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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüse (oder einen Düsenkopf)
sowie die zugehörigen trikoaxial
aufgebauten Einspritzelemente für
den Einsatz in Antriebs-Verbrennungsorganen, zum Beispiel der eigentlichen
Antriebskammer oder auch Verbrennungskammern von Gaserzeugern, für ein breites Motorenspektrum.
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Eine
Einspritzdüse
weist mehrere Einspritzelemente auf (üblicherweise zwischen 50 und
100), über
die das Verbrennungsorgan 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 Verbrennung
zu gewährleisten.
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Bei
Motoren, die mit Tiefsttemperatur-Treibstoffen arbeiten, verwendet
man üblicherweise
Einspritzdüsen
mit Einspritzelementen, die koaxiale Strahlen erzeugen. Derartige
Einspritzsysteme sind jedoch nicht für alle Funktionsbedingungen
geeignet. Insbesondere stoßen
sie schnell an ihre Grenzen und ergeben keine befriedigenden Ergebnisse,
wenn hohe Leistungen, d.h. hohe Durchsatzmengen, verlangt werden.
Auch können
von einem derartigen System keine interessanten Ergebnisse bezüglich der
Kosten erwartet werden.
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Das
Patent
US 4 621 492 beschreibt
eine Ausbildung einer Einspritzung, die sich für den Einsatz bei hohen Einspritzleistungen
dadurch besonders eignen soll, daß die verwendeten Einspritzelemente
einen ringförmigen
Aufbau aufweisen, der die Erzeugung zweier nebeneinanderliegender
koaxialer Strahlen ermöglicht.
Allerdings erfolgt diese Leistungssteigerung zum Nachteil der Verbrennung,
die dann nicht mehr optimal ist, wobei insbesondere das Vorhandensein
von flüssigem
Sauerstoff im Bereich des zentralen Körpers des Einspritzelements
die Sicherheit der Einspritzdüse
beträchtlich
verringert und gleichzeitig die Herstellung der Düse erschwert.
Im übrigen
vereinfacht ein derartiger Aufbau in keiner Weise die bis heute
bestehenden Herstellungsprobleme, die auf die große Zahl
der Einzelteile einer solchen Einspritzdüse zurückzuführen sind.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
26 44 607 A1 ist eine Einspritzdüse mit einem eine Symmetrieachse
aufweisenden Rotationskörper
bekannt, welche mehrere achsparallel zu dieser Symmetrieachse verlaufende
Einspritzelemente aufweist. Die Einspritzelemente weisen jeweils
einen zentralen Einspritzkanal auf, dem ein zweiter Treibstoff zugeführt wird, sowie
einen diesen Kanal umgebenden, ringförmigen Einzelspalt, dem ein
erster Treibstoff zugeführt
wird. Die Einspritzelemente durchdringen eine Einspritzwand zu einer
Brennkammer, welche durch den einzuspritzenden Treibstoff gekühlt werden
soll, indem eine Zwangskühlung
der Einspritzwand durch ein in dieser angebrachtes Leitungssystem
mit geringem Leitungsquerschnitt durchgeführt wird.
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Aus
der Patentschrift
DE
857 924 B sowie der
GB
668,748 A sind Einspritzelemente zum Zerstäuben eines
Flüssigkeitsstroms
bekannt, bei denen der zwischen einem zentralen und äußeren Luftstrom liegende
Flüssigkeitsstrom
am Ausgang des Einspritzelements möglichst homogen verteilt austreten
soll. Zu diesem Zweck wird der Flüssigkeitsstrom mit den Luftströmen im Inneren
der Einspritzelemente vermischt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, diese Nachteile der bekannten Technik
durch einen Einspritzdüsenaufbau
zu überwinden,
der auch bei großen
Einspritzmengen hohe Leistungen garantiert. Eine weitere Aufgabe
der Erfindung besteht darin, eine einfache Einspritzdüse mit besonders
wenig Einzelteilen anzugeben und auf diese Weise eine Verringerung
der Herstellungskosten gegenüber
denen der bekannten Düsen
zu ermöglichen.
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Außerdem soll
durch die Erfindung eine zuverlässige
Einspritzdüse
bereitgestellt werden, bei der keine Gefahr von Leckagen besteht,
die zu unerwünschten
Treibstoffgemischen oder zur Entstehung von heißen Stellen und damit zu Verschlechterungen des
Verbrennungsorgans führen
könnten.
