AT519720B1

AT519720B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen und/oder eines Zündprozesses

Info

Publication number: AT519720B1
Application number: ATA50160/2017A
Authority: AT
Inventors: Louis Michel Giuliani Dipl Ing Dr Techn Fabrice; Ivo Andracher Dipl Ing Lukas (Fh)
Original assignee: Fh Joanneum Gmbh; Comb Bay One E U
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2021-10-15
Also published as: AT519720A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für kontrollierte Verbrennungsvorgänge, beispielsweise in einer Gasturbine, wobei eine Brennkammer und eine Mehrzahl an Sonden (1) zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen und/oder eines Zündprozesses, insbesondere in einer Gasturbine, vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Sonden (1) der Mehrzahl an Sonden (1) jeweils zumindest einen Lichtsensor (2) und zumindest einen Drucksensor (3) aufweisen und eine Rechnereinheit vorgesehen ist, welche mittels Lichtsensor (2) und Drucksensor (3) aufgenommene Signale (17, 18) korreliert. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen mittels einer solchen Sonde (1), wobei mit jeweils einer Sonde (1), aufweisend einen Lichtsensor (2) und einen Drucksensor (3), mindestens zwei Signale (17, 18) einer Flamme, insbesondere ein optisches Signal (18) und ein akustisches Signal (17), ortsgleich, insbesondere zeit- und ortsgleich, gemessen werden.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG VON VERBRENNUNGSVORGÄNGEN UND/ODER EINES ZUNDPROZESSES

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für kontrollierte Verbrennungsvorgänge, beispielsweise in einer Gasturbine, wobei eine Brennkammer und eine Mehrzahl an Sonden zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen und/oder eines Zündprozesses, insbesondere in einer Gasturbine, vorgesehen sind.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen und/oder eines Zündprozesses, insbesondere in einer Gasturbine, wobei mit jeweils einer Sonde, aufweisend einen Lichtsensor und einen Drucksensor, mindestens zwei Signale einer Flamme, insbesondere ein optisches Signal und ein akustisches Signal, ortsgleich, insbesondere zeit- und ortsgleich, gemessen werden.

[0003] Vorrichtungen zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere werden zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen Systeme mit Licht- und/oder Drucksensoren verwendet. Nachteilig ist bei solchen Systemen, dass nicht auszuschließen ist, dass ein optisches bzw. akustisches Signal, welches auf eine Verbrennungsinstabilität hindeutet, anderen Ursprungs ist und nicht von der Flamme selbst kommt.

[0004] In der EP 1 923 633 A2 ist eine Vorrichtung zur Kontrolle einer Verbrennung mit einem Drucksensor und einem Flammensensor offenbart.

[0005] Die US 5,544,478 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen und zur Diagnosestellung von Verbrennungsdynamiken in einer Gasturbine.

[0006] Die DE 10 2006 015 230 A1 offenbart eine Brennkammer mit zumindest zwei Brennern. Jeder Brenner umfasst dabei eine optische Messeinrichtung. Darüber hinaus ist in der Brennkammer ein Drucksensor angeordnet.

[0007] In der DE 20 2009 012 111 U1 ist eine kombinierte Feuerraumsonde zur Flammenvisualisierung und Schwingungserfassung offenbart, in welcher optische Bilderfassungssensoren und akustische Sensoren gemeinsam angeordnet sind.

[0008] Die KR 1020130046879 A offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung von Verbrennungsinstabilitäten, welche einen Lichtsensor und einen Drucksensor umfasst.

[0009] In der DE 10 2007 032 760 A1 ist eine Heißgaskammervorrichtung offenbart, welche zur Überwachung eines Brennvorganges mit einem optischen Sensor und/oder einem Drucksensor ausgebildet ist.

[0010] Die US 2014/0260309 A1 offenbart ein System zur Kraftstoffmischung und -zufuhr in Gasturbinen, wobei mehrere Sensoren zur Überwachung der Kraftstoffzufuhr und eines Verbrennungsprozesses vorgesehen sind.

[0011] Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen können demnach Informationen über eine Flamme bzw. Verbrennung, insbesondere mittels Druck- und/oder Lichtsensoren, gesammelt werden. Allerdings weisen diese Vorrichtungen den gemeinsamen Nachteil auf, dass zwischen einem Artefakt und einer tatsächlichen Verbrennungsinstabilität nicht unterschieden werden kann.

