EP0775870B1 - Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Druckschwingungen - Google Patents

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 Druckschwankungen kommen, die unter geeigneten Verhältnissen thermoakustische Schwingungen anregen. Diese Schwingungen begünstigen den Anstieg von Schadstoffemissionen aufgrund von Verbrennungsinhomogenitäten. 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 vorgeschlagen worden, bei denen die Brennkammer beispielsweise in ihren Schwingungseigenschaften beeinflusst wird.
Eine periodische Variation der Strömungsmengen von Brennstoffen ist ebenfalls zur Schwingungsreduktion vorgeschlagen worden.
Diesen Vorrichtungen und den mit ihnen durchgeführten Regelungsverfahren 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 vergleichsweise langsamem Regelausgleichsverhalten.

Aus der Offenlegungsschrift GB 21 61 916 A ist eine Einrichtung zur Kontrolle von akustischen Instabilitäten der Flamme einer Brennkammer bekannt. Diese Einrichtung weist ein Mikrofon, eine Spannungsquelle, einen Phasenwandler und zwei Elektroden auf. Die zwei Elektroden sind in der Brennkammer angeordnet und erzeugen in Abhängigkeit von der Amplitude, von der Frequenz und von der Phase des Signals des Mikrofons ein elektrisches, dem Signal des Mikrofons entgegengesetztes Signal in Form eines Lichtbogens.

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 Schwingung 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 Massnahmen 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 wesentlichen 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 Berührung 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 verschraubt.
Der Brenner 3 wird über eine Brennstoffleitung 5 mit Brennstoff 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 Drucksensor 6 ist über eine Regeleinrichtung 10 mit einer Spannungsquelle 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 Brennstoffströmungsrichtung auf das Hitzeschutzschild 12 zeigt Fig. 2. Das Hitzeschutzschild 12 ist hier als Ringsegment einer ringförmigen Gasturbinenbrennkammer, welche mit mehreren Brennern bestückt ist, 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 mittels 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 isoliert.

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

An dieser Stelle wird erläuternd festgehalten, dass im folgenden die Flamme 16 als ein hochionisiertes, elektrisch leitendes Plasma betrachtet wird, und somit durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Potential in ihren Verbrennungseigenschaften steuerbar ist. Nur wenige tausend Volt Spannung einer 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 gesteuerten Verbrennungsenergie.
Das erzeugte 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 stabilisiert.
Unter Ausnutzung dieses Phänomens mittels der erfindungsgemässen Vorrichtung, wird die Verbrennung in der Flamme 16 so geregelt, dass die durch sie entstehenden lastabhängigen, thermoakustischen Druckschwingungen reduziert und/oder gedämpft 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 übertragen und im folgenden weiterverarbeitet in der Messwertverarbeitung 8. Die anschliessend installierte Steuereinheit 9 generiert entsprechende Signale für die Spannungsquelle 11. Die Spannungsquelle 11 beaufschlagt dann gemäss den lastabhängigen 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 umgeben ist, wirkt dieses Hitzeschutzschild 12 wie eine positiv geladene Ringelektrode auf die Flamme 16, und ihre Steuerung erfolgt mit dem oben beschriebenen Regelverfahren, wobei besonders vorteilhaft ist, dass für die Vorrichtung zur Regelung 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 negativen oder wechselnden Spannung denkbar im Sinne der Erfindung. Auch die Anordnung einer geometrisch anderen Form einer Elektrode im Bereich der Flamme 16 ist erfindungsgemäss denkbar. Hier wäre beispielsweise auch eine Stabelektrode einsetzbar.
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

Brennnkammer-Frontplatte

14

Elektrode

15

Öffnung

16

Flamme

17

Luftspalt

18

Luftspalt

19

Luftspalt

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Druckschwingungen in einer Brennkammer (1), insbesondere in einer Brennkammer einer Gasturbine, umfassend einen in der Brennkammer installierten Drucksensor (6) zur Erfassung der auftretenden thermoakustischen Druckschwingungen, der mit dem Eingang einer Regeleinrichtung (10) verbunden ist und die Regeleinrichtung (10, welche eine Spannungsquelle (11) beinhaltet, an ihrem Ausgang mit Mitteln zur elektronischen Steuerung der Flamme in der Brennkammer (1) verbunden ist,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die Mittel zur elektronischen Steuerung der Flamme aus einer einzigen Elektrode (14) in der Brennkammer (1) bestehen, welche ein elektrisches Feld in der Brennkammer (1) erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die einzige Elektrode (14) mit einem Hitzeschutzschild (12) verbunden ist, welches die Abströmseite eines Brenners (3) ringförmig umgibt.

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