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Die
Erfindung betrifft eine Resonatorvorrichtung für eine Brennkammer mit einem
Brennraum, umfassend eine Wandung, durch welche ein Resonatorraum
gebildet ist, wobei der Resonatorraum an einer ersten Stirnseite
zur Verbindung mit der Brennkammer mittels einer ersten Öffnung offen
ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Brennkammer mit einem Brennraum.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung der akustischen
Eigenschaften einer Brennkammer.
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In
oder an Brennkammern, beispielsweise für Flugkörper wie Raketen oder für Gasturbinen, können oszillierende
Teilvorgänge
der Verbrennung stattfinden. Die Brennstoffzufuhr kann oszillieren,
die Mischungsbildung von Brennstoff und Oxidator kann oszillieren
und die chemischen Reaktionen in der Brennkammer können oszillieren.
Bei Flüssigbrennstoff
oder bei einem gelförmigen
Treibstoff kann die Zerstäubung
und Verdampfung Oszillation aufweisen.
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Die
Brennkammer selbst ist ein Hohlkörper, welcher
akustische Eigenmoden aufweist. Es ist grundsätzlich möglich, daß eine akustische Kopplung der
beschriebenen oszillierenden Vorgänge mit Eigenmoden der Brennkammer
erfolgen kann. Dadurch können
Druckpulsationen entstehen, die beispielsweise zur Beschädigung der
Brennkammer führen
können
oder die Verbrennung stören
können. Es
ist dabei sogar möglich,
daß die
Verbrennung erlischt.
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Bei
einer Störung
der Verbrennung tritt üblicherweise
eine Leistungsminderung auf. Es besteht auch die Gefahr, daß die Betriebssicherheit
erniedrigt wird und die Lebensdauer erniedrigt wird. Es kann auch
eine Erhöhung
der Schadstoffbelastung und der Schallbelastung auftreten.
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Die
akustischen Eigenschaften einer Brennkammer lassen sich durch das
Vorsehen von einer oder mehreren akustischen Resonatorvorrichtungen als
Dämpfungsvorrichtungen
beeinflussen. Diese akustischen Resonatorvorrichtungen können an
Eigenmoden der Brennkammer koppeln, um so Eigenmoden in unkritische
Frequenzbereiche verschieben zu können bzw. störende Eigenmoden
dämpfen
zu können.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
deutschen Anmeldung Nr. 10 2005 035 058.2 vom 20. Juli 2005 des
gleichen Anmelders ist ein Verfahren zur Einstellung der akustischen
Eigenschaften einer Brennkammer, bei dem die Brennkammer mit mindestens
einem akustischen Resonator als Dämpfungselement versehen wird,
bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Resonatorvorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welcher sich auf
effektive Weise die akustischen Eigenschaften einer Brennkammer
einstellen lassen.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Resonatorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Wandung an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite eine
zweite Öffnung
aufweist.
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Es
hat sich gezeigt, daß sich
durch das Vorsehen einer solchen Öffnung an einem sonst geschlossenen
Ende des Resonatorraums die Dämpfung
erhöhen
läßt. Es hat
sich dabei bei entsprechender Einstellung der Öffnungsfläche eine Dämpfungserhöhung um einen Faktor 15 erzielen
lassen.
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Durch
die verbesserte Dämpfungswirkung der
entsprechenden Resonatorvorrichtungen lassen sich Verbrennungsinstabilitäten auf
effektive Weise unterdrücken.
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Ferner
ist es dann möglich,
eine geringere Anzahl an Resonatorvorrichtungen an einer Brennkammer
zur gezielten Einstellung deren akustischen Eigenschaften zu positionieren.
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Durch
die vorgesehene zweite Öffnung
ist es auch möglich,
Kühlmedium
aus einem Resonatorraum auszublasen. (In einem Resonatorraum verbleibendes
Kühlmedium
kann die Resonatoreigenschaften beeinflussen.)
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Ferner
ist es möglich, über die
zweite Öffnung
auch während
des Betriebs der Brennkammer ein Medium einzukoppeln und/oder auszukoppeln. Dadurch
lassen sich die Resonatoreigenschaften auch zeitlich steuern, um
beispielsweise eine effektive Dämpfungswirkung
auch während
einer Inbetriebnahmephase einer Brennkammer zu erreichen.
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Insbesondere
entspricht eine Öffnungsfläche der
ersten Öffnung
einer Querschnittsfläche
des Resonatorraums an der ersten Stirnseite. Damit ist der Resonatorraum
an der ersten Stirnseite vollständig offen
gegenüber
dem Brennraum.
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Weiterhin
ist es günstig,
wenn die zweite Öffnung
eine Öffnungsfläche aufweist,
welche kleiner ist als eine Querschnittsfläche des Resonatorraums an der
zweiten Stirnseite. Der Resonatorraum ist dann an der zweiten Stirnseite
bis auf die zweite Öffnung geschlossen.
Dadurch läßt sich
auf einfache Weise eine verbesserte Dämpfungswirkung erreichen.
