DE1109822B

DE1109822B - Verfahren und Einrichtung zum Steuern von Schwingbrennern

Info

Publication number: DE1109822B
Application number: DEV12744A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schoel
Original assignee: DAMPFERZEUGER VEB
Current assignee: DAMPFERZEUGER VEB
Priority date: 1957-07-09
Filing date: 1957-07-09
Publication date: 1961-06-29

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

V12744Ia/24c

ANMELDETAG: 9. JULI 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 29. JUNI 1961

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern von Schwingbrennern, die nach dem Prinzip einer pulsierenden Verbrennung, d. h. einer entsprechend der Eigenfrequenz des Schwingbrenners periodisch verpuffenden Verbrennung arbeiten, mit einem sich drehenden Steuerorgan, insbesondere einer Steuertrommel, die die Ventilwirkung übernimmt.

Ventile für Schwingbrenner sind in verschiedenen Ausführungen bekannt; teils handelt es sich um areodynamische Ventile, deren besondere Formgebung eine gleichrichtende Wirkung auf einen schwingenden Gasstrom hat, teils um mechanische Ventile, die durch federnde Stahllamellen oder umlaufende Steuerorgane einen Abschluß des Schwingbrenners bei der Verpuffung bewirken.

Die aerodynamischen Ventile haben den Nachteil, daß sie einen Teil der Feuergase durch den Lufteintrittsquerschnitt zurückfluten lassen. Sie wirken damit auf den Schwingbrenner dämpfend; außerdem wird die Aufladung des Schwingbrenners mit frischer Verbrennungsluft verringert, weil die zurückgestoßenen Feuergase wieder mit angesaugt werden müssen.

Mechanische Ventile mit Stahllamellen, sogenannte Flatterventile, sind wegen ihrer kurzen Lebensdauer nur bei Schwingbrennern mit kurzen Betriebszeiten anzuwenden.

Es sind auch bereits mechanische Ventile mit umlaufenden Steuerorganen bekannt, für die jedoch ein sehr umfangreicher elektrischer Apparat nötig ist, um die Drehzahl der Steuertrommel mit der Frequenz der Verpuffungen des Schwingbrenners zu synchronisieren.

Bei mehrstufigen Brennkammern für Flugzeugdüsentriebwerke hat man eine Primär- und eine Sekundärkammer durch mechanisch gesteuerte und rotierende Einströmsteuerorgane zeitweilig miteinander verbunden oder voneinander abgesperrt. Jedoch erfolgte hierbei die Zündung bei jedem Verbrennungsvorgang durch eine Zündkerze.

Andererseits sind Brenner mit periodischer Unterbrechung der Brennstoff- bzw. Verbrennungszufuhr bekanntgeworden, wobei die Zahl der Unterbrechungen willkürlich veränderlich ist und die Verbrennungsvorgänge voneinander abgehackt sind. Auch hat man bei diesen bekannten Brennern das Drehmoment, das den Unterbrecher antreibt, durch den zu steuernden Luftstrom erzeugt. Es bestehen bei diesen Brennern also keine Resonanzbedingungen oder -beziehungen zwischen der Feuerung bzw. der Verbrennung und der Anzahl der Öffnungen des Ventils in der Zeiteinheit.

Verfahren und Einrichtung
zum Steuern von Schwingbrennern

Anmelder:

VEB Dampferzeuger,
Berlin -Wilhelmsruh, Hertzstraße

Gerhard Schoel, Berlin,
ist als Erfinder genannt worden

Im Gegensatz zu den Brennern gemäß dem Stande der Technik handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um einen Schwingbrenner, bei dem das Brennstoff-Luft-Gemisch in einem entsprechend der Eigenfrequenz des Schwingbrenners periodisch verpuffenden Vorgang verbrennt. Die Anzahl der Perioden in der Zeiteinheit, also der Frequenz, ist hierbei abhängig von den räumlichen Abmessungen des aus Brennkammer und Schwingrohr bestehenden Schwingbrenners und der Temperatur sowie der Art des in ihm befindlichen Gases.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, für die Gattung dieses aus Brennkammer und Schwingrohr bestehenden Schwingbrenners, der nach dem Prinzip einer pulsierenden, d. h. mit einer entsprechend der Eigenfrequenz des Schwingbrenners periodisch verpuffenden Verbrennung arbeitet, eine Synchronisation zwischen der Eigenfrequenz des Schwingbrenners und der Öffnungsfrequenz des Steuerorgans des aus Brennkammer und Schwingrohr bestehenden Schwingbrenners herbeizuführen. Auf diese Übereinstimmungen der Öffnungsfrequenz des rotierenden Ventils mit der Eigenfrequenz des Schwingbrenners kommt es bei der Einrichtung nach der Erfindung wesentlich an. Erschwerend für diese Aufgabe ist dabei die Tatsache, daß die Eigenfrequenz des Schwingbrenners im geringen Maße von der Last abhängig ist, da sich mit der Last die Temperatur und somit die Schallgeschwindigkeit des Gases ändert.

Die Schwingungen im Brenner bewirken eine Druckänderung an der Stelle des Lufteintritts in die Brennkammer.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß während der Unterdruckperiode des Brennraumes die in den Schwingbrenner einströmenden Gas- oder

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Luftströme auf eine Fläche der Schlitze des Steuerorgans auftreffen, wobei die Tangierende dieser Fläche schräg zur Richtung der Lufteinströmung steht, das Steuerorgan in Drehung versetzt und danach der gleiche Gas- oder Luftstrom mit Hilfe der anderen entsprechenden Fläche der Schlitze die Drehbewegung wieder abbremst, wenn der Antriebsimpuls ein gewisses Maß überschreitet, wodurch eine Synchronisation zwischen der Freigabe der Einströmschlitze und der Eigenfrequenz des Schwingbrenners erzwungen wird.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß das an der Brennkammer des Schwingbrenners befindliche Einlaßventil vorzugsweise in Form einer mit Schlitzen versehenen feststehenden Steuertrommel ausgebildet ist, das von einer entsprechenden, gleichfalls mit Schlitzen versehenen Steuertrommel umgeben ist und diese wiederum von einer zweiten feststehenden, mit Einlaufschlitten versehenen Einlauftrommel umschlossen ist.

Im weiteren Ausbau der Einrichtung nach der Erfindung sind nun, um während der Unterdruckperiode die Eintrittsschlitze für den Eintritt der Luft in maximalem Sinne freizugeben und diese zur Zeit der Überdruckperiode mit besserer Wirkung abzusperren, die Schlitze der umlaufenden Steuertrommel mit ebenen, schräg zur Einströmöffnungsrichtung verlaufenden Seitenflächen versehen.

Ein weiteres Prinzip der Erfindung besteht darin, daß das in die Brennkammer einströmende Medium die steuernde Wirkung entweder im Sinne einer Beschleunigung oder im Sinne einer Verzögerung ausübt. Es werden daher die schrägen Seitenflächen der Schlitze der umlaufenden Steuertrommel in zueinander entgegengesetzten Richtungen schräg zur Ein-Strömrichtung des Mediums angeordnet.

Hierdurch ergibt sich die Wirkung, daß die erste schräge Seitenfläche eines jeden Schlitzes — in Umlaufrichtung betrachtet — eine beschleunigende Wirkung und die zweite schräge Seitenfläche — in Umlaufrichtung betrachtet — eine verzögernde Wirkung des umlaufenden Steuerteiles beim Einströmen des Mediums bzw. der Luft erzeugt.

Um beim Einströmen der Gase bzw. der Luft in die Brennkammer des Schwingbrenners eine in Umfangsrichtung wirkende, gegebenenfalls auch zusätzlich wirkende Kraftkomponente zu erhalten, können die Einlauf schlitze der äußeren Einlauftrommel schräg ausgestaltet werden. Auch können vor den Einlaufschlitzen entsprechend der angestrebten Wirkung Leitschaufehl angeordnet sein.

