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Reduktion von Brennkammerschwingungen durch eine veränderte Zugabe des Pilotgases

IP.com Disclosure Number: IPCOM000016970D
Original Publication Date: 1999-Apr-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-21
Document File: 5 page(s) / 36K

Publishing Venue

Siemens

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Dr. Holger Streb: AUTHOR [+2]

Abstract

In feuerungstechnischen Anlagen können unter bestimmten physikalischen Randbedingungen (z.B. thermische Leistung, Luftzirkulation etc.) instabile Betriebszustände auftreten, die durch zeitperiodisch korrelierte Schwankungen des Reaktionsumsatzes der Flamme und des statischen Drucks gekennzeichnet sind. Diese verbrennungsinduzierten Druckpulsationen (Brennkammerschwingungen) führen neben einer höheren Lärmbelastung für die Umwelt auch zu einer höheren thermischen und mechanischen Belastung aller Bauteile der Verbrennungsanlage, so daß deren Lebensdauer stark reduziert wird. So werden beispielsweise aufgrund der Forderung nach einer schadstoffarmen Verbrennung in feuerungstechnischen Anlagen häufig Vormischbrenner eingesetzt, bei denen der Brennstoff und die Verbrennungsluft vor Eintritt in den Verbrennungsraum möglichst homogen gemischt werden. Diese Vormischerflammen sind durch eine hohe Reaktionsdichte und eine kurze Reaktionszeit gekennzeichnet, haben jedoch den Nachteil, daß sie nur in einem engen Betriebsbereich (Luftzahlbereich) stabil betrieben werden können. Während bei Erreichen der oberen, mageren Grenze (hohe Luftzahl) das Abblasen der Flamme erfolgt, treten bei Überschreiten der unteren, fetten Grenze häufig instationäre Instabilitäten auf, die die Lage der Reaktionszone verändern und zu den beschriebenen Brennkammerschwingungen führen. Zur Erweiterung des Betriebsbereiches werden Vormischflammen häufig durch sogenannte Pilotbrenner unterstützt. Durch diese Pilotbrenner-Düsen wird zusätzlicher, häufig nicht vorgemischter Brennstoff in den Bereich der Vormischflamme eingedüst. An der heißen Reaktionszone des Pilotgases kann sich die Vormischflamme weiter stabilisieren, so daß der Stabilitätsbereich auf der mageren Seite erweitert wird. Aus den Betriebserfahrungen von Gasturbinen ist weiterhin bekannt, daß die Neigung zu Brennkammerschwingungen über die Menge des eingedüsten Pilotgases verändert werden kann. Bekannt ist, einen Pilotbrenner zu verwenden, welcher am Brenneraustritt vier Pilotgasröhrchen aufweist, die aus dem Diffusionsbrenner herausragen. Die gleichmäßig mit nicht vorgemischtem Pilotgas versorgten Pilotgasröhrchen düsen das Pilotgas in die sog. Axialgitterluft, in der es verdrallt, bevor es in die Brennkammer austritt.

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Energie

Reduktion von Brennkammerschwingungen durch eine veränderteZugabe des Pilotgases

Idee: Dr. Holger Streb, Düsseldorf; Jürgen Günther, Wesel

In feuerungstechnischen Anlagen können unter bestimmten physikalischenRandbedingungen (z.B. thermische Leistung, Luftzirkulation etc.) instabile Betriebszuständeauftreten, die durch zeitperiodisch korrelierte Schwankungen des Reaktionsumsatzes derFlamme und des statischen Drucks gekennzeichnet sind. Diese verbrennungsinduziertenDruckpulsationen (Brennkammerschwingungen) führen neben einer höheren Lärmbelastungfür die Umwelt auch zu einer höheren thermischen und mechanischen Belastung allerBauteile der Verbrennungsanlage, so daß deren Lebensdauer stark reduziert wird. Sowerden beispielsweise aufgrund der Forderung nach einer schadstoffarmen Verbrennung infeuerungstechnischen Anlagen häufig Vormischbrenner eingesetzt, bei denen der Brennstoffund die Verbrennungsluft vor Eintritt in den Verbrennungsraum möglichst homogengemischt werden. Diese Vormischerflammen sind durch eine hohe Reaktionsdichte und einekurze Reaktionszeit gekennzeichnet, haben jedoch den Nachteil, daß sie nur in einem engenBetriebsbereich (Luftzahlbereich) stabil betrieben werden können. Während bei Erreichender oberen, mageren Grenze (hohe Luftzahl) das Abblasen der Flamme erfolgt, treten beiÜberschreiten der unteren, fetten Grenze häufig instationäre Instabilitäten auf, die die Lageder Reaktionszone verändern und zu den beschriebenen Brennkammerschwingungen führen.Zur Erweiterung des Betriebsbereiches werden Vormischflammen häufig durch sogenanntePilotbrenner unterstützt. Durch diese Pilotbrenner-Düsen wird zusätzlicher, häufig nichtvorgemischter Brennstoff in den Bereich der Vormischflamme eingedüst. An der heißenReaktionszone des Pilotgases kann sich die Vormischflamme weiter stabilisieren, so daß derStabilitätsbereich auf der mageren Seite erweitert wird. Aus den Betriebserfahrungen vonGasturbinen ist weiterhin bekannt, daß die Neigung zu Brennkammerschwingungen über dieMenge des eingedüsten Pilotgases verändert werden kann.

Bekannt ist, einen Pilotbrenner zu verwenden, welcher am Brenneraustritt vierPilotgasröhrchen aufweist, die aus dem Diffusionsbrenner herausragen. Die gleichmäßig mitnicht vorgemischtem Pilotgas versorgten Pilotgasröhrchen düsen das Pilotgas in die sog.Axialgitterluft, in der es verdrallt, bevor es in die Brennkammer austritt.

Um die Brennkammerschwingungsneigung des Brenners zu beeinflussen, wirdvorgeschlagen die Zugabe des Pilotgases zu modifizieren. Hierbei haben sich vier möglicheVeränderungen als vorteilhaft erwiesen:

1.� � � � Durch die Zugabe des Pilotgases mittels eines zentralen Pilotgasbrenners(Pilotgasstützbrenner) kann über die Verweilzeit des Pilotgases (vom Austritt bis zurFlammenzone) die Eindringtiefe des Pilotgases und somit die

Siemens Technik Report

Jahrgang 2� Nr. 3� April 1999

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Brennkammerschwingungsneigung der Flamme modifiziert...