DE10015369C2 - Tri-Koaxiales Einspritzelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzelement für ein mit zwei Treibstoffen arbei­ tendes Verbrennungsorgan, aufweisend einen ersten, zentralen Einspritzka­ nal, der mit einer ersten Treibstoffzuführung für einen ersten Treibstoff ver­ bindbar ist, einen den ersten Einspritzkanal ringförmig umgebenden zweiten Einspritzkanal, der mit einer zweiten Treibstoffzuführung für einen zweiten Treibstoff verbindbar ist.

Aus dem Stand der Technik ist aus US 5,660,039 ein Einspritzelement für ein mit zwei Treibstoffen arbeitendes Verbrennungsorgan bekannt, das einen ers­ ten, zentralen Einspritzkanal aufweist, der mit einer ersten Treibstoffzufüh­ rung für einen ersten Treibstoff verbindbar ist, und weiterhin einen den ersten Einspritzkanal ringförmig umgebenden zweiten Einspritzkanal besitzt, der mit einer zweiten Treibstoffzuführung für einen zweiten Treibstoff verbindbar ist. Das Einspritzelement ist dabei als bikoaxiales Einspritzelement ausgebildet, wobei nach einem Einbau des Einspritzelements in eine Einspritzdüse durch einen Zwischenraum zwischen einer Einspritzwand, die als Frontplatte wirkt, und dem Einspritzelement ein trikoaxiales Einspritzsystem gebildet wird. So­ mit besteht keine feste Verbindung zwischen der Frontplatte und dem Ein­ spritzelement.

Ein solches System ist jedoch allenfalls bei kleinen Brennkammern, z. B. Gas­ generatoren anwendbar, bei denen die Befestigung der Frontplatte nicht un­ bedingt notwendig ist. Bei größeren Brennkammern, wie z. B. bei Haupt­ brennkammern von Raketentriebwerken ist eine Befestigung der Frontplatte über der gesamten Fläche unabdingbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Einspritzelement sowie einen Einspritzkopf bereitzustellen, die bei hoher mechanischer Stabilität eine effektive Verbrennung erlauben und universell einsetzbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 14.

Erfindungsgemäß wird ein Einspritzelement bereitgestellt, das als trikoaxiales Einspritzelement ausgebildet ist, im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten bikoaxialen Einspritzelementen. Man erhält damit ein Ein­ spritzelement mit drei Treibstoffströmen, welche alle drei koaxial zueinander angeordnet sind. Das Einspritzelement ist dafür ausgebildet, in einem mit zwei Treibstoffen (welche beide flüssig oder beide gasförmig oder auch ge­ mischt gasförmig/flüssig sein können) arbeitenden Verbrennungsorgan, wie einer Raketenbrennkammer, eingesetzt zu werden. Es besitzt, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, einen ersten, zentralen Einspritzkanal, der mit einer ersten Treibstoffzuführung für einen ersten Treibstoff verbindbar ist, und einen den ersten Einspritzkanal ringförmig umgebenden zweiten Ein­ spritzkanal, der mit einer zweiten Treibstoffzuführung für einen zweiten Treib­ stoff verbindbar ist.

Es wird nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Einspritzelement einen dritten Einspritzkanal aufweist, der den zweiten Einspritzkanal ringförmig um­ gibt und mit dem ersten Einspritzkanal strömungstechnisch in Verbindung steht. Somit ist das Einspritzelement selbst bereits trikoaxial ausgebildet.

Dies ermöglicht einerseits eine Verwendung bzw. Beibehaltung von bisher bereits verwendeten Einspritzkopf-Architekturen für dieses Einspritzelements mit drei Treibstoffströmen, wodurch eine wesentliche Vereinfachung im Ein­ satz des Einspritzelements entsteht. Eine spezielle Anpassung des Einspritz­ kopfes wie im Stand der Technik ist nicht erforderlich. Außerdem wird eine Befestigung der Frontplatte mit dem Einspritzkopf-Grundkörper durch diese Einspritzelemente ermöglicht, da keine Zwischenräume zwischen Frontplatte und Einspritzelement verbleiben müssen. Alle drei Treibstoffströme werden innerhalb des Einspritzelements gebildet, damit einfache Skalierbarkeit der Anzahl der Elemente auf die jeweilige Anwendung. Durch die Aufteilung des ersten Treibstoffs in zwei Ströme - durch den zentralen Einspritzkanal und durch den äußeren ringförmigen Einspritzkanal innerhalb des Einspritzele­ ments, erreicht man eine bessere Regelung und Testbarkeit eines einzelnen Einspritzelements. Außerdem sind damit die Genauigkeitsanforderungen an die Frontplatte erheblich geringer. Die für die Funktion der Einspritzung erfor­ derliche Genauigkeit der Geometrie lässt sich für die Bauteile des Einspritz­ elements einfacher erzeugen.