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Insbesondere
weist der Resonatorraum eine Länge
auf, welche größer ist
als der größte Durchmesser
des Resonatorraums. Dadurch lassen sich über eine oder mehrere Resonatorvorrichtungen
die akustischen Eigenschaften der Brennkammer auf effektive Weise
beeinflussen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß der
Resonatorraum rotationssymmetrisch bezüglich einer Längsachse
ausgebildet ist.
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Bei
einer Ausführungsform
weist der Resonatorraum einen einheitlichen Querschnitt auf.
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Üblicherweise
wird ein Resonatorraum mit einheitlichem Querschnitt als λ/4-Resonatorraum
bezeichnet.
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Es
ist auch möglich,
daß der
Resonatorraum als Helmholtz-Resonatorraum ausgebildet ist, wobei er
dann keinen einheitlichen Querschnitt aufweist, sondern einen ersten
Bereich mit einheitlichem Querschnitt und einen zweiten Bereich
mit einheitlichem Querschnitt. Der Querschnitt im zweiten Bereich
ist größer als
der Querschnitt im ersten Bereich.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verhältnis einer Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung zu
der Querschnittsfläche
des Resonatorraums zwischen 0,001 und 0,1 liegt. Dadurch läßt sich
eine erhöhte
Dämpfungswirkung
erreichen.
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Insbesondere
ist es dann günstig,
wenn das Verhältnis
zwischen 0,01 und 0,05 liegt.
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Bei
einer Ausführungsform
ist es vorgesehen, daß die Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung
einstellbar ist. Beispielsweise sind auswechselbare Verschlußelemente
für den
Resonatorraum vorgesehen, in welchem die zweite Öffnung gebildet ist. Bei einem entsprechenden
Satz von Verschlußelementen
läßt sich
dann die Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung gezielt
wählen.
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Günstig ist
es, wenn an oder in der zweiten Öffnung
ein Kapillarrohr angeordnet ist. Dadurch lassen sich aus dem Resonatorraum
ausströmende Verbrennungsgase
wegführen,
um eventuelle Betriebsstörungen
zu verhindern. Beispielsweise ist bei einem Helmholtz-Resonator
in der zweiten Öffnung ein
Kapillarrohr positioniert.
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Es
ist dann vorgesehen, daß der
Resonatorraum über
die zweite Öffnung
in einen Innenraum des Kapillarrohrs mündet, um Verbrennungsgas effektiv
abführen
zu können.
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Insbesondere
weist das Kapillarrohr eine Querschnittsfläche auf, welche größer ist
als eine Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung.
Dadurch lassen sich Verbrennungsgase auf effektive Weise abführen.
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Damit
das Kapillarrohr die Resonatoreigenschaften des Resonatorraums nur
minimal beeinflußt,
ist günstigerweise
vorgesehen, daß das
Kapillarrohr eine Querschnittsfläche
aufweist, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche des
Resonatorraums an der zweiten Stirnseite.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer mit
einem Brennraum bereitzustellen, an welcher die akustischen Eigenschaften
auf einfache und effektive Weise einstellbar sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine
oder mehrere erfindungsgemäße Resonatorvorrichtungen
an der Brennkammer angeordnet sind.
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Die
erfindungsgemäße Brennkammer
weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung
erläuterten
Vorteile auf.
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Insbesondere
weist die Brennkammer mindestens eine Öffnung auf, an welcher die
mindestens eine Resonatorvorrichtung angeordnet ist. Dadurch kann über die
Resonatorvorrichtung eine Beeinflussung der akustischen Eigenschaften
der Brennkammer erfolgen.
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Günstig ist
es, wenn die mindestens eine Resonatorvorrichtung quer zu einer
Brennkammerachse orientiert ist. Dadurch lassen sich Resonatorvorrichtungen
auf einfache Weise an der Brennkammer anordnen.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn die mindestens eine Resonatorvorrichtung mindestens teilweise
radial orientiert ist.
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Um
die Verbrennungsvorgänge
außer
der Beeinflussung der akustischen Eigenschaften minimal zu stören, ist
die mindestens eine Resonatorvorrichtung vorzugsweise an einer Außenseite
der Brennkammer angeordnet.
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Beispielsweise
ist eine Mehrzahl von Resonatorvorrichtungen ringförmig an
der Brennkammer angeordnet. Die Resonatorvorrichtungen können dabei
auf der gleichen Höhe
angeordnet sein oder auch auf unterschiedlichen Höhen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die
zweite Öffnung
der mindestens einen Resonatorvorrichtung in fluidwirksamer Verbindung
mit einer Leitung steht. Dadurch läßt sich Verbrennungsgas abführen bzw. es
läßt sich
ein Gas in einen oder mehrere Resonatorräume einkoppeln. Beispielsweise
ist die Leitung geschlossen als Ringleitung ausgebildet. Dadurch läßt sich
verhindern, daß Verbrennungsprodukte
den Brennraum durch die Resonatorräume verlassen. Dadurch wiederum
läßt sich
eine Schubverminderung einer Rakete oder eine Leistungsverminderung einer
Gasturbine verringern.
