-
Technisches
Gebiet
-
Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung zur Kontrolle thermoakustischer Schwingungen in einem
Verbrennungssystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
-
Stand der
Technik
-
Die strömungsmechanische Stabilität eines Brenners
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 zu Pulsationen führt.
-
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. Dieses
Verfahren benötigt
jedoch erhebliche Mittel um die thermoakustischen Schwingungen zu
kontrollieren und ist deshalb relativ teuer.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
einer Vorrichtung zur Kontrolle thermoakustischer Schwingungen in
einem Verbrennungssystem der eingangs genannten Art, die thermoakustischen Schwingungen
wirkungsvoll zu unterdrücken,
wobei dies mit möglichst
geringem konstruktiven und finanziellen Aufwand verbunden sein soll.
-
Erfindungsgemäss wird dies durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs erreicht.
-
Kern der Erfindung ist es also, mittels
einer netzartigen Struktur zumindest Teile des Brenneraustritts
abzudecken.
-
Die Vorteile der Erfindung sind unter
anderem darin zu sehen, dass durch die zumindest teilweise Abdeckung
des Brenneraustrittes durch die netzartige Struktur die Ausbildung
kohärenter
Strukturen verhindert und die Flammenstabilisierung erhöht wird.
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. Die Entwicklung
kohärenter
Strukturen in Scherschichten wird zudem durch die Einbringung axialer,
das heisst, in Strömungsrichtung
verlaufender Wirbelstärke
verhindert.
-
Es ist besonders zweckmässig, wenn
die netzartige Struktur aus einem keramik- oder metallähnlichen
Material besteht.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Gleiche Elemente figurieren in den verschiedenen Zeich nungen unter
demselben Bezugszeichen. Die Strömungsrichtung
der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
-
Es zeigen:
-
1 einen
Brenner in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten;
-
2 einen
Schnitt durch die Ebene II-II in 1;
-
3 einen
Schnitt durch die Ebene III-III in 1;
-
4 einen
Schnitt durch die Ebene IV-IV in 1;
-
5 einen
erfindungsgemässen
Brenner in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten;
-
6 eine
Sicht auf den erfindungsgemässen
Brenner entgegen der Strömungsrichtung;
-
7 eine
Sicht auf einen weiteren erfindungsgemässen Brenner entgegen der Strömungsrichtung;
-
8 die
Wirkung der erfindungsgemässen Vorrichtung
auf die Unterdrükkung
von Druckschwingungen im kHz-Bereich.
-
Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der
Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Schnitte sind nur eine
schematische, vereinfachte Darstellung des Brenners.
-
Weg zur Ausführung der
Erfindung
-
Der Brenner gemäss 1 besteht aus zwei halben, zueinander
versetzt angeordneten Teilkegelkörpern 1, 2.
Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse 1b,
2b der
Teilkegelkörper 1, 2 zueinander
schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils
einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 19, 20, (2–4),
durch welche die Verbrennungsluft 15 in den Innenraum des
Brenners, d.h. in den Kegelhohlraum 14 strömt. Die
beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben
je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a, die ebenfalls
analog den Teilkegelkörpern 1, 2 versetzt zueinander
verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 vom
Anfang an vorhanden sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a ist eine
Düse 3 untergebracht,
deren Brennstoffeindüsung 4 mit
dem engsten Querschnitt des durch die zwei Teilkegelkörper 1, 2 gebildeten
kegelförmigen Hohlraums 14 zusammenfällt. Selbstverständlich kann
der Brenner auch ohne zylindrische Anfangsteile 1a, 2a,
ausgeführt
sein. Beide Teilkegelkörper 1, 2 weisen
je eine Brennstoffleitung 8, 9 auf, die Öffnungen 17 besitzen,
durch welche der gasförmige
Brennstoff 13, der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 strömenden Verbrennungsluft 15 zugemischt
