EP0396554B1 - Brenneinrichtung - Google Patents

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EP0396554B1
EP0396554B1 EP88909088A EP88909088A EP0396554B1 EP 0396554 B1 EP0396554 B1 EP 0396554B1 EP 88909088 A EP88909088 A EP 88909088A EP 88909088 A EP88909088 A EP 88909088A EP 0396554 B1 EP0396554 B1 EP 0396554B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axial bore
component
injector
chamber housing
injector tube
Prior art date
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EP88909088A
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English (en)
French (fr)
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EP0396554A1 (de
Inventor
Michael L. Zettner
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to AT88909088T priority Critical patent/ATE94631T1/de
Publication of EP0396554A1 publication Critical patent/EP0396554A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0396554B1 publication Critical patent/EP0396554B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a combustion device for burning a combustible mixture consisting of two flowable components.
  • a closed system is a closed combustion chamber in which fuel and oxidizer are brought together, burn and then do mechanical work or generate heat through the expansion of the combustion gases.
  • 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.
  • a high flow rate with 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 rate or the combustion chamber pressure increases.
  • blow-out occurs.
  • the flame front breaks off and the media flow unburned through the combustion chamber.
  • fuels that are extremely inhomogeneous it is not possible to maintain this ignitability range without complex auxiliary structures and aids.
  • fuels that burn extremely quickly or even detonate, such as hydrogen the ignitability range becomes extremely small at higher flow speeds and, depending on them, higher combustion chamber pressures. The thermal influences can already result in the ignitability range being shifted in such a way that blow-out occurs.
  • the invention is therefore based on the object of providing a combustion device for burning a flowable fuel with a flowable oxiadator, by means of which ignition problems in particular in the case of lean mixtures are avoided.
  • the chamber housing is longer than the part of the injector tube which projects into the chamber housing
  • the injector tube has a larger rear axial bore at its end oriented towards the outlet opening and a narrower front end at its end facing away from the outlet opening Axial bore, between the two bores the constriction and those running into or near the constriction into the front axial bore, with its inner end in Inclined channel pointing in the direction of the rear axial bore with a variable overall cross-section, whereby this mixture, as a rich mixture with high ignitability, largely pre-burns in the rear axial bore, thereby heating up the wall in the area of the rear axial bore, flowing from it into the rest of the chamber housing, where it co-exists the remaining part of the second component mixes and burns out completely.
  • the injector tube preferably consists of a Base part with the rear axial bore and a coaxial injector needle which is movable in the base part in the longitudinal direction with the front axial bore, the total cross section of the oblique channels being changeable by moving the injector needle in the axial direction.
  • the injector tube In the case of a very high-energy combustion in the injector tube, it may be necessary in a further development of the invention to provide the injector tube on its outside with cooling fins. This results in a higher heat output 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 which 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 arcuate manner.
  • this consists of a cylindrical chamber housing with a head part, the head part for receiving the injector tube having a central bore, around which nozzles are arranged as supply devices for the second component.
  • the injector tube consists of a catalytic material or is provided with a catalytic material.
  • 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
  • flowable substance is understood to mean all liquids, gases or emulsions, but also mixtures of liquids or gases with solid particles, which, however, have flowable properties.
  • a cylindrical chamber housing 1 with a disk-shaped head part 11 is shown in FIGS. 1 and 2, the head part 11 for receiving the injector tube 2 being provided with a central bore 12 (FIG.
  • nozzles 13 are arranged as supply means for the second component of a combustible mixture.
  • the nozzles 131-136 are visible in FIG.
  • the number or position of the nozzles 13 is not of importance for the invention.
  • the combustion gases emerge from the chamber housing 1 as a jet through the outlet opening 15.
  • the injector tube 2 shown in FIG. 3 serves as a supply means for the first component of the combustible mixture. It has a rear axial bore 21 at its rear end oriented towards the outlet opening 15, a narrower front axial bore 22 at its end facing away from the outlet opening 15 and a narrow point 23 between the two bores 21, 22.
  • inclined channels 241, 242 run radially and obliquely to Injector axis i with the apex of the angle ⁇ pointing in the direction of the front axial bore 21, from the chamber interior to the constriction 23 or on the side of the rear axial bore 22 just before the constriction 23 the inclined channels 241, 242 a part of the second component flowing into the chamber housing 1 flows into the constriction 23 or shortly 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.
  • the inclined channels 241, 242 form an acute angle ⁇ with the injector axis i
  • the second component flowing through the inclined channels 241, 242 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 complete or partially open into the constriction 23.
  • the combustible mixture is ignited in the chamber housing 1 by an ignition probe 3.
  • the two components of the combustible mixture are conveyed into the chamber housing 1 with only low pressure or only a low flow rate. After ignition, the flame strikes back to the narrow point 23 between the two axial channels 21, 22, but not beyond the narrow point.
  • 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.
  • the burning behavior of the combustion device is of particular interest when the second component, for example air, is excessively lean.