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Insbesondere
ist die Leitung als Ringleitung ausgebildet oder umfaßt eine
Ringleitung, welche den Brennraum umgibt. Dadurch lassen sich Verbrennungsgase
in dem System halten.
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Es
ist dann vorteilhaft, wenn die Ringleitung geschlossen ist, um Verbrennungsprodukte
in dem System halten zu können.
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Günstig ist
es, wenn eine Querschnittsfläche der
Ringleitung größer ist
als eine Querschnittsfläche eines
Resonatorraums. Dadurch läßt sich
auf effektive Weise eine Schubminderung bzw. Leistungsminderung
verringern.
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Insbesondere
ist es vorgesehen, daß die
Leitung mit einem Kapillarrohr verbunden ist, welches an oder in
der zweiten Öffnung
der mindestens einen Resonatorvorrichtung angeordnet ist. Dadurch
läßt sich
auf effektive Weise eine Ableitung von Verbrennungsprodukten erreichen.
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Günstig ist
es, wenn eine Querschnittsfläche der
Leitung größer ist
als die Summe der Querschnittsflächen
aller Kapillarrohre, wenn eine Mehrzahl von Resonatorvorrichtungen
vorgesehen ist. Dadurch läßt sich
auf effektive Weise eine Abführung von
Verbrennungsprodukten aus dem oder den Resonatorräumen erhalten,
wobei sich die Verbrennungsprodukte im System halten lassen.
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Günstig ist
es, wenn an der Leitung mindestens ein steuerbares Ventil angeordnet
ist. Dadurch läßt sich
beispielsweise zeitabhängig
und/oder druckschwankungsabhängig
eine Steuerung der Durchströmung
von Verbrennungsgasen durch Resonatorräume einstellen. Beispielsweise
läßt sich
dadurch eine schnellere Erwärmung
der Resonatorräume
während
Inbetriebnahmephasen erreichen. Durch eine auftretende Gasströmung läßt sich
insbesondere in einer Inbetriebnahmephase eine höhere Dämpfung erreichen.
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Insbesondere
ist eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des mindestens einen
steuerbaren Ventils vorgesehen. Dadurch läßt sich eine zeitabhängige Steuerung
und/oder druckschwankungsabhängige
Steuerung erreichen, um eine effektive Dämpfung zu erreichen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die
Leitung mit mindestens einem Gasbehälter verbunden ist. Aus dem
Gasbehälter
läßt sich
Gas in den oder die Resonatorräume
einkoppeln, um die Resonatoreigenschaften zu beeinflussen.
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Insbesondere
ist die fluidwirksame Verbindung mit dem Gasbehälter steuerbar, um die Resonatoreigenschaften
steuern zu können.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Druck in dem mindestens einen Gasbehälter größer ist
als der Brennkammerdruck. Dadurch läßt sich, wenn die fluidwirksame
Verbindung mit dem Gasbehälter
und dem oder den Resonatorräumen
hergestellt ist, auf einfache Weise Gas in die Resonatorräume einkoppeln.
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Insbesondere
ist die Nominaldichte des Gases in dem mindestens einen Gasbehälter kleiner
als die Dichte von Verbrennungsgas für die Brennkammer, wobei das
Verbrennungsgas Brennstoff und Oxidator umfaßt. Wenn in einen Resonatorraum
ein leichteres Gas eingekoppelt wird, dann steigt die Schallgeschwindigkeit.
Beim Brennerstart steigt in der Brennkammer aufgrund der Temperaturerhöhung die
Schallgeschwindigkeit. Durch das Einströmen eines leichten Gases in
den Resonatorraum läßt sich eine
mindestens näherungsweise
Synchronisierung des zeitlichen Verlaufs der Schallgeschwindigkeit
in der Brennkammer und in dem oder den Resonatorräumen erreichen.
Dadurch lassen sich auf effektive Weise die akustischen Eigenschaften
der Brennkammer auch während
einer Startphase einstellen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß das
Gas im Gasbehälter
Brennstoff ist. Dadurch wird die Verbrennung in der Brennkammer
minimal beeinflußt.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung
der akustischen Eigenschaften einer Brennkammer bereitzustellen,
welches auf einfache Weise durchführbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß an
der Brennkammer mindestens eine erfindungsgemäße Resonatorvorrichtung angeordnet
wird und/oder eine erfindungsgemäße Brennkammer
verwendet wird.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung
und der erfindungsgemäßen Brennkammer
erläutert.