Bei all diesen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik bleibt weiterhin gewährleistet, dass die Einspritzelemente mit hohem Massenstrom pro Ein­ spritzelement zur Verringerung der Anzahl der Einspritzelemente, und damit zur Verringerung der Kosten für Fertigung und Montage sowie Integration be­ trieben werden können und durch die trikoaxiale Einspritzung eine bessere Treibstoff-Zerstäubung gewährleistet wird, da zwischen den eingespritzten Treibstoffströmen zwei paralllele Scherflächen, zwischen Zentralströmung und innerer ringförmiger Strömung, sowie zwischen innerer und äußerer ring­ förmiger Strömung, erzeugt werden.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen werden, dass der dritte Einspritzkanal mit dem ersten Einspritzkanal über Strömungs­ kanäle in Verbindung steht. Diese Strömungskanäle erlauben insbesondere eine Steuerung der Aufteilung der Treibstoffströme zwischen dem dritten Ein­ spritzkanal und dem zentralen ersten Einspritzkanal durch Anzahl und Größe der Strömungskanäle, welche mit dem Druckgefälle zwischen erstem und drittem Einspritzkanal abgestimmt werden können. Die Aufteilung kann auch nachträglich durch Einfügung zusätzlicher Strömungskanäle bzw. durch Ver­ schließen von Strömungskanälen geändert werden.

Die Strömungskanäle können insbesondere in Verbindungselemente einge­ bettet sein, die den zweiten Einspritzkanal durchdringen. So können bei­ spielsweise die Verbindungselemente als Stege ausgebildet sein, die den ring­ förmigen zweiten Einspritzkanal zumindest über einen Teilbereich seiner Län­ ge in Strömungsrichtung des zweiten Treibstoffs in mehrere Ringsektoren un­ terteilen.

Die Strömungskanäle können in unterschiedlicher Weise geformt sein und sich in unterschiedlicher Weise zum ersten Einspritzkanal hin erstrecken. So können die Strömungskanäle beispielsweise radial zur Längserstreckung des ersten Einspritzkanals in Richtung auf den ersten Einspritzkanal verlaufen, was in der Regel die kürzest mögliche Verbindung zum ersten Einspritzkanal darstellt. Es können aber auch die Strömungskanäle unter einem Winkel in Strömungsrichtung des zweiten Treibstoffs geneigt in Richtung auf den ersten Einspritzkanal verlaufen, um die Strömungsumlenkung beim Eintritt von den Strömungskanälen in den ersten Einspritzkanal in stromabwärtige Richtung des ersten Einspritzkanals zu verbessern.

Auch in den Radialebenen kann eine unterschiedliche Anordnung der Strö­ mungskanäle vorgesehen werden. So können die Strömungskanäle in einer Ebene radial zur Längserstreckung des ersten Einspritzkanals einen von Null verschiedenen Winkel mit der Radialrichtung einschließen. Dadurch erhält der Treibstoffstrom beim Eintritt in den ersten Einspritzkanal eine Rotationskom­ ponente. Diese Maßnahme kann auch mit einer der vorgenannten Maßnah­ men kombiniert werden.

In einer anderen Weiterbildung kann vorgesehen werden, dass der dritte Ein­ spritzkanal mit der ersten Treibstoffzuführung verbindbar ist und der erste Einspritzkanal über die strömungstechnische Verbindung zum dritten Ein­ spritzkanal mit der ersten Treibstoffzuführung verbindbar ist. Somit ist keine separate Treibstoffzuführung zum ersten Einspritzkanal notwendig, diese wird vielmehr gleichzeitig durch die strömungstechnisch geregelte Verbindung, speziell durch die Strömungskanäle, bewerkstelligt.

Es kann außerdem vorgesehen werden, dass der zweite Einspritzkanal im Be­ reich der strömungsabwärtigen Öffnung eine Aufweitung aufweist. Dadurch kann eine verbesserte Vermischung des zweiten Treibstoffs mit den angren­ zenden Strömungen des ersten Treibstoffs erzielt werden.

Das Einspritzelement kann eine Hülse aufweisen, die die Einspritzkanäle um­ gibt und strömungsabwärts der Einspritzkanäle einen ringförmig umschlosse­ nen Raum bildet, in den die Einspritzkanäle einmünden. Damit kann bereits vor Eintritt der Treibstoffe in den eigentlichen Reaktionsraum eine verbesser­ te Vermischung der Treibstoffe erreicht werden, die gegebenenfalls durch Va­ riation der Hülsengeometrie, insbesondere der Größe des umschlossenen Raumes, an die entsprechenden Vorgaben für die Vermischung angepasst werden kann.

Der Gesamtaufbau des Einspritzelements kann aus relativ wenigen Einzelele­ menten erfolgen. So kann das Einspritzelement aus einem ersten strömungs­ aufwärtigen Element, einem zweiten, strömungsabwärtigen Element sowie der Hülse gebildet werden, die das erste und zweite Element zumindest teilweise umschließt, wobei der erste und zweite Einspritzkanal in dem ersten und zweiten Element ausgebildet sind und der dritte Einspritzkanal zwischen dem zweiten Element und der Hülse ausgebildet ist. Die Einzelelemente werden dabei in geeigneter Weise miteinander verbunden. Insbesondere ist das erste Element mit dem zweiten Element durch eine Schweißverbindung, Lötverbin­ dung oder Klemmverbindung verbunden. Die Hülse kann mit dem ersten Ele­ ment und/oder mit dem zweiten Element durch eine Schweißverbindung, Lötverbindung oder Schraubverbindung verbunden sein.

Die einzelnen Elemente und/oder die Hülse können durch Drehen, Fräsen, Feinguss oder Pulvermetallurgie hergestellt werden, die Strömungskanäle durch Erodieren oder Bohren, insbesondere durch Elektronenstrahl- oder La­ serbohren.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Einspritzkopf, der mindestens ein vorstehend beschriebenes Einspritzelement aufweist. Weiter­ hin weist der Einspritzkopf einen strömungsaufwärts angeordneten Grund­ körper und eine strömungsabwärts angeordnete Frontplatte auf, wobei das Einspritzelement eine feste Verbindung mit dem Grundkörper einerseits und der Frontplatte andererseits aufweist. Somit ist trotz der Verwendung eines trikoaxialen Einspritzsystems eine feste Verbindung zwischen Frontplatte und Grundkörper mit Hilfe der Einspritzelemente gewährleistet. Auch diese Ver­ bindung kann in geeigneter Weise ausgebildet sein. Insbesondere kann die Verbindung als Schraubverbindung, Schweißverbindung oder Lötverbindung ausgebildet sein.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfol­ gend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Einspritzelements

Fig. 2 Querschnitt in Radialrichtung durch das Einspritzelement nach Fig. 1.

Das Einspritzelement nach Fig. 1 besteht aus drei Einzelelementen, nämlich einem ersten Element 1, das strömungsaufwärts angeordnet ist, einem zwei­ ten Element 3, das strömungsabwärts angeordnet ist und einer Hülse 2, die das zweite Element 3 vollständig und das erste Element 1 teilweise um­ schließt. Ein solches Einspritzelement kann ohne größeren Aufwand und fast ausschließlich mit üblichen Verfahren der Materialbearbeitung maschinell hergestellt werden.

Das zweite Element 3 weist eine zentrale Bohrung 6 auf, die einen ersten, zentralen Einspritzkanal bildet. Außerdem weist das zweite Element 3 einen ringförmigen Spalt 4 auf, der den strömungsabwärtigen Teil eines zweiten Einspritzkanals bildet, welcher den ersten Einspritzkanal 6 ringförmig umgibt. Dieser ringförmige Spalt 4 weitet sich an seinem strömungsabwärtigen Ende auf. Der strömungsaufwärtige Teil des zweiten Einspritzkanals 4 wird durch eine einzelne Bohrung gebildet, die sich axial von oben in das erste Element 1 erstreckt und beim Übergang zum zweiten Element bis zum Außendurchmes­ ser des ringförmigen Spaltes aufweitet. Diese Bohrung kann eine Blende zur Definition des Massenstroms enthalten. Diese Bohrung ist vorzugsweise ko­ axial zum nachfolgenden ringförmigen Spalt angeordnet. Die Bohrung ist mit einer Treibstoffzuführung 8 für einen zweiten Treibstoff verbindbar.

