EP0925472A1 - Verfahren und einrichtung zur verbrennung von brennstoff mit luft - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur verbrennung von brennstoff mit luftInfo
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- EP0925472A1 EP0925472A1 EP97941847A EP97941847A EP0925472A1 EP 0925472 A1 EP0925472 A1 EP 0925472A1 EP 97941847 A EP97941847 A EP 97941847A EP 97941847 A EP97941847 A EP 97941847A EP 0925472 A1 EP0925472 A1 EP 0925472A1
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23D23/00—Assemblies of two or more burners
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- 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 the combustion of fuel with air in a combustion chamber, to which the air is supplied through at least one air inlet and the fuel through several burners, each burner having an associated delay time which corresponds to a time period after which a acoustic impulse in the combustion chamber causes a thermal impulse during the combustion of the fuel supplied via this burner.
- the invention also relates to a corresponding device for the combustion of fuel with air.
- the invention relates in particular to a method and a device of the type mentioned at the outset for use in a gas turbine, a gas turbine being a composite of a compressor for air, a combustion device comprising at least one combustion chamber for burning a fuel in the air to form a flue gas and a turbine in the true sense to relax the flue gas.
- the turbine can be of several parts, that is to say it can comprise a plurality of subtowers connected behind one another; the same applies to the compressor.
- the compressor is in particular a turbo compressor. As part of common practice, the turbine drives the compressor.
- a combustion vibration is generally based on one
- the delay time of a burner in a combustion chamber is composed of various summands, which can each be traced back to individual components of the system comprising the burner, combustion chamber and frame.
- the summands related to the burner and the combustion chamber are mainly determined by the geometry of the burner and the combustion chamber; a summand that can be traced back to the flame itself is essentially determined by the properties of the combustion itself.
- the summand itself can be further broken down into a "convective delay time", which characterizes a transport time for the transport of the reactants to the flame front, where the combustion starts, a "heating time", which the
- reaction kinetic delay time Time for the heating up of the reactants to the temperature required for ignition, as well as a "reaction kinetic delay time", which is determined by the course of the combustion itself. As a rule, the convective delay time clearly outweighs the other two summands.
- Throttling points, resonators and / or mufflers are used, see the mentioned book by Putnam, pp. 156-175, or that the fuel is supplied by an active modulation with the aim of decoupling the energy release from acoustic vibrations in the combustion chamber.
- active instability control Such a measure is referred to as “active instability control”; for explanation see the article "The ⁇ active instability control 'as a method of investigation for self-excited combustion stabilities" by S. Gleis and D. Vortmeyer, VDI-Reports No. 765 (1989), p. 645 -656.
- the object of the invention to provide new passive measures on a combustion chamber with a plurality of burners, which are suitable for reliably suppressing combustion vibrations.
- the measures should be applicable to both liquid and gaseous fuels regardless of the apparatus and non-functional details of the combustion chamber. No moving parts or other active components should be used.
- the invention is intended to specify both a corresponding method and a corresponding device.
- a method for combusting fuel with air in a combustion chamber is specified, to which the air is supplied through at least one air inlet and the fuel is supplied through several burners, each burner having an associated delay time, which is one Corresponds to the period of time after which an acoustic pulse m of the combustion chamber causes a thermal pulse in the combustion of the fuel supplied via this burner, and the supply of the fuel via the burner and the supply of air via the air inlet are controlled in such a way that the delay times of the Burners are significantly different from one another.
- the method for use in connection with a combustion chamber which is resonant for an acoustic oscillation with a certain period the associated delay time of each burner between an integral multiple minus a quarter and the integral multiple plus a quarter of the period lies.
- the term "integer multiple” also includes zero. It goes without saying that the delay time cannot, by definition, assume negative values.
- the feature that the combustion chamber is resonant for a certain acoustic oscillation should not be interpreted as a limitation to this effect. that only the combustion chamber should determine this resonance; it is understood that the combustion chamber is usually part of a more or less complex overall acoustic system, the resonance with all essential parameters being defined by the overall acoustic system.
