EP0918194A1 - Verfahren zur Auslegung eines Verbrennungssystems und Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Brennereigenschaften - Google Patents

Verfahren zur Auslegung eines Verbrennungssystems und Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Brennereigenschaften Download PDF

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EP0918194A1
EP0918194A1 EP97810904A EP97810904A EP0918194A1 EP 0918194 A1 EP0918194 A1 EP 0918194A1 EP 97810904 A EP97810904 A EP 97810904A EP 97810904 A EP97810904 A EP 97810904A EP 0918194 A1 EP0918194 A1 EP 0918194A1
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EP
European Patent Office
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acoustic
burner
test
downstream
upstream
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97810904A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Oliver Dr. Paschereit
Wolfgang Dr. Polifke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP97810904A priority Critical patent/EP0918194A1/de
Publication of EP0918194A1 publication Critical patent/EP0918194A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a method for designing a Combustion system, in particular a combustion chamber Gas turbine.
  • the invention further relates to a method and a device for determining thermoacoustic Properties of a burner, especially one Gas turbine burner.
  • Thermoacoustic combustion instabilities are one Danger to a variety of different combustion systems, such as household burners, gas turbines or rocket engines
  • the instabilities show a feedback of the Fluctuations in pressure and speed with the Heat release rate of the combustion process.
  • Vibration amplitude come up, which leads to undesirable effects, how about a high mechanical load on the Combustion chamber, increased emissions due to an inhomogeneous Burn or extinguish the flame.
  • thermoacoustic Properties of the system As early as possible. To model calculations can be used for this purpose in which the physical combustion system through a network acoustic elements.
  • the acoustic Elements correspond to the different components of the Systems, such as combustion chamber, fuel and air supply, Burner and flame, combustion chamber hood and cooling channels.
  • Burner and flame For the most of these components provide simple analytical Models have a sufficient description of their thermoacoustic Characteristics.
  • the complex presents difficulties Burner and flame response to thermoacoustic Disturbances, i.e. modeling the acoustic Transfer function or the source strength of the burner and Flame.
  • thermoacoustic advantageous design of a combustion system of the independent claim 1 the method for determining the Multipole transfer matrix and source strength of a burner of the independent claim 7 and the flow-through trainer to determine the multipole transfer matrix and source strength of a burner of independent claim 12.
  • thermoacoustic advantageous design of a combustion system includes Combustion system at least one combustion chamber and one Burner.
  • the combustion system is through a network acoustic elements, with a first acoustic Element the burner and a second acoustic element the Combustion chamber represents.
  • Other elements of the network For example, combustion chamber hood, cooling channels, Represent compressor diffuser and the like.
  • the burner is represented by an acoustic signal Multiple gate represented with source term.
  • the simplest case of the description is an acoustic one-port, in which the burner with flame is represented by a source strength f s and a reflection coefficient r s .
  • the relationship f r s G + f s , the Riemann invariants f and g then describe the progress of the acoustic wave in the positive and negative direction.
  • This treatment is suitable if the burner is always installed under the same conditions. Different combustion systems usually differ in their acoustic boundary conditions upstream and downstream of the burner. If the boundary conditions change, it then becomes necessary to redetermine the source strength and the reflection coefficient.
  • the burner is preferably represented by an acoustic two-port with source term.
  • the acoustic two-port is given by the equation described, wherein and are acoustic vectors that describe the pressure p and the velocity v upstream (index u) and downstream (index d) of the burner.
  • the vector describes the source strength of the burner and T is a four-pin transfer matrix with the components
  • equation (1) can also be written as
  • the acoustic double gate has two gates, which are called the entrance gate ( p u ) and the exit gate ( p d ).
  • the corresponding multipole transfer matrix then takes the place of the four-pole transfer matrix from equation (1).
  • the corresponding 2 n -pol transfer matrix represents an nxn matrix.
  • thermoacoustic fluctuations of the Network of acoustic elements can be calculated. Thereby in usually the amplitude and / or phase of the pressure fluctuations determined in response to a given suggestion.
  • the Answer depends on the frequency, in annular geometries in usually additionally from the azimuthal mode number m.
  • the Calculated pressure fluctuations are based on specified criteria compared to the thermoacoustic stability of the To assess the combustion system.
  • the individual acoustic elements adjusted until the predetermined criteria are met. For example by changing the geometry of the combustion chamber or the thermoacoustic properties of the burner happen.
  • Combustion system In addition to the combustion chamber and burner, this can be done Combustion system other elements, such as one Combustion chamber hood, plenum, compressor diffuser, cooling channels and the like. Then in the performing network appropriate acoustic elements are included if this is necessary for a more precise assessment of the stability is.
