DE19542918A1

DE19542918A1 - Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Druckschwingungen

Info

Publication number: DE19542918A1
Application number: DE19542918A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Joos; Marcel Schirbach
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 1997-05-22
Also published as: CN1191335A; DE59607622D1; EP0775870A1; JPH09170707A; CN1130554C; US5784889A; EP0775870B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Druckschwingungen, wie sie im Oberbegriff des ersten Anspruchs beschrieben ist.

Stand der Technik

Bei der Verbrennung von Brennstoffen in einer Brennkammer kann es aufgrund der Verbrennungsvorgänge zu Druckschwan kungen kommen, die unter geeigneten Verhältnissen thermo akustische Schwingungen anregen. Diese Schwingungen begünsti gen den Anstieg von Schadstoffemissionen aufgrund von Ver brennungsinhomogenitäten. Bei Schwingungsresonanz stellen die Druckschwingungen für die Brennkammer eine unerwünschte Materialbeanspruchung dar und beeinträchtigen die Flamme bis hin zum Verlöschen.

Um derartige thermoakustische Schwingungen zu dämpfen, sind bereits verschiedene Vorrichtungen und Verfahren vorgeschla gen worden, bei denen die Brennkammer beispielsweise in ihren Schwingungseigenschaften beeinflußt wird.

Eine periodische Variation der Strömungsmengen von Brenn stoffen ist ebenfalls zur Schwingungsreduktion vorgeschlagen worden.

Diesen Vorrichtungen und den mit ihnen durchgeführten Rege lungsverfahren zur Schwingungsreduktion ist gemeinsam, daß sie die Resonanzfrequenz einer Brenner-/Brennkammeranordnung verstimmen und damit thermoakustische Schwingungen dämpfen. Es werden also hier Vorrichtungen vorgeschlagen, die eine indirekte Reduktion der Druckschwingungen bewirken mit ver gleichsweise langsamem Regelausgleichsverhalten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, thermoakustische Druckschwingungen mittels direkter Steuerung der Flamme zu reduzieren und/oder zu dämpfen, welche bei der Verbrennung von einströmendem Brennstoff in einer Brennkammer entstehen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, die Vorrichtung so auszulegen, daß bei einer Änderung der zu dämpfenden Schwin gung die Flamme über einen Regelkreis mit angeschlossener Spannungsquelle entsprechend elektrisch beeinflußt wird.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die hier vorgeschlagenen schwingungsdämpfenden Maßnah men unmittelbar auf die Flammenfront einwirken, und damit ein vergleichsweise schneller Ausgleich des Regelkreises bewirkt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Brennersystems vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt eines Brennersystems mit einem Regelkreis;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Hitzeschutzschild.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung des Brennstoffs und der zugeführten Verbrennungsluft und die Wirkrichtung des Regelkreises sind mit Pfeilen dargestellt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Brennkammer 1, in die ein Brenner 3 hineinragt. Die Abströmseite des Brenners 3 ist durch die Öffnung einer Brennkammer-Frontplatte 13 und durch eine Öffnung 15 in einem Hitzeschutzschild 12 angeordnet, ohne daß der Brenner 3 mit dem Hitzeschutzschild 12 in Be rührung kommt.

Das Hitzeschutzschild 12 besteht aus einer hitzebeständigen, elektrisch leitenden Metallegierung und ist mit einer Anzahl von Isolationsverschraubungen 2 sowohl elektrisch als auch thermisch isoliert mit der Brennkammer-Frontplatte 13 ver schraubt.

Der Brenner 3 wird über eine Brennstoffleitung 5 mit Brenn stoff und über Lufteinlässe 4 mit Verbrennungsluft versorgt. Die durch inhomogene Verbrennung einer Flamme 16 auftretenden thermoakustischen Druckschwingungen werden mit einem in der Brennkammer 1 installierten Drucksensor 6 erfaßt. Der Druck sensor 6 ist über eine Regeleinrichtung 10 mit einer Span nungsquelle 11 und einer Elektrode 14 verbunden, und die Elektrode 14 hat eine elektrische Verbindung mit dem isoliert installierten Hitzeschutzschild 12.

In Hintereinanderschaltung umfaßt die Regeleinrichtung 10 eine Meßwertaufbereitung 7, die eingangsseitig mit dem Drucksensor 6 verbunden ist, eine Meßwertverarbeitung 8 und eine Ansteuerung 9, die ausgangsseitig eine Verbindung mit der Spannungsquelle 11 aufweist.

Eine Draufsicht in entgegengesetzter Brennstoffströmungsrich tung auf das Hitzeschutzschild 12 zeigt Fig. 2. Das Hitze schutzschild 12 ist hier als Ringsegment einer ringförmigen Gasturbinenbrennkammer ausgebildet, und weist eine kreisrunde Öffnung 15 auf. Die Isolationsverschraubungen 2 sind um die Öffnung 15 angeordnet und das Hitzeschutzschild 12 ist mit der Elektrode 14 elektrisch verbunden. Zwischen dem Brenner 3 und der Öffnung 15 des Hitzeschutzschildes 12 befindet sich ein elektrisch und thermisch isolierender, ringförmiger Luftspalt 18. Desweiteren ist das Hitzeschutzschild 12 mit tels Luftspalt 19 gegen benachbarte Hitzeschutzschilde 12a isoliert, und, wie in Fig. 1 gezeigt wird, ebenfalls durch einen Luftspalt 17 gegen die Wände der Brennkammer 1 iso liert.

