WO2009150069A2 - Combustion chamber device, and method for the operation of a combustion chamber device - Google Patents

Combustion chamber device, and method for the operation of a combustion chamber device Download PDF

Info

Publication number
WO2009150069A2
WO2009150069A2 PCT/EP2009/056647 EP2009056647W WO2009150069A2 WO 2009150069 A2 WO2009150069 A2 WO 2009150069A2 EP 2009056647 W EP2009056647 W EP 2009056647W WO 2009150069 A2 WO2009150069 A2 WO 2009150069A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injector
combustion chamber
fuel
chamber device
laser beam
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/056647
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2009150069A3 (en
Inventor
Johannes Lux
Oskar Haidn
Dmitry Suslov
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. filed Critical Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority to DE202009018138U priority Critical patent/DE202009018138U1/en
Publication of WO2009150069A2 publication Critical patent/WO2009150069A2/en
Publication of WO2009150069A3 publication Critical patent/WO2009150069A3/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23QIGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q13/00Igniters not otherwise provided for
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26Starting; Ignition
    • F02C7/264Ignition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44Feeding propellants
    • F02K9/52Injectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/60Constructional parts; Details not otherwise provided for
    • F02K9/62Combustion or thrust chambers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/95Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by starting or ignition means or arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/80Diagnostics
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00006Using laser for starting or improving the combustion process

Abstract

Disclosed is a combustion chamber device comprising at least one combustion chamber, at least one injection head that has at least one injector for feeding fuel and oxidant to a combustion chamber, and a laser apparatus for generating at least one laser beam for igniting a fuel-oxidant mixture. In order to design a combustion chamber device that allows for a reliable ignition process in order to ignite a flame, the at least one injector encompasses at least one internal injector element, an external injector element, and a common fluid duct for fluids conducted within the internal injector element and the external injector element. Said common fluid duct leads into the combustion chamber, and the at least one igniting laser beam is injected into the injector in the common fluid duct.

