Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einem Vormischbrenner nach dem Oberbegriff des
unabhängigen Anspruches.
Stand der Technik
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Die strömungsmechanische Stabilität eines Vormischbrenners ist von
entscheidender Bedeutung für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen.
Strömungsmechanische Instabilitätswellen, die am Brenner entstehen, führen zur
Ausbildung von Wirbeln, sogenannten kohärenten Strukturen, die die
Verbrennung beeinflussen und zu periodischer Wärmefreisetzung mit den damit
verbundenen Druckschwankungen führen können. Diese Druckschwankungen hoher
Amplitude können zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches führen und die
mit der Verbrennung verbundenen Emissionen erhöhen. Diese Probleme treten
besonders in Verbrennungssystemen mit geringer akustischer Dämpfung, wie sie
moderne Gasturbinen oft darstellen, auf. Insbesondere im mageren Bereich der
Verbrennung kann es zu einem periodischen Verlust der Flammenstabilisierung
kommen, der ebenfalls zu Pulsationen führt.
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Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen
zwischen Luft und Brennstoff. Die räumliche und zeitliche Dynamik dieser
Strukturen beeinflußt die Verbrennung und die Wärmefreisetzung. Aus der EP 0 918 152 A1
wurde ein Verfahren bekannt, bei dem im Bereich des Brenners Mittel zur
akustischen Anregung des Arbeitsgases angeordnet wurden, um der Ausbildung
kohärenter Strukturen entgegenzuwirken. Vorgesehen wurde dabei, die sich im
Bereich des Brenners ausgebildete Scherschicht anzuregen, um möglichst wenig
Anregungsenergie zu benötigen. Zur Bestimmung der einzubringenden
Anregungsenergie und deren Frequenz wurde die momentane akustische Anregung
der Scherschicht mit einem in dem Verbrennungssystem gemessenen Signal
phasengekoppelt. Obgleich aktive Massnahmen zur Pulsationsbekämpfung
attraktiv sind, da sie prinzipiell für alle Betriebsbereiche geeignet sind, so stellen sie
doch zusätzliche Systeme der Gasturbine dar und erhöhen generell die
Störanfälligkeit des Systems.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der
eingangs genannten Art, thermoakustische Schwingungen wirkungsvoll zu
unterdrücken, wobei dies mit einem möglichst geringen konstruktiven und finanziellen
Aufwand verbunden sein soll.
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Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch einen Vormischbrenner der im
unabhängigen Anspruch bezeichneten Art gelöst.
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Kern der Erfindung ist es also, dass im Bereich des Brenneraustrittes am
stromabwärtigen Ende des Mischrohres Wirbelgeneratoren zur Beeinflussung der am
Brenneraustritt erzeugten Scherschicht angeordnet sind.
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Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die
Verwendung von Wirbelgeneratoren eine passive Beeinflussung der sich am
Brenneraustritt bildenden Scherschicht möglich ist. Durch die Wirbelgeneratoren
wird die Wirbelstromstärke in Strömungsrichtung am Brenneraustritt erhöht, indem
durch die Wirbelgeneratoren die dreidimensionale kleinbereichige Vermischung
angeregt wird, welche die Verstärkung der kleinbereichigen Wirbel verhindert.
Durch die kleinen, um den Brenneraustritt herum angeordneten
Wirbelgeneratoren können je nach Ausgestaltung hohe axiale Wirbelstromstärken in die
Strömung im Bereich der Scherschicht eingebracht werden. Somit wird eine
Scherschicht mit einer reduzierten Kohärenz und hoher Turbulenzintensität erzeugt,
wodurch die Bildung von hochfrequenten Wirbeln verhindert und damit die
Erregungsquelle von Instabilitäten eliminiert wird.
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Durch die Verhinderung der Entstehung von unerwünschten Wirbelstrukturen am
Brenneraustritt wird eine periodische Wärmefreisetzung unterbunden. Da die
periodischen Wärmefreisetzungsschwankungen die Grundlage für das Auftreten
thermoakustischer Schwingungen sind, wird die Amplitude der thermoakustischen
Schwankungen dadurch reduziert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit
den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit
Pfeilen angegeben.
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Es zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit
Brennkammer;
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Fig. 2 die Draufsicht auf den Brenneraustritt;
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Fig. 3 die Wirkung der erfindungsgemässen Vorrichtung auf die Unterdrückung
von Druckschwingungen.
