Beschreibung

Drei-Punkt-Fixierung von Zündelektroden eines Brenners

Die vorliegende Erfindung betrifft die Befestigung von Zündelektroden an einem Brenner einer Gasturbine.

Ein wichtiger Bestandteil einer Gasturbine ist unter anderem die so genannte Brennkammer, in der Brennstoff mit Hilfe eines Oxidators verbrannt wird. Bei dem Oxidator handelt es sich typischerweise um Luft. Das bei der Verbrennung in der Brennkammer entstehende Heißgas wird zu einer Turbine weitergeleitet .

An der der Turbine abgewandten Seite der Brennkammer befindet sich typischerweise der so genannte Brenner. Dieser dient zur Zündung des Brennstoffes bzw. des Brennstoff-Luft-Gemisches und ist zu diesem Zweck mit Zündelektroden ausgestattet. Der Brennstoff und die Luft werden durch öffnungen des Brenners in die Brennkammer eingedüst. Die Zündelektroden sind in der Nähe dieser öffnungen angeordnet und entzünden das dort vorbeiströmende Gas. Dazu wird durch Anlegen einer Zündspannung zwischen zwei Zündelektroden ein Zündfunke erzeugt. Dieser Zündfunke steht während der gesamten Zünddauer an. Zur Erzielung eines optimalen Zündfunkens ist die genaue Einhaltung eines bestimmten Abstandes der Spitzen der Zündelektroden erforderlich .

Bisher werden die Zündelektroden häufig mit Hilfe einer Schelle an der Außenfläche des Brenners befestigt. Dabei werden die Zündelektroden in der Schelle mit Hilfe einer zwischen den Zündelektroden mittig angeordneten Schraube festgeklemmt. Typischerweise liegen die Auflageflächen der Zündelektroden an ihrem vollen Umfang an der Schelle, die beispielsweise einen runden Querschnitt aufweisen kann, an. Im Bereich der Schelle sind die Zündelektroden üblicherweise mit einer Keramik ummantelt. Die keramische Ummantelung dient der

elektrischen Isolierung der Zündelektroden und verringert so deren wärmebedingte Ausdehnung. Schwankungen in der Oberflächengüte der Keramik und Ungenauigkeiten in der Form und der Lage der Schelle können dazu führen, dass die Zündelektroden nicht richtig befestigt werden können. Die Befestigung ist entweder zu fest oder zu lose. Im Falle einer zu festen Befestigung wird die thermische Ausdehnung der Zündelektrode verhindert und im Falle einer zu losen Befestigung treten unerwünschte Schwingungen der Zündelektroden auf.

Typischerweise sind die Zündelektroden nicht mittig zwischen einem so genannten Diagonalgitter und einem Brennerträger angeordnet, da die für die Befestigung der Zündelektroden verwendeten Schellen häufig an einem Nocken festgeschraubt sind, der wegen der Mindesteinschraubtiefe über eine gewisse Höhe verfügt. Der Abstand zum Diagonalgitter ist somit gering und es kann zum Funkenübersprung in diesem Bereich kommen, sofern der Abstand an dieser Stelle kleiner ist als am so genannten Zündspalt, an dem der Zündfunken erzeugt werden soll. Die Folge davon ist, dass der betroffene Brenner nicht mehr direkt gezündet werden kann.

Eine weitere Schwierigkeit der bisher verwendeten Zündelektrodenbefestigungen besteht in der Empfindlichkeit gegen Stöße beim Ein- und Ausbau sowie beim Transport des Brenners. Die in eine Keramik eingeklebte Zündelektrode liegt normalerweise nicht direkt am Brenner an. Es kann daher schnell zum Verbiegen und zum Bruch der Zündelektrode kommen, was ein Austauschen der Zündelektroden erforderlich macht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner mit einer vorteilhaften Halterung zur Befestigung der Zündelektroden zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Brenner, insbesondere einen Gasturbinenbrenner, nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung .

Der erfindungsgemäße Brenner umfasst zwei Zündelektroden und eine Halterung, wobei die Halterung an der Außenfläche des Brenners angeordnet ist. Der Brenner ist dadurch gekennzeich- net, dass die Zündelektroden an jeweils drei Punkten ihres Umfanges durch die Halterung in einer festgelegten Position gehalten sind. Mit dieser Drei-Punkt-Fixierung, bei der es sich wegen der axialen Ausdehnung der Halterung insbesondere auch um eine Drei-Linien-Fixierung handeln kann, wird eine statisch optimale Fixierung gewährleistet. Dabei können die drei Fixierungspunkte bzw. die drei Fixierungslinien optimalerweise so über den Umfang der Zündelektroden verteilt sein, dass die Winkel zwischen ihnen 120° betragen.