  • the use of the injector tube 2 here means that when the pressure and flow velocity in the chamber housing 1 change, there is no change in the combustion behavior with regard to the ignitability of the mixture, but only when the injector tube setting is changed, as is shown in FIGS. 4B and 4C.
  • the combustion in the injector tube 2 can be influenced by enlarging or reducing the oblique channels 241, 242.
  • 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 react immediately with the second component in the jacket flow.
  • the injector tube 25 shown in FIGS. 4, 4A consists of a base part 26 with the rear axial bore 21 and a coaxial injector needle 27 with the front axial bore 22, which can be displaced longitudinally in the base part 26. Due to the axial displacement of the injector needle 27 in the base part 26 the total cross section of the inclined channels 243, 244 can be changed.
  • FIG. 4A shows an exploded view of base part 26 and injector needle 27.
  • a defined movement of the injector needle 27 in the base part 26 can be carried out, for example, by a thread (not shown in the drawings) between the base part 26 and the injector needle 27.
  • FIGS. 4B, 4C show the injector tube 25 with two extreme positions of the injector needle 27: in FIG. 4B, the oblique channels 243, 244 are completely open and in FIG. 4C they are almost closed.
  • the injector needle 27 needs to be changed or readjusted in a predetermined manner.
  • FIG. 5 shows an injector tube 2 which has cooling fins 28 on its outside.
  • the number and geometry of the cooling fins 28 must be determined on a case by case basis.
  • FIG. 6 finally shows a chamber housing 14 which is open at the front and in which the injector tube 2 is supported by an angled projection 29.
  • the first component is also fed through the attachment 29.
  • the extension 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 can be provided with a catalytic material.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines aus zwei fließfähigen Komponenten bestehenden brennbaren Gemisches.
  • Bei Verbrennungsvorgängen, wie sie in modernen 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.
  • 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.
  • Wenn das für die Zündfähigkeit notwendige 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 Zündrähigkeitsbereich so verschiebt, daß es zu Ausbläsern kommt.
  • 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.
  • 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.
  • In der US-PS 3 733 165 ist eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines brennbaren Gemisches aus zwei fließfähigen Komponente beschrieben, 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 zweiten Komponente und zu deren Mischung, einer Austrittsöffnung für die Verbrennungsgase, einem Injektorrohr, das in das Kammergehäuse in Richtung auf dessen Austrittsöffnung hineinragt, mit einer Axialbohrung für die Zufuhr der ersten Komponente, einer Engstelle in der Axialbohrung und mindestens einem radial und schräg zur Injektorachse vom Innenraum des Kammergehäuse verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der Axialbohrung weisenden Schrägkanal, durch den ein Teil der in das Kammergehäuse einströlmenden zweiten Komponente strömt und sich in der ersten Axialbohrung mit der ersten Komponente mischt. Bei dieser Verbrennungseinrichtung werden keine Probleme behandelt, die sich aus einer unterstöchiometrischen Verbrennung, das heißt aus der Verbrennung eines mageren Gemisches, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, ergeben.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxiadator zu schaffen, durch die insbesondere die bei mageren Gemischen Zündprobleme vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kammergehäuse länger ist als der Teil des Injektorrohres, der in das Kammergehäuse hineinragt, das Injektorrohr an seinem zur Austrittsöffnung hin orientierten Ende eine größere hintere Axialbohrung, an seinen von der Austrittsöffnung abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung, zwischen beiden Bohrungen die Engstelle und den in die Engstelle oder in deren Nähe in die vordere Axialbohrung verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der hinteren Axialbohrung weisenden Schrägkanal mit veränderbarem Gesamtquerschnitt aufweist, wobei dieses Gemisch als fettes Gemisch mit hoher Zündfähigkeit zum größten Teil in der hinteren Axialbohrung vorbrennt, dabei die Wandung im Bereich der hinteren Axialbohrung aufheizt, aus dieser in das restliche Kammergehäuse strömt, sich dort mit dem restlichen Teil der zweiten Komponente mischt und vollständig ausbrennt.
  • 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 veranderbar ist.
  • 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.
  • 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 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 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:
    • Fig. 1
    eine Brenneinrichtung mit einem Kammergehäuse und einem Injektorrohr,
    Fig. 2
    die Brenneinrichtung nach Figur 1 ohne Injektorrohr,
    Fig. 3
    ein nicht einstellbares Injektorrohr,
    Fig. 4
    ein einstellbares Injektorrohr,
    Fig. 4A
    eine auseinandergezogene Darstellung des einstellbaren Injektorrohres nach Figur 4,
    Fig. 4B
    das einstellbare Injektorrohr nach Figur 4 mit offenen Schrägkanälen
    Fig. 4C
    das einstellbare Injektorrohr nach Figur 4 mit fast geschlossenen Schrägkanälen
    Fig. 5
    ein Injektorrohr mit Kühlrippen und
    Fig. 6
    ein Brennkammergehäuse mit einem abgewinkelten Injektorrohr.
  • 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.
