DE102015200964A1

DE102015200964A1 - Brennkammersystem für eine Gasturbine und Verfahren zur Verbrennung eines brennbaren Gemisches in einer Brennkammer

Info

Publication number: DE102015200964A1
Application number: DE102015200964.5A
Authority: DE
Inventors: Rupert Klein; Christian Oliver Paschereit
Original assignee: Freie Universitaet Berlin
Current assignee: Freie Universitaet Berlin
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennkammersystem für eine Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer mit einem Einlassbereich für ein brennbares Gemisch, wobei das Brennkammersystem derart ausgelegt ist, dass in mindestens einer Brennkammer die Verbrennung des brennbaren Gemisches durch eine Sequenz von Verbrennungen von Portionen des brennbaren Gemisches pulsierend erfolgt und wobei die Verbrennung einer jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches durch eine Zündwelle verursacht wird, die sich durch die Portion des brennbaren Gemisches ausbreitet, wodurch die Portion des brennbaren Gemisches zu Abgas verbrennt. Das Brennkammersystem ist zudem derart ausgelegt, dass sich die Zündwelle mit Überschallgeschwindigkeit in der Portion des brennbaren Gemisches ausbreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennkammersystem für eine Gasturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Gasturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren zur pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Ein gattungsgemäßes Brennkammersystem für eine Gasturbine umfasst mindestens eine Brennkammer mit einem Einlassbereich für ein brennbares Gemisch. Das Brennkammersystem ist dazu ausgelegt, in mindestens einer seiner Brennkammern Portionen des brennbaren Gemisches pulsierend zu verbrennen. Die Portionen des brennbaren Gemisches werden der jeweiligen Brennkammer über den Einlassbereich zugeführt. Eine pulsierende Verbrennung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Sequenz von Portionen des brennbaren Gemisches zeitlich nacheinander verbrannt werden. Die Verbrennung jeder einzelnen Portion des brennbaren Gemisches wird durch eine Zündwelle verursacht, die sich durch die Portion des brennbaren Gemisches ausbreitet, so dass die Portion des brennbaren Gemisches zu Abgas verbrennt.
Aus dem Stand der Technik bekannte Gasturbinen verbrennen das brennbare Gemisch nahezu isobar. Es handelt sich um eine deflagrative Verbrennung, bei der das unverbrannte Gemisch durch Aufheizung des Gemisches in der Flammenfront sukzessive entzündet wird. Die Verbrennung verläuft mit einer Geschwindigkeit, die kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit im verbrennenden Medium. Derartige Gasturbinen arbeiten nach dem Prinzip der Gleichdruckverbrennung wie es idealisiert durch den Joule-Kreisprozess beschrieben wird. Danach wird Luft in einem Verdichter isentrop verdichtet und einer Brennkammer zusammen mit einem Brenngas zugeführt. Das Brenngas wird mit der Luft in der Brennkammer isobar zu Abgas verbrannt, wodurch Wärme entsteht. Das erhitzte Abgas wird darauf isentrop in einem Turbinenplenum entspannt, wodurch die Turbine angetrieben wird. Der durch diesen Prozess erzielbare Wirkungsgrad hängt exponentiell vom Verdichtungsverhältnis ab. Mit zunehmender Steigerung des Drucks im Verdichter lassen sich immer kleinere Wirkungsgradgewinne erzielen. In realen Gasturbinen führen die mit der Drucksteigerung verbundenen höheren Temperaturen zudem zu Wirkungsgradverlusten. Für Gasturbinen, die nach dem Prinzip der Gleichdruckverbrennung arbeiten, lassen sich nur noch graduelle Verbesserungen des Wirkungsgrads erzielen.
Daneben gibt es derzeit Bestrebungen, Gasturbinen nicht nach dem Prinzip der deflagrativen Gleichdruck-Verbrennung, sondern nach dem Prinzip der pulsierenden detonativen Verbrennung zu betreiben, bei der bei Zündung einer Portion des brennbaren Gemisches eine Stoßwelle, die Detonationswelle, ausgelöst wird. Eine Stoßwelle bzw. eine Detonationswelle ist eine sehr starke Druckwelle. Die Flammenfront der Zündwelle fällt dabei mit der Stoßfront der Detonationswelle zusammen, welche sich beide mit Überschallgeschwindigkeit relativ zum unverbrannten Medium fortbewegen. Eine detonative Verbrennung zeichnet sich durch eine sehr hohe thermodynamische Effizienz aus, die sich in einer effektiven Druckerhöhung über der Brennkammer bemerkbar macht. Diese Druckerhöhung bewirkt einen erhöhten Wirkungsgrad einer Detonations-Gasturbine. Allerdings haben Detonations-Gasturbinen den Nachteil, dass die Stoßwellen extrem hohe Amplituden aufweisen, so dass die starken Stöße sehr materialbelastend sind und die Brennkammer entsprechend ausgelegt sein muss, um derartig hohen Stößen standzuhalten (siehe die Publikation „Numerical Investigation of Rotating Detonation Engine Propulsive Performance", Combustion Science and Technology, 2010). Außerdem kann eine detonative Verbrennung bisher nur über eine beschleunigende deflagrative Verbrennung gezündet werden, wodurch ein Teil der möglichen Wirkungsgradsteigerung wieder verloren geht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennkammersystem, eine Gasturbine mit einem solchen Brennkammersystem sowie ein Verfahren zur pulsierenden Verbrennung zu schaffen, welche nicht ausschließlich auf Gleichdruckverbrennung basieren und eine Verbesserung des Wirkungsgrads einer Gasturbine erlauben, ohne die Nachteile der detonativen Verbrennung aufzuweisen.
Die Aufgabe wird mit einem Brennkammersystem für eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie einem Verfahren zur pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Danach sind das Brennkammersystem, die das Brennkammersystem umfassende Gasturbine und das Verfahren zur pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches derart ausgelegt, dass sich die Zündwelle, die die Verbrennung der Portion des brennbaren Gemisches zu Abgas verursacht, mit Überschallgeschwindigkeit in der Portion des brennbaren Gemisches ausbreitet.
Hierbei ist die Überschallgeschwindigkeit bezüglich des Mediums festzulegen, in dem sich die Zündwelle ausbreitet. Die Verbrennung der Portion des brennbaren Gemisches wird derart gesteuert, dass die Zündwelle so schnell propagiert, dass die Ausbildung einer starken Detonation verhindert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Überschallgeschwindigkeit, mit der sich die Zündwelle ausbreitet, größer ist als die Chapman-Jouget-Detonationsgeschwindigkeit in der unverbrannten Portion des brennbaren Gemisches, welche die Geschwindigkeit der Stoßwelle festlegt.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Zündwelle ergibt sich bei inhomogener Zustandsverteilung in der noch unverbrannten Portion des brennbaren Gemisches in der folgenden Weise: Im Anfangszustand nach Befüllung der Brennkammer ist jedem noch unverbrannten Massenelement in der Brennkammer eine von seinem Zustand abhängige Zündverzugszeit zu eigen. So zünden etwa heißere Massenelemente in der Regel vor kühleren bei gleichem Druck und gleicher chemischer Zusammensetzung. Bei gegebenem Druck und gegebener Temperatur zünden Gemische mit nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung früher als magere oder fette Gemische. Einer durch inhomogene Zustandsverteilung gegebenen Gemischinhomogenität ist also eine Funktion t_i(x) zugeordnet, die die Zündverzugszeit als Funktion des Ortes angibt. Die Inverse der Ortsableitung, also (dt_i/dx)^–1, kennzeichnet die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Zündfront. Diese lässt sich demnach durch geeignete Beeinflussung der Zustandsverteilung, also insbesondere der räumlichen Verteilungen von Temperatur, Druck und chemischer Zusammensetzung, der noch unverbrannten Portion des brennbaren Gemisches kontrollieren.
Das Brennkammersystem weist insbesondere Steuermittel auf, welche dazu ausgelegt sind, die Zustandsverteilung der jeweiligen zu verbrennenden Portion des brennbaren Gemisches gezielt inhomogen zu gestalten. Durch eine geeignete inhomogene Gestaltung der Portion des brennbaren Gemisches kann diese durch Selbstzündung verbrannt werden. Eine geeignete inhomogene Gestaltung der Portion des brennbaren Gemisches bewirkt, wie zuvor beschrieben, dass sich die aus der Zündung resultierende Zündwelle in der Portion des brennbaren Gemisches überschallschnell ausbreitet.
Die Steuermittel können die inhomogene Zustandsverteilung der jeweiligen zu verbrennenden Portion des brennbaren Gemisches derart steuern, dass sich diese Portion des brennbaren Gemisches beim Einlassen in die mindestens eine Brennkammer, die dazu ausgelegt ist, das brennbare Gemisch pulsierend zu verbrennen, in einem Zustand nahe der Selbstzündung befindet. Die Portion des brennbaren Gemisches wird hochverdichtet in die Brennkammer eingelassen. Die Portion des brennbaren Gemisches befindet sich insbesondere (auch) nach Abschluss des Einlassvorgangs in einem Zustand nahe der Selbstzündung.
Die mindestens eine Brennkammer kann außerdem derart ausgelegt sein, dass die Verbrennung einer jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches durch eine Druckwelle angestoßen wird. Da sich die Portion des brennbaren Gemisches nach dem Einlassen in die Brennkammer bereits nahe der Selbstzündung befindet, genügt eine Druckwelle, um die Verbrennung anzustoßen.