- premix combustion is of particular interest because it takes place at lower temperatures than the diffusion combustion that can be achieved with simpler means and therefore significantly less than the diffusion combustion for product tion of nitrogen oxides. It is important in this context that the invention also compensates for the thermodynamic-acoustic problems of premixed combustion mentioned at the beginning.
- the burners in the device are geometrically identical to one another, and the fuel supply is set up to supply the fuel to the burners at respective rates, which rates are substantially different from one another.
- the device for use on a gas turbine is particularly preferred, the combustion chamber being arranged between a compressor and a turbine of the gas turbine.
- FIG. 1 shows a gas turbine and a device for the combustion of a fuel with air
- 2 shows a plan view of a combustion chamber with a plurality of burners
- 3 shows a schematic cross section through a combustion chamber with several burners.
- a premix burner brings a mixture from fuel and air with a defined composition for combustion, so that the combustion can be controlled much more sensitively than with a diffusion burner, where the process of mixing fuel and air is practically not controllable
- orifices 16 are mounted in front of four of the five burners 7, each of which partially covers the corresponding swirl blades 14 and thus acts as a throttle for the air flow entering the burner 7. This has the effect that the decisive operating parameters of all burners 7 are different from one another, so that the burner 7 cannot work together to excite combustion vibrations in the combustion chamber 5.
- the explanations made as preferred embodiments of the invention also apply to the exemplary embodiment according to FIG. 2.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft in einer Brennkammer (5), welcher durch zumindest einen Lufteinlaß (6) die Luft und durch mehrere Brenner (7) der Brennstoff zugeführt werden. Dabei hat jeder Brenner (7) eine zugehörige Verzugszeit, entsprechend einer Zeitdauer, nach der ein akustischer Impuls in der Brennkammer (5) einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner (7) zugeführten Brennstoffs hervorruft. Dabei wird die Zuführung des Brennstoffes über die Brenner (7) derart gesteuert, daß die Verzugszeiten der Brenner (7) wesentlich verschieden untereinander sind. Die Erfindung ist anwendbar an einer Brennkammer (5) einer Gasturbine (1, 2, 3, 4, 5, 13).
Description
Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft in einer Brennkammer, welcher durch zumindest einen Lufteinlaß die Luft und durch mehrere Brenner der Brennstoff zugeführt werden, wobei ;jeder Brenner eine zu- gehörige Verzugszeit hat, welche einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls in der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner zugefuhrten Brennstoffes hervorruft. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft.
Ein solches Verfahren und eine solche Einrichtung gehen hervor aus der WO 93/10401 AI.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zum Einsatz m einer Gasturbine, wobei eine Gasturbine ein Verbund aus einem Verdichter für Luft, einer Verbrennungseinrichtung umfassend zumindest eine Brennkammer zur Verbrennung eines Brennstoffes in der Luft unter Bildung eines Rauchgases sowie einer Turbine im eigentlichen Sinne zur Entspannung des Rauchgases ist. Die Turbine kann mehrteilig sein, also mehrere hinter- emandergeschaltete Teilturbmen umfassen; gleiches gilt für den Verdichter. Der Verdichter ist insbesondere ein Turbover- dichter. Im Rahmen der geläufigen Praxis treibt die Turbine den Verdichter an.
Die Erfindung knüpft an an die Aufgabe der Dampfung oder Vermeidung akustischer Schwingungen in einer Brennkammer, welche Schwingungen von der Verbrennung induziert werden und als „Verbrennungsschwingungen" bekannt sind.
In vielen Brennkammern, und zwar sowohl in Brennkammern in Gasturbinen, als auch in Brennkammern von Kesselfeuerungen, Industrieofen oder anderen Anlagen, treten unter bestimmten, durch die einschlagigen thermodynamischen Betriebsparameter, wie Luftzahl und thermische Leistung, eindeutig definierten Bedingungen instabile Betriebszustande auf, die gekennzeichnet sind durch korrelierte Fluktuationen der Warmeproduktion bei der Verbrennung und des statischen Druckes m der Brennkammer und/oder in dieser vor- und nachgeschalteten Anlagen- teilen. Diese Fluktuationen äußern sich dadurch, daß m der Brennkammer selbsterregte akustische Schwingungen auftreten. Diese akustischen Schwingungen verursachen neben einer erhöhten Larmbelastung der Umgebung der betroffenen Anlage verstärkte mechanische und thermische Beanspruchungen der Brenn- kam er und anderer Teile der Anlage die durchaus m kurzer Zeit zum vollständigen oder teilweisen Versagen führen können.
