Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüse (oder ei
nen Düsenkopf) sowie die zugehörigen trikoaxial aufgebauten
Einspritzelemente für den Einsatz in Antriebs-Verbrennungs
organen, zum Beispiel der eigentlichen Antriebskammer oder
auch Verbrennungskammern von Gaserzeugern, für ein breites
Motorenspektrum.
Eine Einspritzdüse weist mehrere Einspritzelemente auf (üb
licherweise zwischen 50 und 100) über die das Verbrennungs
organ mit dem oder den für seine Funktion erforderlichen
Treibstoffen derart versorgt werden kann, daß das aus diesen
Treibstoffen zu erzeugenden Gemisch schnell und vollständig
hergestellt wird, um eine stabile und gleichmäßige Verbren
nung zu gewährleisten.
Bei Motoren, die mit Tiefsttemperatur-Treibstoffen arbeiten,
verwendet man üblicherweise Einspritzdüsen mit Einspritzele
menten, die koaxiale Strahlen erzeugen. Derartige Einspritz
systeme sind jedoch nicht für alle Funktionsbedingungen ge
eignet. Insbesondere stoßen sie schnell an ihre Grenzen und
ergeben keine befriedigenden Ergebnisse, wenn hohe Leistun
gen, d. h. hohe Durchsatzmengen, verlangt werden. Auch können
von einem derartigen System keine interessanten Ergebnisse
bezüglich der Kosten erwartet werden.
Das Patent US 4 621 492 beschreibt eine Ausbildung einer
Einspritzung, die sich für den Einsatz bei hohen Einspritz
leistungen dadurch besonders eignen soll, daß die verwende
ten Einspritzelemente einen ringförmigen Aufbau aufweisen,
der die Erzeugung zweier nebeneinanderliegender koaxialer
Strahlen ermöglicht. Allerdings erfolgt diese Leistungsstei
gerung zum Nachteil der Verbrennung, die dann nicht mehr op
timal ist, wobei insbesondere das Vorhandensein von flüssi
gem Sauerstoff im Bereich des zentralen Körpers des Ein
spritzelements die Sicherheit der Einspritzdüse beträchtlich
verringert und gleichzeitig die Herstellung der Düse er
schwert. Im übrigen vereinfacht ein derartiger Aufbau in
keiner Weise die bis heute bestehenden Herstellungsprobleme,
die auf die große Zahl der Einzelteile einer solchen Ein
spritzdüse zurückzuführen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, diese Nachteile der be
kannten Technik durch einen Einspritzdüsenaufbau zu überwin
den, der auch bei großen Einspritzmengen hohe Leistungen ga
rantiert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin,
eine einfache Einspritzdüse mit besonders wenig Einzelteilen
anzugeben und auf diese Weise eine Verringerung der Herstel
lungskosten gegenüber denen der bekannten Düsen zu ermögli
chen.
Außerdem soll durch die Erfindung eine zuverlässige Ein
spritzdüse bereitgestellt werden, bei der keine Gefahr von
Leckagen besteht, die zu unerwünschten Treibstoffgemischen
oder zur Entstehung von heißen Stellen und damit zu Ver
schlechterungen des Verbrennungsorgans führen könnten.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben erfüllt durch eine
Einspritzdüse mit einem Rotationskörper mit einer Symmetrie
achse, der mit mehreren achsparallel zu dieser Symmetrieach
se verlaufenden und eine Einspritzwand durchdringenden Ein
spritzelementen ausgestattet ist, wobei die Einspritzwand am
Körper befestigt ist und die Einspritzdüse von einem damit
verbundenen Verbrennungsorgan trennt, wobei die Einspritz
elemente jeweils einen zentralen Kanal, dem ein zweiter
Treibstoff zugeführt wird, und einen den Kanal umgebenden
ringförmigen Einspritzspalt aufweisen, dem ein erster Treib
stoff zugeführt wird, und wobei ein zusätzlicher ringförmi
ger Einspritzkanal für den zweiten Treibstoff durch einen im
Bereich der einzelnen Einspritzelemente zwischen deren seit
licher Wandung und der Einspritzwand ausgebildeten Raum ge
bildet wird derart, daß der aus dem ersten Ringspalt austre
tende Schleier des ersten Treibstoffs zwischen dem mittleren
Strahl und dem äußeren Treibstoffschleier angeordnet ist,
die jeweils aus dem zweiten Treibstoff bestehen.
