DE102008028208A1

DE102008028208A1 - Brennkammervorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102008028208A1
Application number: DE200810028208
Authority: DE
Inventors: Johannes Lux; Oskar Dr. Haidn; Dmitry Dr. Suslov
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: DE102008028208B4; WO2009150069A3; WO2009150069A2; DE202009018138U1

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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung, bei dem ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch gezündet wird.
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.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Triebwerk, umfassend mindestens eine Brennkammervorrichtung.
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.
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.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch erzeugt wird und mindestens ein Laserstrahl auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch zum Zünden desselben gerichtet wird.
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.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Laserstrahl auf eine Flammenankerungszone gerichtet wird. Auf diese Weise ist eine besonders zuverlässige Zündung möglich.
Flammenankerungszonen (welche auch als fame holding zone, fame anchor point, fame anchoring point, fame anchoring zone oder fame 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.
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.
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.
Insbesondere kann bei koaxialer Zuführung von Brennstoff und Oxidator vorgesehen sein, dass sich eine Flammenankerungszone in einem Nachlauf einer inneren Zuführung ausbildet.
Unter einem Nachlauf ist derjenige Bereich zu verstehen, der in einer Einströmrichtung hinter einer den Brennstoff und den Oxidator trennenden Wand angeordnet ist.
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.
Günstig kann es ferner sein, wenn mindestens ein Laserstrahl quer zu einer Hauptachse mindestens eines Injektors gerichtet wird.
Besonders günstig kann es sein, wenn der mindestens eine Laserstrahl mindestens näherungsweise senkrecht zu einer Hauptachse mindestens eines Injektors gerichtet wird.
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.
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 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.
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.
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.
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.
Günstig kann es sein, wenn mehrere Laserstrahlen auf unterschiedliche Bereiche des Brennstoff-Oxidator-Gemisches gerichtet werden. Dadurch kann eine Zündung an mehreren Stellen erfolgen.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass eine Zündung an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgt.
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.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennkammervorrichtung eine Laservorrichtung zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls zur Zündung eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches umfasst.
Die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die als Zündquelle dienende Laservorrichtung in einen Injektor integriert ist. Dadurch kann die Brennkammervorrichtung platzsparend ausgebildet werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der mindestens eine Injektor mindestens zwei Injektorelemente umfasst. Dadurch sind mindestens zwei voneinander verschiedene Fluide mittels des Injektors getrennt führbar.
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 mindestens zwei Injektorelemente des mindestens einen Injektors koaxial zueinander angeordnet sind.
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.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der mindestens eine Injektor mindestens ein Injektorrohr umfasst.
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.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der mindestens eine Injektor an einer Injektormündungsöffnung direkt in den Brennraum einmündet.
Besonders günstig kann es sein, wenn mindestens ein Injektorelement eine Mündungsöffnung umfasst.
Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die mindestens eine Mündungsöffnung des mindestens einen Injektorelements gegenüber einer Ausrittsebene des mindestens einen Injektors entgegen einer Einströmrichtung zurückversetzt angeordnet ist. Dadurch ist eine optimierte Strömung innerhalb der Brennkammervorrichtung möglich.
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.
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.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Laservorrichtung mindestens eine Laserdiode umfasst. Auf diese Weise ist ein Laserstrahl einfach erzeugbar.
Alternativ oder ergänzend hierzu können auch andere Laservorrichtungen wie Festkörperlaser, Gaslaser, Farbstofflaser usw. Anwendung finden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Laserstrahl auf den Oxidator hinsichtlich einer Absorptionswellenlänge, der Aktivierungsenergie oder des Emissionsgrades für eine primäre Anregung abgestimmt ist.
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.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Laservorrichtung mindestens einen Lichtleiter zur Führung des mindestens einen Laserstrahls umfasst.
Günstig kann es sein, wenn die Laservorrichtung mindestens ein optisches System zur Fokussierung des mindestens einen Laserstrahls umfasst.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, 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.
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.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der mindestens eine optische Zugang in einer Richtung parallel zu der Einströmrichtung zwischen mindestens einer Mündungsöffnung eines 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Injektor mindestens zwei optische Zugänge in einer äußeren Wand umfasst.
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.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Brennkammervorrichtung vorgesehen ist.