Die Zündelektroden können axial verschiebbar in der Halterung gelagert sein, was sich beispielsweise durch eine federnde Ausgestaltung der Halterung realisieren lässt. Eine derartige axiale Verschiebung der Zündelektroden kann durch eine thermische Ausdehnung der Zündelektroden verursacht werden. Durch die axial verschiebbare Lagerung können axiale Wärmespannungen in der Zündelektrode vermieden werden. Gleichzeitig können die Zündelektroden radial sicher fixiert werden, so dass mögliche Probleme, die aus mangelnder Abstandstreue der Zündelektroden resultieren, vermieden werden können.

Weiterhin kann jede Zündelektrode eine keramische Ummantelung aufweisen. Die keramische Ummantelung dient der elektrischen Isolierung der Zündelektrode. Im Vergleich zu anderen Halterungen bietet die erfindungsgemäße Halterung mit einer Drei- Punkt-Fixierung den Vorteil, dass durch sie mögliche Abweichungen der Oberflächengüte der Keramik problemlos ausgeglichen werden können, ohne dass dies die statische Fixierung der Zündelektroden beeinträchtigt.

Zudem können die Zündelektroden jeweils radial federnd in der Halterung gelagert sein. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Halterung mindestens eine radial federnde Schelle umfasst. Die radiale Federung ermöglicht den

Ausgleich von Schwingungen, wodurch die Lebensdauer der Zündelektrode erhöht wird. Im Zusammenhang mit einer möglichen Verwendung einer radial federnden Schelle ermöglicht die erfindungsgemäße Drei-Punkt-Fixierung einen Ausgleich von mög- liehen Maßungenauigkeiten bei der Schellenfertigung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Halterung eine Auflageschelle und eine Fixierungsschelle. In diesem Falle kann die erfindungsgemäße Drei-Punkt-Fixierung dadurch erreicht werden, dass die Auflageschelle und die

Fixierungsschelle so ausgestaltet und relativ zueinander angeordnet sind, dass jede Zündelektrode an einem Punkt ihres Umfanges durch die Auflageschelle und an zwei weiteren Punkten ihres Umfanges durch die Fixierungsschelle in einer fest- gelegten Position gehalten wird. Dabei ist die Fixierungsschelle weiterhin so ausgestaltet, dass sie eine Federwirkung zulässt und darüber hinaus durch ihre Spannkraft die für den Ausgleich der Wärmedehnung notwendige axiale Verschiebung zulässt. Die Verwendung von nur einer Auflageschelle und einer Fixierungsschelle zur Halterung von zwei Zündelektroden hat den Vorteil, dass mit Hilfe einer sehr geringen Anzahl von Bauteilen eine optimale Befestigung der Zündelektroden erreicht wird. Diese Anordnung ermöglicht zudem eine leichte Montierbarkeit und Austauschbarkeit der Zündelektroden.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Halterung auf beliebige Weise an der Außenfläche des Brenners befestigt sein. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Halterung mit Hilfe von mindestens zwei Befestigungselementen an der Außenfläche des Brenners befestigt ist. Bei diesen Befestigungselementen kann es sich insbesondere um lösbare Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, handeln. Die Verwendung von mindestens zwei Befestigungselementen, insbesondere Schrauben, hat den Vorteil, dass beim Befestigen die Fixierungsschelle nicht gegen die Auflageschelle verdreht wird. Im Gegensatz zur Verwendung von nur einem Befestigungselement, insbesondere von nur einer Schraube, kommt es bei der Verwendung von mindestens zwei Befestigungselementen nicht zu einer ungleichmäßig

verteilten Haltekraft, sowie zum Verbiegen der Zündelektroden. Ein Verbiegen der Zündelektroden ist unerwünscht, da es eine Vergrößerung des Zündspaltes bewirken kann und den Bruch der Zündelektroden zur Folge haben kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Brenner kann es sich insbesondere um den Brenner einer Gasturbine handeln. In diesem Fall kann durch die mögliche flache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Halterung der Abstand der Zündelektroden zum Brennerträger, an dem sie befestigt sind, im Vergleich zu anderen bekannten Halterungen verringert werden. Dadurch wird gleichzeitig der Abstand zu einem in der Nähe des Brenners befindlichen Diagonalgitter vergrößert und ein Funkenüberschlag zum Diagonalgitter vermieden. Grundsätzlich wird durch die erfindungsge- mäße Halterung ein gleichmäßiger Abstand der Zündelektroden zum Diagonalgitter und zum Brennerträger gewährleistet. Zusätzlich bietet die durch die erfindungsgemäße Halterung mögliche flache Ausgestaltung derselben einen besseren Schutz der Zündelektroden beim Ein- und Ausbau, da der Abstand zum Diagonalgitter vergrößert wird.

