EP3805642A1 - Pilot conus cooling - Google Patents

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Publication number
EP3805642A1
EP3805642A1 EP19202651.6A EP19202651A EP3805642A1 EP 3805642 A1 EP3805642 A1 EP 3805642A1 EP 19202651 A EP19202651 A EP 19202651A EP 3805642 A1 EP3805642 A1 EP 3805642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pilot
burner
cooling air
cone
pilot cone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19202651.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Beck
Jürgen MEISL
Stefan Reich
Sabrina Isolde Siebelist
Christopher Grandt
Benjamin WITZEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP19202651.6A priority Critical patent/EP3805642A1/en
Publication of EP3805642A1 publication Critical patent/EP3805642A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion

Definitions

  • the invention relates to a pilot cone for use in a burner arrangement, as well as a burner arrangement.
  • the invention also relates to a method for cooling a pilot cone of a burner arrangement.
  • Providing a central pilot burner with a cone for flame design is a widely used measure.
  • a pilot cone is cooled openly, ie the cooling air is fed to the combustion chamber after cooling and is mixed there with the flame. This is to be regarded as unfavorable in terms of reducing NO x emissions.
  • closed cooling with reuse of the cooling air is necessary.
  • the pilot cone In the case of closed cooling, the pilot cone is usually cooled by an integrated design with air, which is used as combustion air after the cooling task has been completed.
  • the cooling air is guided, for example, between a base plate facing the combustion chamber and an intermediate plate arranged on the back of the base plate, or between the pilot cone and the cooling cone arranged around the pilot cone, in order to cool the base plate or pilot cone and then take part in the combustion.
  • the object of the invention is to provide a pilot cone in which cooling air and scavenging air consumption are as small as possible and which is at the same time as simple and inexpensive to manufacture as possible.
  • Another object of the invention is to provide a burner arrangement with a pilot cone.
  • the invention solves the problem directed to a pilot cone by providing that in such a pilot cone for use in a burner arrangement with a pilot burner, the pilot cone having a jacket that widens downstream in a main flow direction of fuel and air, a cooling air duct for the Pilot cone runs in the jacket of the pilot cone.
  • pilot cone By utilizing the design options that additive manufacturing allows, it is possible to manufacture a pilot cone with integrated cooling.
  • the pilot cone is therefore a compact component that can be easily integrated into an existing burner and that enables a long service life.
  • the complexity of the cooling air routing is completely hidden inside the pilot cone and can only be produced using additive manufacturing methods.
  • the cooling air throughput is limited to the air throughput required for cooling, so that more air is available for premixing with the fuel.
  • annular gap is formed on the pilot cone by two circumferentially extending, upstream inclined, coaxial, radially inner and radially outer walls over which the air supplied to the pilot cone for cooling is distributed according to its use.
  • first openings in the radially inner wall and second openings between radially inner and radially outer wall are arranged in the jacket of the pilot cone, and the sum of the cross-sectional areas of all the first openings is greater than the sum of the cross-sectional areas of all the second openings.
  • the air supplied to the first and second openings has already been used to cool upstream components and the amount of cooling air has therefore been optimized primarily for the first use and typically exceeds the amount required for pilot cone cooling. With the selection of the size of the cross-sectional areas of the first and second openings, the amount of air that is not required for cooling the pilot cone can be separated off.
  • annular distributor is arranged in the jacket of the pilot cone, into which the second openings arranged in the circumferential direction open in order to distribute the cooling air evenly over the circumference of the pilot cone.
  • first cooling air passages branch off from the distributor and extend downstream within the jacket, and the first cooling air passages are connected via circumferentially oriented first transverse passages with directly adjacent, upstream extending second cooling air passages. This ensures efficient and even cooling in the pilot cone.
  • At least two first cooling air passages open into a first transverse passage and at least two second cooling air passages branch off from the first transverse passage.
  • the first and second cooling air passages are round in cross section. With rectangular cooling air passages, larger duct cross-sections can be realized, but round cooling air passages are more favorable in terms of material stresses and service life.
  • opening cross-sections of the second openings are smaller than cross-sections of the first and second cooling air passages or the first and second transverse passages.
  • the second openings which, as it were, represent the inlet openings into the cooling air duct in the pilot cone, are the smallest passages in the system and can intercept particles that could clog subsequent cooling channels. They are viewed as an integrated filter device. The number of the second openings therefore also exceeds the number of the first or second cooling air passages.
  • the inner surface of the jacket of the pilot cone i.e. the surface on the combustion chamber side
  • a thermal insulation layer as is generally the case.
  • the additive manufacturing method enables the simple addition of additional features. It can therefore be useful if at least three protruding prongs are arranged on the outside of the pilot cone as a catch protection. This safety catch keeps the pilot cone in the main burner in the unlikely event of an unintentional loosening of the pilot cone.
  • a burner arrangement comprising a main burner with a central opening along a main burner axis, a pilot burner arranged in the central opening and a direct burner downstream of the pilot burner and fluidically connected to this pilot cone.
  • pilot cone is attached to a support structure which carries the pilot burner and fluidically separates the pilot burner from the main burner.
  • the contact points between the pilot burner and the pilot cone are designed as sliding seats with leakage surfaces.
  • a sliding fit is a fit that can be easily joined, i.e. by hand or with light hammer blows.
  • a cooling air passage is formed by coaxially arranged support structures of the pilot burner or the pilot cone and the main burner, which opens into an annular gap in the pilot cone, the radially inner wall being the support structure of the pilot burner and the radially outer wall being the support structure of the main burner connects to the jacket of the pilot cone.
  • first openings in the radially inner wall lead into a chamber formed by the radially inner wall and the pilot burner, which is fluidically connected to an inlet of the pilot burner.
  • the amount of air required for cooling between the pilot and main burner can thus be divided into a part necessary for cooling the pilot cone and an excess part which is fed to the pilot burner for combustion.
  • the second cooling air passages open into an interface of the pilot cone with the pilot burner, on which a circumferential cavity is formed.
  • the cooling air of the pilot cone is thus used again after the pilot cone has been cooled to flush the interface between the pilot burner and the pilot cone. Otherwise air would have to be fed separately to this area.
  • the circumferential cavity is expediently formed by a recess in the pilot cone and its partial covering by the pilot burner.
  • sealing air outlets are arranged in the circumferential cavity equidistantly over the circumference, so that there is a uniform supply of sealing air in the area of the interface between the pilot cone and the pilot burner.
  • sealing air outlets i.e. sections of the second cooling air passages close to the outlet
  • sealing air outlets are inclined in such a way that they are inclined in the direction of a swirling pilot burner flow when the burner arrangement is in operation. This ensures that the flow is applied downstream of the circumferential cavity along the conical surface, or prevents it from becoming detached.
  • the outlet openings of the second cooling air passages are protected, for example, against soot particles in oil operation.
  • the object of the invention directed to a method is achieved by a method for cooling a pilot cone of a burner arrangement with a pilot burner, wherein the pilot cone comprises a jacket that widens downstream and is arranged immediately downstream of the pilot burner and is fluidically connected to it, in which cooling air is inside the Jacket is guided and the jacket leaving cooling air flushes an interface between the pilot burner and pilot cone.
  • Cooling air is advantageously supplied via a first cooling air passage and is returned via a second cooling air passage adjacent to the first cooling air passage.
  • First and second cooling air passages are connected to one another in the vicinity of the downstream end of the pilot burner via comparatively short first transverse passages.
  • the cooling air is the shortest route from the annular manifold at the upstream end to the vicinity of the downstream end of the pilot cone and returned from there by the shortest route. This results in an efficient and as uniform as possible cooling or temperature distribution in the pilot cone.