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Erfindungsgemäß werden
diese Aufgaben erfüllt
durch eine Einspritzdüse
mit einem Rotationskörper
bezüglich
einer Symmetrieachse, der mit mehreren achsparallel zu dieser Symmetrieachse verlaufenden
und eine Einspritzwand durchdringenden Einspritzelementen ausgestattet
ist, wobei die Einspritzwand am Rotationskörper befestigt ist und die
Einspritzdüse
von einem damit verbundenen Verbrennungsorgan trennt, wobei die
Einspritzelemente jeweils einen zentralen Einspritzkanal, dem ein
zweiter Treibstoff zugeführt
wird, und einen den zentralen Kanal umgebenden ringförmigen Einspritzspalt
aufweisen, dem ein erster Treibstoff zugeführt wird, wobei ein zusätzlicher
ringförmiger
Einspritzkanal für den
zweiten Treibstoff durch einen im Bereich der einzelnen Einspritzelemente
zwischen deren seitlicher Wandung und der Einspritzwand ausgebildeten Raum
gebildet wird derart, dass der aus dem ersten ringförmigen Spalt
austretende vertikale Schleier des ersten Treibstoffs auf seiner
Innenfläche
durch einen vertikalen Strahl beaufschlagt wird, der aus dem zentralen
Einspritzkanal austritt und den zweiten Treibstoff liefert, und
auf seiner Außenfläche durch
einen vertikalen Schleier des zweiten Treibstoffs, der aus dem zusätzlichen
ringförmigen
Einspritzkanal austritt.
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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 Sicherheit
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 äußere Flammenfront
zu schaffen und damit ein gleichmäßigeres Temperaturprofil zu
erzeugen, das eine bessere Verbrennung gewährleistet.
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Die
Versorgung der Einspritzelemente mit dem ersten Treibstoff erfolgt über eine
erste Versorgungskammer, die am Eingang 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 Einspritzwand
begrenzten Raum gebildet wird, wobei die Treibstoffzufuhr zu dieser
zweiten Kammer rechtwinklig zur Symmetrieachse von einer vorteilhafterweise
koaxial mit dem Körper
verbundenen Ringkammer aus erfolgt, in die eine zweite Treibstoffzuführleitung
mündet.
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Vorzugsweise
ist die erste Versorgungskammer durch eine Trennplatte in zwei eindeutig
unterschiedlich bemessene Räume
unterteilt, wobei die erste Zuführleitung
in den ersten Raum und der zweite Raum 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 unterschiedliche
Geschwindigkeiten aufweist, in den zweiten Raum eintritt, in dem
seine Geschwindigkeit praktisch null ist.
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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 Einspritzpunkten keine unterschiedlichen Ladeverluste
auftreten und ein gleichmäßiger und
an allen Punkten des Einspritzelements gleicher Treibstoffaustritt
gewährleistet
ist.
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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.
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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.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die erfindungsgemäße Einspritzdüse achtzehn in
zwei konzentrischen Kränzen
angeordnete Einspritzelemente auf, wobei die Abstände zwischen
jeweils zwei aufeinanderfolgenden Einspritzelementen eines Kranzes
jeweils gleich sind.
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Vorteilhafterweise
kann an einem stromaufwärts
liegenden Ende des Verbrennungsorgans ein Mantel angeordnet werden,
der sich in den Körper
hinein erstreckt und so einen Ringraum bildet, der sich zur Einspritzwand
hin öffnet
und einen integrierten Resonator zur Stabilisierung der Verbrennung
bildet.
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Die
Einspritzelemente weisen einen zentralen Einspritzkanal, der von
einer zweiten Versorgungskammer aus mit einem zweiten Treibstoff
versorgt wird, sowie einen den zentralen 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 mindestens einen den Körper des
Einspritzelements parallel zur Symmetrieachse des Körpers durchdringenden
Kalibrierkanal hergestellt ist und die Verbindung zwischen dem zentralen
Einspritzkanal und der zweiten Versorgungskammer über mindestens
einen den Körper des
Einspritzelements rechtwinklig zur Symmetrieachse des Körpers durchdringenden
Kalibrierkanal erfolgt, wobei die Austrittsöffnungen des zentralen Einspritzkanals
und des ringförmigen
Einspritzspalts in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse
des Körpers
liegen.