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Insbesondere
wird im Nichtbetrieb der Brennkammer die mindestens eine Resonatorvorrichtung
zur Entfernung von Kühlmedium
in Richtung der zweiten Öffnung
ausgeblasen. Über
die zweite Öffnung
läßt sich
auf einfache Weise Kühlmedium während eines
Ausblasvorgangs entfernen. Dadurch wiederum lassen sich die Resonatoreigenschaften gezielt
einstellen, da die Beeinflussung durch verbleibendes Kühlmedium
minimierbar ist.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn über Gasauskopplung aus dem
Resonatorraum der mindestens einen Resonatorvorrichtung und/oder
Gaseinkopplung in den Resonatorraum der mindestens einen Resonatorvorrichtung über die
zweite Öffnung die
Resonatoreigenschaften beeinflußt
werden. Es ergeben sich dadurch zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten
zur Beeinflussung und insbesondere auch zeitabhängigen Beeinflussung der Resonatoreigenschaften.
Dadurch ist es beispielsweise möglich, auch
während
instationären
Vorgängen
die Resonanzfrequenz der Brennkammer und der Resonatorvorrichtungen
aufeinander abzustimmen.
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Insbesondere
wird die Schallgeschwindigkeit beeinflußt. Die Resonatoreigenschaften
hängen stark
von der Schallgeschwindigkeit ab. Die Schallgeschwindigkeit läßt sich
auf einfache Weise über Temperaturänderung
oder Dichteänderung
beeinflussen.
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Insbesondere
läßt sich
die Schallgeschwindigkeit über
Temperaturänderung
beeinflussen, wenn beispielsweise dafür gesorgt wird, daß während einer
Inbetriebnahmephase Verbrennungsprodukte durch den Resonatorraum
hindurchgeführt werden,
dann kann sich der Resonatorraum schneller erwärmen.
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Es
kann auch vorgesehen sein, daß die Schallgeschwindigkeit über Dichteänderung
beeinflußt
wird. Insbesondere wird dazu ein leichteres Gas in den Resonatorraum
eingekoppelt. Durch die Einkopplung des leichteren Gases erhöht sich
die Schallgeschwindigkeit. Dadurch läßt sich beispielsweise eine
mindestens näherungsweise
zeitliche Synchronisierung mit der Änderung der Schallgeschwindigkeit
in der Brennkammer während
einer Inbetriebnahmephase erreichen.
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Insbesondere
wird die Schallgeschwindigkeit im Resonatorraum der mindestens einen
Resonatorvorrichtung in Abstimmung mit einer Änderung der Schallgeschwindigkeit
in der Brennkammer beeinflußt.
Beispielsweise läßt sich
das Verhältnis
der Schallgeschwindigkeit in der Brennkammer zu der Schallgeschwindigkeit
in dem oder den Resonatorräumen
mindestens näherungsweise
zeitlich konstant halten. Dadurch läßt sich auch während einer Startphase
eine optimale Resonatorlänge
konstant halten.
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Es
ist auch möglich,
daß die
Resonatoreigenschaften über
eine Gasströmung
beeinflußt
werden. Es läßt sich über eine
Durchströmung
des Resonators eine erhöhte
Dämpfungswirkung
erreichen.
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Günstig ist
es, wenn ein Gas mit kleinerer Dichte als Verbrennungsgas, welches
Brennstoff und Oxidator umfaßt,
in den Resonatorraum eingekoppelt wird. Dadurch läßt sich
die Schallgeschwindigkeit beeinflussen. Insbesondere läßt sich
eine mindestens näherungsweise
Synchronisierung mit der zeitlichen Änderung der Schallgeschwindigkeit
in der Brennkammer aufgrund Temperaturerhöhung erreichen.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkammer mit an ihr angeordneten
Resonatorvorrichtungen;
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2 eine
Draufsicht auf die Brennkammer gemäß 1;
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3(a) eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung;
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3(b) eine vergrößerte Darstellung des Bereichs
A gemäß 3(a);
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4(a) eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung;
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4(b) eine vergrößerte Darstellung des Bereichs
A gemäß 4(a);
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5 Meßwerte für die Halbwertsbreite
der ersten Tangentialmode in Abhängigkeit
des Verhältnisses
von Öffnungsfläche einer
zweiten Öffnung
zur Resonatorquerschnittsfläche;
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6 eine
schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung;
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7(a) eine schematische Darstellung eines vierten
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung;
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7(b) eine vergrößerte Darstellung des Bereichs
A gemäß 7(a);
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8 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung;
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9 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennkammer; und
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10 eine
Draufsicht auf die Brennkammer gemäß 9.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer Brennkammer, welches in 1 schematisch
gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine
Brennkammerwand 12 und einen Brennraum 14. Der
Brennraum 14 ist üblicherweise
rotationssymmetrisch um eine Achse 16 ausgebildet.
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Die
Brennkammer 10 weist ein Ende 18 auf, an welchem
eine Einblaseinrichtung zum Einblasen von Brennstoff und Oxidator
angeordnet ist (in der Zeichnung nicht gezeigt).
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Verbrennungsprodukte
treten aus der Brennkammer 10 über einen Halsbereich 20 aus.
