EP0396554A1 - Burner. - Google Patents

Burner.

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EP0396554A1
EP0396554A1 EP88909088A EP88909088A EP0396554A1 EP 0396554 A1 EP0396554 A1 EP 0396554A1 EP 88909088 A EP88909088 A EP 88909088A EP 88909088 A EP88909088 A EP 88909088A EP 0396554 A1 EP0396554 A1 EP 0396554A1
Authority
EP
European Patent Office
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axial bore
component
injector tube
injector
combustion
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EP88909088A
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German (de)
French (fr)
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EP0396554B1 (en
Inventor
Michael L Zettner
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Individual
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Publication of EP0396554B1 publication Critical patent/EP0396554B1/en
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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 
    • F23C7/00Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • 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 
    • F23C3/00Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a combustion device for the combustion of a combustible mixture consisting of two flowable components.
  • a closed system is a closed combustion chamber in which the fuel and oxidizer are brought together, burn and then perform mechanical work or generate heat through the expansion of the combustion gases.
  • the fuel and oxidizer are burned in a combustion chamber and the combustion gases emerge as a jet from an opening in the combustion chamber.
  • the gas jet can be used, for example, as a drive means in aircraft and spacecraft or turbines, but it can also be used for other purposes, such as heating purposes.
  • a high flow rate at which the fuel and oxidizer flow into the combustion chamber has an unfavorable effect on the ignition behavior.
  • the range of the mixing ratio of fuel and oxidizer in which it is ignitable becomes smaller as the flow velocity or combustion chamber pressure increases.
  • blowouts occur.
  • the flame front breaks off and the media flow unburned through the combustion chamber.
  • fuels that are inherently extremely inhomogeneous it is not possible to maintain this ignitability range without complex auxiliary constructions and aids.
  • the range of ignitability becomes extremely small at higher flow speeds and, depending on them, higher combustion chamber pressures. The thermal influences can already lead to the ignitability range shifting in such a way that blowouts occur.
  • US Pat. No. 3,733,165 discloses an incinerator for burning liquid fuels described, whereby oxygen and air are used as oxidizers.
  • the aim of the combustion device is to combine the use of oxygen for the purpose of as complete combustion as possible with a small flame volume in order to avoid the
  • pure oxygen cannot reduce the high temperatures that can be achieved by using a large flame volume.
  • pure oxygen is supplied through a central pipe with a nozzle and the fuel is supplied in a larger surrounding pipe.
  • a small portion of the fuel enters an oxygen pre-combustion chamber through inclined channels, swirls with the oxygen there and then burns in the pre-combustion chamber with a small, very hot flame, which completely evaporates the main amount of fuel around it.
  • the combustion air is fed into a third pipe concentrically surrounding the fuel pipe, which then burns with the vaporized, partially atomized and very reactive fuel.
  • the main combustion in the above-described combustion device with the combustion air takes place in a plane given by the nozzle orifices, in this plane the two reactants, evaporated fuel and air, emerge from the nozzle at the same time Air, a stoichiometrically sufficient amount is available.
  • this combustion device no problems are dealt with which result from substoichiometric combustion, ie from the combustion of a lean mixture, in particular at high flow velocities.
  • the invention is therefore based on the object of creating a combustion device for the combustion of a flowable fuel with a flowable oxidizer, by means of which the ignition problems that occur in particular with lean mixtures are avoided.
  • the invention is based on a combustion device for burning a combustible mixture of two flowable components, of which at least one is at high pressure or higher
  • Velocity is supplied, with a housing with a chamber, means for the supply of the first and the second component and for their mixing and an outlet opening for the combustion gases.
  • the invention consists of an injector tube as
  • Feed means for the first component which protrudes into the chamber housing in the direction of its outlet opening and at its end oriented towards the outlet opening a rear axial bore, at its end facing away from the outlet opening a narrower front axial bore, between the two bores a constriction and at least one radial and inclined to the injector axis from the interior of the chamber housing into the constriction or near it in the front axial bore, with its inner end pointing in the direction of the rear axial bore, through which part of the second component flowing into the chamber housing to the constriction or into the front Axial bore flows, mixes there with the first component, after which this mixture burns at least partially in the rear axial bore and flows out of this into the chamber housing.
  • the injector tube preferably consists of one Base part with the rear axial bore and a coaxial injector needle with the front axial bore, movable in the base part in the longitudinal direction, the total cross-section of the inclined channels being able to be changed by moving the injector needle in the axial direction.
  • the injector pipe In the case of a very high-energy combustion in the injector pipe, it may be necessary in a further development of the invention to provide the injector pipe with cooling fins on its outside. This results in a higher heat dissipation to the second component flowing along the outside of the injector tube, for example the oxidizer.
  • the injector tube In the case of a chamber housing that is open at the front, as is the case, for example, in ramjet engines, in a further development of the invention the injector tube must be angled or curved in an arc.
  • this consists of a cylindrical chamber housing with a head part, the head part having a central bore for receiving the injector tube, around which nozzles are arranged as feed devices for the second component.
  • the injector tube consists of a catalytic material or is provided with a catalytic material.
  • exemplary embodiments of the invention are shown in a perspective, partially cut-away representation. Show it:
  • Fig. 1 shows a burning device with a
  • FIG. 2 shows the combustion device according to FIG. 1 without the injector tube
  • FIG. 4A an exploded view of the adjustable injector tube according to FIG. 4,
  • FIG. 4B shows the adjustable injector tube according to FIG. 4 with open inclined channels
  • 4C shows the adjustable injector tube according to
  • FIG. 6 shows a combustion chamber housing with an angled injector tube.
  • FIG. 1 shows a perspective, partially cut-away representation of a combustion device with a chamber housing 1 and an injector tube 2.
  • the chamber housing 1 is used to burn a flowable fuel with a flowable oxidizer at a high combustion chamber pressure or high inflow velocity.
  • the term “flowable substance” is to be understood as meaning all liquids, gases or emulsions, but also mixtures of liquids or gases with solid particles which, however, have flowable properties.
  • FIGS. 1 and 2 show a cylindrical chamber housing 1 with a disk-shaped head part 11, the head part 11 for receiving the injector tube 2 being provided with a central bore 12 (FIG. 2) around which several nozzles 13 are arranged as a supply means for the second component of a combustible mixture.
  • FIG. 2 for example, the nozzles 131-136 are visible. However, the number or position of the nozzles 13 is not essential to the invention.
  • the combustion gases emerge from the chamber housing 1 through the outlet opening 15 as a jet.
  • the injector tube 2 shown in FIG. 3 serves as a supply means for the first component of the combustible mixture. It has to be on his
  • the rear end of the outlet opening 15 is oriented towards a rear axial bore 21, at its end facing away from the outlet opening 15 a narrower front axial bore 22 and between the two bores 21, 22 a constriction 23 of
  • the second component flowing to the constriction 23 exerts a suction effect on the first component entering through the front axial bore 22.
  • the cross-sectional area of all the inclined channels 241, 242 together with the cross-sectional area of the front axial bore 22 is greater than the cross-sectional area of the constriction 23.
  • the cross-sectional area of all inclined channels 241, 242 is therefore not added to the cross-sectional area of the constriction 23 even if the inclined channels 242, 242 are completely or partially open into the constriction 23.
  • the flammable mixture is ignited in the chamber housing 1 by an ignition probe 3
  • Chamber housing 1 promoted. After ignition, the flame strikes back as far as the constriction 23 between the two axial channels 21, 22, but not beyond the constriction. The two components of the combustible mixture only mix at the constriction 23, since there is no ignitable mixture in front of the constriction 23 in the front axial bore 22.
  • an open furnace is, for example, at a combustion pressure of 4 bar in the chamber housing 1,
  • Air as the second component at 5 to 6 bar is fed to the chamber housing 1 through the nozzles 13 and the fuel as the first component is only fed to the injector tube 2 at a pressure of 0.6 bar. A back pressure or a "stutter" of the combustion does not take place even with these large pressure differences.
  • the burning behavior of the burner device is of particular interest in the case of an excess of the second component, for example air, as a lean mixture.
  • the effect of the injector tube 2 here is that when there is a change in pressure and flow rate in the chamber housing 1, there is no change in the combustion behavior with regard to the ignitability of the mixture, but only when there is a change in the
  • the combustion in the injector tube 2 can thus be influenced by enlarging or reducing the inclined ducts 241, 242.
  • the above-described decoupling of the combustion behavior of the combustion device from the leanness of the mixture does not exist if the first component is fed to the chamber housing 1 only through a hollow needle protruding into the chamber housing 1, with or without a nozzle. This can lead to such lean mixtures that the ignitability is not reached.
  • the rear axial bore contains a very rich mixture, since the larger part of the second component flows outside of the injector tube 2 and only the smaller part of the second component entering through the inclined channels 241, 242 into the injector tube 2 reacts with the first component in the injector tube 2 .
  • the portion of the second component flowing along this outside of the injector tube 2 acts as a sheath flow and thus prevents the heat of the
  • Injector tube 2 is lost to the combustion system. This sheath flow reduces the heat transfer from the hot core flow that emerges from the injector tube 2 to the outer walls of the chamber housing 1, since only the much less
  • the combustion in the rear axial bore 21 changes to the extent that the composition of the one or both components changes.
  • the volume ratio is the
  • unburned residues of the first component can also arise from the fact that the pressures or the flow velocities, and as a result, the pressures in turn, change in such a way that the energy density of the first component changes as a further consequence.
  • unburned residues can also occur during the reaction in the rear axial bore 21 of the injector tube 2.
  • Unburned residues can also occur if the reaction speed of the combustion in the rear axial bore 21 of the injector tube 2 is so small that the time in which the components flow through the rear axial bore 21 is not sufficient for a complete reaction. This would be conceivable, for example, in the case of slowly burning emulsions.
  • Axial bore 21 has a significant influence on the burnout in such cases.
  • the unburned residues of the first component When leaving the rear axial bore 21 of the injector tube 2, the unburned residues of the first component have such a high temperature that they immediately react with the second component in the sheath flow.
  • the injector tube 25 shown in FIGS. 4, 4A consists of one
  • Base part 26 with the rear axial bore 21 and a coaxial injector needle 27 with the front axial bore 22, which is displaceable in the base part 26 in the longitudinal direction.
  • FIG. 4A shows an exploded view of the base part 26 and the injector needle 27.
  • a defined movement of the injector needle 27 in the base part 26 can be carried out, for example, by means of a thread, not shown in the drawings, between the base part 26 and the injector needle 27.
  • FIGS. 4B, 4C the injector tube 25 is shown with two extreme positions of the injector needle 27: In FIG. 4B, the inclined channels 243, 244 are completely open and in FIG. 4C they are almost closed. When different components are burned in the same injector tube 25, when changing from one fuel to the other, only the injector needle 27 needs to be changed or readjusted in a predetermined manner.
  • Inclined channels is not limited to this number, but that there can be as many inclined channels as are required for the supply of a sufficient proportion of the second component or for a spatially uniform distribution.
  • an injector tube 2 is shown, which has cooling fins on its outside
  • cooling fins 28 has.
  • the number and geometry of the cooling fins 28 must be determined on a case-by-case basis.
  • FIG. 6 shows a chamber housing 14 which is open at the front and in which the injector tube 2 is supported by an angled extension 29. The first component is also supplied through the extension 29.
  • 29 can also be curved like a circular arc section, so that an injector tube 25 with inclined channels 243, 244 with a variable cross section can be used.
  • the injector tube 2 can consist of a catalytic material or be provided with a catalytic material.
  • Nozzle 131-136 nozzles open chamber housing at the front
  • a burner for combustible mixtures consisting of two fluid components comprises a chamber housing (1), first feed means for the first component, second feed means for the second component and an outlet orifice (15) for the combustion gases.
  • the feed means for the first component is an injector tube (2) which has at the end facing the outlet orifice (15) a rear axial bore (21), at the other end a narrower front axial bore (22), a narrow passage (23) between the two bores (21, 22) and at least one inclined radial channel (241, 242; 243, 244) inclined to the injector axis (i) at an angle ⁇ , the apex of which is turned towards the rear axial bore (21) and which ex- tends from the inner space of the chamber housing (1) to the narrow passage (23) or along the sides of the front axial bo
  • a combustion device for burning a combustible mixture consisting of two flowable components consists of a chamber housing (1), first supply means for the first component, second supply means for the second component and an outlet opening (15) for the combustion gases.
  • the supply means for the first component is an injector tube (2) which, at its end oriented towards the outlet opening (15), has a rear axial bore (21), at its other end a narrower front axial bore (22), between the two bores (21, 22) a bottleneck
  • the invention relates to a combustion device for the combustion of a combustible mixture consisting of two flowable components.
  • a closed system is a closed combustion chamber in which the fuel and oxidizer are brought together, burn and then perform mechanical work or generate heat through the expansion of the combustion gases.
  • the fuel and oxidizer are burned in a combustion chamber and the combustion gases exit as a jet from an opening in the combustion chamber.
  • the gas jet can be used, for example, as a drive means in aircraft and spacecraft or turbines, but it can also be used for other purposes, such as heating purposes.
  • a high flow rate at which the fuel and oxidizer flow into the combustion chamber has an unfavorable effect on the ignition behavior.
  • the range of the mixing ratio of fuel and oxidizer in which it is ignitable becomes smaller with an increase in the flow velocity or the combustion chamber pressure.
  • Burning device characterized in that the injector tube (25) consists of a base part (26) with the rear axial bore (21) and a coaxial injector needle (27) movable in the longitudinal direction in the base part (26) with the front axial bore ( 22), whereby the total cross-section of the inclined channel (243, 244) can be changed by moving the injector needle (27) in the axial direction. (Fig. 4).
