Einspritzkammer-Prüfstand
Flüssiger Brennstoff wird in Raketenbrennkammern, aber auch in Fluggasturbinen und Motoren, unter hohem Druck in kalte oder heiße Atmosphäre eingespritzt. Diese Bedingungen können in diesem Einspritzkammer-Prüfstand nachgebildet werden, um den Kraftstoffstrahlzerfall, die Verdampfung und Vermischung experimentell zu untersuchen. Insbesondere transkritische und überkritische Einspritzungen sind hierbei noch nicht gut verstanden. Die Zerstäubungs- und Mischungsvorgänge verändern sich gegenüber den atmosphärischen Bedingungen aufgrund des Wegfalls der Oberflächenspannung. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, die Verbrennung des Kraftstoffs effizienter ablaufen zu lassen.
Untersuchungen werden mit Real- und Modellkraftstoffen durchgeführt. Die Steuerzeiten des Injektors während der Versuche betragen nur einige Millisekunden. Um die sehr schnellen Ereignisse während der Eindüsung einzufangen, werden optische Diagnosetechniken mit Hochgeschwindigkeitskameras und Laserdiagnostik mit einem Hochleistungspulslaser eingesetzt. Zur Analyse werden (laser-) optische Messmethoden wie z.B. Schattenfotografie, Mie-Streuung, Fluoreszenztechniken und die Infrarot-Bildgebung eingesetzt. Durch die Kombination der unterschiedlichen Diagnosetechniken lassen sich Aussagen zu Tropfeneigenschaften, Spezieskonzentrationen, Geschwindigkeiten und Temperaturen treffen. Die Ergebnisse können mit numerischen Simulationsdaten verglichen werden und tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen thermodynamischen Vorgänge beim Strahlzerfall und der Mischung unter diesen Bedingungen bei.
Die Versuchsanlage besteht aus einem würfelförmigen Kammerkörper, dessen Seiten mit einem universellen Flanschdesign ausgestattet sind, sodass verschiedene Anbauten an den Prüfstand adaptiert werden können. Die Druckkammer wird mit Luft oder Stickstoff durchströmt, welche von einem Kompressor auf das gewünschte Druckniveau gebracht und anschließend temperiert werden. Ein Abluft- und Filtersystem ist der Kammer nachgeschaltet. An den Seiten der Hochdruckkammer können Fenster aus 90 Millimeter dickem Quarzglas installiert werden. Sie ermöglichen einen flexiblen optischen Zugang zum Messvolumen. Die Kammer hält einem Druck von über 100 bar stand und kann auf bis zu 300 Grad Celsius erhitzt werden. Es können auch Experimente unter tiefkalten Temperaturen bei bis zu minus 100 Grad Celsius durchgeführt werden, um Einspritzvorgänge in Raketentriebwerken besser zu verstehen.
Das aktuelle Forschungsvorhaben „Makro/Mikro-Simulation des Phasenzerfalls im Transkritischen Bereich (MaST)“ wird durch dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr gefördert. dtec.bw wird von der Europäischen Union – NextGenerationEU finanziert.
Die wichtigsten Parameter sind:
Kammerinnendruck: 0,3 bar–100 bar (0,03 MPa–10 MPa)
Kammerinnentemperatur: 173 K–573 K
Spülgasstrom: Max. 110 Nm³/h (bei 100 bar)
Kraftstoffe: Flüssigkraftstoffe: Kerosin, Benzin, Heptan, 2-Propanol, 1-Octanol, Iso-Propan, Ethanol, Cyclo-Pentan; Flüssiggase: Ethan, Propan, Butan
Kraftstoffdruck: Bis 30 MPa
Druckstabilität: Nenndruckabweichung < 2% des Solldrucks
Kraftstofftemperatur im Injektor: 123 K–393 K
Optische Fenster: Quarzglas, Dicke: 90 mm, lichte Weite: 120 mm, geeignet für optische Messtechnik von 250 nm–850 nm, beidseitig mechanisch polierte Oberflächen
