DE4343009A1 - Einspritzvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzvorrichtung, insbeson
dere für ein Strahltriebwerk, nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Es sind Einspritzvorrichtungen bekannt, bei denen das Einspritzme
dium - zumeist unter der Wirkung einer in einer Einspritzdüse er
zeugten Drallbewegung - in Form eines zur Einspritzdüse koaxialen
Ringkegels weit aufgefächert und so über einen großen Querschnitt im
Umgebungsmedium, etwa dem Brennraum eines Strahltriebwerks, verteilt
wird. Die mit solchen Dralldüsen erzielbare Einspritztiefe ist aber
relativ gering und dementsprechend klein ist das mit dem Einspritz
medium durchmischte Brennraumvolumen.
Ferner ist aus der EP-0 305 996-B1 ein Strömungsoszillator zur Er
zeugung eines kompakten, singulären Flüssigkeitsstrahls großer
Reichweite bekannt, der einen im Querschnitt gegenüber dem Flüssig
keitsstrahl eindimensional erweiterten Düsenkanal mit einem stromab
wärts nahe des Düsenhalses angeordneten, sich diametral gegenüber
liegenden Steueröffnungspaar aufweist, welches alternierend mit ei
nem über Rückführkanäle abgezweigten Steuerfluid beaufschlagt wird,
um so den Flüssigkeitsstrahl linear oszillierend zwischen den Ka
nal-Schmalseiten hin- und herzuschalten. Der durch eine derartige
Strahlbewegung geschaffene Einspritzkorridor besitzt jedoch eine
auf den Strahlquerschnitt begrenzte und dementsprechend enge Quer
schnittsbreite, so daß für eine lückenlose Durchmischung von Um
gebungsräumen großer Querschnittsbreite eine sehr große Anzahl sol
cher Strömungsoszillatoren in nebeneinanderliegender Anordnung be
nötigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzvorrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß auf baulich einfache Weise und mit
einer oder nur wenigen Fluidikdüsen großvolumige Einspritzräume be
liebiger Querschnittskonfiguration lückenlos mit dem Einspritzmedium
durchmischt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 ge
kennzeichnete Einspritzvorrichtung gelöst. Weitere vorteilhafte Aus
gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich
net.
Erfindungsgemäß wird infolge der in Umfangsrichtung des Düsenkanals
zyklischen, vom Umgebungsdruck unabhängigen Steuerfluidinjektion in
Verbindung mit der besonderen, an einen irgend erwünschten Vertei
lungsquerschnitt angepaßten Querschnittskontur des Düsenkanals unter
Beibehalt eines kompakten Einspritzstrahls und somit einer hohen
Eindringtiefe auf rein fluidischem Wege eine Rotationsbewegung des
Einspritzstrahls um die zentrale Düsenkanalachse auf einer weitge
hend beliebigen Umlaufbahn und mit einer variabel vorwählbaren Um
lauffrequenz erzeugt und dadurch eine feine, großräumige Zumischung
eines gasförmigen oder flüssigen Einspritzmediums in ein Umgebungs
medium mit großem Verteilungsquerschnitt, insbesondere eine im Quer
schnitt rechteckige, ovale oder kreisringsektorförmige Brennkammer
eines Staustrahltriebwerks erzielt, mit dem baulichen Effekt, daß
für eine gleichförmige Verteilung des Einspritzmediums nur eine oder
allenfalls wenige Einspritzdüsen benötigt werden, ohne daß an den
Verteilungsquerschnitten der einzelnen Einspritzdüsen störende Über
lappungen oder örtliche Verteilungslücken entstehen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Steu
eröffnungen zur Erhöhung des in Richtung der Umlaufbewegung des Ein
spritzstrahls wirkenden Steuerfluidimpulses zweckmäßigerweise in
Strahlumlaufrichtung exzentrisch zur Hauptkanal-Achse ausgerichtet.