  • cooling air is returned via a second cooling air passage adjacent to the blocked second cooling air passage.
  • the complex internal channel structure is implemented using additive manufacturing; with conventional production it would be very difficult or impossible to produce.
  • the complexity which is seen as a cost driver in conventional manufacturing, causes additive manufacturing processes no extra charge.
  • the component can therefore be constructed very efficiently in terms of cooling performance and cooling air balance. Another advantage of additive manufacturing is the very short production times.
  • the Figure 1 shows schematically and by way of example a section of a burner arrangement 2, comprising a main burner 19 with a central opening 20 along a main burner axis 21, a pilot burner 3 arranged in the central opening 20 and a pilot cone 1 arranged directly downstream of the pilot burner 3 and connected to it in terms of flow technology between pilot burner 3 and pilot cone 1 are designed as sliding seats with leakage surfaces.
  • the pilot cone 1 is also attached to a support structure 22 which carries the pilot burner 3 and separates the pilot burner 3 from the main burner 19 in terms of flow.
  • the pilot cone 1 has a jacket 4 that widens downstream in a main flow direction of fuel and air.
  • An inner surface 16 of the jacket 4 of the pilot cone 1 is provided with a thermal insulation layer 17.
  • a cooling air duct 5 runs for the pilot cone 1 in the jacket 4 of the pilot cone 1.
  • the cooling air duct 5 refer to the Figures 3 to 5 referenced.
  • An outer cooling air passage 24 is formed by coaxially arranged support structures 22, 25 of the pilot burner 3 or of the pilot cone 1 and the main burner 19.
  • part of the pilot's combustion air (approx. 30-50%) is guided through this outer cooling air passage 24 to the pilot cone 1 in order to cool the support structure 25 of the main burner 19.
  • the outer passage 24 is optimized in order to generate the flow velocity necessary for the heat transfer with a low pressure loss at the same time.
  • the high pressure gradient between the cooling air inlet and outlet of the pilot cone 1 enables efficient cooling with a comparatively low air mass flow.
  • the outer cooling air passage 24 opens into an annular gap 6 of the pilot cone 1, which is formed by two upstream coaxial, radially inner and radially outer walls 7, 8 arranged on the jacket 4 and extending in the circumferential direction, the radially inner wall 7 being the support structure 22 of the pilot burner 3 and the radially outer wall 8 connects the support structure 25 of the main burner 19 to the jacket 4 of the pilot cone 1.
  • First openings 9 are arranged in the radially inner wall 7.
  • Second openings 10 are arranged between the radially inner 7 and radially outer wall 8 in the jacket 4 of the pilot cone 1.
  • the sum of the cross-sectional areas of all the first openings 9 is greater than the sum of the cross-sectional areas of all the second openings 10 to allow the main part of the cooling air from the outer cooling air passage 24 to be able to supply the pilot burner 3.
  • the first openings 9 in the radially inner wall 7 lead into a chamber 26 formed by the radially inner wall 7 and the pilot burner 3.
  • This chamber 26 is fluidically connected to an inlet 27 of the pilot burner 3.
  • FIGS Figure 2 shows the pilot cone 1 in a side view with inner 7 and outer wall 8. Furthermore, FIGS Figure 2 the areas of the pilot cone 1 indicated in the Figures 3 and 4th are described in more detail.
  • Figure 3 shows a section of the upstream cooling air duct 5 inside the pilot cone 1 and Figure 4 shows a section of the downstream cooling air duct 5.
  • the cooling air duct 5 can be adequately described, since the pattern of the cooling air duct 5 is repeated several times in the circumferential direction. The direction of view is always radially inwards.
  • annular distributor 11 is arranged, into which the second openings 10 arranged in the circumferential direction open.
  • the air for cooling the pilot cone 1 thus initially flows through a multiplicity of second openings 10, which are arranged in the circumferential direction, into the aforementioned annular distributor 11.
  • First cooling air passages 12 branch off from the distributor 11 and extend within the jacket 4 essentially downstream, but with a radial component due to the cone, being connected via circumferentially oriented first transverse passages 13 to directly adjacent, upstream second cooling air passages 14. The latter is in Figure 4 shown.
  • At least two first cooling air passages 12 open into a first transverse passage 13 and at least two second cooling air passages 14 branch off from the first transverse passage 13. Adjacent second cooling air passages 14 are connected to one another via second transverse passages 15. The first and second cooling air passages 12, 14 are round in cross section.
  • first cooling air passages 12 The air thus flows through the first cooling air passages 12 to the front edge of the pilot cone 1 and there flows via first transverse passages 13 to respectively adjacent second cooling air passages 14, which are provided for returning the air to the interface with the pilot burner 1.
  • the first and second cooling air passages 12, 14, ie the supply and return channels, are arranged alternately and adjacent second cooling air passages 14 are connected by second transverse passages 15 in order to allow, in the unlikely event of a blocked cooling passage, an albeit reduced cooling air flow through unblocked sections .
  • This emergency cooling property is intended to counteract further damage to the pilot cone 1 after damage with blocked cooling passages 12, 14, so that operation is possible until the end of the next service interval.
  • a damage scenario would be, for example, the melting of the front edge of the cone after the thermal insulation layer has flaked off and the cooling air passages 12, 14 are blocked.
  • Cross-sections of the second openings 10 are smaller than cross-sections of the first and second cooling air passages 12, 14 or the first and second transverse passages 13, 15 so that a filter function results at the entrance to the cooling air duct 5.
  • the second cooling air passages 14 open into an interface 28 of the pilot cone 1 with the pilot burner 3, ie after flowing through the pilot cone 1, the cooling air enters a circumferential cavity 29, the interface between the pilot cone 1 and the pilot burner 3, and mixes downstream with the pilot burner flow.
  • the circumferential cavity 29 is formed by the partial covering 31 of a recess 30 in the pilot cone 1 by the pilot burner 3 and is aerodynamically designed in such a way that the cooling air flows through or grazes potential dead water areas at the pilot burner outlet, so that there are no reaction zones of the fuel-air mixture of the pilot burner 3 can get stuck there and damage the structure through overheating.
  • sealing air outlets 32 are arranged equidistantly over the circumference in the circumferential cavity 29 and are oriented in such a way that, during operation of the burner arrangement 2, they are inclined in the direction of a swirling pilot burner flow, so that the flow is present downstream of the circumferential cavity 29 to ensure the conical surface or to avoid detachment.
  • the sealing air outlets 32 are protected, for example, against soot particles in oil operation.
  • the cooling is viewed as closed or cooling-air-neutral. Due to the high pressure gradient between the cooling air inlet and outlet, a high cooling effect is achieved with a low cooling air mass flow.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Pilotkonus (1) für die Verwendung in einer Brenneranordnung (2) mit einem Pilotbrenner (3), wobei der Pilotkonus (1) einen sich in einer Hauptströmungsrichtung von Brennstoff und Luft stromabwärts erweiternden Mantel (4) aufweist, wobei eine Kühlluftführung (5) für den Pilotkonus (1) im Mantel (4) des Pilotkonus (1) verläuft. Die Erfindung betrifft ferner eine Brenneranordnung (2) umfassend einen Hauptbrenner (19) mit zentraler Öffnung (20) entlang einer Brennerhauptachse (21), einen in der zentralen Öffnung (20) angeordneten Pilotbrenner (3) und einen unmittelbar stromab des Pilotbrenners (3) angeordneten und mit diesem strömungstechnisch verbundenen Pilotkonus (1). Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Kühlen eines Pilotkonus (1) einer Brenneranordnung (2).The invention relates to a pilot cone (1) for use in a burner arrangement (2) with a pilot burner (3), the pilot cone (1) having a jacket (4) widening downstream in a main flow direction of fuel and air, with a cooling air duct (5) for the pilot cone (1) runs in the jacket (4) of the pilot cone (1). The invention further relates to a burner arrangement (2) comprising a main burner (19) with a central opening (20) along a main burner axis (21), a pilot burner (3) arranged in the central opening (20) and a pilot burner (3) immediately downstream of the pilot burner (3) arranged and fluidically connected to this pilot cone (1). Finally, the invention also relates to a method for cooling a pilot cone (1) of a burner arrangement (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Pilotkonus für die Verwendung in einer Brenneranordnung, sowie eine Brenneranordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen eines Pilotkonus einer Brenneranordnung.The invention relates to a pilot cone for use in a burner arrangement, as well as a burner arrangement. The invention also relates to a method for cooling a pilot cone of a burner arrangement.