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Durch
diese Konstruktion wird die Mischzone der beiden Treibstoffe (insbesondere
gegenüber
einem mit gleichem Durchsatz arbeitenden herkömmlichen koaxialen Element)
vergrößert 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 Wasserstoff 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 übrigen
kann durch maschinelle Bearbeitung der Kanäle im Körper eine absolute Dichtheit
garantiert werden. Ein weiterer Vorteil dieser besonderen Ausführungsform
besteht darin, daß die
Aufteilung des Durchsatzes zwischen dem zentralen Strahl und dem äußeren Schleier
nach Belieben festgelegt werden kann.
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Bei
einer Ausführungsvariante
weist der Kalibrierkanal des ersten Treibstoffs einen gekrümmten, vorzugsweise
schraubenlinienförmigen
Verlauf auf, was eine intensivere Vermischung und infolgedessen verbesserte
Verbrennungseigenschaften ermöglicht. Entsprechend
kann der Kalibrierkanal des zweiten Treibstoffs tangential in diesen
mittleren Kanal münden
und damit eine wirbelnde Einspritzung des Treibstoffs gestatten.
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Je
nach gewünschtem
Treibstoffdurchsatz können
die Einspritzelemente jeweils einen oder mehrere, gleichmäßig um den zentralen
Kanal herum verteilte Kalibrierkanäle aufweisen, wobei die Kalbrierkanäle des zweiten
Treibstoffs sich darüberhinaus
in mehreren Ebenen überlagern
können.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden,
nur als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. In den
Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Querschnitt eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems;
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1a eine
Detailansicht des mit F gekennzeichneten Details des Systems gemäß 1;
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2 eine
halbe Unteransicht des zentralen Körpers des Systems gemäß 1;
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3a und 3b ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Einspritzelements mit
trikoaxialem Aufbau;
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4a und 4b eine
Teilansicht eines Ausführungsbeispiels
der Einspritzplatte;
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzelements
mit trikoaxialem Aufbau; und
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6a bis 6c Ausführungsvarianten des
Aufbaus gemäß 1.
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1 zeigt
einen diametralen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem.
Das System weist einen Rotationskörper 10 bezüglich einer Symmetrieachse 11 auf,
die gleichzeitig 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 einem ringförmigen Spalt
bestehen, der mit einem ersten Treibstoff versorgt wird und eine mit
einem zweiten Treibstoff versorgte zentrale Öffnung umgibt. Zu diesen beiden
Einspritzkanälen kommt
ein dritter Einspritzkanal für
den zweiten Treibstoff hinzu, der aus einem den ringförmigen Spalt
umgebenden Ringraum besteht derart, daß der aus dem ersten ringförmigen Spalt
austretende Schleier des ersten Treibstoffs sich zwischen den beiden
Strahlen des zweiten Treibstoffs befindet, wobei diese abwechselnde
Anordnung zweiter Treibstoff – erster
Treibstoff – zweiter
Treibstoff den vorgenannten trikoaxialen Aufbau ausmacht.
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Bei
dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der
Körper 10 aus
drei klar getrennten Teilen: Einem zentralen Teil 10a mit
einer gegebenen Anzahl von konzentrisch um die Symmetrieachse 11 herum
angeordneten Einspritzelementen 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 direkt über
eine zweiten Versorgungsleitung 16 zugeführt wird.
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Die
erste Kammer 100 dient der Homogenisierung des ersten Treibstoffs,
der durch eine an einem oberen Ende dieser Kammer 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 innen über radiale
Einlaßöffnungen 120 gleicher
Abmessungen und vorteilhafterweise langgestreckter Form. Diese Öffnungen,
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
Körper
um die Einspritzelemente herum vorhandenen und durch eine Einspritzwand 190 begrenzten
Raum ausgebildet ist und sowohl für den zweiten Treibstoff wie
auch für
den ersteren eine homogenisierende Funktion erfüllt. Anzahl und Abmessungen
dieser radialen Einlaßöffnungen 120 sind
derart gewählt,
daß die
Versorgung der Einspritzelemente mit dem zweiten Treibstoff so gleichmäßig wie
möglich
erfolgt.
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Die
Versorgung der Einspritzelemente 20 mit dem ersten Treibstoff
erfolgt über
das obere Ende der einzelnen Elemente, die jeweils in die erste
Versorgungskammer 100 münden.
Die Versorgung derselben Einspritzelemente 20 mit dem zweiten
Treibstoff erfolgt dagegen im Bereich der die zweite Versorgungskammer 200 durchsetzenden
seitlichen Wandung dieser Elemente.
