DE4438495A1 - Einspritzsystem und zugehörige trikoaxiale Einspritzelemente - Google Patents

Description

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.

Claims (14)

1. Einspritzdüse mit einem Rotationskörper (10) bezüglich einer Symmetrieachse (11), der mit mehreren achsparal­ lel zu dieser Symmetrieachse verlaufenden und eine Ein­ spritzwand (190) durchdringenden Einspritzelementen (20) ausgestattet ist, wobei die Einspritzwand am Kör­ per befestigt ist und die Einspritzdüse von einem damit verbundenen Verbrennungsorgan (12) trennt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspritzelemente jeweils einen zentralen Einspritzkanal (22), dem ein zweiter Treib­ stoff zugeführt wird, und einen den zentralen Kanal um­ gebenden ringförmigen Einspritzspalt (24) aufweisen, dem ein erster Treibstoff zugeführt wird, und daß ein zusätzlicher ringförmiger Einspritzkanal für den zwei­ ten Treibstoff durch einen im Bereich der einzelnen Einspritzelemente zwischen deren seitlicher Wandung und der Einspritzwand ausgebildeten Raum (196) gebildet wird derart, daß der aus dem ersten Ringspalt austre­ tende Schleier des ersten Treibstoffs zwischen dem mittleren Strahl und dem äußeren Treibstoffschleier an­ geordnet ist, die jeweils aus dem zweiten Treibstoff bestehen.

2. Trikoaxiale Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versorgung des Einspritzelements mit dem ersten Treibstoff über eine erste Versorgungs­ kammer (100) erfolgt, die am Eingang dieser Elemente angeordnet ist und über eine erste Treibstoffzuführlei­ tung (14) versorgt wird.

3. Trikoaxiale Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Versorgungskammer durch ei­ ne Trennplatte (170) in zwei eindeutig unterschiedlich bemessene Räume unterteilt wird, wobei die erste Zu­ führleitung in den ersten Raum und der zweite Raum (180) in den Eingang der Einspritzelemente mündet und die Platte jeweils gegenüber den Einspritzelementen mehrere Reihen von Öffnungen aufweist, durch die der erste Treibstoff aus dem ersten Raum, in dem er unter­ schiedliche Geschwindigkeiten aufweist, in den zweiten Raum eintritt, in dem seine Geschwindigkeit praktisch null ist.

4. Trikoaxiale Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versorgung des Einspritzelements mit dem zweiten Treibstoff über eine zweite Versor­ gungskammer (200) erfolgt, die durch den im Körper um die Einspritzelemente herum vorhandenen und durch die Einspritzwand begrenzten Raum gebildet ,wird, wobei die Treibstoffzufuhr zu dieser zweiten Kammer rechtwinklig zur Symmetrieachse (11) von einer vorteilhafterweise koaxial mit dem Körper (10) verbundenen Ringkammer (110) aus erfolgt, in die eine zweite Treibstoffzuführ­ leitung (16) mündet.

5. Trikoaxiale Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspritzelemente zum Teil die Einspritzwand durchsetzen, wobei das freie Ende dieser Elemente gegenüber der Außenfläche dieser Einspritzwand zurückversetzt ist, wodurch ein umschlossener Bereich (202) gebildet wird, in dem sich die Vermischung der Treibstoffe vollzieht.

6. Trikoaxiale Einspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspritzwand aus einer Platte (190) besteht, auf der mehrere jeweils gleitend auf ei­ nem Einspritzelement (20) zentrierte Ansätze (192) be­ festigt sind, wobei die Ansätze jeweils innere Rillen (194, 198) aufweisen, die Kalibrierkanäle für den zwei­ ten Treibstoff vor dessen Einspritzung in den zwischen dem betreffenden Ansatz und der entsprechenden seitli­ chen Wandung des Einspritzelements bestehenden zusätz­ lichen Ringraum (196) bilden.

7. Trikoaxiale Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzwand oder der Ansatz schraubenlinienförmige Rillen (198) aufweist, um eine Wirbelbewegung des zweiten Treib­ stoffs zu ermöglichen.

8. Trikoaxiale Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse achtzehn in zwei konzentrischen Kränzen angeordnete Einspritzele­ mente aufweist, wobei die Abstände zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden Düsen eines Kranzes jeweils gleich sind.

9. Trikoaxiale Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß darüberhinaus an ei­ nem stromaufwärts liegenden Ende des Verbrennungsorgans ein Mantel (150) angeordnet ist, der sich in den Körper (10) hinein erstreckt und so einen Ringraum (160) bil­ det, der sich zur Einspritzwand (190) hin öffnet und einen integrierten Resonator zur Stabilisierung der Verbrennung bildet.

10. Einspritzelement für ein mit zwei Treibstoffen arbei­ tendes Verbrennungsorgan mit einem Rotationskörper (20), dadurch gekennzeichnet, daß es einen zentralen Einspritzkanal (22), der von einer zweiten Versorgungs­ kammer (200) aus mit einem zweiten Treibstoff versorgt wird, sowie einen den zentralen Kanal umgebenden ring­ förmigen Einspritzspalt (24) aufweist, der von einer ersten Versorgungskammer (100) aus mit einem ersten Treibstoff versorgt wird, wobei die Verbindung zwischen dem ringförmigen Einspritzspalt (24) und der ersten Versorgungskammer (100) durch mindestens einen den Kör­ per des Einspritzelements parallel zur Symmetrieachse des Körpers durchdringenden Kalibrierkanal (26) herge­ stellt ist und die Verbindung zwischen dem zentralen Einspritzkanal (22) und der zweiten Versorgungskammer (200) über mindestens einen den Körper des Einsprit­ zelements rechtwinklig zur Symmetrieachse des Körpers durchdringenden Kalibrierkanal (28) erfolgt.

11. Einspritzelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kalibrierkanal des ersten Treibstoffs ei­ nen gekrümmten, vorteilhafterweise schraubenlinienför­ migen Verlauf aufweist.

12. Einspritzelement nach Anspruch 10 mit mehreren Kali­ brierkanälen für den ersten Treibstoff, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kalibrierkanäle gleichmäßig um den zentralen Kanal verteilt sind.

13. Einspritzelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kalibrierkanal für den zweiten Treibstoff tangential in den zentralen Kanal mündet.

14. Einspritzelement nach Anspruch 10 mit mehreren Kali­ brierkanälen für den zweiten Treibstoff, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kalibrierkanäle gleichmäßig um den zentralen Kanal verteilt sind und sich in minde­ stens einer Ebene überlagern.