Der mit steigenden Forderungen im Hinblick auf eine möglichst schadstoffarme Verbrennung einhergehende verstärkte Einsatz von Vormischbrennern m entsprechenden Brennkammern fuhrt aufgrund der mit einem Vormischbrenner erreichten höheren Reaktionsdichte, der von der chemischen Zusammensetzung des zur Verbrennung anstehenden Gemisches starker als in einem Diffu- sionsbrenner abhangigen Zündung sowie der gegenüber einem
Diffusionsbrenner verringerten konvektiven Verzugszeit innerhalb der gebildeten Flamme zu einer erhöhten Neigung zum Ausbilden von Verbrennungsschwingungen.
Eine Verbrennungsschwingung beruht im allgemeinen auf einer
Wechselwirkung zwischen der Strömung der aus dem eingesetzten Brenner austretenden Reaktionspartner und dem Energieumsatz bei der Verbrennung, wobei die Wechselwirkung in Verbindung mit einer m der Brennkammer und daran angeschlossenen Anla- genteilen auftretenden akustischen Resonanz eine stabile akustische Schwingung erzeugt und unterhalt. Dabei liegt ein geschlossener Wirkungskreis m einem aus dem Brenner nebst Zu-
leitungen, der Flamme selbst und der Brennkammer bzw. einem mit dieser gebildeten, akustisch schwmgungsfahigen System vor. Die zur Ausbildung und Aufrechterhaltung der akustischen Schwingung erforderliche Energie wird dabei aus dem Verbren- nungsprozeß selbst geliefert.
Die akustischen Verhaltnisse m einer Brennkammer nebst angeschlossenen Systemen sind eingehend erläutert in dem Buch „Combustion-Driven-Oscillations m Industry" von A.A. Putnam, American Elsevier Publishing Company, Inc., New York 1971, Seite 2. Auch ist hinzuweisen auf die Dissertation „Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Entstehungsmechanismen selbsterregter Druckschwingungen m technischen Vormisch-Verbrennungssystemen" von H. Buchner, Univer- sitat Karlsruhe 1992, Seiten 4 u. 5. Vorgestellt und erläutert wird jeweils eine als „Rayleigh-Kriterium" bekannte Bedingung, welche erfüllt sein muß, damit eine stabile Verbren- nungsschwmgung auftreten kann.
Aus dem Rayleigh-Kriterium ableitbar ist auch ein Kriterium, welches die Periodendauer einer akustischen Schwingung, für die die Möglichkeit ihres Auftretens erörtert wird, in Beziehung setzt zu einer einen Brenner und seinen Betrieb wesentlich charakterisierenden „Verzugszeit". Diese Verzugszeit ist eine Zeitdauer, nach welcher ein akustischer Impuls in der Brennkammer, an die der Brenner angeschlossen ist, einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über den Brenner zugefuhrten Brennstoffs hervorruft. Bezogen auf eine in der Brennkammer vorliegende stabile Schwingung und eine von die- ser über den Brenner bewirkten thermischen Schwingung, also einer periodischen Schwankung des Energieumsatzes bei der durch den Brenner bewirkten Verbrennung, entspricht die Verzugszeit einer Phasendifferenz zwischen der akustischen und der thermischen Schwingung. Hierzu ist besonders hinzuweisen auf die Dissertation von Buchner, S. 26-29, sowie den Bericht „Untersuchung der Anregungsmechanismen selbsterregter Verbrennungsschwingungen an einem Verbrennungssystem für Flus-
sigkraftstoff" von J. Herrmann, P. Zangl, S. Gleis und D. Vortmeyer, VDI-Berichte Nr. 1193 (1995), S. 251-260.
