DE19641843A1

DE19641843A1 - Stabilization of pressure vibrations in combustion devices and methods therefor

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Publication number: DE19641843A1
Application number: DE19641843A
Authority: DE
Inventors: Randall S Gemmen; George A Richards; Mui-Tong Joseph Yip; Edward H Robey; Scott R Cully; Richard E Addis
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 1997-04-17
Also published as: GB2306216A; GB9620910D0; JPH09133309A; CA2187255A1; GB2306216B; ITGE960088A0; ITGE960088A1; FR2739913B1; IT1287801B1; FR2739913A1

Abstract

High dynamic pressure oscillations in hydrocarbon-fueled combustors typically occur when the transport time of the fuel to the flame front is at some fraction of the acoustic period. These oscillations are reduced to acceptably lower levels by restructuring or repositioning the flame front in the combustor to increase the transport time. A pilot flame front 12 located upstream of the oscillating flame 20 and pulsed at a selected frequency and duration effectively restructures and repositions the oscillating flame in the combustor to alter the oscillation-causing transport time. The pilot frame front is pulsed by intermiltently interrupting the flow of at least one of the fuel supply 18 and the oxidiser supply 15 or of the mixture of the fuel supply and the oxidiser supply.

Description

Background of the Invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Beherrschung und Kontrolle von Verbrennungs-Schwingungen in Verbrennungssystemen, und näherhin auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verringerung unerwünscht hoher dynami scher Druckoszillationen in einer Verbrennungskammer auf annehmbar niedrigere Pegel, durch Anwendung einer pulsie renden Pilotflamme zur selektiven Positionierung oder Umstrukturierung der oszillierenden Flammenfront in der Verbrennungskammer. Die US-Regierung ist aufgrund von Anstellungsverträgen zwischen dem US Department of Energy und den Erfindern an der vorliegenden Erfindung berechtigt.The present invention relates generally to Control and control of combustion vibrations in Combustion systems, and more specifically to a device and a method for reducing undesirably high dynamics pressure oscillations in a combustion chamber acceptably lower levels, by using a pulsie pilot flame for selective positioning or Restructuring of the oscillating flame front in the Combustion chamber. The U.S. government is due to Employment contracts between the US Department of Energy and entitled the inventors to the present invention.

Bei Verbrennungssystemen, wie sie beispielsweise in Ver bindung mit Gasturbinen und Dampfgeneratoren verwendet werden, dient üblicherweise ein Kohlenwasserstoff-Brenn stoff mit Luft in im wesentlichen stöchiometrischen Ver hältnissen in einer zugeordneten Verbrennungskammer (Brenn kammer) zur Erzeugung von ausreichender Wärmeenergie für den Antrieb der Turbine oder für die Dampferzeugung. Die aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in derartigen Anwendungen resultierenden Abgasemissionen haben eine gewisse Umweltverunreinigung verursacht. Zu den Bestrebungen, diese die Umwelt verunreinigenden Emissionen zu verringern, gehört das Vormischen von Brennstoff und Luft vor der Einleitung des Gemischs in die Verbrennungs kammer. Auch die Anwendung derartiger Vorgemische in Form eines sogenannten mageren Vorgemischs, d. h. eines Gemischs, bei welchem das Brennstoffvolumen in einem geringeren Anteil als dem stöchiometrischen Verhältnis mit der Luft vorliegt, ergibt eine Verringerung an Stickstoffoxid emissionen.In combustion systems such as those described in Ver used with gas turbines and steam generators hydrocarbon fuel is usually used substance with air in essentially stoichiometric ver conditions in an assigned combustion chamber (Brenn chamber) to generate sufficient thermal energy for the Drive the turbine or for steam generation. From the combustion of hydrocarbon fuels in resulting applications have exhaust emissions causes some environmental pollution. To the Efforts to pollute these emissions to reduce, includes premixing fuel and Air before the mixture is introduced into the combustion chamber. The use of such premixes in the form a so-called lean premix, i.e. H. a mixture, in which the fuel volume in a lower Proportion as the stoichiometric ratio with the air there is a reduction in nitrogen oxide emissions.

Ein typisches Verbrennungssystem unter Ver wendung eines mageren Vorgemischs ist in der US-Patent schrift 5 372 008 vom 13. Dezember 1994 beschrieben, die im Wege der Bezugnahme zum Bestandteil der vorliegenden Offen barung gemacht wird.A typical combustion system under Ver Use of a lean premix is in the US patent 5 372 008 of December 13, 1994, which in Ways of reference to the part of this open is made.

Zwar haben sich durch Anwendung von Vorgemischen (und zwar mageren sowie nahezu oder im wesentlichen stöchiometrischen Vorgemischen) aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Luft die Emissionen von Umweltschadstoffen erfolgreich verringern und so die Auswirkung dieser Emissionen auf die Umwelt entschärfen lassen; jedoch wurde gefunden, daß in mit derartigen Vorgemischen, insbesondere mageren Vorge mischen arbeitenden Verbrennungssystemen eine Verbrennungs instabilität in Form von dynamischen Druckoszillationen auftritt. Wie durch das Rayleigh-Kriterium, vgl. "Theory of Sound", Volume II, Nr. 8, Dover, New York 1995, be zeichnet, ist die Amplitude der Schwingungen bzw. Oszilla tionen in der Verbrennungskammer am größten, wenn die Druckwelle in Phasenübereinstimmung mit der durch die Verbrennung des Brennstoff-/Luft-Gemischs erzeugten perio dischen Wärmeabgabe steht. Diese dynamischen Druckschwin gungen besitzen häufig einen ausreichend hohen Betrag, um unerwünschte Betriebsbedingungen hervorzurufen, einschließ lich der Verringerung der Nutzlebensdauer von Komponenten des Verbrennungssystems infolge Materialermüdung, Vibra tionen sowie zyklischer Ermüdung.Admittedly, by using premixes (namely lean as well as almost or essentially stoichiometric Premixed) from a hydrocarbon fuel and Air emissions of environmental pollutants successfully reduce and thus the impact of these emissions on the Disarm the environment; however, it was found that in with such premixes, especially lean premixes mix working combustion systems a combustion instability in the form of dynamic pressure oscillations occurs. As by the Rayleigh criterion, cf. "Theory of Sound ", Volume II, No. 8, Dover, New York 1995, be is the amplitude of the vibrations or oszilla Combustion chamber largest when the Pressure wave in phase agreement with that through the Combustion of the fuel / air mixture generated perio heat dissipation. This dynamic pressure swing often have a sufficiently high amount to causing undesirable operating conditions, including Lich reducing the useful life of components of the combustion system due to material fatigue, vibra tion and cyclical fatigue.

Bemühungen zur Beseitigung oder Verringerung unannehmbar hoher dynamischer Druckschwingungen in mit Kohlenwasser stoff-Brennstoffen betriebenen Verbrennungssystemen haben einigen Erfolg gezeitigt. Beispielsweise ist in der Ver öffentlichung "Practical Active Control System for Combustion Oscillations", P. J Langhorne, J. Propulsion, Volume 6 Nr. 3, S. 324-333, Mai-Juni 1990, beschrieben, daß die niederfrequente Verbrennungsinstabilität in einer Flamme in einem eine Brennkammer bildenden Kanal mit Erfolg durch die unstetige, veränderliche Zugabe von Extrabrennstoff beherrscht werden kann. Wie in der ge nannten Veröffentlichung berichtet, wurde in einer An wendung, bei welcher der Hauptbrennstoff als ein mageres Vorgemisch mit einem stöchiometrischen Verhältniswert von Brennstoff zu Luft im Bereich von etwa 0,63 bis 0,70 in den Kanal eingeleitet wurde, durch die Zugabe von nur 3% mehr Brennstoff der auf die Verbrennungsinstabilität zurück gehende 164-dB-Peak in dem Druckspektrum in dem Kanal um 12 Decibel (dB) reduziert. Wie weiter in dieser Veröffent lichung berichtet, war der unstetig oder phasengesteuert in den Kanal eingebrachte Überschußbrennstoff ein Vorgemisch mit Luft und wurde genügend nahe der Hauptflamme einge spritzt, um örtlich brennstoffreiche Stellen zu schaffen, welche die Flamme destabilisieren und so die Oszillationen verringern. Zur Steuerung der Einleitung des Sekundär brennstoffs diente eine Rückkopplungsregelschleife unter Verwendung unstetiger Signale aus der Verbrennungskammer, beispielsweise von Lichtemissionen, die von durch die Verbrennung erzeugten Radikalen nahe dem Verbrennungs bereich hervorgerufen wurden.Efforts to eliminate or reduce unacceptable high dynamic pressure vibrations in with hydro have fuel-operated combustion systems some success. For example, in Ver publication "Practical Active Control System for Combustion Oscillations ", P. J Langhorne, J. Propulsion, Volume 6 No. 3, pp. 324-333, May-June 1990, described that the low frequency combustion instability in one Flame in a channel forming a combustion chamber Success through the inconsistent, changeable addition of Extra fuel can be mastered. As in the ge named publication was published in an An application in which the main fuel is considered a lean Premix with a stoichiometric ratio of Air fuel ranges from about 0.63 to 0.70 in the Channel was initiated by adding only 3% more Fuel which is due to combustion instability outgoing 164 dB peak in the pressure spectrum in the channel 12 decibels (dB) reduced. As further in this publication reported, was the discontinuous or phased in excess fuel introduced into the channel is a premix with air and was turned on close enough to the main flame sprays to create local fuel-rich spots which destabilize the flame and so the oscillations to decrease. To control the initiation of the secondary fuel was used in a feedback control loop Use of inconsistent signals from the combustion chamber, for example of light emissions caused by the Combustion generated radicals near the combustion area.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Verringerung von Druckschwingungen in mit mageren Vorgemischen von Brenn stoff und Luft betriebenen Brennkammern ist in dem Referat Referat mit dem Titel "Combustion Oscillation Control by Cyclic Fuel Injection", G. A. Richards, M. J. Yip, E. Robey, L. Caldwell und D. Rolands, beschrieben, das auf dem 1995 ASME Turbo Expo Meeting, Houston, Texas, am 6. Juni 1995 gehalten wurde. In dieser Veröffentlichung wurde die Beherrschung und Kontrolle über Druckschwingungen in der Verbrennungskammer durch zyklische Einspritzung kleiner Mengen von zusätzlichem Brennstoff erreicht, um der mit den hohen Druckschwingungen verbundenen periodischen Wärme freisetzung entgegenzuwirken. Der zugesetzte Brennstoff erzeugt sekundäre Wärmeenergie, welche die Wechselwirkung zwischen der thermischen und der akustischen Energie entkoppelt, was zu einer Reduktion der dynamischen Druck amplitude führt.Another known method for reducing Pressure fluctuations in with lean premixes of Brenn Material and air operated combustion chambers is in the unit Presentation entitled "Combustion Oscillation Control by Cyclic Fuel Injection ", G.A. Richards, M.J. Yip, E. Robey, L. Caldwell and D. Rolands, described on the 1995 ASME Turbo Expo Meeting, Houston, Texas, on June 6th Was held in 1995. In this publication, the Mastery and control over pressure vibrations in the Combustion chamber smaller due to cyclical injection Amounts of additional fuel reached to match the periodic heat associated with high pressure vibrations counteract release. The added fuel generates secondary thermal energy which is the interaction between thermal and acoustic energy decouples, resulting in a reduction in dynamic pressure amplitude leads.

