DE10040869A1

DE10040869A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschine

Info

Publication number: DE10040869A1
Application number: DE10040869A
Authority: DE
Inventors: Ephraim Gutmark; Christian Oliver Paschereit; Wolfgang Weisenstein
Original assignee: Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2002-03-07
Also published as: EP1182398A1; EP1182398B1; DE50108063D1; US20020026796A1; JP2002130676A; US6599121B2; JP4819260B2

Abstract

Beschreiben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschine mit einem Brenner, in den Brennstoff und Luft zur Durchmischung eingeleitet werden, die als Brennstoff-/Luftgemisch den Brenner längs seiner Brennerachse stromab durch einen Brenneraustritt verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luftgemisches nachfolgende Brennkammer einmünden. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Brennstoff-/Luftgemisch mit einem nicht axialsymmetrischen Strömungsquerschnitt in die Brennkammer einmündet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur Unter drückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschnine mit einem Brenner, in den Brennstoff und Luft zur Durchmischung eingeleitet werden, die als Brennstoff-/Luftgemisch den Brenner längs seiner Brennerachse stromab durch ei nen Brenneraustritt verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luftgemisches nachfolgende Brennkammer einmünden.

Stand der Technik

Beim Betrieb von Strömungskraftmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinenanla gen, treten in den Brennkammern häufig unerwünschte, so genannte thermoakusti sche Schwingungen auf, die am Brenner als strömungsmechanische Instabilitäts wellen entstehen und zu Strömungswirbeln führen, die den gesamten Verbrennungs vorgang stark beeinflussen und zu unerwünschten periodischen Wärmefreisetzungen innerhalb der Brennkammer führen, die mit starken Druckschwankungen verbunden sind. Mit den hohen Druckschwankungen sind hohe Schwingungsamplituden ver knüpft, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Be lastung des Brennkammergehäuses, einer erhöhten NO_x-Emission durch eine inho mogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme innerhalb der Brennkammer führen können.

Thermoakustische Schwingungen beruhen zumindest teilweise auf Strömungsinsta bilitäten der Brennerströmung, die sich in kohärenten Strömungsstrukturen äußern, und die die Mischungsvorgänge zwischen Luft und Brennstoff beeinflussen. Bei her kömmlichen Brennkammern wird Kühlluft in Art eines Kühlluftfilm über die Brenn kammerwände geleitet. Neben dem Kühleffekt wirkt der Kühlluftfilm auch schall dämpfend und trägt zur Verminderung von thermoakustischen Schwingungen bei. In modernen Gasturbinenbrennkammern mit hohen Wirkungsgraden, niedrigen Emis sionen und einer konstanten Temperaturverteilung am Turbineneintritt ist der Kühl luftstrom in die Brennkammer deutlich reduziert und die gesamte Luft wird durch den Brenner geleitet. Jedoch reduziert sich zugleich auch der schalldämpfende Kühlluft film, wodurch die schalldämpfende Wirkung herabgesetzt wird und die mit den uner wünschten Schwingungen verbundenen Probleme wieder verstärkt auftreten.

Eine weitere Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln so genannter Helmholtz-Dämpfern im Bereich der Brennkammer oder der Kühlluftzufuhr. Jedoch ist bei modernen Brennkammerkonstruktionen das Vorsehen derartiger Helmholtz- Dämpfer auf Grund enger Platzverhältnisse mit großen Schwierigkeiten verbunden.

Daneben ist bekannt, dass den im Brenner auftretenden strömungsmechanischen Instabilitäten und den damit verbundenen Druckschwankungen dadurch entgegen getreten werden kann, indem die Brennstoffflamme durch zusätzliche Eindüsung von Brennstoff stabilisiert werden kann. Eine derartige Eindüsung von zusätzlichem Brennstoff erfolgt über die Kopfstufe des Brenners, in der eine auf der Brennerachse liegende Düse für die Pilot-Brennstoffgaszuführung vorgesehen ist, was jedoch zu einer Anfettung der zentralen Flammstabilisierungszone führt. Diese Methode der Verminderung von thermoakustischen Schwingungsamplituden ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die Eindüsung von Brennstoff an der Kopfstufe mit einer Erhöhung der Emission von NO_x einhergehen kann.

Nähere Untersuchungen zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen haben gezeigt, dass derartig unerwünschte kohärente Strukturen bei Mischvorgängen ent stehen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die sich zwischen zwei mischenden Strömungen ausbildenden Scherschichten, innerhalb der kohärente Strukturen gebil det werden. Nähere Ausführungen hierzu sind folgenden Druckschriften zu entneh men: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid mechanics, Vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, "Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet", Journal of Fluid Me chanics, Vol. 283, 365-407).