Einen zentralen Pilotbrenner mit einem Konus zur Flammengestaltung zu versehen, ist eine weit verbreitete Maßnahme. Typischer Weise ist ein solcher Pilotkonus offen gekühlt, d.h. die Kühlluft wird nach der Kühlung dem Brennraum zugeführt und dort mit der Flamme vermischt. Dies ist als ungünstig im Hinblick auf Reduzierung von NOx-Emissionen anzusehen. Für ein Hochtemperatur-Verbrennungssystem, wie es für zukünftige Gasturbinen erforderlich ist, ist eine geschlossene Kühlung mit Wiederverwendung der Kühlluft notwendig.Providing a central pilot burner with a cone for flame design is a widely used measure. Typically, such a pilot cone is cooled openly, ie the cooling air is fed to the combustion chamber after cooling and is mixed there with the flame. This is to be regarded as unfavorable in terms of reducing NO x emissions. For a high-temperature combustion system, as will be required for future gas turbines, closed cooling with reuse of the cooling air is necessary.

Bei einer geschlossenen Kühlung wird der Pilotkonus üblicherweise durch ein integriertes Design mit Luft gekühlt, die nach erfolgter Kühlaufgabe als Verbrennungsluft genutzt wird. Die Kühlluft wird beispielsweise zwischen einer der Brennkammer zugewandten Grundplatte und einer auf der Rückseite der Grundplatte angeordneten Zwischenplatte, bzw. zwischen Pilotkonus und um den Pilotkonus angeordneten Kühlkonus geführt, um Grundplatte bzw. Pilotkonus zu kühlen und anschließend an der Verbrennung teilzunehmen.In the case of closed cooling, the pilot cone is usually cooled by an integrated design with air, which is used as combustion air after the cooling task has been completed. The cooling air is guided, for example, between a base plate facing the combustion chamber and an intermediate plate arranged on the back of the base plate, or between the pilot cone and the cooling cone arranged around the pilot cone, in order to cool the base plate or pilot cone and then take part in the combustion.

Diese Designs mit internen Kanälen für eine Luftmenge, die deutlich größer ist als für die Kühlaufgabe notwendig, sind allerdings nicht mehr als einfach zu bezeichnen. Die komplexen und recht großen Strukturen sind weder kostengünstig herzustellen noch lassen sich Lebensdauerziele einfach erreichen. Abgesehen von Komplexität und Kosten sind auch die Leistungswerte nicht zufriedenstellend.However, these designs with internal channels for a volume of air that is significantly larger than necessary for the cooling task can no longer be described as simple. The complex and quite large structures are neither inexpensive to manufacture, nor can service life goals be easily achieved. Apart from the complexity and costs, the performance values are also unsatisfactory.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pilotkonus bereitzustellen, bei dem Kühlluft- und Spülluftverbrauch möglichst klein sind und der zugleich möglichst einfach und kostengünstig herzustellen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brenneranordnung mit einem Pilotkonus anzugeben. Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer solchen Brenneranordnung anzugeben.The object of the invention is to provide a pilot cone in which cooling air and scavenging air consumption are as small as possible and which is at the same time as simple and inexpensive to manufacture as possible. Another object of the invention is to provide a burner arrangement with a pilot cone. Finally, it is an object of the invention to specify a corresponding method for operating such a burner arrangement.

Die Erfindung löst die auf einen Pilotkonus gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Pilotkonus für die Verwendung in einer Brenneranordnung mit einem Pilotbrenner, wobei der Pilotkonus einen sich in einer Hauptströmungsrichtung von Brennstoff und Luft stromabwärts erweiternden Mantel aufweist, eine Kühlluftführung für den Pilotkonus im Mantel des Pilotkonus verläuft.The invention solves the problem directed to a pilot cone by providing that in such a pilot cone for use in a burner arrangement with a pilot burner, the pilot cone having a jacket that widens downstream in a main flow direction of fuel and air, a cooling air duct for the Pilot cone runs in the jacket of the pilot cone.

Durch Ausnutzung der gestalterischen Möglichkeiten, die die Anwendung der additiven Fertigung erlaubt, ist es möglich, einen Pilotkonus mit integrierter Kühlung zu fertigen. Der Pilotkonus ist daher ein kompaktes Bauteil, das sich leicht in einen bestehenden Brenner integrieren lässt und das hohe Lebensdauern ermöglicht. Die Komplexität der Kühlluftführung ist vollständig im Innern des Pilotkonus verborgen und lässt sich nur mit additiven Fertigungsmethoden herstellen. Der Kühlluftdurchsatz ist auf den für die Kühlung notwendigen Luftdurchsatz begrenzt, so dass mehr Luft zur Vormischung mit dem Brennstoff zur Verfügung steht.By utilizing the design options that additive manufacturing allows, it is possible to manufacture a pilot cone with integrated cooling. The pilot cone is therefore a compact component that can be easily integrated into an existing burner and that enables a long service life. The complexity of the cooling air routing is completely hidden inside the pilot cone and can only be produced using additive manufacturing methods. The cooling air throughput is limited to the air throughput required for cooling, so that more air is available for premixing with the fuel.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist am Pilotkonus ein Ringspalt durch zwei auf dem Mantel angeordnete, sich in Umfangsrichtung erstreckende, stromaufwärts geneigte koaxiale radial innere und radial äußere Wände gebildet, über den die dem Pilotkonus zur Kühlung zugeführte Luft entsprechend ihrer Verwendung verteilt wird.In an advantageous embodiment of the invention, an annular gap is formed on the pilot cone by two circumferentially extending, upstream inclined, coaxial, radially inner and radially outer walls over which the air supplied to the pilot cone for cooling is distributed according to its use.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn erste Öffnungen in der radial inneren Wand und zweite Öffnungen zwischen radial innerer und radial äußerer Wand im Mantel des Pilotkonus angeordnet sind, und die Summe der Querschnittsflächen aller ersten Öffnungen größer ist als die Summe der Querschnittsflächen aller zweiten Öffnungen. Die den ersten und zweiten Öffnungen zugeführte Luft wurde bereits zur Kühlung stromaufwärts gelagerter Komponenten verwendet und die Kühlluftmenge wurde daher vorrangig für die Erstverwendung optimiert und übersteigt typischerweise den Mengenbedarf für eine Pilotkonuskühlung. Mit der Wahl der Größe der Querschnittsflächen der ersten und zweiten Öffnungen lässt sich die für die Kühlung des Pilotkonus nicht benötigte Luftmenge abtrennen.It is advantageous if first openings in the radially inner wall and second openings between radially inner and radially outer wall are arranged in the jacket of the pilot cone, and the sum of the cross-sectional areas of all the first openings is greater than the sum of the cross-sectional areas of all the second openings. The air supplied to the first and second openings has already been used to cool upstream components and the amount of cooling air has therefore been optimized primarily for the first use and typically exceeds the amount required for pilot cone cooling. With the selection of the size of the cross-sectional areas of the first and second openings, the amount of air that is not required for cooling the pilot cone can be separated off.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Mantel des Pilotkonus ein ringförmiger Verteiler angeordnet, in den die in Umfangsrichtung angeordneten zweiten Öffnungen münden, um die Kühlluft gleichmäßig über den Umfang des Pilotkonus zu verteilen.In an advantageous embodiment of the invention, an annular distributor is arranged in the jacket of the pilot cone, into which the second openings arranged in the circumferential direction open in order to distribute the cooling air evenly over the circumference of the pilot cone.

Es ist vorteilhaft, wenn erste Kühlluftpassagen vom Verteiler abzweigen und sich innerhalb des Mantels stromabwärts erstrecken und wobei die ersten Kühlluftpassagen über in Umfangsrichtung orientierte erste Querpassagen mit direkt benachbarten, sich stromaufwärts erstreckenden zweiten Kühlluftpassagen verbunden sind. Dies sorgt für eine effiziente und gleichmäßige Kühlung im Pilotkonus.It is advantageous if first cooling air passages branch off from the distributor and extend downstream within the jacket, and the first cooling air passages are connected via circumferentially oriented first transverse passages with directly adjacent, upstream extending second cooling air passages. This ensures efficient and even cooling in the pilot cone.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn mindestens zwei erste Kühlluftpassagen in eine erste Querpassage münden und mindestens zwei zweite Kühlluftpassagen von der ersten Querpassage abzweigen. Daraus ergeben sich zweierlei Vorteile. Zum einen kann eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über den Umfang des Pilotkonus erfolgen. Zum anderen fällt bei Verstopfung einer Kühlluftpassage nicht gleich ein ganzer Pfad aus, sondern lediglich die Durchströmung in einer Richtung ist gestört oder unterbrochen.It is furthermore advantageous if at least two first cooling air passages open into a first transverse passage and at least two second cooling air passages branch off from the first transverse passage. This has two advantages. On the one hand, the temperature can be distributed more evenly over the circumference of the pilot cone. On the other hand, if a cooling air passage is blocked, an entire path does not immediately fail, but only the flow in one direction is disturbed or interrupted.

