DE68922149T2

DE68922149T2 - Verfahren und Einrichtung zur aktiven Kontrolle von Verbrennungsinstabilitäten.

Info

Publication number: DE68922149T2
Application number: DE68922149T
Authority: DE
Inventors: Jean Chambon; Francois Lacas; Thierry Poinsot; Arnaud-Christophe Trouve; Denis Veynante
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1988-06-22
Filing date: 1989-06-21
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: EP0349384B1; EP0349384A1; FR2645247A2; JPH0285607A; US5145355A; ATE121179T1; DE68922149D1; FR2645247B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum aktiven Steuern von Verbrennungsinstabilitäten.
Verbrennungsinstabilitäten sind starke Schwankungen, die in Brennkammern von Anlagen wie Flugzeugmotoren, Raketentriebwerken und industriellen Öfen oder Brennern auftreten. Diese Schwankungen sind extrem schädlich und können zu einer Verringerung der Leistungen des Systems und zu einer Erhöhung der Lärmemission führen sowie in bestimmten Fällen durch die hervorgerufenen Schwingungen sogar die komplette Zerstörung der Brennkammer zur Folge haben.
FR-A-1 155 063 beschreibt eine Vorrichtung, die die Erfassung von Verbrennungsinstabilitäten in einer Brennkammer ermöglicht und ein Mikrofon umfaßt, das auf die Fluktuationsmerkmale der Akustikfrequenz reagiert, welche die Flammenerzeugung begleitet, sowie eine photoelektrische Zelle, die auf die Fluktuationsmerkmale des Lichtes der Flamme reagiert. In diesem Dokument geht es um eine Vorrichtung, welche die Erfassung von Verbrennungsinstabilitäten, nicht aber deren aktive Steuerung ermöglicht.
GB-A-1 495 015 beschreibt eine Vorrichtung zur aktiven Steuerung von Verbrennungsinstabilitäten in einer mit einer Brennstoffzufuhrleitung verbundenen Brennkammer, die Erfassungsvorrichtungen zum Erfassen von Verbrennungsinstabilitäten in dieser Brennkammer umfaßt, eine Verdichtungskammer mit Membran mit Eintritts- und Austrittsöffnungen, die jeweils mit der Brennstoffzufuhrleitung vor- bzw. nachgeschalteten Bereichen verbunden sind, sowie Vorrichtungen, die die Membran der Verdichtungskammer zum Erreichen einer Volumenänderung zu Schwingungen anregen und die in die Verdichtungskammer eingespritzte Brennstoffmenge steuern sollen, und Steuervorrichtungen, die mit den Schwingungsvorrichtungen verbunden sind und das von den Erfassungsvorrichtungen abgegebene Signal empfangen. In diesem Dokument ist vorgesehen, zusätzlich zu dem von den Erfassungsvorrichtungen abgegebenen Signal ein weiteres Signal zu verwenden, und zwar ein Basis-Rechtecksignal der gleichen Frequenz, das von einem getrennten Elektronikkreis abgegeben wird. Man mißt die Phasendifferenz zwischen dem Basis-Rechtecksignal und dem Ausgangssignal der Erfassungsvorrichtungen und gibt das geänderte Basissignal an die Vorrichtungen ab, die die Membrane der Verdichtungskammer zum Schwingen anregen.
Außer der Tatsache, daß ein eigener Schaltkreis zur Erzeugung des Basis-Rechtecksignals vorgesehen werden muß, ist die bekannte Vorrichtung nicht automatisch geregelt, da vorab die Schwingungsfrequenz des Basis-Rechtecksginals bekannt sein muß, damit die Verbrennungsinstabilitäten gesteuert werden können.
Die vorliegende Erfindung will eine einfachere und zuverlässigere Vorrichtung zur aktiven Steuerung von Verbrennungsinstabilitäten liefern, und zwar durch eine Direktmodulation der Kraftstoffmenge durch das von den Erfassungsvorrichtungen abgegebene Signal.
Die Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 1 und 2.
Die Erfassungsvorrichtungen können beispielsweise ein in der Brennkammer montiertes Mikrofon oder einen optischen Meßaufnehmer zur Erfassung der Flammenschwankungen in dieser Kammer umfassen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verdichtungskammer, die mindestens eine aus einer Membran bestehende Bodenwand und Vorrichtungen zum Anregen der Membran zu Schwingungen zur Änderung des Kammervolumens umfaßt, eine Mehrzahl von Eintritts- und Austrittsöffnungen auf, die radial symmetrisch in der Seitenwand der Kammer gebildet sind.
Dank dieses Merkmals kann man eine Beanspruchung der akustischen Moden des Hohlraums verhindern.
Die Verdichtungskammer mit variablem Volumen ist außerdem vollkommen unabhängig vom Brenner und kann in einer bestimmten Entfernung von diesem aufgestellt werden. Somit erfordert ihre Aufstellung keinerlei strukturelle Veränderung der Brennkammer und ändert weder deren Merkmale noch Leistungen.