Über ein weiteres bekanntes Verfahren zur Verringerung der Druckschwingungen in mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen betriebenen Verbrennungskammern wird in der Veröffent lichung "Periodic Chemical Energy Release für Active Combustion Control", K. C. Schadow et al., ISABE-Inter national Symposium on Air Breathing Engines, 11, Vol. I, S. 479-485, Tokyo, Japan, September 1993, berichtet. In dieser Veröffentlichung von Schadow et al. erzeugt ein in einem Rohr stromaufwärts einer Verbrennungskammer ange ordneter, mittels Funkenzündung gepulster Verbrennungs antrieb periodische Pilotflammenimpulse, welche Druck schwingungen in der Verbrennungskammer unterdrücken. In dem Verbrennungsantrieb wurde ein stöchiometrisches Brenn stoff-/Luft-Gemisch mittels Funkenzündung mit einer Fre quenz im Bereich von 50 Hz bis über 1 kHz gezündet. Ein in einer offenen oder geschlossenen Rückführsteuerung ange ordneter Frequenzgenerator, der auf Druckschwankungen aus der Verbrennungskammer anspricht, dient zur Frequenz steuerung der Funkenzündung. Another known method for reducing the Pressure fluctuations in with hydrocarbon fuels operated combustion chambers is published "Periodic Chemical Energy Release for Active Combustion Control ", K.C. Schadow et al., ISABE-Inter national Symposium on Air Breathing Engines, 11, Vol. I, Pp. 479-485, Tokyo, Japan, September 1993. In this publication by Schadow et al. creates an in a pipe upstream of a combustion chamber ordered combustion, pulsed by spark ignition drove periodic pilot flame pulses which pressure Suppress vibrations in the combustion chamber. By doing The combustion engine became a stoichiometric burner substance / air mixture by means of spark ignition with a fre fired in the range from 50 Hz to over 1 kHz. An in an open or closed feedback control arranged frequency generator that is based on pressure fluctuations the combustion chamber responds to the frequency control of spark ignition.

Summary of the invention

Die bekannten aktiven Kontroll- bzw. Steuerungsverfahren zur Verringerung oder Unterdrückung unerwünschter Druck oszillationen in mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen be triebenen Verbrennungssystemen, von denen typische Bei spiele in den vorstehend erwähnten Artikeln beschrieben sind, haben einen gewissen Erfolg gezeitigt; das haupt sächliche Ziel und der Zweck der vorliegenden Erfindung richten sich jedoch auf eine noch wirksamere aktive Kon troll- bzw. Steuervorrichtung und auf ein Verfahren zur Erzielung einer Kontrolle oder Stabilisierung von durch unstetige Verbrennung verursachten Druckschwingungen in mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen betriebenen Verbrennungs vorrichtungen. Kurz zusammenfassend gesagt: Sobald unstetige Druckschwingungen in einer Brennkammer auftreten, wie sie wie sie beispielsweise dadurch bedingt sind, daß die Transport- bzw. Überführungszeit des Brennstoffs zur Flammenfront einen gewissen Bruchteil der akustischen Periode ausmacht, wird die Amplitude der Schwingungen in der Verbrennungskammer am größten, sobald die Druckwelle in Phasenübereinstimmung mit der durch die Verbrennung des Brennstoff-/Luft-Gemischs erzeugten periodischen Wärme freisetzung steht. In Übereinstimmung mit der Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird die aktive Kontrolle von durch unstetige Verbrennung hervorgerufenen Oszillationen in einer mit einem geeigneten Brennstoff-/Oxidationsmittel- Gemisch, beispielsweise einem Kohlenwasserstoff-Brenn stoff-/Luft-Gemisch, befeuerten Verbrennungskammer durch Umstrukturierung und Lageverschiebung der Hauptflammenfront erreicht, wodurch die Transport- bzw. Überführungszeit erhöht und die Druckwelle weiter aus der Phasenüberein stimmung mit der periodischen Wärmefreisetzung fort verschoben wird. Die Umstrukturierung und Repositionierung der Haupt flamme werden mittels einer Pilotflamme erreicht, die mit einer vorgegebenen Frequenz entsprechend weniger als der halben Frequenz der Verbrennungsoszillation gepulst ist, wobei die jeweilige Dauer der einzelnen Impulse zur Erzie lung einer angemessenen sekundären Wärmeenergie ausreicht, um die Hauptflamme umzustrukturieren und damit die Wärme freisetzung von der akustischen Kopplung zu entkoppeln und so zu einer Verringerung der dynamischen Druckamplitude zu führen. Die pulsierende Pilotflamme erzeugt eine verhältnis mäßig kleine und nur intermittierend vorhandene Flammen front in der Verbrennungszone, die von der oszillierenden Hauptflammenfront getrennt ist, jedoch die erforderliche Wärmeenergie liefert, um die Lage der oszillierenden Hauptflammenfront wirksam aus dem Bereich in der Ver brennungszone zu verlagern, wo die akustische Kopplung mit der Hauptflammenfront stattfinden kann, wodurch die die Oszillation verursachende Phasenbeziehung mit der Ver brennungswärme wirksam verändert wird.The known active control or control procedures to reduce or suppress unwanted pressure oscillations in be with hydrocarbon fuels driven combustion systems, typical of which games described in the aforementioned articles have had some success; the main Objective and purpose of the present invention however, are directed towards an even more effective active con troll or control device and a method for Achieve control or stabilization by inconsistent combustion caused pressure fluctuations in with Hydrocarbon fuel powered combustion devices. To summarize briefly: As soon as discontinuous Pressure fluctuations in a combustion chamber occur as they do as they are caused, for example, by the fact that Transport or transfer time of the fuel to Flame front a certain fraction of the acoustic Period, the amplitude of the vibrations in the combustion chamber the largest as soon as the pressure wave in Phase coincidence with that due to the combustion of the The fuel / air mixture generated periodic heat release stands. In line with the goal The present invention is the active control of oscillations caused by inconsistent combustion in a with a suitable fuel / oxidizing agent Mixture, for example a hydrocarbon fuel substance / air mixture, fired combustion chamber Restructuring and shifting of the main flame front reached, whereby the transport or transfer time increases and the pressure wave continues out of phase mood shifted with the periodic heat release becomes. The restructuring and repositioning of the main Flames are achieved by means of a pilot flame, which with a predetermined frequency corresponding to less than that half the frequency of the combustion oscillation is pulsed, the duration of each impulse to educate adequate secondary heat energy is sufficient, to restructure the main flame and thus the heat decouple release from the acoustic coupling and thus reducing the dynamic pressure amplitude to lead. The pulsating pilot flame creates a relationship moderately small and only intermittent flames front in the combustion zone by the oscillating Main flame front is separated, however the required Thermal energy delivers to the location of the oscillating Main flame front effective from the area in the ver to shift the combustion zone where the acoustic coupling with the main flame front can take place, causing the the Phase relationship with the ver combustion heat is changed effectively.

Allgemein gesprochen dient die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur wirksamen aktiven Kontrolle bzw. Beherrschung unstabiler Verbrennung in einem Verbrennungssystem, das in herkömmlicher Weise eine Verbrennungskammer mit einer Verbrennungszone mit gegenüberliegenden Endbereichen sowie Mittel aufweist, um ein Gemisch aus Brennstoff und einem geeigneten Oxidationsmittel am einen Endbereich in die Verbrennungszone einzuführen. Instabile Verbrennung dieses Brennstoff-/Oxidationsmittel-Gemischs bildet eine oszillie rende Flammenfront innerhalb der Verbrennungszone an einer Stelle zwischen deren Endbereichen, wobei der Druck und die Amplitude der resultierenden dynamischen Druckschwingungen vom Ausmaß der Phasenübereinstimmung der durch die ein zelnen Schwingungen erzielten Druckwelle mit der durch die Verbrennung des Brennstoffs in dem Brennstoff-/Oxidations mittel-Gemisch erzeugten Wärme abhängen. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt eine wirksame Verringerung des Drucks und der Amplitude dieser Druck schwingungen innerhalb der Verbrennungskammer und weist folgende Teile auf: ein geeignetes Volumen oder eine Kammer zur Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel, wobei dieses Volumen bzw. diese Kammer mit der Brennkammer an deren erwähntem einen Endbereich in Verbindung steht; mit den Kammermitteln verbundene Oxidationsmittel- und Brennstoffzufuhrmittel zur Einbringung wenigstens eines Stroms aus Brennstoff und Oxidationsmittel in die Kammer vorrichtung zur Bildung eines brennbaren Gemischs und zur Erzeugung einer Pilotflamme in der Verbrennungszone in oder nahe deren einem Endbereich; sowie Kontroll- bzw. Steuer mittel zur intermittierenden Unterbrechung oder Einschal tung des Brennstoffstroms aus der Brennstoffzufuhrvor richtung und/oder des Oxidationsmittels aus der Oxidations mittelzufuhrvorrichtung in die Kammervorrichtung, oder des brennbaren Gemischs aus dem Mischvolumen bzw. der Kammer vorrichtung in die Brennkammer, mit einer ausgewählten Frequenz und einer ausgewählten Periodendauer für die auf einanderfolgende Unterbrechung bzw. Einschaltung, d. h. die Bildung der Pilotflamme, und damit einer ausrei chenden Impulssteuerung der Pilotflamme in der genannten Verbrennungszone, zur Bildung einer Quelle von sekundärer Wärmeenergie, die mit der oszillierenden Flamme in der Verbrennungszone in Kontakt gebracht werden kann, zur Um strukturierung der oszillierenden Flamme unter Änderung oder Verschiebung der Phasenbeziehung der Druckwellen mit der Verbrennungswärme aus einem Zustand der Phasenübereinstimmung weg, um so die Amplitude der Druckschwingungen wirksam zu reduzieren. Die ausgewählte Frequenz und Periodendauer der durch die pulsierende Pilotflamme erzeugten Energieimpulse bewirken eine ausreichende Repositionierung der oszillierenden Flammenfront in der Verbrennungszone und dadurch eine Veränderung der Phasenbeziehung der Druckwelle mit der Verbrennungswärme aus einem Zustand der Phasenübereinstimmung weg, zur Reduzierung der Amplitude der Druckschwingungen.Generally speaking, the device of the present invention Invention for effective active control or control unstable combustion in a combustion system operating in conventionally a combustion chamber with a Combustion zone with opposite end areas as well Has means to a mixture of fuel and a suitable oxidizing agent at one end in the To introduce a combustion zone. Unstable combustion of this Fuel / oxidant mixture forms an oscillation flame front within the combustion zone at one Place between their end areas, the pressure and the Amplitude of the resulting dynamic pressure fluctuations on the extent of the phase match by the one individual vibrations with the pressure wave generated by the Combustion of the fuel in the fuel / oxidation depending on medium-mixture heat generated. The device according to the present invention results in an effective one Reduce the pressure and the amplitude of this pressure vibrations within the combustion chamber and points the following parts: a suitable volume or a chamber for the mixture of fuel and oxidant, whereby this volume or chamber with the combustion chamber at whose mentioned one end area is connected; oxidizing agent and Fuel supply means for introducing at least one Stream of fuel and oxidant into the chamber device for the formation of a combustible mixture and Generation of a pilot flame in the combustion zone in or near one end portion; as well as control or tax means for intermittent interruption or shuttering device of the fuel flow from the fuel supply direction and / or the oxidizing agent from the oxidizing medium supply device in the chamber device, or the flammable mixture from the mixing volume or the chamber device into the combustion chamber, with a selected one Frequency and a selected period for the successive interruption or activation, d. H. the formation of the pilot flame, and thus one is sufficient appropriate pulse control of the pilot flame in the above Combustion zone, to form a source of secondary Thermal energy generated by the oscillating flame in the Combustion zone can be brought in contact to order structuring the oscillating flame under change or Shift of the phase relationship of the pressure waves with the Heat of combustion from a phase match state away so as to effectively increase the amplitude of the pressure vibrations to reduce. The selected frequency and period of the by the pulsating pilot flame produce energy pulses adequate repositioning of the oscillating Flame front in the combustion zone and therefore one Change in the phase relationship of the pressure wave with the Heat of combustion from a phase match state away, to reduce the amplitude of the pressure vibrations.

