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Die Erfindung betrifft ein Einspritzelement für eine Raketenbrennkammer, das einen zumindest weitgehend rotationssymmetrischen Zentralkörper mit einem ersten, inneren Drallelement mit einer ersten, inneren Auslassöffnung und mit einem zweiten, äußeren Drallelement mit einer zu der ersten Auslassöffnung koaxialen zweiten, äußeren Auslassöffnung zum Aufnehmen und Einspritzen einer jeweiligen Treibstoffkomponente in einen Brennraum umfasst, so dass sich die aus der ersten und der zweiten Auslassöffnung ausgebrachten Treibstoffkomponenten in dem Brennraum durchmischen.
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Einspritzelemente dienen der Einbringung und Gemischaufbereitung von Treibstoffen in die Raketenbrennkammer. Es existieren unterschiedliche Arten von Einspritzelementen. In Raketentriebwerken werden entweder Einstoff- oder Zweistoffeinspritzelemente eingesetzt. Bei letzteren, die der Zuführung zweier Treibstoffkomponenten zur Reaktion in der Raketenbrennkammer dienen, wird in der Regel auf eine koaxiale Bauweise zurückgegriffen. Speziell bei der Verwendung von lagerfähigen Treibstoffen kommen hierbei bevorzugt Drallellemente zu Einsatz. Der Aufbau und die Funktionsweise unterschiedlicher Arten von Einspritzelementen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Beispielsweise zeigt die
EP 2 172 636 A2 ein Einspritzelement für eine Raketenbrennkammer mit einem weitgehend rotationssymmetrischen Zentralkörper mit einem ersten, inneren Drallelement mit einer ersten, inneren Auslassöffnung und mit einem zweiten, äußeren Drallelement mit einer zu der ersten Auslassöffnung koaxialen zweiten, äußeren Auslassöffnung zum Aufnehmen und Einspritzen einer jeweiligen Treibstoffkomponente in einen Brennraum umfasst. Die Ausgestaltung der Auslassöffnungen ist nicht näher beschrieben.
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Die
EP 1 689 996 B1 offenbart ein Einspritzelement für eine Raketenbrennkammer, das zwei koaxial angeordnete Auslassöffnungen umfasst, wobei dritte Auslassöffnungen in Form von Bohrungen zur Bildung einer kühlenden Flüssigkeitsfilmschicht vorgesehen sind, die ebenfalls koaxial zu den ersten und zweiten Auslassöffnungen angeordnet sind. Die Bohrungen enden in einem Ringspalt des äußeren Elements und sind in zwei Ebenen geneigt, um den Treibstoff mit einem Drall in den Brennraum zu spritzen.
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Die
US 6 502 385 B2 offenbart ein tri-koaxiales Einspritzelement, wobei ein Treibstoffstrom geteilt und über zwei koaxiale Auslassöffnungen in die Brennkammer eingespritzt wird.
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Bei dem Einspritzelement der US 2012 / 0 261 497 A1 sind spiralförmige Auslassöffnungen vorgesehen, um zwei Treibstoffkomponenten mit einem Drall in die Raketenbrennkammer einzuspritzen.
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Besonders im Bereich von Triebwerken, welche lagerfähige Treibstoffe verwenden, ergibt sich auf Grund von erhöhten Zündverzugszeiten die Notwendigkeit, zusätzliche Maßnahmen zur intensiveren Durchmischung der Treibstoffe einzuführen. Hierzu werden in erster Linie koaxiale Elemente mit zumindest einem Drall verwendet.
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Drallelemente führen zur Ausbildung eines Flüssigkeitshohlkegels, welcher eine beschleunigte Tröpfchenbildung am Elementaustritt ermöglicht. Bei der Verwendung von Doppeldrallelementen (d.h. beide Treibstoffkomponenten werden mit einem Drall in die Raketenbrennkammer eingespritzt) ergeben sich jedoch bei der Anwendung von lagerfähigen Treibstoffen gewisse geometrische Einschränkungen, welche es nicht erlauben, eine Interaktion der sich bildenden Hohlkegel unter einem optimalen Interaktionswinkel stattfinden zu lassen. Dieser beeinflusst jedoch in entscheidendem Maße die Gemischaufbereitung und somit das Gesamtverhalten des Systems.