Durch diese einfache Geometrie kann ein zweiter Treibstoff
im mittleren Strahl und in einem äußeren Treibstoffschleier
zugeführt werden, ohne daß er irgendeine Verbindung mit dem
ersten, in dem dazwischenliegenden Schleier zugeführten
Treibstoff hat, was für die Einspritzdüse größtmögliche Si
cherheit bedeutet. Außerdem befindet sich auf diese Weise
bei einem Sauerstoff/Wasserstoff-Gemisch der Wasserstoff in
dem der Verbrennungskammer am nächsten liegenden Hohlraum an
der Einspritzwand, die er damit kühlen kann. Im übrigen
macht das Vorhandensein eines Sauerstroffstromes zwischen
zwei Wasserstoffströmen es möglich, eine innere und eine äu
ßere Flammenfront zu schaffen und damit ein gleichmäßigeres
Temperaturprofil zu erzeugen, das eine bessere Verbrennung
gewährleistet.
Die Versorgung der Einspritzelemente mit dem ersten Treib
stoff erfolgt über eine erste Versorgungskammer, die am Ein
gang dieser Elemente angeordnet ist und über eine erste
Treibstoffzuführleitung versorgt wird. Die Versorgung der
Einspritzelemente mit dem zweiten Treibstoff erfolgt über
eine zweite Versorgungskammer, die durch den im Körper um
die Einspritzelemente herum vorhandenen und durch die Ein
spritzwand begrenzten Raum gebildet wird, wobei die Treib
stoffzufuhr zu dieser zweiten Kammer rechtwinklig zur Symme
trieachse von einer vorteilhafterweise koaxial mit dem Kör
per verbundenen Ringkammer aus erfolgt, in die eine zweite
Treibstoffzuführleitung mündet.
Vorzugsweise ist die erste Versorgungskammer durch eine
Trennplatte in zwei eindeutig unterschiedlich bemessene Räu
me unterteilt, wobei die erste Zuführleitung in den ersten
Raum und der zweite Raum in den Eingang der Einspritzelemen
te mündet und die Platte jeweils gegenüber den Einspritzele
menten mehrere Reihen von Öffnungen aufweist, durch die der
erste Treibstoff aus dem ersten Raum, in dem er unterschied
liche Geschwindigkeiten aufweist, in den zweiten Raum ein
tritt, in dem seine Geschwindigkeit praktisch null ist.
Durch diesen Aufbau wird der Turbulenzabbau des Treibstoffs
verbessert, so daß er den Einspritzelementen mit einer für
alle Elemente gleichen Geschwindigkeit von praktisch null
zugeführt werden kann, so daß an den einzelnen Einspritz
punkten keine unterschiedlichen Ladeverluste auftreten und
ein gleichmäßiger und an allen Punkten des Einspritzelements
gleicher Treibstoffaustritt gewährleistet ist.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung durchsetzen die
Einspritzelemente zum Teil die Einspritzwand, wobei das
freie Ende dieser Elemente gegenüber der Außenfläche dieser
Einspritzwand zurückversetzt ist, wodurch ein umschlossener
Bereich gebildet wird, in dem sich die Vermischung der
Treibstoffe vollzieht.
Dadurch kann der Wasserstoff (bei einem LH₂/LOX-Gemisch)
seine volle Geschwindigkeit behalten, um so die Zerstäubung
der Treibstoffe zu begünstigen und eine bessere Verbrennung
zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfin
dungsgemäße Einspritzdüse achtzehn in zwei konzentrischen
Kränzen angeordnete Einspritzelemente auf, wobei die Abstän
de zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Einspritzele
menten eines Kranzes jeweils gleich sind.
Vorteilhafterweise kann an einem stromaufwärts liegenden
Ende des Verbrennungsorgans ein Mantel angeordnet werden,
der sich in den Körper hinein erstreckt und so einen Ring
raum bildet, der sich zur Einspritzwand hin öffnet und ei
nen integrierten Resonator zur Stabilisierung der Verbren
nung bildet.
Die Einspritzelemente weisen jeweils einen mittleren Ein
spritzkanal, der von einer zweiten Versorgungskammer aus mit
einem zweiten Treibstoff versorgt wird, sowie einen den
mittleren Kanal umgebenden ringförmigen Einspritzspalt auf,
der von einer ersten Versorgungskammer aus mit einem ersten
Treibstoff versorgt wird, wobei die Verbindung zwischen dem
ringförmigen Einspritzspalt und der ersten Versorgungskammer
durch einen den Körper des Einspritzelements parallel zur
Symmetrieachse des Körpers durchdringenden Kalibrierkanal
hergestellt ist und die Verbindung zwischen dem mittleren
Einspritzkanal und der zweiten Versorgungskammer über minde
stens einen den Körper des Einspritzelements rechtwinklig
zur Symmetrieachse des Körpers durchdringenden Kalibrierka
nal erfolgt.
Durch diese Konstruktion wird die Mischzone der beiden
Treibstoffe (insbesondere gegenüber einem mit gleichem
Durchsatz arbeitenden herkömmlichen koaxialen Element) ver
größert und die Länge der Flamme verringert, was eine höhere
Verbrennungsleistung ermöglicht. Wenn die ersten und zweiten
Treibstoffe Sauerstoff bzw. Wasserstoff sind, ermöglicht der
in der Mitte des Elements vorhandene Überschuß an Wasser
stoff eine bessere Kühlung der Verbrennungsgase und ein
gleichmäßigeres Temperaturprofil, was insbesondere bei einem
Gaserzeuger von Vorteil ist, bei dem es vor allem auf eine
möglichst gleichmäßige Austrittstemperatur ankommt. Im übri
gen kann durch maschinelle Bearbeitung der Kanäle im Körper
eine absolute Dichtheit garantiert werden. Ein weiterer Vor
teil dieser besonderen Ausführungsform besteht darin, daß
die Aufteilung des Durchsatzes zwischen dem zentralen Strahl
und dem äußeren Schleier nach Belieben festgelegt werden
kann.
Bei einer Ausführungsvariante weist der Kalibrierkanal des
ersten Treibstoffs einen gekrümmten, vorzugsweise schrauben
linienförmigen Verlauf auf, was eine intensivere Vermischung
und infolgedessen verbesserte Verbrennungseigenschaften er
möglicht. Entsprechend kann der Kalibrierkanal des zweiten
Treibstoffs tangential in diesen mittleren Kanal münden und
damit eine wirbelnde Einspritzung des Treibstoffs gestatten.