Es ist daher auch vorteilhaft, wenn einander benachbarte zweite Kühlluftpassagen über zweite Querpassagen miteinander verbunden sind.It is therefore also advantageous if adjacent second cooling air passages are connected to one another via second transverse passages.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die ersten und zweiten Kühlluftpassagen im Querschnitt rund. Mit rechteckigen Kühlluftpassagen lassen sich zwar größere Kanalquerschnitte realisieren, runde Kühlluftpassagen sind aber im Hinblick auf Materialspannungen und Lebensdauer günstiger.In an advantageous embodiment, the first and second cooling air passages are round in cross section. With rectangular cooling air passages, larger duct cross-sections can be realized, but round cooling air passages are more favorable in terms of material stresses and service life.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind Öffnungsquerschnitte der zweiten Öffnungen kleiner, als Querschnitte der ersten und zweiten Kühlluftpassagen bzw. der ersten und zweiten Querpassagen. Die zweiten Öffnungen, die quasi die Eintrittsöffnungen in die Kühlluftführung im Pilotkonus darstellen, sind die kleinsten Passagen im System und können Partikel abfangen, die nachfolgende Kühlkanäle verstopfen könnten. Sie werden als integrierte Filtereinrichtung angesehen. Die Anzahl der zweiten Öffnungen übersteigt daher auch die Anzahl der ersten oder zweiten Kühlluftpassagen.In a further advantageous embodiment, opening cross-sections of the second openings are smaller than cross-sections of the first and second cooling air passages or the first and second transverse passages. The second openings, which, as it were, represent the inlet openings into the cooling air duct in the pilot cone, are the smallest passages in the system and can intercept particles that could clog subsequent cooling channels. They are viewed as an integrated filter device. The number of the second openings therefore also exceeds the number of the first or second cooling air passages.

Zur generellen Verminderung des Kühlluftbedarfs ist es zweckmäßig, wenn die innere Oberfläche des Mantels des Pilotkonus, d.h. die brennraumseitige Oberfläche, wie generell üblich, mit einer Wärmedämmschicht versehen ist.To generally reduce the cooling air requirement, it is useful if the inner surface of the jacket of the pilot cone, i.e. the surface on the combustion chamber side, is provided with a thermal insulation layer, as is generally the case.

Die additive Fertigungsmethode ermöglicht das einfache Zufügen von zusätzlichen Merkmalen. Daher kann es zweckmäßig sein, wenn mindestens drei überstehende Zinken außen am Pilotkonus als Fangsicherung angeordnet sind. Diese Fangsicherung hält in dem unwahrscheinlichen Fall eines unbeabsichtigten Lösens des Pilotkonus diesen im Hauptbrenner fest.The additive manufacturing method enables the simple addition of additional features. It can therefore be useful if at least three protruding prongs are arranged on the outside of the pilot cone as a catch protection. This safety catch keeps the pilot cone in the main burner in the unlikely event of an unintentional loosening of the pilot cone.

Die auf eine Brenneranordnung gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Brenneranordnung umfassend einen Hauptbrenner mit zentraler Öffnung entlang einer Brennerhauptachse, einen in der zentralen Öffnung angeordneten Pilotbrenner und einen unmittelbar stromab des Pilotbrenners angeordneten und mit diesem strömungstechnisch verbundenen Pilotkonus.The object directed to a burner arrangement is achieved by a burner arrangement comprising a main burner with a central opening along a main burner axis, a pilot burner arranged in the central opening and a direct burner downstream of the pilot burner and fluidically connected to this pilot cone.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Pilotkonus an einer Tragstruktur befestigt ist, die den Pilotbrenner trägt und den Pilotbrenner vom Hauptbrenner strömungstechnisch trennt.It is useful if the pilot cone is attached to a support structure which carries the pilot burner and fluidically separates the pilot burner from the main burner.

Vorteilhafter Weise sind Kontaktstellen zwischen Pilotbrenner und Pilotkonus als Schiebesitze mit Leckageflächen ausgeführt. Als Schiebesitz bezeichnet man eine Passung die sich leicht fügen lässt, d.h. von Hand oder mit leichten Hammerschlägen.Advantageously, the contact points between the pilot burner and the pilot cone are designed as sliding seats with leakage surfaces. A sliding fit is a fit that can be easily joined, i.e. by hand or with light hammer blows.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Kühlluftpassage von koaxial angeordneten Tragstrukturen des Pilotbrenners bzw. des Pilotkonus und des Hauptbrenners gebildet, welche in einen Ringspalt des Pilotkonus mündet, wobei die radial innere Wand die Tragstruktur des Pilotbrenners und die radial äußere Wand die Tragstruktur des Hauptbrenners mit dem Mantel des Pilotkonus verbindet.In an advantageous embodiment of the invention, a cooling air passage is formed by coaxially arranged support structures of the pilot burner or the pilot cone and the main burner, which opens into an annular gap in the pilot cone, the radially inner wall being the support structure of the pilot burner and the radially outer wall being the support structure of the main burner connects to the jacket of the pilot cone.

Vorteilhafter Weise führen erste Öffnungen in der radial inneren Wand in eine von der radial inneren Wand und dem Pilotbrenner gebildete Kammer, die strömungstechnisch mit einem Eingang des Pilotbrenners verbunden ist. Damit ist die für die Kühlung zwischen Pilot- und Hauptbrenner benötigte Luftmenge aufteilbar, in einen für die Kühlung des Pilotkonus notwendigen Teil und einen überschüssigen Teil, der dem Pilotbrenner zur Verbrennung zugeführt wird.Advantageously, first openings in the radially inner wall lead into a chamber formed by the radially inner wall and the pilot burner, which is fluidically connected to an inlet of the pilot burner. The amount of air required for cooling between the pilot and main burner can thus be divided into a part necessary for cooling the pilot cone and an excess part which is fed to the pilot burner for combustion.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die zweiten Kühlluftpassagen in eine Schnittstelle des Pilotkonus mit dem Pilotbrenner münden, an der eine Umfangskavität gebildet ist. Die Kühlluft des Pilotkonus wird somit nach erfolgter Kühlung des Pilotkonus zur Spülung der Schnittstelle zwischen Pilotbrenner und Pilotkonus nochmals verwendet. Ansonsten müsste Luft separat diesem Bereich zugeführt werden.Furthermore, it is advantageous if the second cooling air passages open into an interface of the pilot cone with the pilot burner, on which a circumferential cavity is formed. The cooling air of the pilot cone is thus used again after the pilot cone has been cooled to flush the interface between the pilot burner and the pilot cone. Otherwise air would have to be fed separately to this area.

Zweckmäßigerweise wird die Umfangskavität durch eine Ausnehmung im Pilotkonus und deren teilweise Überdeckung durch den Pilotbrenner gebildet.The circumferential cavity is expediently formed by a recess in the pilot cone and its partial covering by the pilot burner.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Sperrluftauslässe in der Umfangskavität äquidistant über den Umfang angeordnet sind, so dass sich eine gleichmäßige Versorgung mit Sperrluft im Bereich der Schnittstelle des Pilotkonus mit dem Pilotbrenner ergibt.It is particularly advantageous if sealing air outlets are arranged in the circumferential cavity equidistantly over the circumference, so that there is a uniform supply of sealing air in the area of the interface between the pilot cone and the pilot burner.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn Sperrluftauslässe, d.h. austrittsnahe Abschnitte der zweiten Kühlluftpassagen so geneigt sind, dass sie im Betrieb der Brenneranordnung in Richtung einer drallbehafteten Pilotbrennerströmung geneigt sind. Damit wird ein Anliegen der Strömung stromab der Umfangskavität entlang der Konusoberfläche sichergestellt, bzw. ein Ablösen vermieden. Außerdem sind aufgrund der Überdeckung die Austrittsöffnungen der zweiten Kühlluftpassagen geschützt bspw. gegen Rußpartikel im Ölbetrieb.It is also advantageous if sealing air outlets, i.e. sections of the second cooling air passages close to the outlet, are inclined in such a way that they are inclined in the direction of a swirling pilot burner flow when the burner arrangement is in operation. This ensures that the flow is applied downstream of the circumferential cavity along the conical surface, or prevents it from becoming detached. In addition, due to the overlap, the outlet openings of the second cooling air passages are protected, for example, against soot particles in oil operation.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen eines Pilotkonus einer Brenneranordnung mit Pilotbrenner, wobei der Pilotkonus einen sich stromabwärts erweiternden Mantel umfasst und unmittelbar stromab des Pilotbrenners angeordnet und mit diesem strömungstechnisch verbundenen ist, bei dem Kühlluft im Inneren des Mantels geführt wird und den Mantel verlassende Kühlluft eine Schnittstelle zwischen Pilotbrenner und Pilotkonus spült.The object of the invention directed to a method is achieved by a method for cooling a pilot cone of a burner arrangement with a pilot burner, wherein the pilot cone comprises a jacket that widens downstream and is arranged immediately downstream of the pilot burner and is fluidically connected to it, in which cooling air is inside the Jacket is guided and the jacket leaving cooling air flushes an interface between the pilot burner and pilot cone.