  • Burning device according to claim 1 or 2, characterized in that the injector tube (2) has cooling fins (28) on its outside to enlarge the surface (Fig. 5).
  • Burning device according to claims 1 to 3, characterized in that the injector tube (2) is angled.
  • Burning device according to claims 1 to 3, characterized in that the injector tube (2) is curved in an arc shape.
  • Burning device characterized by a cylindrical chamber housing (1) with a head part (11), wherein the head part (11) for receiving the injector tube (2) has a central bore (12) around which several Nozzles (131-136) are arranged as feed devices for the second component.
  • Burning device according to claims 1 to 6, characterized in that the injector tube (2) consists of a catalytic material. described, whereby oxygen and air are used as oxidizers.
  • the aim of the combustion device is to combine the use of oxygen for the purpose of as complete combustion as possible with a small flame volume in order to avoid the
  • pure oxygen cannot reduce the high temperatures that can be achieved by using a large flame volume.
  • pure oxygen is supplied through a central pipe with a nozzle and the fuel is supplied in a larger surrounding pipe.
  • a small portion of the fuel enters an oxygen pre-combustion chamber through inclined channels, swirls with the oxygen there and then burns in the pre-combustion chamber with a small, very hot flame, which completely evaporates the main amount of fuel around it.
  • the combustion air is fed into a third pipe concentrically surrounding the fuel pipe, which then burns with the vaporized, partially atomized and very reactive fuel.
  • the main combustion in the above-described combustion device with the combustion air takes place in a plane given by the nozzle orifices.
  • this combustion device no problems are dealt with which result from substoichiometric combustion, ie from the combustion of a lean mixture, in particular at high flow velocities.
  • the invention is therefore based on the object of creating a combustion device for the combustion of a flowable fuel with a flowable oxidizer, by means of which the ignition problems that occur in particular with lean mixtures are avoided.
  • the invention is based on a combustion device for burning a combustible mixture of two flowable components, of which at least one is at high pressure or at a higher pressure
  • Velocity is supplied, with a housing with a chamber, means for the supply of the first and the second component and for their mixing and an outlet opening for the combustion gases.
  • the invention consists of an injector tube as
  • Feed means for the first component which protrudes into the chamber housing in the direction of its outlet opening and at its end oriented towards the outlet opening a rear axial bore, at its end facing away from the outlet opening a narrower front axial bore, between the two bores a constriction and at least one radial and inclined to the injector axis from the interior of the chamber housing into the constriction or near it in the front axial bore, with its inner end pointing in the direction of the rear axial bore, through which part of the second component flowing into the chamber housing to the constriction or into the front Axial bore flows, mixes there with the first component, after which this mixture burns at least partially in the rear axial bore and flows out of this into the chamber housing.
  • the injector tube preferably consists of one Base part with the rear axial bore and a coaxial injector needle with the front axial bore, movable in the base part in the longitudinal direction, the total cross-section of the inclined channels being able to be changed by moving the injector needle in the axial direction.
  • the injector pipe In the case of a very high-energy combustion in the injector pipe, it may be necessary in a further development of the invention to provide the injector pipe with cooling fins on its outside. This results in a higher heat transfer to the second component flowing along the outside of the injector tube, for example the oxidizer.
  • the injector tube In the case of a chamber housing that is open at the front, as is the case, for example, in ramjet engines, in a further development of the invention the injector tube must be angled or curved in an arc.
  • this consists of a cylindrical chamber housing with a head part, the head part having a central bore for receiving the injector tube, around which nozzles are arranged as feed devices for the second component.
  • the injector tube consists of a catalytic material or is provided with a catalytic material.
  • exemplary embodiments of the invention are shown in a perspective, partially cut-away representation. Show it:
  • Fig. 1 shows a burning device with a
  • FIG. 2 shows the combustion device according to FIG. 1 without the injector tube
  • FIG. 4A an exploded view of the adjustable injector tube according to FIG. 4,
  • FIG. 4B shows the adjustable injector tube according to FIG. 4 with open inclined channels
  • 4C shows the adjustable injector tube according to
  • FIG. 6 shows a combustion chamber housing with an angled injector tube.
  • FIG. 1 shows a perspective, partially cut-away representation of a combustion device with a chamber housing 1 and an injector tube 2.
  • the chamber housing 1 is used to burn a flowable fuel with a flowable oxidizer at a high combustion chamber pressure or high inflow velocity.
  • the term “flowable substance” is to be understood as meaning all liquids, gases or emulsions, but also mixtures of liquids or gases with solid particles which, however, have flowable properties.
  • FIGS. 1 and 2 show a cylindrical chamber housing 1 with a disk-shaped head part 11, the head part 11 for receiving the injector tube 2 being provided with a central bore 12 (FIG. 2) around which several nozzles 13 are arranged as a supply means for the second component of a combustible mixture.
  • FIG. 2 for example, the nozzles 131-136 are visible. However, the number or position of the nozzles 13 is not essential to the invention.
  • the combustion gases exit the chamber housing 1 through the outlet opening 15 as a jet.
  • the injector tube 2 shown in FIG. 3 serves as a supply means for the first component of the combustible mixture. It has to be on his
  • the rear end of the outlet opening 15 is oriented towards a rear axial bore 21, at its end facing away from the outlet opening 15 a narrower front axial bore 22 and between the two bores 21, 22 a constriction 23 of
  • the second component flowing to the constriction 23 exerts a suction effect on the first component entering through the front axial bore 22.
  • the cross-sectional area of all inclined channels 241, 242 together with the cross-sectional area of the front axial bore 22 is larger than the cross-sectional area of the constriction 23.
  • the cross-sectional area of all inclined channels 241, 242 is therefore not added to the cross-sectional area of the constriction 23 even if the inclined channels 242, 242 are completely or partially open into the constriction 23.
  • the flammable mixture is ignited in the chamber housing 1 by an ignition probe 3
  • Chamber housing 1 promoted. After ignition, the flame strikes back as far as the constriction 23 between the two axial channels 21, 22, but not beyond the constriction. The two components of the combustible mixture only mix at the constriction 23, since there is no ignitable mixture in front of the constriction 23 in the front axial bore 22.
  • an open furnace is, for example, at a combustion pressure of 4 bar in the chamber housing 1,
  • Air as the second component at 5 to 6 bar is fed to the chamber housing 1 through the nozzles 13 and the fuel as the first component is only fed to the injector tube 2 at a pressure of 0.6 bar. A back pressure or a "stutter" of the combustion does not take place even with these large pressure differences.
  • the burning behavior of the burner device is of particular interest in the case of an excess of the second component, for example air, as a lean mixture.
  • the effect of the injector tube 2 here is that when there is a change in pressure and flow rate in the chamber housing 1, there is no change in the combustion behavior with regard to the ignitability of the mixture, but only when there is a change in the
  • the combustion in the injector tube 2 can thus be influenced by enlarging or reducing the inclined ducts 241, 242.
  • the above-described decoupling of the combustion behavior of the combustion device from the leanness of the mixture does not exist if the first component is fed to the chamber housing 1 only through a hollow needle protruding into the chamber housing 1, with or without a nozzle. This can lead to such lean mixtures that the ignitability is not reached.
  • the rear axial bore contains a very rich mixture, since the larger part of the second component flows outside of the injector tube 2 and only the smaller part of the second component entering the injector tube 2 through the inclined channels 241, 242 reacts with the first component in the injector tube 2 .
  • the portion of the second component flowing along this outside of the injector tube 2 acts as a sheath flow and thus prevents the heat of the
  • Injector tube 2 is lost to the combustion system. This sheath flow reduces the heat transfer from the hot core flow that emerges from the injector tube 2 to the outer walls of the chamber housing 1, since only the much less
  • the combustion in the rear axial bore 21 changes to the extent that the composition of the one or both components changes.
  • the volume ratio is the
  • unburned residues of the first component can also arise from the fact that the pressures or the flow velocities, and as a result, the pressures in turn, change in such a way that the energy density of the first component changes as a further consequence.
  • unburned residues can also occur during the reaction in the rear axial bore 21 of the injector tube 2.
  • Unburned residues can also occur if the reaction speed of the combustion in the rear axial bore 21 of the injector tube 2 is so small that the time in which the components flow through the rear axial bore 21 is not sufficient for a complete reaction. This would be conceivable, for example, in the case of slowly burning emulsions.
  • Axial bore 21 has a significant influence on the burnout in such cases.
  • the unburned residues of the first component When leaving the rear axial bore 21 of the injector tube 2, the unburned residues of the first component have such a high temperature that they immediately react with the second component in the sheath flow.
  • the injector tube 25 shown in FIGS. 4, 4A consists of one
  • Base part 26 with the rear axial bore 21 and a coaxial injector needle 27 with the front axial bore 22, which is displaceable in the base part 26 in the longitudinal direction.
  • FIG. 4A shows an exploded view of the base part 26 and the injector needle 27.
  • a defined movement of the injector needle 27 in the base part 26 can be carried out, for example, by means of a thread, not shown in the drawings, between the base part 26 and the injector needle 27.
  • FIGS. 4B, 4C the injector tube 25 is shown with two extreme positions of the injector needle 27: In FIG. 4B, the inclined channels 243, 244 are completely open and in FIG. 4C they are almost closed. When different components are burned in the same injector tube 25, when changing from one fuel to the other, only the injector needle 27 needs to be changed or readjusted in a predetermined manner.
  • Inclined channels is not limited to this number, but that there can be as many inclined channels as are required for the supply of a sufficient proportion of the second component or for a spatially uniform distribution.
  • an injector tube 2 is shown, which has cooling fins on its outside
  • cooling fins 28 has.
  • the number and geometry of the cooling fins 28 must be determined on a case-by-case basis.
  • FIG. 6 shows a chamber housing 14 which is open at the front and in which the injector tube 2 is supported by an angled extension 29. The first component is also supplied through the extension 29.
  • 29 can also be curved like a circular arc section, so that an injector tube 25 with inclined channels 243, 244 with a variable cross section can be used.
  • the injector tube 2 can consist of a catalytic material or be provided with a catalytic material.
  • Nozzle 131-136 Nozzles open chamber housing at the front

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Un brûleur pour mélanges combustibles composés de deux constituants fluides comprend une enceinte (1), un premier organe d'amenée du premier constituant, un deuxième organe d'amenée du deuxième constituant et un orifice de sortie (15) des gaz de combustion. Un injecteur tubulaire (2) sert d'organe d'amenée du premier constituant et comprend à son extrémité tournée du côté de l'orifice de sortie (15) un alésage axial postérieur (21), à l'autre extrémité un alésage axial antérieur (22) plus étroit, un passage resserré (23) entre les deux alésages (21, 22) et au moins un canal radial incliné (241, 242; 243, 244) dont le sommet de l'angle alpha est orienté vers l'alésage axial postérieur (21), obliquement à l'axe (i) de l'injecteur, et qui s'étend de l'espace intérieur de l'enceinte (1) jusqu'au passage resserré (23) ou qui s'étend sur les côtés de l'alésage axial antérieur (22) et se termine avant le passage resserré (23), de sorte qu'une partie du deuxième constituant qui afflue dans l'enceinte (1) à travers le canal incliné atteigne le passage resserré, s'y mélange au premier constituant qui pénètre par l'alésage axial antérieur (22), entre en combustion dans l'alésage axial postérieur (21) d'où ils s'en écoule dans l'enceinte (1).A burner for fuel mixtures composed of two fluid constituents comprises an enclosure (1), a first supply member for the first component, a second supply member for the second component and an outlet (15) for the combustion gases. A tubular injector (2) serves as a feed member for the first component and comprises at its end facing the side of the outlet orifice (15) a posterior axial bore (21), at the other end an anterior axial bore (22) narrower, a constricted passage (23) between the two bores (21, 22) and at least one inclined radial channel (241, 242; 243, 244) whose apex of the angle alpha is oriented towards the posterior axial bore (21), obliquely to the axis (i) of the injector, and which extends from the interior space of the enclosure (1) to the narrow passage (23) or which extends on the sides of the front axial bore (22) and ends before the constricted passage (23), so that part of the second component which flows into the enclosure (1) through the inclined channel reaches the constricted passage , mixes therein with the first component which enters through the anterior axial bore (22), enters combustion in the posterior axial bore (21) from where they flow into the enclosure (1).

Description

Beschreibung Brenneinrichtung Description of the furnace
Die Erfindung betrifft eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines aus zwei fließfähigen Komponenten bestehenden brennbaren Gemisches.The invention relates to a combustion device for the combustion of a combustible mixture consisting of two flowable components.
Bei Verbrennungsvorgängen, wie sie in modernenIn combustion processes like those in modern ones
Brennkraftmaschinen stattfinden, unterscheidet man zwischen geschlossenen und offenen Systemen. Unter einem geschlossenen System versteht man einen geschlossenen Brennraum, in dem Brennstoff und Oxidator zusammengeführt werden, verbrennen und dann durch die Expansion der Verbrennungsgase mechanische Arbeit leisten oder Wärme erzeugen.Internal combustion engines take place, a distinction is made between closed and open systems. A closed system is a closed combustion chamber in which the fuel and oxidizer are brought together, burn and then perform mechanical work or generate heat through the expansion of the combustion gases.
