DE1252974B - Gleichraumbrennkammer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

F02c

Deutsche Kl.: 46f-2

Nummer: 1252974

Aktenzeichen: S 996621 a/46 f

Anmeldetag: 25. September 1965

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Die Erfindung betrifft eine Gleichraumbrennkammer mit steuerbarer periodischer Fremdzündung, die insbesondere für Gasturbinen eingesetzt werden kann.

Es ist eine Gleichraumbrennkammer mit elektrischer Zündung und periodischer Brennstoffeinspritzung bekannt, die am Ein- und Auslaß Verschlußglieder aufweist, die die Brennkammer periodisch freigeben und auf eine Gleichraumverbrennung abgestimmt sein können. Bei der Mehrzahl der konventionellen Brennkammern findet dagegen im wesentliehen eine Gleichdruckverbrennung statt.

Bei einer weiteren bekannten Gruppe von Brennkammern läuft eine fremdgezündete pulsierende Verbrennung ab. Der Ablauf des Verbrennungsmechanismus weist dabei die Merkmale einer Gleichraumverbrennung auf.

Eine Intensivierung des Verbrennungsablaufes und eine Leistungssteigerung konnte dann durch eine selbstgezündete pulsierende Verbrennung mit den Merkmalen einer Gleichraumverbrennung erreicht werden. Solche Brennkammern werden als Argus-Schmidtrohr, Resonatoren oder auch als Schwingfeuerbrenner bezeichnet. Solche Brenner bestehen im wesentlichen aus einem Brennerkopf mit anschließendem Schwingrohr. In dem Brennerkopf, der brennkammerartig ausgebildet sein kann, findet die periodisch gezündete Verbrennung statt, wonach die unter Druckwellen abströmenden heißen Flammenabgase durch das Schwingrohr austreten. Eine vom Ende des Schwingrohres zum Brennerkopf rücklauf ende Druckwelle zündet dann den nächsten Verbrennungsvorgang. Die Zündfrequenz ist weitgehend durch die Abmessungen des Brennerkopfes und des Schwingrohres festgelegt. Im Unterdruck nach einer Verbrennung werden neue Ausgangskomponenten angesaugt, wozu meist Rückschlagventile eingesetzt sind.

Eine Variante des Brenners für selbstgezündete pulsierende Verbrennung zum Betreiben von Turbinen weist eine Brennkammer auf, die als Rückströmdrossel wirkt, so daß zwischen Aufladevorrichtung und Brennerkopf keine mechanischen Rückströmdrosseln erforderlich sind. Der besondere Vorteil einer pulsierenden Verbrennung mit Selbstzündung liegt darin, daß in stöchiometrischem Verhältnis vorliegende Ausgangskomponenten nahezu rückstandslos verbrannt werden können. Es lassen sich deshalb Feuerraumbelastungen oberhalb

Gleichraumbrennkammer

100 · 10»

kcal

erreichen.

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Bertold Berberich, Erlangen

¹S Da die reaktionskinetischen Vorgänge bei Brennern pulsierende Verbrennung unter Selbstzündung in ihren Einzelheiten noch weitgehend unbekannt sind, kann die Zündfolge bei Serienfertigung noch nicht beherrscht werden. Deshalb war es bisher erforderlich, jeden Brenner einzeln abzustimmen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß diese Brenner nur bis zu geringfügig über Atmosphärendruck liegenden Drücken am Schwingrohrende arbeiten können. Sie konnten deshalb ohne nachgeschaltete

