Das Einspritzsystem

Für eine gute Verbrennung im Triebwerk ist es von entscheidender Bedeutung, dass sich der Paraffindampf und der Oxidator Lachgas (N₂O) ausreichend vermischen.Dies wird vor allem durch das Zusammenspiel von Versprühung und Verwirbelung in der Brennkammer beeinflusst. Das Verhalten des Injektorkopfes wird in anschließenden Wassertests ermittelt. Hierbei werden zuerst in qualitativen Messungen die Sprayformen betrachtet und in anschließenden Versuchsreihen zusätzlich quantitative Daten wie Druckabfall Δp über den Injektorkopf und maximaler Oxidatormassenstrom m'_Ox ermittelt.

Vorgaben
Es wird davon ausgegangen, dass der Oxidator Lachgas in flüssiger Form am Injektoreinlauf vorliegt. Aus der vorangegangenen Auslegungsrechnung geht hervor, dass ein Oxidatormassenstrom von 0,79 kg/s benötigt wird, um die gewünschten Leistungen zu erreichen. Dies ist die entscheidende Größe für die Gesamtfläche des Injektors, über die der Massenstrom im Betrieb begrenzt wird. Weiter gilt es einen bestimmten Druckverlust über den Injektor vorzugeben, um den Brennkammerdruck und Schwankungen von diesem von der Oxidatorversorgung zu entkoppeln. Es wird ein Wert zwischen 5 und 10 bar angestrebt.

Realisierung
Um die Tröpfchen des Oxidators möglichst fein zu zerstäuben, was für eine gute Vermischung und Verbrennung nötig ist, kann man entweder den Oxidator thermisch oder mechanisch behandeln. Die mechanische Behandlung kann z.B. durch Scherkräfte erfolgen. Klassische Injektorgeometrien sind die Drallinjektion aber auch die Prallinjektion. Bei der Drallinjektion wird die Strömung in Rotation versetzt und gedrillt. Durch diesen Drall strömen verschiedene Fluidteile aneinander vorbei und reißen den Fluidstrahl auf. Jedoch ist die Fertigung von Drallinjektoren sehr anspruchsvoll, was die Verwendung für Prototypen bei eingeschränktem Budget und Maschinenpark weitestgehend ausschließt. Für den HyEnD-Prototyp wurden Prallinjektoren -auch Impinging-Jet-Injektoren genannt- weiter untersucht.

Der einfachste Einspritzkopf ist der Showerhead, welcher das Fluid durch mehrere Bohrungen senkrecht zur Injektorfläche in die Brennkammer einspritzt. Um höhere Scherkräfte zu erhalten, und um den zerstäubten Oxidatorstrahl in Richtung der Brennstofföffnung zu lenken, konstruierten wir eine modifizierte Version eines Showerhead-injektors um eine bessere Verwirbelung und Zerstäubung des Oxidators beim verlassen des Injektors zu erzielen. Bei einem normalen Showerhead durchmischen sich dei einzelnen Strahlen nur wenig, wohin gegen unser Design wie auf dem Bild zu erkennen eine sehr gute Verwirbelung und Durchmischung ermöglicht. Idealerweise wird der Oxidatornebel nun als Strahl mit dem Durchmesser des Injektoraustritts in den Treibstoffblock gesprüht. Der Oxidatorstrahl weitet sich mit zunehmender Lauflänge auf, wodurch die Möglichkeit gegeben wird, durch verändern des Abstandes zwischen Injektoraustritt und Treibstoffblock die Gemischbildung zu regulieren.