Shaker-Table-Untersuchungen haben gezeigt, dass die Eigenfrequenzen der Zündelektroden je nach Art ihrer Fixierung stark voneinander abweichen. Die Kenntnis und Reproduzierbarkeit der Eigenfrequenzen ist für die Auslegung der Bauteile von

Bedeutung. Durch eine optimale Auslegung der Bauteile lassen sich mögliche Brüche der Zündelektroden vermeiden und auf diese Weise deren Lebensdauer verlängern. Es hat sich herausgestellt, dass nur bei einer festen Einspannung der Zünd- elektroden eindeutige und reproduzierbare Eigenfrequenzen auftreten. Die erfindungsgemäße Halterung ermöglicht einerseits eine feste Einspannung, die eindeutige und reproduzierbare Eigenfrequenzen zulässt. Andererseits ermöglicht die erfindungsgemäße Halterung gleichzeitig einen Ausgleich von auftretenden axialen und radialen Ausdehnungen, ohne dass dadurch die Festigkeit der Einspannung beeinträchtigt wird.

Insgesamt hat der erfindungsgemäße Brenner, insbesondere die erfindungsgemäße Halterung, zahlreiche Vorteile. Er ermöglicht eine definierte Fixierung der Zündelektroden über drei Auflagepunkte bzw. Auflagelinien, welche im Idealfall zuein- ander um jeweils 120° zueinander versetzt um den Umfang der Zündelektrode verteilt sind. Die mit Hilfe von Schellen erzielte Federwirkung ermöglicht eine Aufnahme von entstehenden Schwingungen und Ausdehnungen. Dadurch werden kritische Spannungen der Zündelektroden und mögliche Brüche derselben ver- mieden. Gleichzeitig können die Schellen und die Zündelektroden fest fixiert werden. Weiterhin ist die benötigte Anzahl an Bauteilen sehr gering. Darüber hinaus ist eine sehr flache Ausgestaltung der Halterung möglich.

Der erfindungsgemäße Brenner verhindert Fehlzündungen im Diagonalgitter. Darüber hinaus verringert er die Gefahr von Schädigungen der Zündelektroden beim Ein- und Ausbau derselben .

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren .

FIG 1 zeigt schematisch einen Brenner mit Zündelektroden.

FIG 2 zeigt schematisch eine dem Stand der Technik entsprechende Halterung.

FIG 3 zeigt schematisch einen Brenner mit einer erfindungsgemäßen Halterung in perspektivischer Ansicht.

FIG 4 zeigt einen radialen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Halterung.

FIG 5 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Halterung.

FIG 6 zeigt einen radialen Querschnitt durch die in Figur 5 gezeigte erfindungsgemäße Halterung.

Im Folgenden wird zunächst ein dem Stand der Technik entsprechende Brenner mit zwei Zündelektroden und einer Halterung anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben. Die Figur 1 zeigt einen Brenner 3 für eine Gasturbine mit einem Flansch 5, einem Brennerträger in Form eines Rohres 37, einem Swirler 38, welcher auch Axialgitter genannt wird, und einer Düse 39, die den Swirler 38 konzentrisch umgibt. Weiterhin weist der Brenner Zündelektroden 4 und eine Halterung 2 auf. Die Halterung 2 umfasst eine Schelle 7 und eine Schraube 10.

Das Rohr 37 grenzt an einen Flansch 5 an. Beide Elemente sind leicht exzentrisch zueinander angeordnet. An der Außenseite des Rohres 37 sind die Zündelektroden 4 mit einer Halterung 2 befestigt. Die Zündelektroden 4 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander.

Im Betrieb wird dem Swirler 38 Luft L zugeführt und durch die Schaufeln des Swirlers 38 verwirbelt. Gleichzeitig wird dem Swirler 38 durch das Innere des Rohres 37 Brennstoff zugeführt. Der Brennstoff wird durch einen Zündfunken, der zwi- sehen den beiden Zündelektroden 4 gebildet wird, gezündet. Es bildet sich eine Flamme aus, die in die Brennkammer (nicht dargestellt) hinein getragen wird und das Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt. Das so entstandene unter hohem Druck stehende Heißgas wird der Turbine zugeführt.