as Druckerhöher zum Antrieb von Turbinen bisher nicht befriedigend eingesetzt werden. Im übrigen hat die an sich konstante, aber instabile Feuerfrequenz keine Leistungssteuerung über die Verbrennungsfolge ermöglicht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für Gleichraumverbrennung und hohe Leistung zu entwickeln, der auch gegen wesentlich höheren als Atmosphärendruck arbeiten kann, dessen Leistung sich leicht steuern läßt und dessen Feuerfrequenz dennoch sehr genau eingestellt werden kann. Nach der Erfindung ist dazu eine Gleichraumbrennkammer mit steuerbarer periodischer Fremdzündung vorgesehen, bei der die Zündung jedoch durch ein Laserzündgerät erfolgt, dessen in die Brennkammer gerichtete Strahlimpulse auf die Einspritzfrequenz des in die Brennkammer eingeführten brennbaren Gemisches abstimmbar sind. Es hat sich gezeigt, daß mit der Gleichraumbrennkammer nach der Erfindung der günstige Verbrennungsmechanismus der selbstgezündeten pulsierenden Verbrennung nun auch durch Fremdzündung erzielt werden kann.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Gleichraumbrennkammer erfordert also kein Schwingrohr, es ist jedoch möglich, in bestimmten Anwendungsfällen Düsen oder Rohre außerhalb der Schwingrohrfrequenz als Ansaughilfe für Verbrennungsstoffe einzusetzen.

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Bei der neuartigen Gleichraumbrennkammer kann Auslaßöffnung fokussiert, wenn hohe Temperaturen die Verbrennungsfrequenz während des Betriebes erzielt werden sollen. Fokussiert man den Laserstrahl durch Einstellen der Impulsfrequenz der Anregungs- 10 mehr auf die Raummitte, insbesondere bei kugelenergiequelle für die Lasersubstanz in einem weiten förmigen Brennräumen, so erzielt man andererseits Bereich stufenlos verändert werden. Darüber hinaus 5 raschere Verbrennungen, was höhere Brennfolgen erläßt sich auch die Verbrennungsintensität durch Wahl möglicht.

geeigneter Fokussierung und Strahlintensität besser Brennraum 4 und Auslaßöffnung 6 sind so bemes-

als bei bisherigen Brennern beherrschen. Es ist des- sen, daß Gleichraumverbrennungen erzielt werden,

halb möglich, dem jeweiligen Verwendungszweck wenn der Durchsatz durch die Einspritzvorrichtung 3

angepaßte Brenner zu bauen, ohne durch Vorbedin- io so eingestellt ist, daß die heißen Flammenabgase je-

gungen eingeengt zu sein. Weiterhin ermöglicht die weils abgeströmt sind, bevor neue Brennstoffe einge-

Konstanz der Brennfrequenz, mehrere Brenner strö- spritzt werden.

mungsmäßig parallel zu betreiben. Sie können im Das Laserzündgerät 2 kann folgendermaßen aufgleichen oder wechselseitigen Takt betrieben werden. gebaut sein: In einem Laserkopf 12 ist als Lasersub-

Durch geeignete Führung des Laserstrahles sowie 15 stanz ein Rubinlaserkristall 13 und als Anregungs-

durch konstruktive Gestaltung des Brennraumes energiequelle eine Blitzlampe 14 angebracht. Die

kann der Verbrennungsmechanismus so beeinflußt Zündeinrichtung für die Blitzlichtlampe ist durch

werden, daß optimaler Betrieb erzielt wird. einen Kondensator mit Zündspule 15 symbolisiert. In

Es ist nun auch möglich, eine Uberschalldüse un- der Einrichtung 16 sind die Kondensatorbatterie für

mittelbar an die Brennkammer anzuschließen. Bei 20 die Blitzlichtlampe und der Netzteil untergebracht.

Brennern mit selbstgezündeter pulsierender Verbren- Eine Linse 17 ist in einem Rohr 18 so angeordnet,

nung ist es dagegen sehr schwierig, Überschallströ- daß der Laserstrahl in erwünschter Weise fokussiert

mungen zu erzielen. Die Geschwindigkeit der reflek- wird.

tierten Welle ist nämlich niedriger als die Ausströ- Als Betriebsbeispiel sei angenommen, daß ein Ver-

mungsgeschwindigkeit der Lavaldüse für Überschall- 25 hältnis von Öl zu Luft wie 1:1000 eingestellt wird,

strömungen. Brenner für selbstgezündete pulsierende Wenn die Mischung in der heißen Brennkammer auf

