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Dokumentenidentifikation DE102004006665B4 21.06.2007
Titel Einspritzelement in Koaxialbauweise mit zwei Brennzonen
Anmelder EADS Space Transportation GmbH, 28199 Bremen, DE
Erfinder Maeding, Chris Udo, Dipl.-Ing., 85716 Unterschleißheim, DE
Vertreter Ulrich, T., Dipl.-Phys. Univ., Pat.-Ass., 81739 München
DE-Anmeldedatum 11.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004006665
Offenlegungstag 08.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse F02K 9/52(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzelement in Koaxialbauweise, insbesondere für ein Raketentriebwerk, aufweisend eine erste, zentrale Einspritzanordnung mit mindestens einer ersten Einspritzöffnung und mindestens eine zweite Einspritzanordnung, welche koaxial zur ersten Einspritzanordnung angeordnet ist, mit mindestens einer zweiten Einspritzöffnung. Solche Einspritzelemente sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Es wird beispielhaft auf die Druckschriften DE 101 30 355 A1, DE 43 05 154 C1, DE 44 38 495 A1, DE 100 15 369 A1, EP 0 924 424 A2 und EP 0 344 463 A1 verwiesen.

Einspritzelemente für Raketentriebwerke können entweder im Einspritzkopf des Raketentriebwerkes oder auch in einem Gasgenerator des Raketentriebwerkes Verwendung finden. Hierzu wird auf US 6,212,878 B1 verwiesen. Bei einer Verwendung in einem Gasgenerator sind in der Regel andere Vorgaben zu beachten als bei einer Verwendung im Einspritzkopf des Raketentriebwerkes. Die Einspritzelemente dienen dabei Aufbereitung eines Gemisches aus mindestens zwei Treibstoffkomponenten und zur Gewährleistung einer optimalen Verbrennung. Die Besonderheit der Gasgenerator-Einspritzelemente besteht in der Notwendigkeit der Erzeugung entweder eines sehr brennstoffreichen oder sehr oxydatorreichen Treibstoffgemisches. Eine solche Notwendigkeit kann aber auch bei anderen Anwendungen auftreten. Weiterhin können durch die Verbrennung des Treibstoffgemisches sehr hohe Temperaturen im Bereich des Einspritzelements auftreten, die zu einer Schädigung des Einspritzelements führen können.

Die US 3,662,960 betrifft einen Einspritzventilkopf für einen Raketenmotor mit zwei Treibstoffen, wobei der eine Treibstoff den Einspritzventilkopf in einem flüssigen Zustand erreicht und der andere Treibstoff in einem gasförmigen Zustand. Der beschriebene Einspritzventilkopf weist mehrere Mehrfachverteiler auf, welche durch Platten gebildet werden, die hinter der Frontplatte angeordnet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Einspritzelement bereitzustellen, das den o.g. Anforderungen genügt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gegenstand gemäß Patentanspruchs 1. Die Erfindung umfasst ein Einspritzelement in Koaxialbauweise, insbesondere für ein Raketentriebwerk, aufweisend

  • – eine erste, zentrale Einspritzanordnung mit mindestens einer ersten Einspritzöffnung und
  • – mindestens eine zweite Einspritzanordnung, welche koaxial zur ersten Einspritzanordnung angeordnet ist, mit mindestens einer zweiten Einspritzöffnung.

Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, dass das Einspritzelement folgendes aufweist:

  • – eine erste Brennzone, in die die ersten und zweiten Einspritzöffnungen einmünden,
  • – eine zweite Brennzone, welche stromabwärts der ersten Brennzone angeordnet ist, in die mindestens eine dritte Einspritzöffnung einer dritten Einspritzanordnung einmündet, welche koaxial zur ersten und zweiten Einspritzanordnung angeordnet ist und
  • – die zweite Brennzone einen Übergangsbereich aufweist, der an die erste Brennzone angrenzt, wobei sich in dem Übergangsbereich der Durchmesser der zweiten Brennzone in Strömungsrichtung stetig vergrößert.

Es ergibt sich damit eine Möglichkeit für eine gestufte Zuführung von Treibstoffen, wobei in einer ersten Brennzone bereits ein brennbares Treibstoffgemisch erzeugt werden kann, welches in der zweiten Brennzone durch die dort einmündenden weiteren Einspritzöffnungen noch weiter angereichert werden kann. Damit kann in der ersten Brennzone eine sichere und stabile Verbrennung initiiert werden, was durch ein bereits dort übermäßig angereichertes Gemisch verhindert werden könnte. Die Anreicherung des Gemisches der Treibstoffkomponenten wird also räumlich von der Entzündung des Gemisches entkoppelt. Man erreicht insgesamt also eine verbesserte Verbrennung und Anreicherung durch die Bereitstellung von zwei in Strömungsrichtung nacheinander angeordneten Brennzonen. Durch die koaxiale Anordnung der dritten Einspritzeinrichtung können außerdem noch Kühleffekte für das Material des Einspritzelements in diesem Bereich erzielt werden, wie noch im folgenden detailliert ausgeführt wird.