Wie aus den vorstehenden Artikeln hervorgeht, ist es möglich, die sich innerhalb der Scherschichten ausbildenden kohärenten Strukturen durch gezieltes Einbringen ei ner akustischen Anregung derart zu beeinflussen, dass Ihre Entstehung verhindert wird. Eine weitere Methode ist das Einbringen eines akustischen Gegenschallfeldes, sodass das vorhandene unerwünschte Schallfeld durch ein gezielt eingebrachtes, phasenverschobenes Schallfeld regelrecht ausgelöscht wird. Die Antischall-Technik, wie sie auch beschrieben wird, benötigt jedoch verhältnismäßig viel Energie, die entweder extern dem Brennersystem zur Verfügung gestellt werden muss oder die dem gesamten System an einer anderen Stelle abzuzweigen ist, was jedoch zu ei ner, wenn auch geringen, aber dennoch vorhandenen Wirkungsgradeinbuße führt.

Neben den vorstehenden aktiven Möglichkeiten zur gezielten Einflußnahme zur Re duzierung sich im Inneren von Brennern ausbildenden kohärenten Strukturen soll es insbesondere möglich sein mit passiven Maßnahmen derartigen Störungen in der Brennerströmung entgegenzutreten. Passive Maßnahmen, die den Betriebsbereich eines Brenners in Bezug auf Pulsationen und Emissionen erweitern, sind besonders attraktiv, da sie einmal installiert keiner weiteren Wartung bedürfen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschine mit einem Brenner, in den Brennstoff und Luft zur Durchmischung eingeleitet werden, die als Brennstoff- /Luftgemisch den Brenner längs seiner Brennerachse stromab durch einen Brenner austritt verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung des Brennstoff- /Luftgemisches nachfolgende Brennkammer einmünden, derart weiterzubilden, dass die unerwünschten Strömungswirbel, die sich als kohärente Druckschwankungs strukturen ausbilden, effizient und ohne zusätzlichen Energieaufwand ausgelöscht werden sollen. Die hierzu notwendigen Maßnahmen sollen einen geringen konstruk tiven Aufwand verursachen und kostengünstig in ihrer Realisierung sein. Die einge setzten Maßnahmen sollen überdies vollständig wartungsfrei sein. Ferner gilt es eine diesbezügliche Vorrichtung bereitzustellen.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 4 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbei spielen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß sieht das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vor den Strömungsquerschnitt des längs aus dem Brenner austretenden Brennstoff- /Luftgemisches nicht axialsymmetrisch auszubilden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch die Verhinderung der Ent stehung von Wirbelstrukturen am Brenneraustritt auch eine periodische Wärmefrei setzung unterbunden wird, die ihrerseits Grundlage für das Auftreten thermoakusti scher Schwingungen ist, was durch die erfindungsgemäße Maßnahme gezielt ver hindert wird.

Typischerweise weist der Brenner mindestens zwei hohle, in Strömungsrichtung der Heißgase ineinander geschachtelte Teilkörper auf, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, sodass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teil körpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine zentrale Brennstoffdüse aufweist. Derartige, auch als Kegelbrenner oder Doppelke gelbrenner bezeichnete Brennertypen, weisen an ihrem Brenneraustritt eine Abriss kante auf, deren Kantenverlauf aus zwei Halbkreisen besteht, deren geschlossener Kantenverlauf jedoch nahezu kreisrund und somit axialsymmetrisch zur Brennerachse ausgebildet ist. Das sich innerhalb bisheriger Brenner ausbildenden Brennstoff /Luftgemisch breitet sich längs der Brennerachse nicht zuletzt bedingt durch die symmetrische Brenneraustrittsgeometrie in Form einer axialsymmetrischen Strömung aus, mit all ihren bekannten Nachteilen bezüglich der Bildung kohärenter Strukturen und den damit verbundenen thermoakustischen Druckschwankungen.

Sorgt man hingegen dafür, dass gezielte Unsymmetrien in den Strömungsfluß des sich längs des Brenners ausbildenden und strömenden Brennstoff-/Luftgemisch ein gebracht werden, sodass sich der Strömungsquerschnitt von dem einer axialsymme trisch Strömung unterscheidet, so kann auf diese Weise wirksam der Ausbildung ko härenter Strukturen begegnet werden.

Eine derartige Einflußnahme auf die Strömungsgeometrie kann beispielsweise durch eine asymmetrische bzw. nicht zur Brennerachse axialsymmetrische Ausbildung der Austrittskante am Brenneraustritt erfolgen. So können bereits deutliche Verbesse rungen durch eine elliptische Ausbildung der Austrittskante am Brenneraustritt hin sichtlich der Unterdrückung von Strömungswirbeln verzeichnet werden. Ferner tra gen jedwede von der Kreisform abweichende Teilkonturen an der Austrittskante, bspw. durch Einbringen geradliniger oder asphärisch gekrümmter Kantenabschnit ten, zur Reduzierung von Strömungswirbeln bei.

Neben der geometrischen Ausgestaltung der Brenneraustrittskante können alternativ sowie auch in Kombination zur vorherigen Maßnahme jedwede Formen und Form teile, die im Inneren des Brenner vorgesehen sind und die Strömungscharakteristik des Brennstoff-/Luftgemisches von einem axialsymmetrischen Ausbreitungsverhalten abweichen lassen, zum Erfolg hinsichtlich der Unterdrückung von Strömungswirbeln beitragen.

Als grundsätzliche Auslegungsregel für die Ausgestaltung der Brenneraustrittskante ist zu beachten, daß die geometrische Abweichung von einer runden Geometrie zu mindest so groß zu wählen ist, daß die sich ergebende Distanz zwischen beiden Geometrien größer als die Grenzschichtdicke der Strömung ist, die durch die Brenn öffnung hindurchströmt, ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:

Fig. 1 Fotografische Darstellung eines Brenners am Brenneraustritt mit asymmetrischen Verlauf der Brenneraustrittskante, sowie

Fig. 2 Darstellung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen durch Unterdrückung von Strömungswirbeln in einem Brenner.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist der Brenneraustrittsbereich BA eines Doppelkegelbrenners DB darge stellt, dessen Austrittskante A sich aus einer Vielzahl geradliniger Abschnitte 1 zu sammensetzt. (Der sich stromauf an den Brennerautrittsbereich anschließende Brenner ist bildlich abgeschnitten und nicht weiter dargestellt). Die einzelnen geradli nigen Abschnitte 1 der Austrittskante A umspannen die Austrittsöffnung des Bren ners DB, deren Öffnungsquerschnitt einen, von der axialsymmetrischen Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist, sodass sich die durch diese Öffnung hindurch tretende Strömung in Form eines nicht axialsymmetrischen Brennstoff- /Luftgemisches ausbildet.

In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, entlang der Abszisse die Verbrennungslei stung des Brenners gemäß Fig. 1 aufgetragen ist; entlang der Ordinate ist eine Skalierung aufgetragen, die die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen, die als Folge kohärenter Strukturen innerhalb des Strömungsflusses im Brenner entstehen, quantifiziert. Betrachtet werden thermoakustische Schwingungen im 100 Hz- Bereich.

Vergleicht man einen Brenner mit konventionellem Brenneraustritt (siehe Linienzug mit Quadraten durchsetzt) mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Brenneraustritt gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 (siehe Linienzug mit Kreisen durchsetzt), so fällt deutlich auf, dass im letzteren Fall ein erheblich geringerer Anteil thermoaku stischer Schwingungen entstehen.

Bezugszeichenliste

1

geradlinige Abschnitte

2

Innenwände
A Austrittskante
BA Brenneraustrittsbereich
DB Doppelkegelbrenner

Claims

1. Verfahren zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strö mungskraftmaschine mit einem Brenner (DB), in den Brennstoff und Luft zur Durch mischung eingeleitet werden, die als Brennstoff-/Luftgemisch den Brenner längs sei ner Brennerachse stromab durch einen Brenneraustritt (BA) verlassen und in eine, dem Brenner (DB) in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luftgemisches nachfolgen de Brennkammer einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-/Luftgemisch mit einem nicht axial symmetrischen Strömungsquerschnitt in die Brennkammer einmündet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Brennstoff-/Luftgemisches ein Brenner (DB) verwendet wird, der aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luftgemisches ineinandergeschachtelten Teilkörpern besteht, deren Mittelachsen zueinander versetzt laufen, dergestalt, dass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungs luft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine axial angeordnete Brennstoffdüse, durch die der Brennstoff eingedüst wird, aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sich längs zur Brennerachse ausbreitende Brennstoff-/Luftgemisch durch Teilbereiche des Brenners (DB) und/oder durch den Brenneraustritt (BA) zur Ausbildung des gewünschten Strömungsquerschnitt abge lenkt wird.

4. Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strö mungskraftmaschnine mit einem Brenner (DB), in den Brennstoff und Luft zur gegenseitigen Durchmischung einleitbar sind und den Brenner als Brennstoff- /Luftgemisch längs seiner Brennerachse stromab durch einen Brenneraustritt (BA) verlassen und in eine, dem Brenner (DB) in Strömungsrichtung des Brennstoff- /Luftgemisches nachfolgende Brennkammer einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Brenneraustritt (BA) eine Austritts kontur aufweist, die einen Strömungsquerschnitt einschließt, der eine nicht axial symmetrische Form aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenneraustritt (BA) eine elliptisch geformte Austrittskontur aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (BA) mindestens zwei hohle, in Strö mungsrichtung des Brennstoff-/Luftgemisches ineinandergeschachtelte Teilkörper aufweist, deren Mittelachsen zueinander versetzt laufen, dergestalt, dass benach barte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine axial angeordnete Brennstoffdüse, durch die der Brennstoff eingedüst wird, aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper Innenwandungen mit Formen aufwei sen, die jeweils einen nicht axialsymmetrischen Strömungsquerschnitt einschließen.