Die Figur 2 zeigt den Ausschnitt des in der Figur 1 gezeigten Brenners 3, in dem sich die Halterung 2 befindet. Man sieht in Figur 2 einen Teil des Rohres 37, zwei Zündelektroden 4 und die Halterung 2, die die Zündelektroden 4 an dem Rohr 37 befestigt. Die Zündelektroden 4 sind in dem Bereich in dem sich die Halterung 2 befindet, mit einer keramischen Ummante- lung 6 versehen. Sie verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander .

Die Halterung 2 besteht aus einer Schelle 7, die mit Hilfe eine Schraube 10 an dem Rohr 37 befestigt ist. Der Drehsinn der Schraube 10 ist durch einen Pfeil 12 gekennzeichnet. Da- bei besteht die Gefahr, dass beim Anziehen der Schraube 10 in Drehrichtung 12 auch die Schelle 7 leicht verdreht wird. Das Verdrehen der Schelle 7 ist durch Pfeile 13 gekennzeichnet. Das Verdrehen der Schelle 7 kann zu einem Verbiegen oder Verdrehen der Zündelektroden 4 führen. Dies ist durch Pfeile 18 gekennzeichnet. Das Verbiegen oder Verdrehen der Zündelektroden 4 kann zu einer Veränderung des Abstandes zwischen den Zündelektroden 4 und möglicherweise auch zu einem Bruch der Zündelektroden 4 führen. Dies wird durch einen erfindungsgemäßen Brenner vermieden.

Der erfindungsgemäße Brenner wird im Folgenden anhand der Figuren 3 und 4 in einem ersten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Halterung in perspektivischer Ansicht. Man sieht in Figur 3 einen Aus- schnitt des Brennerträgers bzw. des Rohres 37, auf dem sich die Halterung 2 befindet. Die Halterung 2 befestigt zwei Zündelektroden 4 mit Hilfe von zwei Schrauben 10 und zwei Schellen 8, 9 an dem Rohr 37. Im Bereich der Halterung 2 sind die Zündelektroden 4 mit einer keramischen Ummantelung 6 ver- sehen. Die Zündelektroden 4 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander.

Die Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Halterung in einer Schnittansicht entlang der radialen Richtung des Rohres 37. Man sieht in Figur 4 den Teil des Rohres 37 in dem sich die Halterung 2 befindet. Es sind die zwei Schellen zu erkennen, die eine ebene Auflageschelle 8 und eine gebogene Fixierungsschelle 9 bilden, welche mit Hilfe von Abstandsbolzen 15 und Schrauben 10 an dem Rohr 37 befestigt sind. Zwischen der Auf- lageschelle 8 und der Fixierungsschelle 9 sind zwei Zündelektroden 4 zueinander parallel verlaufend fixiert. Die Zündelektroden 4 weisen im Bereich der Halterung 2 eine keramische Ummantelung 6 auf.

Die Auflageschelle 8 befindet sich zwischen dem Rohr 37 und den Zündelektroden 4 bzw. deren keramischer Ummantelung 6. Auf der ebenen Auflageschelle 8 liegen die Zündelektroden 4 auf jeweils einem Auflagepunkt 1 auf. An der der Auflageschelle 8 gegenüberliegender Seite der Zündelektroden 4 befindet sich die Fixierungsschelle 9, welche die Zündelektroden 4 in einem bestimmten Abstand zueinander fixiert. Die Fixierungsschelle 9 weist jeweils im Bereich einer Zündelekt- rode Auswölbungen auf, die jedoch keinen kreisförmigen Querschnittsverlauf, sondern einen etwa sinusförmigen Querschnittsverlauf aufweisen. Dadurch liegen sie nicht mit der gesamten Auswölbung an der jeweiligen Zündelektrode 4 an, sondern lediglich an zwei Punkten 1, wie es in Figur 4 zu er- kennen ist. Auch andere als sinusförmige Querschnitte der

Auswölbungen, beispielsweise dreiecksförmige Querschnittsverläufe, würden zu dem gleichen Ergebnis führen.

Obwohl von Auflagepunkten die Rede ist, liegen wegen der axi- alen Ausdehnung der Fixierungsschelle 9 und der Auflageschelle 8 tatsächlich Auflagelinien mit einer Ausdehnung in Axialrichtung der Zündelektroden vor. Die Zündelektroden 4 sind erfindungsgemäß so zwischen der Auflageschelle 8 und der Fixierungsschelle 9 gelagert, dass sie jeweils an zwei Punk- ten, bzw. Linien, ihres Umfanges die Fixierungsschelle 9 und an einem dritten Punkt, bzw. einer dritten Linie, ihres Umfanges die Auflageschelle 8 berühren. Diese Fixierungspunkte 1 einer Zündelektrode 4 liegen vorzugsweise an deren Umfang in einem Winkel von jeweils 120° zueinander versetzt. Auch andere Winkel der Fixierungspunkte 1 zueinander sind möglich, solange eine statische Fixierung der Zündelektroden 4 gewährleistet ist.