Je nach gewünschtem Treibstoffdurchsatz können die Einsprit
zelemente jeweils einen oder mehrere, gleichmäßig um den
zentralen Kanal herum verteilte Kalibrierkanäle aufweisen,
wobei die Kalbrierkanäle des zweiten Treibstoffs sich dar
über hinaus in mehreren Ebenen überlagern können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der
nachfolgenden, nur als Beispiel und nicht einschränkend zu
verstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beilie
genden Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen
Einspritzsystems;
Fig. 1a eine Detailansicht des mit F gekennzeichneten
Details des Systems gemäß Fig. 1;
Fig. 2 eine halbe Unteransicht des zentralen Körpers des
Systems gemäß Fig. 1;
Fig. 3a und 3b ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Einspritzelements mit
trikoaxialem Aufbau;
Fig. 4a und 4b eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels
der Einspritzplatte;
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Einspritzelements mit
trikoaxialem Aufbau; und
Fig. 6a bis 6c Ausführungsvarianten des Aufbaus gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen diametralen Schnitt durch ein erfindungs
gemäßes Einspritzsystem. Das System weist einen Rotations
körper 10 bezüglich einer Symmetrieachse 11 auf, die gleich
zeitig die Rotationsachse des Verbrennungsorgans 12 (zum
Beispiel einer Verbrennungskammer) darstellt, mit der das
Einspritzsystem verbunden werden soll. Der Körper weist
trikoaxial aufgebaute Einspritzelemente mit parallel zur
Symmetrieachse verlaufenden Achsen auf, die jeweils aus ei
nem ringförmigen Spalt bestehen, der mit einem ersten Treib
stoff versorgt wird und eine mit einem zweiten Treibstoff
versorgte zentrale Öffnung umgibt. Zu diesen beiden Ein
spritzkanälen kommt ein dritter Einspritzkanal für den zwei
ten Treibstoff hinzu, der aus einem den ringförmigen Spalt
umgebenden Ringraum besteht derart, daß der aus dem ersten
ringförmigen Spalt austretende Schleier des ersten Treib
stoffs sich zwischen den beiden Strahlen des zweiten Treib
stoffs befindet, wobei diese abwechselnde Anordnung zweiter
Treibstoff - erster Treibstoff - zweiter Treibstoff den vor
genannten trikoaxialen Aufbau ausmacht.
Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel be
steht der Körper 10 aus drei klar getrennten Teilen: Einem
zentralen Teil 10a mit einer gegebenen Anzahl von konzen
trisch um die Symmetrieachse 11 herum angeordneten Ein
spritzelementen 20, einem oberen Teil 10b, der den zentralen
Körper bedeckt und dadurch eine Versorgungskammer 100 für
den ersten Treibstoff ausbildet, wobei die Treibstoffzufuhr
zu dieser Kammer über eine erste, in diese Kammer mündende
Zuführleitung 14 erfolgt, und einem Rotationsteil 10c, der
den zentralen Körper umgibt und eine Versorgungsringkammer
110 für den zweiten Treibstoff ausbildet, der Treibstoff di
rekt über eine zweiten Versorgungsleitung 16 zugeführt wird.
Die erste Kammer 100 dient der Homogenisierung des ersten
Treibstoffs, der durch eine an einem oberen Ende dieser Kam
mer im Bereich ihrer Symmetrieachse ausgebildete und mit der
ersten Zuführleitung 14 verbundene zentrale Einlaßöffnung
105 in diese Kammer gelangt. Die an den zentralen Teil 10a
des Körpers angebaute und über eine zweite Zuführleitung 16
mit Treibstoff versorgte Ringkammer 110 öffnet sich nach in
nen über radiale Einlaßöffnungen 120 gleicher Abmessungen
und vorteilhafterweise langgestreckter Form. Diese Öffnun
gen, die den Körper 10 rechtwinklig zu seiner Symmetrieachse
durchsetzen und sich in radialer Richtung erstrecken, münden
in eine zweite Versorgungskammer 200, die durch den im Kör
per um die Einspritzelemente herum vorhandenen und durch ei
ne Einspritzwand 190 begrenzten Raum ausgebildet ist und so
wohl für den zweiten Treibstoff wie auch für den ersteren
eine homogenisierende Funktion erfüllt. Anzahl und Abmessun
gen dieser radialen Einlaßöffnungen 120 sind derart gewählt,
daß die Versorgung der Einspritzelemente mit dem zweiten
Treibstoff so gleichmäßig wie möglich erfolgt.
Die Versorgung der Einspritzelemente 20 mit dem ersten
Treibstoff erfolgt über das obere Ende der einzelnen Elemen
te, die jeweils in die erste Versorgungskammer 100 münden.
