-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in
einer Brennkammer mit einem Brennraum, wobei in den Brennraum Brennstoff in
Fluidform und Oxidator in Fluidform eingeblasen wird.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine Brennkammervorrichtung, umfassend
einen Brennraum zur Verbrennung von Brennstoff und Oxidator, und
eine Einblaseinrichtung, über
welche Brennstoff in Fluidform und Oxidator in Fluidform in den
Brennraum einblasbar sind.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mit dem sich die Verbrennung in der
Brennkammer so steuern lässt,
dass sich optimierte Zündungsverhältnisse
und/oder Verbrennungsverhältnisse
ergeben.
-
Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
mindestens ein Steuerstrahl in dem Brennraum erzeugt wird, welcher
die Strömung
von Brennstoff und/oder Oxidator im Brennraum beeinflusst.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird mindestens
ein Steuerstrahl in dem Brennraum erzeugt, welcher die Strömungsverhältnisse
in dem Brennraum und insbesondere die Strömungsverhältnisse von Brennstoff und
Oxidator beeinflusst. Durch entsprechende Einstellung des Steuerstrahls
lässt es sich
dadurch beispielsweise erreichen, dass das Zündungsverhalten verbessert
wird, indem insbesondere der Brennstoffanteil eines Gemisches aus Brennstoff
und Oxidator in der Nähe
einer Zündeinrichtung
vergrößert wird.
Es lässt
sich ferner erreichen, dass die Aufenthaltsdauer an Brennstoff und Oxidator
in dem Brennraum vergrößert wird.
Ferner lässt
sich das Quenchen eines Flammenkerns und das Ausspülen eines
Flammenkerns verhindern.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist
es beispielsweise möglich,
ein optimiertes Zündverhalten
zu erhalten, auch wenn eine Zündeinrichtung
aufgrund von konstruktiven Einschränkungen nicht an einer optimalen
Stelle positionierbar ist.
-
Wenn
beispielsweise Brennstoff in flüssiger Form
in einen Brennraum eingeblasen wird, dann ergibt sich insbesondere
bei der Zuführung
von relativ kaltem Oxidator (beispielsweise mittels Luft) das Problem,
dass die Zündeinrichtung
an einer Stelle zu positionieren ist, an der eine ausreichend große Menge an
verdunstetem Brennstoff zur Verfügung
steht. Zur Verdunstung wiederum muss der Brennstoff in dem Brennraum
eine bestimmte Mindestverweildauer haben. Durch die Erfordernisse
des Zündvorgangs
ist dann die Länge
des Brennraums bei der Verwendung von Flüssigbrennstoff bestimmt. Durch
die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
auch bei der Verwendung von Flüssigbrennstoff
der Brennraum minimieren, da über
den mindestens einen Steuerstrahl einer Zündeinrichtung ein optimiertes
Brennstoff-Oxidator-Gemisch
zuführbar
ist. Dadurch lässt
sich das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise vorteilhaft bei einem Flugkörpertriebwerk einsetzen.
-
Mittels
der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich
die Verbrennung bezüglich
für die
Zündung
optimalen Strömungsverhältnissen
optimieren, ohne dass beispielsweise wesentliche negative Auswirkungen
auf die Verbrennungsstabilität
und die Schadstoffemission vorhanden sind. (Für die Zündung sind ohne die erfindungsgemäße Lösung lange Verweilzeiten
günstig,
während
lange Verweilzeiten für
die Schadstoffemission eher negativ sind.)
-
Die
erfindungsgemäße Lösung lässt sich
im Zusammenhang mit gasförmigen
und flüssigen Brennstoffen
und gasförmigen
und flüssigen
Oxidatoren einsetzen. Brennstoff und Oxidator können vorgemischt sein oder
nur teilweise vorgemischt sein. Die Mischung kann auch erst in dem
Brennraum erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich für alle Arten
und Größen von
Feuerungen einsetzen. Es kann beispielsweise für Kleinbrenner wie in Haushaltsfeuerungen
eingesetzt werden. Es kann auch für die Brennkammern von stationären Gasturbinen
oder für
Flugkörpertriebwerke
eingesetzt werden.
-
Der
Mengenstrom des mindestens einen Steuerstrahls kann dabei gering
gehalten werden (insbesondere kleiner als 25% des Gesamtmassenstroms),
da dieser im Wesentlichen nur die Strömungsverhältnisse an Brennstoff und Oxidator
beeinflussen muss und insbesondere deren Randbedingungen beeinflussen
muss, jedoch selber keine wesentliche Wirkung für die Verbrennung hat.
-
Es
kann bereits vor dem Eintritt in den Brennraum ein Strahl erzeugt
werden, der dann beim Eintritt in den Brennraum zum Steuerstrahl
wird; der Steuerstrahl wird dadurch im Brennraum erzeugt.
-
Insbesondere
wird die Verbrennung im Brennraum durch Steuerung der Strömungsverhältnisse
in dem Brennraum mittels des mindestens einen Steuerstrahls gesteuert.
-
Günstig ist
es, wenn der mindestens eine Steuerstrahl ein Fluidstrahl ist. Dadurch
lässt sich
auf einfache Weise eine Beeinflussung der Strömungsverhältnisse erreichen.
-
Der
Steuerstrahl kann ein Gasstrahl oder Flüssigkeitsstrahl oder Zwei-Phasen-Strahl aus Gas und
Flüssigkeit
sein. Je nach Anwendung kann die geeignete Strahlform gewählt werden.
-
Bei
einer Ausführungsform
ist der mindestens eine Steuerstrahl ein Saugstrahl, welcher durch Unterdruckbeaufschlagung
des Brennraums erzeugt wird. Über die
Unterdruckbeaufschlagung des Brennraums wird Medium aus dem Brennraum
abgesaugt und dabei der Saugstrahl als Steuerstrahl erzeugt. Bei
geeigneter Erzeugung des Saugstrahls lassen sich die Strömungsverhältnisse
in der Brennkammer positiv beeinflussen.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform,
die auch mit einem getrennten Saugstrahl kombiniert werden kann,
ist der mindestens eine Steuerstrahl ein Blasstrahl, welcher durch
Einblasen eines oder mehrerer Medien in den Brennraum erzeugt wird.
Dadurch lassen sich die Strömungsverhältnisse
insbesondere bezüglich
des Zündverhaltens
optimal beeinflussen. Beispielsweise lässt sich eine Rückströmungszone
an einer Zündeinrichtung
vergrößern.
-
Der
mindestens eine Steuerstrahl in seiner Ausbildung als Blasstrahl
kann auf verschiedene Arten erzeugt werden. Beispielsweise wird
er mittels Einblasen von Brennstoff oder einer oder mehreren Brennstoffkomponenten
in den Brennraum erzeugt. Er kann auch durch Einblasen von Oxidator
in den Brennraum erzeugt werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass
der mindestens eine Steuerstrahl mittels Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs
in den Brennraum erzeugt wird. Er kann auch durch Einblasen eines
oder mehrerer Medien den Brennraum erzeugt werden, welche an der
Verbrennung nicht teilnehmen. Beispielsweise wird ein Inertgas wie
Stickstoff eingeblasen oder es wird Wasser in Dampfform eingeblasen
bzw. in Tropfenform eingedüst.
-
Es
ist vorgesehen, dass der Brennstoff als Gas oder als Flüssigkeit
oder als Zwei-Phasen-Gemisch in den Brennraum eingeblasen wird.
Dadurch bildet sich in dem Brennraum eine Strömung aus, wobei der mindestens
eine Steuerstrahl wiederum die Strömung beispielsweise zur Optimierung
des Zündungsverhaltens
beeinflussen kann.
-
Es
kann vorteilhaft sein, wenn der Brennstoff und/oder Oxidator mit
Drall in den Brennraum eingeblasen wird. Dadurch ergibt sich eine
optimierte Vermischung.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Steuerstrahl
räumlich
definiert gerichtet wird. Dadurch ergeben sich je nach Anwendung
optimierte Strömungsverhältnisse,
um beispielsweise bei Minimierung der Brennraumlänge ein optimiertes Zündungsverhalten
zu erhalten.
-
Bei
einer Ausführungsform
wird der mindestens eine Steuerstrahl mindestens näherungsweise parallel
zu einer Achse des Brennraums und/oder eines Brenners gerichtet.
Es wird dadurch ein axial verlaufender Steuerstrahl in Form eines
Blasstrahls oder Saugstrahls erzeugt. Über einen solchen axial gerichteten
Steuerstrahl lässt
sich beispielsweise eine Rückströmungszone
so vergrößern, dass
eine optimierte Zündung
erfolgen kann.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Steuerstrahl
so erzeugt wird, dass eine oder mehrere Rückströmungszonen in dem Brennraum
im Vergleich zu dem steuerstrahlfreien Zustand mindestens in ihrer
axialen Ausdehnung modifiziert und beispielsweise vergrößert werden. Dadurch
lässt sich
eine eventuell auch nicht optimierte Zündeinrichtung mit Brennstoff-Oxidator-Gemisch versorgen,
um eine Zündung
für die
Verbrennung zu erreichen.
-
Günstig ist
es dann, wenn der mindestens eine Steuerstrahl so erzeugt wird,
dass eine oder mehrere Rückströmungszonen
in der Nähe
einer Wand der Brennkammer vergrößert werden.
Dadurch lässt
sich eine Zündeinrichtung,
welche an der Wand positioniert ist, optimal mit Brennstoff-Oxidator-Gemisch
beaufschlagen.
-
Günstig ist
es, wenn der mindestens eine Steuerstrahl so erzeugt wird, dass
mittels ihm sich eine Steigerung der Aufenthaltszeiten im Brennraum um
größer 1 ms
für eine
eingeblasene Brennstoffmenge und Oxidatormenge im Vergleich zum
steuerstrahlfreien Zustand ergibt. Dadurch lassen sich die Verbrennungsverhältnisse
und insbesondere die Zündungsverhältnisse
in dem Brennraum optimieren.
-
Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn eine Steigerung der Aufenthaltszeiten um größer 3 ms und insbesondere um
größer 5 ms
und ganz vorteilhafterweise um größer 10 ms im Vergleich zum steuerstrahlfreien
Zustand erreicht wird. Dadurch lässt
sich auch bei der Verwendung von Flüssigbrennstoff bei minimierter
Brennraumlänge
eine optimierte Zündung
erreichen.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Steuerstrahl
so erzeugt wird, dass mittels ihm ein Ausspülen eines Flammenkerns aus dem
Brennraum verhindert wird. Dadurch ergeben sich optimierte Verbrennungsverhältnisse.
Insbesondere wird mit Hilfe des mindestens einen Steuerstrahls dafür gesorgt,
dass ein Flammenkern sich in einem Strömungsgebiet bewegt, in dem
eine Entflammung einer Hauptflamme erfolgen kann.
-
Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn der mindestens eine Steuerstrahl so erzeugt wird, dass mittels
ihm ein Quenchen eines Flammenkerns verhindert wird. Dadurch ergeben
sich stabile Verbrennungsverhältnisse
in dem Brennraum.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Steuerstrahl so erzeugt
wird, dass mittels ihm ein Drallgrad des Brennstoffstroms und/oder
Oxidatorstroms erniedrigt wird. Brennstoffströme und/oder Oxidatorströme mit Drall
sind besonders empfindlich auf die Randbedingungen. Über den mindestens
einen Steuerstrahl lassen sich diese Randbedingungen auf einfache
Weise beeinflussen. Beispielsweise wird der Drallgrad erniedrigt.
Dadurch lässt
sich auf einfache Weise mit einer relativ geringen Fluidmenge (die
beispielsweise zwischen 2% und 20% des Gesamtmassenstroms liegt)
für den Steuerstrahl
eine optimierte Steuerung der Verbrennung in dem Brennraum erhalten.
-
Es
kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Steuerstrahl
mit Drallströmung
erzeugt wird, um je nach Anwendung eine optimierte Steuerung der
Verbrennung zu erhalten.
-
Bei
einer konstruktiv einfachen Ausführungsform
wird der mindestens eine Steuerstrahl durch Einblasen oder Absaugen über eine
oder mehrere Öffnungen
in einer Brennkammerwand erzeugt. Solche Öffnungen lassen sich auf einfache
Weise herstellen.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass die Öffnung oder Öffnungen
für den
Steuerstrahl getrennt von einer Öffnung
oder Öffnungen
zum Einblasen von Brennstoff und Oxidator sind.
-
Es
ist auch möglich,
dass der mindestens eine Steuerstrahl an einer Öffnung oder an Öffnungen
zum Einblasen von Brennstoff und/oder Oxidator erzeugt wird. Beispielsweise
wird dazu vor einer solchen Öffnung
in eine entsprechende Leitung Steuerstrahlmedium eingeblasen, welches
dann mit Brennstoff und/oder Oxidator in den Brennraum eingeblasen
wird. Dadurch lässt
sich beispielsweise die Eintrittsgeschwindigkeit des Brennstoffstroms
erhöhen und/oder
der Drallgrad des Oxidatorstroms erniedrigen.
-
Beispielsweise
ist eine Öffnung
oder sind die Öffnungen
kreisförmig
oder ringförmig,
wobei die Öffnungsform
an die Anwendung angepasst sein kann. Beispielsweise sind auch quadratische,
sichelförmige,
elliptische, rechteckige usw. Öffnungsformen möglich.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Erzeugung des mindestens einen Steuerstrahls
anschaltbar und abschaltbar ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, nach
einer erfolgten Zündung
einen Steuerstrahl, welcher zur Verbesserung des Zündungsverhaltens
gedient hat, abzuschalten.
-
Insbesondere
sind zum Anschalten und Abschalten des mindestens einen Steuerstrahls
ein oder mehrere Ventile vorgesehen. Dadurch lässt sich auf einfache Weise
eine Anschalt- und Abschaltsteuerung für den mindestens einen Steuerstrahl
erreichen.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Steuerstrahl im Dauerbetrieb
erzeugt wird. Es ist auch möglich,
dass der mindestens eine Steuerstrahl in zeitlicher Variation erzeugt
wird. Es lässt sich
dadurch beispielsweise erreichen, dass das Zündungsverhalten optimiert wird.
Nach erfolgter Zündung
wird der Steuerstrahl abgeschaltet. Es ist beispielsweise auch möglich, den
mindestens einen Steuerstrahl an den Lastzustand der Brennkammer anzupassen.
Dadurch ist auch eine Anpassung an Lastwechselvorgänge möglich. Dadurch
wiederum kann die Brennkammer auf optimierte Weise betrieben werden.
-
Insbesondere
wird der mindestens eine Steuerstrahl gesteuert und/oder geregelt über den Lastzustand
erzeugt die Steuerung ist dabei vor allem eine zeitliche Steuerung.
Wenn mehrere Steuerstrahlen erzeugbar sind, dann kann über die
Steuerung und/oder Regelung auch die Auswahl der Steuerstrahlen
gesteuert bzw. geregelt werden.
-
Es
ist auch möglich,
dass der mindestens eine Steuerstrahl zeitlich gepulst erzeugt wird.
Dadurch lassen sich beispielsweise Schwingungen innerhalb des Brennraums
erzeugen. Über
diese kann die Verbrennungsstabilität erhöht werden und/oder die Durchmischung
von Brennstoff und Oxidator im Brennraum kann verbessert werden.
-
Bei
einer Ausführungsform
wird der mindestens eine Steuerstrahl zwischen einer Mittelachse des
Brennraums und/oder eines Brenners und einem Einblasbereich für Brennstoff
und/oder Oxidator erzeugt.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird der mindestens eine Steuerstrahl zwischen einem Einblasbereich
für Brennstoff
und/oder Oxidator in den Brennraum und einer Brennkammerwand erzeugt. Es
ist auch eine Kombination dieser Erzeugungsmöglichkeiten durchführbar. Je
nach spezieller Anwendung erhält
man dadurch optimierte Verhältnisse.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass die Brennkammer von einer Gasturbine
umfasst wird. Die Gasturbine lässt
sich dadurch optimal betreiben.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird die Brennkammer von einem Flugkörpertriebwerk umfasst. Der
Brennraum lässt
sich, wenn das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt wird, mit minimierter Länge ausbilden, ohne dass das
Zündungsverhalten
verschlechtert wird.
-
Insbesondere
lässt sich
der mindestens eine Steuerstrahl zur Zündung und/oder Wiederzündung des
Brennstoff-Oxidator-Gemischs im Brennraum verwenden. Es ist auch
eine Zündung
und/oder Wiederzündung
in großer
Höhe möglich, in
welcher die Oxidatortemperatur reduziert ist.
-
Günstig ist
es, wenn die Mediummenge des mindestens einen Steuerstrahls zwischen
2% und 20% des Gesamtmassenstroms liegt. Dadurch lässt sich
mit relativ geringer Mediummenge eine optimierte Beeinflussung der
Strömungsverhältnisse
im Brennraum erreichen.
-
Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammervorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche auf optimierte Weise
betreibbar ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung
vorgesehen ist, über
welche mindestens ein Steuerstrahl in dem Brennraum erzeugbar ist,
durch welchen der Strömungsverlauf
vom Brennstoff und/oder Oxidator im Brennraum beeinflussbar ist.
-
Die
erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung
weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläuterten
Vorteile auf.
-
Insbesondere
kann das erfindungsgemäße Verfahren
an der genannten Brennkammervorrichtung durchgeführt werden.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert.
-
Insbesondere
weist die Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung
zur Erzeugung mindestens eines Saugstrahls als Steuerstrahl auf.
Es lassen sich dadurch Medien aus dem Brennraum absaugen, um den
Steuerstrahl zu erzeugen.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist die Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung eine Druckbeaufschlagungseinrichtung
zur Erzeugung mindestens einen Blasstrahls als Steuerstrahl auf. Über die Druckbeaufschlagungseinrichtung
lassen sich eine oder mehrere Medien in den Brennraum einkoppeln, um
einen oder mehrere Steuerstrahlen zu erzeugen.
-
Günstig ist
es, wenn mindestens eine Öffnung
für den
mindestens einen Steuerstrahl in den Brennraum mündet. Dadurch lässt sich
auf einfache Weise ein Steuerstrahl in dem Brennraum erzeugen.
-
Die
mindestens eine Öffnung
für den
mindestens einen Steuerstrahl kann dabei getrennt von einer Öffnung oder Öffnungen
der Einblaseinrichtung für
Brennstoff und Oxidator. Dadurch lassen sich die Strömungsverhältnisse
von Brennstoff und Oxidator in dem Brennraum auf optimierte Weise
beeinflussen. Beispielsweise lässt
sich der Drallgrad für
eine Brennstoffströmung
und/oder Oxidatorströmung
herabsetzen.
-
Es
ist auch möglich,
dass die mindestens eine Öffnung
für den
mindestens einen Steuerstrahl eine Öffnung der Einblaseinrichtung
für Brennstoff und
Oxidator ist. Dadurch können
bereits die Strömungsverhältnisse
des Brennstoffstroms oder Oxidatorstroms oder Gemischstroms bereits
beim Einblasen beeinflusst werden.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Öffnung für den Steuerstrahl kreisförmig oder
ringförmig
ist.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens einen Öffnung ein
oder mehrere schaltbare Ventile wie beispielsweise Magnetventile
zugeordnet sind. Dadurch lässt
sich die Erzeugung eines oder mehrere Steuerstrahlen einschalten
oder abschalten. Dadurch ist eine zeitliche Steuerung der Steuerstrahlbeaufschlagung
des Brennraums möglich.
-
Bei
einer Ausführungsform
ist die mindestens eine Öffnung
an einer Stirnseite des Brennraums angeordnet. Dadurch ergibt sich
eine optimierte Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in dem Brennraum durch
eine oder mehrere Steuerstrahlen.
-
Es
ist dabei vorgesehen, dass eine Normale einer Öffnungsfläche der mindestens einen Öffnung im
Wesentlichen parallel zu einer Brennraumachse ausgerichtet ist.
Dadurch lässt
sich ein Steuerstrahl mit axialer Strömungsrichtung erzeugen.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist eine Zündeinrichtung
vorgesehen, welche an einer Seite der Brennkammervorrichtung angeordnet
ist, die quer zu einer Stirnseite ist. Die Zündeinrichtung lässt sich
dadurch auf einfache Weise an der Brennkammervorrichtung optimieren. Über die
erfindungsgemäße Lösung mit
der Erzeugung eines oder mehrerer Steuerstrahlen lässt sich
der Zündeinrichtung
ein optimiertes Brennstoff-Oxidator-Gemisch zuführen.
-
Bei
einer Ausführungsform
ist die Erzeugung von Steuerstrahlen durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
steuerbar und/oder regelbar. Dadurch ist eine Anpassung an die momentan
wirkenden Verhältnisse
möglich.
Beispielsweise kann nach erfolgter Zündung die Erzeugung eines Steuerstrahls
abgeschaltet werden. Es ist beispielsweise auch eine Anpassung an
Lastwechsel möglich.