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Die
Brennkammer 10 ist beispielsweise für eine Gasturbine oder für einen
Flugkörper
wie beispielsweise eine Rakete vorgesehen.
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Die
Brennkammer 10 weist akustische Eigenmoden auf. Teilvorgänge der
Verbrennung eines Brennstoffs in der Brennkammer 10 wie
Brennstoffzufuhr, Mischungsbildung und chemische Reaktionen sowie
bei Flüssigbrennstoff
Zerstäubung
und Verdampfung können
periodische bzw. pulsierende Vorgänge sein. Wenn die entsprechende
Oszillationsfrequenz irgendeines dieser Teilvorgänge eine akustische Eigenmode
der Brennkammer 10 zur Schwingung anregt, können in
der Brennkammer 10 aufgrund akustischer Kopplung starke
Druckpulsationen entstehen, die wiederum zu einer Beschädigung der
Brennkammer 10 führen
können
bzw. zur Störung
der Verbrennung führen
können.
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Durch
gezielte Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennkammer 10 kann
man die geschilderten Probleme vermeiden.
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Es
ist dazu vorgesehen, daß an
der Brennkammer 10 eine oder mehrere akustische Resonatorvorrichtungen 22 als
akustische Dämpfungselemente
angeordnet werden. Wenn eine entsprechende akustische Resonatorvorrichtung 22 (oder
eine Mehrzahl von akustischen Resonatorvorrichtungen 22)
mit einer akustischen Eigenmode der Brennkammer 10 koppelt,
dann kann bei geeigneter Wahl die Eigenmode der Brennkammer 10 in
einen Frequenzbereich geschoben werden, in dem sie für einen
Verbrennungsvorgang nicht mehr störend ist, bzw. kann weitgehend
unterdrückt
werden ("weggedämpft" werden).
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Beispielsweise
ist an einer Außenseite 24 der
Brennkammer 10 ein Ringflansch 26 angeordnet, über welchen
sich Resonatorvorrichtungen 22 insbesondere um eine Umfangslinie 28 an
der Außenseite 24 der
Brennkammer 10 verteilt positionieren lassen.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung,
welches in 3(a) schematisch gezeigt und
dort mit 30 bezeichnet ist, umfaßt eine Wandung 32,
welche sich längs
einer Längsachse 34 erstreckt.
Die Wandung 32 ist insbesondere rotationssymmetrisch zu
der Längsachse 34;
sie ist beispielsweise zylindrisch ausgebildet.
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Über die
Wandung 32 ist ein Innenraum als Resonatorraum 36 ausgebildet.
Der Resonatorraum 36 steht über eine erste Öffnung 38 an
einer ersten Stirnseite 40 der Wandung 32 mit
dem Brennraum 14 in fluidwirksamer Verbindung. Dazu weist
die Brennkammerwand 12 eine entsprechende Öffnung 42 auf.
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Die
erste Öffnung 38 in
der Wandung 32 erstreckt sich im wesentlichen über den
gesamten Querschnitt des Resonatorraums 36 an der ersten Stirnseite 40,
d. h. die Querschnittsfläche
des Resonatorraums 36 an der ersten Stirnseite 40 entspricht der Öffnungsfläche der
ersten Öffnung 38.
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Die
Länge der
Wandung 32 längs
der Längsachse 34 ist
in der Regel größer als
der Durchmesser des Resonatorraums 36 senkrecht zur Längsachse 34.
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An
einer der ersten Stirnseite 40 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 42 der
Wandung 32 ist der Resonatorraum 36 durch eine
Stirnwand bis auf eine zweite Öffnung 44 in
der Stirnwand geschlossen. Diese Öffnung 44 weist beispielsweise
einen kreisförmigen
Querschnitt auf und ist konzentrisch zu der Längsachse 34 angeordnet.
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Es
können
auch andere Querschnittsformen für
die zweite Öffnung 44 möglich sein
und/oder es kann eine außerkonzentrische
Anordnung vorliegen.
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Eine Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung 44 ist
kleiner als die Querschnittsfläche
des Resonatorraums 36 an der zweiten Stirnseite 42.
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Insbesondere
liegt das Verhältnis ΔA = A2. Öffnung/AResonatorraum für die Öffnungsfläche A2. Öffnung der zweiten Öffnung 44 zu
der Querschnittsfläche
AResonatorraum des Resonatorraums 36 an
der zweiten Stirnseite 42 im Bereich zwischen 0,001 und 0,1 und
bevorzugterweise im Bereich zwischen 0,01 und 0,05.
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Die
mindestens eine Resonatorvorrichtung 30, welche an der
Außenseite 24 der
Brennkammer 10 montiert ist, ist vorzugsweise mit ihrer
Längsachse 34 mindestens
teilweise in radialer Richtung 46 (1) orientiert.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung 44 einstellbar
ist. Beispielsweise umfaßt
die Resonatorvorrichtung 30 an ihrer zweiten Stirnseite 42 ein
Verschlußelement,
in welchem die zweite Öffnung 42 gebildet
ist. Dieses Verschlußelement
ist austauschbar. Es kann ein Satz von Verschlußelementen mit unterschiedlicher Öffnungsweite
der zweiten Öffnung 44 vorgesehen
sein. Je nach Wahl des Verschlußelements,
mit welchem der Resonatorraum 36 an der zweiten Stirnseite 42 "verschlossen" wird, läßt sich
die Öffnungsfläche der zweiten Öffnung 44 einstellen.
