DE4438495B4 - Einspritzsystem und zugehörige trikoaxiale Einspritzelemente - Google Patents

Einspritzsystem und zugehörige trikoaxiale Einspritzelemente Download PDF

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Abstract

Einspritzdüse mit einem Rotationskörper (10) bezüglich einer Symmetrieachse (11), der mit mehreren achsparallel zu dieser Symmetrieachse verlaufenden und eine Einspritzwand (190) durchdringenden Einspritzelementen (20) ausgestattet ist, wobei die Einspritzwand am Rotationskörper befestigt ist und die Einspritzdüse von einem damit verbundenen Verbrennungsorgan (12) trennt, wobei die Einspritzelemente jeweils einen zentralen Einspritzkanal (22), dem ein zweiter Treibstoff zugeführt wird, und einen den zentralen Kanal umgebenden ringförmigen Einspritzspalt (24) aufweisen, dem ein erster Treibstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass 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 ringförmigen Spalt austretende vertikale Schleier des ersten Treibstoffs auf seiner Innenfläche durch einen vertikalen Strahl beaufschlagt wird, der aus dem zentralen Einspritzkanal (22) austritt und den zweiten Treibstoff liefert, und auf seiner Außenfläche durch einen vertikalen Schleier des zweiten Treibstoffs, der...

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 erfindungsgemäße Einspritzdüse achtzehn in zwei konzentrischen Kränzen angeordnete Einspritzelemente auf, wobei die Abstände zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Einspritzelementen 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 Ringraum bildet, der sich zur Einspritzwand hin öffnet und einen integrierten Resonator zur Stabilisierung der Verbrennung bildet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems;
  • 1a eine Detailansicht des mit F gekennzeichneten Details des Systems gemäß 1;
  • 2 eine halbe Unteransicht des zentralen Körpers des Systems gemäß 1;
  • 3a und 3b ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzelements mit trikoaxialem Aufbau;
  • 4a und 4b eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels der Einspritzplatte;
  • 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzelements mit trikoaxialem Aufbau; und
  • 6a bis 6c Ausführungsvarianten des Aufbaus gemäß 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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).
  • 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.

Claims (14)

  1. Einspritzdüse mit einem Rotationskörper (10) bezüglich einer Symmetrieachse (11), der mit mehreren achsparallel zu dieser Symmetrieachse verlaufenden und eine Einspritzwand (190) durchdringenden Einspritzelementen (20) ausgestattet ist, wobei die Einspritzwand am Rotationskörper befestigt ist und die Einspritzdüse von einem damit verbundenen Verbrennungsorgan (12) trennt, wobei die Einspritzelemente jeweils einen zentralen Einspritzkanal (22), dem ein zweiter Treibstoff zugeführt wird, und einen den zentralen Kanal umgebenden ringförmigen Einspritzspalt (24) aufweisen, dem ein erster Treibstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass 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 ringförmigen Spalt austretende vertikale Schleier des ersten Treibstoffs auf seiner Innenfläche durch einen vertikalen Strahl beaufschlagt wird, der aus dem zentralen Einspritzkanal (22) austritt und den zweiten Treibstoff liefert, und auf seiner Außenfläche durch einen vertikalen Schleier des zweiten Treibstoffs, der aus dem zusätzlichen ringförmigen Einspritzkanal austritt.
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung des Einspritzelements mit dem ersten Treibstoff über eine erste Versorgungskammer (100) erfolgt, die am Eingang dieser Elemente angeordnet ist und über eine erste Treibstoffzuführleitung (14) versorgt wird.
  3. Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Versorgungskammer durch ei ne Trennplatte (170) in zwei eindeutig unterschiedlich bemessene Räume unterteilt wird, wobei die erste Zuführleitung 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 unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweist, in den zweiten Raum eintritt, in dem seine Geschwindigkeit praktisch null ist.
  4. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung des Einspritzelements mit dem zweiten Treibstoff über eine zweite Versorgungskammer (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 Treibstoffzuführleitung (16) mündet.
  5. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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. Einspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzwand aus einer Platte (190) besteht, auf der mehrere jeweils gleitend auf einem Einspritzelement (20) zentrierte Ansätze (192) befestigt sind, wobei die Ansätze jeweils innere Rillen (194, 198) aufweisen, die Kalibrierkanäle für den zweiten Treibstoff vor dessen Einspritzung in den zwischen dem betreffenden Ansatz und der entsprechenden seitlichen Wandung des Einspritzelements bestehenden zusätzlichen Ringraum (196) bilden.
  7. 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 Treibstoffs zu ermöglichen.
  8. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse achtzehn in zwei konzentrischen Kränzen angeordnete Einspritzelemente aufweist, wobei die Abstände zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden Düsen eines Kranzes jeweils gleich sind.
  9. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß darüberhinaus an einem stromaufwärts liegenden Ende des Verbrennungsorgans ein Mantel (150) angeordnet ist, der sich in den Körper (10) hinein erstreckt und so einen Ringraum (160) bildet, der sich zur Einspritzwand (190) hin öffnet und einen integrierten Resonator zur Stabilisierung der Verbrennung bildet.
  10. Einspritzelement für ein mit zwei Treibstoffen arbeitendes Verbrennungsorgan mit einem Rotationskörper, das einen zentralen Einspritzkanal (22), der von einer zweiten Versorgungskammer (200) aus mit einem zweiten Treibstoff versorgt wird, sowie einen den zentralen Kanal umgebenden ringförmigen Einspritzspalt (24) aufweist, der von einer ersten Versorgungskammer (100) aus mit einem ersten Treibstoff versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem ringförmigen Einspritzspalt (24) und der ersten Versorgungskammer (100) durch mindestens einen den Körper des Einspritzelements parallel zur Symmetrieachse des Körpers durchdringenden Kalibrierkanal (26) hergestellt ist und die Verbindung zwischen dem zentralen Einspritzkanal (22) und der zweiten Versorgungskammer (200) über mindestens einen den Körper des Einspritzelements rechtwinklig zur Symmetrieachse des Körpers durchdringenden Kalibrierkanal (28) erfolgt, wobei die Austrittsöffnungen des zentralen Einspritzkanals (22) und des ringförmigen Einspritzspalts (24) in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Körpers liegen.
  11. Einspritzelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierkanal des ersten Treibstoffs einen gekrümmten, vorteilhafterweise schraubenlinienförmigen Verlauf aufweist.
  12. Einspritzelement nach Anspruch 10 mit mehreren Kalibrierkanälen für den ersten Treibstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierkanäle gleichmäßig um den zentralen Kanal verteilt sind.
  13. Einspritzelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierkanal für den zweiten Treibstoff tangential in den zentralen Kanal mündet.
  14. Einspritzelement nach Anspruch 10 mit mehreren Kalibrierkanälen für den zweiten Treibstoff, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kalibrierkanäle gleichmäßig um den zentralen Kanal verteilt sind und sich in mindestens einer Ebene überlagern.
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