Die Verzugszeit eines Brenners m einer Brennkammer setzt sich zusammen aus verschiedenen Summanden, die jeweils auf einzelne Komponenten des Systems aus Brenner, Brennkammer und riamme zuruckfuhrbar sind. Die auf den Brenner und die Brennkammer beziehbaren Summanden bestimmen sich hauptsächlich durch die Geometrie von Brenner und Brennkammer; ein auf die Flamme selbst zuruckfuhrbarer Summand ist wesentlich durch die Eigenschaften der Verbrennung selbst bestimmt. Der Summand selbst laßt sich weiter zerlegen in eine „konvektive Verzugszeit", die eine Transportzeit für den Transport der Reaktionspartner zur Flammenfront, wo die Verbrennung em- setzt, charakterisiert, eine „Aufheizungszeit", welche die
Zeit für die Aufheizung der Reaktionspartner auf die zur Zündung erforderliche Temperatur angibt, sowie eine „reaktionskinetische Verzugszeit", welche durch den Ablauf der Verbrennung selbst bestimmt ist. In der Regel überwiegt die konvektive Verzugszeit die beiden anderen Summanden deutlich.
Herkömmliche Mittel zur Unterdrückung einer Verbrennungsschwingung in einer Brennkammer beruhen entweder darauf, daß mehr oder weniger empirisch passive akustische Mittel wie
Drosselstellen, Resonatoren und/oder Schalldampfer zum Einsatz kommen, siehe das erwähnte Buch von Putnam, S. 156-175, oder daß die Zufuhrung des Brennstoffes einer aktiven Modulation mit dem Ziel der Entkopplung der Energiefreisetzung von akustischen Schwingungen in der Brennkammer vorgenommen wird. Eine solche Maßnahme wird als „aktive Instabilitatskontrolle" bezeichnet; zur Erläuterung siehe den Aufsatz „Die ^aktive Instabilitatskontrolle' als Untersuchungsmethode für selbsterregte Verbrennungsmstabilitaten" von S. Gleis und D. Vortmeyer, VDI-Berichte Nr. 765 (1989), S. 645-656. In der
DE 42 41 729 AI ist ein Aktuator beschrieben, durch den einem unter Druck stehenden Flussigkeitsstrom eine Massenstrom-
oder Druckschwankung aufpragbar ist. Der Aktuator wird für eine Verwendung zur aktiven Regelung von Verbrennungsinstabi- litaten bei Flussigtreibstoff-Brennern sowie bei Geraten zur Zerstäubung von Flüssigkeiten vorgeschlagen.
Die herkömmlichen passiven Maßnahmen zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen zielen darauf ab, den Betrieb der Anlage durch Verschiebung der akustischen Eigenschaften von Teilsystemen so zu stabilisieren, daß über den gesamten ge- wünschten Betriebsbereich keine Verbrennungsschwingungen mehr auftreten. Diese Maßnahmen erfordern Mittel, die im Einzelfall an die jeweilige Anlage angepaßt werden müssen und stet die Gefahr in sich bergen, daß zwar bekannte instabile Betriebspunkte stabilisiert, jedoch neue Instabilitäten unter anderen Betriebsbedingungen hervorgerufen werden.
In der DE 43 36 096 AI ist eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen m Brennkammern angegeben. Hierin sind in Stro- mungsπchtung vor der Brennkammer mehrere Brenner angeordnet, wobei benachbarte Brenner jeweils m Stromungsrichtung um einen vorgegebenen Abstand verschoben zueinander angeordnet sind. Dieser vorgegebene Abstand ist hierbei so gewählt, daß bei einem Betrieb der Brenner die sich in Stromungsrichtung ausbreitenden Temperaturschwankungen benachbarter Brenner ge- rade entgegengesetzt sind. In einem Querschnitt zur Stro- mungsrichtung liegen somit Verbrennungszonen mit einer positiven und einer negativen Abweichung von einer mittleren Temperatur nebeneinander, wobei eine Vermischung dieser Bereiche m Stromungsrichtung stattfindet und somit eine Vergleichma- ßigung der Temperatur auftritt. Dies soll eine Verbrennungsschwingung induziert durch Temperaturschwankungen und damit aufgrund unterschiedlicher Dichten auch Druckschwankungen unterbinden.