Verbrennung sind aber zum Zünden gerade auf die 80° C aufgeheizt ist, liegt ein brennbares Gemisch

rücklaufende Welle angewiesen. vor, das durch Laserimpulse mit einer Energie von

Die Ausgangskomponenten für die Verbrennung etwa 1,5 Ws und einer Impulsdauer von 0,5 ms gein einer Gleichraumbrennkammer nach der Erfin- 30 zündet werden kann. Wenn bei dem verwendeten dung sind vorvermischt, beispielsweise durch Ein- Rubinkristall der Öffnungswinkel etwa 30 Minuten spritzen, zuzugeben. In der Verbrennungsfront voll- beträgt, kann der Laserstrahl durch eine Linse 17 zieht sich dann ein Makromischen, wobei das Brenn- mit der Brennweite von 1 m auf ein Gebiet höchster mittelfluid in Zellen aufgespalten wird, die noch grö- Energiedichte von rund 2 mm fokussiert werden, ßer als die Moleküle sind. In der während des 35 Dieser Bereich höchster Energie kann etwa 2 cm lang Verbrennungsvorgangs auftretenden Stoßwelle wer- sein. Zur Anregung des Laserkristalls eignen sich den den Brennmittelzellen dann laufend die ver- dann Lichtimpulse von 0,3 bis 2 ms Dauer. Die Ausgasten Oxydationshäute im Wirbel entrissen, weshalb breitungsgeschwindigkeit des Verbrennungsvorgangs eine weitere Verbrennung und Vermischung stattfin- kann man mit etwa 1000 m/Sek annehmen,
det. Diese Phase wird als Mikromischen bezeichnet. 40 Die Zündfolge läßt sich einfach dadurch steuern, Es folgt dann noch die Molekulardiffusion. Der Wir- daß der Zündkreis der Blitzlichtlampe entsprechend bei in der Stoßwelle entsteht dabei durch die Relativ- eingestellt wird. Für diese Steuerung sorgt das Steuergeschwindigkeit zwischen· größerer Masse zufolge gerät4. Gleichzeitig wirkt das Steuergerät4 auf die langsameren Brennmittelteilchen und den schnelleren Anlage 19 ein, durch die der Durchsatz an Verbren-Partikeln des Verbrennungsmittels. 45 nungsstoffen eingestellt wird. In der Anlage 19 kön-

Es ist an anderer Stelle schon vorgeschlagen wor- nen Einspritzpumpen untergebracht sein, wie sie von

den, bei einer Heizkesselfeuerung Dieselölnebel Dieselmotoren her bekannt sind. Die Brennstoffe,

durch Laserstrahlen zu zünden. Hierbei handelt es Brennmittel und Verbrennungsmittel können getrennt

sich aber um eine Gleichdruckverbrennung und nicht eingespritzt oder auch mittels einer Einspritzvorrich-

um eine Gleichraumverbrennung. 50 tung 3, die als Ringdüse ausgebildet ist, dem Brenn-

Die Erfindung soll nun an Hand eines in der raum 5 verwirbelt zugeführt werden. Durch den

Zeichnung grob schematisch dargestellten Ausfüh- Steuerteil 4 wird die Impulsfolge der Laserstrahlen

rungsbeispiels weiter erläutert werden. auf die Einspritzfrequenz des brennenden Gemisches

Die in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellte abgestimmt.