Nach einem anderen Grundgedanken der Erfindung wird die Steuertrommel durch eine Kraftquelle zusätzlich angetrieben, um so die Reibungsfläche zu überwinden, die möglicherweise eine unerwünschte Phasenverschiebung zwischen Verpuffungs- und Öffnungsfrequenz bewirken wurden und damit einer optimalen Luftaufladung hindernd im Wege ständen.

Nähere Einzelheiten der Erfindung werden mit ihren Vorteilen unter Hinweis auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele in der folgenden Beschreibung erläutert. In der Zeichnung stellt dar

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Schwingbrenner mit als Ventil wirkender Steuertrommel nach der Linie A-B der Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Steuertrommel nach der Linie C-D der Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch drei zusammenwirkende Steuerschlitze der Steuertrommeln,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch drei zusammenwirkende Steuerschlitze, wobei für die umlaufende Steuertrommel eine Nacheilung vorliegt,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch drei zusammenwirkende Steuerschlitze, wobei für die umlaufende Steuertrommel eine Voreilung besteht,

Fig. 6 einen Teilschnitt durch drei zusammenwirkende Steuerschlitze mit schräg gerichteten Einströmöffnungen.

Der Schwingbrenner besteht aus einem Schwingrohr 1 und der Brennkammer 2, an die sich eine mit Schützen 3 versehene feststehende Steuertrommel 4 anschließt. Die feststehende Steuertrommel 4 ist von einer mit Schützen 5 versehenen umlaufenden Steuertrommel 6 kreisringförmig umschlossen. Weiterhin ist eine feststehende Einlauftrommel 7 vorgesehen, deren Einlaufschlitze 8 übereinstimmend mit den Schützen 5, 3 der von ihr eingeschlossenen Steuertrommel 4, 6 ausgestaltet sind. Die umlaufende Steuertrommel 6 kann gegebenenfalls — zwecks Überwindung der Reibungsverluste—durch einen Motor 9 angetrieben werden.

Wie insbesondere Fig. 3 erkennen läßt, sind die seitüchen Kanten bzw. seitüchen Flächen 10 der Schütze 5 schräg zur Einlaufströmung gerichtet, so daß gemäß der Steüung nach Fig. 4 entweder eine Beschleunigung der Bewegung der umlaufenden Steuertrommel 6 oder gemäß Stellung Fig. 5 eine Verzögerung eintritt.

Zwecks Verstärkung der für die Umlaufbewegung benötigten Kraftkomponente können nach Fig. 4 auch Leitschaufeln 11 angeordnet werden. Eine verstärkte Umlaufwirkung der Steuertrommel 6 ergibt sich bei Ausgestaltung der Einlaufschlitze 8 der feststehenden Einlauftrommel 7 gemäß Fig. 6, wobei also die schrägen Einlaufschlitze 8 ähnlich den Leitschaufeln 11 (Fig. 4) den eintretenden Gasstrom so lenken, daß eine Kraftkomponente in Umlaufrichtung der rotierenden Steuertrommel 6 auftritt.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:

Zum Anlassen des Schwingbrenners wird die umlaufende Steuertrommel 6 auf die Drehzahl

gebracht. Hierbei bedeutet fa die Frequenz des Schwingrohres im Anfahrzustand, ζ die Anzahl der Schütze 5 in der Steuertrommel 6.

Die umlaufende Steuertrommel 6 kann dabei gegebenenfalls von einer Kraftquelle 9 angetrieben oder aber zweckmäßigerweise mit einem regulierbaren Preßluftstrahl entsprechend angeblasen werden. Ist die erforderüche Drehzahl erreicht, wird der Schwingbrenner gezündet. Die in der Brennkammer! einsetzende Verpuffung erzeugt einen Überdruck im Schwingbrenner.

Steht die umlaufende Steuertrommel 6 im Zeitpunkt der Zündung so, daß sie die Schütze 3 verschließt, so besteht die richtige Phasenlage zwischen Verbrennungsfrequenz und Steuertrommel.

Ist dagegen die Phasenlage nicht ganz richtig, so verursacht der austretende Gasstrahl durch eine Saugwirkung, daß der Steg 12 der umlaufenden Steuertrommel 6 über den Schütz 3 (Fig. 3) gezogen wird.