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.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels der Steuerungsvorrichtung die Leistung und/oder die Impulsdauer der mindestens zwei Laservorrichtungen steuerbar ist.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Triebwerk weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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.

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.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einem Zündleitrohr;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einem optischen Zugang;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einem optischen Zugang und einer Laservorrichtung;
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit einer Laservorrichtung und einer Detektionsvorrichtung;
6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten Laservorrichtungen;
7 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit schräg angeordneter Zuführung eines Laserstrahls;
8 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit drei Fluidkanälen zur Zuführung von Fluiden;
9 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Vorderseite der dritten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung gemäß 3;
10 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Vorderseite einer neunten Ausführungsform eines Injektors einer Brennkammervorrichtung mit zwei senkrecht zu einer Hauptachse und senkrecht zueinander ausgerichteten optischen Zugängen;
11 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine 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;
12 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Vorderseite einer ersten Ausführungsform eines Einblaskopfs einer Brennkammervorrichtung mit einer Vielzahl von Injektoren und zentraler Zündung;
13 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Vorderseite einer zweiten Ausführungsform eines Einblaskopfs einer Brennkammervorrichtung mit einer Vielzahl von Injektoren mit dezentraler Zündung;
14 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Triebwerks mit gestufter Verbrennung;
15 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Triebwerks, welches als Gasgenerator verwendbar ist; und
16 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Triebwerks, welches als Expander verwendbar ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in den 1 bis 16 mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in 1 ausschnittsweise dargestellte Brennkammervorrichtung 100 umfasst eine Brennkammer 102 mit einem Brennraum 103 und einen Einblaskopf 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 einhundertzweiundzwanzig Injektoren 106 vorgesehen.
Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform eines Injektors 106 umfasst ein inneres Injektorelement 108 und ein äußeres Injektorelement 110.
Das innere Injektorelement 108 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und umfasst einen inneren Fluidkanal 112.
Das äußere Injektorelement 110 ist mittels eines Rohrs gebildet und an einem Grundkörper 114 des Injektors 106 angeordnet.
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.
Der innere Fluidkanal 112 und der äußere Fluidkanal 122 dienen der Zuführung von Brennstoff und Oxidator zu der Brennkammer 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.
Das äußere Injektorelement 110 endet an einem in einer Einströmrichtung E hinteren Ende mit einer Mündungsöffnung 124 in den Brennraum 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.
Ein in der Einströmrichtung E hinteres Ende des inneren Injektorelements 108 ist als Mündungsöffnung 128 des inneren Injektorelements 108 ausgebildet.
Die Mündungsöffnung 128 des inneren Injektorelements 108 ist relativ zu der Austrittsebene 126 bezüglich der Einströmrichtung E um eine Strecke 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 geführtes Fluid zusammen mit einem in dem äußeren Fluidkanal 122 geführten Fluid geführt wird.
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.
Dabei bildet sich eine Vermischungszone 132 aus, welche an die Mündungsöffnung 128 des inneren Fluidkanals 112 anschließt.
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 und 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 begünstigt. Ferner führt dies zu einer effizienten Zerstäubung von Brennstoff und Oxidator.
Da die Fluide im Bereich der Vermischungszone 132 aufgrund der entstehenden Scherkräfte zwischen den Fluidstrahlen zirkulieren, wird die Vermischungszone 132 auch Rezirkulationszone 136 genannt. Die Rezirkulationszone 136 ist unmittelbar im Nachlauf des inneren Injektorelements 108 angeordnet.
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.
Durch die Verwendung eines Brennstoffs und eines Oxidators als in dem Injektor 106 geführte Fluide, ergibt sich in der Vermischungszone 132 ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch, welches zündfähig sein kann.
Eine Flamme breitet sich nach einer Zündung aufgrund der Rezirkulation der Fluide in der Rezirkulationszone 136 in der Regel von dieser Rezirkulationszone 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 Flammenankerungszone 140 bezeichnet.
In Abhängigkeit von den Strömungsparametern kann sich die Rezirkulationszone 136 jedoch auch über einen größeren Bereich als die Flammenankerungszone 140 erstrecken, wobei die Flammenankerungszone 140 dann in der Rezirkulationszone 136 angeordnet ist.
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.
Die räumliche Ausdehnung der Flammenankerungszone 140 in axialer Richtung beträgt dann beispielsweise ungefähr 1 mm bis ungefähr 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.