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Um eine Interaktion der Winkel in gewünschter Weise zu ermöglichen, werden daher Einspritzelemente mit einer Hinterschneidung (sog. Recess) verwendet. Bei solchen Einspritzelementen wird die Austrittsöffnung bzw. -kante des inneren Drallelementes in Bezug auf die Austrittsöffnung bzw. -kante des äußeren Drallelementes stromabwärts zurückgezogen, um so eine geometrische Überschneidung der durch die beiden Drallelemente erzeugten Hohlkegel zu ermöglichen. Hierbei kann es zur Bildung einer Zwischenschicht bestehend aus Heißgas (teilweise Reaktion der Treibstoffe im Kontaktbereich) zwischen den Kegeln kommen, welche eine weitere schnelle Reaktion der Treibstoffkomponenten unterbindet und somit auch den Ausbrenngrad als auch das niederfrequente Verhalten beeinflusst.
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Aus der
DE 101 30 355 A1 ist ein Einspritzelement bekannt, das einen einer Brennkammer zugeführten Treibstoffstrom aufspaltet und die beiden Teilströme separiert in die Brennkammer einspritzt. Dazu wird in dem Einspritzelement dem zugeführten Treibstoffstrom mit einem Swirler ein Drehmoment eingeprägt und der geswirlte Treibstoffstrom wird mittels eines Strömungsteilers, einem primären Austrittskanal und einem sekundären Austrittskanal in eine primäre Hohlkegel-Strömung und eine sekundäre Hohlkegel-Strömung aufgespalten und in die Brennkammer mit unterschiedlichen Einspritzwinkeln eingespritzt. Die Austrittskanten des primären Austrittskanals und des sekundären Austrittskanals sind kreisförmig ausgebildet.
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Aus der
US 7 137 254 B1 ist in koaxialer Injektor bekannt, bei dem zumindest die Kontur des Austrittskantenumfangs einer inneren Auslassöffnung Ausbuchtungen aufweist.
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Die
EP 0 619 456 A1 offenbart ein Brennstoffzufuhrsystem mit mehreren Wirbel-Generatoren für eine Brennkammer, bei dem die Wirbel-Generatoren eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
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RU 2 497 011 C1 offenbart eine Strahldüse mit einer hohlen Spitze, die einen axialen Kanal aufweist. An ihrem Auslassende weist die Spitze Vorsprünge und Vertiefungen auf, die abwechselnd angeordnet sind. Ferner ist eine Buchse vorgesehen. Zwischen der Buchse und dem Auslassende der Spitze stellt sich ein Spalt ein. Über den Spalt zwischen der Spitze und der Buchse wird Wasserstoff in eine Verbrennungszone eingeführt. Durch die Form bzw. den Querschnitt der Spitze soll der Querschnitt des Strahls verändert werden. Der Querschnitt des Strahls soll durch die Spitze von einem runden Querschnitt in einen Querschnitt in Form eines „vierzackigen Sterns“ verändert werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzelement für eine Raketenbrennkammer eines Raketentriebwerks anzugeben, bei welchen eine hinreichende Interaktion der Treibstoffpaarung, ohne Bildung der trennenden Heißgaszwischenschicht, stattfindet. Insbesondere sollen bei dem Raketentriebwerk lagerfähige Treibstoffe zum Einsatz kommen können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Einspritzelement gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung schafft ein Einspritzelement für eine Raketenbrennkammer, das einen zumindest weitgehend rotationssymmetrischen Zentralkörper mit einem ersten, inneren Drallelement mit einer ersten, inneren Auslassöffnung und mit einem zweiten, äußeren Drallelement mit einer zu der ersten Auslassöffnung koaxialen zweiten, äußeren Auslassöffnung zum Aufnehmen und Einspritzen einer jeweiligen Treibstoffkomponente in einen Brennraum umfasst, wobei das erste, innere Drallelement und das zweite, äußere Drallelement jeweils dazu ausgebildet sind, eine Treibstoffkomponente mit einem Drall zu beaufschlagen, so dass die aus der ersten und der zweiten Auslassöffnung ausgebrachten Treibstoffkomponenten sich in dem Brennraum durchmischen. Das Einspritzelement zeichnet sich dadurch aus, dass der Austrittskantenumfang der äußeren Auslassöffnung eine Kontur aufweist, welche gegenüber einer kreisförmigen Grundform der äußeren Auslassöffnung vergrößert ist.
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Hierdurch wird eine verbesserte, intensivere Vermischung der Treibstoffkomponenten ermöglicht, da die vergrößerte äußere Auslassöffnung eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche der Treibstoffkomponenten nach sich zieht.
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Darüber hinaus kann die oben beschriebene, unerwünschte Zwischenschicht, bestehend aus Heißgas, zwischen den von dem ersten und dem zweiten Drallelement erzeugten Sprayanteilen der Treibstoffkomponenten vermieden werden, woraus sich die bezweckte Effizienzsteigerung ergibt.