  • thermoacoustic fluctuations of the network are preferably calculated using the following method: First, the transfer matrices that can be derived from the acoustics and fluid dynamics are set up for the individual elements. The individual elements are then linked to form a network, so that the overall system in the form of a linear system of equations, the system equation is described.
  • the vector of the unknowns y is made up of the acoustic variables pressure and speed, or the equivalent Riemann invariants f and g , and possibly other auxiliary variables.
  • the vector of the inhomogeneities r represents the existing excitation mechanisms such as external or internal excitation due to fluid mechanical instabilities, discontinuities in the compressor or the fuel pumps, actuators, loudspeakers and the like.
  • Equation (3) thus allows the calculation of the system response, ie the amplitudes of the system variables at the ends of the respective elements, on a given excitation.
  • thermoacoustic properties of a Brenners can be better described. Will the thermoacoustic properties of the burner through a Multipole transfer matrix and a source strength are specified them from one combustion system to another Combustion system easier to transfer. Are these sizes for a burner and combustion system has been determined when installing the burner in a new environment, no new one Determination of its properties necessary. Rather, it can new environment along with the burner with the familiar Properties of the burner directly on stability to be examined. This reduces the experimental effort drastically and leads to a significant time saving the design and construction of the combustion system.
  • thermoacoustic properties of a burner can be modified with in compliance with the flow-through test stand according to the invention of the inventive method for determining the multipole transfer matrix and source strength of a burner determined become.
  • the flow through test stand for determining the multipole transfer matrix and source strength of a burner includes one Device for introducing a burner, means for Changing the acoustic conditions upstream and / or downstream of the burner and means for measuring the Pressure distribution upstream and downstream of the burner.
  • the Acoustic conditions can be determined by passive acoustic Loads, such as attachable pipe pieces of various lengths and diameter can be changed.
  • the acoustic conditions can preferably be upstream and / or downstream through active acoustic sources, such as speakers or other acoustic signaling devices can be changed.
  • the acoustic sources are preferably axial and azimuthal distributed.
  • the sources are at the same axial position preferably on the circumference of the trainer in equals azimuthal angular distances. So you can by adjusting the phase differences between the sources achieve different azimuthal excitation modes.
  • the Pressure distribution is preferably measured by microphones, however there are also other sensors, such as piezoelectric Pressure sensors in the context of the invention.
  • the Test stand a plenum chamber upstream of the burner, one Combustion chamber downstream of the burner and a cooling air supply on.
  • Test states There will be at least two different acoustic signals Test states set and with each test state the Pressure distribution measured upstream and downstream of the burner.
  • the various acoustic test states can be passive acoustic loads and / or through active acoustic sources can be set.
  • the change in acoustic Conditions can be both upstream and downstream of the Brenners done, however, the change can only be made to one side of the burner is sufficient.
  • the different Test conditions should be chosen so that they are linear from each other are independent.
  • the pressure distribution is preferred with Microphones measured, the measurement lies with other sensors however within the scope of the invention. In particular, the measurement acoustic speed using modern methods Flow measurement technology, such as laser Doppler anemometry in Scope of the invention.
  • the trainer 10 consists of the plenum chamber 12 upstream the burner 20, the combustion chamber 14 downstream of the burner, the Exhaust system 18, the combustion air supply 22, and Cooling air supply 24.
  • the plenum chamber 12 contains perforated Plates (not shown) to increase the turbulence of the air flow to reduce.
  • the combustion chamber 14 consists of air-cooled double-walled quartz glass 16 for a perfect optical To ensure access to the flame.
  • the exhaust system 18 consists of an air-cooled tube with the same Cross section like the combustion chamber, so that acoustic reflections be avoided due to different cross-sectional areas.
  • the acoustic boundary conditions of the exhaust system can on the adjustable end 26 can be varied over a wide range.
  • the speaker arrays 30 and 32 each consist of four Speakers on the scope of the test stand in azimuthal distances of 90 ° are attached.
  • the gas flow upstream and downstream of the burner 20 can pass through it be stimulated in a controlled manner.
  • For axially symmetrical excitation become the speakers of an array with a phase difference operated from zero.
  • By a non-zero Phase difference are also not axially symmetrical excitations adjustable.
  • the pressure fluctuations become upstream and downstream measured with the water-cooled microphone arrays 34 and 36.
  • Condenser microphones are preferably used with which Phase and amplitude of the pressure fluctuations with high Accuracy can be measured.
  • the microphone diaphragms are housed in small chambers and are protected from heat radiation.
  • the burner When the burner is described as an acoustic single gate, various methods are suitable for determining the unknowns r s and f s , which are differentiated as methods with and without an external source.