Description

Brennkammervorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung Combustion chamber apparatus and method of operating a combustor
Die Erfindung betrifft eine Brennkammervorrichtung, welche mindestens eine Brennkammer, mindestens einen Einblaskopf mit mindestens einem Injektor zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu einem Brennraum und eine Laservorrichtung zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls zur Zündung eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches umfasst.The invention relates to a combustion chamber device comprising at least one combustion chamber, at least one injection head with at least one injector for supplying fuel and oxidizer to a combustion chamber and a laser device for generating at least one laser beam for igniting a fuel-oxidizer mixture.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Triebwerk, welches mindestens eine Brennkammervorrichtung umfasst.Furthermore, the invention relates to an engine, which comprises at least one combustion chamber device.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer- Vorrichtung, bei dem ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch gezündet wird.The invention further relates to a method of operating a combustion chamber device in which a fuel-oxidizer mixture is ignited.
Bei den bekannten Brennkammervorrichtungen und Triebwerken wird beispielsweise ein in dem Artikel von Huzel, D. K. and Huang, D.H., Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines. AIAA, Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 147, 1992, beschriebener pyrotechnischer Zünder zum Zünden einer Flamme in der Brennkammervorrichtung und/oder in dem Triebwerk verwendet. Derartige pyrotechnische Zünder haben den Nachteil, dass sie nur einmal verwendet werden können.In the known combustor devices and engines, for example, in the article by Huzel, D.K. and Huang, D.H., Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines. AIAA, Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 147, 1992, disclosed a pyrotechnic igniter for igniting a flame in the combustor and / or engine. Such pyrotechnic igniters have the disadvantage that they can only be used once.
Die DE 10 2007 033 809 Al offenbart eine Laserzündanlage für einen Verbrennungsmotor.DE 10 2007 033 809 A1 discloses a laser ignition system for an internal combustion engine.
Die DE 37 31 046 Al offenbart ein Verfahren zum Einleiten einer exotherm verlaufenden chemischen Reaktion, bei welchem ein Katalysatorbett mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird. Die DE 15 38 106 A offenbart einen magneto-hydrodynamischen Generator.DE 37 31 046 A1 discloses a method for initiating an exothermic chemical reaction in which a catalyst bed is exposed to a laser beam. DE 15 38 106 A discloses a magneto-hydrodynamic generator.
Die DE 603 07 033 T2 offenbart eine Pulsverbrennungsvorrichtung, welche beispielsweise in einer Turbinenmaschine verwendet wird.DE 603 07 033 T2 discloses a pulse combustion device which is used for example in a turbine engine.
Die EP 0 816 674 Al offenbart eine Brennkammer, in welcher ein zerstäubter Brennstoff mit komprimierter Luft verbrannt wird. Das Brennstoff- Luft- Gemisch wird hierzu mittels eines Laserstrahls, welcher auf einen Bereich stromabwärts einer Brennstoffdüse in einem Brennraum der Brennkammer gerichtet ist, gezündet.EP 0 816 674 A1 discloses a combustion chamber in which an atomized fuel is burned with compressed air. The fuel-air mixture is for this purpose ignited by means of a laser beam, which is directed to a region downstream of a fuel nozzle in a combustion chamber of the combustion chamber.
Die WO 2007/011361 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Funkens und eine Diagnoseeinrichtung, mittels welcher der Funke und/oder eine Flamme untersucht werden kann.WO 2007/011361 A2 discloses a device for generating a spark and a diagnostic device by means of which the spark and / or a flame can be examined.
Die WO 98/11388 Al offenbart ein Laserzündungssystem zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer, wobei der Laserstrahl in einen Brennraum der Brennkammer stromabwärts einer Brennstoffdüse gerichtet ist.WO 98/11388 A1 discloses a laser ignition system for igniting a fuel-air mixture in a combustion chamber, wherein the laser beam is directed into a combustion chamber of the combustion chamber downstream of a fuel nozzle.
Die US 5,857,323 A offenbart ein Raketentriebwerk, welches aufgrund eines porösen Injektors für den primären Treibstoff über einen großen Schubbereich drosselbar ist.US 5,857,323 A discloses a rocket engine which is throttable over a large thrust range due to a porous primary fuel injector.
Die US 5,845,480 offenbart eine Brennkammer, bei welcher ein Brennstoff- Luft-Gemisch durch Bestrahlung eines Zündbereichs mit Mikrowellen- und Laserstrahlung gezündet werden kann.US 5,845,480 discloses a combustion chamber in which a fuel-air mixture can be ignited by irradiation of an ignition region with microwave and laser radiation.
Die US 5,673,550 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Brennstoff-Sprays mittels einer Laservorrichtung. Die US 4,302,933 offenbart ein Strahltriebwerk, bei welchem ein Brennstoff- Luft-Gemisch hinter einem Flammenhalter mittels eines Laserstrahls gezündet wird.US 5,673,550 discloses a method and apparatus for igniting an air-fuel spray by means of a laser device. US 4,302,933 discloses a jet engine in which a fuel-air mixture is ignited behind a flame holder by means of a laser beam.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkammervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einen zuverlässigen Zündvorgang zum Zünden einer Flamme ermöglicht.The invention is based on the object to provide a combustion chamber device of the type mentioned, which allows a reliable ignition for igniting a flame.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Injektor mindestens ein inneres Injektorelement und ein äußeres Injektorelement umfasst, und einen gemeinsamen Fluidkanal für in dem inneren Injektorelement und in dem äußeren Injektorelement geführte Fluide umfasst, wobei der gemeinsame Fluidkanal in den Brennraum einmündet und wobei der mindestens eine Laserstrahl in den Injektor in den gemeinsamen Fluidkanal gestrahlt ist.This object is achieved according to the invention in that the at least one injector comprises at least one inner injector element and one outer injector element, and comprises a common fluid channel for fluids guided in the inner injector element and in the outer injector element, wherein the common fluid channel opens into the combustion chamber and the at least one laser beam is blasted into the injector in the common fluid channel.
Durch das Richten eines Laserstrahls auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Injektor in den gemeinsamen Fluidkanal zum Zünden des Brennstoff- Oxidator-Gemisches ist ein Zündvorgang besonders zuverlässig durchführbar. Ein Laserstrahl kann mehrfach hintereinander auf das Brennstoff-Oxidator- Gemisch gerichtet werden, sodass ein Zündvorgang mit wenig Aufwand in kurzen Zeitabständen wiederholbar ist.By directing a laser beam on the fuel-oxidizer mixture in the injector in the common fluid channel for igniting the fuel-oxidizer mixture ignition is particularly reliable feasible. A laser beam can be repeatedly directed to the fuel-Oxidator- mixture, so that an ignition process with little effort at short intervals is repeatable.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung erfolgt eine Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches nicht weit entfernt von den Injektoren, sondern vielmehr direkt in den Injektoren im Bereich des ersten Kontaktes der Reaktanden (zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff). Dies erlaubt eine "sanfte" Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches, wobei ein Druckpeak, welcher entsteht, wenn sich in einem Brennraum große Mengen eines brenn- baren Brennstoff-Oxidator-Gemisches ansammeln und entzünden, und welcher zur Zerstörung der Brennkammervorrichtung führen kann, verhindert wird. Ferner kann die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung den Vorteil bieten, dass aufgrund der Zündung in einem sehr kleinen Bereich an der Stelle des ersten Kontaktes der Reaktanden der Laserstrahl sehr genau fokussiert werden kann und somit eine sehr hohe Energiedichte bei kleiner Laserleistung erreicht werden kann.In the combustion chamber device according to the invention, ignition of the fuel-oxidizer mixture takes place not far from the injectors, but rather directly into the injectors in the region of the first contact of the reactants (for example hydrogen and oxygen). This allows a "gentle" ignition of the fuel-oxidizer mixture, wherein a pressure peak, which arises when large quantities of a combustible fuel-oxidizer mixture accumulate and ignite in a combustion chamber, and which can lead to the destruction of the combustion chamber device, is prevented. Furthermore, the combustion chamber device according to the invention can offer the advantage that due to the ignition in a very small area at the location of the first contact of the reactants, the laser beam can be focused very accurately and thus a very high energy density can be achieved at low laser power.
Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung kann ferner gewährleistet werden, dass der Laserstrahl nur durch den Bereich mit einem Reaktanden (zum Beispiel durch den Bereich, in welchem Wasser- Stoff geführt wird) geführt wird. Aufgrund der zumindest näherungsweise homogenen optischen Eigenschaften dieses Bereichs ergibt sich ein nahezu konstanter optischer Brechungsindex mit entsprechend minimaler Streuung und guter Fokussierung des Laserstrahls. Auf diese Weise kann die benötigte Zündenergie mit minimalen Verlusten zu dem Zündort gebracht werden. Ins- besondere wird dabei verhindert, dass zumindest ein Teil des Laserstrahls bei einem Durchgang durch einen Zwei- oder Mehrkomponentenbereich gestreut und/oder reflektiert wird.In one embodiment of the combustion chamber device according to the invention, it can further be ensured that the laser beam is guided only through the region with a reactant (for example through the region in which hydrogen is passed). Due to the at least approximately homogeneous optical properties of this range, a nearly constant optical refractive index results with correspondingly minimal scattering and good focusing of the laser beam. In this way, the required ignition energy can be brought to the ignition site with minimal losses. In particular, it is prevented that at least part of the laser beam is scattered and / or reflected in a passage through a two- or multi-component region.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die als Zündquelle dienende Laservorrichtung in einen Injektor integriert ist. Dadurch kann die Brennkammervorrichtung platzsparend ausgebildet werden.It can be advantageous if the laser device serving as the ignition source is integrated in an injector. As a result, the combustion chamber device can be designed to save space.
Vorteilhafterweise sind mindestens zwei voneinander verschiedene Fluide mittels des Injektors getrennt führbar.Advantageously, at least two mutually different fluids can be guided separately by means of the injector.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn der mindestens eine Injektor mindestens ein als Brennstoff-Injektorelement ausgebildetes Injektorelement zum Zuführen von Brennstoff und mindestens ein als Oxidator-Injektorelement ausgebildetes Injektorelement zum Zuführen von Oxidator umfasst. Auf diese Weise kann mittels des Injektors sowohl Brennstoff als auch Oxidator zugeführt werden. Günstig kann es sein, wenn das innere Injektorelement und das äußere Injektorelement des mindestens einen Injektors koaxial zueinander angeordnet sind. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die in den Injektorelementen geführten Fluide ohne eine Drallerzeugung und ohne eine Zerstäubung koaxial zueinander geführt werden. Durch eine solche koaxiale Einstrahlung erhält man vorzugsweise ein zündfähiges Brennstoff-Oxidator-Gemisch, insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoff beziehungsweise Oxidator.It may be particularly advantageous if the at least one injector comprises at least one injector element designed as a fuel injector element for supplying fuel and at least one injector element designed as an oxidizer injector element for supplying oxidant. In this way, both fuel and oxidizer can be supplied by means of the injector. It may be favorable if the inner injector element and the outer injector element of the at least one injector are arranged coaxially with one another. In particular, it may be provided that the fluids guided into the injector elements are guided coaxially with one another without a swirl generation and without atomization. By such a coaxial irradiation is preferably obtained an ignitable fuel-oxidizer mixture, especially when using hydrogen and oxygen as a fuel or oxidizer.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Injektor mindestens zwei innere Injektorelemente umfasst.In principle, it can be provided that the at least one injector comprises at least two inner injector elements.
Besonders günstig kann es sein, wenn mindestens drei Injektorelemente des mindestens einen Injektors trikoaxial zueinander angeordnet sind. Dadurch sind mindestens drei, beispielsweise voneinander verschiedene, Fluide mittels des Injektors getrennt führbar.It can be particularly favorable when at least three injector elements of the at least one injector are arranged in a tricoaxial manner. As a result, at least three fluids, for example different from one another, can be guided separately by means of the injector.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der mindestens eine Injektor mindestens ein Injektorrohr umfasst.It can be advantageous if the at least one injector comprises at least one injector tube.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an einem in der Einströmrichtung hinteren Ende mindestens eines Injektorelements eine innere und/oder eine äußere Anfasung vorgesehen ist. Auf diese Weise ist eine Gemischbildung in der Einströmrichtung hinter dem Injektorelement be- günstigt.In one embodiment of the invention, it can be provided that an inner and / or an outer chamfer is provided at a rear end of at least one injector element in the inflow direction. In this way, mixture formation in the inflow direction behind the injector element is favored.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der mindestens eine Injektor an einer Injektormündungsöffnung direkt in den Brennraum einmündet.It may be advantageous if the at least one injector opens at an injector opening directly into the combustion chamber.
Das innere Injektorelement mündet vorzugsweise in den gemeinsamen Fluidkanal. Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass mindestens eine Mündungsöffnung des inneren Injektorelements gegenüber einer Ausrittsebene des mindestens einen Injektors entgegen einer Einströmrichtung zurückversetzt angeordnet ist. Dadurch ist eine optimierte Strömung innerhalb der Brennkammer- Vorrichtung möglich.The inner injector element preferably opens into the common fluid channel. It can advantageously be provided that at least one orifice opening of the inner injector element is arranged offset from the direction of entry of a recession plane of the at least one injector against an inflow direction. As a result, an optimized flow within the combustion chamber device is possible.
Insbesondere kann durch geeignete Wahl der relativen Abstände und der Durchmesser der Mündungsöffnungen und der Austrittsebene eine Flammen- ankerungszone innerhalb des Injektors gebildet und eine Flamme dort stabiler gehalten werden.In particular, by suitable choice of the relative distances and the diameters of the mouth openings and the exit plane, a flame-anchoring zone can be formed within the injector and a flame can be kept more stable there.
Ferner bietet ein solches Zurückversetzen der Mündungsöffnung des mindestens einen Injektorelements gegenüber der Austrittsebene des mindestens einen Injektors den Vorteil, dass sich ein Öffnungswinkel einer sich ausbilden- den Flamme beim Eintritt in die Brennkammer vergrößert. Dies führt in der Folge zu verbesserten Leistungsdaten der Brennkammer, insbesondere zu einer besseren Verbrennungsstabilität und einer höheren Verbrennungseffizienz.Furthermore, such a retraction of the orifice of the at least one injector element relative to the exit plane of the at least one injector offers the advantage that an opening angle of a flame forming on entry into the combustion chamber increases. As a result, this leads to improved performance data of the combustion chamber, in particular to a better combustion stability and a higher combustion efficiency.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Laservorrichtung mindestens eine Laser- diode umfasst. Auf diese Weise ist ein Laserstrahl einfach erzeugbar.It can be advantageous if the laser device comprises at least one laser diode. In this way, a laser beam is easily generated.
Alternativ oder ergänzend hierzu können auch andere Laservorrichtungen wie Festkörperlaser, Gaslaser, Farbstofflaser usw. Anwendung finden.Alternatively or additionally, other laser devices such as solid-state lasers, gas lasers, dye lasers, etc. may be used.
Zur Versorgung der Laservorrichtung mit Energie ist vorzugsweise eine tragbare Energieversorgung, beispielsweise eine Batterie, vorgesehen.To supply the laser device with energy, a portable power supply, for example a battery, is preferably provided.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung eine solche Laserwellenlänge aufweist, dass das Brennstoff-Oxidator- Gemisch, insbesondere der Oxidator, mittels der Laservorrichtung photochemisch angeregt ist. Es kann vorgesehen sein, dass ein Laserstrahl auf den Oxidator hinsichtlich einer Absorptionswellenlänge, der Aktivierungsenergie oder des Emissionsgrades für eine primäre Anregung abgestimmt ist.In one embodiment of the invention it is provided that the laser device has such a laser wavelength that the fuel-oxidizer mixture, in particular the oxidizer, is photochemically excited by means of the laser device. It can be provided that a laser beam is tuned to the oxidizer with regard to an absorption wavelength, the activation energy or the emissivity for a primary excitation.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl mit einer Frequenz von mindestens 10 Hz, insbesondere mit einer Frequenz von mehreren 100 Hz, zur Erhöhung der Zündsicherheit pulsiert.Advantageously, it can be provided that the laser beam with a frequency of at least 10 Hz, in particular with a frequency of several 100 Hz, pulsates to increase the ignition safety.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Laservorrichtung mindestens einen Licht- leiter zur Führung des mindestens einen Laserstrahls umfasst.It can be advantageous if the laser device comprises at least one light guide for guiding the at least one laser beam.
Günstig kann es sein, wenn die Laservorrichtung mindestens ein optisches System zur Fokussierung des mindestens einen Laserstrahls umfasst.It may be favorable if the laser device comprises at least one optical system for focusing the at least one laser beam.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein optischer Zugang in einer äußeren Wand des mindestens einen Injektors vorgesehen ist. Dadurch kann ein Laserstrahl einfach in einen Innenraum des Injektors gerichtet werden.It may be particularly advantageous if at least one optical access is provided in an outer wall of the at least one injector. As a result, a laser beam can be easily directed into an interior of the injector.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der mindestens eine optische Zugang in einer Richtung parallel zu der Einströmrichtung zwischen mindestens einer Mündungsöffnung eines Injektorelements, insbesondere des inneren Injektorelements, und einer Austrittsebene des mindestens einen Injektors angeordnet ist. Dadurch kann der mindestens eine Laserstrahl einfach auf ein sich bereits innerhalb des Injektors ausbildendes Brennstoff-Oxidator- Gemisch gerichtet werden.Furthermore, it can advantageously be provided that the at least one optical access is arranged in a direction parallel to the inflow direction between at least one orifice opening of an injector element, in particular of the inner injector element, and an exit plane of the at least one injector. As a result, the at least one laser beam can be easily directed to a fuel-oxidizer mixture that already forms within the injector.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Brennkammervorrichtung mindestens eine Detektionsvorrichtung umfasst. Auf diese Weise kann eine einfache Überwachung der Brennkammervorrichtung erfolgen. Günstig kann es sein, wenn die mindestens eine Detektionsvorrichtung mindestens einen Lichtdetektor umfasst. Auf diese Weise kann von der Flamme in der Brennkammervorrichtung ausgesandtes Licht einfach erfasst werden.In one embodiment of the invention, it may be provided that the combustion chamber device comprises at least one detection device. In this way, a simple monitoring of the combustion chamber device can take place. It may be favorable if the at least one detection device comprises at least one light detector. In this way, light emitted from the flame in the combustion chamber device can be easily detected.