Bei einem offenen System werden Brennstoff und Oxidator in einer Brennkammer verbrannt, und die Verbrennungsgase treten aus einer Öffnung in der Brennkammer als Strahl aus . Der Gasstrahl kann beispielsweise als Antriebsmittel bei Luft- und Raumfahrzeugen oder Turbinen verwandt werden, er kann aber auch zu anderen Zwecken, wie Heizzwecken, eingesetzt werden. Bei den offenen Systemen wirkt sich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, mit der Brennstoff und Oxidator in die Brennkammer einströmen, ungünstig auf das Zündverhalten aus. Der Bereich des Mischungsverhältnisses von Treibstoff und Oxidator, in dem dieses zündfähig ist (Zündfähigkeitsbereich), wird mit Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Brennkammerdruckes, kleiner.In an open system, the fuel and oxidizer are burned in a combustion chamber and the combustion gases emerge as a jet from an opening in the combustion chamber. The gas jet can be used, for example, as a drive means in aircraft and spacecraft or turbines, but it can also be used for other purposes, such as heating purposes. In the open systems, a high flow rate at which the fuel and oxidizer flow into the combustion chamber has an unfavorable effect on the ignition behavior. The range of the mixing ratio of fuel and oxidizer in which it is ignitable (ignitability range) becomes smaller as the flow velocity or combustion chamber pressure increases.
Wenn das für die Zündfähigkeit notwendigeIf that is necessary for ignitability
Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff und Oxidator nicht eingehalten werden kann, kommt es zu sogenannten Ausbläsern. Die Flammenfront reißt ab und die Medien strömen unverbrannt durch die Brennkammer. Bei Treibstoffen, die in sich extrem inhomogen sind, ist ein Einhalten dieses Zündfähigkeitsbereiches ohne aufwendige Hilfskonstruktionen und Hilfsmittel nicht möglich. Bei Treibstoffen, die extrem schnell verbrennen oder sogar detonieren, wie z.B. Wasserstoff, wird bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten und in deren Abhängigkeit, höheren Brennkammerdrücken, der Zündfähigkeitsbereich extrem klein. Die thermischen Beeinflussungen können bereits dazu führen, daß sich der Zündfähigkeitsbereich so verschiebt, daß es zu Ausbläsern kommt.Mixing ratio between fuel and oxidizer is not can be adhered to, so-called blowouts occur. The flame front breaks off and the media flow unburned through the combustion chamber. In the case of fuels that are inherently extremely inhomogeneous, it is not possible to maintain this ignitability range without complex auxiliary constructions and aids. In the case of fuels that burn extremely quickly or even detonate, such as hydrogen, for example, the range of ignitability becomes extremely small at higher flow speeds and, depending on them, higher combustion chamber pressures. The thermal influences can already lead to the ignitability range shifting in such a way that blowouts occur.
Bei thermisch günstigen Verbrennungen von mageren Gemischen kommt es ebenfalls bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten der zu verbrennenden Medien und in deren Abhängigkeit hoher Brennkammerdrücke, zu einem sehr kleinen Zündfähigkeitsbereich. Auch hier ist die Gefahr von Ausbläsern sehr groß. Um hohe thermische Wirkungsgrade zu erzielen, muß bei offenen Systemen eine entsprechend aufwendige Konstruktion mit einer Vorbrennkammer und Ventilen verwendet werden.In the case of thermally favorable combustion of lean mixtures, there is also a very small range of ignitability at higher flow velocities of the media to be burned and, depending on these, high combustion chamber pressures. Here, too, the risk of blowouts is very high. In order to achieve high thermal efficiencies, a correspondingly complex construction with a pre-combustion chamber and valves must be used in open systems.
Eine andere Lösung zur Beseitigung der Zündprobleme wäre eine Überfettung des Gemisches weit über das stöchiometrische Gleichgewicht hinaus. Dies würde jedoch zu schlechteren thermischen Wirkungsgraden führen. Eine katalytische Abhilfe wäre sehr teuer und eventuell auch umweltschädigend.Another solution for eliminating the ignition problems would be to make the mixture too rich to far beyond the stoichiometric equilibrium. However, this would lead to poorer thermal efficiencies. A catalytic remedy would be very expensive and possibly also harmful to the environment.
In der US-PS 3 733 165 ist eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen beschrieben, wobei als Oxidator Sauerstoff und Luft verwandt werden. Mit der Verbrennungseinrichtung wird angestrebt, die Verwendung von Sauerstoff zwecks möglichst vollständiger Verbrennung mit einem kleinen Flammenvolumen zu kombinieren, um die durch dieUS Pat. No. 3,733,165 discloses an incinerator for burning liquid fuels described, whereby oxygen and air are used as oxidizers. The aim of the combustion device is to combine the use of oxygen for the purpose of as complete combustion as possible with a small flame volume in order to avoid the
Verwendung von reinem Sauerstoff erzielbaren hohen Temperaturen nicht andererseits durch ein großes Flammenvolumen wieder herabzusetzen. Hierzu wird durch ein zentrales Rohr mit einer Düse reiner Sauerstoff und in einem umgebenden größeren Leitungsrohr der Brennstoff zugeführt. Kurz vor der Düse tritt ein kleiner Anteil des Brennstoffes durch Schrägkanäle in eine Sauerstoff-Vorbrennkammer ein, verwirbelt dort mit dem Sauerstoff und verbrennt dann in der Vorbrennkammer mit einer kleinen, sehr heißen Flamme, durch die die umgebende Hauptmenge des Brennstoffes vollständig verdampft wird. In einem das Brennstoffröhr konzentrisch umgebenden dritten Rohr wird die Verbrennungsluft zugeführt, die dann mit dem verdampften, teilweise atomisierten und sehr reaktionsfähigen Brennstoff verbrennt. Die Hauptverbrennung in der vorbeschriebenen Verbrennungseinrichtung mit der Verbrennungsluft erfolgt in einer durch die Düsenmündungen gegebenen Ebene, in dieser Ebene treten die zwei Reaktionspartner, verdampfter Brennstoff und Luft, gleichzeitig aus der Düse aus, wobei in bezug auf die Gesamtmenge der vorhandenen Oxidatoren, reiner Sauerstoff und Luft, eine stöchiometrisch ausreichende Menge zur Verfügung steht. Bei dieser Verbrennungseinrichtung werden keine Probleme behandelt, die sich aus einer unterstöchiometrischen Verbrennung, d.h. aus der Verbrennung eines mageren Gemisches, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ergeben. Der Erfingung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator zu schaffen, durch die insbesondere die bei mageren Gemischen auftretenden Zündprobleme vermieden werden.On the other hand, using pure oxygen cannot reduce the high temperatures that can be achieved by using a large flame volume. For this purpose, pure oxygen is supplied through a central pipe with a nozzle and the fuel is supplied in a larger surrounding pipe. Shortly before the nozzle, a small portion of the fuel enters an oxygen pre-combustion chamber through inclined channels, swirls with the oxygen there and then burns in the pre-combustion chamber with a small, very hot flame, which completely evaporates the main amount of fuel around it. The combustion air is fed into a third pipe concentrically surrounding the fuel pipe, which then burns with the vaporized, partially atomized and very reactive fuel. The main combustion in the above-described combustion device with the combustion air takes place in a plane given by the nozzle orifices, in this plane the two reactants, evaporated fuel and air, emerge from the nozzle at the same time Air, a stoichiometrically sufficient amount is available. In this combustion device, no problems are dealt with which result from substoichiometric combustion, ie from the combustion of a lean mixture, in particular at high flow velocities. The invention is therefore based on the object of creating a combustion device for the combustion of a flowable fuel with a flowable oxidizer, by means of which the ignition problems that occur in particular with lean mixtures are avoided.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Brenneinrichtung zur Verbrennung eines brennbaren Gemisches aus zwei fließfähigen Komponenten, von denen mindestens eine mit hohem Druck oder hoherTo solve this problem, the invention is based on a combustion device for burning a combustible mixture of two flowable components, of which at least one is at high pressure or higher
Geschwindigkeit zugeführt wird, mit einem Gehäuse mit einer Kammer, Mittel für die Zufuhr der ersten und der zweiten Komponente und zu deren Mischung und einer Austrittsöffnung für die Verbrennungsgase. Die Erfindung besteht aus einem Injektorrohr alsVelocity is supplied, with a housing with a chamber, means for the supply of the first and the second component and for their mixing and an outlet opening for the combustion gases. The invention consists of an injector tube as
Zufuhrmittel für die erste Komponente, das in das Kammergehäuse in Richtung auf dessen Austrittsöffnung hineinragt und an seinem zur Austrittsöffnung hin orientierten Ende eine hintere Axialbohrung, an seinem von der Austrittsöffnung abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung, zwischen beiden Bohrungen eine Engstelle und mindestens einen radial und schräg zur Injektorachse vom Innenraum des Kammergehäuses in die Engstelle oder in deren Nähe in die vordere Axialbohrung verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der hinteren Axialbohrung weisenden Schrägkanal aufweist, durch den ein Teil der in das Kammergehäuse einströmenden zweiten Komponente zur Engstelle oder in die vordere Axialbohrung strömt, sich dort mit der ersten Komponente mischt, wonach dieses Gemisch wenigstens zum Teil in der hinteren Axialbohrung verbrennt und aus dieser in das Kammergehäuse strömt.Feed means for the first component, which protrudes into the chamber housing in the direction of its outlet opening and at its end oriented towards the outlet opening a rear axial bore, at its end facing away from the outlet opening a narrower front axial bore, between the two bores a constriction and at least one radial and inclined to the injector axis from the interior of the chamber housing into the constriction or near it in the front axial bore, with its inner end pointing in the direction of the rear axial bore, through which part of the second component flowing into the chamber housing to the constriction or into the front Axial bore flows, mixes there with the first component, after which this mixture burns at least partially in the rear axial bore and flows out of this into the chamber housing.
Vorzugsweise besteht das Injektorrohr aus einem Grundteil mit der hinteren Axialbohrung und einer koaxialen, im Grundteil in Längsrichtung bewegbaren Injektornadel mit der vorderen Axialbohrung, wobei durch eine Bewegung der Injektornadel in axialer Richtung der Gesamtquerschnitt der Schrägkanäle veränderbar ist.The injector tube preferably consists of one Base part with the rear axial bore and a coaxial injector needle with the front axial bore, movable in the base part in the longitudinal direction, the total cross-section of the inclined channels being able to be changed by moving the injector needle in the axial direction.
Bei einer sehr energiereichen Verbrennung im Injektorrohr kann es in Fortbildung der Erfindung notwendig sein, das Injektorrohr auf seiner Außenseite mit Kühlrippen zu versehen. Hierdurch erfolgt eine höhere Wärmeabgabe an die außen am Injektorrohr entlangströmende zweite Komponente, beispielsweise den Oxidator.In the case of a very high-energy combustion in the injector pipe, it may be necessary in a further development of the invention to provide the injector pipe with cooling fins on its outside. This results in a higher heat dissipation to the second component flowing along the outside of the injector tube, for example the oxidizer.
Bei einem vorne offenen Kammergehäuse, wie dieses beispielsweise bei Staustrahltriebwerken gegeben ist, muß in weiterer Fortbildung der Erfindung das Injektorrohr abgewinkelt oder bogenförmig gekrümmt ausgebildet sein.In the case of a chamber housing that is open at the front, as is the case, for example, in ramjet engines, in a further development of the invention the injector tube must be angled or curved in an arc.
In einer speziellen Ausbildungsform der Brenneinrichtung besteht dieses aus einem zylindrischen Kammergehäuse mit einem Kopfteil, wobei das Kopfteil zur Aufnahme des Injektorrohres eine zentrale Bohrung aufweist, um die herum Düsen als Zufuhreinrichtungen für die zweite Komponente angeordnet sind.In a special embodiment of the burner device, this consists of a cylindrical chamber housing with a head part, the head part having a central bore for receiving the injector tube, around which nozzles are arranged as feed devices for the second component.
In einer Sonderform der Erfindung besteht das Injektorrohr aus einem katalytischen Material oder ist mit einem katalytischen Material versehen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in perspektivischer, teilweise aufgeschnittener Darstellung wiedergegeben. Es zeigen:In a special form of the invention, the injector tube consists of a catalytic material or is provided with a catalytic material. In the drawings, exemplary embodiments of the invention are shown in a perspective, partially cut-away representation. Show it:
Fig. 1 eine Brenneinrichtung mit einemFig. 1 shows a burning device with a
Kammergehäuse und einem Injektorrohr,Chamber housing and an injector tube,
Fig. 2 die Brenneinrichtung nach Figur 1 ohne Injektorrohr,FIG. 2 shows the combustion device according to FIG. 1 without the injector tube,
Fig. 3 ein nicht einstellbares Injektorrohr,3 shows a non-adjustable injector tube,
Fig. 4 ein einstellbares Injektorrohr,4 shows an adjustable injector tube,
Fig. 4A eine auseinandergezogene Darstellung des einstellbaren Injektorrohres nach Figur 4,FIG. 4A an exploded view of the adjustable injector tube according to FIG. 4,
Fig. 4B das einstellbare Injektorrohr nach Figur 4 mit offenen Schrägkanälen4B shows the adjustable injector tube according to FIG. 4 with open inclined channels
Fig. 4C das einstellbare Injektorrohr nach4C shows the adjustable injector tube according to
Figur 4 mit fast geschlossenen SchrägkanälenFigure 4 with almost closed inclined channels
Fig. 5 ein Injektorrohr mit Kühlrippen und5 shows an injector tube with cooling fins and
Fig. 6 ein Brennkammergehäuse mit einem abgewinkelten Injektorrohr.6 shows a combustion chamber housing with an angled injector tube.