  • External source methods are performed in two steps. First, the reflection coefficient of the source is determined with external excitation. Known methods such as the two-microphone method are used for this. In a second step, the external source is switched off and the source strength of the burner is determined using a known terminating impedance of the acoustic system. In methods without external sources, the unknowns r s and f s are determined with the aid of the "multi-load" method, in which two linearly independent test states are set by different acoustic termination conditions at the outlet of the system.
  • the acoustic four-pole transfer matrix contains four unknown, complex components and the source strength vector p s contains two complex components.
  • the complete description of the burner as an active acoustic two-port requires in the most general case the determination of six unknowns. This requires the measurement of three linearly independent test states.
  • Experimental studies have shown that the source strength vector is small in many cases, since there are only slight differences between the results with and without a burner flame. An explicit determination of the swelling strength can thus be dispensed with in many cases without introducing a major error in the determination of the thermoacoustic properties.
  • only four unknowns have to be determined, for which a measurement on two linearly independent test states is sufficient. It is preferable to choose exactly two different test states, since the resulting system of four linearly independent equations has a clear solution.
  • two acoustic test states are carried out two different acoustic loads are set.
  • the test states are different Suggestions with active acoustic sources, here the Speakers. This method is preferred because with her more clearly different acoustic conditions can be set and it leads to fewer errors.
  • thermoacoustic parameters of a burner in a trainer After determining the thermoacoustic parameters of a burner in a trainer according to the invention, a Combustion system to contain such a burner using the method described above to thermoacoustic Stability. After that, a so designed System manufactured and approximately one as a combustion system Gas turbine are used.
  • the azimuthal structure of acoustic disturbances in the annular gap is characterized by a mode number m .
  • the elements of the transfer matrices are then generally dependent on m .
  • g (x, t) g (t + x / c) represent a clockwise or counterclockwise shaft.
  • the size c denotes the speed of sound.
  • annular gap of low height is particularly relevant for the modeling of annular combustion chambers. Applies to the m th mode of an annular gap with radius R f (x, y, t) ⁇ exp (i ⁇ t-ik x + cos (k y y) g (x, y, t) ⁇ exp (i ⁇ t-ik x- ) cos (k y y) .

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Abstract

Ein Verfahren zur thermoakustisch vorteilhaften Auslegung eines Verbrennungssystem, das eine Brennkammer und einen Brenner umfaßt, enthält folgende Verfahrensschritte: i) darstellen des Verbrennungssystems durch ein Netzwerk akustischer Elemente, wobei ein erstes akustisches Element den Brenner repräsentiert und ein zweites akustisches Element die Brennkammer repräsentiert; ii) berechnen der thermoakustischen Schwankungen des Netzwerks; und iii) anpassen der akustischen Elemente des Netzwerks derart, daß die Amplituden und/oder Phasen der thermoakustischen Schwankungen vorbestimmte Kriterien erfüllen. Dabei ist im Schritt i) das erste akustische Element, das den Brenner repräsentiert, ein akustisches Mehrtor mit Quellterm. Ein durchströmter Versuchsstand zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners umfaßt eine Vorrichtung zum Einbringen eines Brenners, Mittel zum Verändern der akustischen Bedingungen stromauf und/oder stromab des Brenners, und Mittel zur Messung der Druckverteilung stromauf und stromab des Brenners. Zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners werden zumindest zwei voneinander verschiedene akustische Testzustande eingestellt und bei jedem Testzustand wird die Druckverteilung stromauf und stromab des Brenners gemessen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung eines Verbrennungssystems, insbesondere einer Brennkammer einer Gasturbine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung thermoakustischer Eigenschaften eines Brenner, insbesondere eines Gasturbinenbrenners.
Stand der Technik
Thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten stellen eine Gefahr für einer Vielzahl verschiedenen Verbrennungssysteme, wie etwa Haushaltsbrennern, Gasturbinen oder Raketenantrieben dar. Die Instabilitäten weisen eine Rückkopplung der Schwankungen von Druck und Geschwindigkeit mit der Wärmefreisetzungsrate des Verbrennungsprozesses auf. Dabei kann es bei bestimmten Frequenzen zu Druckschwankungen großer Schwingungsamplitude kommen, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung der Brennkammer, erhöhten Emissionen durch eine inhomogene Verbrennung oder zu einem Erlöschen der Flamme führen.
Diese Probleme treten besonders in modernen Gasturbinenbrennkammern mit niedriger akustischer Dämpfung auf. Die in die Brennkammer einströmende Kühlluft wirkt in herkömmlichen Brennkammern schalldämpfend und trägt damit zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bei. Um niedrige NOx-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet und der Kühlluftstrom reduziert. Durch die damit einhergehende geringere Schalldämpfung treten die eingangs angesprochenen Probleme in solchen modernen Brennkammern demnach verstärkt auf. Die Druckamplituden der Schwingungen betragen beispielsweise 1 % des mittleren Betriebsdrucks, können aber in Extremfällen bis zu 10 % des mittleren Betriebsdrucks erreichen.