Besonders günstig kann es sein, wenn die mindestens eine Detektionsvorrichtung mindestens einen Lichtleiter umfasst. Auf diese Weise ist von der Flamme in der Brennkammervorrichtung ausgesandtes Licht einfach zu der Detektionsvorrichtung führbar.It can be particularly favorable if the at least one detection device comprises at least one light guide. In this way, light emitted from the flame in the combustion chamber device can easily be guided to the detection device.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die mindestens eine Detektionsvorrichtung so an mindestens einem Injektor angeordnet ist, dass eine Flamme in dem Bereich detektierbar ist, in dem eine Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemi- sches mittels mindestens eines Laserstrahls erfolgt. Auf dieses Weise ist besonders einfach überwachbar, ob eine Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemi- sches erfolgt ist.It can be advantageous if the at least one detection device is arranged on at least one injector such that a flame can be detected in the region in which ignition of the fuel-oxidizer mixture takes place by means of at least one laser beam. In this way it is particularly easy to monitor whether ignition of the fuel-oxidizer mixture has taken place.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens eine Detektionsvorrichtung so an mindestens einem Injektor angeordnet ist, dass eine Flamme zwischen mindestens einer Mündungsöffnung eines Injektorelements, vorzugs- weise des inneren Injektorelements, und einer Austrittsebene des mindestens einen Injektors detektierbar ist. Dadurch kann einfach überprüft werden, ob sich die Flamme bis in den Injektor hinein erstreckt oder von dort ausbreitet.It may be particularly advantageous if at least one detection device is arranged on at least one injector such that a flame can be detected between at least one orifice opening of an injector element, preferably the inner injector element, and an exit plane of the at least one injector. This makes it easy to check whether the flame extends into or out of the injector.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Strahlumlenkung vorgesehen ist, um so- wohl mindestens einen Laserstrahl als auch einen mittels der mindestens einen Detektionsvorrichtung zu detektierenden Strahl über einen zumindest abschnittsweise gemeinsamen optischen Weg führen zu können. Auf diese Weise kann mittels lediglich eines optischen Zugangs an dem Injektor sowohl eine Einkopplung eines Lasers, als auch eine Auskopplung eines von der Flamme emittierten und von der Detektionsvorrichtung zu detektierenden Lichtstrahls erfolgen. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Injektor mindestens zwei optische Zugänge in einer äußeren Wand umfasst.It can be advantageous if a beam deflection is provided in order to be able to guide both at least one laser beam and a beam to be detected by means of the at least one detection device via an optical path that is at least partially in sections. In this way, by means of only one optical access to the injector, both a coupling of a laser and a coupling-out of a light beam emitted by the flame and to be detected by the detection device can take place. Alternatively or additionally, it can be provided that at least one injector comprises at least two optical accesses in an outer wall.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der min- destens eine Einblaskopf mehrere gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnete Injektoren umfasst. Dadurch ist auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Ausbildung einer Flamme in der Brennkammervorrichtung möglich.In one embodiment of the invention, it can be provided that the at least one injection head comprises a plurality of injectors arranged uniformly spaced from one another. As a result, a uniform formation of a flame in the combustion chamber device is possible in a simple manner.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Brennkammervorrichtung vorgesehen ist.It may be advantageous if at least one control device is provided for controlling the combustion chamber device.
Ganz besonders vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens zwei Injektoren jeweils eine Laservorrichtung zugeordnet ist, wobei die mindestens zwei La- servorrichtungen mittels der Steuerungsvorrichtung, insbesondere zeitlich, steuerbar sind.It may be particularly advantageous if at least two injectors are each assigned a laser device, wherein the at least two laser devices are controllable by means of the control device, in particular in terms of time.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels der Steuerungsvorrichtung die Leistung und/oder die Impulsdauer der mindestens zwei Laservorrichtungen steuerbar ist.Alternatively or additionally, it can be provided that the power and / or the pulse duration of the at least two laser devices can be controlled by means of the control device.
Günstig ist es, wenn die Laservorrichtung an dem mindestens einen Injektor angeordnet ist. Auf diese Weise kann der mindestens eine Laserstrahl besonders einfach in den Injektor in den gemeinsamen Fluidkanal eingestrahlt wer- den.It is favorable if the laser device is arranged on the at least one injector. In this way, the at least one laser beam can be radiated particularly easily into the injector in the common fluid channel.
Günstig ist es ferner, wenn der mindestens eine Injektor eine Strahleintrittsstelle umfasst, welche am gemeinsamen Fluidkanal, insbesondere in einer Wand des gemeinsamen Fluidkanals, angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein direkter Zugang zu dem gemeinsamen Fluidkanal des Injektors gewährleistet. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Triebwerk der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches einen zuverlässigen und mehrfach ausführbaren Zündvorgang zum Zünden einer Flamme in dem Triebwerk ermöglicht.It is also favorable if the at least one injector comprises a jet entry point, which is arranged on the common fluid channel, in particular in a wall of the common fluid channel. In this way, a direct access to the common fluid channel of the injector is ensured. The invention is further based on the object to provide an engine of the type mentioned, which allows a reliable and multiple executable ignition process for igniting a flame in the engine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung eingesetzt wird.This object is achieved in that a combustion chamber device according to the invention is used.
Das erfindungsgemäße Triebwerk weist vorzugsweise die bereits im Zusam- menhang mit der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung erläuterten Vorteile auf.The engine according to the invention preferably has the advantages already explained in connection with the combustion chamber device according to the invention.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung so zu verbessern, dass ein Zündvorgang zum Zünden einer Flamme zuverlässig mehrfach ausführbar ist.The invention is further based on the object to improve a method for operating a combustion chamber device so that an ignition process for igniting a flame is reliable multiple executable.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch mittels mindestens eines Injektors zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu einem Brennraum erzeugt wird, wobei der mindestens eine Injektor mindestens ein inneres Injektorelement und ein äußeres Injektorelement umfasst, und einen gemeinsamen Fluidkanal für in dem inneren Injektorelement und in dem äußeren Injektorelement geführte Fluide umfasst, wobei der gemeinsame Fluidkanal in den Brennraum einmündet, und mindestens ein Laserstrahl auf das Brenn- stoff-Oxidator-Gemisch in den Injektor in den gemeinsamen Fluidkanal zum Zünden desselben gerichtet wird.This object is achieved in the aforementioned method according to the invention in that a fuel-oxidizer mixture is generated by means of at least one injector for supplying fuel and oxidizer to a combustion chamber, wherein the at least one injector comprises at least one inner injector element and an outer injector element, and a common fluid channel for fluids carried in the inner injector element and in the outer injector element, the common fluid channel opening into the combustion chamber, and at least one laser beam on the fuel-oxidant mixture into the injector into the common fluid channel for igniting same is directed.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung und/oder dem erfindungsgemäßen Triebwerk beschriebenen Merkmale und Vorteile auf. Durch das Richten eines Laserstrahls auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Injektor in den gemeinsamen Fluidkanal zum Zünden des Brennstoff- Oxidator-Gemisches ist ein Zündvorgang besonders zuverlässig durchführbar. Ein Laserstrahl kann mehrfach hintereinander auf das Brennstoff-Oxidator- Gemisch gerichtet werden, sodass ein Zündvorgang mit wenig Aufwand in kurzen Zeitabständen wiederholbar ist.The method according to the invention preferably has the features and advantages described above in connection with the combustion chamber device according to the invention and / or the engine according to the invention. By directing a laser beam on the fuel-oxidizer mixture in the injector in the common fluid channel for igniting the fuel-oxidizer mixture ignition is particularly reliable feasible. A laser beam can be repeatedly directed to the fuel-Oxidator- mixture, so that an ignition process with little effort at short intervals is repeatable.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Laserstrahl auf eine Flammen- ankerungszone gerichtet wird. Auf diese Weise ist eine besonders zuverlässige Zündung möglich.It can be advantageous if at least one laser beam is directed onto a flame-anchoring zone. In this way, a particularly reliable ignition is possible.
Flammenankerungszonen (welche auch als flame holding zone, flame anchor point, flame anchoring point, flame anchoring zone oder flame stabilization zone bezeichnet werden) sind beispielsweise in dem Artikel von Singla G. et al., Flame stabilization in high pressure LOx/GH2 and GCH4 combustion.Flame anchoring zones (also referred to as flame holding zone, flame anchor point, flame anchoring point, flame anchoring zone or flame stabilization zone) are described, for example, in the article by Singla G. et al., Flame stabilization in high pressure LOx / GH2 and GCH4 combustion.
Proceedings of the Combustion Institute 31, S. 2215-2222, 2007, und in dem Artikel von Matsuyama S. et al., A Numerical Investigation on Shear Coaxial LOX/GH2 Jet Flame at Supercritical Pressure. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 2006, beschrieben.Proceedings of the Combustion Institute 31, pp. 2215-2222, 2007, and in the article by Matsuyama S. et al., A Numerical Investigation on Shear Coaxial LOX / GH2 Jet Flame at Supercritical Pressure. 44 th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 2006.
Die Flammenankerungszone ist die Zone, in der ein zündfähiges Gemisch aus Brennstoff und Oxidator entsteht und ausgehend von welcher sich nach dem Zünden des Gemisches eine stabile Flamme ausbilden kann.The flame-retardation zone is the zone in which an ignitable mixture of fuel and oxidizer is formed and from which a stable flame can form after ignition of the mixture.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Brennstoff und Oxidator vor einer Zuführung in einen Brennraum der Brennkammervorrichtung zumindest teilweise innerhalb eines Injektors vermischt werden. Dadurch ist eine vorteilhafte Verbrennung des Brennstoffs möglich. Vorteilhaft kann es sein, wenn Brennstoff und Oxidator mittels mindestens eines Injektors zumindest abschnittsweise koaxial geführt werden. Auf diese Weise ist eine Vermischung von Brennstoff und Oxidator an einer Austrittsöffnung besonders einfach realisierbar.In an advantageous embodiment of the invention can be provided that fuel and oxidizer are mixed before being fed into a combustion chamber of the combustion chamber device at least partially within an injector. As a result, an advantageous combustion of the fuel is possible. It may be advantageous if fuel and oxidizer are at least partially coaxially guided by means of at least one injector. In this way, a mixture of fuel and oxidizer at an outlet opening is particularly easy to implement.
Insbesondere kann bei koaxialer Zuführung von Brennstoff und Oxidator vorgesehen sein, dass sich eine Flammenankerungszone in einem Nachlauf einer inneren Zuführung ausbildet.In particular, it can be provided with coaxial supply of fuel and oxidizer that forms a flame arresting zone in a wake of an inner feed.
Unter einem Nachlauf ist derjenige Bereich zu verstehen, der in einer Einströmrichtung hinter einer den Brennstoff und den Oxidator trennenden Wand angeordnet ist.A caster is to be understood as the region which is arranged in an inflow direction behind a wall separating the fuel and the oxidizer.
Günstig kann es sein, wenn mindestens ein Laserstrahl zumindest abschnitts- weise mittels eines Lichtleiters geführt wird. Auf diese Weise ist der mindestens eine Laserstrahl besonders einfach und flexibel innerhalb der Brennkammervorrichtung führbar.It may be favorable if at least one laser beam is guided at least in sections by means of a light guide. In this way, the at least one laser beam can be guided particularly easily and flexibly within the combustion chamber device.
Günstig kann es ferner sein, wenn mindestens ein Laserstrahl quer zu einer Hauptachse mindestens eines Injektors gerichtet wird.It can also be advantageous if at least one laser beam is directed transversely to a main axis of at least one injector.
Besonders günstig kann es sein, wenn der mindestens eine Laserstrahl mindestens näherungsweise senkrecht zu einer Hauptachse mindestens eines Injektors gerichtet wird.It may be particularly favorable if the at least one laser beam is directed at least approximately perpendicular to a main axis of at least one injector.
Einerseits kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Laserstrahl mittels eines optischen Systems fokussiert wird. Auf diese Weise kann die für die Zündung benötigte Laserenergie gezielt an einem bestimmten Ort bereitgestellt werden.On the one hand, it can be provided that at least one laser beam is focused by means of an optical system. In this way, the laser energy required for the ignition can be provided specifically at a specific location.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Laserstrahl unfokussiert auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch gerichtet wird. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mittels einer Detektionsvorrichtung Strahlung aus mindestens einem Bereich dektiert wird, auf weichen mindestens ein Laserstrahl gerichtet ist. Dadurch kann beispielsweise die Temperatur und/oder die Dichte in dem Bereich, auf weichen der mindestens eine Laserstrahl gerichtet ist, untersucht werden.Alternatively or additionally, it may be provided that at least one laser beam is directed to the fuel-oxidizer mixture in an unfocused manner. In one embodiment of the invention can be provided that by means of a detection device radiation is decoded from at least one area on soft at least one laser beam is directed. As a result, for example, the temperature and / or the density in the region on which the at least one laser beam is directed can be examined.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mittels einer Detektionsvorrichtung überprüft wird, ob ein Laserstrahl zur Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches und zur Ausbildung einer Flamme geführt hat. Auf diese Weise ist überwachbar, ob ein Zündvorgang erfolgreich war.It can be advantageous if it is checked by means of a detection device whether a laser beam has led to the ignition of the fuel-oxidizer mixture and to the formation of a flame. In this way it is possible to monitor whether an ignition process was successful.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn nach der Ausbildung einer Flamme in regelmäßigen Zeitabständen überprüft wird, ob die Flamme erloschen ist. Dadurch ist besonders einfach überprüfbar, ob unverbranntes Brennstoff-Oxida- tor-Gemisch ausströmt.It may also be advantageous, if it is checked after the formation of a flame at regular intervals, whether the flame is extinguished. This makes it particularly easy to check whether unburned fuel-oxidizer mixture flows out.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn nach einem Erlöschen der Flamme zur erneuten Zündung ein Laserstrahl auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch gerichtet wird. So ist eine Flamme in der Brennkammervorrichtung auf beson- ders einfache Art und Weise wiederherstellbar.It may be particularly advantageous if, after extinguishing the flame for re-ignition, a laser beam is directed onto the fuel-oxidizer mixture. Thus, a flame in the combustion chamber device can be restored in a particularly simple way.
Günstig kann es sein, wenn mehrere Laserstrahlen auf unterschiedliche Bereiche des Brennstoff-Oxidator-Gemisches gerichtet werden. Dadurch kann eine Zündung an mehreren Stellen erfolgen.It may be favorable if a plurality of laser beams are directed to different areas of the fuel-oxidizer mixture. As a result, ignition can take place at several points.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass eine Zündung an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgt.In particular, it can be provided that an ignition takes place at several points simultaneously.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahlen zeitlich versetzt erzeugt werden. Dadurch kann eine explosionsartige Zündung des Brennstoff- Oxidator-Gemisches, das heißt eine im Wesentlichen gleichzeitige Zündung des gesamten Gemisches und damit die Ausbildung einer Druckwelle, verhindert werden. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Laserstrahlen mittels einer Steuerungsvorrichtung gesteuert werden. Auf diese Weise ist insbesondere ein zeitlicher Versatz der Laserstrahlen einfach steuerbar.Alternatively, it can be provided that the laser beams are generated offset in time. As a result, an explosive ignition of the fuel-oxidizer mixture, that is, a substantially simultaneous ignition of the entire mixture and thus the formation of a pressure wave can be prevented. It can be advantageous if the laser beams are controlled by means of a control device. In this way, in particular a temporal offset of the laser beams is easily controllable.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Brennstoff- Oxidator-Gemisch mittels des mindestens einen Laserstrahls photochemisch angeregt wird. Auf diese Weise kann das Brennstoff-Oxidator-Gemisch besonders einfach entzündet werden.In a preferred embodiment, it is provided that the fuel-oxidizer mixture is photochemically excited by means of the at least one laser beam. In this way, the fuel-oxidizer mixture can be easily ignited.
Die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The combustion chamber device according to the invention is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
Die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung und das erfindungsgemäße Triebwerk weisen ferner die folgenden Vorteile auf:The combustion chamber device according to the invention, the method according to the invention for operating a combustion chamber device and the engine according to the invention also have the following advantages:
- Zündung direkt bei der Einspritzung und damit keine Flammenwanderung und kein Ausblasen der Flamme;- Ignition directly at the injection and thus no flame migration and no blowing out of the flame;
- Möglichkeit der gruppierten Zündung durch eine gruppierte Anordnung von Injektoren mit Zündvorrichtung am Einblaskopf;Possibility of grouped ignition by a grouped arrangement of injectors with ignition device on the injection head;
- Reduktion der Kosten;- reduction of costs;
- keine Überdimensionierung der Brennkammervorrichtung nötig, da eine hohe Zündsicherheit gewährleistet ist;- No oversizing of the combustion chamber device necessary because a high ignition safety is ensured;
- hohe Redundanz durch mehrere Zündorte; - sofortige Detektion einer Zündung möglich;- high redundancy through multiple ignition locations; - Immediate detection of ignition possible;
- Verringerung der Komplexität der Zündvorrichtung;- reducing the complexity of the ignition device;
- keine Notwendigkeit von hypergolen Zündern und damit auch Vermeidung von toxischen und aggressiven Brennstoffen und Oxidatoren;- no need of hypergolic primers and thus avoidance of toxic and aggressive fuels and oxidizers;
- Bereitstellung einer lokalvariablen Zündung; - Verringerung des starken Druckschlags bei der Zündung und der damit verbundenen hohen Belastung der Brennkammervorrichtung;- Providing a local variable ignition; - Reduction of the strong pressure shock at the ignition and the associated high load of the combustion chamber device;
- Wiederzündbarkeit;- re-ignitability;
- Wiederverwendbarkeit; - Verringerung des Betriebsrisikos;- reusability; - reduction of operating risk;
- Zündung unmittelbar in der Flammenankerungszone und damit unmittelbare Flammenstabilisierung; - gute Einstellbarkeit des Zündortes;- Ignition directly in the flame-arresting zone and thus immediate flame stabilization; - good adjustability of the ignition location;
- zeitlich und räumlich getrennte Zündung zur Ermöglichung einer optimalen Zünd- und Anfahrsequenz; und- Time and space separate ignition to enable an optimal ignition and starting sequence; and
- Verwendung von lediglich elektrischer Leistung zur Zündung der Flamme und damit Vermeidung von zusätzlichem Treibstoff und entsprechenden Leitungs- und Isolationssystemen.- Use of only electrical power to ignite the flame and thus avoid additional fuel and corresponding piping and insulation systems.
Erfindungsgemäße Brennkammervorrichtungen finden auch in der chemischen Industrie und in der Verfahrenstechnik Anwendung, da die Qualität eines Produktes, das in einer Brennkammervorrichtung oder unter Verwendung einer Brennkammervorrichtung hergestellt wird, durch eine erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung verbessert werden kann.Combustor devices of the present invention also find application in the chemical and process industries because the quality of a product made in a combustor or using a combustor can be improved by a combustor according to the present invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbei- spielen.Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of Ausführungsbei- play.
In den Figuren zeigen :In the figures show:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung;Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of an injector of a combustion chamber device;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einem Zündleitrohr; Figur 3a eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einem optischen Zugang;Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of an injector of a combustion chamber device with a Zündleitrohr; Figure 3a is a schematic representation of a third embodiment of an injector of a combustion chamber device with an optical access;
Figur 3b eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I in Figur 3a mit zusätzlich dargestellten Strömungsgeschwindigkeiten;FIG. 3b shows an enlarged view of the region I in FIG. 3a with flow velocities additionally shown;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einem op- tischen Zugang und einer Laservorrichtung;FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of an injector of a combustion chamber device with an optical access and a laser device;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einer Laservorrichtung und einer Detektionsvorrichtung;Figure 5 is a schematic representation of a fifth embodiment of an injector of a combustion chamber device with a laser device and a detection device;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten Laservorrichtungen;Figure 6 is a schematic representation of a sixth embodiment of an injector of a combustion chamber device with two laser devices arranged opposite one another;
Figur 7 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit schräg angeordneter Zuführung eines Laserstrahls;Figure 7 is a schematic representation of a seventh embodiment of an injector of a combustion chamber device with obliquely arranged supply of a laser beam;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit drei Fluid- kanälen zur Zuführung von Fluiden;FIG. 8 shows a schematic representation of an eighth embodiment of an injector of a combustion chamber device with three fluid channels for the supply of fluids;
Figur 9 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eineFigure 9 is a schematic representation of a plan view of a
Vorderseite der dritten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung gemäß Figur 3a und 3b; Figur 10 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eineFront of the third embodiment of an injector of a combustion chamber device according to Figures 3a and 3b; Figure 10 is a schematic representation of a plan view of a
Vorderseite einer neunten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit zwei senkrecht zu einer Hauptachse und senkrecht zueinander ausgerichteten opti- sehen Zugängen;Front side of a ninth embodiment of an injector of a combustion chamber device with two perpendicular to a major axis and perpendicular to each other aligned opti- accesses;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eineFigure 11 is a schematic representation of a plan view of a
Vorderseite einer zehnten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit zwei senkrecht zu einer Hauptachse des Injektors und unter einem Winkel α zueinander ausgerichteten optischen Zugängen;Front of a tenth embodiment of an injector of a combustion chamber device with two perpendicular to a main axis of the injector and at an angle α aligned optical accesses;
Figur 12 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eineFigure 12 is a schematic representation of a plan view of a
Vorderseite einer ersten Ausführungsform eines Einblaskopfs einer Brennkammervorrichtung mit einer Vielzahl von Injektoren und zentraler Zündung;Front side of a first embodiment of an injection head of a combustion chamber device with a plurality of injectors and central ignition;
Figur 13 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eineFigure 13 is a schematic representation of a plan view of a
Vorderseite einer zweiten Ausführungsform eines Einblaskopfs einer Brennkammervorrichtung mit einer Vielzahl von Injektoren mit dezentraler Zündung;Front side of a second embodiment of an injection head of a combustion chamber device with a plurality of injectors with decentralized ignition;
Figur 14 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Triebwerks mit gestufter Verbrennung;Figure 14 is a schematic representation of a first embodiment of a staged combustion engine;
Figur 15 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Triebwerks, welches als Gasgenerator verwendbar ist; undFigure 15 is a schematic representation of a second embodiment of an engine, which is used as a gas generator; and
Figur 16 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Triebwerks, welches als Expander verwendbar ist. Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in den Figuren 1 bis 16 mit denselben Bezugszeichen versehen.Figure 16 is a schematic representation of a third embodiment of an engine, which can be used as an expander. Identical or functionally equivalent elements are provided in FIGS. 1 to 16 with the same reference numerals.
Eine Brennkammervorrichtung 100 (in Figur 1 ausschnittsweise dargestellt) umfasst eine Brennkammer 102 mit einem Brennraum 103 und einen Einblaskopf 104.A combustion chamber device 100 (shown in fragmentary form in FIG. 1) comprises a combustion chamber 102 with a combustion chamber 103 and an injection head 104.
Der Einblaskopf 104 umfasst mehrere Injektoren 106. Als Beispiel für die Anzahl der Injektoren 106 sei angeführt, dass bei dem bekannten Einblaskopf des Vulcain II-Triebwerks der Ariane 5 fünfhundertsechundsechzig Injektoren 106 vorgesehen sind. Bei dem Oberstufentriebwerk VINCI sind einhundert - zweiundzwanzig Injektoren 106 vorgesehen.The injection head 104 comprises a plurality of injectors 106. As an example of the number of injectors 106, it should be noted that the known injector head of the Vulcain II engine of the Ariane 5 has five hundred and sixty-six injectors 106. In the upper stage engine VINCI one hundred - twenty two injectors 106 are provided.
Eine in Figur 1 dargestellte erste Ausführungsform eines Injektors 106 umfasst ein inneres Injektorelement 108 und ein äußeres Injektorelement 110.A first embodiment of an injector 106 shown in FIG. 1 includes an inner injector element 108 and an outer injector element 110.
Das innere Injektorelement 108 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und umfasst einen inneren Fluidkanal 112.The inner injector element 108 is substantially tubular and includes an inner fluid channel 112.
Das äußere Injektorelement 110 ist mittels eines Rohrs gebildet und an einem Grundkörper 114 des Injektors 106 angeordnet.The outer injector element 110 is formed by means of a tube and arranged on a main body 114 of the injector 106.
Das innere Injektorelement 108 ist im Innern des äußeren Injektorelements 110 angeordnet, wobei eine Hauptachse 116 des inneren Injektorelements 108 mit einer Hauptachse 118 des äußeren Injektorelements 110 und einer Hauptachse 120 des Injektors 106 zusammenfällt. Das innere Injektorelement 108 und das äußere Injektorelement 110 sind koaxial zueinander angeordnet, wobei ein äußerer Durchmesser des inneren Injektorelements 108 kleiner ist als ein innerer Durchmesser des äußeren Injektorelements 110, so dass zwischen dem inneren Injektorelement 108 und dem äußeren Injektorelement 110 in radialer Richtung bezüglich der Hauptachsen 116, 118 und 120 ein Freiraum ist, welcher einen äußeren Fluidkanal 122 bildet.The inner injector element 108 is arranged inside the outer injector element 110, wherein a main axis 116 of the inner injector element 108 coincides with a main axis 118 of the outer injector element 110 and a main axis 120 of the injector 106. The inner injector element 108 and the outer injector element 110 are arranged coaxially with one another, wherein an outer diameter of the inner injector element 108 is smaller than an inner diameter of the outer injector element 110, so that between the inner injector element 108 and the outer injector element 110 in the radial direction with respect to Main axes 116, 118 and 120 is a free space which forms an outer fluid channel 122.
Der innere Fluidkanal 112 und der äußere Fluidkanal 122 dienen der Zufüh- rung von Brennstoff und Oxidator zu der Brennkammer 102.The inner fluid passage 112 and the outer fluid passage 122 serve to supply fuel and oxidizer to the combustion chamber 102.
Als Brennstoffe können insbesondere Wasserstoff, Methan und Kerosin dienen. Als Oxidator ist bei dieser Ausführungsform insbesondere flüssiger Sauerstoff vorgesehen. Die Temperatur des Sauerstoffs beträgt beispielsweise ungefähr 90 K bis ungefähr 130 K. Bei der Verwendung von Sauerstoff zur Brennkammerkühlung kann die Temperatur des Sauerstoffs bei der Zuführung zu dem Injektor 106 jedoch auch höher sein.In particular, hydrogen, methane and kerosene can serve as fuels. In particular, liquid oxygen is provided as oxidizer in this embodiment. The temperature of the oxygen is, for example, about 90K to about 130K. However, with the use of oxygen for combustor cooling, the temperature of the oxygen as it is supplied to the injector 106 may be higher.
Das äußere Injektorelement 110 endet an einem in einer Einströmrichtung E hinteren Ende mit einer Mündungsöffnung 124 in den Brennraum 103.The outer injector element 110 ends at a rear end in an inflow direction E with an orifice opening 124 into the combustion chamber 103.
Die Mündungsöffnung 124 des äußeren Injektorelements 110 ist in einer Austrittsebene 126 angeordnet und bildet ein in der Einströmrichtung E hinteres Ende des Injektors 106.The orifice 124 of the outer injector 110 is disposed in an exit plane 126 and forms a rear end of the injector 106 in the inflow direction E.
Ein in der Einströmrichtung E hinteres Ende des inneren Injektorelements 108 ist als Mündungsöffnung 128 des inneren Injektorelements 108 ausgebildet.A rear end of the inner injector element 108 in the inflow direction E is designed as a mouth opening 128 of the inner injector element 108.
Die Mündungsöffnung 128 des inneren Injektorelements 108 ist relativ zu der Austrittsebene 126 bezüglich der Einströmrichtung E um einen Abstand S zurückversetzt, das heißt entgegen der Einströmrichtung E versetzt, angeordnet. Dadurch, dass der innere Fluidkanal 112 an der Mündungsöffnung 128 des inneren Injektorelements 108 in der Einströmrichtung E vor dem Ende des äußeren Fluidkanals 122 endet, ist an dem Injektor 106 ein gemeinsamer Fluidkanal 130 vorgesehen, in welchem ein in dem inneren Fluidkanal 112 geführ- tes Fluid zusammen mit einem in dem äußeren Fluidkanal 122 geführten Fluid zumindest näherungsweise koaxial geführt wird und welcher in den Brennraum 103 einmündet.The orifice 128 of the inner injector element 108 is set back relative to the outlet plane 126 with respect to the inflow direction E by a distance S, that is, offset from the inflow direction E, arranged. Because the inner fluid channel 112 terminates at the orifice 128 of the inner injector element 108 in the inflow direction E before the end of the outer fluid channel 122, a common fluid channel 130 is provided on the injector 106, in which a guided in the inner fluid channel 112 Fluid is at least approximately coaxially guided together with a guided in the outer fluid passage 122 fluid and which opens into the combustion chamber 103.
Zumindest teilweise vermischt sich in diesem gemeinsamen Fluidkanal 130 das in dem äußeren Fluidkanal 122 geführte Fluid und das in dem inneren Fluidkanal 112 geführte Fluid.At least partially, in this common fluid channel 130, the fluid carried in the outer fluid channel 122 and the fluid carried in the inner fluid channel 112 merge.
Dabei bildet sich eine Vermischungszone 132 aus, welche an die Mündungsöffnung 128 des inneren Fluidkanals 112 anschließt.In this case, a mixing zone 132 forms, which adjoins the mouth opening 128 of the inner fluid channel 112.
Die Vermischung in der Vermischungszone 132 wird in dieser Ausführungsform des Injektors 106 durch eine Anfasung 134 an dem in der Einströmrichtung E hinteren Ende des inneren Injektorelements 108 begünstigt. Ferner trägt eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Brennstoffeinströmgeschwindigkeit von ungefähr 200 m/s bis ungefähr 400 m/s und der Sauerstoffeinströmgeschwindigkeit von ungefähr 20 m/s bis ungefähr 30 m/s zu einer effizienten Vermischung von Brennstoff und Oxidator bei.The mixing in the mixing zone 132 is promoted in this embodiment of the injector 106 by a chamfer 134 at the rear end in the inflow direction E of the inner injector element 108. Further, a velocity difference between the fuel inflow velocity of about 200 m / s to about 400 m / s and the oxygen inflow velocity of about 20 m / s to about 30 m / s contribute to efficient mixing of fuel and oxidizer.
Da die Fluide im Bereich der Vermischungszone 132 aufgrund der entstehen- den Scherkräfte zwischen den Fluidstrahlen zirkulieren, wird die Vermischungszone 132 auch Rezirkulationszone 136 genannt. Die Rezirkulations- zone 136 ist unmittelbar im Nachlauf des inneren Injektorelements 108 angeordnet.Since the fluids circulate in the region of the mixing zone 132 due to the resulting shear forces between the fluid jets, the mixing zone 132 is also called the recirculation zone 136. The recirculation zone 136 is arranged directly in the wake of the inner injector element 108.
Es kann vorgesehen sein, dass das in dem inneren Fluidkanal 112 geführte Fluid ein Oxidator und das in dem äußeren Fluidkanal 122 geführte Fluid ein Brennstoff ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass in dem inneren Fluidkanal 112 ein Brennstoff und in dem äußeren Fluidkanal 122 ein Oxidator geführt wird.It may be provided that the fluid guided in the inner fluid channel 112 is an oxidizer and the fluid guided in the outer fluid channel 122 is a fuel. However, it can also be provided that in the inner fluid channel 112, a fuel and in the outer fluid channel 122, an oxidizer is performed.
Durch die Verwendung eines Brennstoffs und eines Oxidators als in dem In- jektor 106 geführte Fluide ergibt sich in der Vermischungszone 132 ein Brenn- stoff-Oxidator-Gemisch, welches zündfähig sein kann.By using a fuel and an oxidizer as fluids conducted in the injector 106, a fuel-oxidizer mixture, which may be ignitable, results in the mixing zone 132.
Eine Flamme breitet sich nach einer Zündung aufgrund der Rezirkulation der Fluide in der Rezirkulationszone 136 in der Regel von dieser Rezirkulations- zone 136 aus aus. Aufgrund der Rezirkulation der Fluide und der damit verbundenen Reduktion der Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt eine "Ankerung" der Flamme. Daher wird die Rezirkulationszone 136 auch als Flammenanke- rungszone 140 bezeichnet.A flame generally propagates from this recirculation zone 136 after ignition due to the recirculation of the fluids in the recirculation zone 136. Due to the recirculation of the fluids and the associated reduction of the flow velocities, the flame is "anchored". Therefore, recirculation zone 136 is also referred to as flame trap zone 140.
In Abhängigkeit von den Strömungsparametern kann sich die Rezirkulationszone 136 jedoch auch über einen größeren Bereich als die Flammenanke- rungszone 140 erstrecken, wobei die Flammenankerungszone 140 dann in der Rezirkulationszone 136 angeordnet ist.However, depending on the flow parameters, the recirculation zone 136 may also extend over a greater area than the flame trap zone 140, with the flame anchor zone 140 then being disposed in the recirculation zone 136.
Die räumliche Ausdehnung der Flammenankerungszone 140 in axialer Richtung liegt in der Regel ungefähr in der Größenordnung der radialen Wandstärke des inneren Injektorelements 108 an dessen Mündungsöffnung 128. Beispielsweise beträgt die Wandstärke ungefähr höchstens 1 mm.The spatial extent of the flame-retarding zone 140 in the axial direction is generally approximately of the order of magnitude of the radial wall thickness of the inner injector element 108 at its mouth opening 128. For example, the wall thickness is approximately 1 mm at the most.
Die räumliche Ausdehnung der Flammenankerungszone 140 in axialer Richtung beträgt dann beispielsweise ungefähr 1 mm bis ungefähr 3 mm.The spatial extent of the flame anchoring zone 140 in the axial direction is then for example about 1 mm to about 3 mm.
Zur Zündung in der Flammenankerungszone 140 wird aufgrund geringerer Strömungsgeschwindigkeiten und günstigeren Mischungsverhältnissen eine geringere Zündenergie als zur Zündung weiter stromabwärts benötigt. Vorzugsweise erfolgt eine Zündung innerhalb des Injektors 106.For ignition in the flame-retardant zone 140, a lower ignition energy is required than for ignition further downstream due to lower flow velocities and more favorable mixing ratios. Preferably, ignition occurs within the injector 106.
Mittels einer Flammenankerung kann ein, in der Regel zyklisches, Entfernen und Annähern einer Flamme an den Injektor 106, das heißt eine Flammen- Wanderung, vermieden und die Flamme dadurch stabilisiert werden.By means of a flame anchorage, a generally cyclical removal and approach of a flame to the injector 106, ie a flame migration, can be avoided and the flame can thereby be stabilized.
Eine zweite Ausführungsform (in Figur 2 dargestellt) eines Injektors 106 unterscheidet sich von der (in Figur 1 dargestellten) ersten Ausführungsform dadurch, dass der Injektor 106 ein Zündleitrohr 142 umfasst, welches als Zündvorrichtung 138 dient.A second embodiment (shown in FIG. 2) of an injector 106 differs from the first embodiment (shown in FIG. 1) in that the injector 106 comprises an ignition tube 142, which serves as an ignition device 138.
Ein in der Einströmrichtung E hinteres Ende des Zündleitrohrs 142 ist in der Austrittsebene 126 angeordnet und mündet damit auf gleicher Höhe in den Brennraum 103 wie die Mündungsöffnung 124 des äußeren Fluidkanals 122.An in the inflow direction E behind the end of the Zündleitrohrs 142 is disposed in the exit plane 126 and thus opens at the same height in the combustion chamber 103 as the mouth opening 124 of the outer fluid channel 122nd
Mittels des Zündleitrohrs 142 kann beispielsweise ein Zündfunken in den Brennraum 103 eingebracht werden, welcher einen mittels des Injektors 106 in den Brennraum 103 der Brennkammer 102 eingebrachten Fluidstrom entzündet.By means of the Zündleitrohrs 142, for example, a spark can be introduced into the combustion chamber 103, which ignites a means of the injector 106 introduced into the combustion chamber 103 of the combustion chamber 102 fluid flow.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 2 dargestellte) zweite Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in Figur 1 dargestellten) ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the second embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 2) coincides in terms of structure and function with the first embodiment (shown in FIG. 1), to the above description of which reference is made in this respect.
Eine dritte Ausführungsform (in den Figuren 3a und 3b dargestellt) eines Injektors 106 unterscheidet sich von der (in Figur 1 dargestellten) ersten Ausführungsform dadurch, dass ein optischer Zugang 144 vorgesehen ist.A third embodiment (shown in FIGS. 3a and 3b) of an injector 106 differs from the first embodiment (shown in FIG. 1) in that an optical access 144 is provided.
Der optische Zugang 144 ist als Durchtrittsöffnung 145 in einer äußeren Wand 146 des äußeren Injektorelements 110 ausgebildet. Der optische Zugang 144 ist dabei in der Einströmrichtung E zwischen der Mündungsöffnung 124 des äußeren Fluidkanals 122 und der Mündungsöffnung 128 des inneren Fluidkanals 112 angeordnet.The optical access 144 is formed as a passage opening 145 in an outer wall 146 of the outer injector 110. The optical access 144 is arranged in the inflow direction E between the mouth opening 124 of the outer fluid channel 122 and the mouth opening 128 of the inner fluid channel 112.
Zur Führung von Licht ist bei dieser Ausführungsform ein Lichtleiter 148 vorgesehen. Ein Ende des Lichtleiters 148 ist dabei so angeordnet, dass es bündig mit einer Innenseite 150 der äußeren Wand 146 des äußeren Injektorelements 110 abschließt.For guiding light, a light guide 148 is provided in this embodiment. One end of the light guide 148 is arranged so that it is flush with an inner side 150 of the outer wall 146 of the outer injector 110.
Der Lichtleiter 148 ist dabei zumindest näherungsweise senkrecht auf die Hauptachse 116 des inneren Injektorelements 108, die Hauptachse 118 des äußeren Injektorelements 110 und die Hauptachse 120 des Injektors 106 ausgerichtet, so dass ein mittels des Lichtleiters 148 in den Injektor 106 gerichteter Laserstrahl die Vermischungszone 132 zweifach zumindest näherungs- weise senkrecht durchdringt.The optical waveguide 148 is oriented at least approximately perpendicular to the main axis 116 of the inner injector element 108, the main axis 118 of the outer injector element 110 and the main axis 120 of the injector 106, so that a laser beam directed into the injector 106 by the optical waveguide 148 cross-connects the mixing zone 132 penetrates vertically, at least approximately.
Zur erfolgreichen Zündung muss ein Laserstrahl nur auf eine Vermischungszone 132 mit einem zündfähigen Gemisch aus Brennstoff und Oxidator gerichtet werden. Diese Vermischungszone 132 muss nicht zwingend eine Rezir- kulationszone 136 oder eine Flammenankerungszone 140 sein.For successful ignition, a laser beam only has to be directed to a mixing zone 132 with an ignitable fuel and oxidizer mixture. This mixing zone 132 does not necessarily have to be a recirculation zone 136 or a flame anchoring zone 140.
Das Richten des Laserstrahls auf eine Flammenankerungszone 140 kann jedoch Vorteile hinsichtlich der Zündsicherheit und der Flammenstabilität haben.However, directing the laser beam at a flame arresting zone 140 may have advantages in ignition safety and flame stability.
In Figur 3b ist der Bereich des Nachlaufs des inneren Injektorelements 108 vergrößert dargestellt. Zur Veranschaulichung der Strömungsgeschwindigkeiten in diesem Bereich sind Pfeile eingezeichnet, deren Längen symbolisch die punktuell herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten darstellen. Als Einhüllende der punktuell herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten in einer Rich- tung senkrecht zur Einströmrichtung E sind die Geschwindigkeitsverläufe 153 dargestellt. Hierbei ist ersichtlich, dass die Geschwindigkeitsverläufe 153 im Nachlauf des inneren Injektorelements 108 Geschwindigkeitsminima 155 aufweisen. Im Bereich dieser Geschwindigkeitsminima 155 wird eine mittels eines Laserstrahls erzeugte Flamme mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit ausgeblasen. Vielmehr stabilisiert sich eine Flamme in diesem Bereich, sodass eine stabile Verbrennung gewährleistet ist.In FIG. 3b, the region of the wake of the inner injector element 108 is shown enlarged. To illustrate the flow velocities in this area, arrows are drawn whose lengths symbolically represent the prevailing flow velocities. The velocity curves 153 are shown as an envelope of the punctually prevailing flow velocities in a direction perpendicular to the inflow direction E. It can be seen here that the speed curves 153 have speed minima 155 in the wake of the inner injector element 108. In the area of these velocity minima 155, one by means of a Laser beam generated flame blown out with a very low probability. Rather, a flame stabilizes in this area, so that a stable combustion is guaranteed.
Eine solche Stabilisierung ergibt sich insbesondere dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit im Geschwindigkeitsminimum 155 geringer ist als die Flammengeschwindigkeit.Such a stabilization results, in particular, when the flow velocity in the velocity minimum 155 is lower than the flame velocity.
Der Laserstrahl wird mit einer (nicht dargestellten) Laservorrichtung erzeugt.The laser beam is generated by a laser device (not shown).
Die zur Initialzündung erforderlichen Laserparameter sind davon abhängig, ob eine resonante Zündung, das heißt eine direkte Anregung von beispielsweise Sauerstoff, oder eine thermische Zündung, das heißt eine unspezifische "Breitband"-Anregung, mittels der Laservorrichtung bewirkt werden soll.The laser parameters required for the initial ignition depend on whether a resonant ignition, that is to say a direct excitation of, for example, oxygen, or a thermal ignition, that is a nonspecific "broadband" excitation, should be effected by means of the laser device.
Beispielsweise kann zur resonanten Zündung und zur laserinduzierten photochemischen Zündung eine Laserwellenlänge von ungefähr 130 nm bis ungefähr 250 nm vorgesehen sein. Die Pulsfrequenz beträgt dabei beispielsweise höchstens 100 Hz. Als Pulslänge können ungefähr 10 ns vorgesehen sein. Die Pulsenergie beträgt bei der resonanten Zündung beispielsweise höchstens ungefähr 50 mJ.For example, for resonant ignition and laser-induced photochemical ignition, a laser wavelength of about 130 nm to about 250 nm may be provided. The pulse frequency is, for example, at most 100 Hz. The pulse duration can be approximately 10 ns. For example, the pulse energy in resonant ignition is at most about 50 mJ.
Bei der thermischen Zündung kann eine wesentlich größere, beispielsweise mit handelsüblichen Infrarotlasern, insbesondere mit Diodenlasern, erzeugte WeI- lenlänge und eine Pulsenergie von höchstens ungefähr 150 mJ verwendet werden.In the case of thermal ignition, it is possible to use a substantially larger wavelength, for example, with commercially available infrared lasers, in particular with diode lasers, and a pulse energy of at most approximately 150 mJ.
Ein Vorteil der resonanten Zündung ist der geringe Zündenergiebedarf.An advantage of the resonant ignition is the low ignition energy requirement.
Der Injektor 106 dient insbesondere der Initialzündung einer Flamme in einer Brennkammervorrichtung, das heißt dem erstmaligen Zünden durch eine beispielsweise eine Laservorrichtung umfassende Fremdzündquelle. Ein Erlöschen der Flamme nach einer Initialzündung wird durch eine geeignete Anordnung der Injektoren 106 und durch eine geeignete Wahl der Einspritzbedingungen verhindert.The injector 106 is used in particular for the initial ignition of a flame in a combustion chamber device, that is, the initial ignition by a Fremdzündquelle comprising, for example, a laser device. Extinguishing the flame after an initial ignition is prevented by a suitable arrangement of the injectors 106 and by a suitable choice of the injection conditions.
Im Übrigen stimmt die (in den Figuren 3a und 3b dargestellte) dritte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in Figur 1 dargestellten) ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the third embodiment of an injector (shown in FIGS. 3a and 3b) is identical in construction and function to the first embodiment (shown in FIG. 1), the above description of which is incorporated herein by reference.
Eine (in Figur 4 dargestellte) vierte Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausführungsform dadurch, dass eine Laservorrichtung 152 vorgesehen ist, welche beispielsweise mindestens eine Laserdiode zur Erzeugung eines Laserstrahls umfasst.A fourth embodiment (shown in FIG. 4) of an injector 106 differs from the third embodiment (shown in FIGS. 3a and 3b) in that a laser device 152 is provided which comprises, for example, at least one laser diode for generating a laser beam.
Laserdioden haben die Vorteile, dass sie sehr klein und gut verfügbar sind und mit wenig Aufwand verbaut werden können.Laser diodes have the advantages that they are very small and well available and can be installed with little effort.
Im Gegensatz zu der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausfüh- rungsform des Injektors 106 ist bei der (in Figur 4 dargestellten) vierten Ausführungsform kein Lichtleiter 148 vorgesehen. Stattdessen schließt mit der Innenseite 150 der äußeren Wand 146 des äußeren Injektorelements 110 ein optisches System 154 bündig ab.In contrast to the third embodiment (illustrated in FIGS. 3 a and 3 b) of the injector 106, no light guide 148 is provided in the fourth embodiment (shown in FIG. 4). Instead, an optical system 154 is flush with the inside 150 of the outer wall 146 of the outer injector 110.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Durchtrittsöffnung 145 mit einer lichtdurchlässigen Substanz gefüllt ist.However, it can also be provided that the passage opening 145 is filled with a light-transmitting substance.
Mittels des optischen Systems 154 kann ein mittels der Laservorrichtung 152 erzeugter Laserstrahl fokussiert werden.By means of the optical system 154, a laser beam generated by means of the laser device 152 can be focused.
Ein Fokus 156 des optischen Systems 154 fällt in dieser Ausführungsform in die Vermischungszone 132. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Laserstrahl auf einen anderen Bereich fokussiert wird.A focus 156 of the optical system 154 falls into the mixing zone 132 in this embodiment. However, it can also be provided that the laser beam is focused on another area.
Ferner zeichnet sich die (in Figur 4 dargestellte) vierte Ausführungsform eines Injektors 106 dadurch aus, dass am in der Einströmrichtung E hinteren Ende des inneren Injektorelements 108 keine Anfasung vorgesehen ist.Furthermore, the fourth embodiment (shown in FIG. 4) of an injector 106 is characterized in that no chamfering is provided at the rear end of the inner injector element 108 in the inflow direction E.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 4 dargestellte) vierte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the fourth embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 4) is identical in construction and function to the third embodiment (shown in FIGS. 3a and 3b), to the above description of which reference is made.
Eine (in Figur 5 dargestellte) fünfte Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der (in Figur 4 dargestellten) vierten Ausführungsform dadurch, dass in einem optischen Weg 158 des Laserstrahls eine Strahlumlen- kung 160 angeordnet ist.A fifth embodiment (shown in FIG. 5) of an injector 106 differs from the fourth embodiment (shown in FIG. 4) in that a beam deflection 160 is arranged in an optical path 158 of the laser beam.
Ferner ist eine Detektionsvorrichtung 162 zur Detektion von Licht vorgesehen.Furthermore, a detection device 162 is provided for the detection of light.
Diese kann insbesondere eine Photodiode, einen CCD-Chip und/oder einen Photomultiplier umfassen.This may in particular comprise a photodiode, a CCD chip and / or a photomultiplier.
Zur spektralen Auflösung des zu detektierenden Lichts kann ferner ein Spektrometer vorgesehen sein.For the spectral resolution of the light to be detected, a spectrometer may also be provided.
Die Strahlumlenkung 160 ist dabei so in dem optischen Weg 158 des Laserstrahls angeordnet, dass der Laserstrahl und von der Detektionsvorrichtung 162 zu detektierendes Licht zumindest abschnittsweise auf einem gemeinsamen optischen Weg 164 durch einen gemeinsamen optischen Zugang 166 und ein gemeinsames optisches System 168 geführt werden. Im Übrigen stimmt die (in Figur 5 dargestellte) fünfte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in Figur 4 dargestellten) vierten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.The beam deflection 160 is arranged in the optical path 158 of the laser beam such that the laser beam and light to be detected by the detection device 162 are guided at least in sections on a common optical path 164 through a common optical access 166 and a common optical system 168. Incidentally, the fifth embodiment of an injector (shown in FIG. 5) is identical in construction and function to the fourth embodiment (shown in FIG. 4), to the above description of which reference is made.
Eine (in Figur 6 dargestellte) sechste Ausführungsform eines Injektors 106 entspricht im Wesentlichen der (in Figur 4 dargestellten) vierten Ausführungsform eines Injektors 106, wobei bei der sechsten Ausführungsform eines Injektors 106 ein dem optischen Zugang 144 bezüglich der Hauptachse 116 des inneren Injektorelements 108, der Hauptachse 118 des äußeren Injektorelements 110 und der Hauptachse 120 des Injektors 106 direkt gegenüberliegender zweiter optischer Zugang 170 vorgesehen ist.A sixth embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 6) substantially corresponds to the fourth embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 4), wherein in the sixth embodiment of an injector 106 an optical access 144 with respect to the main axis 116 of the inner injector element 108, the main axis 118 of the outer injector 110 and the main axis 120 of the injector 106 directly opposite second optical access 170 is provided.
Durch diesen zweiten optischen Zugang 170 kann mittels einer zweiten Laser- Vorrichtung 172 und eines zweiten optischen Systems 174 ein weiterer Laserstrahl auf einen zweiten Fokus 176 fokussiert werden.By means of this second optical access 170, by means of a second laser device 172 and a second optical system 174, a further laser beam can be focused onto a second focus 176.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 6 dargestellte) sechste Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in Figur 4 dargestell- ten) vierten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the sixth embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 6) coincides in terms of structure and function with the fourth embodiment (shown in FIG. 4), to the above description of which reference is made in this respect.
Eine (in Figur 7 dargestellte) siebte Ausführungsform eines Injektors 106 entspricht im Wesentlichen der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausführungsform eines Injektors 106, mit dem Unterschied, dass die Durchtrittsöffnung 145 in der äußeren Wand 146 des äußeren Injektorelements 110 nicht senkrecht auf die Innenseite 150 des äußeren Injektorelements 110 ausgerichtet ist, sondern unter einem Winkel α, wobei ein mittig durch die Durchtrittsöffnung 145 geführter Laserstrahl mit der Austrittsebene 126 den Winkel α einschließt. Der Winkel α ist bei einer Ausführungsform in einer Größenordnung von ungefähr 30°, so dass ein Laserstrahl unter diesem Winkel in den gemeinsamen Fluidkanal 130 einstrahlbar ist. Der eingestrahlte Laserstrahl schneidet dabei die Vermischungszone 132 in einem Zündort 178, welcher in dem gemein- samen Fluidkanal 130 angeordnet ist.A seventh embodiment of an injector (shown in FIG. 7) essentially corresponds to the third embodiment of an injector (shown in FIGS. 3 a and 3 b), with the difference that the passage opening 145 in the outer wall 146 of the outer injector element 110 is not vertical is aligned with the inside 150 of the outer injector 110, but at an angle α, wherein a centrally guided by the passage opening 145 laser beam with the exit plane 126 includes the angle α. The angle α is in one embodiment in the order of about 30 °, so that a laser beam at this angle in the common fluid channel 130 can be irradiated. The irradiated laser beam intersects the mixing zone 132 in an ignition location 178, which is arranged in the common fluid channel 130.
Eine Einstrahlung des Laserstrahls unter dem Winkel α dient dazu, möglicherweise vorhandene konstruktive Einschränkungen im Bereich des Injektors 106 zu umgehen und Zündorte 178 zu erreichen, die unter senkrechter Einstrah- lung nicht zu erreichen wären. Insbesondere kann dies der Fall sein, wenn der Abstand S sehr klein, beispielsweise kleiner als der Durchmesser des optischen Zugangs 144, ist.An irradiation of the laser beam at the angle α serves to circumvent possible structural restrictions in the area of the injector 106 and to reach ignition locations 178 which would not be possible under vertical irradiation. In particular, this may be the case if the distance S is very small, for example smaller than the diameter of the optical access 144.
Zur zusätzlichen Zündung an einer Schnittstelle 180, in welcher der Laser- strahl erneut die Vermischungszone 132 schneidet, ist in der Regel die Energie des Laserstrahls nicht ausreichend.For additional ignition at an interface 180 in which the laser beam again intersects the mixing zone 132, the energy of the laser beam is generally insufficient.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 7 dargestellte) siebte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the seventh embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 7) is identical in construction and function to the third embodiment (shown in FIGS. 3a and 3b), the above description of which is incorporated herein by reference.
Eine (in Figur 8 dargestellte) achte Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausführungsform dadurch, dass der Injektor 106 ein mittleres Injektorelement 182 umfasst, welches innerhalb des äußeren Injektorelements 110 angeordnet ist und das innere Injektorelement 108 umgibt.An eighth embodiment (shown in FIG. 8) of an injector 106 differs from the third embodiment (shown in FIGS. 3a and 3b) in that the injector 106 comprises a central injector element 182 disposed within the outer injector element 110 and the inner one Injector element 108 surrounds.
Das mittlere Injektorelement 182 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und weist eine Mündungsöffnung 184 auf, welche in der Einströmrichtung E zwischen der Mündungsöffnung 124 des äußeren Injektorelements 110 und der Mündungsöffnung 128 des inneren Injektorelements 108 angeordnet ist. Durch die Anordnung des mittleren Injektorelements 182 zwischen dem äußeren Injektorelement 110 und dem inneren Injektorelement 108 ergibt sich zusätzlich zu dem äußeren Fluidkanal 122, welcher zwischen dem äußeren Injektorelement 110 und dem mittleren Injektorelement 182 angeordnet ist, und dem inneren Fluidkanal 112, welcher im Inneren des inneren Injektorelements 108 angeordnet ist, ein mittlerer Fluidkanal 186, welcher zwischen dem mittleren Injektorelement 182 und dem inneren Injektorelement 108 angeordnet ist.The central injector element 182 has a substantially tubular shape and has an orifice 184, which is arranged in the inflow direction E between the orifice 124 of the outer injector element 110 and the orifice 128 of the inner injector element 108. The arrangement of the middle injector element 182 between the outer injector element 110 and the inner injector element 108 results in addition to the outer fluid channel 122, which is arranged between the outer injector element 110 and the central injector element 182, and the inner fluid channel 112, which is located inside the inner injector element 108, a central fluid channel 186 which is disposed between the central injector element 182 and the inner injector element 108.
Auf der Innenseite eines in der Einströmrichtung E hinteren Endes des mittleren Injektorelements 182 ist eine Anfasung 188 vorgesehen, welche im Wesentlichen der Anfasung 134 des inneren Injektorelements 108 entspricht.On the inside of a rear end of the central injector element 182 in the inflow direction E, a chamfer 188 is provided, which corresponds essentially to the chamfer 134 of the inner injector element 108.
Eine Hauptachse 190 des mittleren Injektorelements 182 fällt mit der Haupt- achse 116 des inneren Injektorelements 108, der Hauptachse 118 des äußeren Injektorelements 110 und der Hauptachse 120 des Injektors 106 zusammen. Der Injektor 106 ist so als Trikoaxialinjektor ausgebildet.A main axis 190 of the central injector element 182 coincides with the main axis 116 of the inner injector element 108, the main axis 118 of the outer injector element 110 and the main axis 120 of the injector 106. The injector 106 is thus designed as Trikoaxialinjektor.
Aufgrund der zurückversetzten Anordnung der Mündungsöffnung 128 des in- neren Injektorelements 108 gegenüber der Mündungsöffnung 184 des mittleren Injektorelements 182 ergibt sich eine Einmündung des inneren Fluid- kanals 112 in den mittleren Fluidkanal 186, wobei sich am in der Einströmrichtung E hinteren Ende des inneren Injektorelements 108 eine Vermischungszone 132 ausbildet.Due to the set-back arrangement of the mouth opening 128 of the inner injector element 108 with respect to the mouth opening 184 of the central injector element 182, an opening of the inner fluid channel 112 into the middle fluid channel 186 results, wherein the rear end of the inner injector element 108 in the inflow direction E forms a mixing zone 132.
Am in der Einströmrichtung E hinteren Ende des mittleren Injektorelements 182 mündet schließlich der innere Fluidkanal 112 mit dem mittleren Fluidkanal 186 in den äußeren Fluidkanal 122. Auch am in der Einströmrichtung E hinteren Ende des mittleren Injektorelements 182 bildet sich dadurch eine Vermi- schungszone 132 aus. Die Vermischungszonen 132 sind im Anschluss an die Enden der Injektorelemente 108, 182 im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und zueinander koaxial angeordnet.At the rear end of the central injector element 182 in the inflow direction E, the inner fluid channel 112 finally opens into the outer fluid channel 122 with the middle fluid channel 186. A mixing zone 132 is also formed at the rear end of the central injector element 182 in the inflow direction E. The mixing zones 132 are substantially annular in shape after the ends of the injector elements 108, 182 and are arranged coaxially with one another.
Ein durch den optischen Zugang 144 in den gemeinsamen Fluidkanal 130 eingestrahlter Laserstrahl durchdringt beide Vermischungszonen 132 je zweimal, so dass sich insgesamt theoretisch vier mögliche Zündorte 192 ergeben, welche aufgrund der senkrechten Ausrichtung des optischen Zugangs 144 alle in dem gemeinsamen Fluidkanal 130 innerhalb des Injektors 106 angeordnet sind.A laser beam irradiated through the optical access 144 into the common fluid channel 130 penetrates twice each of the mixing zones 132, resulting theoretically in total four possible ignition locations 192, which due to the vertical orientation of the optical access 144 all in the common fluid channel 130 within the injector 106th are arranged.
Eine praktische Relevanz hat üblicherweise jedoch nur der in Einstrahlrichtung erste Zündort, da bereits hier die Laserenergie größtenteils absorbiert wird.However, only the first ignition location in the direction of irradiation usually has practical relevance, since even here the laser energy is for the most part absorbed.
Die achte Ausführungsform eines Injektors eignet sich insbesondere zur Verwendung in Vorbrennkammern oder Gasgeneratoren, wobei entweder zwei unterschiedliche Komponenten, insbesondere mit mittiger Zuführung eines Oxidators, oder drei unterschiedliche Komponenten zugeführt werden.The eighth embodiment of an injector is particularly suitable for use in pre-combustion chambers or gas generators, wherein either two different components, in particular with central supply of an oxidizer, or three different components are supplied.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 8 dargestellte) achte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the eighth embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 8) is identical in construction and function to the third embodiment (shown in FIGS. 3a and 3b), the above description of which is incorporated herein by reference.
Aus einer (in Figur 9 gezeigten) schematischen Darstellung einer Draufsicht auf die Vorderseite der dritten Ausführungsform eines Injektors 106 ist ersichtlich, dass die Hauptachse 116 des inneren Injektorelements 108, die Hauptachse 118 des äußeren Injektorelements 110 und die Hauptachse 120 des Injektors 106 zusammenfallen. In Figur 10 ist in einer der Figur 9 entsprechenden Darstellung eine neunte Ausführungsform eines Injektors 106 dargestellt, welche im Wesentlichen der (in Figur 9 dargestellten) dritten Ausführungsform eines Injektors 106 entspricht, mit dem Unterschied, dass zwei Durchtrittsöffnungen 145 in der äu- ßeren Wand 146 des äußeren Injektorelements 110 vorgesehen sind, welche jeweils einen mit einem Lichtleiter 148 versehenen optischen Zugang 144 bilden.From a schematic representation (shown in FIG. 9) of a plan view of the front side of the third embodiment of an injector 106, it can be seen that the main axis 116 of the inner injector element 108, the main axis 118 of the outer injector element 110 and the main axis 120 of the injector 106 coincide. 9, a ninth embodiment of an injector 106 is shown, which substantially corresponds to the third embodiment (shown in FIG. 9) of an injector 106, with the difference that two passage openings 145 in the outer wall 146 of the outer injector 110 are provided, which each form a provided with a light guide 148 optical access 144.
Die optischen Zugänge 144 sind in dieser Ausführungsform derart angeordnet, dass sie relativ zueinander in einem senkrechten Winkel und senkrecht zu der Einströmrichtung E ausgerichtet sind.The optical accesses 144 are arranged in this embodiment so that they are aligned relative to each other at a vertical angle and perpendicular to the inflow direction E.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 10 dargestellte) neunte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in den Figuren 3a, 3b und 9 dargestellten) dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the ninth embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 10) is identical in structure and function to the third embodiment (shown in FIGS. 3a, 3b and 9), the above description of which is incorporated herein by reference.
Bei einer (in Figur 11 dargestellten) zehnten Ausführungsform eines Injektors 106 sind entsprechend der (in Figur 10 dargestellten) neunten Ausführungs- form zwei optische Zugänge 144 vorgesehen, mit dem Unterschied, dass die optischen Zugänge 144 relativ zueinander nicht in einem senkrechten Winkel, sondern in einem Winkel ß zueinander ausgerichtet sind.In a tenth embodiment of an injector (shown in FIG. 11), two optical accesses 144 are provided in accordance with the ninth embodiment (shown in FIG. 10), with the difference that the optical accesses 144 are not at a vertical angle relative to one another are aligned at an angle ß to each other.
Der Winkel ß ist bei einer Ausführungsform in einer Größenordnung von un- gefähr 135°.The angle β in one embodiment is on the order of about 135 °.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 11 dargestellte) zehnte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in den Figuren 3a, 3b und 9 dargestellten) dritten Ausführungsform überein, auf deren vorste- hende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. In Figur 12 ist eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Einblaskopfs 104 mit zweihundertfünf Injektoren 106 dargestellt, welche in einem symmetrischen Muster angeordnet sind. Ein symmetrisches Muster ergibt sich bei der Auslegung eines Einblaskopfes 104 in der Regel insbeson- dere in den radial äußeren Reihen, so dass eine Brennkammerwand im Betrieb der Brennkammervorrichtung 100 gleichmäßig belastet wird. Im radial inneren Bereich ist in der Regel ein gleichmäßiger Abstand der Injektoren 106 voneinander vorgesehen. Durch die Berücksichtigung beider Kriterien ergeben sich daher zumeist sehr komplexe Muster der Injektoren 106.Incidentally, the tenth embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 11) is identical in construction and function to the third embodiment (shown in FIGS. 3a, 3b and 9), to the above description of which reference is made. FIG. 12 shows a schematic plan view of a first embodiment of an injection head 104 with two hundred five injectors 106 arranged in a symmetrical pattern. A symmetrical pattern usually results in the design of an injection head 104, in particular in the radially outer rows, so that a combustion chamber wall is uniformly loaded during operation of the combustion chamber device 100. In the radially inner region, a uniform spacing of the injectors 106 is generally provided from each other. Due to the consideration of both criteria, therefore, very complex patterns of the injectors 106 usually result.
Bei dieser ersten Ausführungsform des Einblaskopfs 104 ist vorgesehen, dass ein zentraler Injektor 106 eine laserbasierte Zündvorrichtung 138 umfasst.In this first embodiment of the injection head 104, it is provided that a central injector 106 comprises a laser-based ignition device 138.
Beispielsweise kann bei einem solchen Einblaskopf 104 vorgesehen sein, dass der zentrale Injektor 106 entsprechend der (in den Figuren 3a, 3b und 9 dargestellten) dritten Ausführungsform ausgebildet ist, während die übrigen Injektoren 106 der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform entsprechen.For example, with such an injection head 104, it may be provided that the central injector 106 is designed according to the third embodiment (shown in FIGS. 3a, 3b and 9), while the remaining injectors 106 correspond to the first embodiment illustrated in FIG.
Eine (in Figur 13 dargestellte) zweite Ausführungsform eines Einblaskopfs 104 unterscheidet sich von der (in Figur 12 dargestellten) ersten Ausführungsform eines Einblaskopfs 104 dadurch, dass vier dezentral angeordnete Injektoren 106 vorgesehen sind, welche beispielsweise der (in den Figuren 3a und 3b dargestellten) dritten Ausführungsform entsprechen und somit jeweils eine laserbasierte Zündvorrichtung 138 umfassen. Ferner umfasst der Einblaskopf 104 zweihunderteins Injektoren 106, welche im Wesentlichen der (in Figur 1 dargestellten) ersten Ausführungsform, das heißt ohne Zündvorrichtung 138, entsprechen.A second embodiment of an injection head 104 (shown in FIG. 13) differs from the first embodiment of an injection head 104 (shown in FIG. 12) in that four decentralized injectors 106 are provided which, for example, (shown in FIGS. 3a and 3b) third embodiment and thus each comprise a laser-based ignition device 138. Furthermore, the injection head 104 comprises two hundred and one injectors 106, which essentially correspond to the first embodiment (shown in FIG. 1), that is to say without ignition device 138.
Die Injektoren 106 sind bei der (in Figur 13 dargestellten) zweiten Ausführungsform des Einblaskopfs 104 gleichmäßig auf einem Kreis um eine Hauptachse 194 des Einblaskopfs 104 verteilt. Auf diese Weise kann ein mittels der Injektoren 106 des Einblaskopfs 104 in den Brennraum 103 der Brennkammer 102 einströmendes Gemisch aus Brennstoff und Oxidator dezentral gezündet werden, was eine erhebliche Reduktion der durch die Zündung verursachten Belastung des Einblaskopfs 104 und der gesamten Brennkammervorrichtung 100 ermöglicht.In the second embodiment of the injection head 104 (shown in FIG. 13), the injectors 106 are distributed uniformly on a circle around a main axis 194 of the injection head 104. In this way, a means of the Injectors 106 of the injection head 104 into the combustion chamber 103 of the combustion chamber 102 einströmendes mixture of fuel and oxidizer are ignited locally, which allows a significant reduction caused by the ignition load of the injection head 104 and the entire combustion chamber device 100.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 13 dargestellte) zweite Ausführungsform eines Einblaskopfs 104 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in Figur 12 dargestellten) ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschrei- bung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the second embodiment of an injection head 104 (shown in FIG. 13) coincides in terms of structure and function with the first embodiment (shown in FIG. 12), to the above description of which reference is made.
Eine (in Figur 14 dargestellte) erste Ausführungsform eines Triebwerks 196 umfasst eine Brennkammervorrichtung 100 mit einem Einblaskopf 104, welcher eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Injektoren umfasst.A first embodiment of an engine 196 (shown in FIG. 14) includes a combustor device 100 having an injector head 104 that includes a plurality of injectors (not shown).
Die erste Ausführungsform des Triebwerks 196 ist ein Raketentriebwerk.The first embodiment of the engine 196 is a rocket engine.
Es kann jedoch alternativ auch vorgesehen sein, dass das Triebwerk eine Fluggasturbine, eine stationäre Gasturbine oder ein Verbrennungsmotor ist.However, it can alternatively also be provided that the engine is an aircraft gas turbine, a stationary gas turbine or an internal combustion engine.
Ein Brennraum 103 einer Brennkammer 102, in welchen der Einblaskopf 104 mündet, ist von einer Lavaldüse 198 berandet.A combustion chamber 103 of a combustion chamber 102, into which the injection head 104 opens, is bounded by a Laval nozzle 198.
Das Triebwerk 196 umfasst ferner eine Oxidatorzuführung 200, eine Brenn- Stoffzuführung 202 und eine Turbine 204. Eine Oxidatorpumpe 206 dient dem Antreiben eines Oxidators. Eine Brennstoffpumpe 208 dient dem Antreiben eines Brennstoffs.The engine 196 further includes an oxidizer feeder 200, a fuel feeder 202 and a turbine 204. An oxidizer pump 206 serves to drive an oxidizer. A fuel pump 208 is for driving a fuel.
Zur Zuführung von Oxidator und Brennstoff zu der Turbine 204 sind Zuführ- Vorrichtungen 210 vorgesehen. Ferner sind Zuführvorrichtungen 210 vorgesehen, um Oxidator mittels der Oxidatorpumpe 206 zu dem Einblaskopf 104 der Brennkammervorrichtung 100 und einem Vorbrenner 212 zu befördern. Aus dem Brennraum 103 der Brennkammer 102 kann dem Vorbrenner 212 mittels einer Zuführvorrichtung 210 ein in dem Brennraum 103 der Brennkammer 102 vorhandenes Gasgemisch zugeführt werden. An dem Vorbrenner 212 austretendes Gas kann mittels einer Zuführvorrichtung 210 der Turbine 204 zugeführt werden.Supplying devices 210 are provided for supplying oxidizer and fuel to the turbine 204. Further, feeders 210 are provided to convey oxidizer by means of the oxidizer pump 206 to the injection head 104 of the combustor 100 and a pilot burner 212. From the combustion chamber 103 of the combustion chamber 102, the preburner 212 can be supplied with a gas mixture present in the combustion chamber 103 of the combustion chamber 102 by means of a feed device 210. Gas exiting the preburner 212 may be supplied to the turbine 204 via a feeder 210.
Eine weitere Zuführvorrichtung 210 ist zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen der Turbine 204 und der Brennkammervorrichtung 100 vorgesehen.Another feeder 210 is provided for establishing fluid communication between the turbine 204 and the combustor 100.
Ferner ist eine Zuführvorrichtung 210 vorgesehen, um mittels der Brennstoffpumpe 208 Brennstoff einem Ende der Lavaldüse 198 zuzuführen.Further, a supply device 210 is provided to supply fuel to one end of the Laval nozzle 198 by means of the fuel pump 208.
Bei der (in Figur 14 dargestellten) ersten Ausführungsform eines Triebwerks 196 ist eine gestufte Verbrennung vorgesehen. Insbesondere erfolgt bei die- sem Triebwerk 196 eine Vorverbrennung in dem Vorbrenner 212. Die Turbine 204 treibt die Brennstoffpumpe 208 und die Oxidatorpumpe 206 an. Eine Verbrennung erfolgt einerseits direkt am Einblaskopf 104 der Brennkammervorrichtung 100 und andererseits in der Nähe eines Ausgangs der Lavaldüse 198, wo erneut Brennstoff zugeführt wird.In the first embodiment of an engine 196 (shown in Figure 14), staged combustion is provided. In particular, in this engine 196, pre-combustion takes place in the pre-burner 212. The turbine 204 drives the fuel pump 208 and the oxidizer pump 206. On the one hand, combustion takes place directly at the injection head 104 of the combustion chamber device 100 and, on the other hand, near an exit of the Laval nozzle 198, where fuel is supplied again.
Eine (in Figur 15 dargestellte) zweite Ausführungsform eines Triebwerks 196 entspricht im Wesentlichen der (in Figur 14 dargestellten) ersten Ausführungsform eines Triebwerks 196, mit unterschiedlich angeordneten Zuführvorrichtungen 210. Bei der zweiten Ausführungsform des Triebwerks 196 ist dieses Triebwerk 196 als Gasgenerator betreibbar.A second embodiment of an engine 196 (shown in FIG. 15) substantially corresponds to the first embodiment of an engine 196 (shown in FIG. 14) having differently arranged feeders 210. In the second embodiment of the engine 196, this engine 196 is operable as a gas generator.
Hierzu erfolgt eine Zuführung von Oxidator mittels der Oxidatorpumpe 206 zu dem Vorbrenner 212, der Brennkammervorrichtung 100 und der Turbine 204. Mittels der Brennstoffpumpe 208 wird über Zuführvorrichtungen 210 der Tur- bine 204, dem Vorbrenner 212 und dem Ende der Lavaldüse 198 Brennstoff zugeführt. Aus dem Vorbrenner 212 gelangt Gas in die Turbine 204 und wird von dort in einen mittleren Bereich der Lavaldüse 198 mittels einer weiteren Zuführvorrichtung 210 befördert.For this purpose, a supply of oxidant by means of the oxidizer 206 to the preburner 212, the combustion chamber device 100 and the turbine 204. By means of the fuel pump 208 is fed via feeders 210 of the turbine 204, the preburner 212 and the end of the Laval nozzle 198 fuel. From the pre-burner 212 gas enters the turbine 204 and is conveyed from there into a central region of the Laval nozzle 198 by means of a further feed device 210.
Ferner ist an der Brennkammervorrichtung 100 eine Rückführung 214 vorgesehen, um in dem Brennraum 103 der Brennkammer 102 vorhandenes Gas dem Einblaskopf 104 zuführen zu können.Furthermore, a return 214 is provided on the combustion chamber device 100 in order to be able to feed gas present in the combustion chamber 103 of the combustion chamber 102 to the injection head 104.
Im Übrigen stimmt die (in Figur 15 dargestellte) zweite Ausführungsform eines Triebwerks 196 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in Figur 14 dargestellten) ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the second embodiment of an engine 196 (shown in FIG. 15) is identical in construction and function to the first embodiment (shown in FIG. 14), to the foregoing description of which reference is made.
Eine (in Figur 16 dargestellte) dritte Ausführungsform eines Triebwerks 196 unterscheidet sich von der (in Figur 14 dargestellten) ersten Ausführungsform dadurch, dass kein Vorbrenner 212 vorgesehen ist und die Zuführleitungen 210 zwischen der Oxidatorpumpe 206 und der Brennkammervorrichtung 100, zwischen der Turbine 204 und der Brennkammervorrichtung 100, zwischen der Brennstoffpumpe 208 und der Turbine 204, zwischen der Oxidatorpumpe 206 und der Turbine 204 und zwischen der Brennstoffpumpe 208 und dem Ende der Lavaldüse 198 angeordnet sind.A third embodiment of an engine 196 (shown in FIG. 16) differs from the first embodiment (shown in FIG. 14) in that no pre-burner 212 is provided and the supply lines 210 between the oxidizer pump 206 and the combustor 100, between the turbine 204 and the combustor device 100, between the fuel pump 208 and the turbine 204, between the oxidizer pump 206 and the turbine 204 and between the fuel pump 208 and the end of the Laval nozzle 198 are arranged.
Bei dieser Ausführungsform kann das Triebwerk 196 insbesondere als Expander betrieben werden.In this embodiment, the engine 196 can be operated in particular as an expander.
Hierzu wird von der Oxidatorpumpe 206 der Brennkammervorrichtung 100 Oxidator zugeführt. Aus der Turbine 204 stammendes Gas wird ebenfalls der Brennkammervorrichtung 100 zugeführt, wobei eine Rückführleitung aus der Brennkammervorrichtung 100 zu der Turbine 204 vorgesehen ist.For this purpose, the oxidizer pump 206 of the combustion chamber device 100 oxidizer is supplied. Gas from the turbine 204 is also supplied to the combustor device 100 with a return line from the combustor device 100 to the turbine 204.
Die Turbine 204 wird mit Oxidator und Brennstoff versorgt. Ferner ist eine Zuführleitung 210 vorgesehen, um Brennstoff mittels der Brennstoffpumpe 208 dem Ende der Lavaldüse 198 zuzuführen. Im Übrigen stimmt die (in Figur 16 dargestellte) dritte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der (in Figur 14 dargestellten) ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. The turbine 204 is supplied with oxidizer and fuel. Further, a supply line 210 is provided to supply fuel by means of the fuel pump 208 to the end of the Laval nozzle 198. Incidentally, the third embodiment of an injector 106 (shown in FIG. 16) is identical in structure and function to the first embodiment (shown in FIG. 14), the above description of which is incorporated herein by reference.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennkammervorrichtung, umfassend mindestens eine Brennkammer (102), mindestens einen Einblaskopf (104) mit mindestens einem Injektor (106) zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu einem Brennraum (103) und eine Laservorrichtung (152, 172) zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls zur Zündung eines Brennstoff-Oxidator- Gemisches, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) mindestens ein inneres Injektorelement (108, 182) und ein äußeres Injektorelement (110) umfasst, und einen gemeinsamen Fluidkanal (130) für in dem inneren Injektorelement (108, 182) und in dem äußeren Injektorelement (110) geführte Fluide umfasst, wobei der gemeinsame Fluidkanal (130) in den Brennraum (103) einmündet, und wobei der mindestens eine Laserstrahl zur Zündung in den Injektor (106) in den gemeinsamen Fluidkanal (130) eingestrahlt ist.A combustor apparatus comprising at least one combustion chamber (102), at least one injector head (104) having at least one injector (106) for supplying fuel and oxidizer to a combustion chamber (103) and a laser device (152, 172) for generating at least one laser beam for igniting a fuel-oxidizer mixture, characterized in that the at least one injector (106) comprises at least one inner injector element (108, 182) and an outer injector element (110) and a common fluid channel (130) for in the inner injector element (108, 182) and in the outer injector (110) guided fluids, wherein the common fluid channel (130) opens into the combustion chamber (103), and wherein the at least one laser beam for ignition in the injector (106) in the common fluid channel (130) is irradiated.
2. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) mindestens ein als Brennstoffinjektorelement ausgebildetes Injektorelement (108, 110, 182) zum Zuführen von Brennstoff und mindestens ein als Oxidatorinjektorelement ausgebildetes Injektorelement (108, 110, 182) zum Zuführen von Oxidator umfasst.2. combustion chamber device according to claim 1, characterized in that the at least one injector (106) at least one fuel injector designed as an injector element (108, 110, 182) for supplying fuel and at least one formed as Oxidatorinjektorelement injector (108, 110, 182) for Supplying oxidizer comprises.
3. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Injektorelement (108, 182) und das äußere Injektorelement (110) des mindestens einen Injektors (106) koaxial zueinander angeordnet sind.3. combustion chamber device according to claim 1 or 2, characterized in that the inner injector (108, 182) and the outer injector (110) of the at least one injector (106) are arranged coaxially with each other.
4. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Injektorelemente (108, 110, 182) des mindestens einen Injektors (106) trikoaxial zueinander angeordnet sind. 4. combustion chamber device according to claim 3, characterized in that at least three injector elements (108, 110, 182) of the at least one injector (106) are arranged tricoaxially to each other.
5. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) mindestens ein Injektorrohr umfasst.5. combustion chamber device according to claim 3 or 4, characterized in that the at least one injector (106) comprises at least one injector tube.
6. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem in einer Einströmrichtung (E) hinteren Ende mindestens eines Injektorelements (108, 110, 182) eine innere und/oder äußere Anfasung (134, 188) vorgesehen ist.6. combustion chamber device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at one in an inflow (E) rear end of at least one injector (108, 110, 182) an inner and / or outer chamfer (134, 188) is provided.
7. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) an einer Injektormündungsöffnung (124) direkt in den Brennraum (103) einmündet.7. combustion chamber device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one injector (106) opens at an injector opening (124) directly into the combustion chamber (103).
8. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Injektorelement (108) in den gemeinsamen Fluidkanal einmündet.8. combustion chamber device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the inner injector (108) opens into the common fluid channel.
9. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Mündungsöffnung (124, 128, 184) des inneren Injektorelements (108, 182) gegenüber einer Austrittsebene (126) des mindestens einen Injektors (106) entgegen einer Einströmrichtung (E) zurückversetzt angeordnet ist.9. combustion chamber device according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one orifice (124, 128, 184) of the inner injector (108, 182) against an exit plane (126) of the at least one injector (106) against an inflow ( E) is set back.
10. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung eine solche Laserwellenlänge aufweist, dass das Brennstoff-Oxidator-Gemisch mittels der Laservorrichtung (152, 172) photochemisch angeregt ist.10. combustion chamber device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the laser device has a laser wavelength such that the fuel-oxidizer mixture by means of the laser device (152, 172) is photochemically excited.
11. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (152, 172) mindestens einen Lichtleiter (148) zur Führung des mindestens einen Laserstrahls umfasst. 11. combustion chamber device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the laser device (152, 172) comprises at least one light guide (148) for guiding the at least one laser beam.
12. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (152, 172) mindestens ein optisches System (154, 168, 174) zur Fokussierung des mindestens einen Laserstrahls umfasst.12. combustion chamber device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the laser device (152, 172) comprises at least one optical system (154, 168, 174) for focusing the at least one laser beam.
13. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch mindestens einen optischen Zugang (144, 170) in einer äußeren Wand (146) des mindestens einen Injektors (106).13. A combustion chamber device according to any one of claims 1 to 12, characterized by at least one optical access (144, 170) in an outer wall (146) of the at least one injector (106).
14. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine optische Zugang (144, 170) in einer Richtung parallel zu einer Einströmrichtung (E) zwischen mindestens einer Mündungsöffnung (124, 128, 184) eines Injektorelements (108, 110, 182) und einer Austrittsebene (126) des mindestens einen Injektors (106) angeordnet ist.14. combustion chamber device according to claim 13, characterized in that the at least one optical access (144, 170) in a direction parallel to an inflow direction (E) between at least one orifice (124, 128, 184) of an injector (108, 110, 182 ) and an exit plane (126) of the at least one injector (106) is arranged.
15. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch mindestens eine Detektionsvorrichtung (162).15. combustion chamber device according to one of claims 1 to 14, characterized by at least one detection device (162).
16. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektionsvorrichtung (162) mindestens einen Lichtdetektor umfasst.16. combustion chamber device according to claim 15, characterized in that the at least one detection device (162) comprises at least one light detector.
17. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektionsvorrichtung (162) mindestens einen Lichtleiter (148) umfasst. 17. combustion chamber device according to claim 16, characterized in that the at least one detection device (162) comprises at least one light guide (148).
18. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektionsvorrichtung (162) so an mindestens einem Injektor (106) angeordnet ist, dass eine Flamme in dem Bereich (132, 136, 140) detektierbar ist, in dem eine Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches mittels mindestens eines Laserstrahls erfolgt.18. combustion chamber device according to one of claims 15 to 17, characterized in that the at least one detection device (162) is arranged on at least one injector (106) that a flame in the region (132, 136, 140) is detectable, in the ignition of the fuel-oxidizer mixture is effected by means of at least one laser beam.
19. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Detektionsvorrichtung (162) so an mindestens einem Injektor (106) angeordnet ist, dass eine Flamme zwischen mindestens einer Mündungsöffnung (124, 128, 184) eines Injektorelements (108, 110, 182) und einer Austrittsebene (126) des mindestens einen Injektors (106) detektierbar ist.19. combustion chamber device according to one of claims 15 to 18, characterized in that at least one detection device (162) is arranged on at least one injector (106) that a flame between at least one orifice (124, 128, 184) of an injector (108 , 110, 182) and an exit plane (126) of the at least one injector (106) is detectable.
20. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlumlenkung (160) vorgesehen ist, um sowohl mindestens einen Laserstrahl als auch einen mittels der mindestens einen Detektionsvorrichtung (162) zu detektierenden Lichtstrahl über einen zumindest abschnittsweise gemeinsamen optischen Weg (164) führen zu können.20. combustion chamber device according to one of claims 15 to 19, characterized in that a beam deflection (160) is provided to at least one laser beam as well as by means of at least one detection device (162) to be detected light beam via an at least partially common optical path (160). 164).
21. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Injektor (106) mindestens zwei optische Zugänge (144, 170) in einer äußeren Wand (146) umfasst.21. combustion chamber device according to one of claims 1 to 20, characterized in that at least one injector (106) at least two optical accesses (144, 170) in an outer wall (146).
22. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einblaskopf (104) mehrere gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnete Injektoren (106) umfasst. 22. combustion chamber device according to one of claims 1 to 21, characterized in that the at least one injection head (104) comprises a plurality of evenly spaced from each other arranged injectors (106).
23. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Brennkammervorrichtung (100).23. combustion chamber device according to one of claims 1 to 22, characterized by a control device for controlling the combustion chamber device (100).
24. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Injektoren (106) jeweils eine Laservorrichtung (152, 172) zugeordnet ist, wobei die mindestens zwei Laservorrichtungen (152, 172) mittels der Steuerungsvorrichtung steuerbar sind.24. combustion chamber device according to claim 23, characterized in that at least two injectors (106) each have a laser device (152, 172) is associated, wherein the at least two laser devices (152, 172) are controllable by means of the control device.
25. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (152, 172) an dem mindestens einen Injektor (106) angeordnet ist.25. combustion chamber device according to one of claims 1 to 24, characterized in that the laser device (152, 172) is arranged on the at least one injector (106).
26. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) eine Strahleintrittsstelle aufweist, welche am gemeinsamen Fluidkanal (130) des mindestens einen Injektors (106) angeordnet ist.26. combustion chamber device according to one of claims 1 to 25, characterized in that the at least one injector (106) has a jet entry point, which is arranged on the common fluid channel (130) of the at least one injector (106).
27. Triebwerk, umfassend mindestens eine Brennkammervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 26.27. An engine, comprising at least one combustion chamber device (100) according to one of claims 1 to 26.
28. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung, umfassend : Erzeugen eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches mittels mindestens eines Injektors zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu einem Brennraum, wobei der mindestens eine Injektor mindestens ein inneres Injektorelement und ein äußeres Injektorelement umfasst, und einen gemeinsamen Fluidkanal für in dem inneren Injektorelement und in dem äußeren Injektorelement geführte Fluide umfasst, wobei der gemeinsame Fluidkanal in den Brennraum einmündet; und Richten mindestens eines Laserstrahls auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Injektor in den gemeinsamen Fluidkanal zum Zünden des Brennstoff-Oxidator- Gemisches. 28. A method of operating a combustor device, comprising: generating a fuel-oxidizer mixture by means of at least one injector for supplying fuel and oxidizer to a combustion chamber, the at least one injector comprising at least an inner injector element and an outer injector element, and a common fluid channel for fluids carried in the inner injector element and in the outer injector element, the common fluid channel opening into the combustion chamber; and directing at least one laser beam onto the fuel-oxidizer mixture into the injector into the common fluid channel to ignite the fuel-oxidizer mixture.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl auf eine Flammenankerungszone gerichtet wird.29. The method according to claim 28, characterized in that at least one laser beam is directed to a flame arresting zone.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Oxidator vor einer Zuführung in einen Brennraum der Brennkammervorrichtung zumindest teilweise innerhalb eines Injektors vermischt werden.30. The method according to claim 28 or 29, characterized in that fuel and oxidizer are mixed before being fed into a combustion chamber of the combustion chamber device at least partially within an injector.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Oxidator mittels mindestens eines Injektors zumindest abschnittsweise koaxial geführt werden.31. The method according to any one of claims 28 to 30, characterized in that fuel and oxidizer are at least partially coaxially guided by means of at least one injector.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl zumindest abschnittsweise mittels eines Lichtleiters geführt wird.32. The method according to any one of claims 28 to 31, characterized in that at least one laser beam is guided at least in sections by means of a light guide.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl quer zu einer Hauptachse des mindestens einen Injektors gerichtet wird.33. The method according to any one of claims 28 to 32, characterized in that at least one laser beam is directed transversely to a major axis of the at least one injector.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl mittels eines optischen Systems fokus- siert wird.34. The method according to any one of claims 28 to 33, characterized in that at least one laser beam is focused by means of an optical system.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Detektionsvorrichtung Strahlung aus mindestens einem Bereich detektiert wird, auf weichen mindestens ein Laserstrahl gerichtet ist.35. The method according to any one of claims 28 to 34, characterized in that by means of a detection device radiation from at least one region is detected, on soft at least one laser beam is directed.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Detektionsvorrichtung überprüft wird, ob ein Laserstrahl zur Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches und zur Ausbildung einer Flamme geführt hat. 36. The method according to claim 35, characterized in that it is checked by means of a detection device whether a laser beam has led to the ignition of the fuel-oxidizer mixture and to the formation of a flame.
37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ausbildung einer Flamme in regelmäßigen Zeitabständen überprüft wird, ob die Flamme erloschen ist.37. The method of claim 35 or 36, characterized in that is checked after the formation of a flame at regular intervals, whether the flame is extinguished.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Erlöschen der Flamme zur erneuten Zündung ein Laserstrahl auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch gerichtet wird.38. The method according to claim 37, characterized in that after extinguishing the flame for re-ignition, a laser beam is directed to the fuel-oxidizer mixture.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserstrahlen auf unterschiedliche Bereiche des Brenn- stoff-Oxidator-Gemisches gerichtet werden.39. The method according to any one of claims 28 to 38, characterized in that a plurality of laser beams are directed to different areas of the fuel-oxidizer mixture.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen zeitlich versetzt erzeugt werden.40. The method according to claim 39, characterized in that the laser beams are generated offset in time.
41. Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen mittels einer Steuerungsvorrichtung gesteuert werden.41. The method according to claim 39 or 40, characterized in that the laser beams are controlled by means of a control device.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Oxidator-Gemisch mittels des mindestens einen Laserstrahls photochemisch angeregt wird.42. The method according to any one of claims 28 to 41, characterized in that the fuel-oxidizer mixture is photochemically excited by means of the at least one laser beam.
43. Verwendung einer Brennkammervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 26 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 28 bis 42. 43. Use of a combustion chamber device (100) according to one of claims 1 to 26 for carrying out a method according to one of claims 28 to 42.
PCT/EP2009/056647 2008-06-09 2009-05-29 Combustion chamber device, and method for the operation of a combustion chamber device WO2009150069A2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE202009018138U DE202009018138U1 (en) 2008-06-09 2009-05-29 combustion chamber device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810028208 DE102008028208B4 (en) 2008-06-09 2008-06-09 Combustion chamber apparatus and method for its operation
DE102008028208.1 2008-06-09