Es wird bei dieser Ausgestaltung also keine abrupte Stufe vorgesehen, sondern ein stetiger Übergang von dem Durchmesser der ersten Brennzone zum Durchmesser der zweiten Brennzone.

Insbesondere kann vorgesehen werden dass die zweite Brennzone quer zur Strömungsrichtung einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der ersten Brennzone. Es erfolgt also eine Aufweitung von der ersten zur zweiten Brennzone. Dadurch wird eine turbulente Strömung erzeugt, die für eine bessere Durchmischung des Treibstoffgemisches sorgt. Somit wird ein sehr gleichmäßiges Temperaturfeld am Ende der zweiten Brennzone garantiert, d.h. dass über den Austrittsquerschnitt des Einspritzelements nur geringe Temperaturunterschiede bestehen. Dies ist erforderlich, da insbesondere bei Gasgeneratoren die auf die Turbinen auftreffenden Gasströme eine möglichst homogene Temperaturverteilung aufweisen müssen. Aufgrund der oben genannten Maßnahmen kann diese homogene Temperaturverteilung mit einer relativ kurzen Baulänge des Einspritzelements erreicht werden.

Gleichzeitig kann bevorzugt vorgesehen werden, dass die mindestens eine dritte Einspritzöffnung im Übergangsbereich in die zweite Brennzone einmündet. Dies hat den Vorteil, dass einerseits der Treibstoffanteil, der in der zweiten Zone zugeführt wird, durch die turbulente Strömung im Übergangsbereich besser mit dem übrigen Treibstoffgemisch vermischt wird. Andererseits ergibt sich aufgrund des stetigen Übergangs zum Durchmesser der zweiten Zone eine Abschrägung der dritten Einspritzöffnungen, so dass zum Zentrum des Einspritzelements hin bereits eine Verwirbelung des zugeführten Treibstoffanteils beginnt, während zur Wand hin die Treibstoffkomponente noch im Kontakt mit dem Wandmaterial ist und damit noch eine Kühlung der Wand bewirken kann.

Die dritte Einspritzanordnung kann so ausgebildet sein, dass sie die erste Brennzone koaxial in Form von Kanälen umgibt. Es sind dabei also Kanäle in der Wand des Einspritzelements im Bereich der ersten Brennzone vorgesehen, in denen eine Treibstoffkomponente zur zweiten Brennzone geleitet wird. Da diese Treibstoffkomponente regelmäßig eine geringere Temperatur aufweist als die Wand des Einspritzelements, die mit den Verbrennungsgasen in der ersten Brennzone in Kontakt ist, wird durch die Kanäle eine Kühlung der Wand des Einspritzelements bewirkt und damit dessen Lebensdauer erhöht.

Weiterhin wird bevorzugt vorgesehen, dass die erste Einspritzanordnung mit einem ersten Einlass für eine erste Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden ist und die zweite und dritte Einspritzanordnung mit einem gemeinsamen zweiten Einlass für eine zweite Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden sind. Es wird also eine erste, zentral eingespritzte Treibstoffkomponente mit zwei aufeinanderfolgenden Einspritzströmen einer zweiten Treibstoffkomponente vermischt, die die erste Treibstoffkomponente koaxial umgeben. Dadurch wird eine besonders günstige und regelmäßige Vermischung und Anreicherung erzielt.

Mehrere der vorgenannten Einspritzelemente können auch zu einer größeren Einspritzanordnung zusammengefasst werden, wobei mindestens zwei Einspritzelemente sowie eine stromabwärts der Einspritzelemente angeordnete, den Einspritzelementen gemeinsame, dritte Brennzone vorgesehen wird. Hierbei treten keinerlei Änderungen des Frequenzverhaltens der Einspritzelemente im Vergleich zu den einzelnen Einspritzelementen auf, da die geometrischen Abmessungen der ersten und zweiten Brennzone der Einspritzelemente grundsätzlich unverändert beibehalten werden können. Es kann aber auch die zweite Brennzone jedes der Einspritzelemente verkürzt ausgebildet werden, da in der dritten, gemeinsamen Brennzone der Durchmischungsprozess der Treibstoffe fortgesetzt wird. Dabei bleibt aber zumindest das Frequenzverhalten in der ersten Brennzone eines jeden Einspritzelements unverändert. Die Einspritzelemente können also für sich optimiert und dann in beliebiger Anzahl in Einspritzanordnungen integriert werden. Somit können ohne wesentliche technische Einschränkungen beinahe beliebig große Einspritzanordnungen für beliebig große Gasgeneratoren oder Einspritzköpfe bereitgestellt werden.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Verbindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 5 beschrieben. Es zeigen:

1 Schematische Darstellung des Aufbaus des Zweizonen-Einspritzelements

2 Darstellung der dritten Einspritzanordnung in Form von Kanälen

3 Schnittzeichnung der ersten und zweiten Brennzone des Einspritzelements

4 Detaildarstellung des Übergangsbereiches zur zweiten Brennzone

5 Darstellung der Einspritzung in die erste Brennzone

6 Darstellung einer Einspritzanordnung mit mehreren Einspritzelementen

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einspritzelements. Dieses weist eine erste, zentrale Einspritzanordnung 1 auf, welche eine erste Einspritzöffnung 2 aufweist, die zentral in eine erste Brennzone 5 mündet. Die erste Einspritzanordnung 1 ist über Bohrungen 15 mit einem ersten Einlass 11 für eine erste Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden. Als erste Treibstoffkomponente ist in diesem Beispiel Kerosin vorgesehen.

Die erste Einspritzanordnung 1 ist koaxial von einer ringförmigen zweiten Einspritzanordnung 3 umgeben, von welcher Bohrungen ausgehen, die über mehrere, ringförmig angeordnete Einspritzöffnungen 4 ebenfalls in die erste Brennzone 5 einmünden. Die Einspritzöffnungen 2 und 4 liegen dabei in einer gemeinsamen Ebene, welche sich senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckt. Die zweite Einspritzanordnung 3 weist einen zweiten Einlass 12 für eine zweite Treibstoffkomponente auf. Als zweite Treibstoffkomponente ist in diesem Beispiel ein Oxidator (GOX) vorgesehen.

In der Wand 10 des Einspritzelements ist im Bereich der ersten Brennzone 5 eine dritte Einspritzanordnung 8 vorgesehen, welche in 2 in einer transparenten Darstellung des Einspritzelements deutlich wird. Die dritte Einspritzanordnung 8 wird dabei durch mehrere, ringförmig in der Wand 10 angeordnete Kanäle gebildet, die jeweils im Bereich einer zweiten Brennzone 6 in eine Einspritzöffnung 7 münden. Die dritte Einspritzanordnung 8 ist über die ringförmige zweite Einspritzanordnung 7 mit dem zweiten Einlass 12 für die zweite Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden, d.h. die Kanäle der dritten Einspritzanordnung 8 erstrecken sich innerhalb der Wand 10 des Einspritzelements von der ringförmigen zweiten Einspritzanordnung 7 bis zu den Einspritzöffnungen 7.

3 ist eine Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Einspritzelements im Bereich der ersten Brennzone 5 und der zweiten Brennzone 6. Die erste Brennzone 5 beginnt stromabwärts der ersten Einspritzöffnung 2 und weist einen Durchmesser d senkrecht zur Strömungsrichtung auf. Die zweite Brennzone 6 weist einen Durchmesser D auf, der größer ist als der Durchmesser d der ersten Brennzone 5. Die zweite Brennzone weist außerdem einen Übergangsbereich 9 auf, der an die erste Brennzone 5 angrenzt und in dem sich der Durchmesser der zweiten Brennzone 6 stetig von einem Wert d auf den Wert D erweitert. Der Übergangsbereich 9 bildet also eine abgeschrägte Stufe am Beginn der zweiten Brennzone 6.

4 zeigt den abgeschrägten Übergangsbereich 9 in einer vergrößerten Detaildarstellung. In diesem Übergangsbereich 9 sind die dritten Einspritzöffnungen 7 ringförmig um die Längsachse des Einspritzelements angeordnet, so dass die Einspritzöffnungen 7 dort in die zweite Brennzone 6 einmünden. Nachdem der Übergangsbereich 9 eine abgeschrägte Wandzone bildet, sind auch die Einspritzöffnungen 7 abgeschrägt ausgebildet.

In 5 ist schließlich die Einspritzung in die erste Brennzone 5 dargestellt. Eine erste Treibstoffkomponente wird dabei durch weitgehend tangential in der ersten Einspritzanordnung angeordnete Bohrungen 15 der ersten Einspritzanordnung 1 zugeführt und durch die erste Einspritzöffnung 2 in die erste Brennzone 5 eingespritzt. Die tangentiale Anordnung der Bohrungen 15 verleiht dem Treibstoffstrom innerhalb der ersten Einspritzanordnung eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente, so dass der Treibstoffströmung in Richtung der Einspritzöffnung 2 eine Rotationsbewegung der ersten Treibstoffkomponente um die Längsachse des Einspritzelements überlagert ist. Die erste Einspritzanordnung 1 ist also als Zentrifugal-Einspritzanordnung ausgebildet, so dass bei der Einspritzung der ersten Treibstoffkomponente eine kegelförmige Zerstäubung 13 dieser Komponente bewirkt wird. Eine zweite Treibstoffkomponente wird über die zweite Einspritzanordnung 3 und die entsprechenden Bohrungen durch die Einspritzöffnungen 4 in die erste Brennzone eingespritzt, wobei sich nur relativ gering aufgeweitete Treibstoffströme 14 bilden. Durch die Zerstäubung der ersten Treibstoffkomponente wird aber eine ausreichende Durchmischung der beiden Treibstoffkomponenten erzielt.