Als allgemeine Regel kann gelten, daß bei Druckschwingungen in der Verbrennungskammer mit einer Frequenz im Bereich von etwa 20 bis 5000 Hz die intermittierende Unterbrechung bzw. Einschaltung der Strömung von wenigstens einer der Kompo nenten Brennstoff und Oxidationsmittel in die Pilotkammer, oder eines Gemischs aus ihnen in die Pilotkammer oder die Verbrennungskammer (Brennkammer) mit einer Frequenz von weniger als etwa der halben Frequenz der Hauptflammen-Verbrennungs oszillationen erfolgt. Des weiteren gilt, daß die Aufrechterhal tung der Strömung des jeweiligen Pilotbrennstoff- und Oxidationsmittelgemischs während einer Zeitdauer im Bereich von etwa 0,1 bis 0,5 der Steuerfrequenzperiode, vorzugs weise etwa 1 bis 20 Millisekunden (ms), zwischen der jedesmaligen Unterbrechung der Strömung die gewünschte Umstrukturierung der oszillierenden Flamme ergibt, wenn das Brennstoff/Oxidationsmittel-Äquivalenzverhältnis im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,0 liegt, wie weiter unten mit näheren Einzelheiten beschrieben wird.As a general rule, there can be pressure fluctuations in the combustion chamber with a frequency in the range of about 20 to 5000 Hz the intermittent interruption or Turning on the flow of at least one of the compos fuel and oxidant into the pilot chamber, or a mixture of them into the pilot chamber or the Combustion chamber (combustion chamber) with a frequency of less than about half the frequency of the main flame combustion oscillations occur. Furthermore, the maintenance flow of the respective pilot fuel and Oxidant mixture in the area for a period of time from about 0.1 to 0.5 of the control frequency period, preferably about 1 to 20 milliseconds (ms) between the the desired interruption of the flow each time Restructuring the oscillating flame results if that Fuel / oxidant equivalence ratio in the range from about 0.5 to about 1.0, as below is described in more detail.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Erzielung einer Verringerung der Amplitude der Oszillationen inner halb der Verbrennungskammer umfaßt die Schritte: Bildung eines zweiten Gemischs aus Brennstoff und Oxidationsmittel, Einführung des zweiten Gemischs in die Verbrennungszone an einer Stelle benachbart wenigstens dem einen Endbereich der Zone zur Bildung einer Pilotflamme in der Verbrennungszone an deren erwähntem einen Endbereich; sowie intermittierende Unterbrechung und Einschaltung der Strömung des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels, die das zweite Gemisch bilden, oder des zweiten Gemischs nach dessen Bildung, zur Erzeugung diskreter Chargen des zweiten Gemischs zur intermittierenden Erzeugung und Unterbrechung der Pilot flamme mit einer geeigneten Frequenz und Periodendauer zur ausreichenden Umstrukturierung und Repositionierung der oszillierenden Flamme in der Verbrennungszone von der ersten Lage in eine zweite Lage zur Änderung der Phasen beziehung zwischen den Druckwellen und der Verbrennungs wärme gegenüber einem Zustand der Phasenübereinstimmung, zum Zweck einer wesentlichen Reduzierung der Amplitude der Druckschwingungen in der Verbrennungskammer. Die Häufigkeit bzw. Frequenz der intermittierenden Unterbrechung oder Einschaltung der Strömung von wenigstens einer der die diskreten Chargen des Pilotflammengemischs bildenden Komponenten Oxidationsmittel und Brennstoff und die je weilige Dauer jeder einzelnen Strömung entsprechen der oben erwähnten Steuerfrequenz und Periodendauer.The method of achieving the present invention a decrease in the amplitude of the oscillations within Half of the combustion chamber includes the steps: Education a second mixture of fuel and oxidant, Introduce the second mixture into the combustion zone a position adjacent to at least one end region of the Zone for the formation of a pilot flame in the combustion zone at their mentioned one end area; as well as intermittent Interruption and switching on of the fuel flow and / or the oxidizing agent, which is the second mixture form, or the second mixture after its formation, for Generation of discrete batches of the second mixture intermittent generation and interruption of the pilot flame with a suitable frequency and period adequate restructuring and repositioning of the oscillating flame in the combustion zone from the first layer to a second layer to change the phases relationship between pressure waves and combustion heat versus a phase match state, for the purpose of substantially reducing the amplitude of the Pressure fluctuations in the combustion chamber. The frequency or frequency of the intermittent interruption or Turning on the flow of at least one of the discrete batches of the pilot flame mixture Components oxidizer and fuel and each the duration of each individual flow corresponds to that above mentioned control frequency and period.

Weitere Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung illustrativer Ausführungsbeispiele und Verfahren sowie aus den beige fügten Ansprüchen, wobei weitere hier nicht speziell erwähnte Vorteile sich für den Fachmann bei der praktischen Ausübung der Erfindung ergeben.Further advantages and objects of the present invention are more illustrative from the following description Embodiments and methods as well as from the beige added claims, with others not specific here mentioned advantages for the skilled person in the practical Exercise of the invention result.

Description of the drawings

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ver brennungssystems zur Veranschaulichung von durch unstetige Verbrennung induzierten Schwingungen der Hauptflammenfront in der Verbrennungskammer, wie durch die Doppelpfeile angedeutet; Fig. 1 is a schematic representation of a Ver combustion system for illustrating vibrations of the main flame front induced by the inconsistent combustion in the combustion chamber, as indicated by the double arrows;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung zur Veranschau lichung der dynamischen Druckschwingung, wie sie in einer mit durch unstetige Verbrennung induzierten Schwingungen arbeitenden Verbrennungskammer der in Fig. 1 gezeigten Art auftritt; Fig. 2 is a graphical representation illustrating the dynamic pressure vibration as it occurs in a combustion chamber operating with vibrations induced by discontinuous combustion of the type shown in Fig. 1;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Ver brennungssystems ähnlicher Art wie in Fig. 1, das jedoch mit erfindungsgemäßen Mitteln zur intermittierenden puls förmigen Zufuhr von Pilotbrennstoff in die Pilotkammer zur Vermischung mit einer zugeführten Oxidationsmittelströmung unter Erzeugung einer Reihe von diskreten brennbaren Pilotgemischen versehen ist, die bei Einführung in die Verbrennungskammer intermittierend existierende Pilot flammenfronten bilden, welche die Hauptflammenfront um strukturieren und verlagern und dadurch eine Entkopplung zwischen den Druckschwingungen und der Verbrennungswärme bewirken, zur Verringerung der Amplitude der Druck schwingungen; Fig. 3 is a schematic representation of a Ver combustion system similar manner as in Fig. 1, but provided with the inventive means for intermittent pulsed supply of pilot fuel into said pilot chamber to be mixed with a supplied oxidant flow to produce a series of discrete combustible pilot mixtures, the pilot flame fronts which exist intermittently when introduced into the combustion chamber, which structure and shift the main flame front in order to bring about a decoupling between the pressure oscillations and the heat of combustion, to reduce the amplitude of the pressure oscillations;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung zur Veranschau lichung der Verringerung der Druckschwingungen hoher Amplitude in dem Verbrennungssystem nach Fig. 3, bei Ausrüstung mit dem erfindungsgemäßen Mechanismus zur Stabilisierung von Druckschwingungen in der Verbrennungs vorrichtung; Fig. 4 is a graphical representation illustrating the reduction in high amplitude pressure oscillations in the combustion system of Fig. 3 when equipped with the inventive mechanism for stabilizing pressure oscillations in the combustion device;

Fig. 5 ist eine detaillierte Ansicht einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Verbrennungskammer mit einer Pilotbrennstoff-/Oxidations mittel-Mischkammer versehen ist, mit einer Steuerung für die Brennstoffzufuhr zu der Pilotkammer, zur wirksamen intermittierenden Einführung des Pilotbrennstoffs in die Pilotkammer zur Erzeugung einer pulsierenden Pilotflamme in der Verbrennungskammer, zum Zweck der Umstrukturierung der oszillierenden Flammenfront innerhalb der Verbrennungs kammer und damit zur Reduzierung der Amplitude der Ver brennungsschwingungen; Fig. 5 is a detailed view of an embodiment of the present invention, in which a combustion chamber is provided with a pilot fuel / oxidant mixing chamber with a control for the fuel supply to the pilot chamber, for the effective intermittent introduction of the pilot fuel into the pilot chamber Generation of a pulsating pilot flame in the combustion chamber, for the purpose of restructuring the oscillating flame front within the combustion chamber and thus to reduce the amplitude of the combustion vibrations;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungs systems, das mit einer offenen Steuer- bzw. Regelschleife zur pulsierenden Brennstoffzufuhr in die Pilotkammer während ausgewählter Zeitdauern versehen ist, zum Zweck der erfindungsgemäßen Verringerung der Amplitude der Druck schwingungen; Fig. 6 is a block diagram of a combustion system which is provided with an open control loop for pulsating fuel supply into the pilot chamber during selected periods of time, for the purpose of reducing the amplitude of the pressure vibrations according to the invention;

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Oxidations mittel, statt wie bei der Ausführungsform nach Fig. 5 der der Pilotkammer zugeführte Brennstoff, intermittierend unterbrochen und eingeschaltet wird, zur pulsierenden Steuerung der Pilotflamme zum Zweck einer Verlagerung der oszillierenden Flammenfront zur Erzielung der Verringerung der Amplitude der Druckschwingungen. Fig. 7 is a schematic view of a further embodiment of the invention, in which the oxidizing agent, instead of the fuel supplied to the pilot chamber, is intermittently interrupted and switched on, as in the embodiment according to FIG oscillating flame front to achieve the reduction in the amplitude of the pressure oscillations.

Zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gewählt. Die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen sollen jedoch weder erschöpfend sein, noch die Erfindung auf die ge zeigten spezifischen Ausführungsformen beschränken. Die bevorzugten Ausführungsformen wurden gewählt und beschrie ben zur bestmöglichen Erläuterung der Prinzipien der Erfindung und ihrer Anwendung und praktischen Verwendung, um so anderen Fachleuten die bestmögliche Anwendung der Erfindung in verschiedenartigen Ausführungsformen und Modifizierungen zu ermöglichen, die der jeweiligen spe ziellen Anwendung am besten angepaßt sind. Des weiteren sind zwar die in den Zeichnungen veranschaulichten Brenn kammern hinsichtlich Einzelheiten etwas eingeschränkt, jedoch ist klar, daß die jeweilige spezifische Konstruktion und Einzelheiten der Betriebsweise der Verbrennungskammer nicht kritisch sind, da die vorliegende Erfindung in beliebigen Brennkammern von praktisch jeder beliebigen Konfiguration angewandt werden kann, in welchen die hohen Druckschwankungen während des Verbrennungsprozesses auf treten und wo eine gemäß der Erfindung vorgesehene pulsie rende Pilotflamme zur Restrukturierung der Lage der Haupt flammenfront dienen kann. Des weiteren sind zwar die Verbrennungskammern in der Zeichnung jeweils mit einer Pilotkammer versehen dargestellt, die koaxial bezüglich der Hauptachse der Brennkammer angeordnet ist, jedoch ist klar, daß die Pilotkammer an anderen Stellen an der Verbrennungs kammer angeordnet sein kann, um eine pulsierende Pilot flamme an einer von der oszillierenden Flammenfront ver schiedenen Stelle einzuführen und so die primäre oder oszillierende Flammenfront wirksam umzustrukturieren und hierdurch die Amplitude der Schwingungen nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung zu verringern.For purposes of illustration and description preferred embodiments of the invention selected. The preferred embodiments shown, however, are intended neither be exhaustive nor the invention to the ge showed restrict specific embodiments. The preferred embodiments were chosen and described to best explain the principles of Invention and its application and practical use, so that other experts can apply the best possible Invention in various forms and To enable modifications that the particular spe zial application are best adapted. Furthermore are the Brenn illustrated in the drawings chambers somewhat limited in details, however, it is clear that the specific construction and details of the operation of the combustion chamber are not critical since the present invention is in any combustion chamber from practically any Configuration can be applied in which the high Pressure fluctuations during the combustion process occur and where a pulsie provided according to the invention pilot flame to restructure the situation of the main flame front can serve. Furthermore, they are Combustion chambers in the drawing with one Pilot chamber shown, which is coaxial with respect to the Main axis of the combustion chamber is arranged, however, it is clear that the pilot chamber at other points on the combustion chamber can be arranged to be a pulsating pilot flame on one of the oscillating flame front introduce different positions and so the primary or to effectively restructure oscillating flame front and hereby the amplitude of the vibrations according to the reduce present invention.