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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 regelmäßigen vorbestimmten
Muster (siehe 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.
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Der
zentrale Teil 10a des Körpers 10,
der in Form einer Schale ausgebildet ist, von deren Boden die Einspritzelemente
ausgehen (wobei diese Elemente auch mit dem Körper einzeln 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 Öffnungen
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. Vorzugsweise
ist die Wand 190 am Körper 10 durch
eine Schweißnaht
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 beschreibenden gekrümmten Rillen 198)
versehen, die in den Raum 202 münden und eine Kalibrierung
des Durchsatzes des äußeren Schleiers
des zweiten Treibstoffs ermöglichen.
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Vorzugsweise
wird die gesamte Einheit, bestehend aus Körper und Einspritzelementen,
unter Anwendung des bekannten Elektroerosionsverfahrens hergestellt.
Dieses Verfahren vermeidet jegliche Schweißstellen und ermöglicht es,
die verschiedenen, für
die ordnungsgemäße Funktion
des erfindungsgemäßen Einspritzsystems
erforderlichen Konzentrizitäten
ohne Schwierigkeiten herzustellen.
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Die
Verbindung der Einspritzdüse
mit dem Verbrennungsorgan, zum Beispiel einer Verbrennungskammer,
erfolgt in herkömmlicher
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 Verbrennungskammer 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.
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Die
Zündung
der Treibstoffe erfolgt mittels eines nicht dargestellten, direkt
in der Verbrennungskammer 12 angeordneten Zünders, der
von sehr unterschiedlicher Art sein kann. Denkbar sind zum Beispiel
pyrotechnische, elektrische oder akustische Zünder.
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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 dargestellten
Beispiel weist der zentrale Körper 10a achtzehn
(mit ihrer Achse parallel zur Rotationsachse 11 verlaufende)
Ein spritzelemente auf, die konzentrisch in zwei Kränzen angeordnet
sind, wobei die Abstände
zweier nebeneinanderliegender Elemente eines Kranzes jeweils gleich
sind. Selbstverständlich ist
diese Zahl in keiner Weise einschränkend zu verstehen; vielmehr
sind je nach den erforderlichen Verbrennungseigenschaften auch mehr
oder weniger Elemente möglich.
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Die
Darstellungen der 3a und 3b zeigen
jeweils ein beliebiges der vorgenannten Einspritzelemente. Das Element 20 weist
die Form eines Pitotrohrs mit vorteilhafterweise kreisförmigem Querschnitt
auf und weist einen sich im wesentlichen über die Länge des Pitotrohres erstreckenden
zentralen Einspritzkanal 22 auf mit einem verschlossenen
hinteren Ende (und einem in Höhe
der Einspritzwand austretenden vorderen Ende) sowie einen ringförmigen Einspritzspalt 24,
der diesen zentralen Kanal umgibt, sich jedoch nur über einen
Teil der Länge
des Pitotrohres erstreckt und der ein ebenfalls verschlossenes hinteres
Ende (und ein in Höhe
der Einspritzwand austretendes vorderes Ende) aufweist. Der erste
Treibstoff wird im Blindschlitz 24 von der ersten Versorgungskammer 100 (oder
vom Homogenisierraum 180) aus über Kalibrierkanäle 26 zugeführt, die das
Pitotrohr mit parallel zu dessen Achse verlaufenden Achsen durchsetzen
und am geschlossenen Ende des Spalts münden und deren Zahl und Abmessungen
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 Kalibrierkanäle 28 zugeführt, die
das Pitotrohr in regelmäßiger Verteilung
durchsetzen und in diesen Kanal münden. Je nach dem gewünschten
Treibstoffdurchsatz werden eine oder mehrere, sich überlagernde
Einspritzebenen vorgesehen.
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Das
erfindungsgemäße Einspritzsystem
arbeitet wie folgt: Der klareren Darstellung halber wird angenommen,
daß es
sich bei dem ersten Treibstoff um Flüssigsauerstoff (LOX), beim
zweiten Treibstoff um Flüssigwasserstoff
(LH2) handelt. Selbstverständlich sind
auch andere Flüssigtreibstoffe
denkbar. Desgleichen kann der beschriebene Aufbau absolut auch mit
gasförmigem
Wasserstoff arbeiten und realisiert werden.
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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 verschiedenen, in
der Verteilerplatte 170 vorgesehenen Öffnungen austritt. Die Anordnung
der einzelnen Öffnungen
ist derart gewählt,
daß der
Sauerstoff jede der Öffnungen
mit gleicher 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 passiert
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.