Vorteilhafter Weise wird Kühlluft über eine erste Kühlluftpassage zugeführt und über eine der ersten Kühlluftpassage benachbarte zweite Kühlluftpassage rückgeführt. Erste und zweite Kühlluftpassagen sind in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Pilotbrenners über vergleichsweise kurze erste Querpassagen miteinander verbunden. Insbesondere wird die Kühlluft auf dem kürzesten Weg vom ringförmigen Verteiler am stromaufwärtigen Ende bis in die Nähe des stromabwärtigen Endes des Pilotkonus geführt und von dort wieder auf dem kürzesten Weg zurückgeführt. Dadurch ergibt sich eine effiziente und möglichst gleichmäßige Kühlung bzw. Temperaturverteilung im Pilotkonus.Cooling air is advantageously supplied via a first cooling air passage and is returned via a second cooling air passage adjacent to the first cooling air passage. First and second cooling air passages are connected to one another in the vicinity of the downstream end of the pilot burner via comparatively short first transverse passages. In particular, the cooling air is the shortest route from the annular manifold at the upstream end to the vicinity of the downstream end of the pilot cone and returned from there by the shortest route. This results in an efficient and as uniform as possible cooling or temperature distribution in the pilot cone.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn Kühlluft im Falle einer blockierten zweiten Kühlluftpassage über eine der blockierten zweiten Kühlluftpassage benachbarten zweite Kühlluftpassage rückgeführt wird.Furthermore, it is advantageous if, in the case of a blocked second cooling air passage, cooling air is returned via a second cooling air passage adjacent to the blocked second cooling air passage.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind:

  • ein kompakter Pilotkonus ohne Dehnungsbehinderung mit gleichmäßiger Bauteiltemperatur und daraus resultierender hoher Bauteil-Lebensdauer,
  • eine geschlossene Luftkühlung des Pilotkonus, da die Luft zur Spülung der Schnittstelle zwischen Pilotkonus und Pilotbrenner nochmals verwendet wird. Ansonsten müsste diese Luft separat diesem Bereich zugeführt werden und stünde für die Vormischung mit dem Brennstoff im Pilotbrenner nicht zur Verfügung. Somit besteht kein negativer Effekt auf NOx-Emissionen bei effektiver Kühlung.
  • eine geringe Empfindlichkeit gegen Verblockung der Kühlluftkanäle durch externe Partikel mittels integrierter Filterfunktion,
  • eine integrierte Notkühleigenschaft bei Blockierung von Kühlluftkanälen durch alternierend verlaufende Kühlluftschleifen und Verbindungen zwischen ihnen und
  • eine optimierte Gestaltung der Kühlluftpassagen am Austritt in die Kavität (Anstellung in Strömungsrichtung der Pilotbrennerströmung) zur optimalen Spülluftführung in der Schnittstelle zwischen Pilotkonus und Pilotbrenner.
The main advantages of the invention are:
  • a compact pilot cone without expansion restriction with a constant component temperature and the resulting long component service life,
  • closed air cooling of the pilot cone, as the air is used again to flush the interface between the pilot cone and the pilot burner. Otherwise this air would have to be fed separately to this area and would not be available for premixing with the fuel in the pilot burner. There is therefore no negative effect on NO x emissions with effective cooling.
  • low sensitivity to blockage of the cooling air ducts by external particles by means of an integrated filter function,
  • an integrated emergency cooling feature when cooling air ducts are blocked by alternating cooling air loops and connections between them and
  • an optimized design of the cooling air passages at the exit into the cavity (adjustment in the direction of flow of the pilot burner flow) for optimal purge air guidance in the interface between pilot cone and pilot burner.

Die komplexe interne Kanalstruktur wird durch die Anwendung der additiven Fertigung realisiert; mit konventioneller Fertigung wäre sie nur sehr schwer oder gar nicht herstellbar. Die Komplexität, die bei der konventionellen Fertigung als Kostentreiber gesehen wird, verursacht bei den additiven Fertigungsverfahren keinen Aufpreis. Daher kann das Bauteil sehr effizient, im Hinblick auf Kühlleistung und Kühlluftbilanz, aufgebaut werden. Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung besteht in den sehr kurzen Fertigungszeiten.The complex internal channel structure is implemented using additive manufacturing; with conventional production it would be very difficult or impossible to produce. The complexity, which is seen as a cost driver in conventional manufacturing, causes additive manufacturing processes no extra charge. The component can therefore be constructed very efficiently in terms of cooling performance and cooling air balance. Another advantage of additive manufacturing is the very short production times.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1
eine schematische Darstellung einer Brenneranordnung mit Hauptbrenner, Pilotbrenner und Brennerkonus im Längsschnitt entlang der Hauptachse,
Figur 2
einen Pilotkonus,
Figur 3
einen Ausschnitt der stromaufwärtigen Kühlluftführung,
Figur 4
einen Ausschnitt des stromabwärtigen Kühlluftführung und
Figur 5
einen Blick in Richtung der Hauptachse auf einen Ausschnitt der stromaufwärtigen Kühlluftführung.
The invention is explained in more detail by way of example with reference to the drawings. They show schematically and not to scale:
Figure 1
a schematic representation of a burner arrangement with main burner, pilot burner and burner cone in longitudinal section along the main axis,
Figure 2
a pilot cone,
Figure 3
a section of the upstream cooling air duct,
Figure 4
a section of the downstream cooling air duct and
Figure 5
a view in the direction of the main axis of a section of the upstream cooling air duct.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Ausschnitt einer Brenneranordnung 2, umfassend einen Hauptbrenner 19 mit zentraler Öffnung 20 entlang einer Brennerhauptachse 21, einen in der zentralen Öffnung 20 angeordneten Pilotbrenner 3 und einen unmittelbar stromab des Pilotbrenners 3 angeordneten und mit diesem strömungstechnisch verbundenen Pilotkonus 1. Kontaktstellen 23 zwischen Pilotbrenner 3 und Pilotkonus 1 sind als Schiebesitze mit Leckageflächen ausgeführt.The Figure 1 shows schematically and by way of example a section of a burner arrangement 2, comprising a main burner 19 with a central opening 20 along a main burner axis 21, a pilot burner 3 arranged in the central opening 20 and a pilot cone 1 arranged directly downstream of the pilot burner 3 and connected to it in terms of flow technology between pilot burner 3 and pilot cone 1 are designed as sliding seats with leakage surfaces.

Der Pilotkonus 1 ist ferner an einer Tragstruktur 22 befestigt, die den Pilotbrenner 3 trägt und den Pilotbrenner 3 vom Hauptbrenner 19 strömungstechnisch trennt.The pilot cone 1 is also attached to a support structure 22 which carries the pilot burner 3 and separates the pilot burner 3 from the main burner 19 in terms of flow.

Der Pilotkonus 1 weist einen sich in einer Hauptströmungsrichtung von Brennstoff und Luft stromabwärts erweiternden Mantel 4 auf. Eine innere Oberfläche 16 des Mantels 4 des Pilotkonus 1 ist mit einer Wärmedämmschicht 17 versehen. Gemäß der Erfindung verläuft eine Kühlluftführung 5 für den Pilotkonus 1 im Mantel 4 des Pilotkonus 1. Für Details der Kühlluftführung 5 wird auf die Figuren 3 bis 5 verwiesen.The pilot cone 1 has a jacket 4 that widens downstream in a main flow direction of fuel and air. An inner surface 16 of the jacket 4 of the pilot cone 1 is provided with a thermal insulation layer 17. According to the invention, a cooling air duct 5 runs for the pilot cone 1 in the jacket 4 of the pilot cone 1. For details of the cooling air duct 5, refer to the Figures 3 to 5 referenced.

Von koaxial angeordneten Tragstrukturen 22, 25 des Pilotbrenners 3 bzw. des Pilotkonus 1 und des Hauptbrenners 19 wird eine äußere Kühlluftpassage 24 gebildet.An outer cooling air passage 24 is formed by coaxially arranged support structures 22, 25 of the pilot burner 3 or of the pilot cone 1 and the main burner 19.