Die Versorgung derselben Einspritzelemente 20 mit dem zwei
ten Treibstoff erfolgt dagegen im Bereich der die zweite
Versorgungskammer 200 durchsetzenden seitlichen Wandung die
ser Elemente.
Vorteilhafterweise weist die erste Versorgungskammer 100
eine Verteilerplatte oder ein Verteilergitter 170 auf, das
ein wenig oberhalb des oberen Endes der Einspritzelemente 20
angeordnet ist und in dieser Kammer zwei Räume deutlich un
terschiedlicher Abmessungen definiert, in deren einem, der
mit 180 gekennzeichnet ist, der erste Treibstoff an jedem
Punkt annähernd gleichen Druck und eine praktisch bei null
liegende Geschwindigkeit aufweist. Hierzu ist die Platte mit
einer Vielzahl von Öffnungen durchsetzt, die nach einem re
gelmäßigen vorbestimmten Muster (siehe Fig. 1a) unmittelbar
oberhalb der einzelnen Einspritzelemente angeordnet sind und
eine bessere Verteilung des Treibstoffs unter gleichzeitiger
Ausschaltung einer bevorzugten Versorgung insbesondere der
mittleren Elemente sicherstellen.
Der zentrale Teil 10a des Körpers 10, der in Form einer
Schale ausgebildet ist, von deren Boden die Einspritzelemen
te ausgehen (wobei diese Elemente auch mit dem Körper ein
zeln verschweißt sein können, aber nicht müssen), wird durch
die Einspritzwand 190 geschlossen, deren Außenfläche zur
Verbrennungskammer 12 weist. Diese Wand, die mit einer der
Zahl der Einspritzelemente entsprechenden Anzahl von Öffnun
gen versehen ist, wird zum Teil von den Einspritzelementen
durchsetzt, wobei die freien Enden dieser Elemente jedoch
gegenüber der Außenfläche zurückversetzt sind, so daß ein
Raum 202 zur Aufnahme des Gemisches ausgebildet wird. Vor
zugsweise ist die Wand 190 am Körper 10 durch eine Schweiß
naht befestigt, wobei durch eine zweite Schweißverbindung
mit einer von dem Körper ausgehenden Mittelsäule 204 eine
bessere Haltbarkeit erzielt werden kann. Die Einspritzwand
ist gegenüber den einzelnen Einspritzelementen jeweils mit
geraden Rillen 194 (oder mit nachfolgend noch zu beschrei
benden gekrümmten Rillen 198) versehen, die in den Raum 202
münden und eine Kalibrierung des Durchsatzes des äußeren
Schleiers des zweiten Treibstoffs ermöglichen.
Vorzugsweise wird die gesamte Einheit, bestehend aus Körper
und Einspritzelementen, unter Anwendung des bekannten Elek
troerosionsverfahrens hergestellt. Dieses Verfahren vermei
det jegliche Schweißstellen und ermöglicht es, die verschie
denen, für die ordnungsgemäße Funktion des erfindungsgemäßen
Einspritzsystems erforderlichen Konzentrizitäten ohne
Schwierigkeiten herzustellen.
Die Verbindung der Einspritzdüse mit dem Verbrennungsorgan,
zum Beispiel einer Verbrennungskammer, erfolgt in herkömmli
cher Weise mittels eines von einem unteren Ende des Körpers
10 ausgehenden Flanschs 130, wobei die Abdichtung zwischen
den beiden Elementen zum Beispiel durch einen an diesem
Flansch angebrachten Dichtring 140 sichergestellt wird. Es
ist jedoch auch eine Schweißverbindung denkbar. Ein Mantel
150 kann an einem Ende in Strömungsrichtung vor der Verbren
nungskammer angeordnet sein und sich derart in den Körper 10
hineinerstrecken, daß ein Ringraum 160 entsteht, der sich
zur Einspritzwand hin öffnet und als integrierter Resonator
zur Stabilisierung der Verbrennung dient.