In Figur 1 ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Brenneinrichtung mit einem Kammergehäuse 1 und einem Injektorrohr 2 wiedergegeben. Das Kammergehäuse 1 dient zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator bei einem hohen Brennkammerdruck oder hoher Einströmgeschwindigkeit. Unter dem Begriff "fließfähiger Stoff" sind sämtliche Flüssigkeiten, Gase oder Emulsionen, aber auch Mischungen von Flüssigkeiten oder Gasen mit Feststoffpartikeln, die jedoch fließfähige Eigenschaften haben, zu verstehen. Als eine beispielsweise Ausführungsform ist in den Figuren 1 und 2 ein zylindrisches Kammergehäuse 1 mit einem scheibenförmigen Kopfteil 11 wiedergegeben, wobei das Kopfteil 11 zur Aufnahme des Injektorrohres 2 mit einer zentralen Bohrung 12 (Fig. 2) versehen ist, um die herum mehrere Düsen 13 als Zufuhrmittel für die zweite Komponente eines brennbaren Gemisches angeordnet sind. In Figur 2 sind beispielsweise die Düsen 131 - 136 sichtbar. Die Anzahl oder Lage der Düsen 13 ist jedoch nicht von erfindungswesentlicher Bedeutung. Die Verbrennungs- gase treten durch die Austrittsöffnung 15 als Strahl aus dem Kammergehäuse 1 aus.FIG. 1 shows a perspective, partially cut-away representation of a combustion device with a chamber housing 1 and an injector tube 2. The chamber housing 1 is used to burn a flowable fuel with a flowable oxidizer at a high combustion chamber pressure or high inflow velocity. The term “flowable substance” is to be understood as meaning all liquids, gases or emulsions, but also mixtures of liquids or gases with solid particles which, however, have flowable properties. As an example embodiment, FIGS. 1 and 2 show a cylindrical chamber housing 1 with a disk-shaped head part 11, the head part 11 for receiving the injector tube 2 being provided with a central bore 12 (FIG. 2) around which several nozzles 13 are arranged as a supply means for the second component of a combustible mixture. In FIG. 2, for example, the nozzles 131-136 are visible. However, the number or position of the nozzles 13 is not essential to the invention. The combustion gases emerge from the chamber housing 1 through the outlet opening 15 as a jet.
Das in Figur 3 wiedergegebene Injektorrohr 2 dient als Zufuhrmittel für die erste Komponente des brennbaren Gemisches. Es hat an seinem zurThe injector tube 2 shown in FIG. 3 serves as a supply means for the first component of the combustible mixture. It has to be on his
Austrittsöffnung 15 orientierten hinteren Ende eine hintere Axialbohrung 21, an seinem von der Austrittsöffnung 15 abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung 22 und zwischen beiden Bohrungen 21, 22 eine Engstelle 23. Außerdem verlaufen mehrere Schrägkanäle 241, 242 radial und schräg zur Injektorachse i mit dem Scheitel desThe rear end of the outlet opening 15 is oriented towards a rear axial bore 21, at its end facing away from the outlet opening 15 a narrower front axial bore 22 and between the two bores 21, 22 a constriction 23 of
Winkels α in Richtung der vorderen AxialbohrungAngle α in the direction of the front axial bore
21 weisend, vom Kammerinnenraum zur Engstelle 23 oder auf Seiten der hinteren Axialbohrung21 pointing, from the chamber interior to the constriction 23 or on the side of the rear axial bore
22 kurz vor die Engstelle 23. Durch die Schrägkanäle 241, 242 strömt ein Teil der in das Kammergehäuse 1 einströmenden zweiten Komponente in die Engstelle 23 oder kurz vor die Engstelle 23, vermischt sich dort mit der durch die hintere Axialbohrung 22 eintretenden ersten Komponente und verbrennt in der hinteren Axialbohrung 21. Dadurch, daß die Schrägkanäle 241, 242 einen spitzen Winkel α mit der Injektorachse i bilden, übt die durch die Schrägkanäle 241,22 shortly before the bottleneck 23. Through the inclined channels 241, 242, part of the second component flowing into the chamber housing 1 flows into the constriction 23 or just before the constriction 23, mixes there with the first component entering through the rear axial bore 22 and burns in the rear axial bore 21. that the inclined channels 241, 242 form an acute angle α with the injector axis i, exerts through the inclined channels 241,
242 zur Engstelle 23 strömenden zweite Komponente eine Sogwirkung auf die durch die vordere Axialbohrung 22 eintretende erste Komponente aus. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 zusammen mit der Querschnittsfläche der vorderen Axialbohrung 22 ist größer als die Querschnittsfläche der Engstelle 23. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 wird daher auch dann nicht zur Querschnittsfläche der Engstelle 23 hinzugerechnet, wenn die Schrägkanäle 242, 242 ganz oder teilweise in die Engstelle 23 hineinmünden.242, the second component flowing to the constriction 23 exerts a suction effect on the first component entering through the front axial bore 22. The cross-sectional area of all the inclined channels 241, 242 together with the cross-sectional area of the front axial bore 22 is greater than the cross-sectional area of the constriction 23. The cross-sectional area of all inclined channels 241, 242 is therefore not added to the cross-sectional area of the constriction 23 even if the inclined channels 242, 242 are completely or partially open into the constriction 23.
Die Zündung des brennbaren Gemisches erfolgt in dem Kammergehäuse 1 durch eine Zündsonde 3. Hierfür werden in der Zündphase der Brennreinrichtung die beiden Komponenten des brennbaren Gemisches mit nur geringem Druck oder nur geringer Strömungsgeschwindigkeit in dasThe flammable mixture is ignited in the chamber housing 1 by an ignition probe 3
Kammergehäuse 1 gefördert. Nach der Zündung schlägt die Flamme bis zur Engstelle 23 zwischen den beiden Axialkanälen 21, 22 zurück, nicht jedoch über die Engstelle hinaus. Die beiden Komponenten des brennbaren Gemisches mischen sich erst an der Engstelle 23, da es vor der Engstelle 23 in der vorderen Axialbohrung 22 kein zündfähiges Gemisch gibt. Bei einer offenen Brenneinrichtung wird beispielsweise bei einem Verbrennungsdruck von 4 bar im Kammergehäuse 1,Chamber housing 1 promoted. After ignition, the flame strikes back as far as the constriction 23 between the two axial channels 21, 22, but not beyond the constriction. The two components of the combustible mixture only mix at the constriction 23, since there is no ignitable mixture in front of the constriction 23 in the front axial bore 22. With an open furnace is, for example, at a combustion pressure of 4 bar in the chamber housing 1,
Luft als zweite Komponente mit 5 bis 6 bar dem Kammergehäuse 1 durch die Düsen 13 und der Brennstoff als erste Komponente lediglich mit einem Druck von 0,6 bar dem Injektorrohr 2 zugeführt. Ein Rückdruck oder ein "Stottern" der Verbrennung findet selbst bei diesen großen Druckunterschieden nicht statt.Air as the second component at 5 to 6 bar is fed to the chamber housing 1 through the nozzles 13 and the fuel as the first component is only fed to the injector tube 2 at a pressure of 0.6 bar. A back pressure or a "stutter" of the combustion does not take place even with these large pressure differences.
Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist besonders das Brennverhalten der Brenneinrichtung bei einem Überschuß der zweiten Komponente, beispielsweise Luft, als mageres Gemisch von Interesse. Der Einsatz desFor technical and economic reasons, the burning behavior of the burner device is of particular interest in the case of an excess of the second component, for example air, as a lean mixture. The use of the
Injektorrohres 2 bewirkt hier, daß bei einer Änderung von Druck und Strömungsgeschwindigkeit in dem Kammergehäuse 1 keine Veränderung des Brennverhaltens bezüglich der Zündfähigkeit des Gemisches eintritt, sondern nur bei einer Änderung derThe effect of the injector tube 2 here is that when there is a change in pressure and flow rate in the chamber housing 1, there is no change in the combustion behavior with regard to the ignitability of the mixture, but only when there is a change in the
Injektorrohreinstellung, wie diese in den Figuren 4B und 4C dargestellt ist. So läßt sich durch Vergrößern oder Verkleinern der Schrägkanäle 241, 242 die Verbrennung in dem Injektorrohr 2 beeinflussen. Die vorstehend beschriebene Entkoppelung des Brennverhaltens der Brenneinrichtung von der Magerkeit des Gemisches ist dann nicht vorhanden, wenn die erste Kompomente lediglich durch eine in das Kammergehäuse 1 hineinragende Hohlnadel, mit oder ohne Düse, dem Kammergehäuse 1 zugeführt wird. Hier kann es zu so mageren Gemischen kommen, daß die Zündfähigkeit unterschritten wird. Die hintere Axialbohrung enthält ein sehr fettes Gemisch, da der größere Anteil der zweiten Komponente außen an dem Injektorrohr 2 vorbeiströmt und nur der kleinere, durch die Schrägkanäle 241, 242 in das Injektorrohr 2 eintretende Anteil der zweiten Komponente mit der ersten Komponente im Injektorrohr 2 reagiert. Der außerhalb des Injektorrohres 2 an diesem entlangströmende Anteil der zweiten Komponente wirkt als Mantelstrom und verhindert damit, daß die Wärme desInjector tube adjustment, as shown in Figures 4B and 4C. The combustion in the injector tube 2 can thus be influenced by enlarging or reducing the inclined ducts 241, 242. The above-described decoupling of the combustion behavior of the combustion device from the leanness of the mixture does not exist if the first component is fed to the chamber housing 1 only through a hollow needle protruding into the chamber housing 1, with or without a nozzle. This can lead to such lean mixtures that the ignitability is not reached. The rear axial bore contains a very rich mixture, since the larger part of the second component flows outside of the injector tube 2 and only the smaller part of the second component entering through the inclined channels 241, 242 into the injector tube 2 reacts with the first component in the injector tube 2 . The portion of the second component flowing along this outside of the injector tube 2 acts as a sheath flow and thus prevents the heat of the
Injektorrohres 2 dem Verbrennungssystem verloren geht. Dieser Mantelstrom vermindert den Wärmeübergang von dem heißen Kernstrom, der aus dem Injektorrohr 2 austritt, auf die äußeren Wandungen des Kammergehäuses 1, da nur das viel geringereInjector tube 2 is lost to the combustion system. This sheath flow reduces the heat transfer from the hot core flow that emerges from the injector tube 2 to the outer walls of the chamber housing 1, since only the much less
Temperaturgefälle zwischen Mantelstrom und äußeren Wandungen für die Wärmeverluste entscheidend ist. Damit verbleibt mehr Energie in den Verbrennungsgasen, und die Verbrennung hat insgesamt einen besseren Wirkungsgrad. Bei der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 reagieren diejenigen Teile der zweiten Komponente, die durch die Schrägkanäle 241, 242; 243, 244 in das Injektorrohr 2 gelangen mit der durch die vordere Axialbohrung 22 eintretenden ersten Komponente. Bei dieser Verbrennung können jedoch aus verschiedenen Gründen unverbrannte Reste aus dem Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangen. An den Randzonen des Kernstromes zum umgebenden Mantelstrom kommt es dann zu Reaktionen zwischen der im Mantelstrom befindlichen zweiten Komponente, die nicht durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorröhr 2 gelangt ist, und den unverbrannten Resten der ersten Komponente, die durch das Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangt ist. In folgenden Fällen kann es zu unverbrannten Resten der ersten Komponente kommen:Temperature gradient between the jacket flow and the outer walls for which heat loss is decisive. This means that more energy remains in the combustion gases and the overall combustion is more efficient. During the combustion in the rear axial bore 21 of the injector tube 2, those parts of the second component which pass through the inclined channels 241, 242; 243, 244 get into the injector tube 2 with the first component entering through the front axial bore 22. During this combustion, however, unburned residues can get from the injector tube 2 into the chamber housing 1 for various reasons. At the edge zones of the core flow to the surrounding sheath flow, reactions then occur between the second component located in the sheath flow, which did not enter the injector tube 2 through the inclined channels 241 - 244, and the unburned residues of the first component, which passed through the injector tube 2 has entered the chamber housing 1. Unburned residues of the first component can occur in the following cases:
- Bei Inhomogenität einer oder beider Komponenten.- If one or both components are inhomogeneous.
In diesem Fall verändert sich die Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 in dem Maße, wie die Zusammensetzung der einen oder der beiden Komponenten sich verändert. Bei inhomogenen Brennstoffen wird das Volumenverhältnis derIn this case, the combustion in the rear axial bore 21 changes to the extent that the composition of the one or both components changes. In the case of inhomogeneous fuels, the volume ratio is the
Komponenten so eingestellt, daß auch bei Schwächstmöglichem Energiegehalt der jeweiligen Komponenten ein mit Sicherheit im leicht zündbaren Bereich liegendes Gemisch in der hinteren Axialbohrung 21 verbrennen kann.Components adjusted in such a way that even with the lowest possible energy content of the respective components, a mixture which is definitely in the easily ignitable range can burn in the rear axial bore 21.
Das bedeutet andererseits, daß im Falle des höchstmöglichen Energiegehaltes der ersten Komponente, diese nicht restlos mit der zweiten Kompnente, die durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorrohr 2 gelangt, in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorröhres 2 reagieren kann.On the other hand, this means that if the first component has the highest possible energy content, it cannot react completely with the second component, which enters the injector tube 2 through the inclined channels 241-244, in the rear axial bore 21 of the injector tube 2.
- In einem zweiten Fall können unverbrannte Reste der ersten Komponente auch dadurch entstehen, daß sich die Drücke oder die Strömungsgeschwindigkeiten, und als deren Folge wiederum die Drücke, so verändern, daß sich als weitere Folge die Energiedichte der ersten Komponente verändert.- In a second case, unburned residues of the first component can also arise from the fact that the pressures or the flow velocities, and as a result, the pressures in turn, change in such a way that the energy density of the first component changes as a further consequence.