Mittels einer Flammenankerung kann ein, in der Regel zyklisches, Entfernen und Annähern einer Flamme an den Injektor 106, das heißt eine Flammenwanderung, vermieden und die Flamme dadurch stabilisiert werden.
Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Injektor 106 ein Zündleitrohr 142 umfasst, welches als Zündvorrichtung 138 dient.
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.
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.
Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass ein optischer Zugang 144 vorgesehen ist.
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.
Zur einfachen 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.
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 aus gerichtet, so dass ein mittels des Lichtleiters 148 in den Injektor 106 gerichteter Laserstrahl die Vermischungszone 132 zweifach zumindest näherungsweise senkrecht schneidet.
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 Rezirkulationszone 136 oder eine Flammenankerungszone 140 sein.
Das Richten des Laserstrahls auf eine Flammenankerungszone 140 kann jedoch Vorteile hinsichtlich der Zündsicherheit und der Flammenstabilität haben.
Der Laserstrahl wird mit einer (nicht dargestellten) Laservorrichtung erzeugt.
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.
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.
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.
Ein Vorteil der resonanten Zündung ist der geringe Zündenergiebedarf.
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.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 4 dargestellte vierte Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass eine Laservorrichtung 152 vorgesehen ist, welche beispielsweise mindestens eine Laserdiode zur Erzeugung eines Laserstrahls umfasst.
Laserdioden haben die Vorteile, dass sie sehr klein und gut verfügbar sind und mit wenig Aufwand verbaut werden können.
Im Gegensatz zu der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform des Injektors 106 ist bei der in 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.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Durchtrittsöffnung 145 mit einer lichtdurchlässigen Substanz gefüllt ist.
Mittels des optischen Systems 154 kann ein mittels der Laservorrichtung 152 erzeugter Laserstrahl fokussiert werden.
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.
Ferner zeichnet sich die in 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.
Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform dadurch, dass in einem optischen Weg 158 des Laserstrahls eine Strahlumlenkung 160 angeordnet ist.
Ferner ist eine Detektionsvorrichtung 162 zur Detektion von Licht vorgesehen.
Diese kann insbesondere eine Photodiode, einen CCD-Chip und/oder einen Photomultiplier umfassen.
Zur spektralen Auflösung des zu detektierenden Lichts kann ferner ein Spektrometer vorgesehen sein.
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 5 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 6 dargestellte sechste Ausführungsform eines Injektors 106 entspricht im Wesentlichen der in 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.
Durch diesen zweiten optischen Zugang 170 kann mittels einer zweiten Laservorrichtung 172 und eines zweiten optischen Systems 174 ein weiterer Laserstrahl auf einen zweiten Fokus 176 fokussiert werden.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte sechste Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 7 dargestellte siebte Ausführungsform eines Injektors 106 entspricht im Wesentlichen der in 3 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 gemeinsamen Fluidkanal 130 angeordnet ist.
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 Einstrahlung nicht zu erreichen wären. Insbesondere kann dies der Fall sein, wenn die Strecke S sehr klein, beispielsweise kleiner als der Durchmesser des optischen Zugangs 144, ist.
Zur zusätzlichen Zündung an einer Schnittstelle 180, in welcher der Laserstrahl erneut die Vermischungszone 132 schneidet, ist in der Regel die Energie des Laserstrahls nicht ausreichend.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte siebte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 dargestellte achte Ausführungsform eines Injektors 106 unterscheidet sich von der in 3 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.
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.
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.
Eine Hauptachse 190 des mittleren Injektorelements 182 fällt mit der Hauptachse 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.
Aufgrund der zurückversetzten Anordnung der Mündungsöffnung 128 des inneren Injektorelements 108 gegenüber der Mündungsöffnung 184 des mittleren Injektorelements 182 ergibt sich eine Einmündung des inneren Fluidkanals 112 in den mittleren Fluidkanal 186, wobei sich am in der Einströmrichtung E hinteren Ende des inneren Injektorelements 108 eine Vermischungszone 132 ausbildet.
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 Vermischungszone 132 aus.
Die Vermischungszonen 132 sind im Anschluss an die Enden der Injektorelemente 108, 182 im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und zueinander koaxial angeordnet.
Ein durch den optischen Zugang 144 in den gemeinsamen Fluidkanal 130 eingestrahlter Laserstrahl schneidet 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.
