DE102008028208B4 - Combustion chamber apparatus and method for its operation - Google Patents
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Abstract
Um ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung bereitzustellen, bei welchem ein Zündvorgang zum Zünden einer Flamme zuverlässig mehrfach ausführbar ist, wird vorgeschlagen, dass ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch erzeugt wird und mindestens ein Laserstrahl auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch zum Zünden desselben gerichtet wird.In order to provide a method for operating a combustion chamber device in which an ignition process for igniting a flame can be reliably carried out several times, it is proposed that a fuel-oxidizer mixture be generated and at least one laser beam is directed onto the fuel-oxidizer mixture for igniting the same .
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung, bei dem ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch gezündet wird.The invention relates to a method for operating a combustion chamber device in which a fuel-oxidizer mixture is ignited.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkammervorrichtung, umfassend mindestens eine Brennkammer und mindestens einen Einblaskopf mit mindestens einem Injektor zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu einem Brennraum.The invention further relates to a combustion chamber device, comprising at least one combustion chamber and at least one injection head with at least one injector for supplying fuel and oxidizer to a combustion chamber.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Triebwerk, umfassend mindestens eine Brennkammervorrichtung.Furthermore, the invention relates to an engine comprising at least one combustion chamber device.
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.
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Der Erfindung liegt 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 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 durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved according to the invention in the method mentioned by the features of
Durch das Richten eines Laserstrahls auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch zum Zünden desselben ist ein Zündvorgang besonders zuverlässig durchführbar. Ferner kann ein Laserstrahl 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 for igniting the same an ignition process is particularly reliable feasible. Further, a laser beam can be repeatedly directed to the fuel-oxidizer mixture, so that an ignition process with little effort at short intervals is repeatable.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Laserstrahl auf eine Flammenankerungszone 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-arresting 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. Proceedings of the Combustion Institute 31, S. 2215–2222, 2007, und in dem Artikel von Matsuyama S. et al., A Numerical Investigation an Shear Coaxial LOX/GH2 Jet Flame at Supercritical Pressure. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 2006, beschrieben.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, 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 arresting zone is the zone in which an ignitable mixture of fuel and Oxidizer is formed and from which can form a stable flame after the 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.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.
Der Brennstoff und der Oxidator werden mittels mindestens eines Injektors zumindest abschnittsweise koaxial geführt. Auf diese Weise ist eine Vermischung von Brennstoff und Oxidator an einer Austrittsöffnung besonders einfach realisierbar.The fuel and the 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 abschnittsweise 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.Alternatively or additionally, it may be provided that at least one laser beam is directed to the fuel-oxidizer mixture in an unfocused manner.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mittels einer Detektionsvorrichtung Strahlung aus mindestens einem Bereich dektiert wird, auf welchen mindestens ein Laserstrahl gerichtet ist. Dadurch kann beispielsweise die Temperatur und/oder die Dichte in dem Bereich, auf welchen der mindestens eine Laserstrahl gerichtet ist, untersucht werden.In one embodiment of the invention, it can be provided that radiation is decoded by means of a detection device from at least one area, on which 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-Oxidator-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 besonders 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.Alternatively, it can be provided that the laser beams are generated offset in time. Thereby, 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.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Laserstrahlen mittels einer Steuerungsvorrichtung gesteuert werden. Auf diese Weise ist insbesondere ein zeitlicher Versatz der Laserstrahlen einfach steuerbar.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.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkammervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einen zuverlässigen und mehrfach ausführbaren Zündvorgang zum Zünden einer Flamme ermöglicht.The invention is further based on the object to provide a combustion chamber device of the type mentioned, which allows a reliable and multiple executable ignition process for igniting a flame.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by the features of claim 14.
Die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf.The combustion chamber device according to the invention has the advantages already explained in connection with the method according to the invention.
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.
Der mindestens eine Injektor umfasst mindestens ein als Brennstoff-Injektorelement ausgebildetes Injektorelement zum Zuführen von Brennstoff und mindestens ein als Oxidator-Injektorelement ausgebildetes Injektorelement zum Zuführen von Oxidator. Auf diese Weise kann mittels des Injektors sowohl Brennstoff als auch Oxidator zugeführt werden.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.
Die mindestens zwei Injektorelemente des mindestens einen Injektors sind koaxial zueinander angeordnet.The at least two injector elements of the at least one injector are arranged coaxially with one another.
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 begünstigt.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, a 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.
Mindestens ein Injektorelement umfasst eine Mündungsöffnung, welche gegenüber einer Austrittsebene des mindestens einen Injektors entgegen einer Einströmrichtung zurückversetzt angeordnet ist. Dadurch ist eine optimierte Strömung innerhalb der Brennkammervorrichtung möglich.At least one injector element comprises an orifice opening, which is arranged offset from an inlet 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 Flammenankerungszone innerhalb des Injektors gebildet und eine Flamme dort stabiler gehalten werden.In particular, by suitably selecting the relative distances and the diameters of the mouth openings and the exit plane, a flame-retarding 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 ausbildenden 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 setback 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 which forms as it enters 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 Laserdiode umfasst. Auf diese Weise ist ein Laserstrahl einfach erzeugbar.It may 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.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Laserstrahl auf den Oxidator hinsichtlich einer Absorptionswellenlänge, der Aktivierungsenergie oder des Emissionsgrades für eine primäre Anregung abgestimmt ist.In particular, 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 Lichtleiter 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.
Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung so an mindestens einem Injektor angeordnet ist, dass mindestens ein Laserstrahl zumindest teilweise in einem Fluidkanal des mindestens einen Injektors verläuft. Auf diese Weise kann ein Laserstrahl einfach auf ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidator gerichtet werden.In the invention, it is provided that the laser device is arranged on at least one injector such that at least one laser beam runs at least partially in a fluid channel of the at least one injector. In this way, a laser beam can be easily directed to a mixture of fuel and oxidizer.
Mindestens ein optischer Zugang ist in einer äußeren Wand des mindestens einen Injektors vorgesehen. Dadurch kann ein Laserstrahl einfach in einen Innenraum des Injektors gerichtet werden.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.
Der mindestens eine optische Zugang ist in einer Richtung parallel zu der Einströmrichtung zwischen mindestens einer Mündungsöffnung eines Injektorelements und einer Austrittsebene des mindestens einen Injektors angeordnet. Dadurch kann der mindestens eine Laserstrahl einfach auf ein sich bereits innerhalb des Injektors ausbildendes Brennstoff-Oxidator-Gemisch gerichtet werden.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 and an exit plane of the at least one injector. As a result, the at least one laser beam can be simply directed onto 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.In one embodiment of the invention, it may be provided that the combustion chamber device comprises at least one detection device. On This way, a simple monitoring of the combustion chamber device can take place.
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.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-Gemisches mittels mindestens eines Laserstrahls erfolgt. Auf dieses Weise ist besonders einfach überwachbar, ob eine Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches 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 an ignition of the fuel-oxidizer mixture has occurred.
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 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 can 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 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 sowohl 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.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 which is at least partially section-wise. 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.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Injektor mindestens zwei optische Zugänge in einer äußeren Wand umfasst.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 mindestens 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 uniformly spaced injectors arranged. 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 Laservorrichtungen 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.
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.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 die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung erläuterten Vorteile auf.The engine according to the invention has the advantages already explained in connection with the method according to the invention and the combustion chamber device according to the invention.
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 zu deren Betrieb und das erfindungsgemäße Triebwerk weisen ferner die folgenden Vorteile auf:
- – Zündung direkt bei der Einspritzung und damit keine Flammenwanderung und kein Ausblasen der Flamme;
- – Möglichkeit der gruppierten Zündung durch eine gruppierte Anordnung von Injektoren mit Zündvorrichtung am Einblaskopf;
- – Reduktion der Kosten;
- – keine Überdimensionierung der Brennkammervorrichtung nötig, da eine hohe Zündsicherheit gewährleistet ist;
- – hohe Redundanz durch mehrere Zündorte;
- – sofortige Detektion einer Zündung möglich;
- – Verringerung der Komplexität der Zündvorrichtung;
- – keine Notwendigkeit von hypergolen Zündern und damit auch Vermeidung von toxischen und aggressiven Brennstoffen und Oxidatoren;
- – Bereitstellung einer lokalvariablen Zündung;
- – Verringerung des starken Druckschlags bei der Zündung und der damit verbundenen hohen Belastung der Brennkammervorrichtung;
- – Wiederzündbarkeit;
- – Wiederverwendbarkeit;
- – Verringerung des Betriebsrisikos;
- – Zündung unmittelbar in der Flammenankerungszone und damit unmittelbare Flammenstabilisierung;
- – gute Einstellbarkeit des Zündortes;
- – zeitlich und räumlich getrennte Zündung zur Ermöglichung einer optimalen Zünd- und Anfahrsequenz; und
- – Verwendung von lediglich elektrischer Leistung zur Zündung der Flamme und damit Vermeidung von zusätzlichem Treibstoff und entsprechenden Leitungs- und Isolationssystemen.
- - Ignition directly at the injection and thus no flame migration and no blowing out of the flame;
- Possibility of grouped ignition by a grouped arrangement of injectors with ignition device on the injection head;
- - reduction of costs;
- - No oversizing of the combustion chamber device necessary because a high ignition safety is ensured;
- - high redundancy through multiple ignition locations;
- - Immediate detection of ignition possible;
- - reducing the complexity of the ignition device;
- - no need of hypergolic primers and thus avoidance of toxic and aggressive fuels and oxidizers;
- - Providing a local variable ignition;
- - Reduction of the strong pressure shock at the ignition and the associated high load of the combustion chamber device;
- - re-ignitability;
- - reusability;
- - reduction of operating risk;
- - Ignition directly in the flame-arresting zone and thus immediate flame stabilization;
- - good adjustability of the ignition location;
- - Time and space separate ignition to enable an optimal ignition and starting sequence; and
- - 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, dass in einer Brennkammervorrichtung oder unter Verwendung einer Brennkammervorrichtung hergestellt wird, durch eine erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung verbessert werden kann.Combustor apparatuses according to the present invention also find application in the chemical and process industries because the quality of a product produced in a combustor or by using a combustor can be improved by a combustor according to the present invention.