Die Ausdrücke "Pilotkammer" und "Kammermittel" im hier verwendeten Sinn sollen ein beliebiges von Wandungen begrenztes Gebilde bezeichnen, das einen Hohlraum oder ein Volumen bildet, welches mit den Brennstoff- und Oxidations mittelzuleitungen und mit dem Inneren der Verbrennungs kammer in Verbindung steht und ein ausreichendes Vermögen zur wirksamen Mischung der diskreten Chargen von Pilot brennstoff und Oxidationsmittel besitzt. Die spezielle Form und/oder Lage der Pilotkammer oder der Kammermittel ist für die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung nicht kritisch, solange sie die Vermischung der Pilotbrennstoff-/Oxida tionsmittel-Chargen und die Einführung dieser Chargen in die Verbrennungskammer an der geeigneten Stelle gewähr leistet, um in dieser die pulsierende Pilotflamme für die Umstrukturierung der Hauptflamme zu erzeugen. Des weiteren bezeichnet der Ausdruck "Pilot" im hier verwendeten Sinn eine Zufuhrrate von Brennstoff- und Oxidationsmittel gemisch, die etwa 2 bis etwa 20% der Zufuhrrate des für die Hauptflamme verwendeten Brennstoff- und Oxidations mittelgemischs entspricht. Des weiteren betrifft die nachfolgende Beschreibung zwar in der Hauptsache Ausfüh rungsformen, bei welchen die Brennstoff- oder Oxidations mittelströmung selektiv zur Erzeugung der gepulsten Pilot flamme in der Verbrennungskammer unterbrochen wird, jedoch ist klar, daß sowohl die Brennstoffströmung als auch die Oxidationsmittelströmung gleichzeitig mit ausgewählten Frequenzen und Zeitdauern zur Erzeugung der diskreten Chargen des Pilotflammengemischs gesteuert werden können, oder daß die Gemische von Pilotbrennstoff und Oxidations mittel in die Verbrennungskammer selektiv unterbrochen werden können, um die gepulste Pilotflamme zu erzeugen.The terms "pilot chamber" and "chamber means" in here meaning used should be any of walls delimited structure denoting a cavity or a Volume forms, which with the fuel and oxidation supply lines and with the interior of the combustion chamber is connected and sufficient assets for effective mixing of Pilot's discrete batches fuel and oxidizing agent. The special shape and / or position of the pilot chamber or the chamber means is for the mode of operation of the present invention is not critical, as long as they are mixing the pilot fuel / oxides agent batches and the introduction of these batches in ensure the combustion chamber in the appropriate place in order to create the pulsating pilot flame for the Restructuring to generate the main flame. Furthermore means the term "pilot" in the sense used here a feed rate of fuel and oxidant mixture which is about 2 to about 20% of the feed rate of the for the main flame used fuel and oxidation medium mixture. Furthermore concerns the The following description is mainly in the execution Forms in which the fuel or oxidation medium flow selectively to generate the pulsed pilot flame in the combustion chamber is interrupted, however it is clear that both the fuel flow and the Oxidant flow simultaneously with selected Frequencies and time periods for generating the discrete Batches of the pilot flame mixture can be controlled, or that the mixtures of pilot fuel and oxidation selectively interrupted into the combustion chamber can be used to generate the pulsed pilot flame.

Detailed description of the invention

Wie oben kurz beschrieben, wurde festgestellt, daß die Schwingungen, wie sie häufig in mit flüssigen, gasförmigen und festen Kohlenwasserstoff- oder anderweitigen Brenn stoffen in Gegenwart eines geeigneten Oxidationsmittels betriebenen Verbrennungskammern vorliegen, häufig einen so hohen Druck und eine so große Amplitude aufweisen, daß sie den Wirkungsgrad des Verbrennungssystems unzuträglich verringern und gleichzeitig die erwartete Lebensdauer verschiedener der Brennkammer zugeordneter Bauteile infolge von durch die Schwingungen induzierten Vibrationen und zyklischer Ausfälle oder Aussetzer beträchtlich verkürzen. Auch sind, wie oben dargelegt, die Bestrebungen, umwelt schädliche Emissionen aus mit Kohlenwasserstoff-Brenn stoffen betriebenen Verbrennungskammern durch Verwendung eines stöchiometrisch mageren Vorgemischs zu reduzieren, häufig für die Bildung der unerwünschten, durch unstetige Verbrennung induzierten Oszillationen bzw. Schwingungen verantwortlich. In den Fig. 1 und 2 ist beispielshalber ein herkömmliches Verbrennungssystem 8 veranschaulicht, das eine mit einer Pilotkammer 12 versehene Verbrennungskammer 10 von solcher geeigneten Konfiguration und solchem Typ, wie sie in einer Gasturbine oder in einem Dampferzeugungs kessel verwendet wird, aufweist, des weiteren eine Oxida tionsmittelzufuhr bei Umgebungsdruck oder bei erhöhten Drucken, wie sie beispielsweise von einem herkömmlichen Kompressor 14 erzeugt werden, sowie zugeordnete Leitungen 15 zur Zuleitung des Oxidationsmittels von dem Oxidations mittelvorrat zu der Verbrennungskammer und der Pilotkammer 12 als gesonderte, geeignet bemessene Ströme. Ein Brenn stoffzufuhrsystem 16 mit den nötigen Leitungen 17 und 18 ist zur Zufuhr gesonderter Brennstoffströme aus dem Brenn stoffvorrat 16 zu der Verbrennungskammer 10 und der Pilot kammer 12 vorgesehen. Bei diesem Brennstoff kann es sich um einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff oder einen beliebigen anderweitigen geeigneten Brennstoff in beliebiger, bei spielsweise gasförmiger, flüssiger oder fester Form oder einer geeigneten Kombination hiervon handeln. Bei dem Oxidationsmittel kann es sich um jedes beliebige geeignete, die Verbrennung unterhaltende Medium für den verwendeten speziellen Brennstoff handeln. Beispielsweise kann bei einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff das Oxidationsmittel durch Luft, Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder anderweitiges sauerstoffhaltiges Gas oder Gase ge bildet werden.As briefly described above, it has been found that the vibrations, such as are often present in combustion chambers operated with liquid, gaseous and solid hydrocarbon or other fuels in the presence of a suitable oxidizing agent, often have such a high pressure and amplitude that they unduly reduce the efficiency of the combustion system and at the same time considerably shorten the expected service life of various components associated with the combustion chamber as a result of vibrations induced by the vibrations and cyclical failures or misfires. Also, as discussed above, efforts to reduce environmentally harmful emissions from hydrocarbon fueled combustion chambers by using a stoichiometrically lean premix are often responsible for the formation of the undesirable oscillations or vibrations induced by inconsistent combustion. In Figs. 1 and 2, a conventional combustion system 8 is by way of example illustrates the of such suitable configuration and such type as is used boilers in a gas turbine or a steam generating, has a provided with a pilot chamber 12 combustion chamber 10, further comprising Oxide tion supply at ambient pressure or at elevated pressures, such as those generated by a conventional compressor 14 , and associated lines 15 for supplying the oxidant from the oxidant supply to the combustion chamber and the pilot chamber 12 as separate, suitably dimensioned flows. A fuel supply system 16 with the necessary lines 17 and 18 is provided for the supply of separate fuel flows from the fuel supply 16 to the combustion chamber 10 and the pilot chamber 12 . This fuel can be a hydrocarbon fuel or any other suitable fuel in any, for example gaseous, liquid or solid form or a suitable combination thereof. The oxidizing agent can be any suitable combustion-maintaining medium for the particular fuel used. For example, in the case of a hydrocarbon fuel, the oxidizing agent can be formed by air, oxygen, oxygen-enriched air or other oxygen-containing gas or gases.

Die gesonderten Ströme von Oxidationsmittel aus der Oxida tionsmittelzufuhr 14 und von Brennstoff in der Leitung 17 von der Brennstoffzufuhr 16, wie sie zur Erzeugung der allgemein bei 20 angedeuteten Primär-oder Hauptflammenfront in der Verbrennungskammer 10 verwendet werden, werden in einer herkömmlichen Vormischkammer, wie beispielsweise der ringförmigen Kammer 21, die insgesamt in koaxialer Anordnung um die Pilotkammer 12 herum veranschaulicht ist, vorgemischt. Dieses Vorgemisch aus Brennstoff und Oxida tionsmittel wird in der dargestellten Weise in die Ver brennungszone 22 im stromaufwärtigen Endbereich der Ver brennungskammer 10 zugeführt, wo das Brennstoff-/Oxida tionsmittel-Gemisch unter Bildung der Hauptflammenfront 20 verbrannt wird zur Erzeugung der für die jeweilige ge wünschte Nutzanwendung verwendeten Wärmeenergie. Die heißen Verbrennungsprodukte werden aus der Verbrennungskammer (Brenn kammer) 10 durch geeignete (nicht dargestellte) Austrittsmittel abgeführt, die im stromabwärtigen Bereich der Verbrennungs kammer 10 angeordnet sind.The separate streams of oxidant from the oxidant supply 14 and fuel in line 17 from the fuel supply 16 as used to generate the primary or main flame front generally indicated at 20 in the combustion chamber 10 are in a conventional premixing chamber, such as of the annular chamber 21 , which is illustrated overall in a coaxial arrangement around the pilot chamber 12 . This premixture of fuel and oxidizing agent is supplied in the manner shown in the combustion zone 22 in the upstream end region of the combustion chamber 10 where the fuel / oxidizing agent mixture is burned to form the main flame front 20 to produce the desired for the particular ge Heat energy. The hot combustion products are removed from the combustion chamber (combustion chamber) 10 by suitable (not shown) outlet means, which are arranged in the downstream region of the combustion chamber 10 .

