DE1035841B - Brenneranlage fuer pulsierende Verbrennung - Google Patents

Brenneranlage fuer pulsierende Verbrennung

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DE1035841B
DE1035841B DEJ9548A DEJ0009548A DE1035841B DE 1035841 B DE1035841 B DE 1035841B DE J9548 A DEJ9548 A DE J9548A DE J0009548 A DEJ0009548 A DE J0009548A DE 1035841 B DE1035841 B DE 1035841B
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DE
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reflection
burner system
suction
combustion
fuel
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Pending
Application number
DEJ9548A
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English (en)
Inventor
Ernst Reimers
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Junkers and Co GmbH
Original Assignee
Junkers and Co GmbH
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Publication date
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C15/00Apparatus in which combustion takes place in pulses influenced by acoustic resonance in a gas mass

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Brenneranlage für pulsierende Verbrennung mit einer einzigen Brennkammer, die in nicht absperrbarer, ständig offener Verbindung mit ihrem Ansaugglied steht, dadurch gekennzeichnet, daß das der Brennkammer unmittelbar vorgeschaltete Ansaugglied mit mindestens einem an dem einen Ende verschlossenen Reflexionshohlkörper verbunden ist, der als Resonator ausgebildet ist. z. Brenneranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflexionshohlkörper ein an dem einen Ende verschlossenes Rohr verwendet wird, dessen Gassäule mit der Frequenz der Anluge schwingt, wobei die Schwingungszahl gleich der Grundschwingungszahl der Gassäule im Reflexionsrohr oder einer Oberschwingungszahl davon sein kann. 3. Brenneranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugglied und das Reflexionsglied im wesentlichen gleichachsig angeordnet sind und daß sich an der Verbindungsstelle zwischen Ansaugglied und Reflexionsglied eine Öffnung für den Einlaß von Brennstoff bzw. Verbrennungsluft bzw. eines Brennstoff-Luft-Gemisches befindet. 4. Brenneranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ansaugglied und Reflexionsglied an der Ansaugstelle als gegeneinandergerichtete Düsen ausgebildet sind, die zusammen ein in beiden Strömungsrichtungen wirksames Ven.-turirohr bilden, an dessen engster Stelle sich die Einlaßöffnung für Frischluft bzw. Brennstoff oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch befindet. 5. Brenneranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff und die Verbrennungsluft der Brennkammer durch getrennte Ansaugglieder zugeführt werden; an welche sich je ein Reflexionsglied anschließt. 6. Brenneranlage nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Auspuffglied mit einem Reflexionsglied in Verbindung steht und daß sich an der Verbindungsstelle zwischen Auspuffglied und Reflexionsglied eine Öffnung für den Auslaß der -#"'erbrennungsgase befindet. 7. Brenneranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsglied des Ansauggliedes und das Reflexionsglied des Auspuffgliedes miteinander in offener Verbindung stehen, so daß ein in sich geschlossenes Schwingungssystem entsteht. In. Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift des V. D. I., Bd. 94, Nr. 3, 21. 1. 52, S. 81, insbesondere Bild 3; Zeitschrift »Stahl u. Eisen« v. 25. 3. 43, S. 240, Bild 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4948360A (en) * 1986-11-06 1990-08-14 The Haser Company Limited Gas resonance device
US5006060A (en) * 1986-11-06 1991-04-09 Haser Company Limited Gas resonance device

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