Bei Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Drücke, mit denen die Komponenten eingegeben werden, kann es gleichfalls unverbrannte Reste bei der Reaktion in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 kommen. - Ebenso kann es zu unverbrannten Resten kommen, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 so klein ist, daß die Zeit in der die Komponenten die hintere Axialbohrung 21 durchströmen, nicht für eine vollständige Reaktion ausreicht. Dies wäre z.B. bei langsam brennenden Emulsionen denkbar. Die Gestaltung des Injektorrohres 2, insbesondere die Länge der hinterenIn the event of fluctuations in the flow rate or the pressures with which the components are input, unburned residues can also occur during the reaction in the rear axial bore 21 of the injector tube 2. - Unburned residues can also occur if the reaction speed of the combustion in the rear axial bore 21 of the injector tube 2 is so small that the time in which the components flow through the rear axial bore 21 is not sufficient for a complete reaction. This would be conceivable, for example, in the case of slowly burning emulsions. The design of the injector tube 2, in particular the length of the rear
Axialbohrung 21, hat in solchen Fällen einen wesentlichen Einfluß auf den Ausbrand.Axial bore 21 has a significant influence on the burnout in such cases.
Beim Verlassen der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorröhres 2 haben die unverbrannten Reste der ersten Komponente eine so hohe Temperatur, daß sie sofort mit der zweiten Komponente im Mantelstrom reagieren.When leaving the rear axial bore 21 of the injector tube 2, the unburned residues of the first component have such a high temperature that they immediately react with the second component in the sheath flow.
Wenn eine oder beide Brennstoffkomponenten sehr inhomogen sind, ist es notwendig, das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten im Injektorrohr 25 optimal einstellen zu können. Hierzu besteht das in den Figuren 4, 4A wiedergegebene Injektorrohr 25 aus einemIf one or both fuel components are very inhomogeneous, it is necessary to be able to optimally adjust the mixing ratio of the two components in the injector tube 25. For this purpose, the injector tube 25 shown in FIGS. 4, 4A consists of one
Grundteil 26 mit der hinteren Axialbohrung 21 und einer koaxialen, im Grundteil 26 in Längsrichtung verschiebbaren Injektornadel 27 mit der vorderen Axialbohrung 22. Durch die axiale Verschiebung der Injektornadel 27 imBase part 26 with the rear axial bore 21 and a coaxial injector needle 27 with the front axial bore 22, which is displaceable in the base part 26 in the longitudinal direction. The axial displacement of the injector needle 27 in the
Grundteil 26 ist der Gesamtquerschnitt der Schrägkanäle 243, 244 veränderbar. Hierdurch ist es möglich, das Mischungsverhältnis beider Komponenten bei der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 nach Wunsch zu verändern. Figur 4A gibt eine auseinandergezogene Darstellung von Grundteil 26 und Injektornadel 27 wieder. Die Durchführung einer definierten Bewegung der Injektornadel 27 im Grundteil 26 kann beispielsweise durch ein in den Zeichnungen nicht wiedergegebenes Gewinde zwischen Grundteil 26 und Injektornadel 27 erfolgen.Base part 26, the total cross-section of the inclined channels 243, 244 can be changed. This makes it possible to change the mixing ratio of the two components during the combustion in the rear axial bore 21 as desired. FIG. 4A shows an exploded view of the base part 26 and the injector needle 27. A defined movement of the injector needle 27 in the base part 26 can be carried out, for example, by means of a thread, not shown in the drawings, between the base part 26 and the injector needle 27.
In den Figuren 4B, 4C ist das Injektorrohr 25 mit zwei Extremstellungen der Injektornadel 27 wiedergegeben: In Figur 4B sind die Schrägkanäle 243, 244 ganz geöffnet und in Figur 4C fast geschlossen. Bei der Verbrennung unterschiedlicher Komponenten im gleichen Injektorrohr 25 braucht beim Wechsel von einem Brennstoff zum anderen nur die Injektornadel 27 in vorherbestimmter Weise verändert bzw. neu eingestellt zu werden.In FIGS. 4B, 4C, the injector tube 25 is shown with two extreme positions of the injector needle 27: In FIG. 4B, the inclined channels 243, 244 are completely open and in FIG. 4C they are almost closed. When different components are burned in the same injector tube 25, when changing from one fuel to the other, only the injector needle 27 needs to be changed or readjusted in a predetermined manner.
In den Zeichnungen sind jeweils nur zwei Schrägkanäle 241, 242 bzw. 243, 244 wiedergegeben. Es versteht, sich jedoch, daß die Anzahl derIn the drawings, only two inclined channels 241, 242 and 243, 244 are shown. It is understood, however, that the number of
Schrägkanäle nicht auf diese Anzahl beschränkt ist, sondern daß jeweils so viele Schrägkanäle vorhanden sein können, wie für die Zufuhr eines ausreichenden Anteiles der zweiten Komponente oder für eine räumlich gleichmäßige Verteilung benötigt werden. In Figur 5 ist ein Injektorrohr 2 wiedergegeben, das auf seiner Außenseite KühlrippenInclined channels is not limited to this number, but that there can be as many inclined channels as are required for the supply of a sufficient proportion of the second component or for a spatially uniform distribution. In Figure 5, an injector tube 2 is shown, which has cooling fins on its outside
28 aufweist. Die Anzahl und die Geometrie der Kühlrippen 28 muß von Fall zu Fall bestimmt werden.28 has. The number and geometry of the cooling fins 28 must be determined on a case-by-case basis.
Figur 6 zeigt schließlich ein vorne offenes Kammergehäuse 14, in der das Injektorrohr 2 durch einen abgewinkelten Ansatz 29 gelagert ist. Durch den Ansatz 29 hindurch wird auch die erste Komponente zugeführt. Der AnsatzFinally, FIG. 6 shows a chamber housing 14 which is open at the front and in which the injector tube 2 is supported by an angled extension 29. The first component is also supplied through the extension 29. The approach
29 kann auch wie ein Kreisbogenabschnitt gekrümmt sein, sodaß ein Injektorrohr 25 mit Schrägkanälen 243, 244 mit veränderbarem Querschnitt verwendbar ist.29 can also be curved like a circular arc section, so that an injector tube 25 with inclined channels 243, 244 with a variable cross section can be used.
Zur Verbesserung der Verbrennung kann das Injektorrohr 2 aus einem katalytischen Material bestehen oder mit einem katalytischen Material versehen sein. To improve the combustion, the injector tube 2 can consist of a catalytic material or be provided with a catalytic material.
BezugszeiσhenlisteReference number list
KammergehäuseChamber housing
Kopfteil zentrale BohrungHeadboard central hole
Düse 131-136 Düsen vorne offenes KammergehäuseNozzle 131-136 nozzles open chamber housing at the front
AustrittsöffnungOutlet opening
Injektorrohr hintere Axialbohrung vordere AxialbohrungInjector tube rear axial bore front axial bore
Engstelle 241, 242 Schrägkanäle mit konstantem Querschnitt 243, 244 Schrägkanäle mit veränderbarem QuerschnittNarrow point 241, 242 inclined channels with constant cross-section 243, 244 inclined channels with variable cross-section
Injektorrohr mit veränderbarem Querschnitt derInjector tube with variable cross-section of the
SchrägkanäleInclined channels
GrundteilBasic part
InjektornadelInjector needle
KühlrippenCooling fins
Zündsonde Ignition probe
INTERNATIONALE ANMELDUNG VERÖFFENTLICHT NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES PATENTWESENS (PCT)INTERNATIONAL APPLICATION PUBLISHED AFTER THE TREATY ON INTERNATIONAL COOPERATION IN THE FIELD OF PATENTS (PCT)
(51) Internationale Patentklassifikation 4 (11) Internationale Veröffentlichungsnummer: WO 89/ 044 F23D 11/40, F23C 6/00 AI (43) Internationales(51) International patent classification 4 (11) International publication number: WO 89/044 F23D 11/40, F23C 6/00 AI (43) International
Veröf f entlichungsdatum : 18. Mai 1989 (18.05.Release date: May 18, 1989 (05/18/19)
(21) Internationales Aktenzeichen: PCT/EP88/00953(21) International file number: PCT / EP88 / 00953
VeröffentlichtReleased
(22) Internationales Anmeldedatum: Mit internationalem Recherchenbericht.(22) International filing date: With international search report.
25. Oktober 1988 (25.10.88)October 25, 1988 (10/25/88)
(31) Prioritätsaktenzeichen: P 37 37 247.5(31) Priority file number: P 37 37 247.5
(32) Prioritätsdatum: 3. November 1987 (03.11.87)(32) Priority date: November 3, 1987 (November 3, 1987)
(33) Prioritätsland: DE(33) Priority country: DE
(71)(72) Anmelder und Erfinder: ZETTNER, Michael, L. [AT/DE]; Neufriedenheim 9, D-8830 Treuchtlingen (DE).(71) (72) Applicant and inventor: ZETTNER, Michael, L. [AT / DE]; Neufriedenheim 9, D-8830 Treuchtlingen (DE).
(74) Anwalt: BROSE, Manfred; Pellergasse 45, D-8500 Nürnberg 50 (DE).(74) Lawyer: BROSE, Manfred; Pellergasse 45, D-8500 Nürnberg 50 (DE).
(81) Bestimmungsstaaten: AT (europäisches Patent), AU, BE (europäisches Patent), BR, CH (europäisches Patent), DE (europäisches Patent), FR (europäisches Patent), GB (europäisches Patent), IT (europäisches Patent), JP, LU (europäisches Patent), NL (europäisches Patent), SE (europäisches Patent), SU, US.(81) Designated states: AT (European patent), AU, BE (European patent), BR, CH (European patent), DE (European patent), FR (European patent), GB (European patent), IT (European patent) , JP, LU (European patent), NL (European patent), SE (European patent), SU, US.
(54) Title: BURNER(54) Title: BURNER
(54) Bezeichnung: BRENNEINRICHTUNG(54) Designation: BURNING DEVICE
(57) Abstract(57) Abstract
A burner for combustible mixtures consisting of two fluid compo- nents comprises a chamber housing (1), first feed means for the first component, second feed means for the second component and an outlet orifice (15) for the combustion gases. The feed means for the first component is an injector tube (2) which has at the end facing the outlet orifice (15) a rear axial bore (21), at the other end a narrower front axial bore (22), a narrow passage (23) between the two bores (21, 22) and at least one inclined radial Channel (241, 242; 243, 244) inclined to the injector axis (i) at an angle α, the apex of which is turned towards the rear axial bore (21) and which ex- tends from the inner space of the chamber housing (1) to the narrow passage (23) or along the sides of the front axial boA burner for combustible mixtures consisting of two fluid components comprises a chamber housing (1), first feed means for the first component, second feed means for the second component and an outlet orifice (15) for the combustion gases. The feed means for the first component is an injector tube (2) which has at the end facing the outlet orifice (15) a rear axial bore (21), at the other end a narrower front axial bore (22), a narrow passage (23) between the two bores (21, 22) and at least one inclined radial channel (241, 242; 243, 244) inclined to the injector axis (i) at an angle α, the apex of which is turned towards the rear axial bore (21) and which ex- tends from the inner space of the chamber housing (1) to the narrow passage (23) or along the sides of the front axial bo
(22) and ends before the narrow passage (23) in such a way that a part of the second component which flows through th inclined Channel into the chamber housing (1) reaches the narrow passage, where it mixes with the first component, whic enters through the front axial bore (22), is burnt in the rear axial bore (21) from which it flows into the chamber housin (1).(22) and ends before the narrow passage (23) in such a way that a part of the second component which flows through the inclined channel into the chamber housing (1) reaches the narrow passage, where it mixes with the first component, whic enters through the front axial bore (22), is burnt in the rear axial bore (21) from which it flows into the chamber housin (1).
(57) Zusammenfassung(57) Summary
Eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines aus zwei fließfähigen Komponenten bestehenden brennbaren Gem sches, besteht aus einem Kammergehäuse (1), ersten Zufuhrmitteln für die erste Komponente, zweiten Zufuhrmitteln fü die zweite Komponente und einer Austrittsöffnung (15) für die Verbrennungsgase. Als Zufuhrmittel für die erste Komp nente dient ein Injektorrohr (2), das an seinem zur Austrittsöffnung (15) hin orientierten Ende eine hintere Axialbohrun (21), an seinem anderen Ende eine engere vordere Axialbohrung (22), zwischen beiden Bohrungen (21, 22) eine EngstellA combustion device for burning a combustible mixture consisting of two flowable components consists of a chamber housing (1), first supply means for the first component, second supply means for the second component and an outlet opening (15) for the combustion gases. The supply means for the first component is an injector tube (2) which, at its end oriented towards the outlet opening (15), has a rear axial bore (21), at its other end a narrower front axial bore (22), between the two bores (21, 22) a bottleneck
(23) und mindestens eine radial und schräg zur Injektorachse (i) mit dem Scheitel des Winkels α in Richtung der hintere Axialbohrung (21) weisende, vom Innenraum des Kammergehäuses (1) in die Engstelle (23) oder auf Seiten der vordere Axialbohrung (22) kurz vor die Engstelle (23) verlaufende Schrägkanal (241, 242; 243, 244) aufweist, so daß ein Teil der i das Kammergehäuse (1) einströmenden zweiten Komponente durch die Schrägkanal zur Engstelle strömt, sich dort mi der durch die vordere Axialbohrung (22) einretenden ersten Komponente mischt, in der hinteren Axialbohrung (21) ver brennt und aus dieser in das Kammergehäuse (1) strömt. (23) and at least one radially and obliquely to the injector axis (i) with the apex of the angle α in the direction of the rear axial bore (21), from the interior of the chamber housing (1) into the constriction (23) or on the side of the front axial bore ( 22) shortly before the constriction (23) running inclined channel (241, 242; 243, 244), so that part of the second component flowing into the chamber housing (1) flows through the inclined channel to the constriction, there through the front Axial bore (22) entering the first component mixes, ver burns in the rear axial bore (21) and flows out of this into the chamber housing (1).