Die mindestens eine Brennkammer kann weiterhin konkret dazu ausgelegt sein, die die Verbrennung anstoßende Druckwelle durch die Verbrennung einer vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches hervorzurufen. Durch die Verbrennung einer vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches entsteht eine Druckwelle, die durch Reflexion an den Enden der Brennkammer auf die folgende Portion des brennbaren Gemisches einwirkt und deren Verbrennung anstößt.
Die Steuermittel sind beispielsweise dazu ausgelegt, eine Variation der Anfangstemperatur innerhalb der Portion des brennbaren Gemisches zu erzeugen. Eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Anfangstemperaturverteilung besteht in der Ausnutzung der in der mindestens einen Brennkammer oszillierenden Druckwellen. Die von diesen hervorgerufenen raum-zeitlichen Temperaturvariationen können durch Verwendung von einer als Brennrohr nicht-konstanten Querschnitts ausgelegten Brennkammer geeignet erzeugt werden. Brennrohre zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Ausdehnung in axialer Richtung groß im Vergleich zu ihrer Ausdehnung in radialer Richtung ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Steuermittel dazu ausgelegt sind, Mischungsinhomogenitäten, d. h. Inhomogenitäten in der chemischen Zusammensetzung, innerhalb der Portion des brennbaren Gemisches zu erzeugen. Diese ist während des Einströmvorgangs einer unverbrannten Portion des brennbaren Gemisches durch eine entsprechend zeitlich gesteuerte Intensität der Brennstoffzumischung beeinflussbar. Die der mindestens einen Brennkammer zugeführten Portionen des brennbaren Gemisches befinden sich nahe der Selbstzündung. Inhomogenitäten in den jeweiligen Portionen des brennbaren Gemisches lösen die zeitlich sequentielle Verbrennung der Portionen des brennbaren Gemisches aus. Durch die Mischungsinhomogenität in der Portion des brennbaren Gemisches breitet sich die aus der Zündung resultierende Zündwelle in der Portion des brennbaren Gemisches überschallschnell aus.
Die Mischungsinhomogenitäten können durch eine (räumliche) Variation der Zusammensetzung der Portion des brennbaren Gemisches erzeugt werden. Die Portion des brennbaren Gemisches weist eine Mehrzahl von Komponenten auf, beispielsweise ein Oxidationsmittel und einen Brennstoff. Ist die mindestens eine Brennkammer so ausgelegt, dass diese Komponenten ungleichmäßig über die Portion des brennbaren Gemisches verteilt werden, so bewirkt dies eine inhomogene Gestaltung der Portion des brennbaren Gemisches. Die inhomogene Gestaltung der Portion des brennbaren Gemisches wird beispielsweise derart realisiert, dass die Steuermittel auf schnell steuerbare Einspritzvorrichtungen bzw. auf schnell steuerbare Einströmventile zur Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel einwirken. Durch Direkteinspritzung des Brennstoffs in das in die mindestens eine Brennkammer einströmende Oxidationsmittel kann die Gemischverteilung zunächst zeitlich beeinflusst werden. Da sich das eintretende Oxidationsmittel dann advektiv im Raum ausbreitet, entsteht so die gewünschte räumlich nicht-homogene Gemischverteilung.
Die Steuermittel können auch derart gestaltet sein, dass sie eine geeignete Kombination der zuvor beschriebenen Merkmale enthalten.
Durch die Verbrennung der Portion des brennbaren Gemisches wird eine Druckwelle ausgelöst, die sich mit Schallgeschwindigkeit im verbrennenden Medium ausbreitet. Eine sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitende Zündwelle breitet sich also schneller aus als die Druckwelle. Bei hinreichend unterschiedlichen Geschwindigkeiten beeinflussen sich Druckwelle und Zündwelle nicht. Eine Detonationswelle und die Nachteile einer detonativen Verbrennung werden dadurch vermieden.
Weiterhin kann die mindestens eine Brennkammer derart ausgelegt sein, dass die Verbrennung stoßarm mit Stoß-Mach-Zahlen im Bereich von 1.0 bis zur Hälfte der Stoß-Mach-Zahl einer Chapman-Jouguet-Detonation im zu verbrennenden Gemisch verläuft.
Von der die Verbrennung auslösenden Zündwellenfront ist die Verbrennungszone zu unterscheiden, in der der exotherme Reaktionsumsatz erfolgt, der das brennbare Gemisch zu Abgas verbrennt. Wie der Reaktionsumsatz des brennbaren Gemisches zu Abgas nach Durchlauf der Zündwelle erfolgt, hängt von der Zusammensetzung des verwendeten brennbaren Gemisches ab. Die Verbrennung kann entweder in einer scharf abgegrenzten Reaktionzone oder raum-zeitlich verteilt stattfinden. Die erfindungsgemäße Brennkammer ist derart ausgelegt, dass sie unabhängig von der jeweiligen Reaktionskinetik ist, also sowohl für sehr schnell als auch für eher langsam ablaufende Verbrennungen einsetzbar ist.
Der Einlassbereich der mindestens einen Brennkammer weist eine erste Einlassvorrichtung für ein erstes Fluid auf. Der Einlassbereich kann auch eine erste Einlassvorrichtung für ein erstes Fluid und eine zweite Einlassvorrichtung für ein zweites Fluid aufweisen.
Das Brennkammersystem kann für die mindestens eine Brennkammer zusätzlich ein erstes Reservoir umfassen, in dem das erste Fluid gespeichert ist. Das erste Reservoir ist als Verdichterplenum ausgelegt. Das erste Fluid kann über die erste Einlassvorrichtung aus dem ersten Reservoir der mindestens einen Brennkammer zugeführt werden. Das Brennkammersystem kann für die mindestens eine Brennkammer zusätzlich ein zweites Reservoir umfassen, in dem das zweite Fluid gespeichert ist. Das zweite Fluid kann über die zweite Einlassvorrichtung aus dem zweiten Reservoir der mindestens einen Brennkammer zugeführt werden.
Die erste und/oder zweite Einlassvorrichtung kann beispielsweise (jeweils) als Ventil (wie in Otto- oder Diesel-Motoren, oder als Membranventil) ausgebildet sein. Über die Regelung der Ventile lässt sich die pulsierende Befüllung der Brennkammer steuern.
Die erste und/oder zweite Einlassvorrichtung kann auch (jeweils) als ein strömungsmechanischer Gleichrichter, insbesondere als ein fluidischer Gleichrichter, ausgebildet sein. Strömungsmechanische Gleichrichter weisen den Vorteil auf, dass sie keiner aufwändigen Steuerung bedürfen. Strömungsmechanische Gleichrichter, die als fluidische Gleichrichter ausgebildet sind, weisen zudem den Vorteil auf, dass sie über keine mechanisch bewegten Bauteile verfügen.
Die Brennkammer weist z.B. auf dem dem Einlassbereich gegenüberliegenden, abgasseitigen Ende eine Öffnung auf. An dem offenen Ende werden Druckwellen mit umgekehrten Vorzeichen reflektiert, wobei die überschüssige Energie in den Bereich entlassen wird, der sich an die abgasseitige Öffnung der Brennkammer anschließt, beispielsweise ein Turbinenplenum, und dort für einen wirkungsgradsteigernden Druckanstieg sorgt. Die Reflektion führt zu einem periodischen Wechsel von Über- und Unterdruckphasen an dem dem abgasseitigen Ende gegenüberliegenden Einlassbereich der Brennkammer.
Das erfindungsgemäße Brennkammersystem ist insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine bestimmt. Die Gasturbine umfasst ein solches Brennkammersystem und ein Turbinenplenum mit einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln, wobei die abgasseitige Öffnung der mindestens einen Brennkammer in das Turbinenplenum mündet.
Die Verbesserung des Wirkungsgrads wird hier insbesondere durch einen Druckanstieg erzielt, der sich zwischen dem Druck der durch den Einlassbereich einströmenden Portionen des brennbaren Gemisches und dem Druck im Turbinenplenum herausbildet.
Die Gasturbine kann derart ausgelegt sein, dass das Verhältnis zwischen der Länge der mindestens einen Brennkammer, gegeben durch den Abstand vom einlassseitigen Ende zur abgasseitigen Öffnung, und dem Umfang des Turbinenplenums vorzugsweise 0,1 bis 0,5 beträgt.
Die Gasturbine kann weiterhin derart ausgelegt sein, dass zwischen der abgasseitigen Öffnung der mindestens einen Brennkammer und dem Turbinenplenum ein Zwischenplenum angeordnet ist. Die Gasturbine kann aber auch derart ausgelegt sein, dass die abgasseitige Öffnung der mindestens einen Brennkammer unmittelbar und ohne ein Zwischenplenum vor dem Turbinenplenum angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die abgasseitige Öffnung der mindestens einen Brennkammer nicht senkrecht zur Achse der Gasturbine ausgerichtet. Das Abgas und die durch die Verbrennung in der mindestens einen Brennkammer hervorgerufenen Druckwellen treten dann nicht parallel zur Gasturbinenachse in das Turbinenplenum oder das Zwischenplenum ein.