Die Zündung der Treibstoffe erfolgt mittels eines nicht dar
gestellten, direkt in der Verbrennungskammer 12 angeordneten
Zünders, der von sehr unterschiedlicher Art sein kann. Denk
bar sind zum Beispiel pyrotechnische, elektrische oder aku
stische Zünder.
Fig. 2 zeigt die halbe Unteransicht des zentralen Teils 10a
des Körpers, wobei in einem weggebrochenen Bereich eine der
radialen Eintrittsöffnungen 120 zu erkennen ist, die die
Verbindung zwischen der Versorgungsringkammer 110 und der
zweiten Versorgungskammer 200 herstellt. Bei dem dargestell
ten Beispiel weist der zentrale Körper 10a achtzehn (mit ih
rer Achse parallel zur Rotationsachse 11 verlaufende) Ein
spritzelemente auf, die konzentrisch in zwei Kränzen ange
ordnet sind, wobei die Abstände zweier nebeneinanderliegen
der Elemente eines Kranzes jeweils gleich sind. Selbstver
ständlich ist diese Zahl in keiner Weise einschränkend zu
verstehen; vielmehr sind je nach den erforderlichen Verbren
nungseigenschaften auch mehr oder weniger Elemente möglich.
Die Darstellungen der Fig. 3a und 3b zeigen jeweils ein be
liebiges der vorgenannten Einspritzelemente. Das Element 20
weist die Form eines Pitotrohrs mit vorteilhafterweise
kreisförmigem Querschnitt auf und weist einen sich im we
sentlichen über die Länge des Pitotrohres erstreckenden zen
tralen Einspritzkanal 22 auf mit einem verschlossenen hinte
ren Ende (und einem in Höhe der Einspritzwand austretenden
vorderen Ende) sowie einen ringförmigen Einspritzspalt 24,
der diesen zentralen Kanal umgibt, sich jedoch nur über ei
nen Teil der Länge des Pitotrohres erstreckt und der ein
ebenfalls verschlossenes hinteres Ende (und ein in Höhe der
Einspritzwand austretendes vorderes Ende) aufweist. Der er
ste Treibstoff wird im Blindschlitz 24 von der ersten Ver
sorgungskammer 100 (oder vom Homogenisierraum 180) aus über
Kalibrierkanäle 26 zugeführt, die das Pitotrohr mit parallel
zu dessen Achse verlaufenden Achsen durchsetzen und am ge
schlossenen Ende des Spalts münden und deren Zahl und Abmes
sungen derart gewählt werden, daß der für einen gegebenen
Treibstoffdurchsatz erforderliche Ladeverlust sichergestellt
wird. Der zweite Treibstoff wird dem zentralen Blindkanal 22
von der zweiten Versorgungskammer 200 aus über radiale Kali
brierkanäle 28 zugeführt, die das Pitotrohr in regelmäßiger
Verteilung durchsetzen und in diesen Kanal münden. Je nach
dem gewünschten Treibstoffdurchsatz werden eine oder mehre
re, sich überlagernde Einspritzebenen vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Einspritzsystem arbeitet wie folgt. Der
klareren Darstellung halber wird angenommen, daß es sich bei
dem ersten Treibstoff um Flüssigsauerstoff (LOX), beim zwei
ten Treibstoff um Flüssigwasserstoff (LH₂) handelt. Selbst
verständlich sind auch andere Flüssigtreibstoffe denkbar.
Desgleichen kann der beschriebene Aufbau absolut auch mit
gasförmigem Wasserstoff arbeiten und realisiert werden.