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In einer Ausgestaltung kann die Kontur des Austrittskantenumfangs der äußeren Auslassöffnung wellenförmig sein. Gegenüber der Grundform der Kreisbahn können die Wellen z.B. nach außen verlaufen. Die Wellen können durch das Einbringen von Bohrungen im Bereich der Kreisbahn erzeugt sein. Vorzugsweise verlaufen die Achsen der Bohrungen schräg relativ zu einer Längsachse des Zentralkörpers. Die Achsen der Bohrungen können sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Längsachse des Zentralkörpers schneiden. Die Achsen der Bohrungen können alternativ in einer Ebene, welche senkrecht zur Längsachse des Zentralkörpers angeordnet ist, einen Kreis beschreiben. Der Durchmesser dieses Kreises kann dem Durchmesser der Kreisbahn entsprechen oder davon abweichen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Kontur des Austrittskantenumfangs der äußeren Auslassöffnung ausgehend von einer Grundform der äußeren Auslassöffnung mit einer Anzahl an weitgehend radial nach außen verlaufenden Polygonen, insbesondere Rechtecken, ausgebildet sein. Die Polygone können, z.B. mittels Fräsen oder Laserbearbeitung, durch das Einbringen von Schlitzen im Bereich der Kreisbahn erzeugt sein. Vorzugsweise verlaufen die Längsachsen der Schlitze schräg relativ zu einer Längsachse des Zentralkörpers. Die Längsachsen der Schlitze können sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Längsachse des Zentralkörpers schneiden. Die Längsachsen der Schlitze können alternativ in einer Ebene, welche senkrecht zur Längsachse des Zentralkörpers angeordnet ist, einen Kreis beschreiben. Der Durchmesser dieses Kreises kann dem Durchmesser der Kreisbahn entsprechen oder davon abweichen.
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Die Grundform kann bei der Nutzung von Polygonen bzw. Rechtecken die Kreisbahn oder die wellenförmige Kontur sein. Im letzteren Fall bedeutet dies, dass die Polygone bzw. Rechtecke der Wellenform quasi überlagert sind oder sich Wellen mit Polygonen bzw. Rechtecken abwechseln. Die Gestalt kann durch entsprechendes Einbringen von Bohrungen und Schlitzen in den Zentralkörper realisiert werden.
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Der Abstand jeweils zweier benachbarter Wellen und/oder Polygone kann über den Umfang der äußeren Auslassöffnung regelmäßig sein. Alternativ kann der Abstand jeweils zweier benachbarter Wellen und/oder Polygone über den Umfang der äußeren Auslassöffnung unregelmäßig sein. Welche Form der Auslassöffnung am besten geeignet ist, hängt von der Geometrie des Einspritzelements ab und kann durch Versuche und/oder Simulationen ermittelt werden.
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Die Form, insbesondere die Größe, der Wellen und/oder Polygone kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung über den Umfang der äußeren Auslassöffnung variieren. Welche Form bzw. Größe der Auslassöffnung am besten geeignet ist, hängt von der Geometrie des Einspritzelements ab und kann durch Versuche und/oder Simulationen ermittelt werden. Der Drall der in den Swirlerraum eingebrachten Treibstoffkomponente kann z.B. durch die Anordnung von tangential verlaufenden Bohrungen erzeugt werden.
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Das äußere Drallelement kann stromabwärts den im Wesentlichen zylindrischen Swirlerraum umfassen, in dem die durch das äußere Drallelement ausgestoßene Treibstoffkomponente in einen Drall versetzt wird. Durch die Aufprägung des Dralls im zylindrischen Bereich des Elementes folgt die Flüssigkeit der wellenförmigen oder geschlitzten Kontur am Austritt, welche zu einer erhöhten Instabilität des Hohlkegels und damit zu einem schnelleren Aufbrechen des Hohlkegels führt, welche hierdurch schneller in Tröpfchen aufbricht.