Gleichraumbrennkammer nach der Erfindung besteht 55 Daß die Gleichraumbrennkammer nach der Erfinaus einer Brennkammer 1 mit Laserzündgerät 2, dung gegen höheren Gegendruck als bisherige Gleicheiner Einspritzvorrichtung 3 und einem Steuerteil 4. raumbrennkammern arbeiten kann, bedeutet für den Bei der Gestaltung des hier birnenförmig dargestell- Betrieb von Turbinen einen wesentlichen Vorteil, ten Brennraumes 5 kann man auf die allgemeinen Darüber hinaus kann die neuartige Gleichraumbrenn-Erfahrungen mit Gleichraumverbrennungen zurück- 60 kammer auch in einer Vielfalt weiterer Anwendungsgreifen. So kann der Brennraum beispielsweise auch gebiete vorteilhaft eingesetzt werden. So wirkt sich kugelförmig oder elliptisch ausgebildet sein. In der auch in der Feuerungstechnik und im Hüttenwesen Auslaßöffnung 6 der Brennkammer kann, wie darge- der Vorteil aus, daß ein höherer Wirkungsgrad der stellt, eine Düse 7 eingesetzt sein. Am Flansch 8 des Verbrennung bei höherer Temperatur und insbeson-Auslaßrohres 9 können dem jeweiligen Einsatzzweck 65 dere auch bei Gegendruck erzielt wird,
entsprechend Bauteile angeschlossen werden. Der In der Gasversorgung für MHD-Generatoren wirkt Laserstrahl 10 des Zündgerätes 2 wird im Bereich sich günstig aus, daß die heißen Gaszonen die Leitder Mittellinie 11 auf einen Bereich in der Nähe der f ähigkeit des Generators bestimmen, während das

Wandmaterial des Strömungskanals nur mit der über heiße und kalte Gaszonen gemittelten niedrigeren Temperatur belastet wird.

Setzt man die Gleichraumbrennkammer nach der Erfindung bei Flugkörpern ein, die nach dem Rückstoßprinzip angetrieben werden, so ergibt sich als wesentlicher Vorteil gegenüber Brennkammern mit selbstgezündeter pulsierender Verbrennung, daß die Düsenform allein nach flugtechnischen Gesichtspunkten ausgewählt werden kann. Eine Lavaldüse kann dabei unmittelbar an die Brennkammer angeschlossen werden. Bei pulsierender Verbrennung mit Selbstzündung ist es dagegen sehr schwierig, Überschallströmungen zu erzielen, da die Geschwindigkeit der reflektierten Welle dort niedriger als die Ausströmungsgeschwindigkeit der Lavaldüse ist. Die rücklaufende Welle ist andererseits zum Zünden dort jedoch nötig.

Die neuartige Gleichraumbrennkammer kann auch in der chemischen Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Sie kann dazu mit Vorrichtungen versehen sein, die die intermittierende Zufuhr der zur Reaktion zu bringenden Stoffe in die Brennkammer allein oder zusammen mit Brennstoffen, die sich gegenüber den zur Reaktion zu bringenden Stoffen und ihren Produkten neutral verhalten, gestatten.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gleichraumbrennkammer mit steuerbarer periodischer Fremdzündung, insbesondere für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung durch ein Laserzündgerät erfolgt, dessen in die Brennkammer gerichtete Strahlimpulse auf die Einspritzfrequenz des in die Brennkammer eingeführten brennbaren Gemisches abstimmbar sind.

2. Gleichraumbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar an die Auslaßöffnung (6) der Brennkammer eine Uberschalldüse (Lavaldüse) angeschlossen ist.

3. Gleichraumbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Verwendung in der chemischen Verfahrenstechnik mit Vorrichtungen versehen ist, die die intermittierende Zufuhr der zur Reaktion zu bringenden Stoffe in die Brennkammer allein oder zusammen mit Brennstoffen, die sich gegenüber den zur Reaktion zu bringenden Stoffen und ihren Produkten neutral verhalten, gestatten.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 002 569;

schweizerische Patentschrift Nr. 290 096;

französische Patentschrift Nr. 373 141;

Zusatzpatentschrift Nr. 7366 zur französischen Patentschrift Nr. 373 141;

britische Patentschrift Nr. 176 838;

Zeitschrift »Maschinenbau und Wärmewirtschaft«, 10. Jahrgang, 1955, Heft 12, S. 337 bis 347;

Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure, Bd. 94, 1952, Nr. 31, S. 1005 bis 1008, und Bd. 92, 1950, Nr. 16, S. 393 bis 399.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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