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Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen
Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichter
und die Turbine.
Weg zur Ausführung der Erfindung
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In der Fig. 1 ist stromabwärts eines Drallerzeugers 1 eine Brennkammer 2
angeordnet. Als Drallerzeuger kann beispielsweise ein Vormischbrenner verwendet
werden, wie er aus der EP 0 704 657 A2 bekannt ist, welche hiermit einen
integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung bildet. Der Drallerzeuger kann somit
aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung
ineinandergeschachtelten Teilkörpern bestehen. Die jeweiligen Längssymmetrieachsen der
Teilkörper verlaufen gegeneinander versetzt, so dass die benachbarten
Wandungen der Teilkörper in der Längserstreckung tangentiale Kanäle bilden, über die die
Verbrennungsluft in den durch die Teilkörper gebildeten Kegelhohlraum eintreten
kann. Brennstoff kann beispielsweise über im Kegelhohlraum und/oder in den
tangentialen Kanälen angeordnete Brennstoffdüsen eingedüst werden.
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Der Drallerzeuger 1 endet entweder unmittelbar an der Brennkammer 2 in einem
Brenneraustritt 4, oder er ist, wie in Fig. 1 dargestellt, durch ein Mischrohr 3
verlängert, welches dann seinerseits in dem Brenneraustritt 4 endet. Im Bereich des
Drallerzeugers 1 wird Brennstoff über nicht weiter dargestellte Mittel in die über
einen nicht dargestellten Verdichter zugeführte Luft zugemischt, und so eine
verdrallte Hauptströmung 6 erzeugt, die über das Mischrohr 3 in die Brennkammer 2
eintritt. Durch das Mischrohr 3 kann eine definierte Mischstrecke bereitgestellt
werden, wodurch eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art
erzielt wird. Am Übergang vom Mischrohr 3 zur Brennkammer 2 bildet sich im
Bereich eines Brenneraustritts 4 durch den dortigen Querschnittssprung eine
zentrale Rückströmzone 5, welche die Eigenschaft eines Flammenhalters für die nach
Zündung auftretende Vormischflamme aufweist.
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Durch die am Querschnittsprung beim Brenneraustritt gebildete dünne Scherzone,
welche die Rückstromzone 5 umgibt, entstehen kleinbereichige Wirbel. Durch die
dünne Scherzone werden die kleinbereichigen Wirbel verstärkt und es können
auch hochfrequente Wirbel entstehen. Vor allem bei hohen Leistungen der
Gasturbine entstehen durch diese kleinbereichigen Wirbel hochfrequente
thermoakustische Instabilitäten.
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Gemäss Fig. 1 und Fig. 2 sind nun am Brenneraustritt 4 um den Umfang herum in
die Hauptströmung 6 ragende Wirbelgeneratoren 7 angeordnet. Diese
Wirbelgeneratoren erzeugen Wirbel im Randbereich der Strömung im Mischrohr und stören
die Bildung der störenden kleinbereichigen Wirbel bereits am Ort wo die
Scherschicht gebildet wird. Dies erfolgt durch die Erhöhung der Wirbelstromstärke in
Strömungsrichtung am Brenneraustritt 4, indem durch die Wirbelgeneratoren 7 die
dreidimensionale kleinbereichige Vermischung angeregt wird, welche die
Verstärkung der kleinbereichigen Wirbel verhindert. Die Wirbelgeneratoren ragen dabei
nur wenig in die Hauptströmung hinein, da nur die Randbereiche der
Hauptströmung beeinflusst werden sollen. Die kleinen, um den Brenneraustritt herum
angeordneten, Wirbelgeneratoren 7 können je nach Ausgestaltung hohe axiale
Wirbelstromstärken in die Strömung im Bereich der Scherschicht einbringen. Somit wird
eine Scherschicht mit einer reduzierten Kohärenz und hoher Turbulenzintensität
erzeugt, wodurch die Bildung von hochfrequenten Wirbeln verhindert wird.