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Das äußere Drallelement kann zwischen dem Swirlerraum und der äußeren Auslassöffnung einen Übergangsabschnitt aufweisen, in dem ein kontinuierlicher Übergang von der zylindrischen Form des Swirlerraums zu der gegenüber der Kreisbahn vergrößerten Kontur der äußeren Auslassöffnung erfolgt. Der Übergang von der zylindrischen Form im oberen Bereich hin zu der Wellenkante oder Schlitzkante am Einspritzelement erfolgt kontinuierlich über den Umfang, wobei die axiale Länge und Form dieses Übergangsbereiches aufgabenspezifisch variiert werden kann. Dies führt bei Beibehaltung der wirkenden Zentrifugalkräfte, erzeugt durch die tangentiale Zufuhr der Medien, zu einem Doppelfächer bei der Einspritzung der Treibstoffkomponente über das äußere Drallelement.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann sich der Swirlerraum an dem, zu dem Übergangsabschnitt hin gewandeten Ende verjüngen. Durch die zusätzliche Verringerung des Drallraum-Durchmessers in dem sich verjüngenden Abschnitt kann die Umfangsgeschwindigkeit der Rotationsbewegung der einzuspritzenden Treibstoffkomponente weiter erhöht werden, was die Effizienz weiter verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das äußere Drallelement eine Hinterschneidung, d.h. einen sog. Recess, umfassen, so dass die erste, innere AuslassÖffnung stromabwärts in Richtung der Längsachse gegenüber der zweiten, äußeren Auslassöffnung zurückgezogen ist. Hierdurch wird eine geometrische Überschneidung der durch das erste und das zweite Drallelement erzeugten Hohlkegel sichergestellt.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppeldrall-Einspritzelementes in einer perspektivischen Schnittansicht mit wellenförmiger Gestaltung der Austrittskante einer äußeren Auslassöffnung;
- 2 das Einspritzelement aus 1 in einer perspektivischen Darstellung;
- 3 den prinzipiellen Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppeldrall-Einspritzelementes in einer perspektivischen Schnittdarstellung mit geschlitzter Gestaltung der Austrittskante der äußeren Auslassöffnung und schematischer Darstellung der Flüssigkeitsverteilung des äußeren Elementes hinter der Austrittskante;
- 4 die schematische Umfangsverteilung der durch ein äußeres Drallelement eingespritzten (flüssigen) Treibstoffkomponente sowie die Zuordnung von Schlitzen der äußeren Auslassöffnung zu dem Spritzbild; und
- 5a bis 5c das prinzipielle Einspritzbild des inneren Bereiches der äußeren Auslassöffnung eines äußeren Drallelementes, das Spritzbild der durch die Schlitze der äußeren Auslassöffnung bedingten Strahlen sowie das das Gesamteinspritzbild des in 4 gezeigten Einspritzelements.
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Im Folgenden sind gleiche und funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer perspektivischen Schnittansicht den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Einspritzelements 1 gemäß einer ersten Ausführungsvariante.
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Das Einspritzelement 1 umfasst einen Zentralkörper 2, der weitgehend rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Zentralkörper 2 umfasst ein erstes, inneres Drallelement 3 und ein zweites, äußeres Drallelement 5. Das erste, innere Drallelement 3 ist in einem zylindrischen Elementraum 17 umfangsseitig mit tangential verlaufenden Öffnungen 19 versehen. Die tangential verlaufenden Öffnungen 19 bilden Einlassöffnungen des ersten, inneren Drallelements 3 aus. Der Elementraum 17 mündet stromabwärts in einen sich verengenden Strömungskanal 18, der im Bereich einer Heißgasplatte 16 eine erste, innere Austritts- oder Auslassöffnung 4 umfasst. Eine aus der Auslassöffnung 4 in eine nicht näher dargestellte Brennkammer eingespritzte Treibstoffkomponente hat in etwa die Form eines Hohlkegels.
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Das zweite, äußere Drallelement 5 ist koaxial zu dem ersten, inneren Drallelement 3 angeordnet. Es umfasst einen ringförmigen Elementraum 20, der umfangsseitig mit tangential verlaufenden Öffnungen 22 versehen ist. Der Elementraum 20 stellt einen Swirlerraum 8 dar. In einem Übergangsabschnitt 9 verjüngt sich der Elementraum 20 (siehe das Bezugszeichen 10) und mündet schließlich in einen ringförmigen Strömungskanal 21, der den Strömungskanal 18 umläuft. Der Strömungskanal 21 umfasst im Bereich der Heißgasplatte 16 eine zweite, äußere Austritts- oder Auslassöffnung 6. Eine aus der Auslassöffnung 6 in die Brennkammer eingespritzte Treibstoffkomponente hat grundsätzlich ebenfalls in etwa die Form eines Hohlkegels.