[0012] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher zwischen einer Verbrennungsinstabilität und einem Artefakt unterschieden bzw. ein Prozess einer pulsierten Verbrennung überwacht werden kann.

[0013] Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem zwischen einer Verbrennungsinstabilität und einem Artefakt unterschieden bzw. ein Prozess einer pulsierten Verbrennung überwacht werden kann.

[0014] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Sonden der Mehrzahl der Sonden jeweils zumindest einen Lichtsensor und zumindest einen Drucksensor aufweisen und eine Rechnereinheit vorgesehen ist, welche mittels Lichtsensor und Drucksensor aufgenommene Signale korreliert.

[0015] Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Anordnung eines Lichtsensors und eines Drucksensors in einer Sonde eine zeit- sowie ortsgleiche und insbesondere eine punktuelle Messung erfolgen kann. Darüber hinaus kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gleichzeitige Uberwachung von Präsenz und/oder Leistung und/oder Stabilität einer Flamme erfolgen. Eine Überwachung von zwei oder mehr dieser Parameter kann mit Vorteil zur gleichen Zeit erfolgen. Zudem ist durch die Mehrzahl an Sonden eine Überwachung eines Zündvorganges, insbesondere einer Flammenausbreitung während des Zündvorganges, möglich.

[0016] Es ist günstig, wenn bei der Mehrzahl an Sonden die Aufnahmebereiche des zumindest einen Lichtsensors und des zumindest einen Drucksensors zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, überlappen. Dadurch können insbesondere vom gleichen Ort herrührende optische sowie akustische Signale aufgenommen werden.

[0017] Ein weiterer Vorteil ist gegeben, wenn bei der Mehrzahl an Sonden zumindest eine Halterung vorgesehen ist, insbesondere zumindest eine Leiterplatte, wobei Stromkreise für einen Lichtsensor und/oder einen Drucksensor auf der zumindest einen Halterung positioniert sind. Besonders bevorzugt sind die Stromkreise für Lichtsensor und Drucksensor zumindest teilweise auf derselben Halterung positioniert. Darüber hinaus können Lichtsensor und Drucksensor auf derselben Halterung positioniert sein. Eine solche Anordnung ermöglicht eine kompakte und robuste Konstruktion, insbesondere mit einem Sondendurchmesser, der 15 mm nicht übersteigt, vorzugsweise mit einem Sondendurchmesser zwischen 2 mm und 10 mm, besonders bevorzugt mit einem Sondendurchmesser von etwa 6 mm.

[0018] Um ein von einer Flamme herrührendes optisches Signal zu messen und um sicherzustellen, dass die Vorrichtung Instabilitäten der Verbrennung bzw. den eigentlichen Zündvorgang überwachen kann, ist es günstig, wenn bei der Mehrzahl an Sonden ein Lichtleiter vorgesehen ist, über den Licht einer Flamme zum Lichtsensor leitbar ist. Ein Lichtleiter kann hierbei beispielsweise ein Fluid, insbesondere ein zugeführter Treibstoff, oder ein Lichtwellenleiter, beispielsweise aus zumindest einer optischen Faser oder zumindest einer Glasfaser, sein. Ein damit erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass ein insbesondere temperaturempfindlicher Lichtsensor in einem Bereich geringerer Temperaturen positioniert sein kann.

[0019] Um einen einfachen Aufbau sowie einen besonders sensitiven Lichtsensor bereitzustellen, ist es günstig, wenn bei der Mehrzahl an Sonden ein Stromkreis für den Lichtsensor eine Wendeschaltung mit einer Fotodiode und einem Widerstand ist.

[0020] Um eine Signalverstärkung zu ermöglichen kann es von Vorteil sein, wenn bei der Mehrzahl an Sonden ein Stromkreis für den Lichtsensor ein Transimpedanzverstärker ist.

[0021] Vorteilhaft ist es, wenn bei der Mehrzahl an Sonden ein Hohlkörper vorgesehen ist, wobei der Lichtsensor und der Drucksensor zumindest teilweise in diesem positioniert sind. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht. Weiter ist dadurch eine zeit- sowie ortsgleiche Messung möglich.

