmung erfolgt mit Hyperschallge schwindigkeit, wobei ihr Geschwindigkeitsvektor nicht durch die Anwesenheit der äußeren Strömungszonen (die rechtwinke lig zur Wand verlaufen) beeinflußt werden. Der Kern wird von Treibstoff 52 umgeben, der den inneren Stoß passiert hat und vom Luftstrom zu den Außenseiten des Kerns abge lenkt worden ist. Dieser Treibstoff bewegt sich im wesent lichen in Richtung der Luft (90° zum Kern). Eine viskose Treibstoff/Treibstoff-Mischungszone 55 entwickelt sich zwi schen dem Treibstoffstrom 52 und dem Treibstoffkern 56. An der Außenseite der Treibstoffahne entwickelt sich eine Treibstoff /Luft-Mischungszone 50 (das letztendliche Ziel des Treibstoff-Einspritzers). Diese Mischungszonen breiten sich in Richtung der Ströme aus (werden dicker). Der Ausbreitungswinkel wird sich mit den Strömungsparametern verändern, ist jedoch typischerweise ungefähr 6°. Bis die innere Mischungszone 55 die Mittellinie erreicht, bleibt die Kerngeschwindigkeit entlang der Mittellinie unverän dert. Wenn die innere Mischungszone 55 die Mitte des Kerns erreicht, bevor der Kern den inneren Stoß passiert hat, ist der Kernimpuls verringert, wodurch das Eindringen für eine vorgegebene Einspritzerlänge reduziert wird, wodurch der Vorteil des geringen Einspritzer-Halbwinkels α beeinträch tigt wird. Das Strömungsfeld am fernerliegenden Ende wird ebenfalls durch den niederen Druck der Nachlaufzone 58 hin ter dem Strahl beeinflußt (Fig. 15a). Die verschiedenen in den Fig. 15a und 15b gezeigten schrägen Linien 60 reprä sentieren einen Expansionsbereich, in welchem der Treib stoffstrahl eine Expansion in Richtung auf den Nachlaufbe reich erfährt.

Obwohl die Hyperschall-Treibstoffahne 62 von der in den Fi guren 15a-c gezeigten besonderen Form abweichen kann, bei spielsweise so wie durch die Kaskade oder die Gegenstrom- Ausführung erzeugt, ist diese schematische Darstellung re präsentativ für alle Ausführungsformen der Strahlfahne. Beispielsweise kann die Strahlfahne abhängig von der Ge schwindigkeit des Luftstromes, der am Einspritzer vorbei strömt, dem Druck hinter der Strahlfahne, etc. in Y-Rich tung sich weiter erstrecken als in der Fig. 15c darge stellt, oder in Z-Richtung weiter als in der Fig. 15a ge zeigt ist. Die Form der Hyperschall-Treibstoffahne 62 kann ebenfalls durch den Abstand zwischen den jeweiligen Treib stoffeinspritzern beeinflußt werden. Dichter beabstandete Treibstoffeinspritzer, die bei zahlreichen Verbrennungskam merformen üblich sind, können bewirken, daß die Hyper schall-Treibstoffahnen durch ihre Außenstöße interagieren, während Treibstoffeinspritzer die durch einen ausreichend großen Spalt voneinander getrennt sind, individuelle Hyper schall-Treibstoffahnen 62 erzeugen, die wahrscheinlich bis zu einem großen Ausmaß nicht miteinander reagieren. Der op timale Spalt sollte selbstverständlich so vorgesehen sein, daß eine optimale Brennkammerlänge und ein optimales Brenn kammergewicht mit den Hpyerschall-Treibstoffstrahlen er reicht werden. Bei allen Beispielen wird der Mischspalt bei den verbesserten Einspritzern geringer sein als bei den Einspritzern gemäß dem Stand der Technik, was zu einer größeren Anzahl an Einspritzorten für die gleiche Ein dringanforderung führt, wodurch konsequenterweise die Ver brennungskammerlänge verringert wird und daher das Gesamt gewicht des Triebwerks verringert werden kann, wie dies in der Fig. 1 gezeigt wird.