wird. Die Lage dieser Brennstoffleitungen 8, 9 geht
schematisch aus 2–4 hervor. Die Brennstoffleitungen 8, 9 sind
am Ende der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 angebracht,
so dass dort die Zumischung 16 des gasförmigen Brennstoffes 13 mit
der einströmenden
Verbrennungsluft 15 stattfindet. Brennraumseitig in der
Brennkammer 22 weist der Brenner am Brenneraustritt 29 eine
kragenförmige,
als Verankerung für
die Teilkegelkörper 1, 2 dienende,
Abschlussplatte 10 mit einer Anzahl Bohrungen 11 auf,
durch welche nötigenfalls
Verdünnungsluft
bzw. Kühlluft 18 dem
vorderen Teil des Brennraumes der Brennkammer 22 bzw. dessen
Wand zugeführt
werden kann. Der durch die Düse 3 strömende flüssige Brennstoff 12 wird
in einem spitzen Öffnungswinkel
in den Kegelhohlraum 14 eingedüst, dergestalt, dass sich in
der Brenneraustrittsebene ein möglichst
homogener kegeliger Brennstoffspray einstellt, wobei streng darauf
zu achten ist, dass die Innenwände
der Teilkegelkörper 1, 2 vom
eingedüsten flüssigen Brennstoff 12 nicht
benetzt werden. Bei der Brennstoffeindüsung 4 kann es sich
um eine luftunterstützte
Düse oder
um einen Druckzerstäuber
handeln. Das kegelige Flüssigbrennstoffprofil 5 wird
von einem tangential einströmenden
rotierenden Verbrennungsluftstrom 15 umschlossen. In axialer
Richtung wird die Konzentration des Flüssigbrennstoffes 12 fortlaufend
durch die eingemischte Verbrennungsluft 15 abgebaut. Wird
gasförmiger
Brennstoff 13 verbrannt, geschieht die Gemischbildung mit
der Verbrennungsluft 15 direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 19, 20.
Bei der Eindüsung
von flüssigem Brennstoff 12 wird
im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 6,
die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht.
Die Zündung
erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 6.
Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 7 entstehen.
Ein Rückschlag der
Flamme ins Innere des Brenners, wie dies bei Vormischstrecken latent
der Fall ist, ist hier prinzipiell nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 15 vorgeheizt,
so stellt sich eine natürliche
Verdampfung des flüssigen
Brennstoffes 12 ein, bevor der Punkt am Ausgang des Brenners
erreicht ist, an dem die Zündung
des Gemisches stattfinden kann. Der Grad der Verdampfung ist selbstverständlich von
der Grösse
des Brenners, der Tropfengrössenverteilung
und der Temperatur der Verbrennungsluft 15 abhängig. Unabhängig aber
davon, ob neben der homogenen Tropfenvormischung durch Verbrennungsluft 15 niedriger
Temperatur oder zusätzlich
nur eine partielle oder die vollständige Tropfenverdampfung durch vorgeheizte
Verbrennungsluft 15 erreicht wird, fallen die Stickoxid-
und Kohlenmonoxidemissionen niedrig aus, wenn der Luftüberschuss
mindestens 60 Prozent beträgt.
Im Falle der vollständigen
Verdampfung vor dem Eintritt in die Verbrennungszone sind die Schadstoffemissionswerte
am niedrigsten. Gleiches gilt auch für den nahstöchiometrischen Betrieb, wenn die Überschussluft
durch rezirkulierendes Abgas ersetzt wird. Bei der Gestaltung der
Teilkegelkörper 1, 2 hinsichtlich
Kegelneigung und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 sind
enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Luft mit ihrer
Rückströmzone 6 im
Bereich der Brennermündung
zur Flammenstabilisierung einstellt. Allgemein ist zu sagen, dass
eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze 19, 20 die
Rückströmzone 6 weiter
stromaufwärts
verschiebt, mit der Folge, dass dann das Gemisch früher zur
Zündung käme. Die
einmal geometrisch fixierte Rückströmzone 6 ist
an sich positionsstabil.
-
Aus 2–4 geht auch die Lage der
Leitbleche 21a, 21b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktionen,
wobei sie, verschieden lang, das jeweilige Ende der Teilkegelkörper 1 und 2 in
Anströmungsrichtung
der Verbrennungsluft 15 verlängern. Die Kanalisierung der
Verbrennungsluft in den Kegelhohlraum 14 kann durch Oeffnung
bzw. Schliessung der Leitbleche 21a, 21b um den
Drehpunkt 23 optimiert werden.
