Design und Charakterisierung von Koaxial-Swirl-Injektoren für die Anwendung in einem drosselbaren Lachgas-Ethanol-Triebwerk

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird die Auslegung und Untersuchung von Injektoren für ein regenerativ gekühltes Lachgas-Ethanol-Triebwerk behandelt, das für den Einsatz in einem vertikal startenden und landenden Hopper-Demonstrator des Space Team Aachen entwickelt wird. Eine wesentliche Anforderung an das Triebwerk ist eine Drosselung von3 zu 1, was eine effiziente und stabile Verbrennung über einen breiten Bereich von Treibstoffmassenströmen erfordert. Im Rahmen einer Vorauslegung wurden die benötigten Treibstoffmassenströme, der durch die regenerative Kühlung abzuführende Wärmestrom und die sich daraus ergebenden Einspritzzustände über den gesamten Drosselbereich des Triebwerks abgeschätzt. Während das Lachgas in den Kühlkanälen überkritisch vorliegt und anschließend gasförmig eingespritzt wird, erreicht das Ethanol den Injektor flüssig. Basierend auf diesen Randbedingungen wurde ein Koaxial-Swirl-Injektor für das Triebwerk ausgewählt, der eine ausreichende Drosselbarkeit, sehr gutes Zerstäubungsverhalten und einen moderaten Entwicklungsaufwand bietet. Für die Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffs mit einem gasförmigen Oxidator bietet sich ein gaszentrierter Koaxial-SwirlInjektor (GCSC) an, der den direkten Kontakt des Oxidators mit der Brennkammerwand verhindert. Aufgrund der vergleichsweise geringen Reaktivität von Lachgas könnte auch ein flüssigzentrierter Injektor (LCSC) eingesetzt werden. In einer Parameterstudie wurde der Einfluss der Ringspaltbreite, der Recess-Länge und der Art der Einlässe auf das Sprühbild und die Zerstäubung des GCSC-Injektors in verschiedenen Betriebspunkten untersucht. Die Tests umfassten vier Testreihen von Versprühversuchen mit Wasser und Stickstoff als Ersatzmedien. Zudem wurde ein LCSC-Injektor entwickelt und getestet, der aufgrund einer sehr feinen Zerstäubung als Referenz dient. Atmosphärische Tests zeigten, dass die Zerstäubung der GCSC-Injektoren stark betriebspunktabhängig ist und bei großen Impulsstromverhältnissen zu Instabilitäten neigt. Dabei wurden vier verschiedene Zerstäubungsregime identifiziert. Der LCSC-Injektor wies insgesamt eine stabilere und feinere Zerstäubung auf, was auf einen verbesserten Impulsaustausch zwischen Gasströmung und Flüssigkeitsfilm zurückzuführen ist. In Tests mit erhöhtem Umgebungsdruck zeigte der LCSC-Injektor keine nennenswerte Veränderung des Sprays. Für den GCSC-Injektor hingegen wurde eine deutliche Verbesserung der Zerstäubung und eine Dämpfung der Instabilitäten durch den erhöhten Druck beobachtet. Anhand der Versuche wurden ein LCSC- und ein GCSC-Injektor identifiziert, die für die Anwendung im Triebwerk geeignet sind. Der LCSC-Injektor bietet eine sehr gute Zerstäubung in allen betrachteten Betriebspunkten. Hinsichtlich der Injektor-Wandkompatibilität bietet der GCSC-Injektor Vorteile. Im nächsten Entwicklungsschritt sollten beide Injektoren in Heißgastests im Hinblick auf Verbrennungseffizienz, Wandkompatibilität und Stabilitätsverhalten verglichen werden.