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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 münden, in
der Wasserstoff bezüglich
seiner Geschwindigkeit über
die gesamte Fläche
der Einspritzdüse
hinweg homogenisiert 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 Innenfläche des
Flüssigsauerstoffschleiers
auftrifft, der aus dem die einzelnen zentralen Einspritzkanäle umgebenden Ringspalt 24 austritt.
Gleichzeitig gelangt der über
die Kalibrierrillen 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.
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Die 4a und 4b zeigen
eine Ausführungsform
der Einspritzwand 190 mit aufgesetzten und angelöteten Ansätzen 192,
die auf jedem Pitotrohr 20 durch Anlage am unteren Innenumfang
des Ansatzes zentriert sind. Die in diesen Ansätzen parallel zur Achse des
Pitotrohres angebrachten Kalibrierrillen ermöglichen die gewünschte Kalibrierung bei
dieser neuartigen Einspritzung des zweiten Treibstoffs von der zweiten
Kammer 200 aus. Diese in einem das Pitotrohr umgebenden
Ringraum 196 stattfindende Einspritzung erzeugt einen äußeren Treibstoffschleier,
der den ersten Treibstoff umschließt, wobei letzterer sich zwischen
diesem äußeren Schleier
und dem zentralen Strahl befindet. Es ist ersichtlich, daß es durch
diese doppelte Zuführung
des zweiten Treibstoffs möglich
wird, die Durchsatzverteilung zwischen dem zentralen Strahl und
dem äußeren Flüssigkeitsschleier sehr
frei festzulegen.
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Bei
Verwendung von LOX/LH2 kann es im Hinblick
auf die unterschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten dieser Treibstoffe
(10 m/s bzw. 150 m/s) zur Erzielung eines besseren Gemisches zweckmäßig sein,
den Flüssigsauerstoff
in Drehung zu versetzen. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
eines Einspritzelements, bei dem die Kalibrierkanäle 26 schraubenlinienförmig eingebracht
sind. Dabei ist es wichtig zu beachten, 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 Flüssigsauerstoffs
begünstigt
die Zerstäubung
durch den Flüssigwasserstoff
und ermöglicht
eine Vermischung näher der
Einspritzwand.
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Gegebenenfalls
kann auch vorgesehen werden, den zweiten Treibstoff ebenso wie den
ersten Treibstoff in Drehung zu versehen, um die Ausbildung eines
die Verbrennung begünstigenden
Nebels zu ermöglichen.
Beim zentralen Strahl wird die Verwirbelungseffekt dadurch erzielt,
daß man
die Kalibrierkanäle 28 tangential
in den zentralen Kanal 22 (siehe 6a) münden läßt, während der
Verwirbelungseffekt beim äußeren Schleier
dadurch erzielt wird, daß man
schraubenlinienförmige
Kalibrierrillen 198 in der Einspritzplatte anordnet (siehe 6a und 6c).
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Mit
dem erfindungsgemäßen Aufbau
wird eine verbesserte Zuverlässigkeit
der Funktion der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 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 Kontakts des heißen Sauerstoffs
mit den Trennwandungen der Kammer. Außerdem ist für die Herstellung
der Einspritzdüse – und dies
ist ein wesentlicher Gesichtspunkt – nur eine begrenzte Anzahl
von Teilen, nämlich
weniger als zehn (wenn die Einspritzelemente und der zentrale Körperteil
einstückig
ausgebildet werden) erforderlich; diese Zahl liegt ganz wesentlich
unter der Teilezahl aller anderen Einspritzdüsen, die derzeit mittels der
herkömmlichen Techniken
hergestellt werden können
und deren Teilezahl im Bereich von etwa hundert liegt (hauptsächlich bedingt
durch die Ausbildung der zahlreichen einzelnen Einspritzelemente
in zwei Teilen, nämlich
Pitotrohr und Hülse).
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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 ausgestattet
ist, wobei die Einspritzwand am Körper befestigt ist und die
Einspritzdüse
von einem damit verbundenen Verbrennungsorgan 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 zusätzlicher
ringförmiger
Einspritzkanal für den
zweiten 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 austretende Schleier des ersten Treibstoffs
zwischen dem mittleren Strahl und dem äußeren Treibstoffschleier angeordnet
ist, die jeweils aus dem zweiten Treibstoff bestehen.