DE4343009C2 - Einspritzvorrichtung, insbesondere für ein Strahltriebwerk - Google Patents

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 Überlappungen 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 6 durchströmten Düsenkanal B mit einem nicht-ro­ tationssymmetrischen, 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 6 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 umlaufenden 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-Austritts­ 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 minde­ stens einer von einem Einspritzstrahl durchströmten und diesen perio­ disch ablenkenden Fluidikdüse mit einem bezüglich des Einspritz­ strahls im Querschnitt erweiterten Düsenkanal und in diesen strahl­ abwärts nahe des Düsenhalses quer einmündenden Steueröffnungen zur Injektion eines die Strahlablenkung bewirkenden Steuerfluids, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkanal (8, 108) einen bezüglich des Düsenhalsquerschnitts senkrecht zur Düsenkanal-Längsachse (A) zweidimensional erweiter­ ten Kanalquerschnitt mit einer beliebigen, nicht-kreisförmigen Quer­ schnittskontur besitzt und mit einer Reihe von mehr als zwei in Um­ fangsrichtung des Düsenkanals versetzt zueinander angeordneten, zur Erzeugung einer längs der Querschnittsberandung des erweiterten Kanalquerschnitts umlaufenden Strahlbewegung zeitlich aufeinander­ folgend aktivierbaren Steueröffnungen (18, 118) versehen ist.

2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (18, 118) in Richtung der Umlaufbewegung des Einspritzstrahls exzentrisch zur Düsenkanal-Längsachse (A) ausge­ richtet sind.

3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkanal (8, 108) einen ovalen, elliptischen oder rechteck- oder kreissektorförmigen Kanalquerschnitt besitzt.

4. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfluid dem Einspritzstrahl über strahlabwärts der Steuer­ öffnungen (18, 118) angeordnete und mit diesen jeweils über einen Rückführkanal (16, 116) verbundene Abzapfstellen (14, 28) entnom­ men ist.

5. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzapfstellen (14, 28) bezüglich der jeweils zugeordneten Steuer­ öffnung (18, 118) in Richtung der Umlaufbewegung des Einspritz­ strahls versetzt angeordnet sind.

6. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführkanäle (16, 116) jeweils als in Abhängigkeit von der gewünschten Strahlumlauffrequenz bemessene Verzögerungsstrecke ausgebildet sind.

7. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Brennstoffeinspritzung in eine Triebwerks-Brennkammer, gekennzeichnet durch mehrere, gleichmäßig über den Brennkammer-Querschnitt verteilte, jeweils einen umlaufenden Brennstoffstrahl erzeugende Fluidikdüsen (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.