Aufgrund dieser elektrisch und thermisch isolierten Anordnung des Hitzeschutzschildes 12, ist dieses als elektrische Feld elektrode mit einem von der Spannungsquelle 11 generierten elektrischen Potential beaufschlagbar. Ziel der Verwendung des elektrischen Potentials ist es, die Verbrennungseigen schaften der Flamme 16 geregelt zu steuern.

An dieser Stelle wird erläuternd festgehalten, daß im fol genden die Flamme 16 als ein hochionisiertes, elektrisch lei tendes Plasma betrachtet wird, und somit durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Potential in ihren Verbrennungseigen schaften steuerbar ist. Nur wenige Tausend Volt Spannung ei ner in der Nähe einer Flamme angeordneten Elektrode reichen beispielsweise aus, die Verbrennung zu kontrollieren. Der dabei auftretende, vergleichsweise geringe Energieverlust der beaufschlagenden Spannungsquelle beträgt etwa 0,01% der ge steuerten Verbrennungsenergie.

Das elektrische Feld bewirkt elektrische Kräfte auf die in der Flamme enthaltenen Ionen. Hierdurch entsteht eine Art elektrischer Wind innerhalb der Flamme 16, der sie markant in ihrer Verbrennungsgeschwindigkeit beeinflußt und sie stabi lisiert.

Unter Ausnutzung dieses Phänomens mittels der erfindungsge mäßen Vorrichtung, wird die Verbrennung in der Flamme 16 so geregelt, daß die durch sie entstehenden lastabhängigen, thermoakustischen Druckschwingungen reduziert und/oder ge dämpft werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß für die Einwirkung auf die Flamme 16 keine Massen bewegt werden müssen, und daß durch die direkte elektrische Steuerung der Flamme der Regelausgleich vergleichsweise schnell erfolgt.

Als Regelgröße für die Regeleinrichtung 10 eignet sich am besten der Druck in der Brennkammer 1, der vom Drucksensor 6 erfaßt wird.

Die Druckmeßwerte werden an die Meßwertaufbereitung 7 über tragen und im folgenden weiterverarbeitet in der Meßwertver arbeitung 8. Die anschließend installierte Steuereinheit 9 generiert entsprechende Signale für die Spannungsquelle 11. Die Spannungsquelle 11 beaufschlagt dann gemäß den lastab hängigen Druckschwingungen das Hitzeschutzschild 12 über die Elektrode 14 mit einer positiven Gleichspannung im Bereich bis zu einigen Tausend Volt.

Da der Austritt des Brenners 3 und damit die Flammenfront der Flamme 16 von der Öffnung 15 des Hitzeschutzschildes 12 umge ben ist, wirkt dieses Hitzeschutzschild 12 wie eine positiv geladene Ringelektrode auf die Flamme 16, und ihre Steuerung erfolgt mit dem oben beschriebenen Regelverfahren, wobei be sonders vorteilhaft ist, daß für die Vorrichtung zur Rege lung keine bewegte Masse nötig ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist auch die Beaufschlagung des Hitzeschutzschildes 12 mit einer nega tiven oder wechselnden Spannung denkbar im Sinne der Erfin dung. Auch die Anordnung einer geometrisch anderen Form einer Elektrode im Bereich der Flamme 16 ist erfindungsgemäß denk bar. Hier wäre beispielsweise auch eine Stabelektrode ein setzbar.

Ebenfalls denkbar im Sinn der Erfindung, ist die parallele Spannungsbeaufschlagung aller in einem Ring angeordneten Hitzeschutzschilder 12 einer Brennkammer 1.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Isolationsverschraubung
3 Brenner
4 Lufteinlaß
5 Brennstoffleitung
6 Drucksensor
7 Ansteuerung
8 Meßwertverarbeitung
9 Meßwertaufbereitung
10 Regeleinrichtung
11 Spannungsquelle
12 Hitzeschutzschild
12a Hitzeschutzschild
13 Brennkammer-Frontplatte
14 Elektrode
15 Öffnung
16 Flamme
17 Luftspalt
18 Luftspalt
19 Luftspalt

Claims

1. Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Druckschwin gungen in einer Brennkammer (1), insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine, umfassend einen Drucksensor (6), der mit dem Eingang einer Regeleinrichtung (10) ver bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (10) an ihrem Ausgang mit Mitteln zur elektrischen Steuerung der Flamme in der Brennkammer (1) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Steuerung der Flamme aus einer Spannungsquelle (11) und einer Elektrode (14) bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (14) mit einem Hitzeschutzschild (12) verbunden ist, welches die Abströmseite eines Brenners (3) ringförmig umgibt.