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Es
hat sich gezeigt, daß sich
durch das Vorsehen der zweiten Öffnung 44 an
der zweiten Stirnseite 42 des Resonatorraums 36 (im
Vergleich zum Falle eines an der zweiten Stirnseite 42 vollständig geschlossenen
Resonatorraums 36) die Dämpfung erhöhen läßt.
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In 5 sind
Meßergebnisse
für eine
Brennkammer 10 gezeigt, wobei Δh die Halbwertsbreite der ersten
Tangentialmode ist. Man erkennt die starke Abhängigkeit der Halbwertsbreite
von ΔA (dem Verhältnis der Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung 44 zu
der Querschnittsfläche
des Resonatorraums 36 an der zweiten Stirnseite 42).
Die Resonatorvorrichtung, mittels welcher gemessen wurde, entspricht dabei
der Resonatorvorrichtung 30; es handelt sich um einen λ/4-Resonatorraum
mit einheitlichem Querschnitt über
die Länge
des Resonatorraums 36.
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Man
erkennt den starken Anstieg der Halbwertsbreite Δh bei einem ΔA-Wert von ungefähr 3; die
Dämpfung
wird also durch die zweite Öffnung 44 erhöht.
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Beispielsweise
ist bei einem ΔA-Wert
von 5 die Dämpfung
um einen Faktor von ca. 15 gegenüber einer
komplett geschlossenen zweiten Stirnseite 42 (ΔA = 0) erhöht.
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Durch
das Vorsehen der zweiten Öffnung 44 läßt sich
also für
die Resonatorvorrichtung 30 die Dämpfungswirkung erhöhen. Dadurch
reicht es beispielsweise aus, zur Einstellung der Dämpfungseigenschaften
der Brennkammer 10 eine geringere Anzahl von Resonatorvorrichtungen 30 zu
verwenden, als wenn die zweite Stirnseite 42 geschlossen
ist. Außerdem
ergeben sich erhöhte
Steuerungsmöglichkeiten
wie unten noch näher
beschrieben wird.
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Weiterhin
läßt sich
beispielsweise Kühlmedium
aus dem Resonatorraum 36, welches dorthin gelangt ist,
auf einfache Weise entfernen, indem die Resonatorvorrichtung 30 (während einem
Nichtbetriebszustand der Brennkammer 10) in Richtung der zweiten Öffnung 42 ausgeblasen
wird.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung,
welches in 4(a) gezeigt und dort mit 48 bezeichnet
ist, ist der Resonatorraum grundsätzlich gleich ausgebildet wie
bei der Resonatorvorrichtung 30. Es werden deshalb gleiche
Bezugszeichen verwendet.
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An
der zweiten Öffnung 44 ist
ein Kapillarrohr 50 angeordnet, welches nicht in den Resonatorraum 36 hineinragt.
Das Kapillarrohr 50 weist eine kleinere Querschnittsfläche (senkrecht
zur Längsachse 34) auf
als der Resonatorraum 36. Es weist eine größere Querschnittsfläche als
die Öffnungsfläche der
zweiten Öffnung 44 auf.
Der Resonatorraum 36 mündet über die
zweite Öffnung 44 in
einen Innenraum 52 des Kapillarrohrs 50.
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Über das
Kapillarrohr 50 lassen sich die aus dem Resonatorraum 36 ausströmenden Verbrennungsgase
(welche Brennstoff und Oxidator umfassen) von dem Resonatorraum 36 ableiten,
um mögliche
Betriebsstörungen
zu vermeiden.
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Die
Resonatorvorrichtungen 30 und 48 umfassen Resonatorräume 36 mit
einheitlichem Querschnitt. Die Resonatorräume 36 sind als λ/4-Resonatorräume ausgebildet.
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Bei
einem dritten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung,
welches in 6 schematisch gezeigt und dort
mit 54 bezeichnet ist, ist ein Resonatorraum 56 als
Helmholtz-Resonatorraum ausgebildet. Dieser Resonatorraum 56 umfaßt einen
ersten Bereich 58 und einen zweiten Bereich 60,
wobei der erste Bereich 58 über eine erste Öffnung 62 in
den Brennraum 14 mündet. Der
erste Bereich 58 weist einen einheitlichen Querschnitt
auf. Der zweite Bereich 60 weist ferner einen einheitlichen
Querschnitt auf, wobei die Querschnittsfläche des zweiten Bereichs 60 größer ist
als die Querschnittsfläche
des ersten Bereichs 58.
