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Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen in Brennkammern
DE4336096A1
Germany
- Other languages
English - Inventor
Melchior Dr Fischer - Current Assignee
- Alstom SA
Worldwide applications
1993
DE
Application DE4336096A events
1994-05-19
2004-07-08
Application granted
2004-07-08
2013-10-23
Anticipated expiration
Status
Expired - Fee Related
Description
translated from
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduktion von
Schwingungen in Brennkammern von Gasturbinenanlagen, wobei in
Strömungsrichtung vor der Brennkammer mehrere Brenner ange
ordnet sind.
Derartige Brennkammern für Gasturbinenanlagen sind bekannt.
Neben Einzelbrennkammern werden vor allem Ringbrennkammern
oder Kombinationen beider Bauarten verwendet. Mit der Brenn
kammer, dem Raum, in dem die Flamme ausbrennt, sind die Bren
ner verbunden. Die Brenner stellen ein System von Kanälen
dar, durch die der Brennstoff und das Gas in die Brennkammer
geführt werden. Sie sind bei Ringbrennkammern meist gleich
mäßig verteilt auf einer Kreisringfläche nebeneinander ange
ordnet und befinden sich in Strömungsrichtung der Gase in
einer Ebene unmittelbar vor der Brennkammer.
Probleme entstehen während des Betriebes durch thermoakusti
sche Schwingungen, welche in den Brennkammern durch eine sich
aufschaukelnde Wechselwirkung von thermischen mit akustischen
Störungen angeregt werden. Falls es dabei zu akustischen
Eigenschwingungen der Brennkammer kommt, können unerwünscht
große Schwingungsamplituden auftreten. Diese führen wiederum
zu unzulässig hohen mechanischen Belastungen der Brennkammer,
zum Anstieg der Emissionen durch inhomogene Verbrennung und
im Extremfall zum Löschen der Flamme. Bei modernen Brennkam
mern, bei denen auf Kühlluftöffnungen in der Brennkammer,
welche die Druckpulsation dämpfen, so weit wie möglich ver
zichtet wird, wird diese Problematik noch verstärkt.
Bekannt ist, daß zur Beseitigung der Brennkammerschwingungen
die üblichen Methoden der Geräuschdämpfung angewendet werden.
Das sind z. B. Lambdaviertel-Resonatoren, Helmholtz-Resonato
ren, Dämpfungsbohrungen im Brennkammergehäuse und das Ein
bringen von Strömungswiderständen. Eine weitere Möglichkeit
ist die Einkopplung von Antischall. Der Nachteil dieser be
kannten Maßnahmen besteht darin, daß diese alle auf eine
mehr oder weniger starke Reduzierung der bereits erzeugten
Druckschwingungen abzielen und damit die Entstehung thermo
akustischer Schwingungen ursächlich nicht gehemmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu
schaffen, mit der es möglich ist, bei Brennkammern von Gas
turbinenanlagen die Temperaturstörungen in der Brennkammer
und damit die Wechselwirkungen von thermischen und akusti
schen Störungen zu reduzieren, also ursächlich die Ausbildung
von thermoakustischen Schwingungen zu hemmen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die benach
barten Brenner bzw. Brennergruppen, wobei letztere jeweils
aus einer gleichgroßen Anzahl von in Strömungsrichtung der
Gase auf einer Ebene befindlichen Brennern bestehen, um einen
Abstand Δs in Strömungsrichtung verschoben angeordnet sind,
wobei unter der Voraussetzung, daß die Schallgeschwindigkeit
in der Brennkammer viel größer ist als die Heißgasgeschwin
digkeit, gilt:
Δs = u (2n+1)/2f.