-
Gemäss 5 und 6 wird
nun am Brenneraustritt 29 eine Gitterstruktur 30 befestigt,
welche hier den gesamten Brenneraustritt 29 abdeckt. Durch
die netzartige Struktur des Gitters 30 wird eine axiale,
in Strömungsrichtung
verlaufende Wirbelstärke
am Brenneraustritt 29 eingebracht, wodurch die Ausbildung
kohärenter
Strukturen vermieden wird. Die Struktur führt weiter zu Rückströmungen,
in denen eine verbesserte Flammenstabilisierung möglich ist, wodurch
Druckschwankungen vermieden werden. Stromauf der Gitterstruktur
kann, wie an sich bekannt, Brennstoff eingedüst werden. Dabei kann in dem
in der 5 gezeigten Brenner
die Brennstoffdüse 3 auch
weit in den Brennerhohlraum 14 hineinragen, ohne den Effekt
der Gitterstruktur 30 zu beeinflussen.
-
7 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, wobei hier jedoch nur ein Teil des Brenneraustrittes 29 mit
einer netzartigen Struktur, hier ein Keramikmaterial 31 abgedeckt
ist. Der Effekt ist hier der gleiche wie oben beschrieben, d.h.
dass durch die netzartige Struktur auch bei nur teilweiser Abdeckung
eine axiale, in Strömungsrichtung
verlaufende axiale Wirbelstärke
am Brenneraustritt 29 eingebracht wird und die Ausbildung
kohärenter
Strukturen vermieden und eine verbesserte Flammenstabilisierung
erreicht wird.
-
Als Material für die netzartige Struktur können alle
Materialien verwendet werden, welche die gewünschte netzartige Struktur
aufweisen und die bezüglich
Wärmefestigkeit
und Korrosion nötigen
Kriterien erfüllen.
Diese Kriterien erfüllen
im allgemeinen keramische oder metallische Materialien oder diesen ähnliche
Materialien. Insbesondere können wie
oben beschrieben Keramik- und Metallschäume oder auch gitterförmige Strukturen
aus Keramik oder Metall, z.B. geschweisste Konstruktionen wie Metallgitter,
verwendet werden.
-
8 zeigt
den Effekt eines am Brenneraustritt angeordneten netzartigen Struktur
auf die Unterdrückung
von Druckschwingungen im kHz-Bereich im Brennraum. Im Diagramm ist
die Leistung P auf der x-Achse gegen die Anzahl Pulsationen auf
der y-Achse aufgetragen, wobei die Anzahl Pulsationen im logarithmischen
Massstab angegeben sind. Eine Basislinie 32 für eine Brenneranordnung
ohne netzartige Struktur zeigt bei hoher Leistung P deutlich mehr
Pulsationen als eine Dämpfungslinie 33 für einen
Brenner mit am Brenneraustritt angeordneter netzartiger Struktur.
Durch die Anordnung der netzartigen Struktur ergibt sich somit bei
niedrigen Leistungen und noch viel ausgeprägter bei hohen Leistungen ein
deutlich besseres Verhalten als bei bisher bekannten Systemen.
-
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht
auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Der
Brenner kann auch andere Formen aufweisen als im Ausführungsbeispiel
gezeigt und es können
auch andere Brennertypen verwendet werden. Der gezeigte Brenner
kann bezüglich
der Form und der Grösse
der tangentialen Lufteintritte 19, 20 beliebig
variiert werden.
-
- 1
- Teilkegelkörper
- 1a
- zylindrischer
Anfangsteil
- 1b
- Mittelachse
Teilkegelkörper 1
- 2
- Teilkegelkörper
- 2a
- zylindrischer
Anfangsteil
- 2b
- Mittelachse
Teilkegelkörper 2
- 3
- Düse
- 4
- Brennstoffeindüsung
- 5
- Flüssigbrennstoffprofil
- 6
- Rückströmzone
- 7
- Flammenfront
- 8
- Brennstoffleitung
- 9
- Brennstoffleitung
- 10
- Abschlussplatte
- 11
- Bohrungen
- 12
- flüssiger Brennstoff
- 13
- gasförmiger Brennstoff
- 14
- Kegelhohlraum
- 15
- Verbrennungsluft
- 16
- Zumischung
- 17
- Öffnungen
- 18
- Kühlluft
- 19
- Lufteintrittsschlitz
- 20
- Lufteintrittsschlitz
- 21a
- Leitblech
- 21b
- Leitblech
- 22
- Brennkammer
- 23
- Drehpunkt
- 29
- Brenneraustritt
- 30
- Gitterstruktur
- 31
- Keramikmaterial
- 32
- Basislinie
- 33
- Dämpfungslinie
- P
- Leistung
- N
- Pulsation