[0022] Um dem Lichtsensor einen optischen Zugang zur Flamme zu gewähren und gleichzeitig einen insbesondere unkontrollierten Fluidaustausch zwischen dem Inneren des Hohlkörpers und seiner Umgebung, beispielsweise dem Inneren einer Brennkammer oder einer Treibstoffzufuhr, zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn bei der Mehrzahl an Sonden der Hohlkörper mit zumindest einem verschlossenen Ende und zumindest teilweise aus einem transparenten und hitzebeständigen Material ausgebildet ist.

[0023] Weiter ist es günstig, wenn bei der Mehrzahl an Sonden die Halterung den Hohlkörper in zwei Bereiche unterteilt. Dadurch können die Halterung sowie die darauf positionierten Sensoren

von einem Kühlmittel umströmt werden. Besonders bevorzugt ist die Halterung, beispielsweise eine Leiterplatte, mittig im Hohlkörper angeordnet. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Halterung über einen Großteil des Hohlkörpers.

[0024] Es ist weiter zweckmäßig, wenn bei der Mehrzahl an Sonden auf einer Seite der Halterung ein Einlass und auf einer gegenüberliegenden Seite der Halterung ein Auslass für ein Kühlmittel zur Umströmung der Halterung vorgesehen ist. Somit ist im Betriebszustand ein Kühlmittel zur Kühlung der Sensoren um die Halterung führbar. Durch eine effiziente Kühlung kann die Mehrzahl an Sonden in direkter Sichtlinie zur Flamme positioniert sein. Besonders bevorzugt umströmt das Kühlmittel die Halterung an zumindest einem verschlossenen Ende des Hohlkörpers.

[0025] Zur Analyse der aufgenommenen Signale ist erfindungsgemäß eine Rechnereinheit vorgesehen, welche mittels Lichtsensor und Drucksensor aufgenommene Signale korreliert. Durch eine solche Korrelation kann sichergestellt werden, ob die vom Signal kommenden Muster mit einer Verbrennungsinstabilität zu tun haben oder Artefakte sind.

[0026] Es kann weiter vorgesehen sein, dass bei der Mehrzahl an Sonden eine Summenschaltung vorgesehen ist, welche mittels Lichtsensor und Drucksensor aufgenommene Signale korreliert. Hierbei kann eine solche Summenschaltung einen Betriebszustand melden, beispielsweise ob eine Verbrennungsinstabilität entstehen kann oder nicht. Vorteilhaft ist dabei, dass in weiterer Folge lediglich ein Ausgangssignal analysiert werden muss.

[0027] Um eine zuverlässige und genaue Messung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Sonde innerhalb der Verbrennungskammer positioniert ist.

[0028] Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Sonde außerhalb der Verbrennungskammer positioniert ist, wodurch die zumindest eine Sonde nur einem Bereich geringerer Temperatur ausgesetzt ist.

[0029] Ein weiteres Ziel der Erfindung wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass eine Mehrzahl optischer Signale und/oder akustischer Signale gemessen wird, wobei eine Mehrzahl an ortsverschieden positionierten Sonden verwendet wird, wobei die mittels Lichtsensor und Drucksensor aufgenommenen Signale mittels Rechnereinheit korreliert werden.

[0030] Um temperaturempfindliche Teile, insbesondere eine Fotodiode, zu schützen und dadurch eine Lebenserwartung der Sonden zu verlängern, ist es vorteilhaft, wenn die Sonden auf eine geringere Temperatur als 125 °C, insbesondere auf eine geringere Temperatur als 85 °C gekühlt werden.

[0031] Es ist zweckmäßig, wenn analoge Signale mittels eines Lichtsensors und/oder eines Drucksensors aufgenommen werden und mittels A/D-Wandler in digitale Signale umgewandelt werden. In weitere Folge können Signale von einer Rechnereinheit analysiert werden.

[0032] Zur Analyse der Signale ist es weiter vorteilhaft, wenn die mittels Lichtsensor und Drucksensor aufgenommenen Signale mittels Summenschaltung korreliert werden. Um zur Analyse die aufgenommenen Signale in Frequenzanteile zu zerlegen, ist eine sogenannte schnelle FourierTransformation (FFT) zweckmäßig.

[0033] Erfindungsgemäß wird die Mehrzahl an Sonden verwendet, um die Mehrzahl optischer und/oder akustischer Signale zu messen. Hierbei erfolgt eine Messung mit der Mehrzahl an Sonden, welche an verschiedenen Orten positioniert sind. Dadurch kann eine Ausbreitung einer Flamme überwacht werden.