Im Betrieb der Brenneranordnung 2 wird ein Teil der Verbrennungsluft des Piloten (ca. 30-50%) durch diese äußere Kühlluftpassage 24 zum Pilotkonus 1 geführt, um die Tragstruktur 25 des Hauptbrenners 19 zu kühlen.When the burner arrangement 2 is in operation, part of the pilot's combustion air (approx. 30-50%) is guided through this outer cooling air passage 24 to the pilot cone 1 in order to cool the support structure 25 of the main burner 19.

Lediglich ein kleiner Teil dieser Luft wird dem Pilotkonus 1 zur Kühlung zugeführt, während der Hauptteil zum Pilotbrenner 3 geleitet wird.Only a small part of this air is fed to the pilot cone 1 for cooling, while the main part is fed to the pilot burner 3.

Die äußere Passage 24 ist optimiert, um die für den Wärmeübergang nötige Strömungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig niedrigem Druckverlust zu generieren. Das hohe Druckgefälle zwischen Kühllufteintritt und -austritt des Pilotkonus 1 ermöglicht eine effiziente Kühlung bei vergleichsweise niedrigem Luftmassenstrom.The outer passage 24 is optimized in order to generate the flow velocity necessary for the heat transfer with a low pressure loss at the same time. The high pressure gradient between the cooling air inlet and outlet of the pilot cone 1 enables efficient cooling with a comparatively low air mass flow.

Die äußere Kühlluftpassage 24 mündet in einen Ringspalt 6 des Pilotkonus 1, der durch zwei auf dem Mantel 4 angeordnete, sich in Umfangsrichtung erstreckende, stromaufwärts geneigte koaxiale radial innere und radial äußere Wände 7, 8 gebildet wird, wobei die radial innere Wand 7 die Tragstruktur 22 des Pilotbrenners 3 und die radial äußere Wand 8 die Tragstruktur 25 des Hauptbrenners 19 mit dem Mantel 4 des Pilotkonus 1 verbindet.The outer cooling air passage 24 opens into an annular gap 6 of the pilot cone 1, which is formed by two upstream coaxial, radially inner and radially outer walls 7, 8 arranged on the jacket 4 and extending in the circumferential direction, the radially inner wall 7 being the support structure 22 of the pilot burner 3 and the radially outer wall 8 connects the support structure 25 of the main burner 19 to the jacket 4 of the pilot cone 1.

Erste Öffnungen 9 sind in der radial inneren Wand 7 angeordnet. Zweite Öffnungen 10 sind zwischen radial innerer 7 und radial äußerer Wand 8 im Mantel 4 des Pilotkonus 1 angeordnet. Die Summe der Querschnittsflächen aller ersten Öffnungen 9 ist größer als die Summe der Querschnittsflächen aller zweiten Öffnungen 10, um den Hauptteil der Kühlluft aus der äußeren Kühlluftpassage 24 dem Pilotbrenner 3 zuführen zu können.First openings 9 are arranged in the radially inner wall 7. Second openings 10 are arranged between the radially inner 7 and radially outer wall 8 in the jacket 4 of the pilot cone 1. The sum of the cross-sectional areas of all the first openings 9 is greater than the sum of the cross-sectional areas of all the second openings 10 to allow the main part of the cooling air from the outer cooling air passage 24 to be able to supply the pilot burner 3.

Insbesondere führen die ersten Öffnungen 9 in der radial inneren Wand 7 in eine von der radial inneren Wand 7 und dem Pilotbrenner 3 gebildete Kammer 26. Diese Kammer 26 ist strömungstechnisch mit einem Eingang 27 des Pilotbrenners 3 verbunden.In particular, the first openings 9 in the radially inner wall 7 lead into a chamber 26 formed by the radially inner wall 7 and the pilot burner 3. This chamber 26 is fluidically connected to an inlet 27 of the pilot burner 3.

Figur 2 zeigt den Pilotkonus 1 in einer Seitenansicht mit innerer 7 und äußerer Wand 8. Ferner sind in Figur 2 die Bereiche des Pilotkonus 1 angedeutet, die in den Figuren 3 und 4 näher beschrieben sind. Figure 2 shows the pilot cone 1 in a side view with inner 7 and outer wall 8. Furthermore, FIGS Figure 2 the areas of the pilot cone 1 indicated in the Figures 3 and 4th are described in more detail.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt der stromaufwärtigen Kühlluftführung 5 im Inneren des Pilotkonus 1 und Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der stromabwärtigen Kühlluftführung 5. Anhand der Ausschnitte lässt sich die Kühlluftführung 5 hinreichend beschreiben, da das Muster der Kühlluftführung 5 sich im Umfangsrichtung mehrmals wiederholt. Die Blickrichtung ist jeweils radial nach Innen. Figure 3 shows a section of the upstream cooling air duct 5 inside the pilot cone 1 and Figure 4 shows a section of the downstream cooling air duct 5. Using the sections, the cooling air duct 5 can be adequately described, since the pattern of the cooling air duct 5 is repeated several times in the circumferential direction. The direction of view is always radially inwards.

Im Mantel 4 des Pilotkonus 1 ist ein ringförmiger Verteiler 11 angeordnet, in den die in Umfangsrichtung angeordneten zweiten Öffnungen 10 münden. Im Betrieb der Brenneranordnung 2 strömt die Luft zum Kühlen des Pilotkonus 1 also zunächst durch eine Vielzahl an zweiten Öffnungen 10, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, in den genannten ringförmigen Verteiler 11.In the jacket 4 of the pilot cone 1, an annular distributor 11 is arranged, into which the second openings 10 arranged in the circumferential direction open. When the burner arrangement 2 is in operation, the air for cooling the pilot cone 1 thus initially flows through a multiplicity of second openings 10, which are arranged in the circumferential direction, into the aforementioned annular distributor 11.

Erste Kühlluftpassagen 12 zweigen vom Verteiler 11 ab und erstrecken sich innerhalb des Mantels 4 im Wesentlichen stromabwärts, aber mit einer radialen Komponente aufgrund des Konus, wobei sie über in Umfangsrichtung orientierte erste Querpassagen 13 mit direkt benachbarten, sich stromaufwärts erstreckenden zweiten Kühlluftpassagen 14 verbunden sind. Letzteres ist in Figur 4 dargestellt.First cooling air passages 12 branch off from the distributor 11 and extend within the jacket 4 essentially downstream, but with a radial component due to the cone, being connected via circumferentially oriented first transverse passages 13 to directly adjacent, upstream second cooling air passages 14. The latter is in Figure 4 shown.

Mindestens zwei erste Kühlluftpassagen 12 münden in eine erste Querpassage 13 und mindestens zwei zweite Kühlluftpassagen 14 zweigen von der ersten Querpassage 13 ab. Einander benachbarte zweite Kühlluftpassagen 14 sind über zweite Querpassagen 15 miteinander verbunden. Die ersten und zweiten Kühlluftpassagen 12, 14 sind im Querschnitt rund.At least two first cooling air passages 12 open into a first transverse passage 13 and at least two second cooling air passages 14 branch off from the first transverse passage 13. Adjacent second cooling air passages 14 are connected to one another via second transverse passages 15. The first and second cooling air passages 12, 14 are round in cross section.

Die Luft strömt also durch die ersten Kühlluftpassagen 12 zur Vorderkante des Pilotkonus 1 und strömt dort über erste Querpassagen 13 zu jeweils benachbarten zweiten Kühlluftpassagen 14, die für die Rückführung der Luft zur Schnittstelle mit dem Pilotbrenner 1 vorgesehen sind. Die ersten und zweiten Kühlluftpassagen 12, 14, d.h., die zuführenden und rückführenden Kanäle, sind wechselseitig angeordnet und benachbarte zweite Kühlluftpassagen 14 sind durch zweite Querpassagen 15 verbunden, um im unwahrscheinlichen Fall einer blockierten Kühlpassage einen wenn auch reduzierten Kühlluftstrom durch nicht blockierte Abschnitte zu ermöglichen.The air thus flows through the first cooling air passages 12 to the front edge of the pilot cone 1 and there flows via first transverse passages 13 to respectively adjacent second cooling air passages 14, which are provided for returning the air to the interface with the pilot burner 1. The first and second cooling air passages 12, 14, ie the supply and return channels, are arranged alternately and adjacent second cooling air passages 14 are connected by second transverse passages 15 in order to allow, in the unlikely event of a blocked cooling passage, an albeit reduced cooling air flow through unblocked sections .