-
Die
Brennkammervorrichtung umfasst insbesondere einen oder mehrere Brenner
(und mindestens eine Brennkammer); ein Brenner ist insbesondere
durch einen Einblaskopf realisiert.
-
Die
erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung
lässt sich
auch vorteilhafterweise für
eine Gasturbine verwenden.
-
Die
erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung
lässt sich
auch vorteilhafterweise für
ein Flugkörpertriebwerk
verwenden. Der Brennraum lässt
sich mit minimierter Länge
ausbilden, da durch die Steuerstrahlbeaufschlagung des Brennraums sich
die Zündungsverhältnisse
optimieren lassen. Es ist eine Zündung
oder Wiederzündung
für die
Verbrennung in dem Brennraum auch in großen Höhen mit reduzierter Oxidatormenge
(reduziertem Luftanteil) möglich.
-
Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Teilschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer aus dem Stand
der Technik bekannten Brennkammervorrichtung;
-
2 eine
schematische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung;
-
3 eine
schematische Teilschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung;
und
-
4 eine
schematische Teilschnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
einer bekannten Brennkammervorrichtung, welche in 1 schematisch
in Teildarstellung gezeigt ist und dort mit 10 bezeichnet
ist, umfasst einen Brennraum 12 mit einer Brennraumachse 14.
Die Brennraumachse 14 ist eine Mittelachse des Brennraums 12 und
insbesondere eine Symmetrieachse; der Brennraum 12 ist
rotationssymmetrisch zu der Brennraumachse 14.
-
Der
Brennraum 12 ist innerhalb von Brennkammerwänden 16 angeordnet,
wobei die Brennkammerwände 16 eine
stirnseitige Brennkammerwand 18 und eine quer dazu liegende
Querbrennkammerwand 20 umfassen. Die Brennkammerwand 20 ist
beispielsweise eine Zylinderwand, welche senkrecht zur stirnseitigen
Brennkammerwand 18 ist. Die stirnseitige Brennkammerwand 18 ist
dann beispielsweise kreisscheibenförmig.
-
Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Brennraum 12 zylindrisch.
Es sind auch andere Brennraumformen möglich.
-
An
der Querbrennkammerwand 20 ist eine Zündeinrichtung 22 zur
Zündung
eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs angeordnet.
-
Die
Brennkammer 10 umfasst einen Einblaskopf 23 mit
einer Einblaseinrichtung 24, über welche Brennstoff und Oxidator
in den Brennraum 12 jeweils in Fluidform einblasbar sind.
Der Einblaskopf 23 bildet einen oder mehrere Brenner. (In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein Brenner 25 vorhanden.) Der Brennstoff kann dabei
gasförmig
oder flüssig sein
oder es kann sich um ein Zwei-Phasen-Gemisch aus Gas und Flüssigkeit
handeln. Der Oxidator kann gasförmig
oder als Flüssigkeit
eingeblasen werden oder als Zwei-Phasen-Gemisch aus Gas und Flüssigkeit.
Ferner können
der Brennstoff und Oxidator über
die Einblaseinrichtung 24 vollständig vorgemischt, teilvorgemischt
oder ohne Vormischung getrennt eingeblasen werden.
-
Der
Brennstoff selber kann einkomponentig sein oder mehrkomponentig
sein, das heißt
eine Mehrzahl an Brennstoffkomponenten umfassen.
-
Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst die Einblaseinrichtung eine (Einlass-)Öffnung 26, über die
eine Mischung aus Brennstoff und Oxidator einblasbar ist. Die Einlassöffnung 26 ist
dabei versetzt zu der Brennraumachse 14 angeordnet. Eine
Normale der Einlassöffnungsfläche liegt
im Wesentlichen parallel zur Brennraumachse 14. Der Öffnung 26 wird
Brennstoff und Oxidator über
eine Leitung 27 zugeführt.
-
Der
Einblaseinrichtung 24 ist eine Einrichtung 28 zur
Strömungsverdrallung
zugeordnet.
-
Durch
das Einblasen von Brennstoff und Oxidator in den Brennraum 12 bildet
sich in diesem eine entsprechende Brennstoffströmung und Oxidatorströmung aus;
diese ist in 1 angedeutet. Wenn eine Mischung
aus Brennstoff und Oxidator eingeblasen wird, dann bildet sich eine
entsprechende Mischungsströmung
aus.
-
Es
können
sich dabei Rückströmungszonen 30 ausbilden,
in welchen die Strömung
ihre Richtung umdreht und zurück
zur stirnseitigen Brennkammerwand 18 strömt. Die
Rückströmungszonen 30 bilden sich
bevorzugt an der Querbrennkammerwand 20 aus, die eine Strömungsumlenkung
bewirken kann.
-
Durch
die Ausbildung von Rückströmungszonen 30 kann
das Problem entstehen, dass die Zündung in dem Brennraum 12 erschwert
wird, da die Menge an Brennstoff und/oder Oxidator, welche an der
Zündeinrichtung 22 vorbeiströmt, verringert
ist. Außerdem
kann ein einmal gebildeter Flammenkern zu einem Brennkammeraustritt
abschwimmen, so dass eine Hauptflamme in einer Hauptreaktionszone 31 (wo
die Hauptflamme stabil brennt) nicht entflammt wird.