Der Flüssigsauerstoff wird von der Versorgungsleitung 14 aus
über die zentrale Öffnung 105 in den Körper 10 eingespritzt
und gelangt in die Kammer 100, die der Vereinheitlichung
seiner Geschwindigkeit dient und aus der er durch die ver
schiedenen, in der Verteilerplatte 170 vorgesehenen Öffnun
gen austritt. Die Anordnung der einzelnen Öffnungen ist der
art gewählt, daß der Sauerstoff jede der Öffnungen mit glei
cher Geschwindigkeit durchströmt. Der Sauerstoff passiert
die Öffnungen und erreicht den Einlaß der Einspritzelemente
im Bereich der Kalibrierkanäle 26 mit einer Geschwindigkeit,
die praktisch gleich null ist. Nachdem er diese Kanäle pas
siert hat, tritt er in den den zentralen Einspritzkanal 22
(aus dem der Flüssigwasserstoff, dessen Weg nachfolgend noch
beschrieben wird, austritt) umgebenden Ringspalt 24 ein und
aus diesem in Form eines Flüssigkeitsschleiers wieder aus.
Der Flüssigwasserstoff tritt über die Zuführleitung 16 in
die Ringkammer 110 ein und verläßt diese durch die radialen
Kanäle 120, die in die zentrale Versorgungskammer 200 mün
den, in der Wasserstoff bezüglich seiner Geschwindigkeit
über die gesamte Fläche der Einspritzdüse hinweg homogeni
siert wird, bevor er in die einzelnen Einspritzelemente 20
eintritt, und zwar einerseits über die in der Seitenwandung
ausgebildeten radialen Kalibrierkanäle 28, deren Anzahl und
Abmessungen so gewählt werden, daß ein einem gegebenen
Treibstoffdurchsatz entsprechender Ladeverlust erzielt wird,
und andererseits über die in der Einspritzwand (oder, wie
nachfolgend noch beschrieben wird, in den auf die Wandung
aufgelöteten Ansätzen) ausgebildeten Kalibrierrillen 194,
198. Der den Einspritzelementen über die Kalibrierkanäle 28
zugeführte Flüssigwasserstoff gelangt anschließend in den
zentralen Einspritzkanal 22 der einzelnen Elemente, von wo
er in einem vertikalen Strahl austritt und auf die Innenflä
che des Flüssigsauerstoffschleiers auftrifft, der aus dem
die einzelnen zentralen Einspritzkanäle umgebenden Ringspalt
24 austritt. Gleichzeitig gelangt der über die Kalibrierril
len 194, 198 zugeführte Flüssigwasserstoff in den Ringraum
196, aus dem er in einem Flüssigkeitsschleier austritt, der
diesmal auf die Außenfläche des Flüssigsauerstoffschleiers
auftrifft. Daraus entstehen zwei Flammenfronten, eine innere
und eine äußere, die ein sehr gleichmäßiges Temperaturprofil
ermöglichen.
Die Fig. 4a und 4b zeigen eine Ausführungsform der Ein
spritzwand 190 mit aufgesetzten und angelöteten Ansätzen
192, die auf jedem Pitotrohr 20 durch Anlage am unteren In
nenumfang des Ansatzes zentriert sind. Die in diesen Ansät
zen parallel zur Achse des Pitotrohres angebrachten Kalibri
errillen ermöglichen die gewünschte Kalibrierung bei dieser
neuartigen Einspritzung des zweiten Treibstoffs von der
zweiten Kammer 200 aus. Diese in einem das Pitotrohr umge
benden Ringraum 196 stattfindende Einspritzung erzeugt einen
äußeren Treibstoffschleier, der den ersten Treibstoff um
schließt, wobei letzterer sich zwischen diesem äußeren
Schleier und dem zentralen Strahl befindet. Es ist ersicht
lich, daß es durch diese doppelte Zuführung des zweiten
Treibstoffs möglich wird, die Durchsatzverteilung zwischen
dem zentralen Strahl und dem äußeren Flüssigkeitsschleier
sehr frei festzulegen.
