-
Brenneranlage für pulsierende Verbrennung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Brenneranlage für pulsierende Verbrennung mit einer einzigen Brennkammer,
die in nicht absperrbarer, ständig offener Verbindung mit ihrem Ansaugglied steht.
-
Die meisten der bisherigen Anlagen hatten den großen Nachteil, daß
sie für ihren Betrieb mechanisch bewegte Rückschlagventile benötigten, welche außerordentlich
empfindlich und damit störungsanfällig waren. Ferner mußten die Ventile sorgfältig
eingestellt werden, um das einwandfreie Arbeiten der Brenneranlage nicht in Frage
zu stellen. Außerdem mußte darauf geachtet werden, daß der Raum, in: welchem die
Ventile angeordnet waren, möglichst kalt blieb, um zu verhindern, daß die Ventile
einer besonderen Wärmebeanspruchung ausgesetzt waren.
-
Um mechanisch bewegte Ventile bei Vorrichtungen mit pulsierender Verbrennung
zu vermeiden, ist schon versucht worden, aerodynamische Ventile zu verwenden. So
ist eine Ausführung bekannt, bei der ein Ausströmen der Verpuffungsgase auf der
Ansaugseite der Brennkammer dadurch verhindert wurde, daß ein Kompressor vorgeschaltet
war, welcher den erforderlichen Überdruck zum Verdämmen der Einströmleitung hervorbrachte.
-
Die bisher vorgeschlagenen Lösungen für Vorrichtungen mit pulsierender
Verbrennung, welche mit einer einzigen Brennkammer arbeiteten und bei denen zum
Absperren der Einströmleitung aerodynamische Mittel verwendet wurden, hatten den
Nachteil, daß in jedem Fall ein großer Verlust an Schwingungsenergie für den Ablauf
des Prozesses auftrat, da ein Teil der Energie am offenen Ansaugrohr abgestrahlt
und somit lediglich der noch verbleibende Teil reflektiert wurde.
-
Um diesen Mangel zu beheben, ist gemäß der Erfindung das derBrennkammer
unmittelbar vorgeschaltete Ansaugglied mit mindestens einem an dem einen Ende verschlossenen
Reflexionshohlkörper verbunden, der als Resonator ausgebildet ist, dessen Eigenfrequenz
also auf die Frequenz der Brenneranlage abgestimmt ist. Diese Maßnahme ermöglicht
eine pulsierende Verbrennung ohne mechanisch bewegte Ventile, bei welcher die Schwingungsenergie-
abgesehen von Reibungsverlusten - erhalten bleibt; damit wird die Betriebssicherheit
durch Verbesserung der Laufeigenschaften erhöht. Da keine Rücksicht auf die Schwingfähigkeit
von Ventilen genommen zu werden braucht, kann die Frequenz der Verpuffungswelle
erhöht und damit können die Abmessungen der Anlage verkleinert werden. Ferner wird
die Betriebssicherheit dadurch erheblich gesteigert, daß bei geeigneter Ausbildung
des Resonators ein Reflexionsimpuls eine pulsierende Verbrennung, welche plötzlich
aufgehört hat, sofort selbsttätig wieder in Gang setzt. Störungen bei der pulsierenden
Verbrennung, welche bisher durch Schäden an den empfindlichen Ventilen oder durch
deren felherhaftes Einstellen entstanden, können jetzt überhaupt nicht mehr auftreten.
-
Als Reflexionshohlkörper wird vorteilhaft ein an dem einen Ende verschlossenes
Rohr verwendet, welches mit der Frequenz der Anlage schwingt, die gleich der Grundschwingungszahl
des Reflexionsrohres oder einer Oberschwingungszahl davon sein kann. Hierbei sind
der Reflexionshohlkörper und das Ansaugglied im wesentlichen gleichachsig angeordnet
und an ihren einander zugekehrten Enden als gegeneinandergerichtete Düsen ausgebildet,
die zusammen ein nach beiden Strömungsrichtungen wirksames Venturirohr bildeng an
dessen engster Stelle sich eine Öffnung für den Einlaß von Brennstoff bzw. Verbrennungsluft
bzw. eines Brennstoff-Luft-Gemisches befindet; außer Düsen sind auch andere aerodynamische
Ventile möglichs Es ist dabei zweckmäßig, wenn der Brennstoff und die Verbrennungsluft
durch getrennte Ansaugrohre zugeführt werden, an welche sich je ein Reflexionsrohr
anschließt.
-
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Brenneranlage
mit pulsierender Verbrennung, die mit einer einzigen Brennkammer und zwei an ihren
Enden geschlossenen Reflexionsrohren arbeitet, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform,
Fig. 3 eine besondere Ausführung des Reflexionskörpers.