-
Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung,
welches in 2 in schematischer Teilschnittdarstellung
gezeigt und dort mit 32 bezeichnet ist, ist eine Modifikation
der Brennkammervorrichtung 10. Es werden deshalb für gleiche
Elemente wie bei der Brennkammervorrichtung 10 gleiche
Bezugszeichen verwendet.
-
Die
Brennkammervorrichtung 32 umfasst einen Einblaskopf 33 mit
einer Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 34, durch welche
(mindestens) ein Steuerstrahl in Form eines Blasstrahls in den Brennraum 12 einblasbar
ist, und eine Brennkammer 37, in welcher ein Brennraum 12 gebildet
ist und an welcher der Einblaskopf 33 sitzt. Durch den
Einblaskopf 33 sind ein oder mehrere Brenner 35 gebildet.
Der Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 34 sind eine oder mehrere Öffnungen 36 zugeordnet, über welche
ein oder mehrere Medien in den Brennraum 12 einblasbar
sind. Die Öffnung
oder Öffnungen 36 sind
Einlassöffnungen.
Dadurch ist in dem Brennraum 12 ein Steuerstrahl 38 erzeugbar,
welcher ein Strahl an dem eingeblasenen Medium oder an den eingeblasenen Medien
ist. Über
diesen Steuerstrahl 38 lässt sich die Strömung an
Brennstoff und/oder Oxidator im Brennraum 12 beeinflussen.
-
Die
Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 34 weist eine Druckbeaufschlagungseinrichtung 40 auf, über welche
das Medium oder die Medien als Blasstrahl in den Brennraum 12 einblasbar
sind, um den Steuerstrahl (oder die Steuerstrahlen) zu erzeugen. Die
Druckbeaufschlagungseinrichtung 40 umfasst beispielsweise
ein Druckreservoir für
das Steuerstrahlmedium und/oder eine oder mehrere Pumpen.
-
Der Öffnung 36 ist
ein schaltbares Ventil 42 und insbesondere ein Magnetventil
zugeordnet, über welches
die Erzeugung eines Steuerstrahls 38 anschaltbar und abschaltbar
ist. Das Ventil 42 ist insbesondere bezüglich der Öffnung 36 zurückgesetzt
an einer Leitung 43 angeordnet. Bei axialer Ausrichtung dieser
Leitung 43 lässt
sich auf einfache Weise ein axialer Steuerstrahl erzeugen. Ferner
ist die Wärmebeaufschlagung
des Ventils 42 verringert.
-
Eine
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 44 ist an das
schaltbare Ventil 42 gekoppelt und steuert dieses an. Über die
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 44 ist damit
die Erzeugung eines Steuerstrahls 38 steuerbar bzw. regelbar.
-
Die Öffnung 36 weist
eine Öffnungsfläche auf,
deren Normalenrichtung 46 mindestens näherungsweise parallel zur Brennraumachse 14 ist.
Dadurch lässt
sich der Steuerstrahl 38 in axialer Richtung gerichtet
in dem Brennraum 12 erzeugen.
-
Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Öffnung 36 zwischen
der Einlassöffnung 26 der Einblaseinrichtung 24 und
der Brennraumachse 14 angeordnet.
-
Es
ist grundsätzlich
auch möglich,
wie in 3 gezeigt, dass eine Öffnung 48 der Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 34 in
dem Brennraum 12 zwischen der Einblaseinrichtung 24 und
der Querbrennkammerwand angeordnet ist.
-
Es
ist auch möglich,
dass Medium für
einen Steuerstrahl über
die Öffnung 26 in
den Brennraum 12 eingeblasen wird, so dass der Steuerstrahl
an der Öffnung 26 in
dem Brennraum 12 erzeugt wird. Dazu ist die Druckbeaufschlagungseinrichtung 40 mit
der Leitung 27 verbunden, um Steuerstrahlmedium vor Eintritt
in den Brennraum 12 der Leitung 27 zuführen zu
können
(in der Zeichnung nicht gezeigt).
-
Wenn
eine Mehrzahl von Öffnungen
vorgesehen ist, dann ist auch eine Kombination solcher Öffnungspositionierungen
möglich.
-
Der
Brennstoff und/oder der Oxidator wird über die Einblaseinrichtung 24 insbesondere
mit Drall (als Drallströmung)
in den Brennraum 12 eingeblasen. Der Drall wird über die
Einrichtung 28 erzeugt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
funktioniert wie folgt:
Die Öffnungen 36 und 48 sind
kreisförmig
ausgestaltet (in Form einer Hohlkreisscheibe) oder ringförmig (in
Form eines Hohlrings).
-
Durch
die Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 34 wird ein Blasstrahl
als Steuerstrahl 38 erzeugt. Es wird dabei ein Medium in
Fluidform oder es werden mehrere Medien in Fluidform in den Brennraum 12 eingeblasen.
Das oder die Medien können
in Gasform, als Flüssigkeit
oder als Zwei-Phasen-Gemisch von Gas und Flüssigkeit eingeblasen werden. Die
Art des eingeblasenen Mediums ist abhängig von der Anwendung. Beispielsweise
wird Brennstoff eingeblasen oder es werden eine oder mehrere Brennstoffkomponenten
bei mehrkomponentigem Brennstoff eingeblasen. Es ist auch möglich, dass
Oxidator zur Erzeugung des Steuerstrahls 38 eingeblasen wird.