Das Turbinenplenum kann ringförmig ausgebildet sein. Gemäß einer Weiterbildung kann die Gasturbine ein Brennkammersystem mit einer Mehrzahl von Brennkammern umfassen, die beispielsweise spiralförmig um das Turbinenplenum angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches in einer Brennkammer. Das Verfahren sieht vor, dass der Brennkammer eine Mehrzahl separierter Portionen des brennbaren Gemisches zugeführt werden. Ferner sieht das Verfahren vor, dass die Verbrennung der jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches durch eine Zündwelle induziert wird, die sich durch die Portion des brennbaren Gemisches ausbreitet, so dass diese Portion des brennbaren Gemisches zu Abgas verbrennt. Dabei wird die Zündwelle derart eingestellt, dass sie sich mit Überschallgeschwindigkeit in dieser Portion des brennbaren Gemisches ausbreitet.
Das Verfahren zur pulsierenden Verbrennung sieht insbesondere vor, dass die Brennkammer, in der die pulsierende Verbrennung ausgeführt wird, zu einem erfindungsgemäßen Brennkammersystem gehört, wie es zuvor beschrieben wurde.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Zufuhr der Mehrzahl von Portionen des brennbaren Gemisches derart gesteuert wird, dass eine inhomogene Gestaltung der Mehrzahl der Portionen des brennbaren Gases erhalten wird. Insbesondere ist eine jeweilige Portion des brennbaren Gas nach dem Abschluss des Einlassens in die Brennkammer bezüglich zumindest einer der Zustandsvariablen inhomogen gestaltet. Inhomogen gestaltet bedeutet, dass die Zustandsverteilung, also die Verteilung von Temperatur, Druck und/oder chemischer Zusammensetzung, innerhalb der Portion des brennbaren Gases räumlich variiert.
Die inhomogene Gestaltung der jeweiligen Portion des brennbaren Gases ist derartig, dass sich die Zündwelle mit Überschallgeschwindigkeit in der Portion des brennbaren Gemisches ausbreitet.
Die inhomogene, also räumlich variierende Zustandsverteilung der jeweiligen zu verbrennenden Portion des brennbaren Gemisches ist vorteilhaft derart, dass sich diese Portion beim Einlassen in die Brennkammer in einem Zustand nahe der Selbstzündung befindet. Die Portion des brennbaren Gemisches wird hochverdichtet in die Brennkammer eingelassen. Die Portion des brennbaren Gemisches befindet sich insbesondere auch nach Abschluss des Einlassvorgangs in einem Zustand nahe der Selbstzündung.
Die Verbrennung einer jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches wird insbesondere durch eine Druckwelle angestoßen. Da sich die Portion des brennbaren Gemisches nach dem Einlassen in die Brennkammer bereits nahe der Selbstzündung befindet, genügt die Druckwelle, um die Verbrennung anzustoßen.
Die die Verbrennung anstoßende Druckwelle kann insbesondere durch die Verbrennung einer vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches hervorgerufen werden. Durch die Verbrennung einer vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches entsteht eine Druckwelle, die durch Reflexion an den Brennkammerenden in der Brennkammer oszilliert. Die oszillierende Druckwelle wirkt auf die folgende Portion des brennbaren Gemisches ein und stößt deren Verbrennung an.
Die inhomogene, also räumlich variierende Zustandsverteilung der jeweiligen zu verbrennenden Portion des brennbaren Gemisches kann beispielsweise durch eine Variation der Anfangstemperatur innerhalb der Portion des brennbaren Gemisches erzeugt werden. Eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Anfangstemperaturverteilung besteht in der Ausnutzung der in der Brennkammer oszillierenden Druckwellen. Die von diesen hervorgerufenen raum-zeitlichen Temperaturvariationen können durch Verwendung von einer als Brennrohr nicht-konstanten Querschnitts ausgelegten Brennkammer geeignet erzeugt werden. Brennrohre zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Ausdehnung in axialer Richtung groß im Vergleich zu ihrer Ausdehnung in radialer Richtung ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, Mischungsinhomogenitäten, d. h. Inhomogenitäten in der chemischen Zusammensetzung, innerhalb der jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches zu erzeugen. Diese ist während des Einströmvorgangs einer unverbrannten Portion des brennbaren Gemisches durch eine entsprechend zeitlich gesteuerte Intensität der Brennstoffzumischung beeinflussbar. Die der Brennkammer zugeführten jeweiligen Portionen des brennbaren Gemisches befinden sich nahe der Selbstzündung.
Die Mischungsinhomogenitäten können durch eine Variation der Zusammensetzung der jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches erzeugt werden. Die Portion des brennbaren Gemisches weist eine Mehrzahl von Komponenten auf, beispielsweise ein Oxidationsmittel und einen Brennstoff. Ist die Brennkammer so ausgelegt, dass diese Komponenten ungleichmäßig über die Portion des brennbaren Gemisches verteilt werden, so bewirkt dies eine inhomogene Gestaltung der Portion des brennbaren Gemisches. Die inhomogene Gestaltung der Portion des brennbaren Gemisches wird beispielsweise derart realisiert, dass die Steuermittel auf schnell steuerbare Einspritzvorrichtungen bzw. auf schnell steuerbare Einströmventile zur Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel einwirken. Durch Direkteinspritzung des Brennstoffs in das in die Brennkammer einströmende Oxidationsmittel kann die Gemischverteilung zunächst zeitlich beeinflusst werden. Da sich das eintretende Oxidationsmittel dann advektiv im Raum ausbreitet, entsteht so die gewünschte räumlich nicht-homogene Gemischverteilung.
Durch die Verbrennung der jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches wird eine Druckwelle ausgelöst, die sich mit Schallgeschwindigkeit im verbrennenden Medium ausbreitet. Eine sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitende Zündwelle, breitet sich also schneller aus als die Druckwelle. Bei hinreichend unterschiedlichen Geschwindigkeiten beeinflussen sich Druckwelle und Zündwelle nicht. Eine Detonationswelle und die Nachteile einer detonativen Verbrennung werden dadurch vermieden.
Weiterhin verläuft die Verbrennung vorteilhaft stoßarm mit Stoß-Mach-Zahlen im Bereich von 1.0 bis zur Hälfte der Stoß-Mach-Zahl einer Chapman-Jouguet-Detonation im zu verbrennenden Gemisch.
Von der die Verbrennung auslösenden Zündwellenfront ist die Verbrennungszone zu unterscheiden, in der der exotherme Reaktionsumsatz erfolgt, der das brennbare Gemisch zu Abgas verbrennt. Wie der Reaktionsumsatz des brennbaren Gemisches zu Abgas nach Durchlauf der Zündwelle erfolgt, hängt von der Zusammensetzung des verwendeten brennbaren Gemisches ab. Die Verbrennung kann entweder in einer scharf abgegrenzten Reaktionzone oder räumlich-zeitlich verteilt stattfinden.
Ist die Reaktionskinetik derart, dass die charakteristische Zeit des exothermen Reaktionsumsatzes sehr viel kürzer als die Schallausbreitungszeit durch die Portion des brennbaren Gemisches ist, kommt es zur Ausbildung scharfer Reaktionsfronten. Der Reaktionsumsatz, der das brennbare Gemisch zu Abgas verbrennt, erfolgt innerhalb einer Verbrennungszone, welche sich der Zündwelle folgend durch die Portion des brennbaren Gemisches mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. Die sich durch die Portion des brennbaren Gemisches bewegende Verbrennungszone ist dabei scharf abgegrenzt gegenüber den Zonen, in denen sich die unverbrannten Komponenten bzw. das durch die Verbrennung erzeugte Abgas befinden. Der chemische Reaktionsumsatz ruft keine Stoßwelle hervor, wie sie für eine starke Detonation charakteristisch wäre, sondern geht mit einer für eine schwache Detonation charakteristischen Diskontinuität der Zustandsgrößen einher.
D.h, die der Brennkammer zugeführte jeweilige Portion des brennbaren Gemisches kann derart zusammengesetzt sein, dass der durch die Zündwelle ausgelöste chemische Reaktionsumsatz, der das brennbare Gemisch zu Abgas verbrennt, innerhalb einer sich durch die Portion des brennbaren Gemisches bewegenden, abgegrenzten Verbrennungszone und mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt
Ist dagegen die charakteristische Zeit des exothermen Reaktionsumsatzes vergleichbar mit der Zeit, die eine Schallwelle benötigt, um die Portion des brennbaren Gemisches zu durchlaufen, kommt es zu einem raum-zeitlich verteilten Reaktionsumsatz. Da der chemische Reaktionsumsatz mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die vergleichbar zur Geschwindigkeit ist, mit der sich eine Schallwelle in der Brennkammer ausbreitet, wird eine Stoßwelle verhindert. In diesem Fall ist die Reaktion nicht schnell genug, um die Ausbildung scharfer Reaktionsfronten zu bewirken. Der chemische Energieumsatz erfolgt dann raum-zeitlich verteilt und nicht in einer eng begrenzten Reaktionszone.