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Insbesondere
sind der erste Bereich 58 und der zweite Bereich 60 jeweils
zylindrisch ausgebildet.
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An
dem zweiten Bereich 60 ist an einer der ersten Öffnung 62 gegenüberliegenden
Stirnseite 64 eine zweite Öffnung 66 gebildet,
welche der zweiten Öffnung 44 bei
den Resonatorvorrichtungen 30 und 48 entspricht.
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In
der Öffnung 66 ist
ein Kapillarrohr 67 angeordnet, welches mit einem ersten
Ende 69 innerhalb des Resonatorraums 56 und mit
einem zweiten Ende 71 außerhalb des Resonatorraums 56 positioniert
ist. Das Kapillarrohr 67 ragt in den Resonatorraum 56.
An dem ersten Ende 69 weist das Kapillarrohr 67 eine Öffnung 69a auf
und an dem zweiten Ende 71 eine Öffnung 71a. Die Querschnittsfläche des
Kapillarrohrs 67 ist kleiner als die Querschnittsfläche des
ersten Bereichs 58.
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Bei
einem vierten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung,
welches in 7(a) gezeigt und dort mit 68 bezeichnet
ist, ist ein Resonatorraum entsprechend dem Resonatorraum 36 und
ein Kapillarrohr entsprechend dem Kapillarrohr 50 vorgesehen.
Es werden deshalb gleiche Bezugszeichen wie für die Resonatorvorrichtung 48 verwendet.
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Das
Kapillarrohr 50 steht in fluidwirksamer Verbindung mit
einer Leitung 70. Das Kapillarrohr 50 mündet an
einem der zweiten Öffnung 44 gegenüberliegenden
Ende in einen Innenraum 72 der Leitung 70.
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Die
Leitung 70 ist beispielsweise als Ringleitung 74 ausgebildet
(9) oder umfaßt
eine solche Ringleitung 74. Die Ringleitung 74 umgibt
die Brennkammerwand 12. Sie kann geschlossen sein.
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Die
Leitung 70 weist eine Querschnittsfläche auf, welche größer ist
als die Querschnittsfläche
des Resonatorraums 36. Insbesondere ist die Querschnittsfläche der
Leitung 70 größer als
die Summe der Querschnittsflächen
aller Kapillarrohre 50, wenn eine Mehrzahl von Resonatorvorrichtungen 68 vorgesehen
ist.
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Wenn
eine Ringleitung 74 vorgesehen ist, welche geschlossen
ist, dann läßt sich
verhindern, daß Verbrennungsgase
den Brennraum 14 über
Resonatorvorrichtungen 48 verlassen. Dadurch könnte beispielsweise
der Schub einer Rakete oder die Leistung einer Gasturbine vermindert
werden.
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Bei
einem fünften
Ausführungsbeispiel,
welches in 8 gezeigt und dort mit 76 bezeichnet
ist, ist eine Resonatorvorrichtung entsprechend der Resonatorvorrichtung 68 vorgesehen,
welche an eine Leitung 78 angeschlossen ist. Bei der Leitung 78 handelt
es sich beispielsweise um eine Ringleitung.
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An
die Leitung 78 ist mindestens ein steuerbares Ventil 80 gekoppelt, über welches
eine fluidwirksame Verbindung der Leitung 78 mit der Umgebung
hergestellt werden kann. Dem steuerbaren Ventil 80 ist
eine Steuerungseinrichtung 82 zugeordnet, um beispielsweise
eine druckschwankungsabhängige
und/oder zeitabhängige Öffnung/Schließung oder
auch Drosselung zu erreichen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß das
steuerbare Ventil 80 als Drosselventil ausgebildet ist, über welches
die Gasabgabe aus der Leitung 78 an die Umgebung steuerbar
ist.
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Beispielsweise
kann es vorgesehen sein, daß in
einer Zündphase
der Brennkammer 10 das mindestens eine steuerbare Ventil 80 geöffnet wird und
es nach erfolgter Zündung
geschlossen wird oder eine Drosselung erfolgt. Dadurch ist es möglich, die
Resonatoreigenschaften im Resonatorraum 36 zu steuern.
In der Zündphase
kann Verbrennungsgas durch die Resonatorvorrichtung 76 oder
Resonatorvorrichtungen 76 aus der Brennkammer 10 in
die Umgebung abgegeben werden. Das Verbrennungsgas durchströmt den oder
die Resonatorräume 36. Dadurch
erwärmen
sich diese schneller als wenn das oder die Ventile 80 geschlossen
sind. Dadurch wiederum wird die Betriebstemperatur der Resonatorvorrichtung 76 bzw.
der Resonatorvorrichtungen 76 schneller erreicht. Dies
wiederum erleichtert die Auslegung, da die Schallgeschwindigkeit
(welche die Resonatoreigenschaften maßgeblich beeinflußt) temperaturabhängig ist
und die Resonanzfrequenz eines Resonatorraums 36 von der
Schallgeschwindigkeit abhängt.