[0034] Die Erfindung wird im Weiteren detailliert erläutert. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

[0035] Fig. 1a eine schematische Darstellung einer Sonde; [0036] Fig. 19 eine alternative Ausführung einer Sonde; [0037] Fig. 1c eine weitere alternative Ausführung einer Sonde;

[0038] Fig. 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Sonde; [0039] Fig. 3a eine Wendeschaltung;

[0040] Fig. 3b eine Schaltung für einen Transimpedanzverstärker;

[0041] Fig. 3c eine alternative Schaltung für einen Transimpedanzverstärker;

[0042] Fig. 4a ein akustisches sowie optisches Signal einer Verbrennung;

[0043] Fig. 45 ein akustisches sowie optisches Signal einer Verbrennungsinstabilität; [0044] Fig. 4c ein akustisches sowie optisches Signal bei unkorreliertem Lärm;

[0045] Fig. 4d ein akustisches sowie optisches Signal einer Lichtfluktuation ohne Lärm; [0046] Fig. 5a eine Summenschaltung mit verstärkter Verbrennungsinstabilität;

[0047] Fig. 5b eine weitere Summenschaltung mit gedämpfter Verbrennungsinstabilität. [0048] Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung einer Sonde 1.

[0049] Die Sonde 1 umfasst einen Lichtsensor 2 und einen Drucksensor 3, welche an zumindest einer Halterung 4, insbesondere an einer Leiterplatte, angeordnet sind. Eine solche Halterung 4 kann aus einem Metall, beispielsweise aus Messing, ausgebildet oder die Leiterplatte selbst sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Halterung 4 den Lichtsensor 2 seitlich umschließt. Alternativ kann der Lichtsensor 2 aus der Halterung 4 hervorragen bzw. von der Halterung 4 abstehen. Zur Fixierung des Lichtsensors 2 auf bzw. an der Leiterplatte kann eine Ausnehmung in der Leiterplatte vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist ein Außendurchmesser des Lichtsensors 2 kleiner als ein Innendurchmesser der Halterung 4 bzw. der Ausnehmung in der Leiterplatte. Der Drucksensor 3 kann alternativ als Mikrofon oder Piezosensor ausgebildet sein. Die Halterung 4 ist in einem Hohlkörper 5 positioniert, sodass die Halterung 4 den Hohlkörper 5 in zwei Bereiche unterteilt. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Halterung 4 über einen Großteil des Hohlkörpers 5. Zweckmäßig ist es, wenn zwischen zumindest einem verschlossenen Ende 6 und der Halterung 4 ein Spalt bzw. Spielraum vorgesehen ist, wodurch die Bereiche des Hohlkörpers 5 verbunden sind. Vorzugsweise ist der Hohlkörper 5 als Hohlzylinder ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist der Hohlkörper 5 aus einem insbesondere hitzebeständigen Glas, beispielsweise aus einem Borosilicatglas, wie etwa Duran oder Pyrex, ausgebildet.

[0050] Ferner ist ein Einlass 7 sowie ein Auslass 8 für ein Kühlmittel vorgesehen. Ein Kühlmittel kann beispielsweise ein Gas, eine Kühlflüssigkeit oder ein zugeführter Treibstoff sein. Besonders bevorzugt sind der Einlass 7 sowie der Auslass 8 so positioniert, dass der Einlass 7 auf einer Seite der Halterung 4 sowie der Auslass 8 auf einer gegenüberliegenden Seite der Halterung 4 angeordnet ist. Es ist zweckmäßig, wenn der Hohlkörper 5 ein verschlossenes Ende 6 aufweist, insbesondere an einem dem Einlass 7 sowie dem Auslass 8 gegenüberliegenden Ende des Hohlkörpers 5, wobei das Kühlmittel die Halterung 4 an diesem verschlossenen Ende 6 umströmt. Um eine mögliche Störung der Signale durch das Kühlmittel zu vermeiden bzw. zu minimieren kann es vorgesehen sein, dass der Drucksensor 3 nahe an einem Ende der Sonde 1, beispielsweise nahe dem verschlossenen Ende 6, positioniert ist.