Bei Verwendung von LOX/LH₂ kann es im Hinblick auf die un
terschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten dieser Treibstof
fe (10 m/s bzw. 150 m/s) zur Erzielung eines besseren Gemi
sches zweckmäßig sein, den Flüssigsauerstoff in Drehung zu
versetzen. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ein
spritzelements, bei dem die Kalibrierkanäle 26 schraubenli
nienförmig eingebracht sind. Dabei ist es wichtig zu beach
ten, daß bei Anordnung der Kanäle in verschiedenen Ebenen
die radialen Kanäle natürlich so gelegt werden müssen, daß
sie die schraubenlinienförmigen Kanäle nicht schneiden. Die
so gewonnene zusätzliche Austrittsgeschwindigkeit des Flüs
sigsauerstoffs begünstigt die Zerstäubung durch den Flüssig
wasserstoff und ermöglicht eine Vermischung näher der Ein
spritzwand.
Gegebenenfalls kann auch vorgesehen werden, den zweiten
Treibstoff ebenso wie den ersten Treibstoff in Drehung zu
versehen, um die Ausbildung eines die Verbrennung begünsti
genden Nebels zu ermöglichen. Beim zentralen Strahl wird die
Verwirbelungseffekt dadurch erzielt, daß man die Kalibrier
kanäle 28 tangential in den zentralen Kanal 22 (siehe Fig.
6a) münden läßt, während der Verwirbelungseffekt beim äuße
ren Schleier dadurch erzielt wird, daß man schraubenlinien
förmige Kalibrierrillen 198 in der Einspritzplatte anordnet
(siehe Fig. 6a und 6c).
Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau wird eine verbesserte Zu
verlässigkeit der Funktion der erfindungsgemäßen Einspritz
düse erzielt. Die Gefahr interner Leckagen wird durch die
beiden Flüssigkeitsschleier vermieden, und bei Verwendung
von LH₂/LOX verhindert der Umstand, daß der Sauerstoff voll
ständig von Wasserstoff umgeben ist, jede Gefahr des Kon
takts des heißen Sauerstoffs mit den Trennwandungen der Kam
mer. Außerdem ist für die Herstellung der Einspritzdüse -
und dies ist ein wesentlicher Gesichtspunkt - nur eine be
grenzte Anzahl von Teilen, nämlich weniger als zehn (wenn
die Einspritzelemente und der zentrale Körperteil einstückig
ausgebildet werden) erforderlich; diese Zahl liegt ganz we
sentlich unter der Teilezahl aller anderen Einspritzdüsen,
die derzeit mittels der herkömmlichen Techniken hergestellt
werden können und deren Teilezahl im Bereich von etwa hun
dert liegt (hauptsächlich bedingt durch die Ausbildung der
zahlreichen einzelnen Einspritzelemente in zwei Teilen, näm
lich Pitotrohr und Hülse).
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse mit einem um eine
Symmetrieachse 11 umlaufenden Körper 10, der mit mehreren
achsparallel zu dieser Symmetrieachse verlaufenden und eine
Einspritzwand 190 durchdringenden Einspritzelementen 20 aus
gestattet ist, wobei die Einspritzwand am Körper befestigt
ist und die Einspritzdüse von einem damit verbundenen Ver
brennungsorgan 12 trennt. Erfindungsgemäß umfweist jedes
Einspritzelement jeweils einen zentralen Einspritzkanal 22,
dem ein zweiter Treibstoff zugeführt wird, und einen den
zentralen Kanal umgebenden ringförmigen Einspritzspalt 24
auf, dem ein erster Treibstoff zugeführt wird, wobei ein zu
sätzlicher ringförmiger Einspritzkanal für den zweiten
Treibstoff durch einen im Bereich der einzelnen Einsprit
zelemente zwischen deren seitlicher Wandung und der Ein
spritzwand ausgebildeten Raum 196 gebildet wird derart, daß
der aus dem ersten Ringspalt austretende Schleier des ersten
Treibstoffs zwischen dem mittleren Strahl und dem äußeren
Treibstoffschleier angeordnet ist, die jeweils aus dem zwei
ten Treibstoff bestehen.