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Die Wirbelgeneratoren 7 können verschieden ausgestaltet werden und sind
allgemein beispielsweise in einem anderen Zusammenhang aus der EP 0 619 134 A1
bekannt. Die Wirbelgeneratoren 7 können somit als wirksame Fläche eine im
wesentlichen dreieckige Fläche aufweisen, die über eine Seite des Dreiecks mit
dem Mischrohr am Brenneraustritt verbunden ist. Diese Fläche ragt in die
Strömung und an ihren Kanten werden Wirbel erzeugt. Die Wirbelgeneratoren 7
können jedoch auch als dreieckige "Haifischzähne", kleine Deltaflügel, als kleine
runde oder eckige Vorsprünge, als Nuten, Gruben, Furchen, Zacken, usw.
ausgestaltet sein, die in einer Strömung Wirbelbildung verursachen. Wesentlich bei der
Ausgestaltung der Wirbelgeneratoren ist die Erzeugung hoher axialer
Wirbelstromstärken in der Strömung im Bereich der Scherschicht.
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Im Hinblick auf die Dimensionierung und gegenseitige Anordnung der
Wirbelgeneratoren 7 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn deren Höhe der Beziehung
h > sSL und ihr gegenseitiger Abstand der Beziehung d ≤ xF/2 = c/2f genügen,
wobei sSL die Grenzschichtdicke, xF die Wellenlänge der Instabilität, c die
Konvektionsgeschwindigkeit und f die Frequenz der Instabilität definieren.
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Die Wirkung der Wirbelgeneratoren 7 kann durch die Ausgestaltung des
Brenneraustrittes als Coanda-Düse noch verstärkt werden, da sich dann die Strömung an
die Oberfläche der Wandung beim Brenneraustritt (4) anlegt und die
Wirbelgeneratoren 7 voll zur Wirkung kommen.
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Fig. 3 zeigt den Effekt von am Brenneraustritt 4 angeordneten Wirbelgeneratoren
7 auf die Ausbildung hochfrequenter Druckschwingungen in der Brennkammer 2.
Im Diagramm ist die normierte Leistung W auf der x-Achse gegen die normierten
Druckschwankungen p auf der y-Achse aufgetragen.
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Eine Basislinie 10 für eine Brenneranordnung mit Pilotflamme ohne
Wirbelgeneratoren 7 zeigt bei hoher Leistung W starke Pulsationen, Pilotgasanteil ist 10%.
Die Basislinie 11 zeigt ebenfalls eine Brenneranordnung ohne Wirbelgeneratoren
7, jedoch auch ohne Pilotflamme, es ergeben sich bei hoher Leistung W
geringfügig schwächere Pulsationen als bei der Verwendung einer Pilotflamme.
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Im Bereich von 100% der normierten Leistung werden nun Messungen mit am
Brenneraustritt 4 angeordneten Wirbelgeneratoren 7 durchgeführt, da die
hochfrequenten Schwingungen üblicherweise nur in diesem Bereich auftreten. Die
Linie 12 zeigt die Messergebnisse bei der Verwendung einer zusätzlichen
Pilotflamme, Pilotgasanteil ist 5%. Es ergeben sich somit deutlich geringere
Druckschwankungen in der Scherzone und es ergibt sich somit bei hohen Leistungen
ein deutlich besseres Verhalten als bei bisher bekannten Systemen. Punkt 13 gibt
noch eine Messung mit am Brenneraustritt angeordneten Wirbelgeneratoren
jedoch ohne Pilotflamme an. Hier werden die Druckschwankungen zusätzlich im
Vergleich zur Verwendung von Pilotgasanteilen minimiert.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt. Weitere mögliche Ausgestaltungen von Rohr
und Brenner ergeben sich aus der EP 0 704 657 A2.
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Der Brenner kann auch andere Formen aufweisen als im Ausführungsbeispiel
gezeigt und es können auch andere Brennertypen verwendet werden. Der
Drallerzeuger 1 kann beliebige Formen annnehmen und beispielsweise auch aus
anderen Elementen als oben beschrieben aufgebaut sein. Wesentlich ist, dass eine
Drallströmung erzeugt wird.
Bezugszeichenliste
1 Drallerzeuger
2 Brennkammer
3 Mischrohr
4 Brenneraustritt
5 Rückströmzone
6 Hauptströmung
7 Wirbelgenerator
10 Basislinie mit Pilotbrenner
11 Basislinie ohne Pilotbrenner
12 Wirbelgeneratoren und Pilotbrenner
13 Wirbelgeneratoren ohne Pilotbrenner