Die Arbeitsweise eines mit einer Pilotkammer 12 versehenen Verbrennungssystems nach Art von Fig. 1 verläuft wie folgt: Die aufeinander abgestimmten Mengen an Oxidationsmittel und Brennstoff aus der Oxidationsmittelzufuhr 14 und in der Leitung 18 von der Brennstoffzufuhr 16 werden in der Pilotkammer 12 gemischt, aus dieser kontinuierlich in die Verbrennungskammer 10 abgegeben und anfänglich durch geeignete Mittel, wie beispielsweise eine (nicht darge stellte) Glühkerzen- oder eine Funkenzündvorrichtung zur Erzeugung einer stationären Pilotflamme 23 gezündet, welche sich stromabwärts in die Verbrennungszone 22 hinein er streckt und die Hauptflammenfront 20 hervorbringt und aufrechterhält. Normalerweise, und insbesondere mit mageren Vorgemischen, ergibt die Verbrennung des vorgemischten Hauptbrennstoff-/Oxidationsmittel-Gemischs keinen stetig stationären Verbrennungszustand bzw. Abbrand, sondern ergibt vielmehr eine unstetige Verbrennung, welche inter mittierende Druckwellen und periodische Wärmefreisetzungen bildet, die bewirken, daß die Flammenfront 20 in der Verbrennungszone 22 rückwärts und vorwärts oszilliert, wie durch die Doppelpfeile in der Verbrennungszone 22 allgemein angedeutet. Wie oben erläutert, wurde festgestellt, daß die Oszillationsdruckwelle am stärksten ist, wenn eine Druck welle sich in Phasenübereinstimmung, oder nahezu in Phasen übereinstimmung, mit der durch die Verbrennung des Oxida tionsmittel-/Brennstoff-Gemischs erzeugten Wärmefreisetzung befindet. In Fig. 2 veranschaulicht die Kurve 24 eine oszillierende Druckwelle, wie sie in einer Verbrennungs kammer gemäß Fig. 1, in welcher eine unstetige nicht stationäre Verbrennungsoszillation stattfindet, auftritt. Zu der Oszillation der Flammenfront 20 kommt es, wenn die Transport- bzw. Überführungszeit t₁ einen gewissen Bruch teil der akustischen Verbrennungsperiode ausmacht, wobei die Amplitude der durch die Kurve 24 veranschaulichten Oszillation in dem Maße zunimmt, wie die Phasenüberein stimmung der Druckwelle und der Wärmefreisetzung sich annähern. . The operation of a provided with a pilot chamber 12 combustion system in the manner of Figure 1 is as follows: The coordinated amounts of oxidizer and fuel from the oxidant supply 14 and in the conduit 18 from the fuel supply 16 are mixed in the pilot chamber 12, continuously from this dispensed into the combustion chamber 10 and initially ignited by suitable means, such as a (not shown) glow plug or spark ignition device to produce a stationary pilot flame 23 which extends downstream into the combustion zone 22 and extends and maintains the main flame front 20 . Normally, and especially with lean premixes, the combustion of the premixed main fuel / oxidant mixture does not result in a steady steady state of combustion or combustion, but rather results in an inconsistent combustion, which forms intermittent pressure waves and periodic heat releases, which cause the flame front 20 oscillates back and forth in combustion zone 22 , as generally indicated by the double arrows in combustion zone 22 . As discussed above, it has been found that the oscillation pressure wave is strongest when a pressure wave is in phase or near phase with the heat released by the combustion of the oxidant / fuel mixture. In Fig. 2, curve 24 illustrates an oscillating pressure wave, as occurs in a combustion chamber according to Fig. 1, in which a discontinuous non-stationary combustion oscillation takes place. The oscillation of the flame front 20 occurs when the transport or transfer time t 1 makes up a certain fraction of the acoustic combustion period, the amplitude of the oscillation illustrated by curve 24 increasing to the extent that the phase correspondence of the pressure wave and the heat release to approach.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Stabilisierung der Schwingungen in der Verbrennungszone 22 der Ver brennungskammer 10 durch eine Umstrukturierung oder Ver schiebung der Hauptflammenfront 20 in Richtung einer Vergrößerung der Transport- bzw. Überführungszeit t₁, wodurch die Druck- und Wärmefreisetzungs-Parameter ent koppelt werden, erreicht. Wird diese Phasenübereinstim mungsbeziehung verändert, d. h. entkoppelt, so verringert sich die Schwingungsamplitude, wobei die Verringerung der Schwingungsamplitude mit zunehmender Trennung der Phasen übereinstimmung zwischen der Druckwelle und der perio dischen Wärmefreisetzung zunimmt. Gemäß den Fig. 3 und 4 wird das Verbrennungssystem 8 aus Fig. 1 durch Verwendung eines Pilotbrennstoffsteuersystems 26 für die inter mittierende oder pulsierende Abgabe des Pilotbrennstoffs von dem Brennstoffvorrat 16 an die Pilotkammer 12 modifi ziert. Das Steuer- bzw. Regelsystem 26 weist allgemein ein schnell wirkendes EIN/AUS-Ventil 27 in der Pilotbrenn stoffzuleitung 18 auf, wobei dieses Ventil 27 mittels einer geeigneten EIN/AUS-Regelung zur gepulsten Einführung bzw. Abgabe des Pilotbrennstoffs in die Pilotkammer 12 betrieben wird. Diese periodische Einspritzung oder Unterbrechung der Einspritzung des Pilotbrennstoffs in die Pilotoxidations mittelströmung zur Vermischung mit diesem ergibt diskrete Gemisch-Chargen oder -impulse, wie bei 23 veranschaulicht, die aufeinanderfolgend aus der Pilotkammer in die Ver brennungszone 22 abgegeben werden. Die jeweilige Ein spritzung der einzelnen Pilotbrennstoff-/Oxidationsmittel- Chargen dient zur Variation des Äquivalenzverhältnisses der chemischen Brennstoffkonzentration in der Verbrennungszone 22, was die Flammenfront 20 umstrukturiert und sie weiter stromabwärts von dem Pilotkammerende der Verbrennungskammer 10 verschiebt und eine längere Transport- bzw. Überfüh rungszeit t₁ gemäß der Darstellung in Fig. 3 bewirkt. Das Ausmaß der Umstrukturierung und Verlagerung der Flamme ist direkt abhängig von der Kombination aus der Einspritz frequenz diskreter Pilotbrennstoff-/Oxidationsmittel- Chargen, der Dauer der jeweiligen Einspritzung und dem Äquivalenzverhältnis des Pilotbrennstoff-/Oxidationsmittel- Gemischs.According to the present invention, the stabilization of the vibrations in the combustion zone 22 of the combustion chamber 10 by restructuring or shifting the main flame front 20 in the direction of increasing the transport or transfer time t 1, whereby the pressure and heat release parameters are decoupled, reached. If this phase agreement relationship is changed, ie decoupled, the oscillation amplitude decreases, the reduction in the oscillation amplitude increasing with increasing separation of the phase correspondence between the pressure wave and the periodic heat release. Referring to FIGS. 3 and 4 1 of a pilot fuel control system, the combustion system 8 of FIG. Modifi ed for inter mittierende or pulsating delivery of the pilot fuel from the fuel reservoir 16 to the pilot chamber 12 by using 26. The control system 26 generally has a fast-acting ON / OFF valve 27 in the pilot fuel supply line 18 , this valve 27 being operated by means of a suitable ON / OFF control for the pulsed introduction or delivery of the pilot fuel into the pilot chamber 12 becomes. This periodic injection or interruption of the injection of the pilot fuel into the pilot oxidant medium flow for mixing with it results in discrete mixture batches or pulses, as illustrated at 23 , which are sequentially released from the pilot chamber into the combustion zone 22 . The respective injection of the individual pilot fuel / oxidant batches serves to vary the equivalence ratio of the chemical fuel concentration in the combustion zone 22 , which restructures the flame front 20 and shifts it further downstream from the pilot chamber end of the combustion chamber 10 and a longer transport or transfer time t₁ causes as shown in Fig. 3. The extent of the restructuring and displacement of the flame is directly dependent on the combination of the injection frequency of discrete pilot fuel / oxidant batches, the duration of the respective injection and the equivalence ratio of the pilot fuel / oxidant mixture.

Der Pilotbrennstoff wird mit einer Frequenz zugeführt, die unabhängig von der und wesentlich kleiner als die Frequenz der in der Verbrennungszone 22 auftretenden Hauptflammen- Schwingungen ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt bei einer Hauptflammenoszillation im Bereich von etwa 20 bis 5000 Hz die gepulste oder intermittierende Abgabe des Pilotbrennstoffs an die Pilotkammer 12 mit einer einge stellten Frequenz entsprechend weniger als etwa dem halben Wert der Flammenoszillationsfrequenz und mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 Hz bis etwa 2500 Hz. Gemäß einer bevorzugten Ausführung ergibt in einem mit einem Kohlen wasserstoff-Brennstoff in Gegenwart von Luft betriebenen Verbrennungssystem, bei welchem Verbrennungsdruckoszilla tionen in der Verbrennungskammer mit einer Frequenz im Bereich von etwa 150 bis 1200 Hz auftreten können, die Pulssteuerung des Pilotbrennstoffs (oder Oxidationsmittels) mit einer Steuer- bzw. Regelfrequenz im Bereich von etwa 10 bis 50 Hz, vorzugsweise 10 bis 20 Hz, eine adäquate Umstrukturierung und Verlagerung der Hauptflamme zur wirksamen Reduzierung der Amplitude und Frequenz von Verbrennungsoszillationen auf einen zufriedenstellenden Pegel, wie bei 32 in Fig. 4 veranschaulicht. Die Größe der in Fig. 4 veranschaulichten, sich bei Anwendung der vor liegenden Erfindung ergebenden Flammenoszillation ist zu gering, um unerwünschte Betriebsprobleme betreffend bau liche Schäden an Komponenten des Verbrennungssystems und/oder eine Verringerung des Wirkungsgrades der Ver brennung in dem System hervorzurufen. Es ist in gleicher Weise zu erwarten, daß die Pulsationssteuerung des Oxida tionsmittels für den Pilotbrennstoff bzw. die Pulsations steuerung getrennter Ströme des Pilotbrennstoffs und des Oxidationsmittels, oder eines Vorgemischs aus dem Pilot brennstoff und dem Oxidationsmittel, mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 Hz bis etwa 2500 Hz eine zufrieden stellende Verringerung der Druckamplitude der Schwingungen in einer Verbrennungskammer, welche durch unstetige Ver brennung induzierte Druckoszillationen mit Frequenzen im Bereich von etwa 20 Hz bis 5000 Hz erfährt, ergibt.The pilot fuel is supplied at a frequency which is independent of and substantially less than the frequency of the main flame vibrations occurring in the combustion zone 22 . According to the present invention, with a main flame oscillation in the range from approximately 20 to 5000 Hz, the pulsed or intermittent delivery of the pilot fuel to the pilot chamber 12 takes place with a set frequency corresponding to less than approximately half the value of the flame oscillation frequency and with a frequency in the range of approximately 1 Hz to about 2500 Hz. According to a preferred embodiment, in a combustion system operated with a hydrocarbon fuel in the presence of air, in which combustion pressure oscillations can occur in the combustion chamber at a frequency in the range of about 150 to 1200 Hz, the pulse control of the Pilot fuel (or oxidizing agent) with a control frequency in the range of about 10 to 50 Hz, preferably 10 to 20 Hz, an adequate restructuring and displacement of the main flame to effectively reduce the amplitude and frequency of combustion oscillations to a satisfactory level level as illustrated at 32 in FIG . The magnitude of the flame oscillation illustrated in FIG. 4 using the present invention is too small to cause undesirable operating problems related to structural damage to components of the combustion system and / or a reduction in the efficiency of combustion in the system. It is expected in the same way that the pulsation control of the oxidizing agent for the pilot fuel or the pulsation control of separate flows of the pilot fuel and the oxidizing agent, or a premix of the pilot fuel and the oxidizing agent, with a frequency in the range of about 1 Hz up to about 2500 Hz a satisfactory reduction in the pressure amplitude of the vibrations in a combustion chamber, which experiences pressure oscillations induced by discontinuous combustion at frequencies in the range from about 20 Hz to 5000 Hz.