Eine praktische Relevanz hat üblicherweise jedoch nur der in Einstrahlrichtung erste Zündort, da bereits hier die Laserenergie größtenteils absorbiert wird.
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.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte achte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In 9 ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Vorderseite der dritten Ausführungsform eines Injektors 106 dargestellt.
Insbesondere ist aus dieser Darstellung 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 10 ist in einer der 9 entsprechenden Darstellung eine neunte Ausführungsform eines Injektors 106 dargestellt, welche im Wesentlichen der in 9 dargestellten dritten Ausführungsform eines Injektors 106 entspricht, mit dem Unterschied, dass zwei Durchtrittsöffnungen 145 in der äußeren Wand 146 des äußeren Injektorelements 110 vorgesehen sind, welche jeweils einen mit einem Lichtleiter 148 versehenen optischen Zugang 144 bilden.
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.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte neunte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 3 und 9 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Bei einer in 11 dargestellten zehnten Ausführungsform eines Injektors 106 sind entsprechend der in 10 dargestellten neunten Ausführungsform zwei optische Zugänge 144 vorgesehen, mit dem Unterschied, dass die optischen Zugänge 144 relativ zueinander nicht in einem senkrechten Winkel, sondern in einem Winkel β zueinander ausgerichtet sind.
Der Winkel β ist bei einer Ausführungsform in einer Größenordnung von ungefähr 135°.
Im Übrigen stimmt die in 11 dargestellte zehnte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 3 und 9 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In 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 insbesondere 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.
Bei dieser ersten Ausführungsform des Einblaskopfs 104 ist vorgesehen, dass ein zentraler Injektor 106 eine laserbasierte Zündvorrichtung 138 umfasst.
Beispielsweise kann bei einem solchen Einblaskopf 104 vorgesehen sein, dass der zentrale Injektor 106 entsprechend der in den 3 und 9 dargestellten dritten Ausführungsform ausgebildet ist, während die übrigen Injektoren 106 der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform entsprechen.
Eine in 13 dargestellte zweite Ausführungsform eines Einblaskopfs 104 unterscheidet sich von der in 12 dargestellten ersten Ausführungsform eines Einblaskopfs 104 dadurch, dass vier dezentral angeordnete Injektoren 106 vorgesehen sind, welche beispielsweise der in 3 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 1 dargestellten ersten Ausführungsform, das heißt ohne Zündvorrichtung 138, entsprechen.
Die Injektoren 106 sind bei der in 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.
Im Übrigen stimmt die in 13 dargestellte zweite Ausführungsform eines Einblaskopfs 104 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 12 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 14 dargestellte erste Ausführungsform eines Triebwerks 196 umfasst eine Brennkammervorrichtung 100 mit einem Einblaskopf 104, welcher eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Injektoren umfasst.
Die erste Ausführungsform des Triebwerks 196 ist ein Raketentriebwerk.
Es kann jedoch alternativ auch vorgesehen sein, dass das Triebwerk eine Fluggasturbine, eine stationäre Gasturbine oder ein Verbrennungsmotor ist.
Ein Brennraum 103 einer Brennkammer 102, in welchen der Einblaskopf 104 mündet, ist von einer Lavaldüse 198 berandet.
Das Triebwerk 196 umfasst ferner eine Oxidatorzuführung 200, eine Brennstoffzuführung 202 und eine Turbine 204. Eine Oxidatorpumpe 206 dient dem Antreiben eines Oxidators. Eine Brennstoffpumpe 208 dient dem Antreiben eines Brennstoffs.
Zur Zuführung von Oxidator und Brennstoff zu der Turbine 204 sind Zuführvorrichtungen 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.
Eine weitere Zuführvorrichtung 210 ist zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen der Turbine 204 und der Brennkammervorrichtung 100 vorgesehen.
Ferner ist eine Zuführvorrichtung 210 vorgesehen, um mittels der Brennstoffpumpe 208 Brennstoff einem Ende der Lavaldüse 198 zuzuführen.
Bei der in 14 dargestellten ersten Ausführungsform eines Triebwerks 196 ist eine gestufte Verbrennung vorgesehen. Insbesondere erfolgt bei diesem 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.
Eine in 15 dargestellte zweite Ausführungsform eines Triebwerks 196 entspricht im Wesentlichen der in 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.
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 Turbine 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.
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.
Im Übrigen stimmt die in 15 dargestellte zweite Ausführungsform eines Triebwerks 196 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 14 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In 16 ist eine dritte Ausführungsform eines Triebwerks 196 dargestellt, welche sich von der in 14 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, 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.
Bei dieser Ausführungsform kann das Triebwerk 196 insbesondere als Expander betrieben werden.
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.
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 16 dargestellte dritte Ausführungsform eines Injektors 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 14 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- 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 [0004]
- 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 [0009]
- 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 [0009]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkammervorrichtung, umfassend: Erzeugen eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches; und Richten mindestens eines Laserstrahls auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch zum Zünden des Brennstoff-Oxidator-Gemisches.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl auf eine Flammenankerungszone gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Oxidator vor einer Zuführung in einen Brennraum der Brennkammervorrichtung zumindest teilweise innerhalb eines Injektors vermischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Oxidator mittels mindestens eines Injektors zumindest abschnittsweise koaxial geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl zumindest abschnittsweise mittels eines Lichtleiters geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl quer zu einer Hauptachse mindestens eines Injektors gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl mittels eines optischen Systems fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Detektionsvorrichtung Strahlung aus mindestens einem Bereich detektiert wird, auf welchen mindestens ein Laserstrahl gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Detektionsvorrichtung überprüft wird, ob ein Laserstrahl zur Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches und zur Ausbildung einer Flamme geführt hat.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ausbildung einer Flamme in regelmäßigen Zeitabständen überprüft wird, ob die Flamme erloschen ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Erlöschen der Flamme zur erneuten Zündung ein Laserstrahl auf das Brennstoff-Oxidator-Gemisch gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserstrahlen auf unterschiedliche Bereiche des Brennstoff-Oxidator-Gemisches gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen zeitlich versetzt erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen mittels einer Steuerungsvorrichtung gesteuert werden.
Brennkammervorrichtung, umfassend mindestens eine Brennkammer (102) und mindestens einen Einblaskopf (104) mit mindestens einem Injektor (106) zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu einem Brennraum (103), dadurch gekennzeichnet, dass eine Laservorrichtung (152, 172) zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls zur Zündung eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches vorgesehen ist.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) mindestens zwei Injektorelemente (108, 110, 182) umfasst.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 16, 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.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Injektorelemente (108, 110, 182) des mindestens einen Injektors (106) koaxial zueinander angeordnet sind.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Injektorelemente (108, 110, 182) des mindestens einen Injektors (106) trikoaxial zueinander angeordnet sind.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) mindestens ein Injektorrohr umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, 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.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektor (106) an einer Injektormündungsöffnung (124) direkt in den Brennraum (103) einmündet.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Injektorelement (108, 110, 182) eine Mündungsöffnung (124, 128, 184) umfasst.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mündungsöffnung (124, 128, 184) des mindestens einen Injektorelements (108, 110, 182) gegenüber einer Austrittsebene (126) des mindestens einen Injektors (106) entgegen einer Einströmrichtung (E) zurückversetzt angeordnet ist.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (152, 172) mindestens eine Laserdiode umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (152, 172) mindestens einen Lichtleiter (148) zur Führung des mindestens einen Laserstrahls umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (152, 172) mindestens ein optisches System (154, 168, 174) zur Fokussierung des mindestens einen Laserstrahls umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (152, 172) so an mindestens einem Injektor (106) angeordnet ist, dass mindestens ein Laserstrahl zumindest teilweise in einem Fluidkanal (112, 122, 130, 186) des mindestens einen Injektors (106) verläuft.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch mindestens einen optischen Zugang (144, 170) in einer äußeren Wand (146) des mindestens einen Injektors (106).
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 29, 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.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 30, gekennzeichnet durch mindestens eine Detektionsvorrichtung (162).
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektionsvorrichtung (162) mindestens einen Lichtdetektor umfasst.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektionsvorrichtung (162) mindestens einen Lichtleiter (148) umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, 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.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 34, 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.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 35, 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.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Injektor (106) mindestens zwei optische Zugänge (144, 170) in einer äußeren Wand (146) umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einblaskopf (104) mehrere gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnete Injektoren (106) umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 38, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Brennkammervorrichtung (100).
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 39, 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.
Triebwerk, umfassend mindestens eine Brennkammervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 40.
Verwendung einer Brennkammervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 40 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.