Ferner ist es möglich,
dass ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch eingeblasen wird, um den Steuerstrahl 38 zu
erzeugen. Ferner kann es bei bestimmten Anwendungen vorgesehen sein,
dass ein Inertmedium eingeblasen wird, das heißt ein Medium eingeblasen wird,
welches an der Verbrennung von Brennstoff und Oxidator in dem Brennraum 12 nicht teilnimmt.
Beispielsweise wird ein Inertgas wie Stickstoff eingeblasen oder
es wird Wasser in Dampfform oder in flüssiger Form (insbesondere in
Tropfenform) eingeblasen.
-
Der
Steuerstrahl 38 wird so in dem Brennraum 12 erzeugt,
dass er die Strömung
von Brennstoff und Oxidator in dem Brennraum 12 positiv
beeinflusst. Der Steuerstrahl 38 wird beispielsweise axial
eingeblasen.
-
Es
ist beispielsweise vorgesehen, dass er so eingeblasen wird, dass
der Drallgrad der Strömung an
Brennstoff und/oder Oxidator, welche über die Einblaseinrichtung 24 erzeugt
wird, verringert wird. Dadurch lässt
sich eine Rückströmungszone 50 im Vergleich
zu dem steuerstrahlfreien Zustand (1) vergrößern und
insbesondere axial vergrößern. Dadurch
lässt sich
die Zündung
verbessern. Insbesondere lässt
sich die Rückströmungszone 50 so
vergrößern, dass
an der Zündeinrichtung 22 eine
höherer Anteil
an Brennstoff und Oxidator vorliegt, um die Zündung zu erleichtern.
-
Durch
die vergrößerte Rückströmungszone 50 wird
ein Ausspülen
des vor der Zündeinrichtung 22 gebildeten
Flammenkerns verhindert. Der Flammenkern wird durch die Rückströmung in
Richtung der Hauptreaktionszone 31 transportiert. Durch
eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit
vor der Zündeinrichtung 22 wird
außerdem
die Gefahr des Quenchens des gebildeten Flammenkerns erheblich verringert.
-
Wenn
Brennstoff und/oder Oxidator in Drallströmung durch die Einblaseinrichtung 24 in
den Brennraum 12 eingeblasen wird, dann ergibt sich durch
den Steuerstrahl 38 eine gute Beeinflussbarkeit der Strömungsverhältnisse
in dem Brennraum 12, da die Strömungseigenschaften von Drallströmungen sehr empfindlich
gegenüber
den Eintrittsrandbedingungen sind. Der Steuerstrahl 38 kann
mit geringer Mediumsmenge diese Eintrittsrandbedingungen so beeinflussen,
dass die Rückströmungszone 50 im
Vergleich zu der Rückströmungszone 30 vergrößert ist.
Der Massenstromanteil des Steuerstrahls liegt beispielsweise zwischen
2% und 20% des Gesamtmassenstroms.
-
Der
Steuerstrahl 38 oder die Steuerstrahlen 38 werden
so erzeugt und entsprechend ist die Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 34 mit
ihrer Öffnung 36 bzw. 48 oder
ihren Öffnungen
ausgebildet, dass sich optimierte Verhältnisse für die Zündung der Verbrennung ergeben.
Insbesondere erfolgt die Steuerstrahlbeaufschlagung des Brennraums 12 derart, dass
sich hohe Aufenthaltszeiten für
Brennstoff und Oxidator in dem Brennraum 12 ergeben. Günstigerweise
ist der Steuerstrahl 38 so erzeugt, dass sich Aufenthaltszeiten
um größer 1 ms
und insbesondere um größer 5 ms
und insbesondere um größer 10 ms im
Vergleich zum steuerstrahlfreien Zustand steigern lassen. Durch
entsprechende Einstellung der Steuerstrahlerzeugung, wobei der Steuerstrahl 38 räumlich definiert
erzeugt wird, lässt
sich das Ausspülen
eines Flammenkerns verhindern. Weiterhin lässt sich ein Quenchen des Flammenkerns
bei der Verbrennung verhindern.
-
Die
erfindungsgemäße Brennkammer
und das erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich
vorteilhafterweise einsetzen bei der Fluidverbrennung und insbesondere
im Zusammenhang mit einer Gasturbine. Die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung 32 ist
dann Teil der Gasturbine.
-
Weiterhin
lässt sich
die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung 32 und
das erfindungsgemäße Verfahren
auf vorteilhafte Weise einsetzen in einem Flugkörpertriebwerk und insbesondere
in einem Flugzeugtriebwerk. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen
mindestens einen Steuerstrahl 38 lässt sich die Rückströmungszone 50 verlängern. Dadurch
ist es möglich,
dass sich optimierte Strömungsverhältnisse
in dem Brennraum 12 für
die Zündung
einstellen lassen. Dadurch wiederum ist die Länge der entsprechenden Brennkammer 37 minimierbar.
-
Ferner
lässt sich
aufgrund der Vergrößerung der
Rückströmungszone 50 eine
Wiederzündung
in großen
Höhen (in
denen die Temperatur des zuführbaren
Oxidators in Form von Luft stark erniedrigt ist) gewährleisten,
da die Verweilzeiten zur Brennstoffverdunstung aufgrund der vergrößerten Rückströmungszone 50 vergrößert sind.