-
Gemäß Fig. 1 führt eine Gaszuleitung 1 zu einer Gasansaugstelle, nämlich
einem Spalt 2, welcher zwischen zwei gegeneinandergerichteten Düsen 3 und 4 angeordnet
ist. Hierbei stellt die Düse 3 das eine Ende eines Reflexionsrohres 5 dar, welches
an seinem
anderen Ende 6 verschlossen ist, während in der Düse 4
ein Gasansaugglied 7 endet, welches im wesentlichen gleichachsig zu dem Reflexionsglied
5 angeordnet und mit der Brennkammer 8 verbunden ist. In gleicher Weise wie bei
der Gasansaugstelle mündet für die Frischluftzuführung ein Ansaugstutzen 9 in den
Spalt 10 zwischen zwei gegeneinandergerichteten Düsen 11 und 12, deren erste einem
Reflexionsrohr 13 mit verschlossenem Ende 14 und deren andere dem Frischluftansaugglied
15 zugeordnet ist.
-
Das offene Ende des Reflexionsrohres 5 bzw. 13
kann anstatt
als Düse auch zylindrisch ausgebildet oder mit einem anderen aerodynamischen Ventil
versehen sein. Wichtig ist jedoch, daß der Öffnungsquerschnitt am offenen Ende des
Reflexionsrohres nicht größer als der Querschnitt der gegenüberliegenden Öffnung
des Ansauggliedes ist. Ebenso ist der Hohlkörperresonator nicht auf die Ausbildung
als ein rohrförmiges Glied beschränkt. Der Resonator kann vielmehr nach einem kurzen
zylindrischen Ansatzstück 3' auch als Kugel oder als ein über das Ansaugglied 7
gestülpter Hohlkörper 5' ausgebildet sein (Fig. 3).
-
Die Ansaugglieder 7 für Gas und 15 für Frischluft weisen unmittelbar
im Anschluß an dieBrennkammer 8 jeweils eine diffusorartige Erweiterung
16 bzw. 17
auf. Beide Ansaugglieder vereinigen sich an der engsten
Stelle ihrer diffusorartigen Erweiterungen zu einer gemeinsamen Zuleitung zu der
ebenfalls diffusorartig erweiterten Brennkammer B. Die beiden Ansaugglieder 7 und
15 können aber mit ihren diffusorartigen Erweiterungen 16 und 17 jedes für sich
getrennt in die Brennkammer 8 einmünden. Weiterhin ist es auch möglich, nur ein
einziges Ansaugglied zu verwenden, wobei in dem Spalt zwischen den beiden gegeneinandergerichteten
Düsen sowohl Gas als auch Frischluft angesaugt wird.
-
An die Brennkammer 8 schließt sich ein zylindrisches Schwingrohr 18
für den Ausschub der heißen Verbrennungsgase an, welches von einem gleichachsig
zu ihm angeordneten Schwingrohr-Reflexionsglied 19 mit verschlossenem Ende
20 durch einen Spalt 21 getrennt ist, an welchen sich schließlich die Auspuffleitung
22 anschließt.
-
Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 darin, daß das Frischluft-Reflexionsglied
13 und das Schwingrohr-Reflexionsglied 19 der Fig. 1 zu einem Schwingungs-Reflexionsglied
23 miteinander verbunden sind und beide in offener Verbindung zueinander stehen.
-
Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen wirken wie folgt: Sobald
in der Brennkammer 8 ein zündfähiges Gas-Luft-Gemisch vorhanden ist, wird dieses
durch eine nicht gezeichnete Vorrichtung, z. B. eine Zündflamme, zur Entzündung
gebracht. Hierbei entsteht in der Brennkammer 8 eine Verpuffungswelle, welche sich
nach allen Seiten ausbreitet. Ein großer Teil der Verbrennungsgase wird dabei in
das Schwingrohr 18 ausgestoßen; der übrige Teil dieser Gase wird jedoch in
Richtung der Ansaugglieder 7, 15 strömen. Damit wird ein Schwingungsvorgang eingeleitet,
der einen Dauerbetrieb der Anlagegestattet.
-
Da die Ansaugglieder 7 und 15 durch ihre Länge die Frequenz
beeinflussen, und zwar als Hals eines Helmholtzschen Resonators, schwingen die Gassäulen
in den Ansauggliedern 7 und 15 zwischen Brennkammer 8 und den Ansaugstellen,2 bzw.
10 mit einem Vierte4 der Wellenlänge, mit welcher die Anlage arbeitet. Hierbei müssen
sowohl dip Länge als auch der Durchmesser der beiden Ansaugglieder aufeinander abgestimmt
sein, weil die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles in Gas und Luft und auch
die Gasdichten nicht gleich sind. Weiterhin ist es wichtig, um einen sicheren Lauf
der Brenneranlage zu gewährleisten, daß auch die Gassäulen in den Reflexionsrohren
mit der Frequenz der Anlage schwingen, wobei diese Schwingungszahl gleich der Grundschwingungszahl
der Gassäule im Reflexionsrohr oder eine Oberschwingungszahl davon sein kann. DieLänge
der Reflexionsrohre kann dabei ein Viertel der Wellenlänge betragen, mit welcher
die Brenneranlage arbeitet, oder ein ungeradzahliges Mehrfaches davon. also drei
Viertel Wellenlänge, fünf Viertel Wellenlänge usf.