Fig. 16 zeigt in schematischer Darstellung den Vergleich eines Schall-Treibstoffeinspritzers mit einem Hyperschall- Treibstoffeinspritzers gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Figur vergleicht das Eindringen, welches durch dieses Verfahren bei einem keilförmigen Einspritzer 36 erzielt wird, mit dem eines einzelnen Schall-Treibstoffeinspritzers 36′, das unterlegt wird. Die Luftströmungsbedingungen sind in der Beschriftung angegeben. Die ersten und zweiten Treibstoff-Strahlungskeulen 18 und 20 der mit Schallge schwindigkeit eingespritzen Treibstoffahne sind mit einer Mach′schen Scheibe D dargestellt. Wie aus der Fig. 16 zu ersehen ist, ist das Eindringen in der Y-Richtung (der Luftstrom verläuft in der X-Richtung) für den Schall-Ein spritzer etwa gleich 3,25 D_*j. Im Gegensatz hierzu hat die Treibstoffahne des keilförmigen Einspritzers, im Quer schnitt mit 64 repräsentiert, ein relatives Eindringen in der Y-Richtung von ungefähr 5,2 D_*j, was ein besonders vor zuziehender Eindringgrad ist. Das Eindringen kann bei dem keilförmigen Einspritzer zwischen ungefähr 4,5 D_*j bis zu 6,5 D_*j in Abhängigkeit von der detaillierten Konstruktion variieren. Was mit Bezug auf die Fig. 16 wichtig an zumerken ist, ist die relative Verbesserung beim Eindringen des Hyperschall-Treibstoffstrahls bezogen auf den einzigen Schall-Treibstoffstrahl. Der Grad der zu erwartenden Erhö hung kann im wesentlichen im Bereich von ungefähr 50% bis zu mehr als 100% Verbesserung gegenüber dem einzelnen Schallstrahl sein. Die Verbesserung beim Eindringen liegt auch über der des kreisförmigen Hyperschall-Strahls mit konturierten Ausgang gemaß dem Stand der Technik, wie dies vorstehend diskutiert ist, und über den Mehrfach-Schall- Strahlen, die axial mit dem Luftstrom angeordnet sind.

Fig. 16 zeigt auch die relativ konturierte Form des Hyper schall-Treibstoffstrahls, der von den Einspritzern gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, verglichen mit der des Profils des Schall-Treibstoffstrahls. Diese konturierte Form erlaubt es dem Hyperschall-Treibstoffstrahl viel wei ter in den Luftstrom, wie vorstehend diskutiert, einzudrin gen, was ein Ergebnis der örtlichen Druckanpassung ist. Die Beschriftung gibt an, daß die Machzahl des Luftstroms di rekt oberhalb in der X-Richtung des Treibstoffstrahls eine Machzahl von ungefähr 5 ist, einen absoluten Druck von 26,5 psia und einen dynamischen Druck q_a von 297 psia. Das Im pulsverhältnis J ist in der Fig. 16 1,0. J liegt vorzugs weise im Bereich von 0,5 bis ungefähr 2,0. Ein niedriger Wert für J (unter 0,5) erzeugt den unerwünschten Zustand, daß der dynamische Druck des Luftstromes größer als der örtliche dynamische Druck des Treibstoffstrahls ist, was bewirkt, daß der Treibstoffstrahl 64 weniger eindringt, als der in der Fig. 16 gezeigte, während ein Wert größer als 1,0 für J zu einer größeren Eindringung als in der Fig. 16 gezeigt führt, jedoch einen höheren Treibstoffeinspritz druck erfordert und stärkere Stöße im Luftstrom erzeugt.

In den vorstehenden Diskussionen wurde die Konstruktionsan näherung diskutiert, die zu dem optimalen Triebwerkswir kungsgrad an einem einzigen Punkt führen würde. Bei diesen Bedingungen, die als "Konstruktionspunkt" bezeichnet wer den, erfüllt der Einspritzer alle Anforderungen für den Treibstoffstrom und das Eindringen genauso gut als wie den angepaßten Druckzustand. Wenn die Maschine nur in diesem Zustand betrieben werden soll, wäre die Konstruktionsarbeit beendet. Bei den meisten Anwendungen muß die Maschine je doch über einen Bereich von Flugzuständen arbeiten. Wenn die Maschine abseits vom Konstruktionspunkt arbeitet, wird dies im allgemeinen als "konstruktiv nicht vorgesehener" Betriebsbereich bezeichnet. Während dem konstruktiv nicht vorgesehenen Betrieb können sich der Treibstoffstrom und die Eindringanforderungen auf unverträgliche Weise ändern, wodurch der Maschinenwirkungsgrad verschlechtert wird. In den meisten Systemen dieser Art laufen die Wirkungsgradver schlechterungen langsam, wenn anfänglich eine Entfernung von Konstruktionspunkt auftritt. Die Geschwindigkeit der Verschlechterung steigt um so mehr, je weiter die Maschine weg vom Konstruktionspunkt betrieben wird. Beim Zuführen von Einspritztreibstoff durch zwei oder mehr Verteilungs leitungen kann der Konstrukteur zwei oder mehr Konstruk tionspunkte erzeugen. Die Fig. 17 zeigt diese Wirkung mit den Modi A, B und C, die drei unterschiedliche Betriebsmodi repräsentieren, welche mehrere Einspritzzuführ-Verteilungs leitungen verwenden können. Der mittlere Wirkungsgrad bei Einzelzufuhreinspritzen wird, verglichen mit der Ausfüh rungsform mit Mehrfachzuführung, verringert.