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BR Brasilien KP Demokratische Volksrepublik Korea SE SchwedenBR Brazil KP Democratic People's Republic of Korea SE Sweden
CF Zentrale Aürüanische Republik KR Republik Korea SN SenegalCF Headquarters Aürüan Republic KR Republic of Korea SN Senegal
CG Kongo u Liechtenstein SU Soviet UnionCG Congo u Liechtenstein SU Soviet Union
CH Schweiz LK Sri Lanka TD TschadCH Switzerland LK Sri Lanka TD Chad
CM "Kamerun LU Luxemburg TG TogoCM " Cameroon LU Luxembourg TG Togo
DE Deutschland, Bundesrepublik MC Monaco US Vereinigte Staaten von AmerikaDE Germany, Federal Republic of MC Monaco US United States of America
DK Dänemark MG MadagaskarDK Denmark MG Madagascar
FI Finnland ML Mali FI Finland ML Mali
Beschreibung description
BrenneinrichtungBurning device
Die Erfindung betrifft eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines aus zwei fließfähigen Komponenten bestehenden brennbaren Gemisches.The invention relates to a combustion device for the combustion of a combustible mixture consisting of two flowable components.
Bei Verbrennungsvorgängen, wie sie in modernenIn combustion processes like those in modern ones
Brennkraftmaschinen stattfinden, unterscheidet man zwischen geschlossenen und offenen Systemen. Unter einem geschlossenen System versteht man einen geschlossenen Brennraum, in dem Brennstoff und Oxidator zusammengeführt werden, verbrennen und dann durch die Expansion der Verbrennungsgase mechanische Arbeit leisten oder Wärme erzeugen.Internal combustion engines take place, a distinction is made between closed and open systems. A closed system is a closed combustion chamber in which the fuel and oxidizer are brought together, burn and then perform mechanical work or generate heat through the expansion of the combustion gases.
Bei einem offenen System werden Brennstoff und Oxidator in einer Brennkammer verbrannt, und die Verbrennungsgase treten aus einer Öffnung in der Brennkammer als Strahl aus. Der Gasstrahl kann beispielsweise als Antriebsmittel bei Luft- und Raumfahrzeugen oder Turbinen verwandt werden, er kann aber auch zu anderen Zwecken, wie Heizzwecken, eingesetzt werden. Bei den offenen Systemen wirkt sich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, mit der Brennstoff und Oxidator in die Brennkammer einströmen, ungünstig auf das Zündverhalten aus. Der Bereich des Mischungsverhältnisses von Treibstoff und Oxidator, in dem dieses zündfähig ist (Zündfähigkeitsbereich), wird mit Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Brennkammerdruckes, kleiner.In an open system, the fuel and oxidizer are burned in a combustion chamber and the combustion gases exit as a jet from an opening in the combustion chamber. The gas jet can be used, for example, as a drive means in aircraft and spacecraft or turbines, but it can also be used for other purposes, such as heating purposes. In open systems, a high flow rate at which the fuel and oxidizer flow into the combustion chamber has an unfavorable effect on the ignition behavior. The range of the mixing ratio of fuel and oxidizer in which it is ignitable (ignitability range) becomes smaller with an increase in the flow velocity or the combustion chamber pressure.
Wenn das für die Zündfähigkeit notwendigeIf that is necessary for ignitability
Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff und Oxidator nicht 2. Brenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 25 ) aus einem Grundteil ( 26 ) mit der hinteren Axialbohrung ( 21 ) und einer koaxialen, im Grundteil ( 26 ) in Längsrichtung bewegbaren Injektornadel ( 27 ) mit der vorderen Axialbohrung ( 22 ) besteht, wobei durch eine Bewegung der Injektornadel ( 27 ) in axialer Richtung, der Gesamtquerschnitt des Schrägkanals ( 243, 244 ) veränderbar ist. ( Fig. 4 ).Mixing ratio between fuel and oxidizer is not 2. Burning device according to claim 1, characterized in that the injector tube (25) consists of a base part (26) with the rear axial bore (21) and a coaxial injector needle (27) movable in the longitudinal direction in the base part (26) with the front axial bore ( 22), whereby the total cross-section of the inclined channel (243, 244) can be changed by moving the injector needle (27) in the axial direction. (Fig. 4).
3. Brenneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr (2) auf seiner Außenseite zur Vergrößerung der Oberfläche Kühlrippen ( 28 ) aufweist ( Fig. 5 ).3. Burning device according to claim 1 or 2, characterized in that the injector tube (2) has cooling fins (28) on its outside to enlarge the surface (Fig. 5).
4. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) abgewinkelt ausgebildet ist.4. Burning device according to claims 1 to 3, characterized in that the injector tube (2) is angled.
5. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) bogenförmig gekrümmt ausgebildet ist.5. Burning device according to claims 1 to 3, characterized in that the injector tube (2) is curved in an arc shape.
6. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Kammergehäuse ( 1 ) mit einem Kopfteil ( 11 ), wobei das Kopfteil ( 11 ) zur Aufnahme des Injektorröhres ( 2 ) eine zentrale Bohrung ( 12 ) aufweist, um die herum mehrere Düsen ( 131 - 136 ) als Zufuhreinrichtungen für die zweite Komponente angeordnet sind.6. Burning device according to claims 1 to 5, characterized by a cylindrical chamber housing (1) with a head part (11), wherein the head part (11) for receiving the injector tube (2) has a central bore (12) around which several Nozzles (131-136) are arranged as feed devices for the second component.
7. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) aus einem katalytischen Material besteht. beschrieben, wobei als Oxidator Sauerstoff und Luft verwandt werden. Mit der Verbrennungseinrichtung wird angestrebt, die Verwendung von Sauerstoff zwecks möglichst vollständiger Verbrennung mit einem kleinen Flammenvolumen zu kombinieren, um die durch die7. Burning device according to claims 1 to 6, characterized in that the injector tube (2) consists of a catalytic material. described, whereby oxygen and air are used as oxidizers. The aim of the combustion device is to combine the use of oxygen for the purpose of as complete combustion as possible with a small flame volume in order to avoid the
Verwendung von reinem Sauerstoff erzielbaren hohen Temperaturen nicht andererseits durch ein großes Flammenvolumen wieder herabzusetzen. Hierzu wird durch ein zentrales Rohr mit einer Düse reiner Sauerstoff und in einem umgebenden größeren Leitungsrohr der Brennstoff zugeführt. Kurz vor der Düse tritt ein kleiner Anteil des Brennstoffes durch Schrägkanäle in eine Sauerstoff-Vorbrennkammer ein, verwirbelt dort mit dem Sauerstoff und verbrennt dann in der Vorbrennkammer mit einer kleinen, sehr heißen Flamme, durch die die umgebende Hauptmenge des Brennstoffes vollständig verdampft wird. In einem das Brennstoffrohr konzentrisch umgebenden dritten Rohr wird die Verbrennungsluft zugeführt, die dann mit dem verdampften, teilweise atomisierten und sehr reaktionsfähigen Brennstoff verbrennt. Die Hauptverbrennung in der vorbeschriebenen Verbrennungseinrichtung mit der Verbrennungsluft erfolgt in einer durch die Düsenmündungen gegebenen Ebene. In dieser Ebene treten die zwei Reaktionspartner, verdampfter Brennstoff und Luft, gleichzeitig aus der Düse aus, wobei in bezug auf die Gesamtmenge der vorhandenen Oxidatoren, reiner Sauerstoff und Luft, eine stöchiometrisch ausreichende Menge zur Verfügung steht. Bei dieser Verbrennungseinrichtung werden keine Probleme behandelt, die sich aus einer unterstöchiometrischen Verbrennung, d.h. aus der Verbrennung eines mageren Gemisches, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ergeben. Der Erfingung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator zu schaffen, durch die insbesondere die bei mageren Gemischen auftretenden Zündprobleme vermieden werden.On the other hand, using pure oxygen cannot reduce the high temperatures that can be achieved by using a large flame volume. For this purpose, pure oxygen is supplied through a central pipe with a nozzle and the fuel is supplied in a larger surrounding pipe. Shortly before the nozzle, a small portion of the fuel enters an oxygen pre-combustion chamber through inclined channels, swirls with the oxygen there and then burns in the pre-combustion chamber with a small, very hot flame, which completely evaporates the main amount of fuel around it. The combustion air is fed into a third pipe concentrically surrounding the fuel pipe, which then burns with the vaporized, partially atomized and very reactive fuel. The main combustion in the above-described combustion device with the combustion air takes place in a plane given by the nozzle orifices. At this level, the two reactants, vaporized fuel and air, exit the nozzle at the same time, a stoichiometrically sufficient amount being available in relation to the total amount of oxidizers present, pure oxygen and air. In this combustion device, no problems are dealt with which result from substoichiometric combustion, ie from the combustion of a lean mixture, in particular at high flow velocities. The invention is therefore based on the object of creating a combustion device for the combustion of a flowable fuel with a flowable oxidizer, by means of which the ignition problems that occur in particular with lean mixtures are avoided.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Brenneinrichtung zur Verbrennung eines brennbaren Gemisches aus zwei fließfähigen Komponenten, von denen mindestens eine mit hohem Druck oder hoherTo solve this problem, the invention is based on a combustion device for burning a combustible mixture of two flowable components, of which at least one is at high pressure or at a higher pressure
Geschwindigkeit zugeführt wird, mit einem Gehäuse mit einer Kammer, Mittel für die Zufuhr der ersten und der zweiten Komponente und zu deren Mischung und einer Austrittsöffnung für die Verbrennungsgase. Die Erfindung besteht aus einem Injektorrohr alsVelocity is supplied, with a housing with a chamber, means for the supply of the first and the second component and for their mixing and an outlet opening for the combustion gases. The invention consists of an injector tube as
Zufuhrmittel für die erste Komponente, das in das Kammergehäuse in Richtung auf dessen Austrittsöffnung hineinragt und an seinem zur Austrittsöffnung hin orientierten Ende eine hintere Axialbohrung, an seinem von der Austrittsöffnung abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung, zwischen beiden Bohrungen eine Engstelle und mindestens einen radial und schräg zur Injektorachse vom Innenraum des Kammergehäuses in die Engstelle oder in deren Nähe in die vordere Axialbohrung verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der hinteren Axialbohrung weisenden Schrägkanal aufweist, durch den ein Teil der in das Kammergehäuse einströmenden zweiten Komponente zur Engstelle oder in die vordere Axialbohrung strömt, sich dort mit der ersten Komponente mischt, wonach dieses Gemisch wenigstens zum Teil in der hinteren Axialbohrung verbrennt und aus dieser in das Kammergehäuse strömt.Feed means for the first component, which protrudes into the chamber housing in the direction of its outlet opening and at its end oriented towards the outlet opening a rear axial bore, at its end facing away from the outlet opening a narrower front axial bore, between the two bores a constriction and at least one radial and inclined to the injector axis from the interior of the chamber housing into the constriction or near it in the front axial bore, with its inner end pointing in the direction of the rear axial bore, through which part of the second component flowing into the chamber housing to the constriction or into the front Axial bore flows, mixes there with the first component, after which this mixture burns at least partially in the rear axial bore and flows out of this into the chamber housing.
Vorzugsweise besteht das Injektorrohr aus einem Grundteil mit der hinteren Axialbohrung und einer koaxialen, im Grundteil in Längsrichtung bewegbaren Injektornadel mit der vorderen Axialbohrung, wobei durch eine Bewegung der Injektornadel in axialer Richtung der Gesamtquerschnitt der Schrägkanäle veränderbar ist.The injector tube preferably consists of one Base part with the rear axial bore and a coaxial injector needle with the front axial bore, movable in the base part in the longitudinal direction, the total cross-section of the inclined channels being able to be changed by moving the injector needle in the axial direction.
Bei einer sehr energiereichen Verbrennung im Injektorrohr kann es in Fortbildung der Erfindung notwendig sein, das Injektorrohr auf seiner Außenseite mit Kühlrippen zu versehen. Hierdurch erfolgt eine höhere Wärmeabgabe an die außen am Injektorrohr entlangströmende zweite Komponente, beispielsweise den Oxidator.In the case of a very high-energy combustion in the injector pipe, it may be necessary in a further development of the invention to provide the injector pipe with cooling fins on its outside. This results in a higher heat transfer to the second component flowing along the outside of the injector tube, for example the oxidizer.
Bei einem vorne offenen Kammergehäuse, wie dieses beispielsweise bei Staustrahltriebwerken gegeben ist, muß in weiterer Fortbildung der Erfindung das Injektorrohr abgewinkelt oder bogenförmig gekrümmt ausgebildet sein.In the case of a chamber housing that is open at the front, as is the case, for example, in ramjet engines, in a further development of the invention the injector tube must be angled or curved in an arc.
In einer speziellen Ausbildungsform der Brenneinrichtung besteht dieses aus einem zylindrischen Kammergehäuse mit einem Kopfteil, wobei das Kopfteil zur Aufnahme des Injektorrohres eine zentrale Bohrung aufweist, um die herum Düsen als Zufuhreinrichtungen für die zweite Komponente angeordnet sind.In a special embodiment of the burner device, this consists of a cylindrical chamber housing with a head part, the head part having a central bore for receiving the injector tube, around which nozzles are arranged as feed devices for the second component.
