WO2005078341A1 - Vormischbrenner mit einem, einen kegelförmigen drallraum begrenzenden drallerzeuger mit sensorüberwachung - Google Patents

Vormischbrenner mit einem, einen kegelförmigen drallraum begrenzenden drallerzeuger mit sensorüberwachung Download PDF

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WO2005078341A1
WO2005078341A1 PCT/EP2005/050529 EP2005050529W WO2005078341A1 WO 2005078341 A1 WO2005078341 A1 WO 2005078341A1 EP 2005050529 W EP2005050529 W EP 2005050529W WO 2005078341 A1 WO2005078341 A1 WO 2005078341A1
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WO
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channel
burner
premix burner
burner according
hollow
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PCT/EP2005/050529
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Philipp Brunner
Jaan Hellat
Christian Oliver Paschereit
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Alstom Technology Ltd
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/022—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/20—Gas turbines

Definitions

  • the invention relates to a premix burner with a swirl generator which delimits a conical swirl chamber and which provides at least two partial cone shells which are arranged offset from one another along a burner axis, each enclose air inlet slots running along the burner axis and, in combination, have a conically widening premix burner outer contour which has a largest outer diameter that tapers axially into an area with a smallest outer diameter.
  • Premix burners of the aforementioned type are known from a large number of previously published documents, for example from EP A1 0 210462 and EP B1 0 321 809, to name just a few.
  • Premixing burners of this type are based on the general principle of operation, within a swirl generator, which is usually designed as a cone and which provides at least two partial cone shells with corresponding mutual overlap, to produce a swirl flow consisting of a fuel-air mixture, which is formed within a combustion chamber following the premix burner in the direction of flow a premixing flame which is as stable as possible is ignited. 2 B03 / 075-0
  • premix burners are preferably used for firing combustion chambers for the operation of a heat engine, especially in gas or steam turbine systems, especially since these premix burners enable the use of different fuels to form a largely homogeneous fuel-air mixture, which is ultimately under formation an aerodynamically stabilized premix flame can be ignited.
  • thermal power plants in particular gas turbine plants
  • thermal power plants is subject to high requirements with regard to their environmental compatibility, since the exhaust gases released into the atmosphere by the combustion process are subject to strict emission limit values. It is also important to optimize thermal power plants from the point of view of their efficiency, with which they are able to convert energy into electrical energy, and if possible in the entire spectrum of their performance range.
  • the aim should therefore be to actively monitor the entire combustion process and to adapt the control variables influencing the combustion process, such as fuel and air supply, to the changes that may be currently occurring.
  • this requires a large number of sensors that record the operating behavior of the burner, which makes the burner arrangement arbitrarily complicated and ultimately costly to manufacture, since it is important to record burner operating variables such as fuel and air supply, flame temperature, the occurrence of thermoacoustic vibrations and surface temperatures to get as complete a picture as possible of the current burner situation. 4 B03 / 075-0
  • the invention is based on the object of a premix burner with a swirl generator which delimits a conical swirl chamber and which provides at least two partial cone shells which are arranged offset from one another along a burner axis, each enclose air inlet slots running longitudinally to the burner axis and in combination have a conically widening premix burner outer contour , which has a largest outside diameter that tapers axially into an area with a smallest outside diameter, in such a way that the integration of differently designed sensor units into the housing of the premix burner is possible with the least possible design effort.
  • it is necessary to take precautions on the premix burner by means of which an adaptation of a wide variety of sensor units can be implemented easily and without great service expenditure.
  • the measures to be taken should also be able to be carried out on premix burners that are already in use, so that it is possible to retrofit suitable sensor units on premix burners that are in operation.
  • a premix burner is designed in such a way that at least one partial cone shell in the area between the largest and smallest outside diameter provides a receiving unit which deviates from the conically widening outer premix burner contour and radially outwards locally increases the premix burner outer contour, with a maximum radial extension. which is smaller than the largest half outer diameter of the premix burner outer contour.
  • Premix burner in the axial direction has a corresponding connection flange with a combustion chamber, at least the premix burner being surrounded by a housing which encloses a flow space in which the premix burner is supplied with supply air.
  • the housing usually has a corresponding lockable mounting opening through which the premix burner can be mounted axially on the combustion chamber housing.
  • the receiving unit designed according to the invention does not in any way impair the axial mountability of the premix burner due to its outer compact shape and also offers the implementation of a sensor unit.
  • the receiving unit has at least one hollow channel, with at least one channel opening facing away from the swirl space, through which the sensor unit can be implemented in the receiving unit, the hollow channel having a longitudinal channel extension which runs essentially parallel to the burner axis.
  • the longitudinal duct extension parallel to the burner axis enables the implementation of corresponding sensor units coaxial to the burner axis, which means that a premix burner equipped with corresponding sensor units does not have any components whose maximum radial extension exceeds the maximum outer diameter of the premix burner housing, so that in this case too, the entire premix burner can be mounted axially preserved.
  • 1 is a schematic representation of a longitudinal section through a premix burner, 6 B03 / 075-0
  • FIG. 2 cross-sectional view through a premix burner
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view through a premix burner designed according to the invention, which has a conical swirl chamber 1 which is delimited by two partial cone shells 2, 3.