D.h., die der Brennkammer zugeführte jeweilige Portion des brennbaren Gemisches kann derart zusammengesetzt sein, dass der durch die Zündwelle ausgelöste chemische Reaktionsumsatz in der Portion des brennbaren Gemisches räumlich und zeitlich verteilt erfolgt, ohne dass eine scharf abgegrenzte Verbrennungszone identifizierbar ist
Ein Vorteil dieses Prozesses ist, dass die genaue raum-zeitliche Verteilung des Reaktionsumsatzes für den Gesamtvorgang nicht bedeutsam ist. Insbesondere führt eine einseitige Begrenzung des Strömungsgebietes durch mindestens eine Einlassvorrichtung zur Ausbildung der erwünschten glatten Druckwelle in der Brennkammer. Ein zweiter Vorteil dieses Prozesses ist, dass die Ausbildung einer starken Detonation, etwa durch den SWACER-Mechanismus (Shock Wave Amplification Through Coherent Energy Release), nicht erfolgen kann, da die Portionen des brennbaren Gemisches in diesem Fall zu klein sind, um die für die Detonationsausbildung benötigte Anlaufstrecke bereitzustellen, wobei die benötigte Anlaufstrecke umso länger wird, je langsamer der exotherme Reaktionsumsatz erfolgt.
Die in der Brennkammer zu verbrennende jeweilige Portion des brennbaren Gemisches kann ein erstes und ein zweites Fluid umfassen. Dabei kann es sich bei dem ersten Fluid um ein Oxidationsmittel handeln, beispielsweise um Sauerstoff oder Luft oder ein Gemisch von beidem. Bei dem zweiten Fluid kann es sich um einen Brennstoff handeln (welcher mit dem Oxidationsmittel reagiert).
Das brennbare Gemisch kann bereits vor dem Eintritt in die Brennkammer in einer Vormischbrennkammer gemischt werden und durch eine Einlassvorrichtung gemeinsam in die Brennkammer gelangen. Die Vormischbrennkammer ist z.B. als Verdichterplenum ausgelegt.
Das Oxidationsmittel und der Brennstoff können aber auch separat der Brennkammer zugeführt werden und erst bei Einströmung in die Brennkammer vermischt werden. Hierzu ist vorgesehen, dass der Einlassbereich eine erste Einlassvorrichtung für das Oxidationsmittel und eine zweite Einlassvorrichtung für den Brennstoff aufweist. Dabei wird das Oxidationsmittel in einem ersten Reservoir gespeichert, welches als Verdichterplenum ausgelegt ist. Der Brennstoff wird in einem zweiten Reservoir gespeichert.
Zur pulsierenden Beladung der Brennkammer mit Portionen des brennbaren Gemisches können die Druckschwankungen in der Brennkammer genutzt werden. Durch die Verbrennung einer Portion des brennbaren Gemisches wird eine Druckwelle ausgelöst, die am vom Einlassbereich der Brennkammer entfernten, offenen Ende der Brennkammer mit umgekehrten Vorzeichen in Richtung des Einlassbereiches reflektiert wird. Dies führt zu einem periodischen Wechsel von Über- und Unterdruckphasen am Einlassbereich der Brennkammer.
Die Befüllung der Brennkammer über den Einlassbereich mit einer weiteren Portion des brennbaren Gemisches kann erfolgen, sobald in der Brennkammer ein Unterdruck relativ zum Verdichterplenum besteht.
So kann vorgesehen sein, dass eine jeweilige Portion des brennbaren Gemisches der Brennkammer über einen Einlassbereich aus zumindest einem ersten Reservoir zugeführt wird, wenn in der Brennkammer ein Unterdruck relativ zum ersten Reservoir besteht.
Das Einlassen des brennbaren Gemisches in die Brennkammer wird dann z.B. gestoppt und eine Rückströmung des Gemisches durch den Einlassbereich verhindert, sobald in der Brennkammer ein Überdruck relativ zum Verdichterplenum besteht.
Die Befüllung der Brennkammer mit einer weiteren Portion des brennbaren Gemisches kann derart erfolgen, dass zwei Portionen des brennbaren Gemisches immer durch einen Puffer voneinander getrennt sind, wobei der Puffer keinen Brennstoff enthält. Der Puffer wird durch das Oxidationsmittel gebildet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand nachfolgender Figuren erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Brennkammer;
2 eine erste schematische Darstellung eines Verfahrens zur stoßfreien pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches in einer solchen Brennkammer;
3 eine zweite schematische Darstellung des Verfahrens zur stoßfreien pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches in einer Brennkammer mit Angaben zur inhomogen Zusammensetzung der Portionen des brennbaren Gemisches sowie zur Temperaturverteilung und zur Druckverteilung in einer solchen Brennkammer;
4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Gasturbine mit einer Mehrzahl von Brennkammern.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Brennkammer 1. Die Brennkammer 1 ist vorgesehen und ausgebildet, eine Sequenz von Portionen eines brennbaren Gemisches pulsierend zu verbrennen. In dieser Ausführungsform ist die Brennkammer 1 als zylinderförmiges Brennrohr mit kreisförmigen Querschnitt ausgelegt, dessen Ausdehnung in axialer Richtung groß im Vergleich zu seiner Ausdehnung in radialer Richtung ist.
In einer zweiten Ausführungsform kann die Brennkammer auch andere als kreisförmige Querschnitte aufweisen, beispielsweise ellipsenförmige Querschnitte. In einer dritten Ausführungsform variiert der Durchmesser der Brennkammer, so dass die Brennkammer in mindestens einem Abschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als in den übrigen Abschnitten der Brennkammer.
Die Brennkammer ist in longitudinaler Ausdehnung von einem ersten einlassseitigen Ende 13 und einem zweiten abgasseitigen Ende 12 begrenzt. Das abgasseitige Ende 12 ist geöffnet, so dass das Abgas aus der Brennkammer 1 entströmen kann. An dem einlassseitigen Ende 13 der Brennkammer 1 befindet sich der Einlassbereich 2 zum Befüllen der Brennkammer 1. Zum einen weist der Einlassbereich 2 eine erste Einlassvorrichtung 7 auf, durch die ein erstes Fluid 5 der Brennkammer 1 zuführbar ist. Das erste Fluid 5 ist ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft. Das erste Fluid 5 wird aus einem ersten Reservoir 9 zugeführt. Das erste Reservoir 9 ist als Verdichterplenum ausgelegt. In dem Verdichterplenum wird das erste Fluid 5 verdichtet vorgehalten. Beim Einströmen in die Brennkammer 1 wird das erste Fluid 5 entspannt. Zum anderen weist der Einlassbereich 2 eine zweite Einlassvorrichtung 8 auf, durch die ein zweites Fluid 6, der Brennstoff, in das durch die erste Einlassvorrichtung 7 zugeführte erste Fluid 5 einbringbar ist. Vorzugsweise wird das zweite Fluid 6 durch Einspritzen in das erste Fluid 5 der Brennkammer 1 zugeführt. Zumindest die erste oder die zweite Einlassvorrichtung 7, 8 sind als Ventil auslegbar. Eine zugeführte Portion des ersten Fluids 5, in die eine Portion des zweiten Fluids 6 eingespritzt wird, bilden zusammen eine Portion eines brennbaren Gemisches 3. Die Portion des brennbaren Gemisches 3 ist dazu vorgesehen, in der Brennkammer 1 verbrannt zu werden. Die zweite Einlassvorrichtung 8 umfasst eine Mehrzahl von Einspritzdüsen, die innerhalb des Einlassbereiches 2 umlaufend in die Brennkammerwand eingelassen sind. Auf diese Weise ist der Brennstoff 6 aus unterschiedlichen Richtungen radial in die Brennkammer 1 einbringbar. Durch die Anordnung der Mehrzahl der Einspritzdüsen ist die Verteilung des Brennstoffes 6 innerhalb des brennbaren Gemisches beeinflussbar. Für die Einspritzung wird der Brennstoff 6 in einem zweiten Reservoir 10 vorgehalten, das mit der Mehrzahl der Einspritzdüsen verbunden ist.
Des Weiteren ist im Einlassbereich 2 der Brennkammer 1 eine Messvorrichtung 14 angeordnet. Die Messvorrichtung 14 weist zumindest einen Messfühler auf, mit dem für die Steuerung des Verbrennungsprozesses relevante Parameter innerhalb der Brennkammer 1 bestimmbar sind. Zu den relevanten Parametern zählen beispielsweise Temperatur und Druck. Die von der Messvorrichtung 14 bestimmten Parameter sind zur Verarbeitung und Steuerung von der Messvorrichtung 14 an eine Steuervorrichtung 15 übermittelbar. Die Steuervorrichtung 15 kann beispielsweise als Computersystem ausgelegt sein. Durch die Steuervorrichtung 15 ist die Zufuhr des Oxidationsmittels 5 durch die erste Einlassvorrichtung 7 steuerbar. Durch die Steuervorrichtung 15 ist auch die Zufuhr des Brennstoffes 6 durch die zweite Einlassvorrichtung 8 steuerbar. Beispielsweise erfolgt die Zufuhr des Brennstoffes 6 über die Mehrzahl von Einspritzdüsen durch Brennstoffeindüsung nach dem Prinzip geschichtet geladener Ottomotoren. Die Steuervorrichtung 15 stellt ein Steuermittel dar, welches dazu ausgelegt ist, eine inhomogene Gestaltung der Portion des brennbaren Gemisches 3 zu erzielen.