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2009150069A2 true WO2009150069A2 (en) 2009-12-17
WO2009150069A3 WO2009150069A3 (en) 2011-01-06

Family

ID=41317783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/056647 WO2009150069A2 (en) 2008-06-09 2009-05-29 Combustion chamber device, and method for the operation of a combustion chamber device

Country Status (2)

Country Link
DE (2) DE102008028208B4 (en)
WO (1) WO2009150069A2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2451818C1 (en) * 2010-10-05 2012-05-27 Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Laser device of fuel components ignition (versions)
RU2580232C1 (en) * 2015-05-07 2016-04-10 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Method of ignition of fuel components in liquid rocket engine and laser ignition device for realising said method

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2598920C2 (en) * 2011-03-07 2016-10-10 Снекма Injector for mixing two components of fuel, comprising at least injection element with three coaxial channels
FR2974151B1 (en) * 2011-04-15 2015-06-05 Snecma INJECTION ELEMENT
US9441546B2 (en) * 2013-02-26 2016-09-13 Pratt & Whitney Canada Corp. Laser-ignition combustor for gas turbine engine
US11859817B2 (en) 2020-12-07 2024-01-02 General Electric Company System and method for laser ignition of fuel in a coal-fired burner

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1111079A (en) * 1965-09-25 1968-04-24 Siemens Ag The mhd generation of electricity
DE3731046A1 (en) * 1987-07-16 1989-01-26 Bbc Brown Boveri & Cie Method for initiating an exothermic chemical reaction, bypassing the heating of the mass of the reactants to the reaction temperature
DE3818623C1 (en) * 1988-06-01 1989-07-13 Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8012 Ottobrunn, De
US5367869A (en) * 1993-06-23 1994-11-29 Simmonds Precision Engine Systems Laser ignition methods and apparatus for combustors
EP0755720A1 (en) * 1995-07-28 1997-01-29 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method and device for spraying a liquid
WO1998011388A1 (en) * 1996-09-12 1998-03-19 Unison Industries Limited Partnership Diagnostic methods and apparatus for laser ignition system
FR2759118A1 (en) * 1997-01-31 1998-08-07 Daimler Benz Aerospace Ag ARRANGEMENT AND METHOD FOR FIXING AN INJECTION ELEMENT IN THE INJECTION HEAD OF A ROCKET ENGINE
US5845480A (en) * 1996-03-13 1998-12-08 Unison Industries Limited Partnership Ignition methods and apparatus using microwave and laser energy
US20060037572A1 (en) * 2004-08-04 2006-02-23 Azer Yalin Optical diagnostics integrated with laser spark delivery system

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4302933A (en) * 1979-03-01 1981-12-01 Smith Marvin M Jet engine augmentor operation at high altitudes
US5404712A (en) * 1992-10-06 1995-04-11 University Of Tennessee Research Corporation Laser initiated non-linear fuel droplet ignition
US5857323A (en) * 1995-08-22 1999-01-12 Aerotherm Corporation, A Subsidiary Of Dyncorp Rocket engine burner with porous metal injector for throttling over a large thrust range
EP0816674A1 (en) * 1996-06-24 1998-01-07 Simmonds Precision Engine Systems, Inc. Ignition methods and apparatus using broadband laser energy
US7047724B2 (en) * 2002-12-30 2006-05-23 United Technologies Corporation Combustion ignition
GB2441145B (en) * 2006-08-22 2011-06-08 Ford Global Tech Llc Laser ignition system comprising means for detecting piston crown velocity and position

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1111079A (en) * 1965-09-25 1968-04-24 Siemens Ag The mhd generation of electricity
DE3731046A1 (en) * 1987-07-16 1989-01-26 Bbc Brown Boveri & Cie Method for initiating an exothermic chemical reaction, bypassing the heating of the mass of the reactants to the reaction temperature
DE3818623C1 (en) * 1988-06-01 1989-07-13 Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8012 Ottobrunn, De
US5367869A (en) * 1993-06-23 1994-11-29 Simmonds Precision Engine Systems Laser ignition methods and apparatus for combustors
EP0755720A1 (en) * 1995-07-28 1997-01-29 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method and device for spraying a liquid
US5845480A (en) * 1996-03-13 1998-12-08 Unison Industries Limited Partnership Ignition methods and apparatus using microwave and laser energy
WO1998011388A1 (en) * 1996-09-12 1998-03-19 Unison Industries Limited Partnership Diagnostic methods and apparatus for laser ignition system
FR2759118A1 (en) * 1997-01-31 1998-08-07 Daimler Benz Aerospace Ag ARRANGEMENT AND METHOD FOR FIXING AN INJECTION ELEMENT IN THE INJECTION HEAD OF A ROCKET ENGINE
US20060037572A1 (en) * 2004-08-04 2006-02-23 Azer Yalin Optical diagnostics integrated with laser spark delivery system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2451818C1 (en) * 2010-10-05 2012-05-27 Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Laser device of fuel components ignition (versions)
RU2580232C1 (en) * 2015-05-07 2016-04-10 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Method of ignition of fuel components in liquid rocket engine and laser ignition device for realising said method

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008028208B4 (en) 2012-03-22
DE102008028208A1 (en) 2009-12-17
DE202009018138U1 (en) 2011-02-17
WO2009150069A3 (en) 2011-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008028208B4 (en) Combustion chamber apparatus and method for its operation
EP1817526B1 (en) Method and device for burning hydrogen in a premix burner
EP2116766B1 (en) Burner with fuel lance
US10161626B2 (en) Ducted fuel injection
EP1983183B1 (en) Ultra-compact, high-performance aerovortical rocket thruster
DE102006053679A1 (en) Low emission combustion chamber and operating procedures
DE4110759A1 (en) Lean, graded combustion device
DE3841269A1 (en) FUEL NOZZLE WITH CATALYTIC GLOW INSERT
EP1504222B1 (en) Premix burner
EP1436546A1 (en) Burner for synthesis gas
EP3246559B1 (en) Rocket propulsion system and method for operating the same
WO2016060581A1 (en) Device and method for organizing the operating process of a jet engine
EP0816674A1 (en) Ignition methods and apparatus using broadband laser energy
RU2468240C1 (en) Chamber of liquid-propellant rocket engine or gas generator with laser ignition device of fuel components, and its startup method
DE69633163T2 (en) Fuel-air mixing tube
EP0877156B1 (en) Method and device to vaporize liquid fuel for use in a gas turbine combustor
EP1241334B1 (en) Ignition method for a turbomachine
DE4215763C2 (en) burner
Chehroudi et al. A novel distributed ignition method using single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) and a low-power flash light
JP2019505721A (en) Duct type fuel injection system and method
US10801395B1 (en) Ducted fuel injection
US9347399B1 (en) Laser ignition for liquid propellant rocket engine injectors
Mozingo Evaluation of a Strut-Plasma Torch Combination as a Supersonic Igniter-Flameholder
DE10329162A1 (en) Catalytic reactor and associated operating method
DE2459001C3 (en) Combustion chamber, especially for ramjet engines

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09761632

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09761632

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2