Das Brennstoff/Oxidationsmittel-Verhältnis in dem in die Verbrennungskammer zugeführten Hauptbrennstoff-/Oxida tionsmittel-Gemisch kann in dem Bereich von kleiner bis größer als der stöchiometrische Wert (d. h. einem Brenn stoff/Oxidationsmittel-Äquivalenzverhältnis von weniger als Eins bis größer als Eins) liegen. Das Brennstoff/Oxida tionsmittel-Äquivalenzverhältnis in dem für die Erzeugung der diskreten Pilotflammenimpulse verwendeten Gemisch kann ebenfalls im Bereich von weniger als Eins bis größer als Eins liegen, für eine zufriedenstellende Ausübung der vorliegenden Erfindung. Da jedoch die jeweilige sekundäre Wärmeenergie in jeder Pilotflamme, wie sie durch die Verbrennung der jeweiligen einzelnen diskreten Chargen oder des Gemischs aus Pilotbrennstoff und Oxidationsmittel erzeugt wird, direkt vom jeweiligen Brennstoffvolumen in jeder dieser Chargen abhängig ist, ist das Äquivalenz verhältnis von Brennstoff zu Oxidationsmittel in den Pilotflammenchargen vorzugsweise größer als Eins, um zu gewährleisten, daß ausreichend sekundäre Wärmeenergie vorliegt, um die gewünschte Umstrukturierung der oszillie renden Flamme zu bewirken, bei gleichzeitiger Aufrecht erhaltung eines angemessenen zeitlichen Abstands zwischen der Einbringung der diskreten Chargen von Pilotbrennstoff und Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer.The fuel / oxidant ratio in the in the Main Fuel / Oxide Combustion Chamber Detergent mixture can range from small to greater than the stoichiometric value (i.e. a burn Substance / oxidant equivalence ratio of less than One to greater than one). The fuel / oxide agent equivalence ratio in the for the generation the mixture of discrete pilot flame pulses used also in the range from less than one to greater than One lie for satisfactory exercise present invention. However, since the respective secondary Thermal energy in each pilot flame as generated by the Incineration of the individual discrete batches or of the mixture of pilot fuel and oxidizing agent is generated directly from the respective fuel volume in each of these batches is dependent is the equivalence ratio of fuel to oxidant in the Pilot flame batches are preferably greater than one in order to ensure sufficient secondary thermal energy is present to the desired restructuring of the oscillie effective flame, while maintaining upright maintaining a reasonable interval between the introduction of discrete batches of pilot fuel and oxidizer into the combustion chamber.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden etwa 2 bis 20% des gesamten in die Brennstoffkammer 10 eingeführten Brenn stoffs periodisch in die Pilotkammer 12 eingespritzt, wobei die Dauer jeder derartigen Einspritzung genügend groß ist, um die Reihe aus voneinander beabstandeten brennstoff reichen Pilotflammenfronten, wie beispielsweise bei 23 in Fig. 3 gezeigt, zu liefern, welche zusammen die Umstruk turierung der oszillierenden Hauptflammenfront 20 und die Stabilisierung des oszillierenden Drucks in der Ver brennungskammer 10 zu bewirken. Beispielsweise kann in einem typischen Verbrennungssystem, bei welchem der Primär brennstoff ein mageres Vorgemisch oder Äquivalenzverhältnis mit einem Brennstoff/Oxidationsmittel-Verhältnis ent sprechend einem Bruchteil von beispielsweise 0,75 des für einen stöchiometrischen Abbrand erforderlichen Wertes ist, der Pilotbrennstoff mit einem Äquivalenzverhältnis von etwa 2,24 eingespritzt werden, zur Erzeugung brennstoffreicher Pilotflammenfronten, bei gleichzeitiger Erhaltung eines Gesamt- oder kombinierten Brennstoff/Oxidationsmittel- Verhältnisses als mageres Vorgemisch mit einem Äquivalenz verhältnis von etwa 0,83. According to the present invention, about 2 to 20% of the total introduced into the fuel chamber 10 combustion fuel periodically in the pilot chamber 12 is injected, the duration of each such injection is sufficiently large to the series of spaced apart fuel-rich pilot flame fronts such as at 23 shown in Fig. 3, which together to effect the restructuring of the oscillating main flame front 20 and the stabilization of the oscillating pressure in the combustion chamber 10 Ver. For example, in a typical combustion system in which the primary fuel is a lean premix or equivalence ratio with a fuel / oxidant ratio corresponding to a fraction of, for example, 0.75 of the value required for stoichiometric combustion, the pilot fuel may have an equivalence ratio of about 2 , 24 are injected to produce fuel-rich pilot flame fronts, while maintaining an overall or combined fuel / oxidant ratio as a lean premix with an equivalence ratio of approximately 0.83.

Die Dauer der jeweiligen einzelnen Impulse der Pilotflamme und das Äquivalenzverhältnis der Pilotbrennstoff-/Oxida tionsmittel-Gemische haben eine direkte Auswirkung auf die Umstrukturierung der Hauptflammenfront 20 und besitzen für die vorliegende Erfindung insoweit eine beträchtliche Bedeutung, als jeweils jeder Impuls des Pilotbrennstoff-/- Oxidationsmittel-Gemischs in die Verbrennungskammervor richtung ausreichend und von ausreichender Dauer sein muß, um zu gewährleisten, daß die diskreten Pilotflammen eine angemessene Wärmeenergie zur Wechselwirkung mit der oszil lierenden Flamme und deren wirksamer Umstrukturierung in der Verbrennungszone zur Verlagerung bzw. Repositionierung der oszillierenden Flamme ergeben. Wird die Pilotflammen front mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 Hz bis etwa 2500 Hz, vorzugsweise von 10 bis 50 Hz, gepulst bei An wendung zur Steuerung von Verbrennungsoszillationen im Bereich von etwa 150 bis 1200 Hz, bei Anwendung von Pilot brennstoff-/Oxidationsmittel-Chargen mit Äquivalenzver hältnissen im Bereich von etwa 0,5 bis 2,5, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,6 bis 2,0, und wobei jeweils jeder Impuls der Pilotbrennstoffinjizierung zeitlich eine Dauer von etwa 0,1 ms bis zu einer etwa der Hälfte der Steuer frequenzperiode entsprechenden Zeit, vorzugsweise im Bereich von etwa 1,0 ms bis etwa 20 ms, besitzt, so be stehen die diskreten Pilotflammenimpulse jeweils über eine ausreichende Zeitdauer, um die Hauptflammenfront 20 umzu strukturieren und zu verlagern, für eine wirksame Ent kopplung der Wärmeimpulse von den Druckwellen. Dabei nimmt für den angegebenen Bereich von Steuerfrequenzen die Injektionsdauer des Pilotbrennstoffs vom unteren Ende des oben angegebenen Bereichs in dem Maße zu, als das Äqui valenzverhältnis des Pilotbrennstoff-/Oxidationsmittel- Gemischs vom oberen Ende des angegebenen Bereichs abnimmt.The duration of the individual pulses of the pilot flame and the equivalence ratio of the pilot fuel / oxidizing agent mixtures have a direct effect on the restructuring of the main flame front 20 and are of considerable importance for the present invention insofar as each pulse of the pilot fuel / oxidizing agent Mixtures in the direction of the combustion chamber must be sufficient and of sufficient duration to ensure that the discrete pilot flames provide adequate thermal energy for interaction with the oscillating flame and its effective restructuring in the combustion zone to relocate or reposition the oscillating flame. If the pilot flames are pulsed at a frequency in the range from approximately 1 Hz to approximately 2500 Hz, preferably from 10 to 50 Hz, when using to control combustion oscillations in the range from approximately 150 to 1200 Hz, when using pilot fuel / oxidizing agents Batches with equivalence ratios in the range from approximately 0.5 to 2.5, preferably in the range from approximately 0.6 to 2.0, and each pulse of the pilot fuel injection having a duration of approximately 0.1 ms to approximately one half of the control frequency period corresponding time, preferably in the range of about 1.0 ms to about 20 ms, so be the discrete pilot flame pulses each for a sufficient period of time to restructure and relocate the main flame front 20 for an effective Ent coupling the heat impulses from the pressure waves. For the specified range of control frequencies, the injection duration of the pilot fuel increases from the lower end of the range specified above to the extent that the equivalence ratio of the pilot fuel / oxidizing agent mixture decreases from the upper end of the specified range.

Fig. 5 veranschaulicht die vorliegende Erfindung in Kombi nation mit einer Verbrennungskammer (Brennkammer) 34, die mit einer koaxial angeordneten Vormischkammer 36 versehen ist zur Mischung des bei atmosphärischem Druck oder bei einem erhöhten Druck aus einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise einem (nicht dargestellten) Kompressor zugeführten Verbrennungs oxidationsmittels mit dem Hauptbrennstoff, der durch eine Leitung 38 und einen Sprühring 39 in die Mischkammer 36 zugeführt wird. Die Verbrennungskammer 34 ist des weiteren mit einer Pilotkammer 40 versehen, die in der gezeigten Weise konzentrisch in der Mischkammer 36 angeordnet ist und mit dem einen Endbereich der Verbrennungskammer 34 in Verbindung steht, wie bei herkömmlichen Verbrennungs systemen unter Verwendung von Pilotkammern. Die aus der Verbrennung der Brennstoff-/Oxidationsmittel-Gemische resultierenden Austrittsgase werden normalerweise aus der Verbrennungskammer durch eine Öffnung in einem der Brenn stoff-/Oxidationsmittel-Mischkammer 36 gegenüberliegenden Endbereich der Kammer abgeführt. Der Pilotbrennstoff, der bei herkömmlicher Magergemisch-Betriebsweise üblicherweise in einer Menge von etwa 2 bis 20% des Gesamtbrennstoffs zugeführt wird, wird durch die Leitung 42 eingeführt und mit einem Teil des Verbrennungsoxidationsmittels vorge mischt, zur Erzeugung einer allgemein bei 44 dargestellten Pilotflamme. Wird dieser Pilotbrennstoff in die Pilotkammer 40 als kontinuierlicher oder nicht-unterbrochener Strom eingeführt, wie in einem herkömmlichen System, oder selbst bei gepulster Zufuhr mit Frequenzen, die größer als etwa die halbe Frequenz der Oszillationen der Hauptflammen verbrennung ist, so steht zu erwarten, daß die Verbrennung des Hauptbrennstoff- und Oxidationsmittelgemischs zusammen mit dem Pilotflammengemisch eine unstetige, nicht-statio näre oszillierende Flammenfront, wie etwa oben anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, bildet, wobei die Amplitude und der Druck der Oszillationen wesentlich größer sind als sie erhalten werden können, wenn man eine niedrigere Steuer frequenz und in Abhängigkeit von der erwarteten Phasen übereinstimmung der Druckwelle mit der durch die Ver brennung sowohl des Pilotbrennstoffgemischs und des Haupt brennstoffgemischs erzeugten Wärmeabgabe benutzt. Fig. 5 illustrates the present invention in combination with a combustion chamber (combustor) 34 which is provided with a coaxially arranged premixing chamber 36 for mixing at atmospheric pressure or at elevated pressure from a suitable source such as a (not shown) Compressor supplied combustion oxidant with the main fuel, which is fed through a line 38 and a spray ring 39 into the mixing chamber 36 . The combustion chamber 34 is further provided with a pilot chamber 40 , which is arranged concentrically in the mixing chamber 36 in the manner shown and communicates with the one end region of the combustion chamber 34 , as in conventional combustion systems using pilot chambers. The exhaust gases resulting from the combustion of the fuel / oxidant mixtures are normally discharged from the combustion chamber through an opening in an end region of the chamber opposite the fuel / oxidant mixing chamber 36 . The pilot fuel, which is typically supplied in an amount of about 2 to 20% of the total fuel in conventional lean mix operation, is introduced through line 42 and premixed with a portion of the combustion oxidant to produce a pilot flame, generally shown at 44 . If this pilot fuel is introduced into the pilot chamber 40 as a continuous or uninterrupted stream, as in a conventional system, or even with pulsed delivery at frequencies greater than about half the frequency of the main flame oscillations, it is expected that the combustion of the main fuel and oxidizing agent mixture together with the pilot flame mixture forms a discontinuous, non-stationary oscillating flame front, as described above with reference to FIGS . 1 and 2, the amplitude and pressure of the oscillations being substantially greater than they are obtained can, if one uses a lower control frequency and, depending on the expected phases, coincidence of the pressure wave with the heat generated by the combustion of both the pilot fuel mixture and the main fuel mixture.