In einer Sonderform der Erfindung besteht das Injektorrohr aus einem katalytischen Material oder ist mit einem katalytischen Material versehen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in perspektivischer, teilweise aufgeschnittener Darstellung wiedergegeben. Es zeigen:In a special form of the invention, the injector tube consists of a catalytic material or is provided with a catalytic material. In the drawings, exemplary embodiments of the invention are shown in a perspective, partially cut-away representation. Show it:
Fig. 1 eine Brenneinrichtung mit einemFig. 1 shows a burning device with a
Kammergehäuse und einem Injektorrohr,Chamber housing and an injector tube,
Fig. 2 die Brenneinrichtung nach Figur 1 ohne Injektorrohr,FIG. 2 shows the combustion device according to FIG. 1 without the injector tube,
Fig. 3 ein nicht einstellbares Injektorrohr,3 shows a non-adjustable injector tube,
Fig. 4 ein einstellbares Injektorrohr,4 shows an adjustable injector tube,
Fig. 4A eine auseinandergezogene Darstellung des einstellbaren Injektorrohres nach Figur 4,FIG. 4A an exploded view of the adjustable injector tube according to FIG. 4,
Fig. 4B das einstellbare Injektorrohr nach Figur 4 mit offenen Schrägkanälen4B shows the adjustable injector tube according to FIG. 4 with open inclined channels
Fig. 4C das einstellbare Injektorrohr nach4C shows the adjustable injector tube according to
Figur 4 mit fast geschlossenen SchrägkanälenFigure 4 with almost closed inclined channels
Fig. 5 ein Injektorrohr mit Kühlrippen und5 shows an injector tube with cooling fins and
Fig. 6 ein Brennkammergehäuse mit einem abgewinkelten Injektorrohr.6 shows a combustion chamber housing with an angled injector tube.
In Figur 1 ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Brenneinrichtung mit einem Kammergehäuse 1 und einem Injektorrohr 2 wiedergegeben. Das Kammergehäuse 1 dient zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator bei einem hohen Brennkammerdruck oder hoher Einströmgeschwindigkeit. Unter dem Begriff "fließfähiger Stoff" sind sämtliche Flüssigkeiten, Gase oder Emulsionen, aber auch Mischungen von Flüssigkeiten oder Gasen mit Feststoffpartikeln, die jedoch fließfähige Eigenschaften haben, zu verstehen. Als eine beispielsweise Ausführungsform ist in den Figuren 1 und 2 ein zylindrisches Kammergehäuse 1 mit einem scheibenförmigen Kopfteil 11 wiedergegeben, wobei das Kopfteil 11 zur Aufnahme des Injektorrohres 2 mit einer zentralen Bohrung 12 (Fig. 2) versehen ist, um die herum mehrere Düsen 13 als Zufuhrmittel für die zweite Komponente eines brennbaren Gemisches angeordnet sind. In Figur 2 sind beispielsweise die Düsen 131 - 136 sichtbar. Die Anzahl oder Lage der Düsen 13 ist jedoch nicht von erfindungswesentlicher Bedeutung. Die Verbrennungsgase treten durch die Austrittsöffnung 15 als Strahl aus dem Kammergehäuse 1 aus.FIG. 1 shows a perspective, partially cut-away representation of a combustion device with a chamber housing 1 and an injector tube 2. The chamber housing 1 is used to burn a flowable fuel with a flowable oxidizer at a high combustion chamber pressure or high inflow velocity. The term “flowable substance” is to be understood as meaning all liquids, gases or emulsions, but also mixtures of liquids or gases with solid particles which, however, have flowable properties. As an example embodiment, FIGS. 1 and 2 show a cylindrical chamber housing 1 with a disk-shaped head part 11, the head part 11 for receiving the injector tube 2 being provided with a central bore 12 (FIG. 2) around which several nozzles 13 are arranged as a supply means for the second component of a combustible mixture. In FIG. 2, for example, the nozzles 131-136 are visible. However, the number or position of the nozzles 13 is not essential to the invention. The combustion gases exit the chamber housing 1 through the outlet opening 15 as a jet.
Das in Figur 3 wiedergegebene Injektorrohr 2 dient als Zufuhrmittel für die erste Komponente des brennbaren Gemisches. Es hat an seinem zurThe injector tube 2 shown in FIG. 3 serves as a supply means for the first component of the combustible mixture. It has to be on his
Austrittsöffnung 15 orientierten hinteren Ende eine hintere Axialbohrung 21, an seinem von der Austrittsöffnung 15 abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung 22 und zwischen beiden Bohrungen 21, 22 eine Engstelle 23. Außerdem verlaufen mehrere Schrägkanäle 241, 242 radial und schräg zur Injektorachse i mit dem Scheitel desThe rear end of the outlet opening 15 is oriented towards a rear axial bore 21, at its end facing away from the outlet opening 15 a narrower front axial bore 22 and between the two bores 21, 22 a constriction 23 of
Winkels α in Richtung der vorderen AxialbohrungAngle α in the direction of the front axial bore
21 weisend, vom Kammerinnenraum zur Engstelle 23 oder auf Seiten der hinteren Axialbohrung21 pointing, from the chamber interior to the constriction 23 or on the side of the rear axial bore
22 kurz vor die Engstelle 23. Durch die Schrägkanäle 241, 242 strömt ein Teil der in das Kammergehäuse 1 einströmenden zweiten Komponente in die Engstelle 23 oder kurz vor die Engstelle 23, vermischt sich dort mit der durch die hintere Axialbohrung 22 eintretenden ersten Komponente und verbrennt in der hinteren Axialbohrung 21. Dadurch, daß die Schrägkanäle 241, 242 einen spitzen Winkel α mit der Injektorachse i bilden, übt die durch die Schrägkanäle 241,22 shortly before the bottleneck 23. Through the inclined channels 241, 242, part of the second component flowing into the chamber housing 1 flows into the constriction 23 or just before the constriction 23, mixes there with the first component entering through the rear axial bore 22 and burns in the rear axial bore 21. that the inclined channels 241, 242 form an acute angle α with the injector axis i, exerts through the inclined channels 241,
242 zur Engstelle 23 strömenden zweite Komponente eine Sogwirkung auf die durch die vordere Axialbohrung 22 eintretende erste Komponente aus. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 zusammen mit der Querschnittsfläche der vorderen Axialbohrung 22 ist größer als die Querschnittsfläche der Engstelle 23. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 wird daher auch dann nicht zur Querschnittsflache der Engstelle 23 hinzugerechnet, wenn die Schrägkanäle 242, 242 ganz oder teilweise in die Engstelle 23 hineinmünden.242, the second component flowing to the constriction 23 exerts a suction effect on the first component entering through the front axial bore 22. The cross-sectional area of all inclined channels 241, 242 together with the cross-sectional area of the front axial bore 22 is larger than the cross-sectional area of the constriction 23. The cross-sectional area of all inclined channels 241, 242 is therefore not added to the cross-sectional area of the constriction 23 even if the inclined channels 242, 242 are completely or partially open into the constriction 23.
Die Zündung des brennbaren Gemisches erfolgt in dem Kammergehäuse 1 durch eine Zündsonde 3. Hierfür werden in der Zündphase der Brennreinrichtung die beiden Komponenten des brennbaren Gemisches mit nur geringem Druck oder nur geringer Strömungsgeschwindigkeit in dasThe flammable mixture is ignited in the chamber housing 1 by an ignition probe 3
Kammergehäuse 1 gefördert. Nach der Zündung schlägt die Flamme bis zur Engstelle 23 zwischen den beiden Axialkanälen 21, 22 zurück, nicht jedoch über die Engstelle hinaus. Die beiden Komponenten des brennbaren Gemisches mischen sich erst an der Engstelle 23, da es vor der Engstelle 23 in der vorderen Axialbohrung 22 kein zündfähiges Gemisch gibt. Bei einer offenen Brenneinrichtung wird beispielsweise bei einem Verbrennungsdruck von 4 bar im Kammergehäuse 1,Chamber housing 1 promoted. After ignition, the flame strikes back as far as the constriction 23 between the two axial channels 21, 22, but not beyond the constriction. The two components of the combustible mixture only mix at the constriction 23, since there is no ignitable mixture in front of the constriction 23 in the front axial bore 22. With an open furnace is, for example, at a combustion pressure of 4 bar in the chamber housing 1,
Luft als zweite Komponente mit 5 bis 6 bar dem Kammergehäuse 1 durch die Düsen 13 und der Brennstoff als erste Komponente lediglich mit einem Druck von 0,6 bar dem Injektorrohr 2 zugeführt. Ein Rückdruck oder ein "Stottern" der Verbrennung findet selbst bei diesen großen Druckunterschieden nicht statt.Air as the second component at 5 to 6 bar is fed to the chamber housing 1 through the nozzles 13 and the fuel as the first component is only fed to the injector tube 2 at a pressure of 0.6 bar. A back pressure or a "stutter" of the combustion does not take place even with these large pressure differences.
Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist besonders das Brennverhalten der Brenneinrichtung bei einem Überschuß der zweiten Komponente, beispielsweise Luft, als mageres Gemisch von Interesse. Der Einsatz desFor technical and economic reasons, the burning behavior of the burner device is of particular interest in the case of an excess of the second component, for example air, as a lean mixture. The use of the
Injektorrohres 2 bewirkt hier, daß bei einer Änderung von Druck und Strömungsgeschwindigkeit in dem Kammergehäuse 1 keine Veränderung des Brennverhaltens bezüglich der Zündfähigkeit des Gemisches eintritt, sondern nur bei einer Änderung derThe effect of the injector tube 2 here is that when there is a change in pressure and flow rate in the chamber housing 1, there is no change in the combustion behavior with regard to the ignitability of the mixture, but only when there is a change in the
Injektorrohreinstellung, wie diese in den Figuren 4B und 4C dargestellt ist. So läßt sich durch Vergrößern oder Verkleinern der Schrägkanäle 241, 242 die Verbrennung in dem Injektorrohr 2 beeinflussen. Die vorstehend beschriebene Entkoppelung des Brennverhaltens der Brenneinrichtung von der Magerkeit des Gemisches ist dann nicht vorhanden, wenn die erste Kompomente lediglich durch eine in das Kammergehäuse 1 hineinragende Hohlnadel, mit oder ohne Düse, dem Kammergehäuse 1 zugeführt wird. Hier kann es zu so mageren Gemischen kommen, daß die Zündfähigkeit unterschritten wird. Die hintere Axialbohrung enthält ein sehr fettes Gemisch, da der größere Anteil der zweiten Komponente außen an dem Injektorrohr 2 vorbeiströmt und nur der kleinere, durch die Schrägkanäle 241, 242 in das Injektorrohr 2 eintretende Anteil der zweiten Komponente mit der ersten Komponente im Injektorrohr 2 reagiert. Der außerhalb des Injektorrohres 2 an diesem entlangströmende Anteil der zweiten Komponente wirkt als Mantelstrom und verhindert damit, daß die Wärme desInjector tube adjustment, as shown in Figures 4B and 4C. The combustion in the injector tube 2 can thus be influenced by enlarging or reducing the inclined ducts 241, 242. The above-described decoupling of the combustion behavior of the combustion device from the leanness of the mixture does not exist if the first component is fed to the chamber housing 1 only through a hollow needle protruding into the chamber housing 1, with or without a nozzle. This can lead to such lean mixtures that the ignitability is not reached. The rear axial bore contains a very rich mixture, since the larger part of the second component flows outside of the injector tube 2 and only the smaller part of the second component entering the injector tube 2 through the inclined channels 241, 242 reacts with the first component in the injector tube 2 . The portion of the second component flowing along this outside of the injector tube 2 acts as a sheath flow and thus prevents the heat of the
Injektorrohres 2 dem Verbrennungssystem verloren geht. Dieser Mantelstrom vermindert den Wärmeübergang von dem heißen Kernstrom, der aus dem Injektorrohr 2 austritt, auf die äußeren Wandungen des Kammergehäuses 1, da nur das viel geringereInjector tube 2 is lost to the combustion system. This sheath flow reduces the heat transfer from the hot core flow that emerges from the injector tube 2 to the outer walls of the chamber housing 1, since only the much less
Temperaturgefälle zwischen Mantelstrom und äußeren Wandungen für die Wärmeverluste entscheidend ist. Damit verbleibt mehr Energie in den Verbrennungsgasen, und die Verbrennung hat insgesamt einen besseren Wirkungsgrad. Bei der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 reagieren diejenigen Teile der zweiten Komponente, die durch die Schrägkanäle 241, 242; 243, 244 in das Injektorrohr 2 gelangen mit der durch die vordere Axialbohrung 22 eintretenden ersten Komponente. Bei dieser Verbrennung können jedoch aus verschiedenen Gründen unverbrannte Reste aus dem Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangen. An den Randzonen des Kernstromes zum umgebenden Mantelstrom kommt es dann zu Reaktionen zwischen der im Mantelstrom befindlichen zweiten Komponente, die nicht durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorrohr 2 gelangt ist, und den unverbrannten Resten der ersten Komponente, die durch das Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangt ist. In folgenden Fällen kann es zu unverbrannten Resten der ersten Komponente kommen:Temperature gradient between the jacket flow and the outer walls for which heat loss is decisive. This means that more energy remains in the combustion gases and the overall combustion is more efficient. During the combustion in the rear axial bore 21 of the injector tube 2, those parts of the second component which pass through the inclined channels 241, 242; 243, 244 get into the injector tube 2 with the first component entering through the front axial bore 22. During this combustion, however, unburned residues can get from the injector tube 2 into the chamber housing 1 for various reasons. At the edge zones of the core flow to the surrounding sheath flow, reactions then occur between the second component located in the sheath flow, which did not get into the injector tube 2 through the inclined channels 241 - 244, and the unburned residues of the first component, which passed through the injector tube 2 has entered the chamber housing 1. Unburned residues of the first component can occur in the following cases:
- Bei Inhomogenität einer oder beider Komponenten.- If one or both components are inhomogeneous.