[0051] Fig. 1b zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Sonde 1. Hierbei können beide Enden 6 des Hohlkörpers 5 verschlossen sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Einlass 7 sowie der Auslass 8 zwischen zwei verschlossenen Enden 6 des Hohlkörpers 5, beispielsweise mittig, positioniert ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Kühlmittel die Halterung 4 an beiden verschlossenen Enden 6 umströmt. Hierfür kann eine Trennwand 9 zwischen Einlass 7 und Auslass 8 vorgesehen sein. Zweckmäßig ist es, wenn zwischen den verschlossenen Enden 6 und der Halterung 4 jeweils ein Spalt bzw. Spielraum vorgesehen ist, wodurch die Bereiche des Hohlkörpers 5 verbunden sind.

[0052] Fig. 1c zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sonde 1, wobei Einlass 7 sowie Auslass 8 an gegenüberliegenden Seiten der Halterung 4 positioniert sein können. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Kühlmittel die Halterung 4 an beiden verschlossenen Enden 6 umströmt. Hier-

für ist es zweckmäßig, wenn zwischen den verschlossenen Enden 6 und der Halterung 4 jeweils ein Spalt bzw. Spielraum vorgesehen ist, wodurch die Bereiche des Hohlkörpers 5 verbunden sind.

[0053] Ist beispielsweise ein Ende der Sonde 1, beispielsweise jenes Ende, an welchem die Sensoren 2, 3 angeordnet sind, einer Flamme näher, so kann diese Seite heißer sein als eine andere Seite. Hierbei kann es günstig sein, wenn die Sonde 1 derart ausgebildet ist, dass das Kühlmittel die Halterung 4 an beiden Seiten umströmt, wie beispielsweise in Fig. 19 und 1c gezeigt. Dadurch kann das Kühlmittel bei einem Rückfluss über ein kühleres Ende zwischengekühlt werden, um dann beispielsweise in eine nächste Sonde 1 eingebracht zu werden. Um bei derartig aneinander gereihten Sonden 1 eine längere Wegstrecke zur Zwischenkühlung des Kühlmittels bereitzustellen, kann, beispielsweise in einer in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform, vorgesehen sein, dass, in zumindest einer Sonde 1, das Kühlmittel die Halterung 4 in einer den Pfeilen entgegengesetzten Richtung umströmt. Durch ein derartiges Thermomanagement kann eine Effizienz der Kühlung gesteigert werden.

[0054] Ein Lichtsensor 2 kann beispielsweise eine direkt an der Halterung 4 sowie im Hohlkörper 5 positionierte Fotodiode 12 sein. Zweckmäßigerweise hat der Lichtsensor 2 einen direkten oder indirekten optischen Zugang zu einer Flamme, insbesondere zu einer Pilotflamme.

[0055] Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Sonde 1, wobei ein Lichtleiter 10 vorgesehen ist, welcher teilweise im Hohlkörper 5 positioniert ist und Licht zu einem außerhalb des Hohlkörpers 5 positionierten Lichtsensor 2, beispielsweise einer Fotodiode 12 leitet. Ein damit erzielter Vorteil ist, dass ein temperaturempfindlicher Lichtsensor 2 in einem größeren Abstand zur Flamme und damit an einem kühleren Ort positioniert sein kann. Eine solche Konstruktion ermöglicht eine Sonde 1 ohne Kühlung.

[0056] Ein Lichtleiter 10 kann vorzugsweise ein Lichtwellenleiter, beispielsweise zumindest eine optische Faser oder Glasfaser, bzw. ein Fluid wie beispielsweise zugeführter Treibstoff sein.

[0057] Weiter kann vorgesehen sein, dass die Sonde 1 zur Messung spezifischer Lichtwellenlängen, beispielsweise zur Messung einer OH*- bzw. CH*-Emission, ausgebildet ist. Hierzu kann die Oberfläche des Hohlkörpers 5 zumindest teilweise, insbesondere an einem verschlossenen Ende 6, zweckmäßigerweise im Bereich des Lichtsensors 2, mit einem optischen Filter, beispielsweise mit Silber, beschichtet sein, sodass der Hohlkörper 5 bzw. das verschlossene Ende 6 lediglich für einen bestimmten Lichtwellenlängenbereich, beispielsweise für UV-Strahlung, transparent ist. Alternativ kann der optische Filter im Strahlengang an jeder beliebigen Position vor dem Lichtsensor 2 angeordnet sein.