Die Vorrichtungen zum Anregen der Membran zu Schwingungen können aus einer elektromagnetischen Vorrichtung oder jeglicher mechanischen Vorrichtung bestehen, mit der man die Instabilitätsfrequenzen der Flamme erreichen kann, die im allgemeinen in der Größenordnung von einigen hundert Hertz liegen.
Bei einer besonderen Ausführungsform besitzt die Kammer eine symmetrische Form um eine Rotationsachse herum, beispielsweise eine im wesentlichen zylindrische Form.
Nachfolgend wird beispielhaft und nicht erschöpfend eine besondere Ausführungsform der Erfindung mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
- Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung der Erfindung,
- Fig. 2 ist eine explodierte Ansicht der Kammer mit variablem Volumen und
- Fig. 3 ist ein Diagramm, das die mit einer Vorrichtung dieser Art erreichten Resultate wiedergibt.
Fig. 1 stellt eine Brennkammer 1 dar, die über eine Ansaugleitung 2 mit Luft und über eine mit einem Brenner 4 verbundene Versorgungsleitung 3 mit Brennstoff versorgt wird.
Zur Verhinderung von Verbrennungsinstabilitäten in der Kammer 1 sind Mikrofone 5, 5' in dieser Kammer bzw. an die Leitung 2 montiert, die mit Steuervorrichtungen 6 wie einer Verzögerungswicklung oder einem Rechner verbunden sind, deren/dessen Ausgang an den Eingang eines Verstärkers 7 angelegt wird, der die an die Brennstoffversorgungsleitung 3 montierten Durchsatzsteuervorrichtungen 8 steuert.
Die Steuervorrichtungen 8 bestehen aus einem Betätigungsgerät, das eine zylindrische Kammer 10 bildet, die eine starre Bodenwand 11 und eine andere Bodenwand 12 umfaßt, die aus einer elastischen Membran besteht, die durch Einwirkung eines Elektromagneten, der mit dem Ausgang des Verstärkers 7 verbunden ist, zu Schwingungen angeregt werden kann.
Diese Membrane ist mittels eines Flansches 13 befestigt.
Zufuhr und Abführung des Brennstoffs in der Kammer 10 erfolgen durch Öffnungen 14, die bezogen auf die Achse 15 der Kammer 10 symmetrisch verteilt sind, und zwar auf einer gleichen, zu dieser Achse senkrechten Ebene.
Diese Öffnungen werden von Radialdüsen 16 gebildet, die in die Seitenwand 17 der Kammer geführt sind.
Bei dem auf den Zeichnungen dargestellten Beispiel wurden drei Brennstoffeintritts- und drei Brennstoffaustrittsdüsen vorgesehen, wobei die Eintrittsdüsen und die Austrittsdüsen beispielsweise abwechseln angeordnet sind.
Natürlich sind die Eintrittsdüsen sämtlich an den der Versorgungsleitung 3 vorgeschalteten Bereich angeschlossen, wohingegen die Austrittsdüsen alle an den dieser Leitung nachgeschalteten Bereich angeschlossen sind.
Die von dem Mikrofon 5 erfaßten Schwingungen werden somit über die Verzögerungsleitung 6 zur Versorgungsleitung 3 weitergegeben, wodurch die durch den Brenner 4 in die Kammer eingespritzte Brennstoffmenge moduliert wird.
Es konnte festgestellt werden, daß man im Falle eines Laminarbrenners mit einer solchen Vorrichtung Verbrennungsinstabilitäten vollständig beseitigen kann.
Fig. 3 zeigt die im Falle eines Verwirbelungsbrenners erzielten Resultate.
Diese Figur zeigt den in Pascal gemessenen Lärmpegel in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit in Millisekunden, die von der Verzögerungsleitung 6 bewirkt wurde.
Ohne Steuervorrichtung war der Lärmpegel gleich 200 Pa (also ungeführ 140 dB) und betrug die Frequenz der Instabilität 280 Hz (d.h. eine Zeit von 3,6 ms).
Dagegen wird beim Einsatz des Verfahrens der Erfindung der Lärm auf einer sehr breiten Phasenverschiebungswerteskala um die Hälfte verringert. Diese Skala (von 13 bis 14,2 ms) entspricht etwa einem Drittel der Periode des Phänomens und zeigt, daß das System wenig empfindlich auf Parameterschwankungen reagiert.
Eine nicht dargestellte Spektralanalyse zeigt nämlich, daß der Restlärm auf die Wirbelverbrennung zurückzuführen ist, daß aber die Instabilität mit 280 Hz verschwunden ist. Außerdem zeigt eine Beobachtung der Brennkammer durch Hochgeschwindigkeits-Strioskopie (10000 Bilder/Sekunde), daß die Flammenschwankungen, welche die Ursache der Instabilität waren, ebenfalls verschwunden sind.
Es wurde außerdem festgestellt, daß die Erfindung eine Ausdehnung des Betriebsbereichs des Brenners ermöglicht, insbesondere in Richtung sehr schwacher Stärken.
Es könnten auch andere Vorrichtungen zur Steuerung der Brennstoffmenge eingesetzt werden, beispielsweise ein Drehventil oder eine regulierbare Begrenzung in der Leitung 3.