-
Über die
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 44 lässt sich
die Erzeugung eines Steuerstrahls 38 insbesondere zeitlich
steuern. Je nach Schaltung der schaltbaren Ventile 42 wird
ein Steuerstrahl 38 erzeugt oder nicht erzeugt. Dadurch
ist es beispielsweise möglich,
einen Steuerstrahl 38 nach dessen Erzeugung abzuschalten,
wenn eine Zündung
des Brennstoff-Oxidator-Gemischs in dem Brennraum 12 erfolgt
ist.
-
Ferner
ist es durch entsprechende Ansteuerung des Ventils 42 möglich, den
Steuerstrahl 38 in seiner zeitlichen Erzeugung angepasst
an einen Lastzustand der Brennkammer 32 anzupassen.
-
Weiterhin
ist es beispielsweise auch möglich, durch
zeitlich gepulste Ansteuerung der Ventile 42 einen zeitlich
gepulsten Steuerstrahl 38 zu erzeugen. Ein solcher gepulster
Steuerstrahl 38 hat beispielsweise eine stabilisierte Wirkung
auf die Strömungsverhältnisse
und Verbrennungsverhältnisse
in dem Brennraum 12 und kann auch die Durchmischung von
Brennstoff und Oxidator in dem Brennraum 12 fördern.
-
Es
ist dabei grundsätzlich
möglich,
dass der Steuerstrahl 38 mit oder ohne Drallströmung erzeugt wird.
-
Bei
einem dritten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung,
welche in 4 schematisch in Teilschnittdarstellung gezeigt
und dort mit 52 bezeichnet ist, ist eine Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 54 vorgesehen,
welche eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 56 umfasst.
Diese ist fluidwirksam über
eine Öffnung 58 mit
einem Brennraum 60 der Brennkammervorrichtung 52 verbunden.
Der Öffnung 58 kann
ein Ventil wie das oben beschriebene Ventil 42 zugeordnet
sein (in 4 nicht gezeigt).
-
Über die
Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung 56 ist durch Unterdruckbeaufschlagung
des Brennraums 60 ein Saugstrahl 62 erzeugbar,
welcher als Steuerstrahl zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse
in dem Brennraum 60 dient.
-
Mittels
des Saugstrahls 62 wird Brennstoff und/oder Oxidator und/oder
Verbrennungsprodukt aus dem Brennraum 60 abgesaugt. Die
Steuerstrahl-Erzeugungseinrichtung 54 ist
dabei so angeordnet und ausgebildet, dass die Strömungsverhältnisse
positiv beeinflusst werden, um insbesondere hohe Aufenthaltszeiten
für Brennstoff
und Oxidator in dem Brennraum 60 bei Minimierung der Brennkammerlänge 52 zu
erhalten. Ferner lässt
sich bei geeigneter Einstellung das Ausspülen eines Flammenkerns aus
dem Brennraum 60 und das Quenchen des Flammenkerns in dem
Brennraum 60 verhindern.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung mit mindestens
einem Steuerstrahl, wobei der mindestens eine Steuerstrahl als Saugstrahl 62 oder
als Blasstrahl 38 ausgebildet sein kann, lässt sich
die Zündung
verbessern, auch wenn die Zündeinrichtung 22 beispielsweise
aufgrund von konstruktiven Einschränkungen nicht an einer optimalen
Stelle positioniert werden kann. Über einen oder mehrere Steuerstrahlen
lässt sich
an der Zündeinrichtung 22 ein
geeignetes Gemisch aus Brennstoff und Oxidator bereitstellen.
-
Beispielsweise
lässt sich
eine solche Optimierung zur Steuerung der Verbrennung auch durchführen, wenn
der Brennstoff flüssig
in den Brennraum 12 eingeblasen wird. Hier ist es wichtig,
die Zündung in
Bereichen vorzunehmen, in denen ausreichend verdunsteter Brennstoff
zur Verfügung
steht. Zur Verdunstung des Brennstoffs muss eine ausreichende Aufenthaltsdauer
der eingeblasenen Brennstofftropfen im Brennraum 12 zur
Verfügung
stehen. Dies führt
wiederum dazu, dass die Länge
des Brennraums bei Verwendung von Flüssigbrennstoff durch die Erfordernisse
des Zündvorgangs
bestimmt ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich aufgrund der Strömungsbeeinflussung
der Strömungsverhältnisse
im Brennraum 12 die Brennraumlänge wesentlich reduzieren.
-
Weiterhin
lassen sich für
die Zündung
optimale Strömungsverhältnisse
erreichen, ohne dass die Verbrennungsstabilität und/oder die Schadstoffemission
wesentlich negativ beeinflusst wird.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung lässt sich
bei einer Vielzahl von Brennkammeranwendungen einsetzen. Beispielsweise
können
Kleinbrenner wie in Haushaltsfeuerungen entsprechend ausgerüstet werden.
Es lassen sich auch Brennkammern von stationären Gasturbinen oder mobilen
Gasturbinen entsprechend ausrüsten.
-
Ein
oder mehrere Steuerstrahlen können permanent
oder nur zeitweise erzeugt werden. Beispielsweise erfolgt eine Abschaltung
eines Steuerstrahls nach erfolgter Zündung. Es kann auch vorgesehen
sein, dass ein oder mehrere Steuerstrahlen im Dauerbetrieb erzeugt
werden und zusätzliche
Steuerstrahlen nur zeitweise erzeugt werden.