[0058] Fig. 3a zeigt eine Wendeschaltung 11, aufweisend eine Fotodiode 12 und einen Widerstand 13. Alternativ kann auch eine Wheatstone-Brücke mit zwei gleichen Widerständen 13 und zwei gleichen Fotodioden 12 oder eine Wheatstone-Brücke mit drei gleichen Widerständen 13 und einer Fotodiode 12 vorgesehen sein. Die sensitivste und damit bevorzugte Variante ist allerdings die in Fig. 3a dargestellte Wendeschaltung 11. Als weitere Alternative kann auch ein Transimpedanzverstärker 16 vorgesehen sein.

[0059] Fig. 3b zeigt eine einfache Schaltung für einen Transimpedanzverstärker 16 zur Signalverstärkung bzw. Signalaufbereitung, aufweisend eine Fotodiode 12, einen Widerstand 13 und einen Operationsverstärker 14. Eine solche Schaltung kann als Alternative zur Wendeschaltung 11 vorgesehen sein.

[0060] Eine weitere Variante eines Transimpedanzverstärkers 16 ist in Fig. 3c gezeigt. Diese Schaltung weist zusätzlich zum Operationsverstärker 14 und zur Fotodiode 12 zwei Kondensatoren 15 und zwei Widerstände 13 auf. Eine solche Schaltung kann in verschiedenen Varianten vorgesehen sein, beispielsweise mit einer unterschiedlichen Anzahl an Kondensatoren 15 und/ oder Widerständen 13.

[0061] Fig. 4a zeigt ein akustisches Signal 17 sowie ein optisches Signal 18 einer Sonde 1 einer Flamme im Normalbetrieb. Hierbei melden die Sensoren 2, 3 ein stochastisches Geräusch, da

die Flamme turbulent ist. Ein Kurvenverlauf zeigt keine erkennbare Periodizität. Eine Amplitude der Signale 17, 18 zeigt an, ob eine Flamme existiert.

[0062] Fig. 4b zeigt ein akustisches sowie ein optisches Signal 17, 18 wobei beide Kurvenverläufe eine Periodizität bei der gleichen Frequenz melden. Eine solche Korrelation ist ein Indikator dafür, dass die Quelle des Lärms und der Lichtintensitätsfluktuation die Flamme selbst ist, weshalb darauf geschlossen werden kann, dass eine Verbrennungsinstabilität oder eine effektive, pulsierte Verbrennung vorliegt.

[0063] Fig. 4c zeigt eine Periodizität im akustischen Signal 17 ohne entsprechende Periodizität im optischen Signal 18. Das bedeutet, dass der Lärm von einer anderen Quelle als der Flamme herrührt. Es ist denkbar, dass der Lärm seinen Ursprung beispielsweise in einer Luftströmung in einer unmittelbaren Nähe der Sonde 1 hat.

[0064] Fig. 4d zeigt eine Fluktuation im optischen Signal 18 ohne entsprechender Fluktuation im akustischen Signal 17. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Flamme flackert oder ein Brenner einer Fehlfunktion unterliegt.

[0065] Fig. 5a und b zeigen eine alternative Ausführungsform einer Sonde 1, wobei die Sonde 1 zur Messung des Rayleigh-Kriteriums aus der Thermoakustik ausgebildet ist. Hierbei wird ein akustisches Signal 17 mit einem optischen Signal 18 mittels einer Summenschaltung 19, bevorzugt zu einem Ausgangssignal 20, korreliert. Das Ausgangssignal 20 kann darauf hindeuten, ob eine Verbrennungsinstabilität entstehen kann oder nicht. Ein Vorteil einer solchen Konstruktion ist, dass es lediglich ein Ausgangssignal 20 zu analysieren gibt.

[0066] Fig. 5a zeigt eine Situation in der die Verbrennungsstabilität eher verstärkt wird, wobei ein Phasenunterschied zwischen dem akustischen Signal 17 und dem optischen Signal 18 klein ist.

[0067] Fig. 5b zeigt eine Situation in der die Verbrennungsinstabilität eher gedämpft wird, wobei ein Phasenunterschied zwischen dem akustischen Signal 17 und dem optischen Signal 18 groß ist.