Die selektive Unterbrechung oder Pulssteuerung der Ein spritzung oder Einführung des Pilotbrennstoffs in die Pilotkammer mit der ausgewählten Steuerfrequenz und Dauer wird durch Verwendung einer geeigneten Brennstoffströmungs steuervorrichtung erreicht, um die Hauptflammenfront 46 wirksam weiter stromabwärts von der Vormischkammer 36 weg in eine neue, bei 46a angedeutete Position zu verschieben, d. h. aus dem Bereich heraus, wo akustische Kopplung auftritt. Diese Steuerung zur periodischen Abgabe oder Einspritzung des Pilotbrennstoffs wird in der gezeigten Weise durch ein allgemein bei 48 angedeutetes elektroni sches Solenoid erreicht, das mit einer Brennstoffeinspritz vorrichtung oder einem Ventil 50 in einer Brennstoffleitung 42 gekoppelt ist. Jedes beliebige geeignete EIN/AUS-Ventil, wie beispielsweise ein Dreh- oder Kugelventil, oder jeder anderweitige geeignete Ventiltyp, der eine rasche EIN/AUS- Betätigung gestattet, eignet sich zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Falls erwünscht, kann auch eine pneumatische Fluidikvorrichtung zur gepulsten Brennstoff zufuhr in die Pilotkammer verwendet werden.The selective interruption or pulse control injection of one or the introduction of the pilot fuel in the pilot chamber with the selected control frequency and duration control device achieved by using a suitable fuel flow to the main flame front 46 effectively further downstream, indicated by the pre-mixing chamber 36 off in a new, at 46 a Move position, ie out of the area where acoustic coupling occurs. This control for periodic delivery or injection of the pilot fuel is achieved in the manner shown by an electronic solenoid indicated generally at 48 , which is coupled to a fuel injector or valve 50 in a fuel line 42 . Any suitable ON / OFF valve, such as a rotary or ball valve, or any other suitable type of valve that allows rapid ON / OFF actuation is suitable for use in the present invention. If desired, a pneumatic fluidic device for pulsed fuel delivery into the pilot chamber can also be used.

Das Hauptprinzip hinsichtlich der erfolgreichen Beherr schung der Verbrennungsinstabilität ist die periodische Variation des Äquivalenzverhältnisses des Pilotbrennstoff- und Oxidationsmittelgemischs. In manchen Anwendungsfällen ist ein gewisses Ausmaß an Oszillation in der Verbrennungs kammer tolerierbar oder sogar erwünscht. Daher kann die vorliegende Erfindung dazu dienen, die Oszillationen in kontrollierter Weise auf einen gewünschten Pegel zu redu zieren und auf diesem zu halten. The main principle regarding the successful master The combustion instability is periodic Variation of the equivalence ratio of the pilot fuel and oxidant mixture. In some applications is some degree of oscillation in the combustion chamber tolerable or even desirable. Therefore, the present invention serve to oscillate in reduced way to a desired level in a controlled manner adorn and hold on this.

Gemäß Fig. 6 kann die Steuerung für die periodische Ar beitsweise der Pilotbrennstoffströmungs-Steuervorrichtung und die Periodendauer der periodischen Pilotbrennstoff einspritzung in einfacher Weise durch Verwendung eines Steuer- bzw. Regelsystems mit offener Schleife erreicht werden, wie bei 51 in Kombination mit der Verbrennungs kammer 34 aus Fig. 5 gezeigt. Das Steuer- bzw. Regelsystem 51 mit offener Schleife weist in der dargestellten Weise das Solenoid 48 und die Einspritzvorrichtung 50 in der Pilotbrennstoffleitung 42 auf. Betätigungssignale mit einer Frequenz und für eine Periode in den angegebenen Bereichen können in beliebiger geeigneter Weise erzeugt werden, beispielsweise mittels eines bei 52 angedeuteten her kömmlichen variablen Frequenzsignalgenerators. Diese Signale werden über eine Leitung 54 einer Solenoidsteuer- oder -treiberschaltung 56 zugeführt, zur wirksamen perio dischen Betätigung des Solenoids 48 und der zugeordneten Brennstoffeinspritzvorrichtung 50. Die Arbeitsweise des Signalgenerators 52 zur Pulsation des Pilotbrennstoffs bei der gewünschten Frequenz und Periodendauer kann von Hand durch eine Bedienungsperson erfolgen, nach Feststellung des Vorliegens hoher Druckoszillationen in der Verbrennungs kammer durch eine geeignete Ablesanzeige oder durch Ver wendung eines einfachen Oszillationsdetektors 58, bei spielsweise eines mit der Verbrennungskammer 34 gekoppelten druckempfindlichen Diaphragmas, das über eine Leitung 60, die erforderlichenfalls Verstärker aufweisen kann, mit einer Oszillationsanzeige 62, wie beispielsweise einem herkömmlichen Oszilloskop, verbunden ist. Die Bedienungs person kann die Ablesung an der Oszillationsanzeige 62 zur manuellen Steuerung der Betätigung des variablen Frequenz signalgenerators 52 verwenden. Alternativ und vorzugsweise kann die Steuerung der Frequenz des Pilotbrennstoffimpulses automatisch erfolgen, durch Verwendung des von der Oszilla tionsanzeige 62 gelieferten Signals in einem schematisch bei 64 angedeuteten Computer, der über eine Leitung 66 einen Algorithmus zur Betätigung des Signalgenerators 52 mit der gewünschten Frequenz und Periodendauer für die Einspritzung des Pilotbrennstoffs bei einem vorgegebenen Pegel liefert.Referring to FIG. 6, the control as at 51, for the periodic Functioning of the pilot fuel flow control device and the period of the periodic pilot fuel injection in a simple manner by using a control system with an open loop to achieve, in combination with the combustion chamber 34 shown in Fig. 5. The open loop control system 51 has the solenoid 48 and the injector 50 in the pilot fuel line 42 as shown. Actuation signals with a frequency and for a period in the specified ranges can be generated in any suitable manner, for example by means of a conventional variable frequency signal generator indicated at 52 . These signals are fed via line 54 to a solenoid control or driver circuit 56 for the effective periodic actuation of the solenoid 48 and the associated fuel injector 50 . The operation of the signal generator 52 for pulsing the pilot fuel at the desired frequency and period can be done manually by an operator, after determining the presence of high pressure oscillations in the combustion chamber by a suitable reading display or by using a simple oscillation detector 58 , for example one with pressure-sensitive diaphragm coupled to the combustion chamber 34 , which is connected via a line 60 , which may have amplifiers if necessary, to an oscillation display 62 , such as a conventional oscilloscope. The operator can use the reading on the oscillation display 62 to manually control the operation of the variable frequency signal generator 52 . Alternatively and preferably, the control of the frequency of the pilot fuel pulse can take place automatically, by using the signal supplied by the oscillation display 62 in a computer, indicated schematically at 64, via a line 66, an algorithm for actuating the signal generator 52 with the desired frequency and period for provides the injection of the pilot fuel at a predetermined level.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 7 veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die selektive periodische Unterbrechung und Bildung der Pilotflammenimpulse 44 durch Impulssteuerung der Pilotoxidationsmittelströmung statt des Pilotbrennstoffs. Bei dieser Ausführungsform ist in der Zufuhrleitung 70 für das Pilotoxidationsmittel ein einfaches EIN/AUS-Ventil 68 vorgesehen, das mittels eines Steuerventils 72, das in ähnlicher Weise wie die Pilotbrennstoffsteuerung 26 in Fig. 3 wirkt, die gepulsten Pilotflammenfronten mit der Frequenz und ausreichenden Dauer liefert, um im wesent lichen die gleiche Verringerung der Amplitude der Flammen frontschwingungen in der Verbrennungskammer 34 wie bei Impulssteuerung des Pilotbrennstoffs zu erzielen. Auch kann bei dieser Ausführung der Pilotbrennstoff zusammen mit dem Pilotoxidationsmittel periodisch unterbrochen werden, oder aber kontinuierlich der Pilotkammer zugeführt werden, um das gewünschte Äquivalenzverhältnis von Oxidationsmittel und Brennstoff in der Pilotkammer zu gewährleisten.Another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. 7. In this embodiment, the selective periodic interruption and formation of the pilot flame pulses 44 is accomplished by pulse control of the pilot oxidant flow instead of the pilot fuel. In this embodiment, a simple ON / OFF valve 68 is provided in the pilot oxidant supply line 70 , which by means of a control valve 72 , which acts in a similar manner to the pilot fuel control 26 in FIG. 3, the pulsed pilot flame fronts with the frequency and sufficient duration provides to achieve essentially the same reduction in the amplitude of the flame front vibrations in the combustion chamber 34 as with pulse control of the pilot fuel. In this embodiment, the pilot fuel can also be interrupted periodically together with the pilot oxidizing agent, or can be continuously fed to the pilot chamber in order to ensure the desired equivalence ratio of oxidizing agent and fuel in the pilot chamber.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine erfolgreiche Ausfüh rungsform der Erfindung auch unter Verwendung eines Hilfs rohrs zur Brennstoff- und Oxidationsmittelzufuhr prakti ziert werden kann, das pulsierende Chargen von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel, oder Vorgemische hiervon, direkt in den stromaufwärtigen Endbereich der Verbrennungskammer zuführt, zur Erzeugung einer pulsierenden Pilotflamme ohne Anwendung einer Pilotkammer. Allgemein ist es einfach eine Frage der Zweckmäßigkeit, daß die bevorzugten Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Pilotkammer umfassen, derart daß der gepulste Pilotbrenn stoff oder Oxidationsmittel wie in herkömmlichen Ver brennungssystemen zugeführt werden kann. Somit ist die vorhergehende Beschreibung zwar auf Verbrennungssysteme gerichtet, in welchen die Pilotkammer in Verbindung mit der Verbrennungskammer verwendet wird, jedoch ist der Grund gedanke der vorliegenden Erfindung auf nicht mit einer Pilotkammer versehene Verbrennungskammern anwendbar, indem einfach ein Teil des Brennstoffs und Oxidationsmittels abgezweigt wird und pulsierende Flammenfronten durch die Verbrennung dieses "Pilot"-Brennstoff- und -Oxidations mittelgemischs in den stromaufwärtigen Bereich der Ver brennungskammer hinein erzeugt werden, wo normalerweise die pulsierenden Pilotflammenfronten vorliegen würden. Des weiteren darf angenommen werden, daß im wesentlichen sämtliche derzeit verwendeten Verbrennungssysteme in einfacher Weise zur Inkorporierung der Verbrennungsoszilla tions-Kontrolle der vorliegenden Erfindung adaptiert werden können. Man erkennt, daß der erfindungsgemäße Stabilisator für die Druckschwingungen der Verbrennungsvorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine wirksame und billige aktive Kontrolle an Hand geben, welche dynamische Druckschwankungen in Verbrennungssystemen auf einen annehm baren Pegel zu reduzieren vermag, und daß im wesentlichen sämtliche für den Betrieb und die Durchführung der vor liegenden Erfindung erforderlichen Ausrüstungsteile aus reichend weit von der Hochtemperatur-Verbrennungskammer angebracht sein können, um Wärmeschäden an diesen Vor richtungsteilen oder die Notwendigkeit der Verwendung hochtemperaturbeständiger Ausrüstungsteile zu vermeiden.It should be noted that successful execution tion form of the invention also using an auxiliary tubes for fuel and oxidant supply practi can be decorated, the pulsating batches of fuel and / or oxidizing agents, or premixes thereof, directly in the upstream end of the combustion chamber supplies, to generate a pulsating pilot flame without Use of a pilot chamber. Generally it's just one Question of expediency that the preferred execution form the present invention the use of a Include pilot chamber so that the pulsed pilot burn substance or oxidizing agent as in conventional Ver combustion systems can be supplied. So that is previous description though on combustion systems directed in which the pilot chamber in connection with the Combustion chamber is used, however, is the reason thought of the present invention on not having a Combustion chambers provided pilot chamber by just part of the fuel and oxidant is branched off and pulsating flame fronts through the Combustion of this "pilot" fuel and oxidation medium mixture in the upstream area of Ver combustion chamber can be created in where the pulsating pilot flame fronts would be present. Of further it can be assumed that essentially all combustion systems currently used in simple way to incorporate the combustion oscilla tion control of the present invention can. It can be seen that the stabilizer according to the invention for the pressure vibrations of the combustion device and the method of the present invention is effective and give cheap active control on hand which dynamic Pressure fluctuations in combustion systems on an assumption able to reduce the level, and that essentially all for the operation and implementation of the before lying invention required equipment reaching far from the high temperature combustion chamber may be appropriate to prevent heat damage to this directional parts or the need for use to avoid high temperature resistant equipment.

