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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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In Gasturbinen wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrannt und der heiße Abgasstrahl einer Turbine zugeführt, mittels welcher die Wärmeenergie der Verbrennung in mechanische Energie umgesetzt wird. Während des Betriebs wird Brennstoffmenge und Luftzufuhr zur Brennkammer so eingestellt, dass die Turbine bei maximalem Wirkungsgrad und minimaler mechanischer Belastung die gewünschte Leistung erzeugt.
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Es kann jedoch vorkommen, dass durch Turbulenzen im Abgasstrom die Flamme in der Brennkammer zu oszillieren beginnt. Meist ändert sie dabei mit einer Frequenz von einigen 10 Hz ihre Ausdehnung und Temperatur und damit die Energieverteilung im Brennraum. Dies kann wiederum zu Druckschwankungen im Abgasstrom führen, die Torsionsschwingungen des Turbinenrotors verursachen. Durch die mechanische Kopplung des Turbinenrotors an weitere abtriebsseitige Komponenten, wie beispielsweise Kupplungen, Getriebe, Generatoren oder dergleichen, werden derartige Torsionsschwingungen weiter übertragen und führen zu Verschleiß nicht nur an der Turbine selbst sondern auch an den weiteren genannten Komponenten.
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Es ist bekannt, derartige Turbulenzen mittels geeigneter Leitschaufeln (beispielsweise sogenannten variable inlet guide vanes) zu unterbinden bzw. abzuschwächen. Auch durch die Regelung der Brennstoffmenge können Torsionsschwingungen an der Turbine minimiert werden. Eine solche Wahl der Verbrennungsparameter kann jedoch zu suboptimalen Wirkungsgraden und Leistungsabgaben führen.
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Es ist ferner bekannt, mittels eingestrahlter elektromagnetischer Felder die Flammenform in der Brennkammer durch Kraftausübung auf das ionisierte Gas der Flamme zu beeinflussen, um die Verbrennung zu verbessern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8 bereitzustellen, die bei möglichst optimalem Wirkungsgrad und möglichst optimaler Leistungsabgabe einen besonders verschleißarmen Turbinenbetrieb ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Eine solche Gasturbine umfasst eine Brennkammer zum Verbrennen eines Treibstoff-Luft-Gemischs, sowie eine Turbineneinrichtung, welche mittels der Verbrennungsgase zum Erzeugen mechanischer Energie antreibbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Gasturbine zumindest eine Abstrahlvorrichtung zum Abstrahlen eines elektromagnetischen Wechselfelds in die Brennkammer unter Eintrag thermischer Energie umfasst.
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Durch Einstrahlen eines derartigen, vorzugsweise hochfrequenten Wechselfeldes wird also nicht nur die Flammenform beeinflusst, sondern vielmehr direkt thermische Energie in die Flamme eingetragen. Dies beruht auf den elektrischen Verlusten bei der Wechselwirkung des Wechselfeldes mit dem ionisierten Plasma der Flamme. Durch Einkoppeln des elektromagnetischen Wechselfeldes wird somit die Flammentemperatur erhöht. Hierdurch wird es möglich, beispielsweise auf Grundlage von Turbulenzen im Treibstoffstrom auftretende Oszillationen der Flammtemperatur durch entsprechende Eingriffe mittels des eingestrahlten elektromagnetischen Wechselfeldes zu glätten bzw. ganz zu unterbinden. Die Verbrennung in der Turbine wird somit gleichmäßiger, sodass die aus Verbrennungsoszillationen resultierenden Torsisonsschwingungen des Turbinenrotors und der mechanisch mit diesen abtriebsseitig gekoppelten Komponenten vermieden werden können.
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Die Regelung des Gasgemisches in der beschriebenen Gasturbine kann somit auf einem optimalen Wirkungsgrad und eine optimale Leistungsabgabe hin ausgelegt werden, ohne dass auf die Flammenstabilität Rücksicht genommen werden muss. Insgesamt kann eine derartige Turbine somit mit kleinstmöglichem Verschleiß bei optimalen Wirkungsgrad und optimaler Leistungsabgabe betrieben werden.
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Die Abstrahlvorrichtung kann dabei als Antenne, Spule, Kondensatorplatte oder dergleichen ausgebildet sein. Insbesondere zweckmäßig ist es, wenn die Abstrahlvorrichtung zumindest ein paar von an gegenüberliegenden Seiten der Brennkammer angeordneten Spulen, Antennen oder dergleichen umfasst.