[0068] Zur erfindungsgemäßen Überwachung eines Verbrennungsvorgangs und/oder eines Zündvorgangs ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Sonde 1 im Bereich einer Treibstoffzufuhr und/oder innerhalb einer Brennkammer positioniert ist.

[0069] Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Sonde 1 außerhalb der Brennkammer, beispielsweise auf einem Druckgehäuse positioniert ist.

[0070] Zusätzlich kann in der Sonde 1 ein Thermometer und/oder ein Beschleunigungsmesser vorgesehen sein.

[0071] Darüber hinaus ermöglicht eine Anordnung einer Mehrzahl an Sonden 1 innerhalb oder außerhalb der Brennkammer eine Uberwachung bzw. Beobachtung einer Flammenausbreitung. Weiter kann mit zumindest zwei Sonden 1, die auf OH*- und CH*-Strahlung eingestellt sind, eine Flammenqualität analysiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung für kontrollierte Verbrennungsvorgänge, beispielsweise in einer Gasturbine, wobei eine Brennkammer und eine Mehrzahl an Sonden (1) zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen und/oder eines Zündprozesses, insbesondere in einer Gasturbine, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (1) der Mehrzahl an Sonden (1) jeweils zumindest einen Lichtsensor (2) und zumindest einen Drucksensor (3) aufweisen und eine Rechnereinheit vorgesehen ist, welche mittels Lichtsensor (2) und Drucksensor (3) aufgenommene Signale (17, 18) korreliert.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) Aufnahmebereiche des zumindest einen Lichtsensors (2) und des zumindest einen Drucksensors (3) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, überlappen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) zumindest eine Halterung (4) vorgesehen ist, insbesondere zumindest eine Leiterplatte, wobei Stromkreise für einen Lichtsensor (2) und/oder einen Drucksensor (3) auf der zumindest einen Halterung (4) positioniert sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) ein Lichtleiter (10) vorgesehen ist, über den Licht einer Flamme zum Lichtsensor (2) leitbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) ein Stromkreis für den Lichtsensor (2) eine Wendeschaltung (11) mit einer Fotodiode (12) und einem Widerstand (13) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) ein Stromkreis für den Lichtsensor (2) ein Transimpedanzverstärker (16) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) ein Hohlkörper (5) vorgesehen ist, wobei der Lichtsensor (2) und der Drucksensor (3) zumindest teilweise in diesem positioniert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) der Hohlkörper (5) mit zumindest einem verschlossenen Ende (6) und zumindest teilweise aus einem transparenten und hitzebeständigen Material ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) die Halterung (4) den Hohlkörper (5) in zwei Bereiche unterteilt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) auf einer Seite der Halterung (4) ein Einlass (7) und auf einer gegenüberliegenden Seite der Halterung (4) ein Auslass (8) für ein Kühlmittel zur Umströmung der Halterung (4) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl an Sonden (1) eine Summenschaltung (19) vorgesehen ist, welche mittels Lichtsensor (2) und Drucksensor (3) aufgenommene Signale (17, 18) korreliert.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sonde (1) innerhalb der Brennkammer positioniert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sonde (1) außerhalb der Brennkammer positioniert ist.

14. Verfahren zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen und/oder eines Zündprozesses, insbesondere in einer Gasturbine, wobei mit jeweils einer Sonde (1), aufweisend einen Lichtsensor (2) und einen Drucksensor (3), mindestens zwei Signale (17, 18) einer Flamme, insbesondere ein optisches Signal (18) und ein akustisches Signal (17), ortsgleich, insbesondere zeit- und ortsgleich, gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehr-

zahl optischer Signale (18) und/oder akustischer Signale (17) gemessen wird, wobei eine Mehrzahl an ortsverschieden positionierten Sonden (1) verwendet wird, wobei die mittels Lichtsensor (2) und Drucksensor (3) aufgenommenen Signale (17, 18) mittels Rechnereinheit korreliert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (1) auf eine geringere Temperatur als 125 °C, insbesondere auf eine geringere Temperatur als 85 °C, gekühlt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass analoge Signale mittels eines Lichtsensors (2) und/oder eines Drucksensors (3) aufgenommen werden und mittels A/D-Wandler in digitale Signale umgewandelt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Lichtsensor (2) und Drucksensor (3) aufgenommenen Signale (17, 18) mittels Summenschaltung (19) korreliert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen