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Betrieb von Brennern für gasförmige Brennstoffe unter Einsatz einer aktiven Instabilitätskontrolle mit modulierendem Eingriff in den Haupt-Brennstoffstrom bei Brennern mit Haupt-und Pilot-Brennstoffzufuhr

IP.com Disclosure Number: IPCOM000018385D
Original Publication Date: 2002-Jun-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-23
Document File: 2 page(s) / 154K

Publishing Venue

Siemens

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Andreas Heilos: AUTHOR [+5]

Abstract

Beim Betrieb von Verbrennungssystemen, bei denen eine Verbrennung in Brennräumen mit hoher Leis- tungsdichte erforderlich ist (z.B. für die Verbren- nungssysteme von Gasturbinen), besteht grundsätz- lich die Gefahr der Ausbildung selbsterregter Verbrennungsschwingungen. Im Falle einer solchen Verbrennungsschwingung ergeben sich infolge der instationären Verbrennung und der hiermit ver- knüpften Modulation der Wärmefreisetzung zeitlich, räumliche Druckfelder im Verbrennungssystem, die im Falle ausreichend hoher Amplituden zur Schädi- gung bzw. Zerstörung verschiedenster Komponenten des Verbrennungssystems, aber auch außerhalb des Verbrennungssystems befindlicher Komponenten führen können. Eine besonders große Neigung zu derartigen selbsterregten Verbrennungsschwingun- gen besitzen die in den letzten Jahren zunehmend eingesetzten Vormisch-Verbrennungssysteme, bei denen der Brennstoff mit der Verbrennungsluft zur Reduktion der NO-Bildung vor der Reaktionszone im Bereich des Brenners mager vorgemischt wird. Für die Ausbildung einer selbsterregten Schwingung der Verbrennungsintensität sind folgende Vorausset- zungen erforderlich:

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Industrie

Betrieb von Brennern für gasför-mige Brennstoffe unter Einsatz ei-ner aktiven Instabilitätskontrollemit modulierendem Eingriff in denHaupt-Brennstoffstrom bei Bren-nern mit Haupt- und Pilot-Brennstoffzufuhr

Idee: Andreas Heilos, Mühlheim;

Stefan Dürselen, Mühlheim;Patrick Flohr, Mühlheim;Dr. Bernd Prade, Mühlheim;Dr. Michael Huth, Mühlheim

Beim Betrieb von Verbrennungssystemen, bei deneneine Verbrennung in Brennräumen mit hoher Leis-tungsdichte  erforderlich  ist  (z.B. für die Verbren-nungssysteme von Gasturbinen), besteht grundsätz-lich die Gefahr der Ausbildung selbsterregterVerbrennungsschwingungen. Im Falle einer solchenVerbrennungsschwingung  ergeben  sich  infolge  derinstationären  Verbrennung  und  der hiermit ver-knüpften Modulation der Wärmefreisetzung zeitlich,räumliche Druckfelder im Verbrennungssystem, dieim Falle ausreichend hoher Amplituden zur Schädi-gung bzw. Zerstörung verschiedenster Komponentendes Verbrennungssystems, aber auch außerhalb desVerbrennungssystems befindlicher Komponentenführen  können.  Eine  besonders  große Neigung zuderartigen selbsterregten Verbrennungsschwingun-gen  besitzen  die  in  den  letzten  Jahren zunehmendeingesetzten Vormisch-Verbrennungssysteme, beidenen der Brennstoff mit der Verbrennungsluft zurReduktion  der  NO-Bildung  vor  der Reaktionszoneim  Bereich  des  Brenners  mager  vorgemischt wird.Für die Ausbildung einer selbsterregten Schwingungder Verbrennungsintensität sind folgende Vorausset-zungen erforderlich:

•   die  instationäre  Änderung  der Verbrennungs-intensität führt zu akustischen Druck-schwankungen  und  beeinflusst  die  Eingangs-randbedingungen für die Verbrennung selbst

•   eine hierdurch bedingte Rückkopplung wirkt imFalle einer Schwingung bezüglich der Amplitu-de der Schwingung verstärkend.

In diesem Fall liegt ein geschlossener, rück-gekoppelter Schwingkreis vor. Ob und wie sich imSystem "Brenner–Flamme–Brennraum"  eine  selbst-erregte bzw. selbsterhaltende Verbrennungs-schwingung aufbauen kann, hängt davon ab, ob dieeinzelnen  konvektiven  und  chemisch kinetischenVorgänge  von  ihrer  Phasenlage  zueinander  passenund zudem innerhalb des Brennraumes die Disspati-on von Schwingungsenergie kleiner als die Energie

der antreibenden Mechanismen der Schwingungbleibt (Resonanz).

Eine vollständige rechnerische Analyse des Schwin-gungsverhaltens der Verbrennung in realen, fürGasturbinen typischen Verbrennungssystemen istinfolge  der  Komplexität  der  diese  beeinflussendeninstationären physikalischchemischen Prozesse ineiner 3-dimensionalen Anordnung bislang nichtmöglich. Deshalb muss die Auslegung gegenwärtigauf der Basis empirischer Erfahrungen, ausgiebigenTests und ggf. umfangreicher Optimierungen erfol-gen. Falls Optimierungen an ausgelieferten Maschi-nen erforderlich werden, sind diese sehr kosteninten-siv. Im Rahmen derartiger Optimierung wird in derRegel entweder das akustische Verhalten des Brenn-raumes  (in...