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Es ist ferner zweckmäßig, die Abstrahlvorrichtung mit einer Sendevorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes zu koppeln, die idealerweise mit einer zugeordneten Steuereinrichtung zum Ansteuern der Sendevorrichtung gekoppelt ist.
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Um zu bestimmen, wie das elektromagnetische Wechselfeld idealerweise ausgelegt werden muss, um den momentanen Verbrennungsparametern zu entsprechen, ist es zweckmäßig, die Steuervorrichtung mit zumindest einem Sensor zum Erfassen eines Betriebsparameters der Gasturbine zu koppeln. Beispielsweise kann durch die Messung von Beschleunigungen am Turbinenrotor, oder der Torsion am Turbinenrotor eine Oszillation der Flamme detektiert werden und das elektromagnetische Wechselfeld entsprechend angepasst werden, um dieser entgegenzuwirken.
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Auch eine direkte Messung des Flammzustandes ist möglich. Hierzu wird die Steuervorrichtung zum Messen einer Reflektions- und/oder Transmissionseigenschaft der Abstrahlvorrichtung ausgelegt. Reflektion bzw. Transmission des elektromagnetischen Feldes, welches in die Brennkammer eingekoppelt wird, hängt vom jeweiligen Zustand der Flamme ab. Insbesondere ändern sich mit der Flammentemperatur Permitivität, dielektrische Verluste und Impedanz des Gases in der Brennkammer, sodass durch Beobachtung des elektromagnetischen Wechselfelds selbst Rückschlüsse auf den Flammenzustand getroffen werden können, sodass eine Glättung von Flammenoszillationen möglich wird.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, bei welcher ein Treibstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrannt und die entstehenden Verbrennungsgase zur Erzeugung mechanischer Energie einer Turbineneinrichtung zugeleitet werden. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass im Bereich der Brennkammer in Abhängigkeit von einem Verbrennungszustand des Gas-Luft-Gemisches ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, wobei durch das Wechselfeld thermische Energie in die Brennkammer eingetragen wird.
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Wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Gasturbine erläutert, können auf diese Art turbulenzbedingte Oszillationen der Flamme, die zu Druckschwankungen und damit Torsionsschwingungen in der Turbineneinrichtung führen könnten, durch zusätzlichen Wärmeeintrag kompensiert und geglättet werden, sodass die Turbine an ihrem optimalen Betriebspunkt bei gleichzeitigem normalen Verschleiß betrieben werden kann.
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Die Energiezuführung über das Brennkammervolumen muss dabei nicht homogen sein. Unter gewissen Umständen kann es zweckmäßig sein, wenn lediglich einem Teilbereich einer Flamme in der Brennkammer durch Beaufschlagung mit dem elektromagnetischen Wechselfeld thermische Energie zugeführt wird. Beispielsweise können so Flammenrandbereiche zusätzlich aufgeheizt werden, um eine homogenere Verbrennung zu gewährleisten.
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Die Frequenz des erzeugten Wechselfeldes wird vorzugsweise in Abhängigkeit von zumindest einem Zustandsparameter der Flamme eingestellt. Mit anderen Worten wird die Einstrahlung elektromagnetischer und damit thermischer Energie in die Brennkammer vom aktuellen Verbrennungszustand abhängig gemacht, sodass Abweichungen von einem vorgegebenen Sollzustand korrigiert werden können.
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Zweckmäßigerweise wird dabei eine Impedanz einer Sendeeinrichtung zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfelds in Abhängigkeit von zumindest einem Zustandsparameter der Flamme eingestellt. Hierdurch können temperaturbedingte Schwankungen der Permitivität und der dielektrischen Verluste in der Brennkammer kompensiert werden, sodass immer der gewünschte Energiebetrag zuführbar ist.
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Der zumindest eine Zustandsparameter der Flamme kann, wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Gasturbine geschildert, durch Messen zumindest eines Betriebsparameters der Gasturbine bestimmt werden. Da sich Druckschwankungen in der Brennkammer unmittelbar auf die Turbineneinrichtung auswirken und dort beispielsweise Torsionen erzeugen, kann durch Messung des Torsionszustands des Turbinenrotors auf dem Flammenzustand in der Brennkammer rückgeschlossen werden. Auch Druck- bzw. Temperaturmessungen können hierbei Anwendung finden.
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Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, den wenigstens einen Zustandsparameter der Flamme durch Messung einer Absorptions- und/oder Transmissionseigenschaft einer Abstrahlvorrichtung zum Abstrahlen des elektromagnetischen Wechselfelds in dem Brennraum zu bestimmen, da die Absorption bzw. Transmission von elektromagnetischen Wellen in der Brennkammer unmittelbar vom Flammenzustand abhängen.