Zur Zündung der Verbrennung innerhalb des Einspritzelements kann in einer ersten Einspritzphase als erste Treibstoffkomponente statt Kerosin eine Komponente verwendet werden, die spontan mit GOX reagiert, d.h. die sich bei Kontakt mit GOX spontan entzündet. Solche Treibstoffkomponenten sind beispielsweise Treibstoffe, die Triethylaluminium, Triethylbor oder Xylidin enthalten. Sobald die Verbrennung der Treibstoffe gestartet ist, kann dann in einer zweiten Einspritzphase die erste Treibstoffkomponente auf Kerosin umgestellt werden, welche dann für die Dauer des Einspritzbetriebes beibehalten wird.

6 zeigt eine Einspritzanordnung 16 aus sieben Einspritzelementen 18a, 18b, 18c etc., wie sie anhand der 1 bis 5 beschrieben wurden. Sechs der Einspritzelemente 18a, 18b, 18c sind dabei ringförmig um ein zentrales Einspritzelement angeordnet. Die einzelnen Einspritzelemente 18a, 18b, 18c grenzen jeweils mit ihren Wänden 10a, 10b, 10c aneinander an. Stromabwärts der jeweiligen ersten Brennzonen 5a, 5b, 5c und zweiten Brennzonen 6a, 6b, 6c der Einspritzelemente 18a, 18b, 18c ist eine dritte Brennzone 17 vorgesehen, die allen Einspritzelementen 18a, 18b, 18c gemeinsam ist. Die mit Hilfe der einzelnen Einspritzelemente 18a, 18b, 18c eingespritzten und gezündeten Treibstoffkomponenten gelangen in diese dritte Brennzone 17, wo sich der Durchmischungs- und Verbrennungsprozess der Treibstoffkomponenten fortsetzt. Die jeweiligen zweiten Zonen 6a, 6b, 6c der Einspritzelemente 18a, 18b, 18c können daher bei Bedarf etwas kürzer ausgebildet werden. Die Vorteile einer solchen Einspritzanordnung wurden bereits oben ausgeführt.


Anspruch[de]
Einspritzelement in Koaxialbauweise für ein Raketentriebwerk, aufweisend

– eine erste, zentrale Einspritzanordnung (1) mit mindestens einer ersten Einspritzöffnung (2) und

– mindestens eine zweite Einspritzanordnung (3), welche koaxial zur ersten Einspritzanordnung (1) angeordnet ist, mit mindestens einer zweiten Einspritzöffnung (4),

dadurch gekennzeichnet, dass

das Einspritzelement folgendes aufweist:

– eine erste Brennzone (5), in die die ersten und zweiten Einspritzöffnungen (2, 4) einmünden und

– eine zweite Brennzone (6), welche stromabwärts der ersten Brennzone (5) angeordnet ist, in die mindestens eine dritte Einspritzöffnung (7) einer dritten Einspritzanordnung (8) einmündet, welche koaxial zur ersten und zweiten Einspritzanordnung (1, 3) angeordnet ist und

– die zweite Brennzone (6) einen Übergangsbereich (9) aufweist, der an die erste Brennzone angrenzt, wobei sich in dem Übergangsbereich der Durchmesser der zweiten Brennzone in Strömungsrichtung stetig vergrößert.
Einspritzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennzone (6) quer zur Strömungsrichtung einen Durchmesser (D) aufweist, der größer ist als der Durchmesser (d) der ersten Brennzone (5). Einspritzelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine dritte Einspritzöffnung (7) im Übergangsbereich (9) in die zweite Brennzone (6) einmündet. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Einspritzanordnung (8) die erste Brennzone (5) koaxial in Form von Kanälen umgibt. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einspritzanordnung (1) mit einem ersten Einlass (11) für eine erste Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden ist und die zweite und dritte Einspritzanordnung (3, 8) mit einem gemeinsamen zweiten Einlass (12) für eine zweite Treibstoffkomponente strömungstechnisch verbunden sind. Einspritzanordnung, aufweisend mindestens zwei Einspritzelemente (18a, 18b, 18c) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, sowie eine stromabwärts der Einspritzelemente (18a, 18b, 18c) angeordnete, den Einspritzelementen (18a, 18b, 18c) gemeinsame, dritte Brennzone (17).






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