Claims

1. Device for active control of unstable, vibration-generating combustion in a combustion system, comprising a combustion chamber (combustion chamber) ( 10 , Fig. 3; 34 , Fig. 5 to 7), which a combustion zone ( 22 ) with opposite end or Has end areas, and means ( 16 to 18 , 21 , Fig. 3; 38 , 39 , Fig. 5, 7) for introducing a first mixture of a fuel and an oxidizing agent into the combustion zone at one end area for burning the fuel and oxidant mixture, the combustion of the fuel and oxidant mixture generating an oscillating flame ( 20 , Fig. 3; 46 , 46 a, Fig. 5, 7) within the combustion zone at a location between the end regions and the formation of dynamic pressure oscillations within causes the combustion chamber, the amplitude of these vibrations from the extent of a phase coincidence between the ores by the respective individual vibrations The pressure wave depends on the periodic heat release generated by the combustion of the fuel in the fuel and oxidizing agent mixture.
characterized by means for stabilizing the pressure of the amplitude of the pressure oscillations inside the combustion chamber, said means vibration in the combustion apparatus for the purpose of reduction comprising chamber means (12, Fig. 3;. 40, 5, 6, 7) connected to the combustion chamber are at one said end portion in combination, fuel supply means (18, Fig. 3; 42, Figures 5 to 7.) and means for oxidant supply (15, 17, Fig. 3; 70, Fig. 7), with one of the components Chamber means and combustion chamber are coupled, for introducing at least one flow of fuel and oxidizing agent into this, forming a second mixture for generating a pilot flame ( 44 , Fig. 5, 7) in the combustion zone at its one end, and flow control or control means ( 48 , 50 , FIGS . 5 to 7 ; 68 , FIG. 7) for intermittent interruption of the flow from at least one of the components: from the fuel, e.g. fuel supplied and oxidant supplied by the oxidant supply means into the chamber means ( 12 ; 40 ) with a selected frequency and duration for intermittent and successive interruption and switching on of the flow of at least one of the components: fuel and oxidizing agent into said one of the components: chamber means and combustion chamber, to form discrete second mixtures ( 23 , Fig. 3) from this, which together produce a pulsating pilot flame in the combustion zone for contact with the oscillating flame in the combustion zone, the frequency and the duration delivering the second mixtures with sufficient thermal energy to restructure the oscillating flame and thus adequately reposition the cause the oscillating flame in the combustion zone to change the phase relationship between each respective pressure wave and each periodic heat release from the state of their mutual phase correspondence, to reduce the amplitude of the pressure oscillations.

2. The combustion system of claim 1, wherein the pressure vibrations have a frequency in the range of about 20 up to 5000 Hz and the intermittent interruption the flow of said at least one of the components: Fuel from fuel supplies and oxidizers from the oxidant supply, at a frequency that is less than about half the frequency of the pressure vibrations and is in the range of about 1 to about 2500 Hz.

3. The combustion system of claim 2, wherein the flow of at least one of the fuel components and oxidizing agent in said one of the components: Chamber means and combustion chamber for a period of time in the range of about 0.1 ms up to a period of time speaking half the period of the selected frequency is fed.

4. The combustion system of claim 1, wherein the pressure vibrations with a frequency in the range of about 150 to 1200 Hz and at which the intermittent Interruption of the flow of said at least one of the Components: fuel from fuel supply means and Oxidizing agent from the oxidizing agent supply means, with a frequency in the range of about 10 to 50 Hz.

5. Combustion system according to claim 4, wherein the Flow from at least one of the components: fuel and Oxidizing agent, in the named one of the components: chamber medium and combustion chamber, during a period in Range of about 1.0 to 20 ms is introduced.

6. The combustion system of claim 1, wherein the ratio of fuel to oxidant in the first mixture a fuel equivalence ratio in Range from less than one to greater than about one corresponds and in which the ratio of fuel to Oxidizing agents in each of the second mixtures mentioned a fuel equivalence ratio in the range of less equals one to greater than one to produce fuel-lean to fuel-rich impulses of Pilot flame, and being the duration of the introduction of the said at least one current increases as the burn Equivalence ratio in the second mixtures mentioned in decreases in the range from less than one to greater than one.

A combustion system according to claim 1, wherein said at least one flow comprises separate flows of fuel and oxidant or a combined flow of fuel and oxidant, and means are provided for introducing the at least one flow of oxidant from the oxidant supply and fuel from the Fuel supply means into said one of the components: chamber means and combustion chamber, along a path ( 12 ; 40 ) separate from the first mixture.

8. Combustion system according to claim 7, characterized in that the fuel supply means ( 16 ) with the chamber means ( 12 ; 40 ) connected first line means ( 18 , Fig. 3; 42 , Fig. 5 to 7) that the means for oxidant supply have second conduit means ( 15 , Fig. 3; 70 , Fig. 7) connected to the chamber means and that the flow control or control means have valve means ( 27 , Fig. 3; 48 , 50 , 68 , Figs. 5 to 7) in have at least one of the first and second conduit means, as well as valve control means for adjusting the valve means between their opening and their closing position with a frequency and for a sufficient period of time for intermittently switching on the flow of at least the aforementioned one flow of fuel and oxidizing agent for pulsating the Pilot flame in the combustion zone with the selected frequency and a reasonable duration to achieve the restructuring and repositioning tion of the oscillating flame in the combustion chamber.

9. The combustion system of claim 8, wherein the valve control means selectively adjustable means for Control and change of frequency and period, with which the pilot flame is pulsed.

10. Combustion system according to claim 9, characterized in that the fuel / oxidation medium ratio in the first mixture corresponds to a fuel equivalence ratio in the range from less than one to greater than one and to generate the pressure vibrations in the combustion zone with a frequency in the range from 150 to 1200 Hz means that the fuel / oxidant ratio in each of the second mixtures corresponds to a fuel equivalence ratio in the range from less than one to greater than one in order to generate lean to fuel-rich pulses of the pilot flame that the valve means ( 48 , 50 , Fig. 5 to 7) are arranged in the first line means ( 42 ), and that the selectively operable means intermittently interrupt the fuel flow from the fuel supply means to the chamber means for pulsating the pilot flame at a frequency of less than about half the frequency of the pressure oscillations and in the range from about 1 to about 2500 Hz and for a period in the range from about 0.1 ms to a time corresponding to half a period of the frequency mentioned.

11. Combustion system according to claim 10, characterized in that the valve means fuel injectors have that valve control means responsive to an electrical signal Have actuation of the fuel injection means, and that the selectively adjustable means signal generating means to generate a series of discrete electrical signals to actuate the fuel injection means with the selected frequency and period.

12. Combustion system according to claim 9, characterized in that the fuel / oxidation medium ratio in the first mixture of a fuel equivalence ratio in the range from less than one to is greater than about one and the generation of Pressure fluctuations in the combustion zone with a Fre quenz in the range of about 150 to 1200 Hz shows that the Fuel / oxidant ratio in each of the second Mixtures a fuel equivalence ratio in the range from less than one to greater than one fuel-lean to fuel-rich impulses of the pilot flame to ensure that the valve means in the second line means are arranged, and that the selectively adjustable means the oxidant flow from the oxidant supply to the chamber means inter interrupt in the middle, to pulsate with the pilot flame a frequency that is less than about half the frequency of the Pressure vibrations is in the range of about 1 to about 2500 Hz is, with a duration in the range of about 0.1 ms up to one half of the period of the above Frequency corresponding time.

13. A method of operating a combustion system which has a combustion chamber (combustion chamber) with a combustion zone with opposite end or end regions and fuel and oxidant supply means for producing and introducing a first fuel / oxidant mixture into the combustion zone at one end region for combustion of the first fuel / oxidizing agent mixture, the combustion of the first mixture generating an oscillating flame in the combustion zone at locations between the end or end regions mentioned, with the formation of dynamic pressure vibrations in the combustion chamber with a frequency in the range of about 20 Hz to about 5000 Hz, the amplitude of the individual oscillations depending on the extent of the phase correspondence of the pressure wave generated by each vibration with the heat release generated by the combustion of the first fuel / oxidant mixture,
characterized in that the method for reducing the amplitude of the vibrations in the combustion chamber comprises the following steps: forming a second mixture of separate fuel and oxidizing agents, introducing the second mixture into the combustion zone at a location adjacent to the one end or Forehead area for generating a pilot flame in the combustion zone in one end area; and intermittent interruption of the flow of at least one of the components forming the second mixture fuel and oxidizing agent or for intermittent interruption of the flow of the second mixture to produce discrete batches of the second mixture for intermittent interruption and switching on of the pilot flame in the combustion zone with a frequency and a suitable duration for sufficient restructuring and repositioning of the flame front in the combustion zone from the position mentioned, in order to change the phase relationship between the respective pressure waves and the respective periodic heat releases compared to the phase matching mentioned and thereby reduce the amplitude of the pressure oscillations in the combustion chamber .

14. Method of operating a combustion system according to claim 13, characterized in that the intermittent sub breaking the flow from at least one of the respective ones individual discrete batches of the second mixture Components: oxidizer and fuel, or the Flow of the second mixture, with a selected one Frequency less than half the frequency of the pressure vibrations and in the range of about 1 to 2500 Hz.

15. Method of operating a combustion system according to claim 14, characterized in that the flow of at least one of the individual discrete batches of the second mixture-forming components: fuel and Oxidizing agent, or the flow of the second mixture, between each interruption of the flow each for a duration of approximately 0.1 ms to approximately one half the period of the selected frequency corresponding time is switched on.

16. Method of operating a combustion system according to claim 13, characterized in that the fuel / oxidation medium ratio in the first mixture of a fuel equivalence ratio in the range of less than one to greater than about one corresponds to the fuel / oxi dationsmittel ratio in the respective batches of second mixture a fuel equivalence ratio in Range from less than one to greater than one to ensure fuel-lean to fuel-rich Pulses of the pilot flame, and that the duration of the flow of at least one of the respective batches of the second Mixture-forming components: fuel and oxidation medium, or the flow of the second mixture, to the extent increases as the fuel equivalence ratio in the second mixtures in the range of less than Decreases one to greater than one.

17. Method of operating a combustion system according to claim 13, characterized in that the process step of intermittent interruption of the flow of at least one of the components fuel and oxidizing agent and Fuel for generating discrete batches of the second Mixture due to intermittent interruption of the flow of the second mixture forming fuel.

18. Method of operating a combustion system according to claim 13, characterized in that the process step of Interruption of the flow of at least one of the compos nent fuel and oxidizing agent and fuel for Generate discrete batches of the second mixture intermittent interruption of the flow of the second Mixture forming oxidant takes place.

19. Method of operating a combustion system according to claim 13, characterized in that the step of intermittent interrupting the flow of at least one of the Components fuel and oxidizing agent and fuel to generate discrete batches of the second mixture intermittent interruption of the second mixture the flows of fuel and oxidant.

20. Method of operating a combustion system according to claim 15, characterized by the additional process step, which is the generation of a series of discrete electrical ones Selective interruption and restart signals the flow of at least one of the individual discre th batches of the second mixture-forming components Fuel and oxidant or the flow of the second mixture at said selected frequency and includes with the duration mentioned.

21. Method of operating a combustion system according to claim 15, characterized in that the pressure vibrations with a Frequency in the range of about 150 to 1200 Hz, and characterized by the additional process step, which is the generation of a series of discrete electrical ones Selective interruption and restart signals the flow of at least one of the individual discre batches of the second mixture-forming components: Brenn substance and oxidant, or the flow of the second Mixed, at a frequency in the range of about 10 to 50 Hz includes, and for interaction with the frequency of the signals sufficient for adequate pulsation of the pilot flame for the purpose the restructuring and repositioning of the oscillating Flame front away from the places in the combustion zone where the Pressure wave of every combustion oscillation in phase agreement or almost in phase with that during each Combustion vibration generated heat release stands.

22. Combustion system according to claim 13, characterized in that the one forming the second mixture Fuel and the oxidant have a volume corresponding about 2 to 20% of the volume of the fuel and oxides has in the first mixture.