Dabei sind Δs der Abstand der benachbarten Brenner bzw. Bren
nergruppen in Strömungsrichtung in m, u die Heißgasgeschwin
digkeit in m/s, f die Eigenfrequenz der Brennkammer in 1/s
und n eine natürliche Zahl.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen,
daß es mit dieser Vorrichtung ohne großen konstruktiven
Aufwand möglich ist, die Temperaturstörungen in der Brenn
kammer zu reduzieren, dadurch die Wechselwirkungen von ther
mischen und akustischen Störungen zu schwächen und damit die
Anfachung von thermoakustischen Schwingungen ursächlich zu
hemmen. Aufwendige Maßnahmen zur Schalldämpfung können dabei
entfallen.
Es ist besonders zweckmäßig, wenn der Abstand der benachbar
ten Brenner bzw. Brennergruppen in Strömungsrichtung
Δs = u/2f beträgt, also für n Null gewählt wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Brennergruppen jeweils
aus zwei sich in Strömungsrichtung der Gase auf einer Ebene
befindenden Brennern bestehen.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Er
findung dargestellt. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch Brenner, Brennkammer und
Leitreihe;
Fig. 2-5 schematische Darstellungen möglicher Brenneranord
nungen.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli
chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage
beispielsweise die Gestaltung des Gehäuses der Gasturbinen
brennkammer mit Innen- und Außenmantel. Die Strömungsrich
tung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles nach
Fig. 1 näher erläutert. Eine Gasturbinenanlage besitzt eine
Brennkammer 1, in diesem Falle eine Ringbrennkammer mit 18
Brennern 2. Zur Vereinfachung sind in Fig. 1 nur zwei benach
barte Brenner 2′ und 2′′ dargestellt. Die Länge der Brennkam
mer 1 in Strömungsrichtung beträgt 1 m, die Heißgasgeschwin
digkeit u beträgt 40 m/s und die Schallgeschwindigkeit c be
trägt 800 m/s. Die fundamentale Eigenschwingung dieser Brenn
kammer 1 weist eine Wellenlänge auf, die einem Viertel der
Brennkammerlänge entspricht. Damit ergibt sich aus f = c/4l
eine Eigenfrequenz f von 200/s.
Die sich in der Brennkammer 1 ausbildende akustische Eigen
schwingung mit der Frequenz f von 200/s bewirkt eine periodi
sche Luftzufuhr zu den Brennern 2 durch Variation der Strö
mungsgeschwindigkeiten in den Brennern 2. Daraus resultiert
eine Oszillation der Verbrennungstemperatur in der Brenner
ebene mit der gleichen Frequenz. Diese Temperaturstörung
breitet sich mit der Strömungsgeschwindigkeit u des Heißga
ses stromabwärts aus. Beim Durchtritt einer heißen bezie
hungsweise einer kalten Zone durch die Leitreihe 3 am
Austritt der Brennkammer 1 entsteht eine "akustische Brems
strahlung": Eine Zone niedriger Temperatur bewirkt aufgrund
ihrer höheren Dichte einen stärkeren Druckabfall infolge der
starken Beschleunigung in der Leitreihe 3. Dieser Überdruck
impuls läuft in die Brennkammer 1 zurück. Analog bewirkt eine
Zone höherer Temperatur einen Unterdruckimpuls.
Sind nun die benachbarten Brenner, wie in Fig. 1 anhand der
Brenner 2′ und 2′′ und in Fig. 2 schematisch mit Hilfe der
Brennermündungen 4 dargestellt ist, um einen bestimmten Ab
stand Δs in Strömungsrichtung verschoben angeordnet, so kön
nen sich die positiven und negativen Temperaturabweichungen
der benachbarten Brenner 2′ und 2′′ kompensieren. Durch den
Drall des Heißgases hinter jedem Brenner werden die Tempera
turunterschiede stromabwärts schnell ausgeglichen. Da die
Schallgeschwindigkeit c in der Brennkammer 1 viel größer als
die Heißgasgeschwindigkeit u ist, ergeben sich für die o. g.
Daten der Ringbrennkammer optimale Δs-Werte von 0,1 m, 0,3 m,
0,5 m . . .