  • the partial cone shells 2, 3 are arranged offset with respect to a burner axis A (see here the cross-sectional view according to FIG. 2) and mutually enclose air inlet slots 4.
  • the two partial cone shells 2, 3 have a premix burner outer contour, which at the location of the burner outlet 5 has a largest outer diameter A max , which tapers axially and provides a region 6 with a smallest outer diameter Am, in which a central burner nozzle arrangement (usually not shown) can be positioned.
  • a max the largest outer diameter
  • Am a central burner nozzle arrangement
  • a receiving unit 7 is provided for each partial cone shell 2, 3, which is firmly attached to the outer wall of the respective partial cone shells 2, 3.
  • the receiving unit 7 has a maximum radial extent R ⁇ x which is smaller or significantly smaller than half the maximum outer diameter A max . This ensures that the premix burner unit can be passed unhindered axially through assembly openings that only have an assembly diameter that is insignificantly larger than the maximum outer diameter A m _ x .
  • the receiving unit 7 according to the exemplary embodiment in FIGS. 1 and 2 is designed as a separate component which can be added to the outer wall of the respective partial cone shell 2, 3 in the form of a retrofit kit. Of course, it is possible to connect the receiving unit 7 in one piece with the partial cone shell during manufacture. 7 B03 / 075-0
  • support flanks 11 are attached to the outer housing of the premix burner, which likewise do not exceed the maximum outer diameter Ama X.
  • the receiving unit 7 has at least one hollow channel 8, the longitudinal channel extension of which is oriented parallel to the burner axis A.
  • the hollow channel 8 also has a first channel opening 9, which is open axially outwards and allows an axially directed insertion option for a correspondingly designed sensor unit which is adapted to the rod shape of the hollow channel 8.
  • the inner contour of the hollow channel 8 can be designed as desired.
  • the hollow duct 8 opens directly into the swirl chamber 1 via a second duct opening 10.
  • the hollow duct 8 can have different internal contours depending on the sensor type used. All hollow channel designs, however, have in common that they have an orientation which is coparallel to the burner axis A and which enables an axially directed fitting with corresponding sensor units.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through the premix burner shown in FIG. 1.
  • the cross-sectional view shows that in addition to the hollow channel 8 designed as the main channel, the receiving unit 7 is penetrated by two further hollow channels 8 ', into which corresponding sensor units can also be inserted.
  • the distance between the receiving unit 7 and the shell end edge 20 is just twice as much 8 B03 / 075-0 large to choose, such as the maximum radial elevation of the mounting unit 7 over the top of the partial cone shell.
  • the surface contour of the receiving unit 7 should also be designed to be as aerodynamic as possible.
  • FIGS. 3a to d show alternative forms of construction of differently designed hollow channels, which are adapted for different sensor types in each case.
  • the 3a has a hollow channel 8, which essentially provides two channel sections 12 and 12 * of different dimensions, the channel section 12 having a larger cross section preferably being suitable for use with a microphone sensor 13.
  • the channel section 12 opens directly into the swirl chamber 1 via a channel section 12 ′ with a smaller diameter, via which pressure fluctuations can be transmitted, for example, as initiated by the formation of thermoacoustic vibrations in the interior of the combustion chamber.
  • the receiving unit 7 provides a flushing channel 14, via which cooling air can be fed into the hollow channel 8 in order to avoid overheating of the microphone sensor unit 13. If cooling air is introduced from outside through the flushing channel 14 into the hollow channel 8 in the region of the channel section 12 ′, the cooling air prevents the entry of hot gases into the hollow channel 8 through the channel opening 10 and in this way serves the sensor unit against overheating.
  • the hollow channel 8 is designed with a constant inner diameter for the introduction of an optical flame sensor 15.
  • the optical flame sensor 15 has an observation angle range 16 which is limited on the one hand by the exit aperture of the optical flame sensor 15 and on the other hand by the channel opening 10 which increases the viewing angle.
  • a flushing channel 14 is used for the supply of corresponding cooling air.
  • the flushing channel 14 is provided in the immediate vicinity of the channel opening 10, around the front aperture area of the 9 B03 / 075-0
  • 3c has a double channel guide 8, 8 ', the hollow channels 8, 8' designed as blind holes running parallel to the burner axis A. Both hollow channels 8, 8 ' also have channel sections 17, 17' running perpendicular to the burner axis, the channel section 17 opening into the swirl chamber 1 and the channel section 17 'opening into the atmosphere surrounding the premix burner. With the aid of the hollow channel formation shown in FIG. 3c, it is possible to carry out a differential pressure measurement.
  • the differential pressure measurement essentially serves to determine the air flow through the burner. It is thus possible to determine non-uniformities in the air distribution within the gas turbine housing and / or non-uniformities in the flow characteristics from burner to burner, provided that it is a multiple burner arrangement. If differential pressure measurements are carried out on several cone shells of a burner, the non-uniformity of the air flow within a single burner can also be determined.
  • FIG. 3d shows a hollow channel 8 designed as a complete blind hole, into which a thermal sensor unit 18 can be inserted.
