DE19628960A1 - Temperaturmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Flammentemperaturmessung, wie sie im Oberbe­ griff des ersten Anspruchs beschrieben ist.

STAND DER TECHNIK

Seit Beginn der Forschung auf dem Gebiet der Verbrennungstechnik, kommt der Bestimmung der Flammentemperatur ein hoher Stellenwert zu. Die Flammentem­ peratur ist bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ein Schlüsselparameter, da sie direkt mit der chemischen Reaktionskinetik und der Bildung von Schadstoffen, wie beispielsweise NO_x korreliert. Darüber hinaus ist die Kenntnis der Energie­ freisetzung während des Verbrennungsprozesses unentbehrlich für die Ausle­ gung von Brennkammern und die Bestimmung von mechanischen und thermi­ schen Beanspruchungen aller beteiligten Komponenten.

Derzeit existiert eine Vielzahl von Techniken für die Messung von Flammentem­ peraturen. Dabei stellen die extremen Einsatzbedingungen allerdings eine große Herausforderung an die Temperatursensoren dar, so daß nicht ohne weiteres je­ der unter sauberen Laborbedingungen erprobte Temperatursensor Anwendung in einer Industriebrennkammer finden kann.

Grob können die heute gängigen Temperaturmeßtechniken in zwei Kategorien eingeteilt werden; bei den einen gelangen nicht optische Temperatursensoren zum Einsatz und bei den anderen optische.

Zu den nichtoptischen Temperaturmeßvorrichtungen zählen die Punktsensoren, die beispielsweise Thermoelemente umfassen. Sie bieten eine einfache und preiswerte Möglichkeit der Temperaturbestimmung an diskreten Punkten, müssen allerdings in unmittelbarer Nähe zur Flamme installiert sein, und nehmen damit Einfluß auf die Flamme. Desweiteren sind Thermoelemente aufgrund ihrer Zer­ brechlichkeit nur eingeschränkt in einer turbulenten Hochtemperaturumgebung einsetzbar, in welcher zusätzlich noch chemische Oberflächenreaktionen die Thermoelemente beeinträchtigen.

Insbesondere seit Bekanntwerden der Lasertechnologie wurden zahlreiche opti­ sche Temperaturmeßvorrichtungen entwickelt. Hierunter fallen unter anderem Absorptions- und Fluoreszenztechniken, sowie verschiedene Meßtechnik, die sich des Laserstreulichts bedienen. Den genannten optischen Meßverfahren ist gemeinsam, daß sie eine Lichtquelle, einen Laser, benötigen. Sie sind damit aktiver Natur, nehmen aber im Gegensatz zu den Thermoelementen keinen Einfluß auf die Flamme. Diese Verfahren schließen unter Berücksichtigung des emittierten Lichtes der Quelle und des Meßvolumens auf die Temperatur einer Flamme.

Eine bekannte optische, nicht aktive Temperaturmessung wird mittels Pyrometrie durchgeführt, wobei die von in der Flamme enthaltenen Rußteilchen emittierte Schwarzkörperstrahlung ausgenützt wird. Problematisch ist allerdings die Anwen­ dung pyrometrischer Temperaturmeßsysteme an Flammen aus gasförmigen Brennstoffen. Aufgrund des sehr geringen Rußgehalts ist hier das optische Signal sehr schwach. Bei der Signalanalyse kommt erschwerend hinzu, daß das temperatur- und wellenlängenabhängige Emissionsvermögen der strahlenden Rußteilchen nur ungefähr bekannt ist, was in Verbindung mit unerwünschten Absorptionseffekten auf dem Weg zum Detektor die Genauigkeit der Methode beeinträchtigt.

Die Installation aller bekannten, optischen Temperaturmeßvorrichtungen erfolgt in möglichst geringem Abstand zu einer Flamme. Hierfür sind die Meßsensoren entweder rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Brennstoffgemischs neben der Flammenfront in der Brennkammer angeordnet, oder sie befinden sich abström­ seitig des Brenners in einer Frontplatte, wobei die Meßsensoren schräg zur Flammenfront hin ausgerichtet sind.