Ist der Überdruck in der Brennkammer 2 abgeklungen, so stellt sich durch die Massenträgheit im Schwingbrenner ein Unterdruck ein. Jetzt wird durch den Luftdruck ein Luftstrahl durch die Schlitze 8,5,3 zur feststehenden Steuertrommel 4 gedrückt. Ist dabei 5 der Luftspalt noch nicht ganz offen, so übt der Luftstrahl eine beschleunigende Kraft auf die entsprechende schräge Seite des Steuerschlitzes 5 der umlaufenden Steuertrommel 6 aus, wie dies Fig. 4 veranschaulicht. Ist dagegen der Schlitz 5 schon zu weit geschlossen, so wird durch die einströmenden Luftmassen auf der gegenüberliegenden schrägen Seite des Schlitzes 5 eine entsprechende verzögernde Kraft in Pfeilrichtung ausgeübt (Fig. 5). Diese im Takte der Brennerfrequenz ausgeübten Kräfte bewirken eine Synchronisation der Steuertrommel 6 mit der Brennerfrequenz.

Die sich aus Laständerungen ergebenden Frequenzänderungen werden durch die synchronisierenden Kräfte der Gasstrahlen auf die Steuertrommel 6 übertragen.

Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn zwei symmetrische Steuertrommeln 6 auf einer umlaufenden Welle sitzen und jede einen Schwingbrenner steuert. Es ist bei dieser Anordnung der Schlitz der drehbaren Steuertrommel für den einen Schwingbrenner um eine halbe Teilung gegenüber dem Schlitz der anderen drehbaren Steuertrommel versetzt. Diese Anordnung bewirkt, daß diese Schwingbrenner mit einer Phasenverschiebung von 180° arbeiten. Es tritt dabei eine Verminderung des lästigen Lärmes ein.

Claims

Patentansprüche: 35

1. Verfahren zum Steuern von Schwingbrennern, die nach dem Prinzip einer pulsierenden, d. h. einer entsprechend der Eigenfrequenz des Schwingbrenners periodisch verpuffenden Verbrennung arbeiten und ein sich drehendes Steuerorgan aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Unterdruckperiode des Brennraumes die in den Schwingbrenner einströmenden Gasoder Luftströme auf eine Fläche der Schlitze des Steuerorgans auftreffen, wobei die Tangierende dieser Fläche schräg zur Richtung der Lufteinströmung steht, das Steuerorgan in Drehung versetzt und danach der gleiche Gas- oder Lufstrom mit Hilfe der anderen entsprechenden Fläche der Schlitze die Drehbewegung wieder abbremst, wenn der Antriebsimpuls ein gewisses Maß überschreitet, wodurch eine Synchronisation zwischen der Freigabe der Einströmschlitze und der Eigenfrequenz des Schwingbrenners erzwungen wird.

2. Einrichtung insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Brennkammer (2) des Schwingbrenners befindliche Einlaßventil vorzugsweise in Form einer mit Schlitzen (3) versehenen feststehenden Steuertrommel (4) ausgebildet ist, das von einer entsprechenden, gleichfalls mit Schlitzen (5) versehenen umlaufenden Steuertrommel (6) umgeben ist und diese wiederum von einer zweiten feststehenden, mit Einlaufschlitzen (8) versehenen Einlauftrommel (7) umschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (5) der umlaufenden Steuertrommel (6) mit ebenen, schräg zur Einströmöffnungsrichtung verlaufenden Seitenflächen (10) versehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schrägen Seitenflächen (10) der Schlitze (5) der umlaufenden Steuertrommel (6) in zueinander entgegengesetzten Richtungen schräg zur Einströmrichtung des Mediums angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Einlaufschlitzen (8) der Einlauftrommel (7) Leitschaufeln (11) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der radialen Einlaufschlitze (8) der äußeren festen Einlauftrommel (7) schräg gerichtete Schlitze (8 in Fig. 6) vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuertrommel (6) mit einer fremden Kraftquelle (9) in Verbindung steht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 428 925.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen