Auslegung und Konstruktion einer optisch zugänglichen Versprühkammer mit Durchführung von Cold-Flow-Injektor-Versuchen bei verschiedenen Gegendrücken

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich im Wesentlichen mit der Umsetzung einer optisch zugänglichen Versprühkammer und Untersuchung des Sprayverhaltens von Drall-Injektoren bei verschiedenen Umgebungsdrücken. Damit sollen neue Testmöglichkeiten zur Untersuchung des Sprayverhaltens von Injektoren und Treibstoffen in der Abteilung Satelliten- und Orbitalantriebe des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt geschaffen werden. Zur Umsetzung der Versprühkammer wurden im ersten, konstruktiven Teil nach ausführlicher Literaturzusammenstellung zu Beginn drei verschiedene Konzepte erarbeitet. Nach Vorversuchen und Definition der Anforderungen wurde das Konzept mit dem höchsten technischen Erfüllungsgrad ausgewählt. Die Auslegung und Konstruktion der Versprühkammer erfolgte nach Berechnungsvorgaben der DIN EN 13445 unter Einbezug verschiedener Randbedingungen wie Abmessungen, Messtechnik und Versorgung zur Integration in die bestehende Infrastruktur des Cold-Flow-Injektoren-Prüfstands. Für erste Injektorversuche bei Umgebungsdruck in der Versprühkammer wurde ein Drall-Injektor mit anwendungstypischem Betriebspunkt für Satellitentriebwerke entworfen. Durch iterative Entwicklungsschritte entstand dabei ein Drall-Injektor mit zusätzlichem optischen Zugang zur Untersuchung des Strömungsverhalten in der Drallkammer. Die Arbeit umfasste zusätzlich den Umbau des vorhandenen Prüfstands mit Inbetriebnahme der Versprühkammer. Im zweiten, experimentellen Teil wurden Versuche mit dem Drall-Injektor bei verschiedenen Umgebungsdrücken durchgeführt. Hierbei konnten erste Unterschiede zwischen freier Versprühung bei atmosphärischen Bedingungen und Versprühung in der Kammer festgestellt werden. Weiterhin wurden Versuche bei Umgebungsdrücken von 1 bis 22 bar durchgeführt. Mit steigendem Kammerdruck konnten kürzere Abbruchlängen gemessen werden. Die Sprühform änderte sich dabei von einem Hohlkegel zu einer Glocke. Die Sprühbreite nahm infolgedessen ab. Insgesamt wurde das Spray feiner und dichter. Eine eindeutige Aussage zur Veränderung des Sprühwinkels bei Umgebungsdruck konnte nicht getroffen werden. Festgestellt wurden unterschiedliche Winkel innerhalb eines Sprays mit unterschiedlichem Verhalten bei zunehmendem Druck