  • Das in Figur 3 wiedergegebene Injektorrohr 2 dient als Zufuhrmittel für die erste Komponente des brennbaren Gemisches. Es hat an seinem zur 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 des Winkels α in Richtung der vorderen Axialbohrung 21 weisend, vom Kammerinnenraum zur Engstelle 23 oder auf Seiten der hinteren Axialbohrung 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, 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 Querschnittsflache 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.
  • 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 das 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,
    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.
  • 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 des 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 der 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 des 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 geringere 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:
    • Bei Inhomogenität einer oder beider Komponenten. 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 der 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.
      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 Injektorrohres 2 reagieren kann.
    • 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.
      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 hinteren Axialbohrung 21, hat in solchen Fällen einen wesentlichen Einfluß auf den Ausbrand.
  • Beim Verlassen der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 haben die unverbrannten Reste der ersten Komponente eine so hohe Temperatur, daS sie sofort mit der zweiten Komponente im Mantelstrom reagieren.
  • 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 einem 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 im 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.
  • 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 den Zeichnungen sind jeweils nur zwei Schrägkanäle 241, 242 bzw. 243, 244 wiedergegeben. Es versteht sich jedoch, daß die Anzahl der 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 Kühlrippen 28 aufweist. Die Anzahl und die Geometrie der Kühlrippen 28 muß von Fall zu Fall bestimmt werden.
  • 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 Ansatz 29 kann auch wie ein Kreisbogenabschnitt gekrümmt sein, sodaß ein Injektorrohr 25 mit Schrägkanälen 243, 244 mit veränderbarem Querschnitt verwendbar ist.
  • Zur Verbesserung der Verbrennung kann das Injektorrohr 2 aus einem katalytischen Material bestehen oder mit einem katalytischen Material versehen sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kammergehäuse
    11
    Kopfteil
    12
    zentrale Bohrung
    13
    Düse
    131-136
    Düsen
    14
    vorne offenes Kammergehäuse
    15
    Austrittsöffnung
    2
    Injektorrohr
    21
    hintere Axialbohrung
    22
    vordere Axialbohrung
    23
    Engstelle
    241, 242
    Schrägkanäle mit konstantem Querschnitt
    243, 244
    Schrägkanäle mit veränderbarem Querschnitt
    25
    Injektorrohr mit veränderbarem Querschnitt der Schrägkanäle
    26
    Grundteil
    27
    Injektornadel
    28
    Kühlrippen
    3
    Zündsonde

Claims (8)

  1. Brenneinrichtung zur Verbrennung eines brennbaren Gemisches aus zwei fließfähigen Komponenten, von denen mindestens eine mit hohem Druck oder hoher Geschwindigkeit zugeführt wird, mit einem Gehäuse ( 1 ) mit einer Kammer, Mitteln für die Zufuhr der ersten und der zweiten Komponente und zu deren Mischung, einer Austrittsöffnung ( 15 ) für die Verbrennungsgase, einem Injektorrohr ( 2 ), das in das Kammergehäuse ( 1 ) in Richtung auf dessen Austrittsöffnung ( 15 ) hineinragt, mit einer Axialbohrung ( 21, 22 ) für die Zufuhr der ersten Komponente, einer Engstelle ( 23 ) in der Axialbohrung ( 21, 22 ) und mindestens einem radial und schräg zur Injektorachse ( i ) vom Innenraum des Kammergehäuses ( 1 ) verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der Axialbohrung ( 21, 22 ) weisenden Schrägkanal ( 241, 242; 243, 244 ), durch den ein Teil der in das Kammergehäuse ( 1 ) einströmenden zweiten Komponente strömt und sich in der Axialbohrung ( 21, 22 ) mit der ersten Komponente mischt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammergehäuse ( 1 ) länger ist als der Teil des Injektorrohres ( 2 ), der in das Kammergehäuse ( 1 ) hineinragt, das Injektorrohr ( 2 ) an seinem zur Austrittsöffnung ( 15 ) hin orientierten Ende eine größere hintere Axialbohrung ( 21 ), an seinem von der Austrittsöffnung ( 15 ) abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung ( 22 ), zwischen beiden Bohrungen ( 21, 22 ) die Engstelle ( 23 ) und den 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 ) mit veränderbarem Gesamtquerschnitt aufweist, wobei dieses Gemisch als fettes Gemisch mit hoher Zündfähigkeit zum großen Teil in der hinteren Axialbohrung ( 21 ) verbrennt, dabei die Wandung im Bereich der hinteren Axialbohrung ( 21 ) aufheizt, aus dieser in das restliche Kammergehäuse ( 1 ) strömt, sich dort mit dem restlichen Teil der zweiten Komponente mischt und vollständig ausbrennt.
  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 ).
  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 ).
  4. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) abgewinkelt ausgebildet ist.
  5. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) bogenförmig gekrümmt ausgebildet ist.
  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.
  7. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) aus einem katalytischen Material besteht.
  8. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) mit einem katalytischen Material versehen ist.
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