Die Steuerung durch die Steuervorrichtung 15 erfolgt derart, dass im Wechsel eine Portion des Oxidationsmittels 5 und eine Portion des brennbaren Gemisches 3, bestehend aus Oxidationsmittel 5 und Brennstoff 6, in die Brennkammer 1 eingebracht wird. Die Portion des Oxidationsmittels 5 dient als Abgrenzungsschicht 19 zwischen einer Portion Abgas 4, die aus der Verbrennung einer zuvor eingebrachten Portion des brennbaren Gemisches resultiert, und der darauffolgend eingebrachten Portion des brennbaren Gemisches 3. Zur Steuerung der Verteilung des Brennstoffes 6 in der Portion des brennbaren Gemisches 3 sind in einer Variation der vorgenannten Ausführungsformen die Einspritzdüsen einzeln ansteuerbar.
Die Brennkammer 1 ist derart ausgelegt, dass die Verbrennung der Portion des brennbaren Gemisches 3 zu Abgas 4 durch Selbstzündung ausgelöst wird. Durch die Selbstzündung entsteht eine in 1 nicht dargestellte Zündwelle, die sich mit einer Geschwindigkeit durch die Portion des brennbaren Gemisches 3 bewegt, die gleich dem Inversen des Betrags des räumlichen Gradienten der Zündverzugszeit ist. Die Zündverzugszeit ist eine Funktion, die von der Zusammensetzung der Portion des brennbaren Gemisches, der Temperatur und dem Druck abhängt. Der Druck beeinflusst die Zündverzugszeit nur wenig. Zudem verlaufen die Druckvariationen in der Brennkammer 1 glatt und nur mit geringen Druckamplituden. Die Steuervorrichtung 15 steuert die Zündverzugszeit über die Zufuhr der Komponenten, die die Portion des brennbaren Gemisches 3 bilden. Die Steuervorrichtung 15 steuert beispielsweise derart, dass eine gewünschte Anfangstemperaturverteilung der Portion des brennbaren Gemisches 3 erzielt wird. In einer alternativen Ausführungsform steuert die Steuervorrichtung 15 die Zündverzugszeit über die Zusammensetzung der Portion des brennbaren Gemisches 3. Die Zusammensetzung der Portion des brennbaren Gemisches 3 kann variiert werden, indem die Zufuhr des Oxidationsmittels 5 und die Zufuhr des Brennstoffes 6 zeitlich variiert werden. Die zeitliche Variation der Zufuhr von Oxidationsmittel 5 und Brennstoff 6 führt zu einer inhomogenen Verteilung innerhalb der Portion des brennbaren Gemisches 3. Eine inhomogene Verteilung der Gemischkomponenten innerhalb der Portion des brennbaren Gemisches 3 ist eine Mischungsinhomogenität. Durch die gezielte Steuerung der Zufuhr der Portion des brennbaren Gemisches 3 durch die Steuervorrichtung 15 wird sichergestellt, dass der Zündverzugszeitgradient kleiner ist als das Inverse der Chapman-Jouguet-Detonationsgeschwindigkeit. Dadurch wird gewährleistet, dass sich die Zündwelle mit hoher Überschallgeschwindigkeit in der Portion des brennbaren Gemisches 3 ausbreitet.
Durch die Verbrennung der Portion des brennbaren Gemisches 3 wird eine Druckwelle ausgelöst. Die Druckwelle breitet sich mit Schallgeschwindigkeit im verbrennenden Medium aus. Die sich mit hoher Überschallgeschwindigkeit ausbreitende Zündwelle, breitet sich also schneller aus, als die Druckwelle. Bei hinreichend unterschiedlichen Geschwindigkeiten beeinflussen sich Druckwelle und Zündwelle nicht. In diesem Fall kann eine detonative Verbrennung vermieden werden.
Aus dem oben beschriebenen Kriterium zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Zündwelle als Funktion des Gradienten der Zündverzugszeit ergibt sich die für die Funktion des Verfahrens zur pulsierenden Verbrennung benötigte Mischungsinhomogenität. Diese hängt von der Reaktionskinetik des verwendeten brennbaren Gemisches ab. Die Mischungsinhomogenität wird durch gesteuerte Direkteinspritzung des Brennstoffes 6 in das Oxidationsmittel 5 oder durch Vermischung des Brennstoffes 6 mit dem Oxidationsmittel 5 während des gesteuerten Einströmvorganges eingestellt.
In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Zündverzugszeit durch eine gezielte Gestaltung der Druckwellenreflexion in der Nähe des Einlassbereiches 2. Die Druckwellenreflexion kann durch Einsatz einer Brennkammer 11 mit axial variierendem Querschnitt gesteuert werden.
Eine zur pulsierenden Verbrennung ausgelegte Brennkammer 1, 11 kann durch die Initiierung einer herkömmlichen Gleichdruckverbrennung in Gang gesetzt werden. Die Steuereinheit 15 ist derart ausgelegt, dass sie durch eine anschließende pulsierende Zufuhr des brennbaren Gemisches die Brennkammer 1, 11 in resonante Pulsationen versetzt. Bei hinreichender Amplitude kann die Brennkammer 1, 11 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der stoßfreien, pulsierenden Verbrennung betrieben werden.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur stoßfreien pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches 3 in einer Brennkammer 1 gemäß 1 wird in 2 näher erläutert.
2 zeigt zwei Diagramme. Das erste Diagramm ist ein Ort-Verteilungs-Diagramm. Das zweite Diagramm ist ein Ort-Zeit-Diagramm. Die in 2 ausgeführten eindimensionalen Betrachtungen entlang der Brennkammerachse gelten für Brennkammern 1, die als Brennrohre ausgebildet sind. Brennrohre zeichnen sich dadurch aus, dass die Länge der Brennkammer entlang der Brennkammerachse groß ist im Vergleich zum Durchmesser der Brennkammer.
Das erste Diagramm zeigt die Verteilung des brennbaren Gemisches 3 in der Brennkammer 1 im Moment der Zündung. Dazu ist entlang einer horizontalen Koordinatenachse die Position innerhalb der Brennkammer 1 in axialer Richtung aufgetragen. Der Wert x = 0 entspricht dem einlassseitigem Ende der Brennkammer 13. Der größte aufgetragene Wert x_max entspricht dem abgasseitigen, geöffnetem Ende der Brennkammer 12. Entlang einer vertikalen Koordinatenachse ist das Mischungsverhältnis des brennbaren Gemisches 3 aufgetragen. Beim Wert Φ = 1 liegt eine stöchiometrische Zusammensetzung des brennbaren Gemisches vor. Beim Wert Φ = 0 liegt das reine Oxidationsmittel vor. Zur Vereinfachung ist die Verteilung des brennbaren Gemisches 3 in der Brennkammer 1 allein in Abhängigkeit von der axialen Position innerhalb der Brennkammer 1 dargestellt. Zu einer Position x innerhalb der Brennkammer 1 ist also das Mischungsverhältnis 3 in dem Brennkammerquerschnitt an der Position x aufgetragen. An dem einlassseitigen Ende der Brennkammer 13 liegt im Moment der Zündung ein stöchiometrisches Gemisch vor. Mit zunehmender Entfernung vom einlassseitigen Ende der Brennkammer 13 nimmt der Anteil des Brennstoffes 3 gleichmäßig ab und der Anteil des Oxidationsmittels 5 nimmt gleichmäßig zu bis zum Erreichen einer Position x₁, die die Maximalausdehnung des brennbaren Gemisches 3 zum Zeitpunkt der Zündung angibt. Jenseits der Maximalausdehnung x₁ des brennbares Gemisches 3, in Richtung der abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12 befindet sich keinerlei brennbares Gemisch 3. An die Portion des brennbaren Gemisches 3 grenzt eine Portion des Oxidationsmittel 5, welche die Portion des brennbaren Gemisches 3 von einer Abgasportion 4 trennt.
Das zweite Diagramm zeigt eine schematische Darstellung des reflektierten Durchlaufes einer durch Entzündung einer Portion des brennbaren Gemisches 3 ausgelösten Druckwelle durch die Brennkammer innerhalb eines Verbrennungszykluses. Dazu ist entlang einer horizontalen Koordinatenachse 36 die Position innerhalb der Brennkammer 1 in axialer Richtung aufgetragen. Der Wert x = 0 entspricht dem einlassseitigem Ende der Brennkammer 13. Der größte aufgetragene Wert x_max entspricht dem abgasseitigen, geöffnetem Ende der Brennkammer 12. Entlang einer vertikalen Koordinatenachse 37 ist der zeitliche Verlauf des reflektierten Durchlaufs einer Druckwelle durch die Brennkammer 1 aufgetragen.