Wegen des hohen Entwicklungs- und Herstellungsaufwands ist es bei der Konstruktion von Verbrennungssystemen von entscheidender Bedeutung, die thermoakustischen Eigenschaften des Systems möglichst frühzeitig abschätzen zu können. Zu diesem Zweck können Modellrechnungen eingesetzt werden, in denen das physikalische Verbrennungssystem durch ein Netzwerk akustischer Elemente dargestellt wird. Die akustischen Elemente entsprechen dabei den verschiedenen Komponenten des Systems, wie etwa Brennkammer, Brennstoff- und Luftzufuhr, Brenner und Flamme, Brennkammerhaube und Kühlkanäle. Für die meisten dieser Komponenten liefern einfache analytische Modelle eine ausreichende Beschreibung ihrer thermoakustischen Eigenschaften. Schwierigkeiten bereitet jedoch die komplexe Antwort des Brenners und der Flamme auf thermoakustische Störungen, d.h. die Modellierung der akustischen Übertragungsfunktion bzw. der Quellstärke von Brenner und Flamme.
In bisherigen Beschreibungen wurden oft analytische Flammenmodelle verwendet. Das komplexe Strömungsverhalten ist jedoch schwer zu modellieren und führt wegen der zahlreichen Randbedingungen in der Regel nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Verfahren zur Auslegung eines Verbrennungssystems im Hinblick auf sein thermoakustisches Verhalten geschaffen werden, das die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine bessere Beschreibung und bessere Übertragbarkeit der thermoakustischen Eigenschaften eines Brenner in verschiedenen Verbrennungssystemen erreicht werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur thermoakustisch vorteilhaften Auslegung eines Verbrennungssystems des unabhängigen Anspruchs 1, das Verfahren zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners des unabhängigen Anspruchs 7 und den durchströmten Versuchsstand zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners des unabhängigen Anspruchs 12, gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur thermoakustisch vorteilhaften Auslegung eines Verbrennungssystems umfaßt das Verbrennungssystem zumindest eine Brennkammer und einen Brenner. Das Verbrennungssystems wird durch ein Netzwerk akustischer Elemente dargestellt, wobei ein erstes akustisches Element den Brenner und ein zweites akustisches Element die Brennkammer repräsentiert. Weitere Elemente des Netzwerks können beispielsweise Brennkammerhaube, Kühlkanäle, Kompressordiffusor und dergleichen repräsentieren. Dann werden die thermoakustischen Schwankungen des Netzwerks berechnet und die akustischen Elemente des Netzwerks derart angepaßt, daß die Amplituden und/oder Phasen der thermoakustischen Schwankungen vorbestimmte Kriterien erfüllen. Erfindungsgemäß wird der Brenner bei der Darstellung durch ein akustisches Mehrtor mit Quellterm repräsentiert.
Der einfachste Fall der Beschreibung ist ein akustisches Eintor, bei dem der Brenner mit Flamme durch eine Quellstärke fs und einen Reflexionskoeffizienten rs dargestellt wird. Die Beziehung f = rs g + fs , mit den Riemann-Invarianten f und g beschreibt dann das Fortschreiten der akustischen Welle in positiver und negativer Richtung. Diese Behandlung eignet sich für den Fall, daß der Brenner immer unter den gleichen Randbedingungen eingebaut wird. Verschiedene Verbrennungssysteme unterscheiden sich jedoch in der Regel in ihren akustischen Randbedingungen stromauf und stromab des Brenners. Es wird dann bei geänderten Randbedingungen notwendig, die Quellstärke und den Reflexionskoeffizienten neu zu bestimmen.
Bevorzugt wird der Brenner bei der Darstellung durch ein akustisches Zweitor mit Quellterm repräsentiert. Im Frequenzraum wird das akustisches Zweitor durch die Gleichung
Figure 00040001
beschrieben, wobei
Figure 00040002
und
Figure 00040003
akustische Vektoren sind, die den Druck p und die Geschwindigkeit v stromauf (Index u) und stromab (Index d) des Brenners beschreiben. Der Vektor
Figure 00040004
beschreibt die Quellstärke des Brenner und T ist eine vierpolige Transfermatrix mit den Komponenten
Figure 00050001
Mit diesen Definitionen läßt sich Gleichung (1) auch schreiben als
Figure 00050002
Das akustischen Zweitor weist zwei Tore auf, die als Eingangstor ( p u ) und Ausgangstor ( p d ) bezeichnet werden.
Oft ist eine Beschreibung des Brenners mit mehr als zwei Toren vorteilhaft, wenn beispielsweise Fluktuationen in der Brennstoffzufuhr oder der spezifischen Entropie Einfluß auf das akustische Verhalten des Brenners haben. An Stelle der Vierpol-Transfermatrix von Gleichung (1) tritt dann die entsprechende Multipol-Transfermatrix. Bei einer Gesamtzahl von n Variablen stellt die entsprechende 2n-pol-Transfermatrix eine n x n Matrix dar.
Mit Repräsentation des Brenners als aktives akustisches Mehrtor können nun die thermoakustischen Schwankungen des Netzwerk akustischer Elemente berechnet werden. Dabei wird in der Regel die Amplitude und/oder Phase der Druckfluktuationen als Antwort auf eine vorgegebene Anregung bestimmt. Die Antwort hängt von der Frequenz ab, in annularen Geometrien in der Regel zusätzlich von der azimutalen Modenzahl m. Die berechneten Druckschwankungen werden mit vorgegeben Kriterien verglichen, um die thermoakustische Stabilität des Verbrennungssystems zu beurteilen.
Erfüllt das Netzwerk diese Bedingungen noch nicht, werden die einzelnen akustischen Elemente solange angepaßt, bis die vorbestimmten Kriterien erfüllt sind. Dies kann beispielsweise durch eine Änderung der Geometrie der Brennkammer oder der thermoakustischen Eigenschaften des Brenners geschehen.
Zusätzlich zu Brennkammer und Brenner kann das Verbrennungssystem weitere Elemente, wie etwa eine Brennkammerhaube, Plenum, Kompressordiffusor, Kühlkanäle und dergleichen aufweisen. Im darstellende Netzwerk können dann entsprechende akustische Elemente aufgenommen werden, wenn dies für eine genauere Beurteilung der Stabilität erforderlich ist.
Bevorzugt werden die thermoakustischen Schwankungen des Netzwerks durch folgende Methode berechnet: Zunächst werden die aus der Akustik und Fluiddynamik ableitbaren Transfermatrizen für die einzelnen Elemente aufgestellt. Die Einzelelemente werden dann zu einem Netzwerk verknüpft, so daß das Gesamtsystem in Form eines linearen Gleichungssystems, der Systemgleichung
Figure 00060001
beschrieben ist. Dabei setzt sich der Vektor der Unbekannten y aus den akustischen Variablen Druck und Geschwindigkeit, oder den äquivalenten Riemann-Invarianten f und g, und unter Umständen weiteren Hilfsvariablen zusammen. Der Vektor der Inhomogenitäten r repräsentiert die vorhandenen Anregungsmechanismen wie externe oder interne Anregung durch fluidmechanische Instabilitäten, Unstetigkeiten im Kompressor oder den Brennstoffpumpen, Aktuatoren, Lautsprechern und dergleichen. Die Systemmatrix S setzt sich aus den Transfermatrizen der einzelnen Systemelemente zusammen. Sie ist in der Regel wohlkonditioniert, so daß Gleichung (3) mit den Standardmethoden der linearen Algebra numerisch gelöst werden kann. Gleichung (3) erlaubt somit die Berechnung der Systemantwort, d.h. die Amplituden der Systemvariablen an den Enden der jeweiligen Elemente, auf eine vorgegebene Anregung.
Die Repräsentation des Brenners als akustisches Mehrtor hat nun den Vorteil, daß die thermoakustischen Eigenschaften eines Brenners besser beschrieben werden. Werden die thermoakustischen Eigenschaften des Brenners durch eine Multipol-Transfermatrix und eine Quellstärke angegeben, sind sie von einem Verbrennungssystem auf ein anderes Verbrennungssystem leichter übertragbar. Sind diese Größen für einen Brenner und ein Verbrennungssystem bestimmt worden, ist bei Einbau des Brenners in eine neue Umgebung keine neue Bestimmung seiner Eigenschaften notwendig. Vielmehr kann das neue Umfeld zusammen mit dem Brenner mit den bekannten Eigenschaften des Brenners unmittelbar auf Stabilität untersucht werden. Dies reduziert den experimentellem Aufwand drastisch und führt zu einer signifikanten Zeitersparnis bei der Auslegung und Konstruktion des Verbrennungssystems.
Die thermoakustischen Eigenschaften eines Brenners können mit dem erfindungsgemäßen durchströmten Versuchsstand in Befolgung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners festgestellt werden.
Der durchströmter Versuchsstand zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners umfaßt eine Vorrichtung zum Einbringen eines Brenners, Mittel zum Verändern der akustischen Bedingungen stromauf und/oder stromab des Brenners und Mittel zur Messung der Druckverteilung stromauf und stromab des Brenners. Die akustischen Bedingungen können dabei durch passive akustische Lasten, wie etwa anbringbare Rohrstücke verschiedener Länge und Durchmessers, geändert werden.
Bevorzugt können die akustischen Bedingungen stromauf und/oder stromab durch aktive akustische Quellen, wie etwa Lautsprecher oder andere akustische Signalgeber geändert werden. Die akustischen Quellen sind bevorzugt axial und azimutal verteilt. Bei gleicher axialer Position sind die Quellen bevorzugt auf dem Umfang des Versuchsstands jeweils in gleichen azimutalen Winkelabständen angebracht. So lassen sich durch Einstellen der Phasendifferenzen zwischen den Quellen verschiedene azimutalen Anregungsmoden erreichen. Die Druckverteilung wird bevorzugt durch Mikrophone gemessen, doch liegen auch andere Sensoren, wie etwa piezoelektrische Drucksensoren im Rahmen der Erfindung. Vorteilhaft weist der Versuchsstand eine Plenumkammer stromauf des Brenners, eine Brennkammer stromab des Brenners und eine Kühlluftzuführung auf.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners wird der Brenner in einen durchströmten Versuchsstand mit stromauf und/oder stromab des Brenners veränderbaren akustischen Bedingungen eingebracht, etwa einen Versuchsstand der oben beschriebenen Art.
Es werden zumindest zwei voneinander verschiedene akustische Testzustände eingestellt und bei jedem Testzustand wird die Druckverteilung stromauf und stromab des Brenners gemessen. Die verschiedenen akustischen Testzutände können durch passive akustische Lasten und/oder durch aktive akustische Quellen eingestellt werden. Die Veränderung der akustischen Bedingungen kann dabei sowohl stromauf als auch stromab des Brenners erfolgen, jedoch kann auch die Veränderung auf nur einer Seite des Brenners ausreichen. Die verschiedenen Testzustände sind so zu wählen, daß sie voneinander linear unabhängig sind. Die Druckverteilung wird bevorzugt mit Mikrophonen gemessen, die Messung mit anderen Sensoren liegt jedoch im Rahmen der Erfindung. Insbesondere ist die Messung der akustischen Geschwindigkeit mit Methoden der modernen Strömungsmeßtechnik, wie etwa Laser-Doppler-Anemometrie im Rahmen der Erfindung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen durchströmten Versuchsstand;
Der Versuchsstand 10 besteht aus der Plenumkammer 12 stromauf des Brenners 20, der Brennkammer 14 stromab des Brenners, dem Abgassystem 18, der Verbrennungsluftzuführung 22, und der Kühlluftzuführung 24. Die Plenumkammer 12 enthält gelochte Platten (nicht gezeigt) um die Turbulenz des Luftstroms zu reduzieren. Die Brennkammer 14 besteht aus luftgekühltem doppelwandigen Quarzglas 16 um einen einwandfreien optischen Zugang zur Flamme zu gewährleisten. Das Abgassystem 18 besteht aus einer luftgekühlten Röhre mit demselben Querschnitt wie die Brennkammer, so daß akustische Reflexionen wegen unterschiedlicher Querschnittsflächen vermieden werden. Die akustischen Randbedingungen des Abgassystems können an dem verstellbaren Ende 26 in weitem Bereich variiert werden.
Die Lautsprecherarrays 30 und 32 bestehen je aus vier Lautsprechern die auf dem Umfang des Versuchstands in azimutalen Abständen von 90° angebracht sind. Der Gasstrom stromauf und stromab des Brenners 20 kann durch sie kontrolliert angeregt werden. Für axialsymmetrische Anregung werden die Lautsprecher eines Arrays mit einer Phasendifferenz von Null betrieben. Durch eine von Null verschiedene Phasendifferenz sind auch nicht axialsymmetrische Anregungen einstellbar. Die Druckschwankungen werden stromauf und stromab mit den wassergekühlten Mikrophonarrays 34 und 36 gemessen. Bevorzugt werden Kondensatormikrophone eingesetzt, mit denen Phase und Amplitude der Druckschwankungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Die Mikrophone sind durch eine kleine Öffnung (d=1 mm) an die Kammern angekoppelt, um einen niedrigen Rauschpegel in den Mikrophonen zu erreichen. Die Mikrophonmembrane sind in kleinen Kammern untergebracht und sind von der Wärmestrahlung geschützt.
Bei Beschreibung des Brenners als akustisches Eintor eignen sich zur Bestimmung der Unbekannten rs und fs verschiedene Methoden, die als Methoden mit und ohne externe Quelle unterschieden werden. Methoden mit externer Quelle werden in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst wird der Reflexionskoeffizient der Quelle mit externer Anregung bestimmt. Dazu werden bekannte Methoden, wie etwa die Zweimikrophonmethode verwendet. In einem zweiten Schritt wird die externe Quelle ausgeschaltet und die Quellstärke des Brenners mit einer bekannten Abschlußimpedanz des akustischen Systems bestimmt. Bei Methoden ohne externe Quellen werden die Unbekannten rs und fs mit Hilfe der "multi-load"-Methode bestimmt, bei der durch verschiedene akustische Abschlußbedingungen am Auslaß des Systems zwei linear unabhängige Testzustände eingestellt werden.
Bei Beschreibung des Brenners als akustisches Zweitor, enthält die akustische Vierpol-Transfermatrix vier unbekannte, komplexe Komponenten und der Quellstärkevektor p s enthält zwei komplexe Komponenten. Die vollständige Beschreibung des Brenners als aktives akustisches Zweitor erfordert also im allgemeinsten Fall die Bestimmung von sechs Unbekannten. Dazu ist die Messung dreier linear unabhängiger Testzutände notwendig. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß der Quellstärkevektor in vielen Fällen klein ist, da zwischen den Ergebnissen mit und ohne Brennerflamme nur geringe Unterschiede bestehen. Auf eine explizite Bestimmung der Quellstärke kann somit in vielen Fällen verzichtet werden, ohne einen großen Fehler in die Bestimmung der thermoakustischen Eigenschaften einzuführen. Dann sind nur vier Unbekannte zu bestimmen, wofür eine Messung an zwei linear unabhängigen Testzuständen ausreicht. Bevorzugt wählt man genau zwei verschiedene Testzustände, da das resultierende System von vier linear unabhängigen Gleichungen eine eindeutige Lösung aufweist.
In einer Methode werden zwei akustischen Testzustände durch zwei verschieden akustische Lasten eingestellt. Bei einer anderen Methode werden die Testzustände durch verschiedene Anregungen mit aktiven akustischen Quellen, hier den Lautsprechern, eingestellt. Diese Methode ist bevorzugt, da bei ihr leichter deutlich verschiedene akustische Bedingungen eingestellt werden können und sie zu geringeren Fehlern führt.
Nach Bestimmung der thermoakustischen Parameter eines Brenners etwa in einem erfindungsgemäßen Versuchsstand, kann ein Verbrennungssystem, das einen solchen Brenner enthalten soll, mittels des oben beschriebenen Verfahrens auf thermoakustische Stabilität ausgelegt werden. Danach kann ein so ausgelegtes System hergestellt und als Verbrennungssystem etwa einer Gasturbine eingesetzt werden.
Im für die Anwendung besonders interessanten Fall einer Ringbrennkammer ist die azimutale Struktur akustischer Störungen in dem Ringspalt durch eine Modenzahl m gekennzeichnet. Die Elemente der Transfermatrizen sind dann im allgemeinen abhängig von m. Die Ausbreitung akustischer Störungen kann allgemein durch die Riemannschen Invarianten f und g beschrieben werden, wobei f(x,t) = f(t-x/c) bzw. g(x,t) = g(t+x/c) eine rechts- bzw. linkslaufende Welle darstellen. Die Größe c bezeichnet die Schallgeschwindigkeit.
Für die Modellierung von Ringbrennkammern ist der Fall eines Ringspalt geringer Höhe besonders relevant. Für die m-te Mode eines Ringspalts mit Radius R gilt f(x,y,t) ∼ exp(iωt-ikx + cos(ky y) g(x,y,t) ∼ exp(iωt-ikx-) cos(ky y).
Dabei ist die axiale und azimutale Wellenzahl definiert über kx ± = k (1-M2)-1 (-M ± (1- (ky/k)2(1-M2))1/2) ky = m/R.
Der Einfluß der mittleren Geschwindigkeit U entlang des Ringspalts ist dabei durch die Machzahl M = U/c erfaßt. Die Beziehungen zwischen den Riemann-Invarianten f,g und den Schwankungen von Geschwindigkeit u' und Druck p' ergeben sich durch p'/ρc = f + g, u' = κ+ f + κ- g, und umgekehrt f = κ- (κ- - κ+ )-1 (p'/ρc - u'/κ- ), g = κ+ (κ+ - κ- )-1 (p'/ρc - u'/κ+ ), wobei die Variable κ definiert ist als κ± = kx ± / (k- Mkx ±).
Die Beziehungen (4) bis (12) gelten nicht nur, wie hier der Einfachheit halber angenommen, für einen einfachen Ringspalt, sondern können allgemeinen bei der Beschreibung der Akustik in annularen Geometrien verwendet werden.
Bezugszeichenliste
10
Versuchsstand
12
Plenumkammer
14
Brennkammer
16
Quarzglas
18
Abgassystem
20
Brenner
22
Verbrennungsluftzuführung
24
Kühlluftzuführung
26
verstellbares Ende des Abgassystems
30
Lautsprecherarray stromauf des Brenners
32
Lautsprecherarray stromab des Brenners
34
Mikrophonarray stromauf des Brenners
36
Mikrophonarray stromab des Brenners

Claims (17)

  1. Verfahren zur thermoakustisch vorteilhaften Auslegung eines Verbrennungssystem, das eine Brennkammer und einen Brenner umfaßt, mit folgenden Verfahrensschritten:
    i) darstellen des Verbrennungssystems durch ein Netzwerk akustischer Elemente, wobei ein erstes akustisches Element den Brenner repräsentiert und ein zweites akustisches Element die Brennkammer repräsentiert;
    ii) berechnen der thermoakustischen Schwankungen des Netzwerks; und
    iii) anpassen der akustischen Elemente des Netzwerks derart, daß die Amplituden und/oder Phasen der thermoakustischen Schwankungen vorbestimmte Kriterien erfüllen,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Schritt i) das erste akustische Element, das den Brenner repräsentiert, ein akustisches Mehrtor mit Quellterm ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem das erste akustische Element ein akustisches Eintor oder ein akustisches Zweitor mit Quellterm ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    bei dem alle Elemente des Netzwerkes durch akustische Mehrtore repräsentiert werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem das Verbrennungssystem zusätzlich eine Brennerhaube und/oder einen oder mehrere Kühlkanäle aufweist, und das darstellende Netzwerk entsprechende akustische Elemente aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem das Verbrennungssystem annulare Geometrie aufweist, insbesondere bei dem die Brennkammer eine Ringbrennkammer ist.
  6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Berechnung der thermoakustischen Schwankungen des Netzwerks im Schritt ii) folgende Schritte umfaßt:
    a) Aufstellen der Systemgleichung, bei der sich die Systemmatrix aus den Transfermatrizen der akustischen Elemente des Netzwerks zusammensetzt,
    b) Festlegen des Vektors der Inhomogenitäten, der die vorhandenen Anregungen repräsentiert, und
    c) Lösen der Systemgleichung zur Bestimmung der Systemantwort.
  7. Verfahren zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners, bei dem der Brenner in einen durchströmten Versuchsstand mit stromauf und/oder stromab des Brenners veränderbaren akustischen Bedingungen eingebracht wird,
    zumindest zwei voneinander verschiedene akustische Testzustände eingestellt werden, und
    bei jedem Testzustand die Druckverteilung stromauf und stromab des Brenners gemessen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    bei dem verschiedene akustischen Testzustände durch passive akustische Lasten stromauf und/oder stromab des Brenners eingestellt werden.
  9. Verfahren nach einer der Ansprüche 7 oder 8,
    bei dem verschiedene akustischen Testzutände durch aktive akustische Quellen stromauf und/oder stromab des Brenners eingestellt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    bei dem linear unabhängige akustischen Testzustände eingestellt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    bei dem die Druckverteilung im Versuchsstand mit Mikrophonen gemessen wird.
  12. Durchströmter Versuchsstand zur Bestimmung der Multipol-Transfermatrix und Quellstärke eines Brenners, umfassend eine Vorrichtung zum Einbringen eines Brenners,
    Mittel zum Verändern der akustischen Bedingungen stromauf und/oder stromab des Brenners, und Mittel zur Messung der Druckverteilung stromauf und stromab des Brenners.
  13. Durchströmter Versuchsstand nach Anspruch 12,
    bei dem die Mittel zum Verändern der akustischen Bedingungen passive akustische Lasten umfassen.
  14. Durchströmter Versuchsstand nach Anspruch 13,
    bei dem die passiven akustischen Lasten einsetzbare Rohrstücke verschiedener Länge und Durchmessers umfassen.
  15. Durchströmter Versuchsstand nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Mittel zum Verändern der akustischen Bedingungen aktive akustische Quellen umfassen.
  16. Durchströmter Versuchsstand nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Mittel zur Messung der Druckverteilung Mikrophone, bevorzugt wassergekühlte Mikrophone umfassen.
  17. Durchströmter Versuchsstand nach einem der Ansprüche 12 bis 16, der eine Plenumkammer stromauf des Brenners, eine Brennkammer stromab des Brenners und eine Kühlluftzuführung umfaßt.
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