  • the sensor units described in the above exemplary embodiments can be combined as desired within a single recording unit 7, so that the largest possible number of different measurement data can be obtained from the premix burner.

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Abstract

Beschrieben wird ein Vormischbrenner mit einem, einen kegelförmigen Drallraum (1) begrenzenden Drallerzeuger, der wenigstens zwei Teilkegeischalen (2, 3) vorsieht, die längs einer Brennerachse (A) versetzt zueinander angeordnet sind, gegenseitig jeweils längs zur Brennerachse (A) verlaufende Lufteintrittsschlitze (4) einschliessen und in Kombination eine sich konisch erweiternde Vormischbrenneraussenkontur aufweisen, die einen grössten Aussendurchmesser (Amax) aufweist, der sich axialwärts verjüngt in einen Bereich mit einem kleinsten Aussendurchmesser (Amin). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Teilkegelschale (2, 3) im Bereich zwischen dem grössten und kleinsten Aussendurchmesser eine von der sich konisch erweiternde Vormischbrenneraussenkontur abweichende, die Vormischbrenneraussenkontur radial nach aussen lokal überhöhende Aufnahmeeinheit (7) vorsieht mit einer maximalen radialen Erstreckung (R max) die kleiner bemessen ist als der grösste hälftige Aussendurchmesser (Amax)der Vormischbrenneraussenkontur, und dass innerhalb der Aufnahmeeinheit (7) wenigstens ein Hohlkanal (8) vorgesehen ist, mit wenigstens einer dem Drallraum (1) abgewandten Kanalöffnung (9) sowie einer Kanallängserstreckung, die im Wesentlichen parallel zur Brennerachse (A) verläuft.

Description

1 B03/075-0
Vormischbrenner mit einem, einen kegelförmigen Drallraum begrenzenden Drallerzeuger mit Sensorüberwachung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner mit einem, einen kegelförmigen Drallraum begrenzenden Drallerzeuger, der wenigstens zwei Teilkegeischalen vorsieht, die längs einer Brennerachse versetzt zueinander angeordnet sind, gegenseitig jeweils längs zur Brennerachse verlaufende Lufteintrittsschlitze einschließen und in Kombination eine sich konisch erweiternde Vormischbrenneraussenkontur aufweisen, die einen größten Aussendurchmesser aufweist, der sich axialwärts verjüngt in einen Bereich mit einem kleinsten Aussendurchmesser.
Stand der Technik
Vormischbrenner der vorstehend genannten Gattung sind aus einer Vielzahl vorveröffentlichter Druckschriften bekannt, so bspw. aus der EP A1 0 210462 sowie der EP B1 0 321 809, um nur einige zu nennen. Vormischbrennem dieser Art liegt das allgemeine Wirkprinzip zugrunde, innerhalb eines zumeist als kegelförmig ausgebildeten Drallerzeugers, der wenigstens zwei mit entsprechend gegenseitiger Überlappung zusammengesetzte Teilkegeischalen vorsieht, eine aus einem Brennstoff-Luftgemisch bestehende Drallströmung zu erzeugen, die innerhalb einer in Strömungsrichtung dem Vormischbrenner nachfolgenden Brennkammer unter Ausbildung einer räumlich möglichst stabilen Vormischflamme zur Zündung gebracht wird. 2 B03/075-0
Ob in Einzel- oder Mehrfachanordnung, derartige Vormischbrenner werden zur Befeuerung von Brennkammern für den Betrieb einer Wärmekraftmaschine bevorzugt eingesetzt, insbesondere in Gas- oder Dampfturbinenanlagen, zumal diese Vormischbrenner den Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe zur Ausbildung eines weitgehend homogenen Brennstoff-Luftgemisches ermöglichen, das letztlich unter Ausbildung einer aerodynamisch stabilisierten Vormischflamme zur Zündung gebracht werden kann.
An den Betrieb von Wärmekraftanlagen, insbesondere von Gasturbinenanlagen, werden hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit gestellt, unterliegen doch die durch den Verbrennungsprozess in die Atmosphäre freigesetzten Abgase strengen Emissionsgrenzwerten. Zudem gilt es, Wärmekraftanlagen unter dem Gesichtspunkt ihres Wirkungsgrades, mit dem sie in der Lage zur Energieumwandlung in elektrische Energie sind, zu optimieren und dies möglichst im gesamten Spektrum ihres Leistungsbereiches.
Gegenwärtige Gasturbinenanlagen werden in an sich bekannter Weise nach einem fest vorgegebenen Betriebsmuster betrieben, das von einer begrenzten Anzahl von individuell vorgegebenen Umgebungsbedingungen abhängt. So stellen derartige Umgebungsbedingungen beispielsweise die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit sowie auch Brennstoffqualitäten dar, um nur einige zu nennen. Durch diese äußeren Einflüsse wird das Betriebsverhalten einer Gasturbinenanlage wesentlich beeinflusst. So wird unter Berücksichtigung dieser und anderer Umgebungsbedingungen vor Inbetriebnahme der Gasturbinenanlage, beispielsweise einer vorgegebenen Bauserie, ein so genanntes Betriebshandbuch bzw. „Betriebsfahrplan" erstellt, gemäß dem eine Festlegung wichtiger Regelgrößen erfolgt, durch die ein möglichst optimierter Betrieb der Gasturbinenanlage im gesamten Lastbereich gewährleisten soll. Die Regelgrößen betreffen insbesondere quantitative sowie auch qualitative Größen, die die Brennstoff- sowie auch Verbrennungsluftzufuhr der Brennereinheit regeln. 3 B03/075-0
Probleme können jedoch auftreten, sofern bereits geringste fertigungstechnische Abweichungen innerhalb einer Gasturbinenserie zu beobachten sind, die insbesondere die Brennerkomponente betreffen. Da die im Brenner eingesetzten Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine optimierte Bauform im Hinblick auf Flammenstabilität und Emissionsverhalten aufweist, können bereits geringste, den aerodynamischen Strömungsfluss beeinträchtigende Abweichungen in der konstruktiven Auslegung der Vormischbrenner beträchtliche Nachteilhafte Auswirkungen auf das Verbrennungsergebnis haben. Wird in an sich bekannter Weise der Verbrennungsprozess mit fest vorgegebenen Regelgrößen durchgeführt, die die möglicherweise fertigungsbedingt auftretenden konstruktiven Abweichungen nicht zu berücksichtigen vermögen, so führt dies unweigerlich zu einem unbefriedigenden Verbrennungsergebnis, was sich letztlich im Auftreten von Überhitzungen im Brenner oder im stromab vom Brenner gelegenen Heissgaspfad, in so genannten thermoakustischen Schwingungen und verschlechterten Emissionswerten niederschlägt. Auch tragen systembedingte Alterungserscheinungen an den einzelnen Komponenten der Gasturbinen dazu bei, dass sich das Betriebsverhalten der gesamten Gasturbinenanlage mit zunehmendem Anlagenalter verschlechtert.
Ziel sollte es daher sein, den gesamten Verbrennungsvorgang aktiv zu überwachen und die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Regelgrößen, wie Brennstoff- sowie Luftzufuhr, an die sich möglicherweise aktuell ergebenden Änderungen anzupassen. Dies jedoch setzt eine Vielzahl von das Betriebsverhalten des Brenners erfassenden Sensoren voraus, wodurch die Brenneranordnung beliebig kompliziert und letztlich kostenintensiv in der Herstellung wird, gilt es doch Brennerbetriebsgrößen wie Brennstoff- und Luftzufuhr, Flammentemperatur, das Auftreten thermoakustischer Schwingungen sowie Oberflächentemperaturen zu erfassen, um ein möglichst vollständiges Bild über die aktuelle Brennersituation zu erhalten. 4 B03/075-0
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner mit einem, einen kegelförmigen Drallraum begrenzenden Drallerzeuger, der wenigstens zwei Teilkegeischalen vorsieht, die längs einer Brennerachse versetzt zueinander angeordnet sind, gegenseitig jeweils längs zur Brennerachse verlaufende Lufteintrittsschlitze einschließen und in Kombination eine sich konisch erweiternde Vormischbrenneraußenkontur aufweisen, die einen größten Außendurchmesser aufweist, der sich axialwärts verjüngt in einen Bereich mit einem kleinsten Außendurchmesser, derart weiterzubilden, dass mit einem möglichst geringen konstruktiven Aufwand die Integration unterschiedlich ausgebildeter Sensoreinheiten in das Gehäuse des Vormischbrenners möglich ist. Insbesondere gilt es, Vorkehrungen am Vormischbrenner zu treffen, durch die eine Adaption unterschiedlichster Sensoreinheiten leicht und ohne großen servicetechnischen Aufwand implementierbar ist. Die zu treffenden Maßnahmen sollten ebenfalls an bereits im Einsatz befindlichen Vormischbrennern vornehmbar sein, so dass die Möglichkeit der Retrofitierbarkeit von geeignet ausgebildeten Sensoreinheiten an in Betrieb befindlichen Vormischbrennern möglich ist.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist ein Vormischbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass wenigstens eine Teilkegelschale im Bereich zwischen dem größten und kleinsten Außendurchmesser eine von der sich konisch erweiternde Vormischbrenneraußenkontur abweichende, die Vormischbrenneraußenkontur radial nach außen lokal überhöhende Aufnahmeeinheit vorsieht, mit einer maximalen radialen Erstreckung, die kleiner bemessen ist, als der größte hälftige Außendurchmesser der Vormischbrenneraußenkontur. Diese Forderung entspringt dem Wunsch nach einer möglichst kompakten Bauform ohne dabei die radiale Einbaubreite eines Vormischbrenners zu beeinträchtigen. So werden in vielen Fällen 5 B03/075-0
Vormischbrenner in Axialrichtung über einen entsprechenden Anschlussflansch mit einer Brennkammer verfügt, wobei zumindest der Vormischbrenner von einem Gehäuse umgeben ist, das einen Strömungsraum einschließt, in dem der Vormischbrenner mit Zuluft versorgt wird. Aus wartungstechnischen Gründen verfügt das Gehäuse zumeist über eine entsprechend abschließbare Montageöffnung, durch die der Vormischbrenner axialwärts an das Brennkammergehäuse montiert werden kann. Die erfindungsgemäß ausgebildete Aufnahmeeinheit beeinträchtigt durch ihre äußere kompakte Formgebung in keinster Weise die axiale Montierbarkeit des Vormischbrenners und bietet überdies die Implementierung einer Sensoreinheit. Hierfür verfügt die Aufnahmeeinheit wenigstens über einen Hohlkanal, mit wenigstens einer dem Drallraum abgewandten Kanalöffnung, über die die Sensoreinheit in die Aufnahmeeinheit implementierbar ist, wobei der Hohlkanal eine Kanallängserstreckung aufweist, die im wesentlichen parallel zur Brennerachse verläuft. Die parallel zur Brennerachse gerichtete Kanallängserstreckung ermöglicht die Implementierung entsprechender Sensoreinheiten koaxial zur Brennerachse, wodurch auch ein mit entsprechenden Sensoreinheiten bestückter Vormischbrenner keinerlei Komponenten aufweist, deren maximale radiale Erstreckung den maximalen Außendurchmesser des Vormischbrennergehäuses überragt, so dass auch in diesem Fall eine axiale Montierbarkeit des gesamten Vormischbrenners erhalten bleibt.