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Wenn
Verbrennungsgas durch einen Resonatorraum 36 in die Umgebung
strömt,
dann erhöht sich
durch diese Gasströmung
in einem Resonatorraum 36 die Dämpfung. Es läßt sich
dann in der Zündphase,
in der Brennkammerschwingungen entscheidende Wirkungen haben können, die
Dämpfung erhöhen.
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Es
ist beispielsweise auch möglich,
daß das mindestens
eine steuerbare Ventil 80 bei zunehmenden Druckschwankungen
geöffnet
wird oder in eine Drosselstellung (mit größerer Öffnung ins Freie) gebracht
wird, um durch erhöhte
Dämpfung
die Brennkammerschwingungen zu reduzieren.
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Insbesondere
kann es vorgesehen sein, daß über die
Steuerungseinrichtung 82 das oder die steuerbaren Ventile 80 zeitlich
gesteuert werden und/oder eine druckschwankungsabhängige Steuerung
erfolgt.
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Bei
dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Brennkammer
(es werden dabei dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet)
sind Resonatorvorrichtungen 68 vorgesehen, wobei die entsprechenden
Kapillarrohre 50 mit einer Ringleitung 74 verbunden
sind.
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Es
kann dabei vorgesehen sein (10), daß an die
Ringleitung 74 eine weitere Leitung 84 gekoppelt
ist, welche in Verbindung mit einem Gasbehälter 86 steht. An
die Leitung 84 ist ein steuerbares Ventil 88 gekoppelt,
welchem eine Steuerungseinrichtung 90 zugeordnet ist.
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In
dem Gasbehälter 86 ist
ein Gas aufgenommen, welches unter einem Druck steht, der größer ist
als der Innendruck in dem Brennraum 14. Bei geöffnetem
Ventil 88 strömt
dann Gas über
die zweiten Öffnungen 44 in
die Resonatorräume 36.
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Insbesondere
ist die Dichte des Gases, welches vom Gasbehälter 86 aufgenommen
ist, kleiner als die Dichte von Verbrennungsgas für die Brennkammer 10,
wobei das Verbrennungsgas Brennstoff und Oxidator umfaßt. Beispielsweise
ist das Gas im Gasbehälter 86 Brennstoff.
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Im
Beispiel eines Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerks wird durch den
Gasbehälter 86 beispielsweise
Wasserstoff aufgenommen.
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Über die
Leitung 84 läßt sich
das Gas aus dem Gasbehälter 86 in
die Resonatorräume 36 einkoppeln.
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Beim
Brennerstart steigt die Schallgeschwindigkeit in der Brennkammer 10.
Wenn gleichzeitig oder zeitnah mit dem Brennerstart das steuerbare Ventil 80 geöffnet wird,
dann kann Gas aus dem Gasbehälter 86 in
die Resonatorräume 36 einströmen. Da
das Gas leichter ist als das Verbrennungsgas, steigt die Schallgeschwindigkeit
in den Resonatorräumen 36.
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Bei
entsprechender Steuerung (und gegebenenfalls entsprechender Ausbildung
der Resonatorräume 36)
läßt sich
eine mindestens näherungsweise
Synchronisierung des Schallgeschwindigkeitsanstiegs in der Brennkammer 10 mit
dem Schallgeschwindigkeitsanstieg in den Resonatorräumen 56 erhalten.
Beispielsweise wird die Synchronisierung so eingestellt, daß das Verhältnis der
Schallgeschwindigkeit in der Brennkammer 10 zu der Schallgeschwindigkeit
in den Resonatorräumen 36 in
der zeitlichen Entwicklung im wesentlichen konstant ist und beispielsweise
innerhalb eines 15%-Bereichs liegt.
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Durch
die entsprechende Steuerung der Schallgeschwindigkeit in den Resonatorräumen 36 läßt es sich
erreichen, daß eine
optimierte Resonatorlänge
(bestimmt durch die geometrischen Abmessungen der Resonatorräume 56) "erhalten" bleibt, d. h. daß die entsprechenden
Resonatorvorrichtungen auch während
der Brennerstartphase eine optimierte Dämpfungswirkung aufweisen.
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Diese
bleibt nach dem Startvorgang erhalten.
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Es
kann beispielsweise vorgesehen sein, daß gesteuert durch die Steuerungseinrichtung 90 das Öffnen des
steuerbaren Ventils 88 mit dem Brennerstart synchronisiert
erfolgt. Es kann auch ein zeitlicher Abstand vorgesehen sein.
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Durch
die entsprechende Steuerung läßt sich
die üblicherweise
am wenigsten stabile Phase der Verbrennung in der Brennkammer 10,
nämlich die
Inbetriebnahmephase, bei der sich die Brennkammertemperatur schnell ändert, effektiv
bezüglich der
akustischen Eigenschaften beeinflussen. Es läßt sich dadurch eine auch diese
zeitliche Änderung
berücksichtigende
Abstimmung zwischen den Resonatorvorrichtungen und der Brennkammer 10 erreichen.