Claims

1. Vorrichtung zur aktiven Steuerung von Verbrennungsinstabilitäten in einer mit einer Brennstoffversorgungsleitung (3) verbundenen Brennkammer (1), mit Erfassungsmitteln (5, 5') zum Erfassen von Verbrennungsinstabilitäten in der Brennkammer (1), einer Verdichtungskammer (8) mit Membran (12), die Eingangs- und Ausgangsöffnungen (14) aufweist, die mit stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Bereichen der Brennstoffversorgungsleitung (3) verbunden sind, und Mitteln zum Anregen der Membran zu Schwingungen, um das Volumen der Verdichtungskammer zu verändern und den Durchsatz von in die Verdichtungskammer (8) eingespritztem Brennstoff zu steuern, und mit den Schwingungsmitteln verbundenen Steuermitteln (6), die das von den Erfassungsmitteln (5, 5') abgegebene Signal empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (6) eine Verzögerungsleitung umfassen, als einziges Eingangssignal das von den Erfassungsmitteln (5, 5') abgegebene Signal empfangen, dieses Signal verzögern und das verzögerte Signal an die Schwingungsmittel abgeben.

2. Vorrichtung zur aktiven Steuerung von Verbrennungsinstabilitäten in einer mit einer Brennstoffversorgungsleitung (3) verbundenen Brennkammer (1), mit Erfassungsmitteln (5, 5') zum Erfassen von Verbrennungsinstabilitäten in der Brennkammer (1), einer Verdichtungskammer (8) mit Membran (12), die Eingangs- und Ausgangsöffnungen (14) aufweist, die mit stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Bereichen der Brennstoffversorgungsleitung (3) verbunden sind, und Mitteln zum Anregen der Membran zu Schwingungen, um das Volumen der Verdichtungskammer zu verändern und den Durchsatz von in die Verdichtungskammer (8) eingespritztem Brennstoff zu steuern, und mit den Schwingungsmitteln verbundenen Steuermitteln (6), die das von den Erfassungmitteln (5, 5') abgegebene Signal empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (6) einen Mikrocomputer umfassen, der als einziges Eingangssignal das von den Erfassungsmitteln (5, 5') abgegebene Signal empfängt, dieses mittels einer Übertragungsfunktion bearbeitet und das bearbeitete Signal an die Schwingungsmittel abgibt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel (5, 5') ein in der Brennkammer (1) oder stromaufwärts von dieser montiertes Mikrophon zum Erfassen der Druckschwankungen in der Brennkammer (1) umfassen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel (5, 5') einen optischen Meßaufnehmer umfassen, der montiert ist, um die Oszillationen der Flamme in der Brennkammer (1) zu erfassen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsmittel wenigstens einen Elektromagneten umfassen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangsöffnungen (14) radial symmetrisch in der Seitenwand (17) der Verdichtungskammer (8) gebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungskammer (8) eine um eine Rotationsachse (15) symmetrische Form besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungskammer (8) im wesentlichen zylindrisch ist.