Diese Notkühleigenschaft soll nach einem Schaden mit blockierten Kühlpassagen 12, 14 der weiteren Schädigung des Pilotkonus 1 entgegenwirken, so dass ein Betrieb bis zum Ende des nächsten Serviceintervals möglich ist. Ein Schadensszenario wäre bspw. das Anschmelzen der Konusvorderkante nach Abplatzen der Wärmedämmschicht und Versperrung der Kühlluftpassagen 12, 14.This emergency cooling property is intended to counteract further damage to the pilot cone 1 after damage with blocked cooling passages 12, 14, so that operation is possible until the end of the next service interval. A damage scenario would be, for example, the melting of the front edge of the cone after the thermal insulation layer has flaked off and the cooling air passages 12, 14 are blocked.

Querschnitte der zweiten Öffnungen 10 sind kleiner als Querschnitte der ersten und zweiten Kühlluftpassagen 12, 14 bzw. der ersten und zweiten Querpassagen 13, 15 so dass sich eine Filterfunktion am Eingang zur Kühlluftführung 5 ergibt.Cross-sections of the second openings 10 are smaller than cross-sections of the first and second cooling air passages 12, 14 or the first and second transverse passages 13, 15 so that a filter function results at the entrance to the cooling air duct 5.

Die zweiten Kühlluftpassagen 14 münden in eine Schnittstelle 28 des Pilotkonus 1 mit dem Pilotbrenner 3, d.h. nach Durchströmen des Pilotkonus 1 tritt die Kühlluft in eine Umfangskavität 29 ein, die Schnittstelle zwischen Pilotkonus 1 und Pilotbrenner 3, und mischt stromab in die Pilotbrennerströmung ein.The second cooling air passages 14 open into an interface 28 of the pilot cone 1 with the pilot burner 3, ie after flowing through the pilot cone 1, the cooling air enters a circumferential cavity 29, the interface between the pilot cone 1 and the pilot burner 3, and mixes downstream with the pilot burner flow.

Die Umfangskavität 29 wird durch die teilweise Überdeckung 31 einer Ausnehmung 30 im Pilotkonus 1 durch den Pilotbrenner 3 gebildet und ist aerodynamisch so ausgeführt, dass potenzielle Totwassergebiete am Pilotbrenneraustritt von der Kühlluft durchströmt oder gestreift werden, so dass sich keine Reaktionszonen des Brennstoff-Luftgemischs des Pilotbrenners 3 dort festsetzen und die Struktur durch Überhitzung schädigen können.The circumferential cavity 29 is formed by the partial covering 31 of a recess 30 in the pilot cone 1 by the pilot burner 3 and is aerodynamically designed in such a way that the cooling air flows through or grazes potential dead water areas at the pilot burner outlet, so that there are no reaction zones of the fuel-air mixture of the pilot burner 3 can get stuck there and damage the structure through overheating.

Die als Sperrluftauslässe 32 bezeichneten austrittsnahen Passagen der zweiten Kühlluftpassagen 14 sind in der Umfangskavität 29 äquidistant über den Umfang angeordnet und so orientiert, dass sie im Betrieb der Brenneranordnung 2 in Richtung einer drallbehafteten Pilotbrennerströmung geneigt sind, um ein Anliegen der Strömung stromab der Umfangskavität 29 entlang der Konusoberfläche sicherzustellen, bzw. ein Ablösen zu vermeiden. Als Nebeneffekt der Überdeckung 31 sind die Sperrluftauslässe 32 geschützt bspw. gegen Rußpartikel im Ölbetrieb.The passages of the second cooling air passages 14 near the outlet, designated as sealing air outlets 32, are arranged equidistantly over the circumference in the circumferential cavity 29 and are oriented in such a way that, during operation of the burner arrangement 2, they are inclined in the direction of a swirling pilot burner flow, so that the flow is present downstream of the circumferential cavity 29 to ensure the conical surface or to avoid detachment. As a side effect of the cover 31, the sealing air outlets 32 are protected, for example, against soot particles in oil operation.

Die aus Sicherheitsaspekten notwendige Spülung der Umfangskavität 29 stellt eine Wiederverwendung der Kühlluft dar. Somit wird die Kühlung als geschlossen oder kühlluftneutral angesehen. Durch das hohe Druckgefälle zwischen Kühllufteintritt und -austritt wird eine hohe Kühlwirkung bei geringem Kühlluftmassenstrom erzielt.The flushing of the circumferential cavity 29, which is necessary for safety reasons, represents a reuse of the cooling air. Thus, the cooling is viewed as closed or cooling-air-neutral. Due to the high pressure gradient between the cooling air inlet and outlet, a high cooling effect is achieved with a low cooling air mass flow.

Schließlich sind im Ausführungsbeispiel der Figur 3 drei überstehende Zinken 18 außen am Pilotkonus 1 angeordnet, um im sehr unwahrscheinlichen Fall eines Auseinanderbrechens des Pilotkonus 1 Einzelteile im Hauptbrenner 19 festzuhalten.Finally, in the exemplary embodiment Figure 3 three protruding prongs 18 are arranged on the outside of the pilot cone 1 in order to hold individual parts in the main burner 19 in the very unlikely event that the pilot cone 1 breaks apart.

Claims (23)