Auf die besonderen Detailmerkmale der erfindungsgemäßen Vormischbrenneranordnung wird im Weiteren unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele detailliert eingegangen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisierte Darstellung eines Längsschnittes durch einen Vormischbrenner, 6 B03/075-0
Fig. 2 Querschnittsdarstellung durch einen Vormischbrenner, sowie
Fig. 3a bis d Längsschnitte durch jeweils eine erfindungsgemäß ausgebildete Aufnahmeeinheit mit unterschiedlichen Hohlkanälen zur Aufnahme unterschiedlicher Sensoreinheiten.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Fig. 1 ist eine Längsschnittdarstellung durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Vormischbrenner dargestellt, der über einen kegelförmig ausgebildeten Drallraum 1 verfügt, der von zwei Teilkegeischalen 2, 3 begrenzt ist. Die Teilkegeischalen 2, 3 sind in Bezug auf eine Brennerachse A (siehe hierbei die Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 2) versetzt angeordnet und schließen gegenseitig jeweils Lufteintrittsschlitze 4 ein. Ferner weisen die beiden Teilkegeischalen 2, 3 eine Vormischbrenneraußenkontur auf, die am Ort des Brenner austritts 5 einen größten Außendurchmesser Amax aufweist, der sich axialwärts verjüngt und einen Bereich 6 mit einem kleinsten Außendurchmesser Am vorsieht, in dem für gewöhnlich eine zentrale Brennerdüsenanordnung (nicht dargestellt) positionierbar ist. In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist pro Teilkegelschale 2, 3 jeweils eine Aufnahmeeinheit 7 vorgesehen, die an die Außenwand der jeweiligen Teilkegeischalen 2, 3 fest gefügt ist. Die Aufnahmeeinheit 7 weist eine maximale radiale Erstreckung R^x auf, die kleiner bzw. deutlich kleiner als der hälftige maximale Außendurchmesser Amax ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Vormischbrennereinheit axialwärts durch Montageöffnungen, die lediglich einen unwesentlich größeren Montagedurchmesser aufweisen als der maximale Außendurchmesser Am_x, ungehindert hindurchgeführt werden kann. Die Aufnahmeeinheit 7 gemäß Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und 2 ist als getrennte Komponente ausgebildet, die in Form eines Nachrüstsatzes an die Außenwand der jeweiligen Teilkegelschale 2, 3 gefügt werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, die Aufnahmeeinheit 7 einstückig bei der Herstellung der Teilkegelschale mit dieser zu verbinden. 7 B03/075-0
Zu Zwecken einer mechanischen Stabilisierung sowie auch zum Schutz vor Beschädigungen durch Montagearbeiten sind Stützflanken 11 am Aussengehäuse des Vormischbrenners angebracht, die ebenfalls den maximalen Aussendurchmesser AmaX nicht überragen.
Zur Implementierung einer geeignet ausgebildeten Sensoreinheit weist die Aufnahmeeinheit 7 wenigstens einen Hohlkanal 8 auf, dessen Kanallängserstreckung parallel zur Brennerachse A orientiert ist. Der Hohlkanal 8 verfügt überdies im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 über eine erste Kanalöffnung 9, die axialwärts nach außen geöffnet ist und eine axialwärts gerichtete Einschubmöglichkeit für eine entsprechend ausgebildete, stabförmig an die Innenkontur des Hohlkanals 8 angepasste Sensoreinheit gestattet. Je nach Art der Sensoreinheit kann die Innenkontur des Hohlkanals 8 beliebig ausgebildet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mündet der Hohlkanal 8 über eine zweite Kanalöffnung 10 unmittelbar in den Drallraum 1. Unter weitere Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3 wird deutlich, dass der Hohlkanal 8 vom eingesetzten Sensortyp unterschiedliche Innenkonturen aufweisen kann. Allen Hohlkanalausbildungen ist jedoch gemeinsam, dass sie über eine zur Brennerachse A koparallele Ausrichtung verfügen, die eine axialwärts gerichtete Bestückung mit entsprechenden Sensoreinheiten ermöglicht.