Das erste Element 1 ist beispielsweise mittels eines Gewindes 14 in die Hülse 2 eingeschraubt, wodurch gleichzeitig das erste Element 1 gegen das zweite Element 3 verklemmt wird, welches, wie in Fig. 1, formschlüssig in der Hülse 2 angeordnet und durch korrespondierende Vorsprünge 15 gegen ein strö­ mungsabwärtiges Herausgleiten aus der Hülse 2 gesichert ist. Die Hülse 2 erstreckt sich strömungsabwärts über das zweite Element 3 hinaus und bildet so einen ringförmig umschlossenen Raum 11, in den die Einspritzkanäle 4 und 6 münden. Somit erfolgt eine erste Durchmischung der Treibstoffe in ei­ nem definierten Raum 11.

Zwischen der Hülse 2 und dem zweiten Element 3 ist ein weiterer ringförmi­ ger Spalt 5 ausgebildet, der als dritter Einspritzkanal wirkt und ebenfalls in den Raum 11 mündet. Dieser ist über radiale Strömungskanäle 7 mit dem ersten Einspritzkanal 6 strömungstechnisch verbunden, wobei als Strö­ mungskanäle 7 mehrere radiale Bohrungen vorgesehen sind, die in radialen Stegen 10 angeordnet sind, welche den zweiten Einspritzkanal 4 in einem Teilbereich seiner Längserstreckung durchdringen und diesen dabei in mehre­ re Ringsektoren unterteilen. Die Form und Anordnung dieser Ringsektoren ist so zu wählen, dass eine homogene Verteilung des Treibstoffs entlang des Um­ fangs im ringförmigen Spalt erfolgt. Eine spezielle Anordnung und Formge­ bung ist in der Querschnittdarstellung nach Fig. 2 verdeutlicht. Die Ringsekto­ ren und die Strömungskanäle können insbesondere durch Fräsen, Drahtero­ dieren oder Elektronenstrahlbohren hergestellt werden. Andererseits weist der dritte Einspritzkanal 5 eine radiale Öffnung auf, die mit einer Treibstoffzu­ führung 9 für einen ersten Treibstoff verbunden werden kann.

Weiterhin sind in der Fig. 1 der Einspritzkopf-Grundkörper 13 und eine Front­ platte 12 angedeutet, mit denen das Einspritzelement fest verbunden ist, bei­ spielsweise durch Einschrauben in den Grundkörper 13 und verschrauben mit der Frontplatte 12.

Im folgenden soll kurz die Funktion des Einspritzelements erläutert werden. Der zweite Treibstoff tritt von oben axial durch die Bohrung in das erste Ele­ ment 1 ein. Er umströmt den zentralen Teil des zweiten Elements 3, tritt durch den inneren ringförmigen Spalt, der Teil des zweiten Einspritzkanals 4 ist und gelangt schließlich in den ringförmig umschlossenen Raum 11. Der erste Treibstoff tritt seitlich durch ein oder mehrere Bohrungen in der Hülse 2 von außen in den äußeren, dritten Einspritzkanal 5 ein. Ein bestimmter Teil des ersten Treibstoffs tritt durch den Einspritzkanal 5 und gelangt strömung­ sabwärts in den Raum 11. Der übrige Teil des Treibstoffs tritt vom dritten Ein­ spritzkanal 5 durch die Strömungskanäle 7 seitlich in den zentralen Einspritz­ kanal 6 im zweiten Element 3 ein, von wo aus er ebenfalls in den Raum 11 weitergeleitet wird. Im Raum 11 erfolgt schließlich eine erste Durchmischung der Treibstoffe, die durch die trikoaxiale Anordnung und auch durch Aufwei­ tung des zweiten Einspritzkanals 4 im Bereich des Raumes 11 begünstigt wird.

