DE4336096A1

DE4336096A1 - Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen in Brennkammern

Info

Publication number: DE4336096A1
Application number: DE4336096A
Authority: DE
Inventors: Melchior Dr Fischer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2013-10-23
Also published as: DE4336096B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen in Brennkammern von Gasturbinenanlagen, wobei in Strömungsrichtung vor der Brennkammer mehrere Brenner ange ordnet sind.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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.

Weg zur Ausführung der Erfindung

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

Claims

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, . . .

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.