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Es ist ferner zweckmäßig, das elektromagnetische Wechselfeld räumlich und/oder zeitlich zu modulieren, so dass alle Teilbereiche der Brennkammer ungeachtet ihrer eigenen zeitlichen Variation jeweils auf die gewünschten Optimalbedingungen gebracht werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige FIG zeigt hierbei eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasturbine.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnet Gasturbine umfasst eine Turbineneinheit 12 sowie einen Verdichter 14, die auf einer gemeinsamen Welle 16 angeordnet sind. Einer Brennkammer 18 wird über eine Leitung 20 ein Treibstoff-Luft-Gemisch zugeführt, welches in der Brennkammer 18 verbrannt wird. Durch eine Öffnung 22 treten die heißen Verbrennungsgase in die Turbineneinheit 12 ein und treiben die Gasturbine 10 an. Durch die Kopplung mit dem Verdichter 14 wird zusätzlich verdichtete Luft durch die Turbine gefördert, was deren Wirkungsgrad erhöht.
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Aufgrund von Turbulenzen oder dergleichen im Strom des Treibstoff-Luft-Gemisches, kann es dabei zu Oszillationen in der Flamme in der Brennkammer 18 kommen. Temperaturschwankungen in der Flamme führen wiederum zu Druckschwankungen, was letztendlich in einer Oszillation der auf die Turbineneinheit 12 wirkenden Kräfte führt. In der Turbineneinheit 12 kann es daher zu Torsionsspannungen kommen, die sich über die Welle 16 auch über den Verdichter 14 sowie auf abtriebsseitig nachgelagerte Komponenten, wie beispielsweise Getriebe, Generatoren oder dergleichen fortsetzen können und den Verschleiß aller beteiligten mechanischen Komponenten erhöhen können.
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Um derartigen Oszillationen entgegenzuwirken, sind an der Brennkammer 18 Elektroden 24 angebracht, zwischen denen ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt werden kann. Die Erzeugung erfolgt dabei mittels eines Hochfrequenzgenerators 26 mit einem nachgelagerten Hochfrequentfrontend 28, wobei beide Komponenten 26, 28 von einer Steuereinheit 30 angesteuert werden
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Die beschriebene elektromagnetische Feldeinspeiseeinrichtung weist eine charakteristische Impedanz auf, die abhängig von der Geometrie, dem Material des Brennraums 18 sowie der Elektroden 24 ist und ferner von der Frequenz des angelegten elektromagnetischen Wechselfeldes und der Beschaffenheit des Dielektrikums im Brennraum 18 zwischen den Elektroden 24 ist. Letztere wird durch die Eigenschaften der Gase im Brennraum bestimmt. Im nicht gezündeten Zustand befindet sich im Brennraum ein kaltes Gasgemisch mit großem Luftanteil. Das Dielektrikum weist in diesem Zustand tendeziell sehr geringe dielektrische Verluste und eine geringe relative Permitivität auf, was zu einer sehr hoch ohmigen Impedanz der Feldeinspeiseeinrichtung führt.
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Nach Zündung einer Flamme im Brennraum 18 bestimmt diese die Hochfrequenzeigenschaften des Dielektrikums maßgeblich, sofern die Flamme große Teile desjenigen Volumens ausfüllt, welches von den zwischen den Elektroden 24 anliegenden Feld durchdrungen wird. Die Flamme besteht aus ionisiertem Gas, welches leitfähig ist und daher eine andere Permitivität und größere dielektrische Verluste aufweist als das nicht ionisierte Gas im ungezündeten Zustand. Nach der Zündung sinkt daher die Impedanz der Elektrodenanordnung.
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Ein Medium mit dielektrischen Verlusten absorbiert elektromagnetische Energie und setzt diese in Wärme um. Durch das Zuführen eines elektromagnetischen Wechselfeldes über die Elektroden 24 wird in dem Brennraum 18 elektromagnetische Energie injiziert und das Gasgemisch heizt sich daher auf.