Die Fig. 18 und 19 zeigen alternative Ausführungsformen der Kaskaden- und zugeschnittenen Schlitz-Treibstoffein spritzer, bei denen jeweils eine Mehrfach-Treibstoffein spritzung verwendet wird. Fig. 18 zeigt einen Einspritzer körper 36 mit einer Oberfläche 44, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dem Luftstrom ausgesetzt ist. Bei der in der Fig. 18 gezeigten Ausführungsform sind jedoch zwei Treibstoffeingangsöffnungen 38a und 38b ge zeigt. Dies erzeugt eine Situation, bei der ein Satz der Austrittsschlitze 40a aus einer Eingangsöffnung 38a und ein anderer Satz der Treibstoffaustrittsschlitze 40b über eine Eingangsöffnung 38b den Treibstoff erhält. Diese Ausfüh rungsform erlaubt eine Optimierung des Maschinenwirkungs grades durch Hinzufügen einer zusätzlichen Variablen. Bei spielsweise wird bei höheren Flugmachzahlen weniger Treib stoff für die Verbrennung benötigt. Die reduzierte Treib stoffstromanforderung kann durch Speisen lediglich der na heliegenden Verteilungsleitung mit einem höheren Druck er zielt werden. Die wirksame Einspritzerlänge ist kürzer, aber der höhere Zuführdruck (höheres J) hält die Treib stoffeindringung auf dem erforderlichen Wert, ohne Treib stoff zu verschwenden. Die optimale Anzahl der gewählten Modi oder Stufen für das Treibstoffeinspritzen wird durch den Kompromiß zwischen dem Gewinn an Maschinenwirkungsgrad und Erhöhung des Maschinengewichtes infolge der zusätzli chen Ventile und Verteilungsleitungen bestimmt. Drei Stufen können die praktische Grenze repräsentieren, aber mehrere Stufen können möglich sein, da die hier beanspruchten Ein spritzer nicht auf das Einspritzen in drei Modi begrenzt sind.

Fig. 19 zeigt eine alternative Ausführungsform des Ein spritzers mit zugeschnittenem Schlitz, wobei zwei Eingangs öffnungen 38a und 38b dargestellt sind, wobei der Treib stoff durch zwei Einschnürungen 42a und 42b und zwei Aus gangsöffnungen 40a und 40b strömt. Wie bei der in der Fig. 18 gezeigten Ausführungsform ist diese Ausführungsform le diglich repräsentativ für einen Einspritzer mit a, b, . . . n separaten Treibstoffeingangsöffnungen 38 und a, b, . . . n zugeschnittenen Auslaßschlitzen 40. Bei der vorliegenden Ausführungsform gemäß Fig. 19 sind ähnliche Abhängigkeiten vorhanden wie die bei der alternativen Kaskaden-Ausfüh rungsform gemäß Fig. 18 erwähnten Abhängigkeiten.

Die Materialien, die für die hier beschriebenen Treib stoffeinspritzer verwendet werden, sind im allgemeinen me tallisch, aber es können auch alle Konstruktionsmaterialien verwendet werden, die für Hochtemperaturbetrieb geeignet wären. Beispiele sind Legierungen aus Rhenium und Molybdän.

Obwohl die vorstehend beschriebene Erfindung vollständig im einzelnen anhand der Figuren beschrieben worden ist, bleibt anzumerken, daß gewisse Änderungen und Modifikationen in nerhalb des Schutzumfanges der Erfindung denkbar sind. Bei spielsweise können Kombinationen der zugeschnittenen Schlitz-, Kaskaden- und Gegenstrom-Ausführungen zu einem einzigen oder einer Anzahl von Hybrid-Treibstoffein spritzern für eine bestimmte Maschine kombiniert werden. Die optimale Brennkammerlänge und das optimale Brennkammer gewicht können durch diese zahlreichen Kombinationen der unterschiedlichen Ausführungsformen bestimmt werden.