Zum Zeitpunkt t = 0 erfolgt nahe des Einlassbereiches 2 die Zündung einer vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches. Durch die Zündung wird eine erste Druckwelle 31 ausgelöst, die sich in axialer Richtung durch die Brennkammer 1 in Richtung der abgasseitigen Öffnung 12 bewegt. An der abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12 gibt die erste Druckwelle 31 einen Teil ihrer Energie durch die abgasseitige Öffnung 12 nach außen ab, beispielsweise an ein anschließendes Turbinenplenum 21. Dadurch wird der mittlere Druck des Turbinenplenums 21 erhöht. Außerdem wird die erste Druckwelle 31 an dem geöffneten abgasseitigen Ende 12 mit umgekehrten Vorzeichen reflektiert, also als eine erste Unterdruckwelle bzw. erste Saugwelle 32. Die erste Saugwelle 32 bewegt sich vom abgasseitigen Ende der Brennkammer 12 zum einlassseitigen Ende der Brennkammer 13. Beim Eintreffen der ersten Saugwelle 32 am einlassseitigen, geschlossenen Ende der Brennkammer 13 detektiert die Messvorrichtung 14 den durch die erste Saugwelle 32 verursachten Unterdruck. Über diesen im Einlassbereich 2 detektierten Unterdruck wird die Steuervorrichtung 15 informiert. Die Steuervorrichtung 15 öffnet daraufhin die erste Einlassvorrichtung 7, um das Oxidationsmittel 5 in die Brennkammer 1 einströmen zu lassen. Nach einem festgelegten Zeitintervall des Einströmens des Oxidationsmittels 5 in die Brennkammer 1 öffnet die Steuervorrichtung zusätzlich die zweite Einlassvorrichtung 8, wodurch Brennstoff 6 in das Oxidationsmittel eingespritzt wird. Durch das zeitverzögerte Öffnen der ersten und zweiten Einlassvorrichtung 7, 8 bildet sich eine erste Schicht 19 bestehend aus dem Oxidationsmittel 5 und eine zweite Schicht bestehend aus einem Gemisch 3 des Oxidationsmittel 5 mit dem Brennstoff 6. Dieses Gemisch bildet eine neue Portion des brennbaren Gemisches 3, die durch die erste Oxidationsmittelschicht 19 von der zu Abgas 4 verbrannten vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches separiert ist, so dass sich Abgas 4 und brennbares Gemisch 3 nicht vermischen können. Dadurch wird eine unkontrollierte Entzündung des brennbaren Gemisches 3 am Abgas 4 verhindert. Eine solche unkontrollierte Entzündung würde zu einer unerwünschten turbulenten Deflagrationsverbrennung führen. Beim Eintreffen der ersten Saugwelle 32 am einlassseitigen, geschlossenen Ende der Brennkammer 13 wird diese mit gleichem Vorzeichen reflektiert. Beim einlassseitigen Ende 13 handelt es sich um ein geschlossenes Ende, da Fluid durch die Einlassvorrichtungen 7, 8 in die Brennkammer 1 eintreten, aber nicht aus der Brennkammer 1 austreten kann. Durch die Reflektion entsteht eine zweite Saugwelle 33. Die zweite Saugwelle 33 durchläuft die Brennkammer 1 in umgekehrter Richtung wie die erste Saugwelle 32, also vom einlassseitigen Ende der Brennkammer 13 zur abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12 hin. Die Saugwirkung der zweiten Saugwelle 33 zieht die erste Schicht 19 bestehend aus dem Oxidationsmittel 5 und die angrenzende neue Portion des brennbaren Gemisches 3 in Richtung der abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12. Trifft die zweite Saugwelle 33 an der abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12 ein, so wird diese mit umgekehrten Vorzeichen, also als eine zweite Druckwelle 34, erneut reflektiert. Die zweite Druckwelle 34 durchläuft die Brennkammer 1 von der abgasseitigen Öffnung 12 zum einlassseitigen Ende 13 hin. Durch die zweite Druckwelle 34 steigt der Druck in der Brennkammer 1 erneut an. Der Druckanstieg wird von der Messvorrichtung 14 detektiert und an die Steuervorrichtung 15 gemeldet. Die Steuervorrichtung 15 schließt daraufhin die erste und die zweite Einlassvorrichtung 7, 8, wodurch die weitere Zufuhr von Oxidationsmittel 5 und Brennstoff 6 gestoppt bzw. ein Rückfluss in das Verdichterplenum verhindert wird. Durch den Druckanstieg wird auch die weitere Ausbreitung der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 in der Brennkammer 1 gestoppt. Trifft die zweite Druckwelle 34 auf die eingeströmte neue Portion des brennbaren Gemisches 3, welches sich bereits nahe der Selbstzündung befindet, so stößt die zweite Druckwelle 34 eine Selbstzündung der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 an, wodurch ein neuer Zyklus des Verfahrens zur pulsierenden Verbrennung ausgelöst wird.
Werden die erste und/oder zweite Einlassvorrichtung 7, 8 als Gleichrichtermembranen oder als fluidische Gleichrichter ausgeführt, entfällt die explizite Steuerung der jeweiligen ersten und/oder zweiten Einlassvorrichtung 7, 8 durch eine separate Steuervorrichtung 15. Gleichrichtermembranen und fluidische Gleichrichter unterbinden selbsttätig einen Rückfluss der in der Brennkammer befindlichen Fluide in das erste und/oder zweite Reservoir 9, 10.
Der zu 2 beschriebene periodische Wechsel von Über- und Unterdruckphasen am einlassseitigen Ende der Brennkammer 13 kann zur Beladung der Brennkammer 1 mittels Gleichrichtern genutzt werden. Es eignen sich beispielsweise hydropneumatische Gleichrichter ähnlich zu denen in Ottomotoren sowie fluidische Gleichrichter. Fluidische Gleichrichter weisen den Vorteil auf, dass sie weder mechanisch bewegter Bauteile noch einer Steuerung durch eine externe Steuervorrichtung bedürfen. In einer alternativen Ausführungsform ist deshalb zumindest die erste Einlassvorrichtung 7, die das Oxidationsmittel 5 aus einem als Verdichterplenum ausgelegten ersten Reservoir 9 in die Brennkammer 1 einlässt, als fluidischer Gleichrichter ausgebildet. Sowohl die Messung einer Druckdifferenz zwischen Verdichterplenum 9 und Brennkammer 1 als auch die Steuerung des Öffnens und Schließens der ersten Einlassvorrichtung 7 wird dann direkt als Funktion des fluidischen Gleichrichters bereitgestellt. Solch ein Gleichrichter dient also als Mess- Steuer- und Einlassvorrichtung gleichzeitig. Sinkt der Druck in der Brennkammer vor der ersten Einlassvorrichtung 7 unter den Druck im Verdichterplenum 9, so öffnet sich der fluidische Gleichrichter und das Oxidationsmittel 5 strömt in die Brennkammer 1. Sobald der Druck in der Brennkammer 1 vor der ersten Einlassvorrichtung 7 den Druck innerhalb des Verdichterplenums übersteigt, schließt sich der fluidische Gleichrichter wieder und das weitere Einströmen des Oxidationsmittels 5 in die Brennkammer 1 wird gestoppt. Außerdem verhindert der fluidische Gleichrichter einen Rückfluss aus der Brennkammer 1 in das erste Reservoir 9. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist zumindest die erste Einlassvorrichtung 7 als hydropneumatischer Gleichrichter ausgebildet.
3 zeigt eine zweite schematische Darstellung des Verfahrens zur stoßfreien pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches in einer Brennkammer. 3 unterteilt sich in fünf Teilfiguren 3A bis 3E.
Die im Ausführungsbeispiel nach 3 verwendete Brennkammer 11 ist wiederum als Brennrohr ausgelegt. Das Brennrohr weist einen variierenden Durchmesser auf, der im Bereich der Einspritzdüsen 8 seinen maximalen Durchmesser annimmt. Der Durchmesser fällt zum einlassseitigen Ende 13 hin leicht ab. Der Durchmesser fällt zunächst auch zum abgasseitigen Ende hin leicht ab, um dann zur abgasseitigen Öffnung 12 hin wieder leicht zuzunehmen. Durch die Variation des Durchmessers kann auf die Druckwellenreflektion Einfluss genommen werden. Dadurch kann insbesondere der Zündverlauf innerhalb der Portion des brennbaren Gemisches beeinflusst werden. Durch die Variation des Brennrohrdurchmessers kann außerdem der Strömungsübergang vom abgasseitigen Ende des Brennrohrs 12 zum Turbinenplenum beeinflusst werden. Ebenso werden durch die Variation des Brennrohrdurchmessers die Strömungsverhältnisse am einlassseitigen Ende des Brennrohrs 13 beeinflusst werden.
3A bis 3D zeigen vier verschiedene Stadien, die die Brennkammer 1 innerhalb eines Lade- und Entzündungszyklus einer Portion des brennbaren Gemisches 3 durchläuft. Die Stärke der gewählten Grauschattierung innerhalb der Brennkammer korrespondiert zur jeweiligen Konzentration des Brennstoffes 6. Zu jedem der dargestellten vier Brennkammerstadien sind die jeweiligen Temperatur- und Druckverteilungen 41, 42, 43, 44, 51, 52, 53, 54 entlang der Brennkammerachse angegeben. Diese sind gegen eine konstante Durchschnittstemperatur 40 bzw. einen konstanten Durchschnittsdruck 50 aufgetragen. Die Referenzdaten in Form von Durchschnittstemperatur 40 und Durchschnittsdruck 50 werden nach Abschluss des Einströmvorgangs der Portion des brennbaren Gemisches ermittelt. . Mit Hilfe der Referenzdaten werden die Druck- und Temperaturerhöhungen verdeutlicht, die mit der Verbrennung und den Druckwellenvorgängen einhergehen.