Besonders nachteilig bei einer derartigen Installation ist, daß die Flamme auf­ grund thermoakustischer Schwingungen in der Brennkammer nicht an einem Fix­ punkt brennt, sondern in einem Brennkammerbereich fluktuiert. Dies hat zur Folge, daß die Temperaturbestimmung mit der beschriebenen Meßinstallation fehlerbehaftet ist, da eine einzelne Flammenebene nicht kontinuierlich erfaßt werden kann.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Temperaturmeßvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß unbeeinflußt von Brennkammerpulsationen eine genaue Temperaturmessung durchge­ führt werden kann, wobei der Meßsensor eine schnelle Messung erlauben soll ohne die Flamme zu beeinträchtigen und zudem der Meßsensor preiswert und robust ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, daß die unmittelbar stromaufwärts im Brennstoffstrom angeordneten optischen Meßsensoren, welche im wesentlichen parallel und/oder koaxial zum Brennstoffstrom ausgerichtet sind, die gesamte Flammenfront in Strömungsrichtung erfassen. Dabei nehmen die optischen Meßsensoren keinen Einfluß auf die Flamme und gleichzeitig bleibt die optische Temperaturmessung unbeeinträchtigt von lokalen Fluktuationen der Flamme auf­ grund der in einer Gasturbinenbrennkammer auftretenden thermoakustischen Druckschwingungen.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß während des Gasturbinenbetriebes eine exakte von Brennkammerpulsation unabhängige opti­ sche Flammentemperaturmessung erfolgen kann, da bei entsprechend groß ge­ wählter Apertur des optischen Sensors trotz der in Strömungsrichtung fluktuieren­ den Flamme immer die gesamte Flammenfront erfaßt wird.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn ein optischer Meßsensor innerhalb der Vormischzone eines Brenners koaxial in der Brennstoffströmung angeordnet ist und eine Anzahl weiterer optischer Meßsensoren parallel zur Brennstoffströmung in der Brennerwand angeordnet sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darge­ stellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brenner mit angrenzender Brenn­ kammer;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Brenners gemäß der Linie B-B in Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die an die Meßsensoren angeschlossenen Auswerteeinheit zur Bestimmung der Flammentemperatur aus den erfaßten opti­ schen Signalen.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist mit 1 ein kegelförmiger Brenner bezeichnet, wie er beispielsweise in einer Gasturbine Anwendung findet. Der Brenner 1 wird an einer Seite über eine Brennstoffleitung 4 mit Brennstoff und über eine Luftleitung 10 mit Verbrennungs­ luft versorgt. Brennstoff und Verbrennungsluft werden dem Brenner 1 in einer Strömungsrichtung 5 durch separate Leitungen zugeführt und in einer Vormisch­ zone 3 werden anschließend der Brennstoff und die Verbrennungsluft möglichst gleichmäßig miteinander vermischt. Stromabwärts schließt der Brenner 1 mit einer Frontplatte 9 ab. Die Frontplatte 1 ist Bestandteil eines Flammrohres 2, wel­ ches desweiteren von einer Brennkammerwand 6 begrenzt wird. In dem Flamm­ rohr 2 brennt abströmseitig der Vormischzone 3 eine Flamme 8.