Die Fixierungsschelle 9 zeichnet sich im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel dadurch aus, dass sie insgesamt federnde Eigenschaften aufweist. Die Federwirkung ist durch einen Pfeil 14 gekennzeichnet, der die mögliche Bewegung der Fixierungsschelle 9 in radialer Richtung andeutet. Durch diese Federung

wird eine axiale Verschiebbarkeit der Zündelektroden 4 gewährleistet. Dies ist durch einen Pfeil 11 (FIG 3) gekennzeichnet. Die axiale Verschiebbarkeit ermöglicht einen Ausgleich der thermischen Ausdehnung der Zündelektroden 4 in Folge der während des Betriebes des Brenners entstehenden

Hitze. Weiterhin ist jede Zündelektrode 4 durch die Auflageschelle 8 und die Fixierungsschelle 9 radial federnd in der Halterung gelagert. Dies erlaubt einen Ausgleich der in Folge der Hitze auftretenden radialen thermischen Ausdehnung der Zündelektroden 4 und eine Aufnahme von möglicherweise entstehenden Schwingungen der Zündelektroden 4. In vorliegenden Ausführungsbeispielen ist lediglich die Fixierungsschelle 9 radial federnd ausgestaltet.

Die Auflageschelle 8 und die Fixierungsschelle 9 sind mit

Hilfe von zwei Schrauben 10 an das Rohr 37 angeschraubt. Die Schrauben 10 sind dabei so angeordnet, dass sich die Zündelektroden 4 zwischen ihnen befinden. Die Verwendung von zwei Schrauben 10 verhindert es, dass sich beim Befestigen der Fixierungsschelle 9 und der Auflageschelle 8 an dem Rohr 37 die Fixierungsschelle 9 und/oder die Auflageschelle 8 verdrehen. Alternativ können auch mehr als zwei Schrauben verwendet werden .

Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Halterung des erfindungsgemäßen Brenners anhand der Figuren 5 und 6 näher beschrieben. Elemente, die den im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Elementen entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern versehen und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht erneut beschrieben.

Die Figur 5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Halterung 2. Man sieht in der Figur 5 zwei parallel zueinander verlaufende Zündelektroden, die im Bereich der Halterung 2 mit einer keramischen Ummantelung 6 versehen sind. Die Halterung 2 umfasst u. a. eine Fixierungsschelle 9 und zwei Schrauben 10. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Schrauben 10 so angeordnet, dass sie sich zwischen den beiden

Zündelektroden 4 befinden. Auch in diesem Fall wird mit Hilfe der zwei Schrauben 10 ein Verdrehen der Fixierungsschelle 9 unterbunden. Grundsätzlich ist es möglich, auch mehr als zwei Schrauben zur Fixierung zu verwenden.

In Figur 6 ist die erfindungsgemäße Halterung 2 in einer Schnittansicht dargestellt. Man sieht die zwei Zündelektroden 4, die von einer keramischen Ummantelung 6 umgeben sind und auf der Auflageschelle 8 aufliegen. Die Zündelektroden 4 wer- den von oben durch die Fixierungsschelle 9 in ihrer Position festgehalten. Die zur Befestigung verwendeten Schrauben 10 befinden sich in der Mitte zwischen den beiden Zündelektroden 4.

Die Fixierungsschelle 9 ist im Bereich der Zündelektroden 4 so gebogen, dass sie die Zündelektroden 4 jeweils an zwei Punkten 1 des Umfanges der Zündelektroden 4 berührt. Die Fixierungsschelle 9 hat im Bereich ihrer Biegungen federnde Eigenschaften. Die in Folge der Federung mögliche Bewegung der Fixierungsschelle 9 ist beispielhaft durch Pfeile 14 gekennzeichnet. Durch die Federung der Fixierungsschelle 9 können Eigenschwingungen der Zündelektroden 4 von der Fixierungsschelle 9 aufgenommen werden. Im übrigen hat die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Halterung 2 die gleichen Vorteile wie die im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels beschriebene Halterung 2.

Zusammenfassend ermöglicht die erfindungsgemäße federnde Drei-Punkt-Fixierung eine stabile Befestigung von Zündelekt- roden an der Außenseite eines Brenners, die axiale und radiale Ausdehnungen zulässt und Schwingungen aufnimmt.