Im Hinblick auf eine baulich einfache, selbsttätige Steuerfluidin
jektion wird das Steuerfluid vorzugsweise am Austrittsende des Dü
senkanals aus dem Einspritzstrahl selbst abgezweigt und zu den Steu
eröffnungen zurückgeführt, wobei die Steuerfluid-Abzapfstellen be
züglich der jeweils zugeordneten Steueröffnungen in Strahlumlauf
richtung versetzt angeordnet sind, um so eine für die Strahlumlauf
bewegung besonders wirksame Druckimpulssteuerung zu erhalten. Die
gewünschte Rotationsgeschwindigkeit des Einspritzstrahls läßt sich
dabei durch eine entsprechende Längendimensionierung der als Verzö
gerungsstrecke
zwischen den Abzapfstellen und den Steueröffnungen wirkenden Rück
führkanäle einstellen. In weiterer baulicher Vereinfachung kann die
Fluidikdüse selbst aus wenigen Einzelteilen mit sehr kleinen Abmes
sungen hergestellt sein, nämlich einem zentralen, vom Düsenkanal
durchsetzten Düsenkörper und einem diesen umschließenden, mit einer
Abzapfschneide am Düsenkanal-Auslaßende versehenen Außenkörper mit
zwischen Düsen- und Außenkörper spiralförmig von der Abzapfschneide
zu den Steueröffnungen verlaufenden Rückführkanälen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in
Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark
schematisierter Darstellung:
Fig. 1a, b eine Einspritzvorrichtung mit elliptischem Düsen
kanal-Querschnitt im Schnitt (a) und in der Sei
tenansicht (b);
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung eines momentanen
Druckzustandes an den einzelnen Abzapf- und
Steueröffnungen der Einspritzvorrichtung gemäß
Fig. 1,
Fig. 3a, b einen Ausschnitt der Brennkammer eines Stau
strahltriebwerks im Längs- bzw. Querschnitt mit
einer im Bereich des stauluftkanalseitigen
Brennkammerendes angeordneten Einspritzvorrich
tung; und
Fig. 4a, b eine der Fluidikdüsen der Einspritzvorrichtung
gemäß Fig. 3 im Längs- (a) bzw. Querschnitt (b).
Die in Fig. 1 gezeigte Einspritzvorrichtung enthält eine Fluidikdüse
2 mit einer mit einem gasförmigen oder flüssigen Einspritzmedium
versorgten Zufuhrkammer 4 und einem sich an diese anschließenden,
vom Einspritzstrahl 5 durchströmten Düsenkanal 8 mit einem nicht-ro
tationssymetrischen, nämlich gemäß Fig. 1 elliptischen Kanalquer
schnitt, der, ausgehend von der engsten Stelle im Bereich des Düsen
halses 10, in Richtung des Kanalaustrittsendes 12 bezüglich des Ein
spritzstrahls 5 überexpandierend sowohl in der Querschnittsbreite
als auch -höhe erweitert ist, so daß sich der Einspritzstrahl 6 un
ter der Wirkung des Coanda-Effektes einseitig an der Düsenkanalwand
anlegt, wie dies in Fig. 1a durch die schrägschraffierte, bezüglich
der Düsenkanalachse A exzentrische Querschnittslage des Einspritz
strahls 6 angedeutet ist.
Mit Hilfe einer Steuerfluidinjektion wird der Einspritzstrahl 5 in
eine Rotationsbewegung entlang der Düsenkanalwand auf einer dem el
liptischen Kanalquerschnitt entsprechenden Umlaufbahn versetzt, um
so eine feine Verteilung des Einspritzmediums über einen großen,
gegenüber dem Düsenkanalquerschnitt in Richtung beider Querschnitts-
Hauptachsen erweiterten Verteilungsquerschnitt zu erzielen. Zu die
sem Zweck sind am Düsenkanal-Austrittsende 12 gleichmäßig in Um
fangsrichtung verteilt mehrere, bei dem gezeigten Ausführungsbei
spiel sechs Abzapfstellen 14 an den Positionen I bis VI angeordnet,
von denen jeweils die in den Einspritzstrahl 6 eintauchenden Abzapf
stellen 14 einen Teil des Einspritzmediums aus dem Einspritzstrahl
abzweigen und über einen Rückführkanal 16 an eine stromabwärts nahe
dem Düsenhals 10 in den Düsenkanal 8 einmündende Steueröffnung 18
zurückführen. Die Steueröffnungen 18 sind ebenfalls gleichförmig in
Kanal-Umfangsrichtung verteilt und gegenüber der jeweils zugeordne
ten Abzapfstelle 14 entgegen der Strahl-Umlaufrichtung P zurückver
setzt angeordnet. Zur Verstärkung der dem Einspritzstrahl 6 erteil
ten Rotationsimpulse können die Steueröffnungen 18 ferner bezüglich
der Düsenkanalachse A in Strahlumlaufrichtung P exzentrisch ausge
richtet sein, wie dies in Fig. 1a durch die Schräganstellung der
Steueröffnungen 18 bezüglich der Radialen unter dem Injektionswinkel
β dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Verlauf des Fluiddurchsatzes v für
die momentane Strahlposition IV gem. Fig. 1a. Der Einspritzstrahl 6,
der bei IV anliegt und entsprechend der Umlaufrichtung P die Posi
tion III verläßt und sich in Richtung der Position V bewegt, besitzt
die Intensitätsverteilung a. Dementsprechend hat die Abzapfstelle 14
an der Position IV vollen Durchsatz, der Durchsatz der Abzapfstelle
14 an der Position III geht zurück auf Null und die Abzapfstelle 14
an der Position V hat beginnenden Durchsatz (Kennlinie b).
Je nach der Länge der Rückführkanäle 16 ergibt sich eine mehr oder
weniger große Verzögerungszeit und dementsprechende Phasenverschie
bung ε im Steuerfluiddurchsatz zwischen dem abzapfseitigen und dem
steueröffnungsseitigen Ende des Rückführkanals 16, wie dies in Fig.
2 durch die gestrichelte Rückführkanal-Kennlinie c gezeigt ist, und
da zusätzlich die Steueröffnungen 18 gegenüber den zugeordneten Ab
zapfstellen 16 jeweils um eine Position zurückversetzt sind (Versatz
x entsprechend der Steueröffnungs-Kennlinie d), haben nur die Steuer
öffnungen 18 an den Positionen II und III vollen Durchsatz, während
die Steueröffnungen 18 an den Positionen IV und V ohne Durchsatz
sind. Somit löst sich der Einspritzstrahl 6 aus der Position IV und
läuft weiter in Pfeilrichtung P längs der Düsenkanalwand um. Dabei
läßt sich die Umlauffrequenz des Einspritzstrahls 6 u. a. durch die
Länge der Rückführkanäle 16 und den Versatz x der Steuer- gegenüber
den Abzapföffnungen beeinflussen.
Fig. 3 zeigt die Brennkammer 20 eines Staulufttriebwerks mit einer
am zulaufseitigen Brennkammerende in einem ringförmigen Stauluft
kanal 22 angeordneten Einspritzvorrichtung, die aus mehreren,
in Umfangsrichtung des Stauluftkanals 22 gleichförmig ver
setzten Fluidikdüsen 102 besteht. Um mit den Brennstoffstrahlen der
einzelnen Fluidikdüsen 102 eine homogene Treibstoffverteilung über
den gesamten Brennkammerquerschnitt zu erzielen, ist jeder Fluidik
düse 102 ein kreisringsektorförmiger, in Fig. 3 gestrichelt abge
grenzter Einspritzraum zugewiesen und jede Fluidikdüse 102 besitzt
einen dementsprechend kreisringsektorförmigen Düsenkanal-Quer
schnitt, so daß die aufgrund der Steuerfluidinjektion längs der Dü
senkanalwand umlaufende Treibstoffstrahlen periodisch den gesamten
Einspritzquerschnitt lückenlos überwandern.
Eine der Fluidikdüsen 102 mit kreisringsektorförmigem Verteilungs
querschnitt ist im einzelnen im Längsschnitt in Fig. 4a und im
Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 4b gezeigt. Sie besteht aus
einem zentralen Düsenkörper 24 mit einer Zufuhrkammer 104, an die
sich ein kreisringsektorförmiger, vom Düsenhals 110 zum Düsenaus
trittsende 112 hin im Querschnitt gegenüber dem Treibstoffstrahl
zweidimensional in Höhe und Breite überexpandierend erweiterter Dü
senkanal 108 anschließt, in den - analog zum ersten Ausführungsbei
spiel - abströmseitig nahe dem Düsenhals 110 exzentrisch zur Düsen
kanalachse A ausgerichtete Steueröffnungen 118 zur Injektion eines
die Umlaufbewegung des Treibstoffstrahls bewirkenden Steuerfluids
einmünden. Umschlossen ist der Düsenkörper 24 von einem an diesem
befestigten Außenkörper 26 mit einer im Bereich des Düsen-Austritt
endes 112 angeordneten Abzapfschneide 28, von der aus in den Düsen
körper 24 eingefräste Steuerfluid-Rückführkanäle 116 zu den einzel
nen Steueröffnungen 118 verlaufen, derart, daß das aus dem Treib
stoffstrahl abgezapfte Steuerfluid an einer bezüglich der Strahl-
Umlaufrichtung zurückversetzten Steueröffnung 118 in den Düsenkanal
108 injiziert wird. Auf diese Weise wird eine im wesentlichen kreis
ringsektorförmige Umlaufbewegung des Treibstoffstrahls erzeugt. Im
übrigen ist die Bau- und Funktionsweise der Fluidikdüsen 102 gemäß
den Fig. 3 und 4 die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Durch entsprechende Wahl des Düsenkanalquerschnitts lassen sich
natürlich auch beliebig andere Verteilungsquerschnitte mit einem
kompakten, etwa auch flüssigen Einspritzstrahl überdecken.
Claims (9)
1. Einspritzvorrichtung, insbesondere für ein Strahltriebwerk, mit
mindestens einer von einem singulären Einspritzstrahl durch
strömten und diesen periodisch ablenkenden Fluidikdüse mit ei
nem bezüglich des Einspritzstrahls im Querschnitt erweiterten
Düsenkanal und in diesen strahlabwärts nahe des Düsenhalses
quer einmündenden Steueröffnungen zur Injektion eines die
Strahlablenkung bewirkenden Steuerfluids,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Düsenkanal (8, 108) einen gegenüber dem Düsenhals (10, 110)
in Höhe und Breite erweiterten Kanalquerschnitt mit einer be
liebigen, nicht-kreisförmigen Querschnittskontur besitzt und
mit einer Reihe von in Umfangsrichtung des Düsenkanals versetzt
zueinander angeordneten, zur Erzeugung einer längs des Düsenka
nalumfangs umlaufenden Strahlbewegung zeitlich aufeinanderfol
gend aktivierten Steueröffnungen (18, 118) versehen ist.
2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steueröffnungen (18, 118) in Strahlumlaufrichtung exzen
trisch zur Düsenkanal-Achse (A) ausgerichtet sind.
3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Düsenkanal (8, 108) einen ovalen, elliptischen oder recht
eck- oder sektorförmigen Kanalquerschnitt besitzt.
4. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Steuerfluid dem Einspritzstrahl über strahlabwärts der
Steueröffnungen (18, 118) angeordnete und mit diesen jeweils
über einen Rückführkanal (16, 116) verbundene Abzapfstellen
(14, 28) entnommen ist.
5. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abzapfstellen (14, 28) bezüglich der jeweils zugeordneten
Steueröffnung (18, 118) in Strahlumlaufrichtung versetzt ange
ordnet sind.
6. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Rückführkanäle (16, 116) jeweils als nach Maßgabe der ge
wünschten Strahlumlauffrequenz bemessene Verzögerungsstrecke
ausgebildet sind.
7. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
zur Brennstoffeinspritzung in eine Triebwerks-Brennkammer
gekennzeichnet durch
mehrere, gleichförmig über den Brennkammer-Querschnitt verteil
te, jeweils einen umlaufenden Brennstoffstrahl erzeugende Flui
dikdüsen (102).
8. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Fluidikdüsen (102) im ringförmigen Brennkammer-Stauluft
kanal (22) eines Staustrahltriebwerks angeordnet und jeweils
mit einem im Querschnitt im wesentlichen kreisringsektorförmi
gen Düsenkanal (108) versehen sind.
9. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Fluidikdüse (102) einen zentralen, vom Düsenkanal (108)
durchsetzten Düsenkörper (24) und einen diesen umschließenden,
mit einer Abzapfschneide (28) am Düsenkanal-Austrittsende (112)
versehenen Außenkörper (26) mit zwischen Düsen- und Außenkörper
spiralförmig von der Abzapfschneide zu den einzelnen Steueröff
nungen (118) verlaufenden Rückführkanälen (116) enthält.
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