3E zeigt die Gemischzusammensetzung 31 der Portion des brennbaren Gemisches 3 entlang der Brennkammerachse initial nach Abschluss der Zufuhr des Oxidationsmittels 5 und des Brennstoffs 6 in die Brennkammer. Die Gemischzusammensetzung ist derart gewählt, dass sie knapp unterhalb der Selbstzündung liegt. Die Einspritzung von Brennstoff 6 in das Oxidationsmittel 5 wird derart gesteuert, dass sich keine gleichmäßige, konstante Verteilung des Brennstoffes 6 innerhalb der Portion des brennbaren Gemisches 3 ergibt. Stattdessen weist die Portion des brennbaren Gemisches 3 eine in Richtung der abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 1 abnehmenden Brennstoffanteil auf. Die Einspritzung kann beispielsweise derart erfolgen, dass sich initial eine Gemischzusammensetzung mit annähernd exponentiell abfallendem Brennstoffanteil ergibt.
Die zeitlich variierende Einspritzung des Brennstoffes 6 in die Brennkammer 11 durch die Steuervorrichtung 15 soll modellbasiert erfolgen. Die für eine quasihomogene Zündung nach dem Beenden der Zufuhr des Oxidationsmittels 5 notwendige Gemischzusammensetzung ist in Abhängigkeit des verwendeten Brennstoffes 6 elektronisch gespeichert. Um die notwendige Gemischzusammensetzung zu erhalten, wird ein reduziertes inverses mathematisches Modell benutzt, welches die während der Einspritzung stattfindenden Mischungsprozesse nachbildet. Durch das reduzierte inverse mathematische Modell kann das Öffnen und Schließen der zweiten Einlassvorrichtung 8 gesteuert werden. Dadurch wird der zeitabhängige Zustrom von Brennstoff 6 in die Brennkammer 1 festgelegt.
3D zeigt eine quasi-homogene Verteilung einer zu Abgas 4 verbrannten vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches. Die Grauschattierung zeigt hier den Massenanteil der Atome an, die vor der Verbrennung im Brennstoff gebunden waren. Durch die Zündung wird eine erste Druckwelle 31 ausgelöst, die sich, der vorausgegangenen, viel schnelleren Zündwelle folgend, in Richtung der abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12 bewegt. Wie eine vierte Temperaturkurve 44 zeigt, weist das heiße Abgas 4 eine hohe Temperatur auf. Die Temperatur nimmt zur abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12 hin leicht ab. Wie eine vierte Druckkurve 54 zeigt, weist die Welle ein Druckmaximum (zum gezeigten Zeitpunkt) etwa in der Mitte der Brennkammer 1 auf., Das Druckmaximum verschiebt sich im Laufe des Prozesses in Richtung der abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12. Der Druck reduziert sich zu den beiden Enden der Brennkammer 12, 13 hin nahezu auf den Durchschnittsdruck 50.
3A zeigt die Brennkammer 11 im beginnenden Prozess der Befüllung nach der Verbrennung einer vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches. Die durch die Verbrennung der vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches erzeugte erste Druckwelle 31 wird durch eine erste Reflektion an der abgasseitigen Öffnung 12 zu einer ersten Saugwelle 32 und durch eine zweite Reflektion am einlassseitigen Ende 13 der Brennkammer zu einer zweiten Saugwelle 33, wie es zu 2 beschrieben wurde. Die überlagerten ersten und zweiten Saugwellen 32 und 33 lösen zunächst die geschichtete Befüllung der Brennkammer mit der Oxidationspufferschicht 19 sowie mit der geschichteten Ladung aus Oxidationsmittel 5 und Brennstoff 6 aus. Damit ist die neue Beladung der Brennkammer mit Pufferschicht 19 und neuer Portion des brennbaren Gemisches 3 abgeschlossen.
Ein erster Brennkammerabschnitt 16, der sich an das einlassseitige Ende der Brennkammer 13 anschließt, enthält die neue Portion des brennbaren Gemisches 3. Ein zweiter Brennkammerabschnitt 17, der sich an das abgasseitige Ende der Brennkammer 12 anschließt, enthält das Abgas 4, welches aus der Verbrennung der vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches stammt. Die Befüllung, auch Ladung genannt, der Brennkammer 1 wird derart gesteuert, dass sich zwischen dem ersten Brennkammerabschnitt 16 und dem zweiten Brennkammerabschnitt 17, in einem dritten Brennkammerabschnitt 18, eine aus dem Oxidationsmittel 5 gebildete Zwischenschicht 19 bildet. Diese Zwischenschicht 19 verhindert die unkontrollierte Entzündung der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 am Abgas 4.
Wie eine erste Temperaturkurve 41 zeigt, weist die Temperatur der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 während des in 3A dargestellten beginnenden Befüllungsprozesses im ersten Abschnitt 16 eine nahezu konstante niedrige Temperatur auf. Dagegen weist das Abgas im zweiten Abschnitt 17 eine sehr hohe Temperatur auf. Im dazwischenliegenden dritten Abschnitt 18 umfassend den Puffer 19 aus Oxidationsmittel 5 kommt es zu einem schnellen Übergang zwischen der niedrigen Temperatur im ersten Abschnitt 16 und der sehr hohen Temperatur im zweiten Abschnitt 17.
Wie eine erste Druckkurve 51 zeigt, weist der Druck der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 während des in 3A dargestellten beginnenden Befüllungsprozesses im ersten Abschnitt 16 einen leichten Unterdruck auf. Dagegen weist das Abgas im zweiten Abschnitt 17 einen hohen Druck auf, der zum abgasseitigen Ende der Brennkammer 12 leicht abfällt. Im dazwischenliegenden dritten Abschnitt 18 umfassend den Puffer 19 aus Oxidationsmittel 5 kommt es zu einem weichen Übergang zwischen dem Unterdruck im ersten Abschnitt 16 und dem hohen Druck im zweiten Abschnitt 17.
3B zeigt den fortgeschrittenen Befüllungsprozess. Die zweite Saugwelle 33 hat die Brennkammer 11 weiter durchlaufen und die eingefüllte Pufferschicht 19 sowie die neue Portion des brennbaren Gemisches 3 weiter zur abgasseitigen Öffnung der Brennkammer 12 hin gezogen. Die Zusammensetzung der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 entspricht annähernd der in 3E dargestellten Verteilung. Der Übergang zur Pufferschicht 19 ist fließend. Wie einer zweiten Temperaturkurve 42 zu entnehmen ist, verläuft der Temperaturübergang zwischen dem Abgas 4 und der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 glatter als im in 3A dargestellten Stadium der beginnenden Befüllung. Das heiße Abgas 4 hat die angrenzende Pufferschicht 19 sowie einen ersten Teil der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 erwärmt. Wie eine zweite Druckkurve 52 zeigt, hat sich auch die Druckverteilung innerhalb der Brennkammer 11 ausgeglichen. Der Druckanstieg vom einlassseitigen Ende der Brennkammer 13 zum abgasseitigen Ende der Brennkammer 12 verläuft nahezu linear.
3C zeigt die Komprimierung der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 durch eine zweite Druckwelle 34. Die zweite Druckwelle 34 entsteht durch Reflektion der zweiten Saugwelle 33 mit umgekehrten Vorzeichen an der abgasseitigen Öffnung 12. Der in 3C dargestellte Abschnitt der Brennkammer 11 umfasst die neue Portion des brennbaren Gemisches 3, aber kein Abgas 4. Wie eine dritte Temperaturkurve 43 zeigt, ist die Temperatur innerhalb der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 nahezu konstant und befindet sich nahe an der Durchschnittstemperatur 40. Wie eine dritte Druckkurve 53 zeigt, ist die Druckverteilung innerhalb der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 glatt. Das Druckmaximum verschiebt sich mit der sich bewegenden zweiten Druckwelle 34 in Richtung des einlassseitigen Endes der Brennkammer 1 und damit in Richtung der zunehmenden Brennstoffkonzentration.
Die zweite Druckwelle 34 löst beim Durchlaufen des nahe der Selbstzündung befindlichen Teiles der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 dessen Selbstzündung aus, wodurch die neue Portion des brennbaren Gemisches 3 zu Abgas 4 verbrennt. Nach der Verbrennung stellt sich das in 3D dargestellte Stadium ein und ein neuer Zyklus der portionsweisen Beladung und Verbrennung startet.
3A bis 3D zeigen, dass die Druckverteilung in allen vier Stadien eines Lade- und Entzündungszyklus im Übergang zwischen der neuen Portion des brennbaren Gemisches 3 und der zu Abgas 4 verbrannten vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches glatter verläuft als die Temperaturverteilung. Insbesondere ist die Druckverteilung nicht stoßbehaftet.
4 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Gasturbine 20 mit einer Mehrzahl von Brennkammern 1. Das Turbinenplenum 21 ist näherungsweise ein freier Ringraum. Im Turbinenplenum 21 ist eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 22 angeordnet. Die Mehrzahl von Brennkammern 1 ist in Richtung der Achse der Gasturbine angeordnet. Eine Mehrzahl von abgasseitigen Öffnungen 12 weist zum Turbinenplenum 21, so dass das Abgas 4 aus der Mehrzahl von abgasseitigen Öffnungen 12 in das Turbinenplenum 21 entweichen kann, wodurch die Turbinenschaufeln 22 angetrieben werden. Durch das Entspannen von Abgas 4 im Turbinenplenum 21 erhöht sich der durchschnittliche Druck innerhalb des Turbinenplenums 21.