Weitere Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.
In den Figuren zeigen:In the figures show:
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in den
Eine in
Der Einblaskopf
Eine in
Das innere Injektorelement
Das äußere Injektorelement
Das innere Injektorelement
Das innere Injektorelement
Der innere Fluidkanal
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
Das äußere Injektorelement
Die Mündungsöffnung
Ein in der Einströmrichtung E hinteres Ende des inneren Injektorelements
Die Mündungsöffnung
Dadurch, dass der innere Fluidkanal
Zumindest teilweise vermischt sich in diesem gemeinsamen Fluidkanal
Dabei bildet sich eine Vermischungszone
Die Vermischung in der Vermischungszone
Da die Fluide im Bereich der Vermischungszone
Es kann vorgesehen sein, dass das in dem inneren Fluidkanal
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass in dem inneren Fluidkanal
Durch die Verwendung eines Brennstoffs und eines Oxidators als in dem Injektor
Eine Flamme breitet sich nach einer Zündung aufgrund der Rezirkulation der Fluide in der Rezirkulationszone
In Abhängigkeit von den Strömungsparametern kann sich die Rezirkulationszone
Die räumliche Ausdehnung der Flammenankerungszone
Die räumliche Ausdehnung der Flammenankerungszone
Zur Zündung in der Flammenankerungszone
Vorzugsweise erfolgt eine Zündung innerhalb des Injektors
Mittels einer Flammenankerung kann ein, in der Regel zyklisches, Entfernen und Annähern einer Flamme an den Injektor
Eine in
Ein in der Einströmrichtung E hinteres Ende des Zündleitrohrs
Mittels des Zündleitrohrs
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Der optische Zugang
Der optische Zugang
Zur einfachen Führung von Licht ist bei dieser Ausführungsform ein Lichtleiter
Der Lichtleiter
Zur erfolgreichen Zündung muss ein Laserstrahl nur auf eine Vermischungszone
Das Richten des Laserstrahls auf eine Flammenankerungszone
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 a direct excitation of, for example, oxygen, or a thermal Ignition, that is a nonspecific "broadband" excitation, to 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 höhere, beispielsweise mit handelsüblichen Infrarotlasern, insbesondere mit Diodenlasern, erzeugte Wellenlänge und eine Pulsenergie von höchstens ungefähr 150 mJ verwendet werden.In the case of thermal ignition, it is possible to use a considerably higher wavelength, which is produced, 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
Ein Erlöschen der Flamme nach einer Initialzündung wird durch eine geeignete Anordnung der Injektoren
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
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
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Durchtrittsöffnung
Mittels des optischen Systems
Ein Fokus
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Laserstrahl auf einen anderen Bereich fokussiert wird.However, it can also be provided that the laser beam is focused on another area.
Ferner zeichnet sich die in
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Ferner ist eine Detektionsvorrichtung
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
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Durch diesen zweiten optischen Zugang
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Der Winkel α ist bei einer Ausführungsform in einer Größenordnung von ungefähr 30°, so dass ein Laserstrahl unter diesem Winkel in den gemeinsamen Fluidkanal
Eine Einstrahlung des Laserstrahls unter dem Winkel α dient dazu, möglicherweise vorhandene konstruktive Einschränkungen im Bereich des Injektors
Zur zusätzlichen Zündung an einer Schnittstelle
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Das mittlere Injektorelement
Durch die Anordnung des mittleren Injektorelements
Auf der Innenseite eines in der Einströmrichtung E hinteren Endes des mittleren Injektorelements
Eine Hauptachse
Aufgrund der zurückversetzten Anordnung der Mündungsöffnung
Am in der Einströmrichtung E hinteren Ende des mittleren Injektorelements
Die Vermischungszonen
Ein durch den optischen Zugang
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
In
Insbesondere ist aus dieser Darstellung ersichtlich, dass die Hauptachse
In
Die optischen Zugänge
Im Übrigen stimmt die in
Bei einer in
Der Winkel β ist bei einer Ausführungsform in einer Größenordnung von ungefähr 135°.The angle β in one embodiment is on the order of about 135 °.
Im Übrigen stimmt die in
In
Bei dieser ersten Ausführungsform des Einblaskopfs
Beispielsweise kann bei einem solchen Einblaskopf
Eine in
Die Injektoren
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Die erste Ausführungsform des Triebwerks
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
Das Triebwerk
Zur Zuführung von Oxidator und Brennstoff zu der Turbine
Aus dem Brennraum
Eine weitere Zuführvorrichtung
Ferner ist eine Zuführvorrichtung
Bei der in
Eine in
Hierzu erfolgt eine Zuführung von Oxidator mittels der Oxidatorpumpe
Aus dem Vorbrenner
Ferner ist an der Brennkammervorrichtung
Im Übrigen stimmt die in
In
Bei dieser Ausführungsform kann das Triebwerk
Hierzu wird von der Oxidatorpumpe
Die Turbine
Im Übrigen stimmt die in
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