-
In gleicher Weise wie durch die Ansaugglieder 7 und 15 wird auch durch
das Schwingrohr 18 die Frequenz beeinflußt, da die Gassäule im Schwingrohr 18 von
der Brennkammer 8 bis zum Spalt 21 ebenfalls mit einer Viertelwellenlänge schwingt.
Auch das Reflexionsrohr 19 des Schwingrohres 18 muß daher wie die Reflexionsrohre
5 und 13 der Ansaugglieder 7 und 15 auf die Frequenz der Brenneranlage abgestimmt
sein. Man erhält auf diese Weise aus den Ansauggliedern 7 und 15 mit den zugehörigen
Reflexionsrohren 5 und 13, der Brennkammer 8 und dem Schwingrohr 18 mit dem zugeordneten
Reflexionsrohr 19 ein geschlossenes Schwingungssystem, in welchem die Schwingungsenergie
- abgesehen von Reibungsverlusten - erhalten bleibt.
-
Bei dem Schwingungsvorgang, der durch die periodische Verpuffung angeregt
wird, wird sich eine stehende Welle ausbilden, welche an der Ansaugstelle 2 bzw.
10 und an der Abströmstelle, also dem Spalt 21, einen Druckknotenpunkt und in der
Brennkammer 8 und an den verschlossenen Enden 6, 14 und 20 der Reflexionsrohre 5,
13 und 19 einen Druckbauchpunkt aufweist. Die Geschwindigkeitswelle weist bei einer
derartigen Anordnung gegenüber der Druckwelle eine Phasenverschiebung von 90° auf.
Es wird sich daher in der Brennkammer 8 und an den verschlossenen Enden 6, 14 und
20 der Reflexionsrohre 5, 13 und 19 ein Geschwindigkeitsknotenpunkt und an den Ansaugstellen
2 und 10 sowie an der Abströmstelle 21 ein Geschwindigkeitsbauchpunkt ausbilden.
Die größte Geschwindigkeit wird also gerade an der Ansaugstelle und an der Abströmstelle
auftreten, d. h. an Stellen, an welchen Atmosphärendruck herrscht. An der An, saugsteile
2 bzw. 10 entsteht somit ein kräftiger Unterdruck, welcher zum Ansaugen von
Frischluft und Frischgas zur Verfügung steht.
-
Es wird dabei jeweils dann, wenn die Geschwindigkeitswelle gegen die
Brennkammer 8 gerichtet ist, Frischluft und Frischgas angesaugt, so daß in der Brennkammer
8 ein Gas-Luft-Gemisch entsteht, welches verpufft und damit den weiteren Betrieb
ermöglicht. Ein Ansaugen von Frischluft und Frischgas in die Reflexionsrohre 5 und
13 findet- nicht statt, da infolge des Druckanstiegs im Diffusor des Reflexionsrohres
5 bzw. 13 der mittlere Druck im Reflexions rohr höher ist als an der Ansaugstelle
2 bzw. 10.
-
Wenn die Länge der Reflexionsrohre nicht einem Viertel der Wellenlänge,
sondern drei Vierteln der Wellenlänge entspricht, dann erhöht eine derartige Ausbildung
die Sicherheit des Laufs der Brenneranlage bedeutend. Wenn dann nämlich die Verpuffung
plötzlich aussetzt, dann wird durch die Reflexionswelle der vorherigen Verpuffung,
welche infolge der größeren Rohrlänge eine Periode später in der Brennkammer eintrifft,
erneut ein Gas-Luft-Gemisch eingeführt, welches nach seiner Verpuffung wiederum
einen
Unterdruck hervorruft und somit ein weiteres Ansaugen von Frischgas und Frischluft
ermöglicht.
-
In Fig.2 ist eine andere zweckmäßigeAusführungsform gezeigt, die in
gleicher Weise wie die Vorrichtung gemäß Fig.l arbeitet. Es sind lediglich die Enden
des Frischluft-Reflexionsrohres und des Schwingrohr-Reflexionsrohres, welche Knotenpunkte
der Geschwindigkeitswelle darstellen, zusammengelegt, so daß an Stelle der verschlossenen
Enden der Reflexionsrohre diese in offener Verbindung stehen können und dadurch
mit dem Ansaugglied 15, der Brennkammer 8 und dem Schwingrohr 18 einen geschlossenen
Schwingungskreis bilden.
-
Auch ist es möglich, das Schwingrohr so zu verlängern, daß die Gassäule
im Schwingrohr mit einer der ersten Oberschwingungen schwingt; auf diese Weise kann
die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert werden, ohne daß an der Abstimmung des
Gerätes etwas zu ändern ist.
-
Gegebenenfalls können an das vorhandene Schwingungssystem in einem
Druckknotenpunkt weitere Schwingungssysteme oder weitere Reflexionsrohre angeschlossen
werden.
-
Die Erfindung ist nicht nur für den Heizbetrieb, sondern auch für
den Kraftbetrieb auswertbar. So kann beispielsweise eine Turbine durch das aus der
Auspuffleitung ausströmendeAbgas beaufschlagt werden. Es kann dabei das Druckgefälle
zwischen Ansaug- und Abströmstelle ausgenutzt werden.