In Fig. 2 ist, wie bereits erwähnt, eine Querschnittsdarstellung durch den in Fig. 1 dargestellten Vormischbrenner dargestellt. Aus der Querschnittsdarstellung geht hervor, dass neben dem als Hauptkanal ausgebildeten Hohlkanal 8 die Aufnahmeeinheit 7 jeweils von zwei weiteren Hohlkanälen 8' durchsetzt ist, in die ebenfalls entsprechende Sensoreinheiten einführbar sind. Zudem ist es besonders vorteilhaft die Aufnahmeeinheit 7 möglichst mittig an der dem Drallraum 1 abgewandten Oberseite der Teilkegelschale 2, 3 in Umfangsrichtung zwischen dem Brennstoffzufuhrrohr 19 und der Schalenendkante 20 anzuordnen, um den in die Lufteintritzschlitze 4 gerichtete Luftstrom möglichst nicht zu beeinflussen. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen den Abstand zwischen der Aufnahmeeinheit 7 und der Schalenendkante 20 gerade doppelt so 8 B03/075-0 groß zu wählen, wie die maximale radiale Überhöhung der Aufnahmeeinheit 7 über die Oberseite der Teilkegelschale. Selbstverständlich sollte darüber hinaus die Oberflächenkontur der Aufnahmeeinheit 7 möglichst strömungsgünstig gestaltet sein.
Die Längsschnittdarstellung gemäß der Fig. 3a bis d zeigen alternative Ausbildungsformen unterschiedlich ausgebildeter Hohlkanäle, die für jeweils unterschiedliche Sensortypen angepasst sind.
Fig. 3a weist einen Hohlkanal 8 auf, der im Wesentlichen zwei im Durchmesser unterschiedlich groß dimensionierte Kanalabschnitte 12 und 12* vorsieht, wobei der im Querschnitt größer bemessene Kanalabschnitt 12 bevorzugt für den Einsatz eines Mikrofonsensors 13 geeignet ist. Der Kanalabschnitt 12 mündet über einen im Durchmesser kleiner dimensionierten Kanalabschnitt 12' direkt in den Drallraum 1, über den beispielsweise Druckschwankungen übertragen werden können, wie sie durch die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen im Innenraum der Brennkammer initiiert werden. Zusätzlich sieht die Aufnahmeeinheit 7 einen Spülkanal 14 vor, über den Kühlluft in den Hohlkanal 8 einspeisbar ist, um eine Überhitzung der Mikrofonsensoreinheit 13 zu vermeiden. Wird Kühlluft von Aussen durch den Spülkanal 14 in den Hohlkanal 8 im Bereich des Kanalabschnittes 12' druckbeaufschlagt eingebracht, so verhindert die Kühlluft den Eintritt von Heissgasen in den Hohlkanal 8 durch die Kanalöffnung 10 und dient auf diese Weise der Sensoreinheit vor Überhitzung.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3b ist der Hohlkanal 8 mit einem konstanten Innendurchmesser für die Einführung eines optischen Flammensensors 15 ausgebildet. Der optische Flammensensor 15 weist einen Beobachtungswinkelbereich 16 auf, der einerseits von der Austrittsapertur des optischen Flammensensors 15 und andererseits von der den Blickwinkel vergrößernden Kanalöffnung 10 begrenzt ist. Wieder dient zur Vermeidung einer Überhitzung des Flammensensors 15 ein Spülkanal 14 für die Zuführung entsprechender Kühlluft. Der Spülkanal 14 ist in diesem Fall in unmittelbarer Nähe zur Kanalöffnung 10 vorgesehen, um den vorderen Aperturbereich des 9 B03/075-0
Flammensensors 15 effektiv vor dem thermischen Kontakt mit den Heissgasen zu schützen. Mit Hilfe des optischen Flammensensors 15 kann die sich innerhalb der Brennkammer ausbildende Flammenfront überwacht werden, deren räumliche Lage ein wichtiges Indiz für eine stabile Verbrennung ist.
Fig. 3c weist eine Doppelkanalführung 8, 8' auf, wobei die als Sacklöcher ausgebildeten Hohlkanäle 8, 8' parallel zur Brennerachse Averlaufen. Beide Hohlkanäle 8, 8' weisen überdies senkrecht zur Brennerachse verlaufende Kanalabschnitte 17, 17' auf, wobei der Kanalabschnitt 17 in den Drallraum 1 und der Kanalabschnitt 17' in die den Vormischbrenner umgebende Atmosphäre mündet. Mit Hilfe der in Fig. 3c dargestellten Hohlkanalausbildung ist es möglich, eine Differenzdruckmessung durchzuführen.