Konstruktiv vorteilhaft ist ein Abstand der benachbarten
Brenner 2′, 2′′ in Strömungsrichtung von Δs = 0,1 m. Von den 18
Brennern 2 der Brennkammer 1 sind deshalb bei der erfindungs
gemäßen Vorrichtung im Vergleich zu einer konventionellen
Ringbrennkammer, bei welcher die Brenner 2 gleichmäßig ver
teilt auf einer Kreisringfläche nebeneinander angeordnet
sind, abwechslungsweise jeweils ein Brenner 2′ um 5 cm in
Strömungsrichtung und der nächste Brenner 2′′ um 5 cm in
Gegenstromrichtung verschoben angeordnet. Auf diese Weise
werden Temperaturstörungen in der Brennkammer 1 reduziert und
die Entstehung von thermoakustischen Schwingungen wird er
schwert. Damit können unzulässig hohe mechanische Belastungen
der Brennkammer 1 und ein Emissionsanstieg durch inhomogene
Verbrennung verhindert werden.
In den Fig. 3 bis 5 sind als Ausführungsbeispiele schematisch
weitere mögliche erfindungsgemäße Brenneranordnungen darge
stellt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind auch unregelmä
ßige Kombinationen der Brenneranordnungen nach Fig. 2 und 3
realisierbar. Fig. 5 zeigt z. B. die Anordnung von Brenner
gruppen, welche aus jeweils zwei in Strömungsrichtung der
Gase auf einer Ebene befindlichen Brennern bestehen.
Bezugszeichenliste
1 Brennkammer
2 Brenner
3 Leitreihe
4 Brennermündung
Δs Abstand der benachbarten Brenner in Strömungsrichtung in m
l Länge der Brennkammer in m
u Heißgasgeschwindigkeit in m/s
c Schallgeschwindigkeit in m/s
f Eigenfrequenz der Brennkammer in 1/s
2 Brenner
3 Leitreihe
4 Brennermündung
Δs Abstand der benachbarten Brenner in Strömungsrichtung in m
l Länge der Brennkammer in m
u Heißgasgeschwindigkeit in m/s
c Schallgeschwindigkeit in m/s
f Eigenfrequenz der Brennkammer in 1/s
Claims (3)
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1. Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen in Brenn
kammern von Gasturbinenanlagen, wobei in Strömungs
richtung vor der Brennkammer (1) mehrere Brenner (2)
angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die be
nachbarten Brenner (2′, 2′′) bzw. Brennergruppen, wobei
letztere jeweils aus einer gleichgroßen Anzahl von sich
in Strömungsrichtung der Gase auf einer Ebene befinden
den Brennern (2) bestehen, jeweils um einen Abstand Δs
in Strömungsrichtung verschoben voneinander angeordnet
sind, wobei unter der Voraussetzung, daß die Schall
geschwindigkeit in der Brennkammer (1) viel größer als
die Heißgasgeschwindigkeit ist, gilt
Δs = u (2n+1)/2f
mit Δs = Verschiebung der benachbarten Brenner bzw. Brennergruppen in Strömungsrichtung in m
u = Heißgasgeschwindigkeit in m/s
f = Eigenfrequenz der Brennkammer in 1/s
n = 0, 1, 2, 3, . . .
Δs = u (2n+1)/2f
mit Δs = Verschiebung der benachbarten Brenner bzw. Brennergruppen in Strömungsrichtung in m
u = Heißgasgeschwindigkeit in m/s
f = Eigenfrequenz der Brennkammer in 1/s
n = 0, 1, 2, 3, . . .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die benachbarten Brenner (2′, 2′′) jeweils um einen
Abstand Δs in Strömungsrichtung verschoben voneinander
angeordnet sind, wobei Δs = u/2f.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die benachbarten Brennergruppen jeweils aus zwei
Brennern (2) bestehen.