Claims

1. Scramjet-(Hyperschallstaustrahltriebwerks)-Treibstoff einspritzer vom Typ, der bündig mit der Wandung einer Brennkammer verbunden ist, durch welche Luft strömt, gekennzeichnet durch:
einen im wesentlichen langgestreckten Körper (36), der eine Oberfläche (44) aufweist, die im wesentlichen bündig mit der Wandung liegt, wobei die Oberfläche ein naheliegendes und ein fernliegendes Ende aufweist und das naheliegende Ende mit der Luft zusammentrifft, in welche der Treibstoff vor dem fernerliegenden Ende eingespritzt werden soll;
mindestens eine Treibstoffeinlaßöffnung (38), die mit dem Körper (36) verbunden ist,
mindestens eine Treibstoffauslaßöffnung (40) in der Ober fläche, die im wesentlichen bündig mit der Wandung liegt;
und mindestens eine Einschnürung (42) innerhalb des Körpers, durch welche der Treibstoff der Reihe nach passiert, nach dem er durch die Einlaßöffnungen durchgetreten ist und be vor er durch die Auslaßöffnungen durchtritt, wobei die Treibstoffaustrittsöffnungen und die Einschnürun gen so kombiniert sind, daß sie eine im wesentlichen strom linienförmige Hyperschall-Treibstoffstrahlfahnenform erzeu gen und aufrechterhalten, deren Austrittsdruck lokal an die strömende Luft angepaßt ist.

2. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens eine der Treib stoffaustrittsöffnungen (40) einen einzelnen langgestreck ten Ausgangsschlitz aufweist, der sich im wesentlichen zwi schen dem naheliegenden und fernerliegenden Ende der Ein spritzerkörperoberfläche (44) erstreckt, wobei der langge streckte Ausgangsschlitz eine Breite und Tiefe hat, die vom naheliegenden zum fernerliegenden Ende der Einspritzerkör peroberfläche zunimmt.

3. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der langgestreckte Schlitz zugeschnitten ist, um den Sog zu minimieren, und daß die mindestens eine Einschnürung (42) einen langgestreckten Ka nal mit zunehmender Breite innerhalb des Körpers (36) auf weist, wodurch der Kanal mit dem Ausgangsschlitz eine fort gesetzte Reihe von konvergierenden-divergierenden Düsen mit zunehmendem Grad der Ausdehnung formt.

4. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Eingangsöffnung (38) die Einschnürung (42) und die Auslaßöffnung eine Vielzahl von konvergierenden-divergierenden Düsen aufweist, die als Kas kade angeordnet sind, innerhalb einer Niedersogausgangsform mit progressiv zunehmenden Querdimensionen.

5. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß er ferner aufweist zwei oder mehr Treibstoffverteilungsleitungen, aus welchen die Viel zahl von konvergierenden-divergierenden Düsen mit Treib stoff beschickt werden.

6. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die mindestens eine Auslaß öffnung (40) mit einer Vielzahl von rechtwinkligen Treib stoffaustrittsquerschlitzen versehen ist, die bündig mit der Brennstoffkammerwandung (44) in Reihe angeordnet sind, wobei der erste der Schlitze angeordnet ist am naheliegen den Ende der Einspritzerkörperfläche und der letzte der Schlitze angeordnet ist am fernliegenden Ende der Kör peroberfläche, wobei im wesentlichen alle der Austritts schlitze in der Abmessung quer zum Fluidstrom größer als in der Abmessung parallel zum Luftfluß sind, die Querabmessun gen der Austrittsschlitze zunehmen vom naheliegenden Ende zum fernliegenden Ende der Oberfläche und der Einspritzer körper ferner querliegende jeweilige Einschnürungen (42) aufweist, die in Reihe die Eintrittsöffnungen und Aus trittsöffnungen miteinander verbinden, wobei die Einschnü rungen eine Vielzahl von Querkanälen aufweisen, die jeweils eine im wesentlichen konstante Breite haben, wobei die Breite der aufeinanderfolgenden Einschnürungen vom nahelie genden zum fernerliegenden Ende zunimmt.

7. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die mindestens eine Einlaß öffnung eine gemeinsame Zuführungsverteilungsleitung für alle Einschnürungen und Auslaßöffnungen aufweist.

8. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die mindestens eine Treib stoffeinlaßöffnung (38) eine Einlaßöffnung aufweist, die im wesentlichen parallel zur X-Z-Ebene angeordnet ist und un mittelbar unterhalb der Brennkammerwandungsoberfläche stromauf vom naheliegenden Ende des Einspritzers angeordnet ist.

9. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die mindestens eine Aus trittsöffnung eine dreidimensional konturierte Oberfläche aufweist, die offen zum Luftstrom ist und wobei die minde stens eine Einschnürung einen im wesentlichen rechtwinkli gen Kanal aufweist mit einer einzelnen Einlaßöffnung, wobei der Querschnitt des Kanals im wesentlichen in der Y-Z-Ebene liegt.

10. Treibstoffeinspritzer nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einschnürung (42) und die Treibstoffeinlaßöffnung (38) im Körper (36) an einer Stelle stromab vom fernliegenden Ende der Einspritzerkörperober fläche im Bezug auf die Luftstromrichtung und unterhalb der Brennkammerwandung liegt.