Die Differenzdruckmessung dient im Wesentlichen dazu den Luftdurchfluss durch den Brenner zu bestimmen. Damit ist es möglich Ungleichförmigkeiten der Luftverteilung innerhalb des Gasturbinengehäuses und/oder Ungleichförmigkeiten der Durchflusscharakteristik von Brenner zu Brenner, sofern es sich um eine Mehrfachbrenneranordnung handelt, zu bestimmen. Wenn an mehreren Kegelschalen eines Brenners Differenzdruckmessungen durchgeführt werden, so kann man auch die Ungleichförmigkeit der Luftströmung innerhalb eines einzigen Brenners bestimmen.
Schließlich zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3d ein als vollständiges Sackloch ausgebildeten Hohlkanal 8, in den eine Thermosensoreinheit 18 einführbar ist.
Selbstverständlich lassen sich die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensoreinheiten beliebig innerhalb einer einzigen Aufnahmeeinheit 7 kombinieren, so dass eine möglichst große Vielzahl unterschiedlicher Messdaten von Seiten des Vormischbrenners gewonnen werden kann.
So gestattet die Summe der vorstehend beschriebenen Sensoreinheiten die Erfassung einer Vielzahl von Betriebsgrößen, wie beispielsweise die 10 B03/075-0
Flammentemperatur oder die Vormischbreπnertemperatur innerhalb der Teilkegeischalen zur Bestimmung der aktuellen thermischen Belastung des Vormischbrenners, um gegebenenfalls bei festgestellten Überhitzungen entsprechende Kühlmaßnahmen einleiten zu können.
Auch ist es möglich, Differenzdruckmessungen längs der Brennstoffzuleitungen vorzunehmen, wodurch eine kontrollierte Überwachung und Einstellung der Brennstoffzufuhr, insbesondere bei einer gestuften Brennstoffzufuhr, möglich wird. Auf diese Weise lassen sich unmittelbar die Flammentemperatur sowie die Stickoxydemission beeinflussen. Mit Hilfe geeignet ausgebildeter optischer Sensoren lässt sich die Flammentemperatur, insbesondere in der sich innerhalb der Rückstromzone ausbildenden Vormischflamme bestimmen. Ebenfalls kann auf optischem Wege die Verbrennungsqualität überwacht und entsprechend bestimmt werden. Mit Hilfe geeigneter drucksensibler Sensoren, wie beispielsweise Mikrofonsensoren, wird es überdies möglich, auftretende thermoakustische Schwingungen bzw. Pulsationen zu erfassen. Mit Hilfe der auf vorstehende Weise gewonnenen Messdaten kann eine aktive Nachregelung des Verbrennungsprozesses unter Maßgabe einer möglichst optimierten Verbrennung vorgenommen werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen konstruktiven Lösung, die wie gesagt auch im Rahmen einer Nachrüstung an bereits bestehenden Vormischbrennern vorgenommen werden kann, ist es möglich, das Brennerverhalten auf aktuell sich einstellende, den Brennerprozess beeinflussende Brennerbedingungen nachzuregeln.
Besonders vorteilhaft ist es im Falle einer Mehrfachbrenneranordnung die Messsensoreinheiten in mehreren Brennern anzuordnen. Hierdurch ist es möglich lokale Verteilungen von Pulsationen, Flammentemperaturen, Druckverteilungen etc. zu bestimmen und damit auf die lokale Verteilung der Verbrennungsqualität schliessen zu können, um letztlich auch die lokalen Brennerbedingungen nachregeln zu können. 11 B03/075-0 Bezugszeichenliste
Drallraum, 3 Teilkegeischalen Lufteintrittsschlitze Brenneraustritt Bereich mit kleinstem Außendurchmesser Aufnahmeeinheit Hohlkanal, 10 Kanalöffnung1 Stützflanke2, 12' Hohlkanalabschnitte3 Mikrofonsensor4 Spülkanal5 Optischer Flammensensor6 Sichtwinkelbereich7, 17' Zweiter Kanalabschnitt8 Thermosensor9 Brennstoffzufuhrrohr0 Schalenendkante

Claims

12 B03/075-0Patentansprüche
1. Vormischbrenner mit einem, einen kegelförmigen Drallraum (1 ) begrenzenden Drallerzeuger, der wenigstens zwei Teilkegeischalen (2, 3) vorsieht, die längs einer Brennerachse (A) versetzt zueinander angeordnet sind, gegenseitig jeweils längs zur Brennerachse (A) verlaufende Lufteintrittsschlitze (4) einschließen und in Kombination eine sich konisch erweiternde Vormischbrenneraussenkontur aufweisen, die einen größten Aussendurchmesser (Amax)aufweist, der sich axialwärts verjüngt in einen Bereich mit einem kleinsten Aussendurchmesser (Amin), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Teilkegelschale (2, 3) im Bereich zwischen dem größten und kleinsten Aussendurchmesser eine von der sich konisch erweiternde Vormischbrenneraussenkontur abweichende, die Vormischbrenneraussenkontur radial nach außen lokal überhöhende Aufnahmeeinheit (7) vorsieht mit einer maximalen radialen Erstreckung (Rmax) die kleiner bemessen ist als der größte hälftige Aussendurchmesser (Amax) der Vormischbrenneraussenkontur, und dass innerhalb der Aufnahmeeinheit (7) wenigstens ein Hohlkanal (8) vorgesehen ist, mit wenigstens einer dem Drallraum (1 ) abgewandten Kanalöffnung (9) sowie einer Kanallängserstreckung, die im Wesentlichen parallel zur Brennerachse (A) verläuft.
2. Vormischbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal (8) in Art eines Sacklochs ausgebildet ist.
3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal (8) als Durchgangskanal ausgebildet ist, der die Aufnahmeeinheit (7) sowie die Teilkegelschale (2, 3) vollständig durchdringt und eine dem Drallraum (1) zugewandte Kanalöffnung (10) vorsieht. 13 B03/075-0
4. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (7) mit einer dem Drallraum (1 ) abgewandten Oberseite der Teilkegelschale (2, 3) fest verfügt ist oder mit dieser einstückig verbunden ist.
5. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal (8) geradlinig ausgebildet ist, mit wenigstens einem Kanalabschnitt, der einen konstantem Kanalquerschnitt aufweist.
6. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der der Hohlkanal (8) wenigstens zwei Kanalabschnitte (12, 12') mit jeweils einem unterschiedlichen Kanalquerschnitt aufweist, und dass der Kanalabschnitt mit dem kleineren Kanalquerschnitt (12) über die Kanalöffnung (10) an den Drallraum (1) angrenzt.
7. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Drallraum (1 ) zugewandte Kanalöffnung (10) eine Öffnungskontur aufweist, die sich im Wege einer geradlinigen Durchdringung der Teilkegelschale (2, 3) mit dem Hohlkanal (8) ergibt, der parallel zur Brennerachse (A) verläuft.
8. Vormischbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Drallraum (1 ) zugewandte Kanalöffnung (10) eine gegenüber der durch die bloße Durchdringung bedingte Öffnungskontur eine vergrößerte Öffnungskontur aufweist.
9. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als Durchgangskanal ausgebildete Hohlkanal (8) einen ersten Kanalabschnitt aufweist, der im Wesentlichen parallel zur Brennerachse (A) verläuft und als Sacklochkanal ausgebildet ist, und 14 B03/075-0 dass sich längs des ersten Kanalabschnitts ein zweiter Kanalabschnitt (17) anschließt, der senkrecht zur Brennerachse (A) orientiert ist und die dem Drallraum (1) zugewandte Kanalöffnung (10) aufweist.
10. Vormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter als Durchgangskanal ausgebildeter Hohlkanal (8') einen ersten Kanalabschnitt aufweist, der im Wesentlichen parallel zur Brennerachse verläuft und als Sacklochkanal ausgebildet ist, und dass sich längs des ersten Kanalabschnitts des zweiten als Durchgangskanal ausgebildeten Hohlkanals (8') ein zweiter Kanalabschnitt (17') anschließt, der senkrecht zur Brennerachse (A) orientiert ist und eine dem Drallraum (1 ) abgewandte Kanalöffnung aufweist.
11. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Drallraum (1 ) zugewandte Kanalöffnung (10) im Bereich von etwa einem Drittel der Brennerlänge gemessen vom Brenneraustritt (5), d.h. dem Brennerbereich mit dem größten Aussendurchmesser (Amax), angeordnet ist.
12. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Größe, Form und Anordnung des wenigstens einen Hohlkanals (8) derart gewählt sind, dass ein axialwärts gerichtetes Bestücken des Hohlkanals (8) mit einer stabförmig, an die Innenkontur des Hohlkanals angepassten Sensoreinheit möglich ist.
13. Vormischbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit als akustischer, optischer, chemischer, thermischer, oder als Drucksensor ausgebildet ist. 15 B03/075-0
14. Vormischbrenner nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal (8) für eine lösbar feste Anbringung der Sensoreinheit an oder in den Hohlkanal (8) eine Befestigungsvorrichtung aufweist, vorzugsweise in Form einer Schraubverbindung, eines Anschlussflansches oder eines Presssitzes.
15. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Drallraum (1 ) abgewandte Oberseite der Teilkegelschale (2, 3) in Umfangsrichtung einerseits von einem Brennstoffzufuhrrohr und andererseits von einer Schalenendkante begrenzt ist, und dass die Aufnahmeeinheit (7) möglichst mittig zwischen Brennstoffzufuhrrohr und Schalenendkante abgeordnet ist.
16. Vormischbrenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Brennstoffzufuhrrohr und der Schalenendkante ein Abstand vorgesehen ist, der wenigstens dem Doppelten der radialen Überhöhung der Aufnahmeeinheit (7) gegenüber der dem Drallraum (1) abgewandten Oberseite der Teilkegelschale (2, 3) entspricht.
17. Vormischbrenner nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (7) eine der Teilkegelschale abgewandte strömungsgünstige Oberflächenkontur aufweist, durch die ein, in die jeweiligen Lufteintrittsschlitze einmündender Luftstrom nahezu unbeeinflusst bleibt.
18. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal 8 mit wenigstens einem durch die Teilkegelschale (2, 3) radial nach Aussen ragenden Spülkanal 14 verbunden ist, durch den Spülgas, vorzugsweise Kühlluft, in den Hohlkanal 8 einspeisbar ist
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