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Die tangentialen Öffnungen 19, 22 (3) sorgen dafür, dass die in die Elementräume 17, 20 eingebrachten (insbesondere lagerfähigen) Treibstoffkomponenten mit einem Drall beaufschlagt werden. Durch die Verengung bzw. Verjüngung wird die Umfangsgeschwindigkeit der betreffenden Treibstoffkomponenten zusätzlich verstärkt.
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Die Auslassöffnung 4 kann gegenüber der Auslassöffnung 6 stromabwärts, d.h. in Richtung des Zentralkörpers 2, zurückgezogen sein, wodurch eine Durchmischung der zwei Treibstoffkomponenten verbessert werden kann.
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Eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche der beiden Treibstoffkomponenten in der Brennkammer wird durch die erfindungsgemäße Gestalt des Austrittskantenumfangs 7 der zweiten, äußeren Auslassöffnung sichergestellt. Der Austrittskantenumfang 7 weist eine Kontur auf, die gegenüber einer Kreisbahn durch eine unregelmäßige Gestalt vergrößert ist. Diese sorgt, insbesondere in Verbindung mit dem durch die tangentialen Öffnungen 22 verursachten Drall, zu einer erhöhten Instabilität des von der zweiten Auslassöffnung 6 erzeugten Hohlkegels.
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In einer ersten Ausführungsform, die in den 1 und 2 gezeigt ist, ist der Austrittskantenumfang 7 wellenförmig. Die Größe und der Abstand der Wellen können gleichförmig oder unterschiedlich sein. Der wellenförmige Verlauf kann durch Einbringen entsprechender Bohrungen in den Zentralkörper 2 im Bereich der Auslassöffnung 6 erzeugt werden. Vorzugsweise verlaufen die Achsen der Bohrungen schräg relativ zu einer Längsachse des Zentralkörpers 2. Die Achsen der Bohrungen können sich z.B. in einem gemeinsamen Punkt auf der Längsachse des Zentralkörpers schneiden. Die Bohrungen enden vorzugsweise vor der Verjüngung 10 des Strömungskanals 21, wobei der Übergang von der zylindrischen Gestalt zu dem Austrittskantenumfang 7 kontinuierlich erfolgt. Die axiale Länge und Form dieses Übergangsbereichs kann aufgabenspezifisch variiert werden.
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In der in den 3 bis 5 gezeigten, zweiten Ausführungsform ist der Austrittskantenumfang 7 mit rechteckigen Schlitzen versehen, die durch Fräsen oder andere Verfahren im Bereich der die Grundform eines Kreises aufweisenden zweiten Auslassöffnung eingebracht sind. Vorzugsweise verlaufen die Längsachsen der Schlitze schräg relativ zu einer Längsachse des Zentralkörpers 2. Die Längsachsen der Schlitze können sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Längsachse des Zentralkörpers 2 schneiden. Die Anzahl und Form der Schlitze kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Ebenfalls wie bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform erfolgt der Übergang zu der Austrittskontur kontinuierlich.
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Die 3 und 4 zeigen eine mögliche Gestaltungsvariante als auch dessen Einfluss auf das Spritzbild. Die 5a bis 5c verdeutlichen die Fluid-Aufbereitung anhand der schematisch dargestellten Einspritzzustände des äußeren Drallelements. Hierbei zeigt 5a den verbleibenden Hohlkegelanteil des äußeren Elements, während in 5b der durch die Schlitze bedingte Strahlanteil schematisch darstellt ist. 5c zeigt das Gesamteinspritzbild des äußeren Drallelements. Gut zu erkennen ist, dass durch die gegenüber einer Kreisbahn durch eine unregelmäßige Gestalt vergrößerte Kontur der zweiten, äußeren Auslassöffnung es zu einer erhöhten Instabilität des von der zweiten Auslassöffnung 6 hervorgehenden Hohlkegels kommt, was die verbesserte Durchmischung der Treibstoffkomponenten ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspritzelement
- 2
- Zentralkörper
- 3
- erstes, inneres Drallelement
- 4
- erste, innere Auslassöffnung
- 5
- zweites, äußeres Drallelement
- 6
- zweite, äußere Auslassöffnung
- 7
- Austrittskantenumfang
- 8
- Swirlerraum
- 9
- Übergangsabschnitt
- 10
- Verjüngung
- 11
- Welle
- 12
- Schlitz
- 13
- Sprayverteilung
- 14
- innerer Sprayanteil
- 15
- äußerer Sprayanteil
- 16
- Heißgasplatte
- 17
- Elementraum
- 18
- Strömungskanal
- 19
- tangentiale Öffnung
- 20
- Elementraum
- 21
- Strömungskanal
- 22
- tangentiale Öffnung
