DE10044624B4

DE10044624B4 - Koaxial-Einspritzdüse

Info

Publication number: DE10044624B4
Application number: DE2000144624
Authority: DE
Inventors: Vladimir Viktorovich Chernichenko; Viktor Dmitrievich Gorokhov; Dietrich Dipl.-Ing. Haeseler; Sergey Petrovich Khrisanfov; Valentina Petrovna Kosmacheva; Vitaliy Romanovich Rubinskiy
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 2000-09-09
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2020-09-10
Also published as: DE10044624A1; RU2171427C2

Abstract

Koaxial-Einspritzdüse mit
– einem Einsatz, der im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders mit einem axialen Kanal aufweist und der einen Raum eines ersten Treibstoffs mit einem Raum einer Brennkammer verbindet,
– einer Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet und einen Raum eines zweiten Treibstoffs mit einem Raum einer Brennkammer verbindet,
wobei die innere Fläche der Hülse profiliert als Zylinderflächen mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen gefertigt ist, die mindestens einen Ringkonfusor bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (1) den Ringspalt mit dem axialen Kanal verbindende Durchgangskanäle (5) derart aufweist, dass die Zufuhr eines Teils des zweiten Treibstoffes aus dem Ringspalt in den axialen Kanal gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich Raketentechnik und kann insbesondere in schubgeregelten Raketentriebwerken verwendet werden.
Eines der wichtigsten Probleme bei der Entwicklung von Flüssigkeitsraketentriebwerken mit variiablem Schub ist zur Zeit die Gewinnung eines hohen spezifischen Schubimpulses bei unterschiedlichem Betriebsverhalten des Triebwerkes. Die Schubregelung in diesen Triebwerken erfolgt durch eine Änderung des Massenstroms der zur Schuberzeugung benutzten Treibstoffkomponenten durch Einspritzdüsen im Einspritzkopf. Eine Reduzierung des Massenstroms einer flüssigen Treibstoffkomponente führt zu einer quadratischen Reduzierung der Einspritzdüsen-Druckdifferenz, eine Reduzierung einer gasförmigen Treibstoffkomponente zu einer linearen Reduzierung der Einspritzdüsen-Druckdifferenz. Bei Schubwerten niedriger als der Nominalschub führt die Änderung der Einspritzdüsen-Druckdifferenz zu einer Verschlechterung der Bedingungen für die Gemischbildung der Treibstoffe, einer Reduzierung des Verbrennungswirkungsgrades des Treibstoffs und entsprechend zu Verlusten beim spezifischen Schubimpuls. Außerdem entsteht bei stark reduzierten Betriebswerten des Triebwerkes eine instabile Verbrennung in der Brennkammer aufgrund der geringen Werte der Einspritzdüsen-Druckdifferenzen.
Bekannt ist eine Koaxial-Einspritzdüse mit einem Einsatz als Hohlzylinder, der einen Raum eines flüssigen Oxydators mit dem Raum der Brennkammer verbindet, mit einer Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet und den Raum des gasförmigen Brennstoffs mit dem Raum der Brennkammer verbindet. Hierzu wird einerseits auf W. E. Alemassow u. a. "Theorie der Raketentriebwerke": Lehrbuch für Studenten von Maschinenbaufächern der Hochschule, M., Maschinostrojenije, 1980–533, Abbildungen, Abb. 18.2, S. 225–226 – Urbild verwiesen, andererseits bei spielsweise auf die Dokumente DE 34 24 225 C2 , DE 34 32 607 C2 , DE 197 03 630 C1 und US 4,621,492 A .
Bei den bekannten Einspritzdüsen wird der Oxydator durch einen axialen Kanal innerhalb des Einsatzes aus einem Oxydatorraum dem Brennkammerraum zugeführt, andererseits wird der Brennstoff durch den Ringspalt zwischen Hülse und Einsatz dem Brennkammerraum zugeführt. Dieser Aufbau läßt es nicht zu, dass eine Änderung des Massenstrom der Komponenten durch die Einspritzdüse in einem weitem Bereich erfolgt, ohne dass eine wesentliche Minderung der Qualität der Gemischbildung resultiert, da sich die Druckdifferenz in der Einspritzdüse aufgrund der Verwendung flüssiger Treibstoffe nach einer quadratischen Gesetzmässigkeit in Abhänigkeit von der Massenstromvariation ändert. Eine Reduzierung der Druckdifferenz führt zu einer Verschlechterung der Betriebsbedingungen der Einspritzdüse, insbesondere zur Entstehung einer niederfrequenten Instabilität. Außerdem gewährleistet dieser Aufbau beim Betrieb im hauptsächlich vorgesehenen Bereich der Betriebsparameter keine optimale Zerstäubung der Treibstoffkomponenten, was zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Treibstoffverbrennung führt und entsprechend zu Verlusten des spezifischen Schubimpulses.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Leistung einer Brennkammer und des spezifischen Schubimpulses im Nennverhalten und im Drosselverhalten durch eine verbesserte Gemischbildung.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung umfasst eine Koaxial-Einspritzdüse mit einem Einsatz, der im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist und der einen Raum eines flüssigen Oxydators mit der Brennkammer verbindet sowie mit einer Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet und einen Raum eines zweiten Treibstoffs mit der Brennkammer verbindet.
Erfindungsgemäß ist die innere Fläche der Hülse profiliert als Zylinderflächen mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen, die mindestens einen Ringkonfusor bilden. Der Einsatz weist dabei Durchgangskanäle auf, die den Ringspalt mit dem axalen Kanal verbinden. Somit erfolgt eine Vermischung eines Teiles der Treibstoffkomponenten bereits im Inneren des Einsatzes.
Es kann bevorzugt vorgesehen werden, dass die Durchgangskanäle stromaufwärts des Ringkonfusors angeordnet sind. Insbesondere kann die Querschnittsfläche der Durchgangskanäle geringer sein als die Querschnittsfläche des Durchgangsquerschnitts des Einsatzes. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Durchgangskanäle im Einsatz in einem Abstand des 1- bis 4-fachen des inneren Einsatz-Durchmessers vom Hülsen-Austrittsquerschnitt angeordnet sind.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Koaxial-Einspritzdüse ist vorgesehen, dass der Austrittsquerschnitt des Einsatzes vom Austrittquerschnitt der Hülse im Abstand vom 0- bis 1,3-fachen des inneren Einsatz-Durchmessers liegt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist aus dem Stand der Technik bislang nicht bekannt. Außerdem zeigt sich, dass die erfindungsgemäße technische Lösung über das technische Niveau des Standes der Technik hinausgeht. Dies ergibt sich infolge der verbesserten Mischung der Treibstoffkomponenten durch die Erfindung und der Reduzierung der charakteristischen Zahl des Oxydatorstrahls bzw. der Oxydatorstrahlen ohne Komplizierung der Einspritzdüse- und Einspritzkopfkonstruktion im Nennbetrieb der Kammer und der Erhaltung einer optimalen Mischung bei reduzierten oder stark reduzierten Betriebswerten wegen der Mischung eines größeren Anteils der Treibstoffkomponenten als im Nennbetrieb.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der in den Zeichnungen dargestellten Konstruktionsvariante erläutert.
Es zeigen:
1 Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einspritzdüse
2 Querschnitt A-A durch die Koaxial-Einspritzdüse nach 1,
3 Darstellung der Abhängigkeit der Druckdifferenz ΔP im Verlauf der flüssigen Treibstoffkomponente vom Massenstrom m dieser Komponente bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen km in der Einspritzdüse ΔP = f (m₁, k_m),
4 Darstellung der Abhängigkeit der Druckdifferenz ΔP im Verlauf beider Treibstoffkomponenten vom Abstand I zwischen den Austrittsquerschnitten des Einsatzes und der Hülse ΔP = f(I).
Die vorgeschlagene Koaxial-Einspritzdüse beinhaltet einen Hohleinsatz 1 mit einem axialen Kanal 2 innerhalb des Einsatzes 1, der einen Oxydatorraum mit dem Brennkammerraum verbindet. Um den Einsatz 1 wird die Hülse 3 montiert, so dass sie den Einsatz 1 koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt 6 bildet, der einen Brennstoffraum mit dem Brennkammerraum verbindet. Die innere Fläche der Hülse 3 ist so gefertigt, dass ein Ringkonfusor 4 gebildet wird. Im Austrittsteil des Einsatzes 1 sind Durchgangskanäle 5 gefertigt, die eine Zufuhr der gasförmigen Treibstoffkomponente aus dem den Einsatz 1 umgebenden Ringspalt 6 in den Einsatz 1 ermöglichen, so dass bereits in dem Austrittsteil des Einsatzes 1 eine Vermischung der beiden Treibstoffkomponenten erfolgen kann. Die Durchgangskanäle 5 können im wesentlichen radial in dem Einsatz 1 ausgebildet sein, sie können jedoch auch einen Winkel verschieden von Null mit der Radialrichtung einschließen.
Die günstigsten Betriebsbedingungen der Einspritzdüse werden in dem Falle erzielt, wenn der Abstand des Austrittsquerschnittes des Einsatzes vom Hülsen-Austrittsquerschnitt das 0- bis 1,3-fache des inneren Einsatz-Durchmessers beträgt. Eine Vergrößerung dieses Abstandes bei Aufrechterhaltung des Mischungsverhältnisses der Treibstoffkomponenten kann dazu führen, dass ein Verbrennungsprozeß bereits innerhalb der Einspritzdüse stattfindet, was zum Ausbrennen des Einspritzdüsen-Materials führen kann.
Die Durchgangskanäle 5 im Einsatz 1 sind in einem Abstand des 1- bis 4-fachen des inneren Einsatz-Durchmessers vom Hülsen-Austrittsquerschnitt angeordnet. Bei einer Reduzierung des Abstandes des Austrittsquerschnitts der Hülse 3 von den Durchgangskanälen 5 auf weniger als einen Durchmesser des Einsatzes 1 übt der Effekt der gasdynamischen Wirkung der Strömung des gasförmigen Brennstoffs auf den Strahl des flüssigen Oxydators keinen ausreichenden Einfluß mehr aus. Bei einer Vergrößerung des Abstandes auf mehr als 4 Durchmesser beginnt der Verbrennungsprozeß der Treibstoffkomponenten bereits innerhalb des Einspritzdüse-Einsatzes, was zur Erhöhung der Temperatur innerhalb des Einsatzes verbunden mit der Gefahr des Durchbrennens führt.
Würden die Querschnittsflächen der Durchgangskanäle in Durchgangsrichtung größer oder gleich der Querschnittsfläche des Einsatzes 1, genauer des axialen Kanals 2 in Durchgangsrichtung gewählt, so würde dies zu einem zu starken Einströmen der gasförmigen Komponente aus dem Ringspalt 6 in den Einsatz 1 führen. Die Folge wäre, dass das Verhältnis der Treibstoffkomponenten innerhalb des Einsatzes 1 ausreichend für einen Beginn des Verbrennungsprozesses wäre und dieser somit schon im Einsatz 1 in Gang kommen könnte, was zu einer Erhöhung der Temperatur innerhalb des Einsatzes 1 mit anschließendem Durchbrennen führen könnte.
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse funktioniert wie folgt: Der Oxydator tritt aus einem nicht dargestellten Oxydatorraum durch den Kanal 2 innerhalb des Einsatzes 1 in eine ebenfalls nicht dargestellte Brennkammer zur weiteren Benutzung (Verbrennung) ein. Ein Brennstoff wird aus einem nicht dargestellten Brennstoffraum durch den Ringspalt 6 zwischen Einsatz 1 und Hülse 3 der Brennkammer zugeführt. Dort, wo die Durchgangskanäle 5 vor dem Ringkonfusor 4 im Einsatz 1 angeordnet sind, wird der Brennstoffstrom in zwei Teil ströme aufgeteilt. Ein Teilstrom des Brennstoffs tritt durch den Konfusor 4 und den Ringspalt 6, die durch den Zwischenraum zwischen Einsatz 1 und der Hülse 3 gebildet werden, in den Brennkammerraum ein. Der andere Teilstrom des Brennstoffs tritt durch die Durchgangskanäle 5 in den Einsatz 1 ein. Da der Brennstoffdruck vor den Durchgangskanälen 5 höher ist als der Oxydatordruck innerhalb des Einsatzes 1, kann der Brennstoff tatsächlich durch die Durchgangskanäle 5 in den axialen Kanal 2 eintreten. Diese Brennstoffzufuhr schafft einen zusätzlichen Widerstand für den Strom der flüssigen Treibstoffkomponente. Die Größe dieses Widerstandes hängt von dem der Brennkammer zugeführten Brennstoff-Massenstrom, dem Mischungsverhätnis in der Einspritzdüse, d. h. von dem den im wesentlichen radialen Durchtrittskanälen 5 zugeführten Brennstoff-Massenstrom sowie vom Betriebsverhalten ab. Die Einspritzdüsen-Druckdifferenz ändert sich dabei nicht quadratisch, sondern zeigt das Verhalten einer Exponentialfunktion mit einem Exponenten im Bereich von 2 bis 1 (zwischen quadratischer und linearer Abhängigkeit). Hierzu wird auf 3 verwiesen. Die mit Q bezeichnete Kurve stellt dabei eine rein quadratische Funktion, also eine Parabel, dar. Die Abhängigkeit der Einspritzdüsen-Druckdifferenz nähert sich immer stärker einem linearen Verhalten, je größer die Werte des Mischungsverhältnisses in der Brennkammer werden. ΔP_x bezeichnet die Druckdifferenz im Verlauf der flüssigen Treibstoffkomponervte, m_x den Durchsatz der flüssigen Komponente (Massenstrom) und km das Treibstoff-Mischungsverhältnis in der Einspritzdüse.
Die Brennstoffströme, die durch die Durchtrittskanäle 5 in den Einsatz 1 eintreten, deformieren den kontinuierlichen Oxydatorstrom, um ihm am Austritt aus dem Einsatz die Form des Sterns mit einigen Radialstrahlen zu geben.
Die Änderung von einer runden zu einer sternförmigen Form des Oxydatorstroms führt zu einer Verbesserung der Bedingungen des Stroms hinsichtlich des Zerfalls seiner Struktur, zu einer Reduzierung des Strömungsquerschnittes sowie zu einem intensiveren Kontaktdes Oxydators mit dem Brennstoff. Somit ist für den Oxydatorstrom beim Austritt aus dem Einsatz der Ver lust seiner Struktur begünstigt, was bedeutet, dass der Oxydatorstrom schneller zerfällt. Dies wirkt sich günstig auf die Verbrennung aus.
Durch die erzielte Wirkung auf den Oxydatorstrom lassen sich die Bedingungen der Komponentenmischung bei sämtlichen Triebwerksverhalten verbessern, der Wert des spezifischen Schubimpulses infolge der Erhöhung des Treibstoff-Verbrennungswirkungsgrades vergrößern, sowie die Gefahr einer instabilen Verbrennung reduzieren.
Durch die vorliegende Konstruktion der Einspritzdüse läßt sich ein zusätzlicher Strömungswiderstand für die Treibstoffkomponenten infolge des Zusammenwirkens der Strömung des Brennstoffs aus dem. Ringspalt 6 mit dem zerfallenden Oxydatorstrahl innerhalb der Hülse 3 zwischen der Austrittstelle des Oxydatorstroms aus dem Einsatz 1 bis zum Austrittspunkt beider Treibstoffkomponenten aus der Hülse 3 gewährleisten. Zur Abhängigkeit zwischen dem Abstand des Austritts aus dem Einsatz 1 und dem Austritt aus der Hülse 3 wird auf 4 verwiesen. Dort bedeutet ΔP die Druckdifferenz und I den Abstand vom Austrittsquerschnitt des Einsatzes 1 zum Austrittsquerschnitt der Hülse 3. Durch die Benutzung der vorliegenden technischen Lösung läßt sich der spezifischen Schubimpuls und damit die Leistung des Triebwerks erhöhen sowie die Verbrennungsstabilität in der Brennkammer bei sämtlichen Betriebsverhalten des Triebwerks gewährleisten.

Claims

Koaxial-Einspritzdüse mit – einem Einsatz, der im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders mit einem axialen Kanal aufweist und der einen Raum eines ersten Treibstoffs mit einem Raum einer Brennkammer verbindet, – einer Hülse, die den Einsatz koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt bildet und einen Raum eines zweiten Treibstoffs mit einem Raum einer Brennkammer verbindet, wobei die innere Fläche der Hülse profiliert als Zylinderflächen mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen gefertigt ist, die mindestens einen Ringkonfusor bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (1) den Ringspalt mit dem axialen Kanal verbindende Durchgangskanäle (5) derart aufweist, dass die Zufuhr eines Teils des zweiten Treibstoffes aus dem Ringspalt in den axialen Kanal gewährleistet ist.
Koaxial-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (5) stromaufwärts des Ringkonfusors angeordnet sind.
Koaxial-Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichent, dass die Querschnittsfläche der Durchgangskanäle (5) geringer ist als die Querschnittsfläche des Durchgangsquerschnitts des Einsatzes.
Koaxial-Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle im Einsatz in einem Abstand des 1- bis 4-fachen des inneren Einsatz-Durchmessers vom Hülsen-Austrittsquerschnitt angeordnet sind.
Koaxial-Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt des Einsatzes vom Austrittquerschnitt der Hülse im Abstand vom 0- bis 1,3-fachen des inneren Einsatz-Durchmessers liegt.