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Oszilliert nun die Flamme im Brennraum 18, so ändern sich die Eigenschaften der Flamme periodisch zwischen zwei Endzuständen. Im heißen Endzustand sind große Teile des Gases im Brennraum ionisiert, der Brennraum weist einen hohen Energiegehalt auf. Im weniger heißen Endzustand der Flamme ist das Volumen ionisierter Gase geringer und der Energiegehalt im Brennraum daher entsprechend niedriger. Diese Oszillation lässt sich grundsätzlich wie folgt beschreiben: P(x, y, z, t) = Pm(x, y, z)·e(jω+α)t
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Sie ist charakterisiert durch die Resonanzfrequenz ω und eine Dämpfungskonstante α. Dementsprechend schwankt die Energiemenge, die in der Oszillation enthalten ist, über die Zeit: E(t) = E0·e2αt
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Die Energie, welche benötigt wird, um die Oszillation zu stören und zu modulieren, kann dabei durch folgende Gleichung beschrieben werden: Ec= E(t) = E0·e2αt
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Mit anderen Worten ist die Energie, welche benötigt wird, um die Oszillation zu verhindern klein, wenn sie früh injiziert wird, und wenn die Absorptionsfähigkeit des Gasgemisches bei der Injektion hoch ist.
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Es ist daher notwendig, mittels des Senders 26, des Frontends 28 und der Elektroden 24 eine schnelle und variable Einkopplung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern in dem Brennraum 18 zu realisieren. Die Einkopplung muss erfolgen, sobald sich erste Resonanz- bzw. Schwingungseffekte im Brennraum 18 zeigen. Hierzu ist es erforderlich, den Beginn der Flammenoszillation zu detektieren. Hierzu kann zunächst die bereits vorhandene Betriebssensorik der Gasturbine 10 verwendet werden, indem existierende Sensoren für Beschleunigungen, Drücke, Torsionen an der Turbineneinheit 12 und dergleichen mit der Steuereinrichtung 30 gekoppelt werden und von dieser ausgewertet werden.
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Beim Auftreten von Oszillationen wird ein Triggersignal gegeben, welches dazu führt, dass die Hochfrequenzleistung durch Sender 26 und Frontend 28 mit dem richtigen Timing impedanzangepasst in die Elektrodenanordnung 24 eingespeist wird, wodurch sich im Brennraum ein stützendes, elektromagnetisches Heizfeld aufbaut.
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Alternativ oder zusätzlich können auch die elektromagnetischen Eigenschaften der Elektrodenanordnung 24 im Zusammenspiel mit Frontend 28 und Sender 26 ausgenutzt werden, um beginnende Oszillationen zu detektieren. Hierzu wird kontinuierlich das Reflexions- und Transmissionsverhalten der Elektrodenanordnung 24 überwacht.
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Bei beginnender Flammenoszillation ändert sich dieses Verhalten analog zur Schwankung des Energiegehalts im Brennraum und zur Schwankung des Ionisationsgrades. Wird eine Oszillation des Reflektions- /Transmissionsverhaltens registriert, wird durch Sender 26 und Frontend 28 die Hochfrequenzleistung, die über die Elektroden 24 eingespeist wird, mit dem richtigen Timing impedanzangepasst bereitgestellt, was wiederum den gewünschten Aufbau des Heizfeldes bewirkt.
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Um eine frühe Erkennung der Flammenoszillation und damit ein Unterbinden der Oszillation mit möglichst geringem Energieaufwand zu ermöglichen, muss die Amplitude der Flammenoszillation in Echtzeit überwacht werden, um periodische Energieminima im Brennraum 18 früh zu erkennen. Der Zeitpunkt dieser Minima ist der Zeitpunkt, an dem die Hochfrequenzenergie eingespeist werden muss, um die Oszillation zu unterbinden.
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Beispielsweise soll bei einer Oszillation der Flamme im Brennraum mit einer Frequenz von 20 Hz, also einer Periodendauer von 50 ms, die Verbrennung der Flammen mittels elektromagnetischer Heizenergie gestützt werden. Idealisiert betrachtet, beträgt die Dauer der negativen Halbwelle der Verbrennungsenergie dann 25 Ms. Das bedeutet, dass über die Elektroden 24 Hochfrequenzpulse von weniger als 25 ms Dauer zeitgerecht, also während der negativen Halbwelle der Verbrennungsenergie, eingespeist werden muss. Die zeitliche Genauigkeit sollte dabei weniger als 5 ms betragen.
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Generell entstehen derartige Oszillationen der Flamme im Brennraum durch inhomogene Verbrennung, die wiederum aus der nicht optimalen Mischung von Luft und Brennstoff entsteht. Durch das Aufheizen bzw. Ionisieren der Flamme mittels der Hochfrequenzinjektion wird eine homogenere Verbrennung und damit eine konstantere Temperatur der Flamme über die Zeit erreicht und eine Oszillation verhindert.
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Alternativ zur Energieinjektion während der Energieminima kann auch durch Modulation des Energiegehalts des Brennraums 18 die Resonanzfrequenz für derartige Oszillationen verschoben werden, so dass Bereiche, in denen ein Aufschaukeln der Oszillation durch mechanische Resonanzen in der Turbine vorkommen könnte, vermieden werden. Hierzu muss eine Energiemenge zur Verfügung gestellt werden, die bewirkt, dass die Resonanzbedingung für die Flamme bzw. Turbulenzbildung verändert wird.
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Die Gestaltung der Feldeinspeisung ist dabei so vorzunehmen, dass eine optimale Absorption von hochfrequent eingespeister Energie im ionisierten Gasgemisch des Brennraums 18 erfolgt. Um dies zu erreichen, muss eine Elektrodenanordnung so gestaltet werden, dass ein möglichst großes Volumen der Flamme im eingekoppelten elektromagnetischen Wechselfeld liegt. Bei kapazitiver Einkopplung müssen sich dabei die Elektrodenteile, die beispielsweise in Form von Kondensatorplatten 24 gestaltet sein können, möglichst nahe am Flammenbereich befinden. Aus diesem Grund ist das Material und die Formgebung der Elektrodenanordnung so zu wählen, dass sie den hohen Temperaturen, Drücken und der aggressiven Atmosphäre im Brennraum widerstehen können.
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Neben der zeitlichen Variation des Energiegehaltes der Flamme gibt es auch räumliche Inhomogenitäten. Durch eine geeignete Formgebung der Elektroden 24 ist es möglich, die Feldverteilung derart zu wählen, dass bestimmte Zonen im Verbrennungsraum, z. B. an der Peripherie der Flamme, hinsichtlich der Energieeinkopplung begünstigt werden.
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Die Feldverteilung kann dabei sowohl zeitlich als auch räumlich dynamisch und in Echtzeit verändert werden, indem man mehrere Feldeinspeisevorrichtungen aus Elektroden 24, zugeordneten Sendern 26 und Frontends 28 zur Verfügung stellt, die jeweils mit einem individuellen Hochfrequenzsignal mit individuelle einstellbarer Phase und Amplitude beaufschlagt werden können. Daraus resultiert ein Gesamtfeld im Brennraum, dass aus der Überlagerung der Einzelfelder besteht, wodurch es möglich wird, lokale Zonen besonders hoher Energiedichte, so genannte Hotspots, zu erzeugen. Die Feldeinspeisung kann je nach Frequenz entweder so ausgeführt werden, dass sich ein elektromagnetisches Nahfeld im Brennraum ausbildet (bei niedrigen Frequenzen) oder antennenartig, wobei im Brennraum ein elektromagnetisches Fernfeld erzeugt wird. Das Wechselfeld kann durch Platten, Kondensatoren, Stäbe, Antennen, oder auch durch Hohlleitereinspeisung eingekoppelt werden.
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Eine zweiteilige Elektrodenanordnung muss dabei nicht symmetrisch ausgeführt sein, sondern kann auch andere Geometrien einnehmen. Ein Elektrodenteil kann z. B. auch durch das Metallgehäuse des Brennraums 18 gebildet werden.
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Da die Absorptionsfähigkeit eines Dielektrikums durch die Hochfrequenzverluste bestimmt wird, muss die Hochfrequenzquelle 26 so eingestellt werden, dass eine Frequenz zur Verfügung gestellt wird, die eine optimale Absorption der eingespeisten Energie ermöglicht. Da sich die Absorptionsfähigkeit im Brennraum 18 über die Zeit ändert, muss die Frequenz dynamisch einstellbar sein.
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Um die Hochfrequenzleistung möglichst effizient in den Brennraum einzukoppeln, muss eine Anpassung der Impedanz der Hochfrequenzquelle 26 und der Elektrodenanordnung 24 erfolgen. Aufgrund zeitlicher Schwankungen ist auch hier eine dynamische Anpassung erforderlich, da sich die Impedanz der Elektrodenanordnung 24 abhängig von dem Absorptionsverhalten des Dielektrikums im Brennraum 18 ändert.
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Insgesamt wird so eine Gasturbine 10 geschaffen, die ohne mechanische Regelkomponenten im Betrieb gesteuert werden kann. Hochfrequenzenergie wird nur bei Bedarf injiziert, wobei die Energiedosierung abhängig vom Arbeitspunkt der Turbine vorgenommen werden kann. Hierdurch wird es ermöglicht, die Luft- und Brennstoffzufuhr so zu wählen, dass ein optimaler Wirkungsgrad der Turbine erreicht werden kann.