In einer alternativen Ausführung der Gasturbine 20 kann die Mehrzahl von Brennkammern 1, 11 auch spiralförmig angeordnet sein. Die abgasseitigen Öffnungen 12 der Mehrzahl von Brennkammer 1, 11 können auch in einem anderen Winkel als im rechten Winkel zu der Achse der Gasturbine 20 ausgerichtet sein. Dies bewirkt, dass das Abgas 4 und die durch die pulsierende Verbrennung entstehenden Druckwellen in einer durch den anderen Winkel festgelegten Richtung und nicht in Richtung der Achse der Gasturbine 20 aus den abgasseitigen Öffnung 12 der Mehrzahl von Brennkammern 1, 11 in das Turbinenplenum 21 eintreten. Durch diese Anordnung ergibt sich eine bevorzugte Umlaufrichtung, in der Druckwellen das Turbinenplenum 21 durchlaufen. Die sich innerhalb des Turbinenplenums 21 etablierenden Druckwellen werden angeregt durch die Mehrzahl von Druckwellen, die durch die pulsierende Verbrennung aus der Mehrzahl der Brennkammern 1, 11 in das Turbinenplenum 21 entweichen.
Im laufenden Betrieb einer Gasturbine 20 mit einer Mehrzahl von Brennkammern 1, 11 kann ein in einer der Brennkammern 1, 11 aufgetretener Fehler, der den Prozess der pulsierenden Verbrennung in dieser ausgefallenen Brennkammer zum Erliegen bringt, durch die Messvorrichtung 14 detektiert und durch die Steuervorrichtung 15 behoben werden, indem der Prozess der sequentiellen Selbstzündung in der ausgefallenen Brennkammer 1, 11 wieder in Gang gesetzt wird. Zur Nachladung einer nicht in Resonanz befindlichen Brennkammer 1, 11 wird der mittlere Druckanstieg ausgenutzt, der zwischen Verdichterplenum 9 und Turbinenplenum 21 besteht. Die Steuervorrichtung 15 variiert die Zufuhr des Oxidationsmittels 5 in die funktionsfähigen Brennkammern, so dass eine umlaufende akustische Welle im Turbinenplenum 21 angeregt wird, deren Amplitude größer ist, als der mittlere Druckanstieg zwischen Verdichter- und Turbinenplenum 9, 21. Damit sinkt der Druck in der ausgefallenen Brennkammer phasenweise unter den Druck im Verdichterplenum 9 der ausgefallenen Brennkammer, wodurch eine Nachladung der ausgefallenen Brennkammer erfolgt. Durch die Nachladung wird der Prozess der pulsierenden Verbrennung erneut in Gang gesetzt werden.
Der beschriebene Prozess der Ingangsetzung einer ausgefallenen Brennkammer, kann auch zur Steuerung von Teillastzuständen benutzt werden, bei der die Gasturbine 20 zeitweise nur mit einem Teil der vorhandenen Mehrzahl von Brennkammern betrieben wird.
Neben den genannten Ausführungsformen seien auch Variationen und Kombinationen von Ausführungsformen, die für eine Fachperson naheliegend sind, mit in diese Beschreibung eingeschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Numerical Investigation of Rotating Detonation Engine Propulsive Performance“, Combustion Science and Technology, 2010 [0004]

Claims

Brennkammersystem (100) für eine Gasturbine (20) mit mindestens einer Brennkammer (1, 11) mit einem Einlassbereich (2) für ein brennbares Gemisch, wobei das Brennkammersystem (100) derart ausgelegt ist, dass in mindestens einer Brennkammer (1, 11) die Verbrennung des brennbaren Gemisches durch eine Sequenz von Verbrennungen von Portionen des brennbaren Gemisches (3) pulsierend erfolgt und wobei die Verbrennung einer jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches (3) durch eine Zündwelle verursacht wird, die sich durch die Portion des brennbaren Gemisches (3) ausbreitet, wodurch die Portion des brennbaren Gemisches (3) zu Abgas (4) verbrennt, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennkammersystem (1, 11) zudem derart ausgelegt ist, dass sich die Zündwelle mit Überschallgeschwindigkeit in der Portion des brennbaren Gemisches (3) ausbreitet.
Brennkammersystem nach Anspruch 1, wobei das Brennkammersystem (100) derart ausgelegt ist, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Zündwelle ausbreitet, größer ist als die Chapman-Jouget-Detonationsgeschwindigkeit in der jeweiligen unverbrannten Portion des brennbaren Gemisches (3).
Brennkammersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennkammersystem (100) Steuermittel (15) aufweist, welche dazu ausgelegt sind, eine Inhomogenität in der Portion des brennbaren Gemisches (3) zu erreichen.
Brennkammersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einlassbereich (2) der Brennkammer (1, 11) eine erste Einlassvorrichtung (7) für ein erstes Fluid (5, 6) und/oder eine zweite Einlassvorrichtung (8) für ein zweites Fluid (6) aufweist.
Brennkammersystem nach Anspruch 4, wobei das Brennkammersystem (100) ein erstes Reservoir (9) umfasst, welches als Verdichterplenum ausgelegt ist und aus dem das erste Fluid (5, 6) über die erste Einlassvorrichtung (7) der Brennkammer (1, 11) zuführbar ist.
Brennkammersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennkammer (1, 11) abgasseitig eine Öffnung (12) aufweist und wobei sich die Brennkammer (1, 11) von einem einlassseitigen Ende (13) bis zu der abgasseitigen Öffnung (13) erstreckt.
Gasturbine (20) umfassend ein Brennkammersystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Turbinenplenum (21) mit einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln (22), wobei die abgasseitige Öffnung der mindestens einen Brennkammer (1, 11, 12) in das Turbinenplenum (21) mündet.
Gasturbine nach Anspruch 7, wobei das Verhältnis der Länge der mindestens einen Brennkammer (1, 11, 12), welche gegeben ist durch den Abstand zwischen dem einlassseitigen Ende (13) und der abgasseitigen Öffnung (12), zu dem Umfang des Turbinenplenums zwischen 0,1 und 0,5 beträgt.
Verfahren zur pulsierenden Verbrennung eines brennbaren Gemisches in einer Brennkammer (1, 11), wobei a) das brennbare Gemisch der Brennkammer (1, 11) in einzelnen Portionen des brennbaren Gemisches (3) zugeführt wird und b) die Verbrennung einer jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches (3) durch eine Zündwelle verursacht wird, die sich durch die Portion des brennbaren Gemisches (3) ausbreitet, so dass die Portion des brennbaren Gemisches (3) zu Abgas (4) verbrennt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündwelle so eingestellt wird, dass sie sich mit Überschallgeschwindigkeit in der Portion des brennbaren Gemisches (3) ausbreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Brennkammer (1, 11) als Teil eines Brennkammersystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Verbrennung einer jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches (3) durch eine Druckwelle angestoßen wird und wobei die die Verbrennung anstoßende Druckwelle durch die Verbrennung einer vorhergehenden Portion des brennbaren Gemisches (3) hervorgerufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine jeweilige Portion des brennbaren Gemisches (3) der Brennkammer (1, 11) derart zugeführt wird, dass die Portion des brennbaren Gemisches (3) nach der Zuführung eine Inhomogenität aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei zumindest eine Portion des brennbaren Gemisches (3) der Brennkammer (1, 11) derart zugeführt wird, dass die Anfangstemperatur innerhalb dieser mindestens einen Portion des brennbaren Gemisches (3) nach der Zuführung variiert, so dass diese mindestens eine Portion des brennbaren Gemisches (3) nach der Zuführung eine Inhomogenität aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei eine jeweilige Portion des brennbaren Gemisches (3) derart in die Brennkammer (1, 11) eingelassen wird, dass sie sich nach der Zuführung in einem Zustand nahe der Selbstzündung befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei eine jeweilige Portion des brennbaren Gemisches (3) eine Mehrzahl von Komponenten aufweist und die mehreren Komponenten der jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches (3) der Brennkammer (1, 11) derart zugeführt werden, dass nach der Zuführung die Zusammensetzung der jeweiligen Portion des brennbaren Gemisches (3) aus der Mehrzahl an Komponenten räumlich variiert, so dass die jeweilige Portion des brennbaren Gemisches (3) räumlich inhomogen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die die Zündung einer jeweiligen, der Brennkammer (1, 11) zugeführten Portion des brennbaren Gemisches (3) verursachende Zündwelle sich schneller innerhalb dieser Portion ausbreitet als eine durch die Zündung dieser Portion des brennbaren Gemisches (3) ausgelöste Druckwelle (31).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die Verbrennung stoßarm mit Stoß-Mach-Zahlen im Bereich von 1.0 bis zur Hälfte der Stoß-Mach-Zahl einer Chapman-Jouguet-Detonation im zu verbrennenden Gemisch verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei die jeweilige Portion des brennbaren Gemisches (3) ein erstes und ein zweites Fluid (5, 6) umfasst und wobei das erste Fluid (5) ein Oxidationsmittel ist, welches Sauerstoff, Luft oder ein Gemisch von beidem umfasst, und das zweite Fluid (6) ein Brennstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das erste Fluid (5) derart zugeführt wird, dass eine zu Abgas (4) verbrannte vorhergehende Portion des brennbaren Gemisches durch eine Portion des ersten Fluids von einer neuen Portion des brennbaren Gemisches (3) separiert wird.
Brennkammersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 19.