Pilotkonus (1) für die Verwendung in einer Brenneranordnung (2) mit einem Pilotbrenner (3), wobei der Pilotkonus (1) einen sich in einer Hauptströmungsrichtung von Brennstoff und Luft stromabwärts erweiternden Mantel (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlluftführung (5) für den Pilotkonus (1) im Mantel (4) des Pilotkonus (1) verläuft.Pilot cone (1) for use in a burner arrangement (2) with a pilot burner (3), the pilot cone (1) having a jacket (4) widening downstream in a main flow direction of fuel and air, characterized in that a cooling air duct ( 5) for the pilot cone (1) runs in the jacket (4) of the pilot cone (1). Pilotkonus (1) nach Anspruch 1, wobei ein Ringspalt (6) durch zwei auf dem Mantel (4) angeordnete, sich in Umfangsrichtung erstreckende, stromaufwärts geneigte koaxiale radial innere und radial äußere Wände (7, 8) gebildet wird.Pilot cone (1) according to claim 1, wherein an annular gap (6) is formed by two upstream inclined coaxial, radially inner and radially outer walls (7, 8) arranged on the jacket (4) and extending in the circumferential direction. Pilotkonus (1) nach Anspruch 2, wobei erste Öffnungen (9) in der radial inneren Wand (7) und zweite Öffnungen (10) zwischen radial innerer (7) und radial äußerer Wand (8) im Mantel (4) des Pilotkonus (1) angeordnet sind, und die Summe der Querschnittsflächen aller ersten Öffnungen (9) größer ist als die Summe der Querschnittsflächen aller zweiten Öffnungen (10).Pilot cone (1) according to claim 2, wherein first openings (9) in the radially inner wall (7) and second openings (10) between radially inner (7) and radially outer wall (8) in the jacket (4) of the pilot cone (1 ) are arranged, and the sum of the cross-sectional areas of all first openings (9) is greater than the sum of the cross-sectional areas of all second openings (10). Pilotkonus (1) nach Anspruch 3, wobei im Mantel (4) ein ringförmiger Verteiler (11) angeordnet ist, in den die in Umfangsrichtung angeordneten zweiten Öffnungen (10) münden.Pilot cone (1) according to claim 3, wherein an annular distributor (11) is arranged in the jacket (4), into which the second openings (10) arranged in the circumferential direction open. Pilotkonus (1) nach Anspruch 4, wobei erste Kühlluftpassagen (12) vom Verteiler (11) abzweigen und sich innerhalb des Mantels (4) stromabwärts erstrecken und wobei die ersten Kühlluftpassagen (12) über in Umfangsrichtung orientierte erste Querpassagen (13) mit direkt benachbarten, sich stromaufwärts erstreckenden zweiten Kühlluftpassagen (14) verbunden sind.Pilot cone (1) according to claim 4, wherein first cooling air passages (12) branch off from the distributor (11) and extend downstream within the jacket (4) and wherein the first cooling air passages (12) with directly adjacent ones via circumferentially oriented first transverse passages (13) , upstream extending second cooling air passages (14) are connected. Pilotkonus (1) nach Anspruch 5, wobei mindestens zwei erste Kühlluftpassagen (12) in eine erste Querpassage (13) münden und mindestens zwei zweite Kühlluftpassagen (14) von der ersten Querpassage (13) abzweigen.Pilot cone (1) according to claim 5, wherein at least two first cooling air passages (12) open into a first transverse passage (13) and at least two second cooling air passages (14) branch off from the first transverse passage (13). Pilotkonus (1) nach Anspruch 6, wobei einander benachbarte zweite Kühlluftpassagen (14) über zweite Querpassagen (15) miteinander verbunden sind.Pilot cone (1) according to claim 6, wherein adjacent second cooling air passages (14) are connected to one another via second transverse passages (15). Pilotkonus (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die ersten und zweiten Kühlluftpassagen (12, 14) im Querschnitt rund sind.Pilot cone (1) according to one of claims 5 to 7, wherein the first and second cooling air passages (12, 14) are round in cross section. Pilotkonus (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei Öffnungsquerschnitte der zweiten Öffnungen (10) kleiner sind, als Querschnitte der ersten und zweiten Kühlluftpassagen (12, 14) bzw. der ersten und zweiten Querpassagen (13, 15).Pilot cone (1) according to one of Claims 5 to 8, opening cross-sections of the second openings (10) being smaller than cross-sections of the first and second cooling air passages (12, 14) or the first and second transverse passages (13, 15). Pilotkonus (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine innere Oberfläche (16) des Mantels (4) des Pilotkonus (1) mit einer Wärmedämmschicht (17) versehen ist.Pilot cone (1) according to one of the preceding claims, wherein an inner surface (16) of the jacket (4) of the pilot cone (1) is provided with a thermal insulation layer (17). Pilotkonus (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens drei überstehende Zinken (18) außen am Pilotkonus (1) angeordnet sind.Pilot cone (1) according to one of the preceding claims, wherein at least three protruding prongs (18) are arranged on the outside of the pilot cone (1). Brenneranordnung (2) umfassend einen Hauptbrenner (19) mit zentraler Öffnung (20) entlang einer Brennerhauptachse (21), einen in der zentralen Öffnung (20) angeordneten Pilotbrenner (3) und einen unmittelbar stromab des Pilotbrenners (3) angeordneten und mit diesem strömungstechnisch verbundenen Pilotkonus (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Burner arrangement (2) comprising a main burner (19) with a central opening (20) along a main burner axis (21), a pilot burner (3) arranged in the central opening (20) and a pilot burner (3) arranged immediately downstream of the pilot burner (3) and with it in terms of flow connected pilot cone (1) according to one of the preceding claims. Brenneranordnung (2) nach Anspruch 12, wobei der Pilotkonus (1) an einer Tragstruktur (22) befestigt ist, die den Pilotbrenner (3) trägt und den Pilotbrenner (3) vom Hauptbrenner (19) strömungstechnisch trennt.Burner assembly (2) according to claim 12, wherein the pilot cone (1) is attached to a support structure (22) which the Carries pilot burner (3) and fluidically separates the pilot burner (3) from the main burner (19). Brenneranordnung (2) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei Kontaktstellen (23) zwischen Pilotbrenner (3) und Pilotkonus (1) als Schiebesitze mit Leckageflächen ausgeführt sind.Burner arrangement (2) according to one of Claims 12 or 13, the contact points (23) between the pilot burner (3) and the pilot cone (1) being designed as sliding seats with leakage surfaces. Brenneranordnung (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, und nach Anspruch 2, wobei eine Kühlluftpassage (24) von koaxial angeordneten Tragstrukturen (22, 25) des Pilotbrenners (3) bzw. des Pilotkonus (1) und des Hauptbrenners (19) gebildet wird und in einen Ringspalt (6) des Pilotkonus (1) mündet, wobei die radial innere Wand (7) die Tragstruktur (22) des Pilotbrenners (3) und die radial äußere Wand (8) die Tragstruktur (25) des Hauptbrenners (19) mit dem Mantel (4) des Pilotkonus (1) verbindet.Burner arrangement (2) according to one of claims 12 to 14, and according to claim 2, wherein a cooling air passage (24) of coaxially arranged support structures (22, 25) of the pilot burner (3) or the pilot cone (1) and the main burner (19) is formed and opens into an annular gap (6) of the pilot cone (1), the radially inner wall (7) the support structure (22) of the pilot burner (3) and the radially outer wall (8) the support structure (25) of the main burner ( 19) connects to the jacket (4) of the pilot cone (1). Brenneranordnung (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 und nach den Ansprüchen 2 und 3, wobei erste Öffnungen (9) in der radial inneren Wand (7) in eine von der radial inneren Wand (7) und dem Pilotbrenner (3) gebildete Kammer (26) führen, die strömungstechnisch mit einem Eingang (27) des Pilotbrenners (3) verbunden ist.Burner arrangement (2) according to one of claims 12 to 15 and according to claims 2 and 3, wherein first openings (9) in the radially inner wall (7) in one of the radially inner wall (7) and the pilot burner (3) Lead chamber (26) which is fluidically connected to an inlet (27) of the pilot burner (3). Brenneranordnung (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 16 und nach Anspruch 5, wobei die zweiten Kühlluftpassagen (14) in eine Schnittstelle (28) des Pilotkonus (1) mit dem Pilotbrenner (3) münden, an der eine Umfangskavität (29) gebildet ist.Burner arrangement (2) according to one of Claims 12 to 16 and according to Claim 5, the second cooling air passages (14) opening into an interface (28) of the pilot cone (1) with the pilot burner (3) at which a circumferential cavity (29) is formed is. Brenneranordnung (2) nach Anspruch 17, wobei die Umfangskavität (29) durch eine Ausnehmung (30) im Pilotkonus (1) und deren teilweise Überdeckung (31) durch den Pilotbrenner (3) gebildet wird.Burner arrangement (2) according to Claim 17, the circumferential cavity (29) being formed by a recess (30) in the pilot cone (1) and its partial covering (31) by the pilot burner (3). Brenneranordnung (2) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei Sperrluftauslässe (32) in der Umfangskavität (29) äquidistant über den Umfang angeordnet sind.Burner arrangement (2) according to one of Claims 17 or 18, sealing air outlets (32) in the circumferential cavity (29) being arranged equidistantly over the circumference. Brenneranordnung (2) nach Anspruch 19, wobei Sperrluftauslässe (32) (austrittsnahe Passagen) so geneigt sind, dass sie im Betrieb der Brenneranordnung (2) in Richtung einer drallbehafteten Pilotbrennerströmung geneigt sind.Burner arrangement (2) according to claim 19, wherein sealing air outlets (32) (passages close to the outlet) are inclined in such a way that they are inclined in the direction of a swirling pilot burner flow when the burner arrangement (2) is in operation. Verfahren zum Kühlen eines Pilotkonus (1) einer Brenneranordnung (2) mit Pilotbrenner (3), wobei der Pilotkonus (1) einen sich stromabwärts erweiternden Mantel (4) umfasst und unmittelbar stromab des Pilotbrenners (3) angeordnet und mit diesem strömungstechnisch verbundenen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlluft im Inneren des Mantels (4) geführt wird und den Mantel (4) verlassende Kühlluft eine Schnittstelle (28) zwischen Pilotbrenner (3) und Pilotkonus (1) spült.Method for cooling a pilot cone (1) of a burner arrangement (2) with a pilot burner (3), wherein the pilot cone (1) comprises a jacket (4) which widens downstream and is arranged immediately downstream of the pilot burner (3) and is fluidically connected to it, characterized in that cooling air is guided inside the jacket (4) and cooling air leaving the jacket (4) flushes an interface (28) between the pilot burner (3) and the pilot cone (1). Verfahren nach Anspruch 21, wobei Kühlluft über eine erste Kühlluftpassage 12 zugeführt und über eine benachbarte zweite Kühlluftpassage 14 rückgeführt wird.The method according to claim 21, wherein cooling air is supplied via a first cooling air passage 12 and is returned via an adjacent second cooling air passage 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei Kühlluft im Falle einer blockierten zweiten Kühlluftpassage 14 über eine der blockierten zweiten Kühlluftpassage 14 benachbarten zweite Kühlluftpassage 14 rückgeführt wird.Method according to one of Claims 21 or 22, cooling air being returned in the case of a blocked second cooling air passage 14 via a second cooling air passage 14 adjacent to the blocked second cooling air passage 14.
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