Claims (17)

1. Einspritzelement für ein mit zwei Treibstoffen arbeitendes Verbren­ nungsorgan, aufweisend:
einen ersten, zentralen Einspritzkanal (6), der mit einer ersten Treibstoff­ zuführung (9) für einen ersten Treibstoff verbindbar ist,
einen den ersten Einspritzkanal (6) ringförmig umgebenden zweiten Ein­ spritzkanal (4), der mit einer zweiten Treibstoffzuführung (8) für einen zweiten Treibstoff verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Einspritzelement einen dritten Einspritzkanal (5) aufweist, der den zweiten Einspritzkanal (4) ringförmig umgibt und mit dem ersten Einspritzka­ nal (6) strömungstechnisch in Verbindung steht.

2. Einspritzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Einspritzkanal (5) mit dem ersten Einspritzkanal über Strömungska­ näle (7) in Verbindung steht.

3. Einspritzelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) in Verbindungselemente (10) eingebettet sind, die den zweiten Einspritzkanal (4) durchdringen.

4. Einspritzelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (10) als Stege ausgebildet sind, die den ringförmi­ gen zweiten Einspritzkanal (4) zumindest über einen Teilbereich seiner Länge in Strömungsrichtung des zweiten Treibstoffs in mehrere Ringsektoren unter­ teilen.

5. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) radial zur Längserstreckung des ersten Einspritzkanals (6) in Richtung auf den ersten Einspritzkanal (6) verlau­ fen.

6. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) unter einem Winkel in Strö­ mungsrichtung des zweiten Treibstoffs geneigt in Richtung auf den ersten Einspritzkanal (6) verlaufen.

7. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) in einer Ebene radial zur Längserstreckung des ersten Einspritzkanals (6) einen von Null verschiedenen Winkel mit der Radialrichtung einschließen.

8. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der dritte Einspritzkanal (5) mit der ersten Treibstoffzu­ führung (9) verbindbar ist und der erste Einspritzkanal (6) über die strömungs­ technische Verbindung zum dritten Einspritzkanal (5) mit der ersten Treib­ stoffzuführung (9) verbindbar ist.

9. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der zweite Einspritzkanal (4) im Bereich der strömungs­ abwärtigen Öffnung eine Aufweitung aufweist.

10. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Einspritzelement eine Hülse (2) aufweist, die die Ein­ spritzkanäle (4, 5, 6) umgibt und strömungsabwärts der Einspritzkanäle (4, 5, 6) einen ringförmig umschlossenen Raum (11) bildet, in den die Einspritzka­ näle (4, 5, 6) einmünden.

11. Einspritzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Einspritzelement aus einem ersten strömungsauf­ wärtigen Element (1), einem zweiten, strömungsabwärtigen Element (3) sowie der Hülse (2) gebildet wird, die das erste und zweite Element (1, 3) zumindest teilweise umschließt, wobei der erste und zweite Einspritzkanal (6, 4) in dem ersten und zweiten Element (1, 2) ausgebildet sind und der dritte Einspritzka­ nal (5) zwischen dem zweiten Element (3) und der Hülse (2) ausgebildet ist.

12. Einspritzelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (1) mit dem zweiten Element (3) durch eine Schweiß­ verbindung, Lötverbindung oder Klemmverbindung verbunden ist.

13. Einspritzelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Hülse (2) mit dem ersten Element (1) und/oder mit dem zweiten Element (3) durch eine Schweißverbindung, Lötverbindung oder Schraubverbindung verbunden ist.

14. Einspritzkopf, aufweisend mindestens ein Einspritzelement nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 13 sowie einen strömungsaufwärts angeordneten Grundkörper (13) und eine strömungsabwärts angeordnete Frontplatte (12), wobei das Einspritzelement eine feste Verbindung mit dem Grundkörper (13) einerseits und der Frontplatte (12) andererseits aufweist.

15. Einspritzkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als Schraubverbindung, Schweißverbindung oder Lötverbin­ dung ausgebildet ist.

16. Verfahren zur Herstellung eines Einspritzelements nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (1) und/oder das zweite Element (3) und/oder die Hülse (2) durch Drehen, Frä­ sen, Feinguss oder Pulvermetallurgie hergestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) durch Erodieren oder Bohren, insbesondere Elektronen­ strahlbohren oder Laserbohren hergestellt werden.