In diesem Fall verändert sich die Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 in dem Maße, wie die Zusammensetzung der einen oder der beiden Komponenten sich verändert. Bei inhomogenen Brennstoffen wird das Volumenverhältnis derIn this case, the combustion in the rear axial bore 21 changes to the extent that the composition of the one or both components changes. In the case of inhomogeneous fuels, the volume ratio is the
Komponenten so eingestellt, daß auch bei Schwächstmöglichem Energiegehalt der jeweiligen Komponenten ein mit Sicherheit im leicht zündbaren Bereich liegendes Gemisch in der hinteren Axialbohrung 21 verbrennen kann.Components adjusted in such a way that even with the lowest possible energy content of the respective components, a mixture which is definitely in the easily ignitable range can burn in the rear axial bore 21.
Das bedeutet andererseits, daß im Falle des höchstmöglichen Energiegehaltes der ersten Komponente, diese nicht restlos mit der zweiten Kompnente, die durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorrphr 2 gelangt, in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 reagieren kann.On the other hand, this means that if the first component has the highest possible energy content, it cannot completely react with the second component, which enters the injector tube 2 through the inclined channels 241-244, in the rear axial bore 21 of the injector tube 2.
- In einem zweiten Fall können unverbrannte Reste der ersten Komponente auch dadurch entstehen, daß sich die Drücke oder die Strömungsgeschwindigkeiten, und als deren Folge wiederum die Drücke, so verändern, daß sich als weitere Folge die Energiedichte der ersten Komponente verändert.- In a second case, unburned residues of the first component can also arise from the fact that the pressures or the flow velocities, and as a result, the pressures in turn, change in such a way that the energy density of the first component changes as a further consequence.
Bei Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Drücke, mit denen die Komponenten eingegeben werden, kann es gleichfalls unverbrannte Reste bei der Reaktion in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 kommen. - Ebenso kann es zu unverbrannten Resten kommen, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 so klein ist, daß die Zeit in der die Komponenten die hintere Axialbohrung 21 durchströmen, nicht für eine vollständige Reaktion ausreicht. Dies wäre z.B. bei langsam brennenden Emulsionen denkbar. Die Gestaltung des Injektorrohres 2, insbesondere die Länge der hinterenIn the event of fluctuations in the flow rate or the pressures with which the components are input, unburned residues can also occur during the reaction in the rear axial bore 21 of the injector tube 2. - Unburned residues can also occur if the reaction speed of the combustion in the rear axial bore 21 of the injector tube 2 is so small that the time in which the components flow through the rear axial bore 21 is not sufficient for a complete reaction. This would be conceivable, for example, in the case of slowly burning emulsions. The design of the injector tube 2, in particular the length of the rear
Axialbohrung 21, hat in solchen Fällen einen wesentlichen Einfluß auf den Ausbrand.Axial bore 21 has a significant influence on the burnout in such cases.
Beim Verlassen der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 haben die unverbrannten Reste der ersten Komponente eine so hohe Temperatur, daß sie sofort mit der zweiten Komponente im Mantelstrom reagieren.When leaving the rear axial bore 21 of the injector tube 2, the unburned residues of the first component have such a high temperature that they immediately react with the second component in the sheath flow.
Wenn eine oder beide Brennstoffkomponenten sehr inhomogen sind, ist es notwendig, das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten im Injektorrohr 25 optimal einstellen zu können. Hierzu besteht das in den Figuren 4, 4A wiedergegebene Injektorrohr 25 aus einemIf one or both fuel components are very inhomogeneous, it is necessary to be able to optimally adjust the mixing ratio of the two components in the injector tube 25. For this purpose, the injector tube 25 shown in FIGS. 4, 4A consists of one
Grundteil 26 mit der hinteren Axialbohrung 21 und einer koaxialen, im Grundteil 26 in Längsrichtung verschiebbaren Injektornadel 27 mit der vorderen Axialbohrung 22. Durch die axiale Verschiebung der Injektornadel 27 imBase part 26 with the rear axial bore 21 and a coaxial injector needle 27 with the front axial bore 22, which is displaceable in the base part 26 in the longitudinal direction. The axial displacement of the injector needle 27 in the
Grundteil 26 ist der Gesamtquerschnitt der Schrägkanäle 243, 244 veränderbar. Hierdurch ist es möglich, das Mischungsverhältnis beider Komponenten bei der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 nach Wunsch zu verändern. Figur 4A gibt eine auseinandergezogene Darstellung von Grundteil 26 und Injektornadel 27 wieder. Die Durchführung einer definierten Bewegung der Injektornadel 27 im Grundteil 26 kann beispielsweise durch ein in den Zeichnungen nicht wiedergegebenes Gewinde zwischen Grundteil 26 und Injektornadel 27 erfolgen.Base part 26, the total cross-section of the inclined channels 243, 244 can be changed. This makes it possible to change the mixing ratio of the two components during the combustion in the rear axial bore 21 as desired. FIG. 4A shows an exploded view of the base part 26 and the injector needle 27. A defined movement of the injector needle 27 in the base part 26 can be carried out, for example, by means of a thread, not shown in the drawings, between the base part 26 and the injector needle 27.
In den Figuren 4B, 4C ist das Injektorrohr 25 mit zwei Extremstellungen der Injektornadel 27 wiedergegeben: In Figur 4B sind die Schrägkanäle 243, 244 ganz geöffnet und in Figur 4C fast geschlossen. Bei der Verbrennung unterschiedlicher Komponenten im gleichen Injektorrohr 25 braucht beim Wechsel von einem Brennstoff zum anderen nur die Injektornadel 27 in vorherbestimmter Weise verändert bzw. neu eingestellt zu werden.In FIGS. 4B, 4C, the injector tube 25 is shown with two extreme positions of the injector needle 27: In FIG. 4B, the inclined channels 243, 244 are completely open and in FIG. 4C they are almost closed. When different components are burned in the same injector tube 25, when changing from one fuel to the other, only the injector needle 27 needs to be changed or readjusted in a predetermined manner.
In den Zeichnungen sind jeweils nur zwei Schrägkanäle 241, 242 bzw. 243, 244 wiedergegeben. Es versteht, sich jedoch, daß die Anzahl derIn the drawings, only two inclined channels 241, 242 and 243, 244 are shown. It is understood, however, that the number of
Schrägkanäle nicht auf diese Anzahl beschränkt ist, sondern daß jeweils so viele Schrägkanäle vorhanden sein können, wie für die Zufuhr eines ausreichenden Anteiles der zweiten Komponente oder für eine räumlich gleichmäßige Verteilung benötigt werden. In Figur 5 ist ein Injektorrohr 2 wiedergegeben, das auf seiner Außenseite KühlrippenInclined channels is not limited to this number, but that there can be as many inclined channels as are required for the supply of a sufficient proportion of the second component or for a spatially uniform distribution. In Figure 5, an injector tube 2 is shown, which has cooling fins on its outside
28 aufweist. Die Anzahl und die Geometrie der Kühlrippen 28 muß von Fall zu Fall bestimmt werden.28 has. The number and geometry of the cooling fins 28 must be determined on a case-by-case basis.
Figur 6 zeigt schließlich ein vorne offenes Kammergehäuse 14, in der das Injektorrohr 2 durch einen abgewinkelten Ansatz 29 gelagert ist. Durch den Ansatz 29 hindurch wird auch die erste Komponente zugeführt. Der AnsatzFinally, FIG. 6 shows a chamber housing 14 which is open at the front and in which the injector tube 2 is supported by an angled extension 29. The first component is also supplied through the extension 29. The approach
29 kann auch wie ein Kreisbogenabschnitt gekrümmt sein, sodaß ein Injektorrohr 25 mit Schrägkanälen 243, 244 mit veränderbarem Querschnitt verwendbar ist.29 can also be curved like a circular arc section, so that an injector tube 25 with inclined channels 243, 244 with a variable cross section can be used.
Zur Verbesserung der Verbrennung kann das Injektorrohr 2 aus einem katalytischen Material bestehen oder mit einem katalytischen Material versehen sein. To improve the combustion, the injector tube 2 can consist of a catalytic material or be provided with a catalytic material.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
KammergehäuseChamber housing
Kopfteil zentrale BohrungHeadboard central hole
Düse 131- 136 Düsen vorne offenes KammergehäuseNozzle 131-136 Nozzles open chamber housing at the front
AustrittsöffnungOutlet opening
Injektorrohr hintere Axialbohrung vordere AxialbohrungInjector tube rear axial bore front axial bore
Engstelle 241, 242 Schrägkanäle mit konstantem Querschnitt 243, 244 Schrägkanäle mit veränderbarem QuerschnittNarrow point 241, 242 inclined channels with constant cross-section 243, 244 inclined channels with variable cross-section
Injektorrohr mit veränderbarem Querschnitt der SchrägkanäleInjector tube with variable cross-section of the inclined channels
GrundteilBasic part
InjektornadelInjector needle
KühlrippenCooling fins
Zündsonde Ignition probe

Claims

Patentansprüche Claims
1. Brenneinrichtung zur Verbrennung eines brennbaren1. Burning device for burning a combustible
Gemisches aus zwei fließfähigen Komponenten, von denen mindestens eine mit hohem Druck oder hoher Geschwindigkeit zugeführt wird, mit einem Gehäuse mit einer Kammer, Mitteln für die Zufuhr der ersten und der zweitenMixture of two flowable components, at least one of which is supplied at high pressure or high speed, with a housing with a chamber, means for supplying the first and the second
Komponente und zu deren Mischung und einer Austrittsöffnung für die Verbrennungsgase, gekennzeichnet durch ein Injektorrohr (2) als Zufuhrmittel für die erste Komponente, das in das Kammergehäuse (1) in Richtung auf dessen Austrittsöffnung (15) hineinragt und an seinem zurComponent and their mixing and an outlet opening for the combustion gases, characterized by an injector tube (2) as a supply means for the first component, which protrudes into the chamber housing (1) in the direction of its outlet opening (15) and at its for
Austrittsöffnung (15) hin orientierten Ende eine hintere Axialbohrung (21), an seinem von der Austrittsöffnung (15) abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung (22), zwischen beiden Bohrungen (21,22) eine Engstelle (23) und mindestens einen radial und schräg zurOutlet opening (15) oriented towards the end a rear axial bore (21), at its end facing away from the outlet opening (15) a narrower front axial bore (22), between the two bores (21,22) a narrow point (23) and at least one radial and oblique to
Injektorachse (i) vom Innenraum des Kammergehäuses in die Engstelle (23) oder in deren Nähe in die vordere Axialbohrung (22) verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der hinteren Axialbohrung (21) weisenden Schrägkanal (241, 242; 243, 244) aufweist, durch den ein Teil der in das Kammergehäuse (1) einströmenden zweiten Komponente zur Engstelle (23) oder in die vordere Axialbohrung (22) strömt, sich dort mit der ersten Komponente mischt, wonach dieses Gemisch wenigstens zum Teil in der hinteren Axialbohrung (21) verbrennt und aus dieser in das Kammergehäuse (1) strömt. Injector axis (i) from the interior of the chamber housing into the constriction (23) or in its vicinity into the front axial bore (22), with its inner end pointing in the direction of the rear axial bore (21) inclined channel (241, 242; 243, 244) through which part of the second component flowing into the chamber housing (1) flows to the constriction (23) or into the front axial bore (22), mixes there with the first component, after which this mixture is at least partially in the rear axial bore ( 21) burns and flows out of this into the chamber housing (1).
2. Brenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 25 ) aus einem Grundteil ( 26 ) mit der hinteren Axialbohrung ( 21 ) und einer koaxialen, im Grundteil ( 26 ) in Längsrichtung bewegbaren Injektornadel ( 27 ) mit der vorderen Axialbohrung ( 22 ) besteht, wobei durch eine Bewegung der Injektornadel ( 27 ) in axialer Richtung, der Gesamtquerschnitt des Schrägkanals ( 243, 244 ) veränderbar ist. ( Fig. 4 ).2. Burning device according to claim 1, characterized in that the injector tube (25) consists of a base part (26) with the rear axial bore (21) and a coaxial injector needle (27) movable in the longitudinal direction in the base part (26) with the front axial bore ( 22), whereby the total cross-section of the inclined channel (243, 244) can be changed by moving the injector needle (27) in the axial direction. (Fig. 4).
3. Brenneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr (2) auf seiner Außenseite zur Vergrößerung der Oberfläche Kühlrippen ( 28 ) aufweist ( Fig. 5 ).3. Burning device according to claim 1 or 2, characterized in that the injector tube (2) has cooling fins (28) on its outside to enlarge the surface (Fig. 5).
4. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) abgewinkelt ausgebildet ist.4. Burning device according to claims 1 to 3, characterized in that the injector tube (2) is angled.
5. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) bogenförmig gekrümmt ausgebildet ist.5. Burning device according to claims 1 to 3, characterized in that the injector tube (2) is curved in an arc shape.
6. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Kammergehäuse ( 1 ) mit einem Kopfteil ( 11 ), wobei das Kopfteil ( 11 ) zur Aufnahme des Injektorrohres ( 2 ) eine zentrale Bohrung ( 12 ) aufweist, um die herum mehrere Düsen ( 131 - 136 ) als Zufuhreinrichtungen für die zweite Komponente angeordnet sind.6. Burning device according to claims 1 to 5, characterized by a cylindrical chamber housing (1) with a head part (11), wherein the head part (11) for receiving the injector tube (2) has a central bore (12) around which several Nozzles (131-136) are arranged as feed devices for the second component.
7. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) aus einem katalytischen Material besteht. 7. Burning device according to claims 1 to 6, characterized in that the injector tube (2) consists of a catalytic material.
8. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) mit einem katalytischen Material versehen ist. 8. Burning device according to claims 1 to 6, characterized in that the injector tube (2) is provided with a catalytic material.
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