Zur optischen Temperaturmessung sind im Brenner 1 und in der an ihn ange­ schlossenen Brennstoffleitung 4 Meßsensoren 7 angeordnet. Die Meßsensoren 7 sind zum einen im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 5 des Brennstoffs in der Vormischzone 3 installiert, oder befinden sich zum anderen im Zentrum der Brennstoffleitung 4. Die in den Meßsensoren sind alle zur Flammenfront 8 hin ausgerichtet. Die numerische Apertur des Meßsensors 7 wird so groß gewählt, daß ein kegelförmiges Beobachtungsvolumen eröffnet wird, welches die für den Verbrennungsprozeß relevanten Bereiche der Flammenfront beinhaltet. Für die Temperaturbestimmung wird die Flammenfront 8 von ihrer Anströmseite her mit den Meßsensoren 7 betrachtet. Fluktuiert die Flamme 8 aufgrund thermoakusti­ scher Brennkammerpulsationen in einer zur Strömungsrichtung 5 senkrechten Ebene, so bleibt die optische Temperaturmessung davon weitgehend unbeeinflußt. Von den Meßsensoren 7 wird nämlich trotz der genannten Fluktuationen immer die gesamte Flammenfront 8 erfaßt oder entsprechend der Anordnung eines in der Vormischzone 3 installierten Meßsensors 7 immer der gleiche Flam­ menausschnitt.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Meßsensoren 7 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in Fig. 1. Zu erkennen ist hier, daß ein Meßsensor 7 im Zentrum der Brennstoffleitung 4 angeordnet ist, während sechs weitere Meßsensoren 7 radial beabstandet die Brennstoffleitung 4 umgeben. Jeder Meßsensor 7 umfaßt dabei eine Anzahl Glasfibern 11, von denen jeder als Meßaufnehmer fungiert. Die Anzahl der installierten Meßsensoren 7 in einem Brenner ist allerdings nicht von Belang. So ist erfindungsgemäß denkbar, lediglich einen Meßsensor 7 im Zentrum der Brennstoffleitung 4 anzuordnen, wobei dieser Meßsensor 7 mit einer Glasfiber 11 oder aus Redundanzzwecken mit mehreren Glasfibern 11 ausgestat­ tet ist. Dementsprechend ist auch eine ausschließliche Lösung mit den die Brennstoffleitung 4 umgebenden Meßsensoren 7 denkbar. Die Anzahl der ver­ wendeten Meßsensoren 7 ist genauso wie die Anzahl der in ihnen angeordneten Glasfibern 11 dem Bedarf anzupassen.

Das maßgebliche Installationskriterium für die Meßsensoren 7 ist ihre Anordnung direkt stromaufwärts der Flammenfront 8. Nur in dieser Position ist eine optische Temperaturmessung weitgehend unabhängig von möglichen Flammenbewegun­ gen durchführbar und gewährleistet somit eine größtmögliche Stabilität der Sen­ sorsignale.

Zur Auswertung der aufgenommenen Signale, sind die Meßsensoren 7 beispiels­ weise mit einem geeigneten, hier nicht dargestellten Spektrometer verbunden. Mit bekannten Verfahren wird dann eine Spektralanalyse durchgeführt, die eine Zu­ ordnung zwischen der Spektralanalyse und der Flammentemperatur erlauben. Ebenso sind mittels der erfindungsgemäßen Anordnung bekannte Absorptions- und Fluoreszenztechniken zur Bestimmung der Flammentemperatur anwendbar.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist erfindungsgemäß denkbar, die Messen­ soren parallel zur Strömungsrichtung verschiebbar anzuordnen, um sie bei vari­ ierenden Lastpunkten des Brenners 1 der zugehörigen Flammenebene anzuglei­ chen. Im gleichen Sinn ist auch eine Einstellvorrichtung des Neigungswinkels bezüglich der Brennerachse für die innerhalb der Vormischzone installierten Mes­ sensoren 7 denkbar.

Bezugszeichenliste

1 Brenner
2 Flammrohr
3 Vormischzone
4 Brennstoffleitung
5 Strömungsrichtung
6 Brennkammerwand
7 Meßsensor
8 Flammenfront
9 Frontplatte
10 Luftleitung
11 Glasfaser

Claims (4)

1. Temperaturmeßvorrichtung, insbesondere für die Flammentemperaturmes­ sung in einer Gasturbinenbrennkammer, wobei die Temperaturmeßvorrichtung eine Anzahl optischer Meßsensoren (7) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl optischer Meßsensoren (7) unmittelbar stromaufwärts einer Flammenfront (8) in einer Vormischzone (3) eines Brenners (1) angeordnet ist und dabei jeder optische Meßsensor (7) im wesentlichen parallel und/oder koaxial zu einer in die Gasturbinenbrennkammer geführten Brennstoffströ­ mung (5) ausgerichtet ist.

2. Temperaturmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßsensor (7) eine Anzahl Glasfasern (11) umfaßt, die zu einem Bündel zusammengefaßt sind.

3. Temperaturmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von optischen Meßsensoren (7) in der die Vormischzone (3) begrenzenden Wand des Brenners (1) angeordnet sind.

4. Temperaturmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Meßsensor (7) an der in die Vormischzone (3) hineinra­ genden Brennstoffleitung (4) angeordnet ist.