Aktive Maßnahmen zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen sind in industriellen Anlagen nur mit hohem Aufwand zu realisieren, insbesondere dann, wenn ein gasformiger Brenn-
stoff eingesetzt werden soll, und außerdem störanfällig und wartungsbedürftig. Sie fuhren darüber hinaus lediglich zu einer Dampfung der jeweils vorliegenden Instabilitäten und sind in ihrer Wirksamkeit stark von den im jeweiligen Einzelfall maßgeblichen baulichen Gegebenheiten der Anlage eingeschränkt .
Dementsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, neue passive Maßnahmen an einer Brennkammer mit mehreren Brennern an- zugeben, welche zu einer zuverlässigen Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen geeignet sind. Die Maßnahmen sollen sowohl für flussige als auch für gasformige Brennstoffe unabhängig von apparativen und unktionellen Einzelheiten der Brennkammer anwendbar sein. Es sollen keine bewegten Teile oder anderweitig aktive Komponenten verwendet werden. Die Erfindung soll sowohl ein entsprechendes Verfahren als auch eine entsprechende Einrichtung angeben.
Im Hinblick auf ein Verfahren wird zur Losung dieser Aufgabe erfmdungsgemaß angegeben ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft m einer Brennkammer, welcher durch zumindest einen Lufteinlaß die Luft und durch mehrere Brenner der Brennstoff zugeführt werden, wobei jeder Brenner eine zugehörige Verzugszeit hat, welche einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls m der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner zugefuhrten Brennstoffes hervorruft, und wobei die Zufuhrung des Brennstoffes über die Brenner und die Zufuhrung der Luft über den Lufteinlaß derart gesteuert werden, daß die Verzugszeiten der Brenner wesentlich verschieden untereinander sind.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß es m einer Brennkammer, wie sie üblicherweise m einer Gasturbine emge- setzt wird und die in der Regel mehrere gleichartige Brenner aufweist, durch Zusammenwirken der Brenner zu einer verstärkten Anregung von Verbrennungsschwingungen kommen kann. Bilden
sich zunächst bei nur einem Brenner thermische Schwingungen m Wechselwirkung mit akustischen Schwingungen m der Brennkammer aus, so regt dieser eine Brenner jeden anderen Brenner m der Brennkammer ebenfalls zum Schwingen an. Dieser Effekt äußert sich beispielsweise darin, daß es m einer Brennkammer mit mehreren, gleichartigen Brennern jeweils scharfe Übergänge zwischen Betriebszustanden mit bzw. ohne Verbrennungsschwingungen gibt. Da auftretende Verbrennungsschwingungen stets von mehreren Brennern ausgehen, werden bei solchen Ver- brennungsschwmgungen auch sehr hohe Amplituden beobachtet.
Dagegen sieht die Erfindung vor, Brenner mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften, d. h. vor allem unterschiedlichen Verzugszeiten, vorzusehen. Dadurch können sich die Brenner nicht untereinander anregen, und es kann außerdem stets ein Dampfungseffekt ausgehend jeweils von einem stabil arbeitenden Brenner, ausgenutzt werden.
Vorzugsweise wird das Verfahren in einem Fall, in dem jedem Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, durch welchen zugehörigen Lufteinlaß die Luft in einem zugehörigen Strom der Brennkammer zugeführt wird, so ausgestaltet, daß die zugehörigen Strome der Brenner wesentlich verschieden untereinander sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die den je- welligen Betrieb der Brenner charakterisierenden thermodyna- ischen Verhaltnisse sicher verschieden voneinander sind und die Verschiedenheit der Verzugszeiten der Brenner untereinander gewährleistet ist.
Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens, wobei jedem
Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, durch welchen die Luft in einem zugehörigen Strom der Brennkammer zugeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner im wesentlichen gleich untereinander gestaltet sind, und an e- dem außer einem zugehörigen Lufteinlaß der zugehörige Strom gedrosselt wird, so daß alle zugehörigen Strome wesentlich verschieden untereinander sind. Alternativ wird an jedem zu-
gehörigen Lufteinlaß der zugehörige Strom gedrosselt; dies kann erwünscht sein, um dem Strom gewisse erwünschte Eigenschaften zu geben, z.B. ihn zu homogenisieren. Diese Ausgestaltungen erlauben die Verwendung von Brennern, die im we- sentlichen gleich untereinander sind, und stellt die notwendige Verschiedenheit der Verzugszeiten sicher durch eine einfache und billige zusatzliche Maßnahme.
Eine weitere zusätzliche Ausgestaltung des Verfahrens für den Fall, daß jedem Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, durch welchen die Luft in einen zugehörigen Strom m die Brennkammer gefuhrt wird, und wöbe- die zugehörigen Strome untereinander geometrisch ähnlich sind, ist dadurch charakterisiert, daß die Brenner untereinander geometrisch ahnlich, jedoch verschieden groß sind. Diese Ausgestaltung ist auch im Hinblick auf eine entsprechende Einrichtung von Interesse, da diese Ausgestaltung es immerhin erlaubt, für die Brenner eine einzige Form vorzusehen und diese für die Herstellung der unterschiedlichen Brenner lediglich unterschiedlich zu skalie- ren. Die Verschiedenheit der Verzugszeiten bleibt gewährleistet, da die Verzugszeit eines Brenners nicht allein durch seine Geometrie bestimmt und somit nicht skalenmvariant ist.
Alle beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens können der- art weitergebildet werden, daß jedem Brenner der Brennstoff so zugeführt wird, daß ein für alle Brenner vorgegebenes Mischungsverhältnis zwischen einer Rate des zugefuhrten Brennstoffs und einer Rate der durch den zugehörigen Lufteinlaß zugefuhrten Luft eingehalten wird. Diese Ausgestaltung ist von besonderem Interesse deshalb, weil sie es gestattet, jeden Brenner im Hinblick auf die von der Verbrennung insgesamt gewünschten thermischen Leistung optimal hinsichtlich einer stets unerwünschten Produktion von Stickoxiden zu betreiben. Die Ausgestaltung erfordert allerdings eine entsprechend er- tuchtigte Brennstoffzufuhr .
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß jedem Brenner der Brennstoff mit einer für alle Brenner vorgegebenen Rate zugeführt wird. Dies bedeutet zwar, daß einzelne Brenner unter Umstanden nicht optimal hinsichtlich der Produktion von Stickoxiden betrieben werden, was aber im Hinblick auf die einfache Brennstoffzufuhr unter Umstanden annehmbar ist.
Von besonderer Bedeutung ist das Verfahren zur Anwendung in Zusammenhang mit einer Brennkammer, die resonant ist für eine akustische Schwingung mit einer bestimmten Periodendauer, wobei die zugehörige Verzugszeit jedes Brenners zwischen einem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganzzah- ligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt. Dies entspricht der Einhaltung des von Herrmann et al sowie Buchner aus dem Rayleigh-Kriterium abgeleiteten Kriterium zwischen der Verzugszeit und der Periodendauer der in Betracht genommenen akustischen Schwingung. Der Begriff „ganzzahliges Vielfaches" schließt dabei auch Null ein. Es versteht sich, daß die Verzugszeit defmitionsgemaß keine ne- gativen Werte annehmen kann. Das Merkmal, daß die Brennkammer für eine bestimmte akustische Schwingung resonant sei, soll nicht als Einschränkung dahingehend aufgefaßt werden, daß für diese Resonanz nur die Brennkammer allein bestimmend sein dürfe; es versteht sich, daß die Brennkammer im Regelfall Teil eines mehr oder weniger komplexen akustischen Gesamtsystems ist, wobei die Resonanz mit allen wesentlichen Parametern durch das akustische Gesamtsystem definiert wird.
Von besonderem Interesse ist auch eine Ausgestaltung des Ver- fahrens dahingehend, daß in jedem Brenner der Brennstoff mit der Luft vermischt wird, bevor er in der Brennkammer verbrannt wird. Im Rahmen dieser Ausgestaltung kommt somit die einschlagig bekannte „Vormischverbrennung" zum Einsatz. Die Vormisc verbrennung ist von besonderem Interesse deshalb, weil sie bei niedrigeren Temperaturen als die mit einfacheren Mitteln zu bewirkende Diffusionsverbrennung ablauft und daher bedeutend weniger als die Diffusionsverbrennung zur Produk-
tion von Stickoxiden neigt. Von Bedeutung in diesem Zusammenhang ist, daß die Erfindung auch einen Ausgleich schafft für die eingangs erwähnten thermodynamisch-akustischen Probleme der Vormischverbrennung.
Das Verfahren jedweder Ausgestaltung ist besonders ausgezeichnet zur Anwendung an einer Gasturbine, wobei die Luft aus einem Verdichter bereitgestellt wird und Rauchgas, welches m der Brennkammer entsteht, indem der Brennstoff m der Luft verbrannt wird, einer Turbine zugeführt wird.
Zur Losung der Aufgabe, soweit diese sich auf eine Einrichtung bezieht, angegeben wird erfmdungsgemaß eine Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft umfassend: eine Brennkammer, in der Brennstoff mit Luft verbrannt wird; zumindest einen Lufteinlaß zur Zufuhrung von Luft in die Brennkammer; mehrere Brenner zur Zufuhrung von Brennstoff in die Brennkammer, wobei jeder Brenner eine zugehörige Verzugszeit hat, welcher einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls in der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner geführten Brennstoffes hervorruft; und eine Brennstoffzufuhr zur Zufuhr des Brennstoffes zu den Brennern; dadurch gekennzeichnet, daß die Verzugszeiten der Brenner wesentlich verschieden untereinander sind.
Wesentliche Vorzuge dieser Einrichtung erschließen sich aus den Vorzügen des erfmdungsgemaßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen, worauf hiermit verwiesen wird. Das Verfahren und seine Ausgestaltungen erfordern unter Umstanden bestimmte emrichtungsmaßige Merkmale, welche als Merkmale von Ausgestaltungen der erfmdungsgemaßen Einrichtung ansehbar sind. Gleiches gilt für verfahrensmaßige Merkmale, die sich aus der Einrichtung und ihren Ausgestaltungen erschließen und analog
als Merkmale von Ausgestaltungen des Verfahrens aufzufassen sind.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Brenner untereinander geometrisch verschieden sind.
Alternativ sind die Brenner in der Einrichtung geometrisch gleich untereinander, und die Brennstoffzufuhr ist eingerich- tet zur Zufuhrung des Brennstoffes zu den Brennern mit jeweiligen Raten, welche Raten wesentlich verschieden untereinander sind.
Eine andere Alternative ist dadurch charakterisiert, daß je- dem Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, und an jedem außer einem, oder an jedem, Brenner eine Drossel zur Drosselung eines den zugehörigen Lufteinlaß durchströmenden Stromes der Luft vorgesehen ist. Eine solche Drossel kann beispielsweise eine dem Brenner vorgeschaltete Blende sein.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Einrichtung dahingehend, daß die Brennkammer resonant ist für eine akustische Schwingung mit einer bestimmten Periodendauer, und daß für jeden Brenner die zugehörige Verzugszeit zwischen ei- nem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganzzahligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt. Diese Ausgestaltung korrespondiert zu einer bereits erläuterten Ausgestaltung des erf dungsgemaßen Verfahrens, und alle dazu gemachten Ausfuhrungen gelten analog für die Ausgestaltung der Einrichtung.
Besonders bevorzugt ist die Einrichtung zur Verwendung an einer Gasturbine, wobei die Brennkammer zwischen einem Verdichter und einer Turbine der Gasturbine angeordnet ist.
Zur Anordnung der mehreren Brenner in der Brennkammer sei angemerkt, daß eine nach Möglichkeit unsymmetrische Anordnung
der Brenner bevorzugt wird. Wie die unsymmetrische Anordnung im Einzelfall aussehen kann, und nach welchem Kriterium eine „ausreichende Unsy metrie" feststellbar ist, bleibt für jeden Einzelfall dem Ermessen der einschlagig bewanderten und tati- gen Person überlassen. Der dabei hauptsächlich zu beachtende Grundsatz lauft darauf hinaus, daß eine akustische Schwingung im Regelfall gekennzeichnet ist durch eine mehr oder weniger symmetrische Anordnung stehender akustischer Wellen in dem schwingenden Gesamtsystem. Als Beispiel sei hingewiesen auf eine an einer ringförmigen Brennkammer beobachtete Verbrennungsschwingung, welche gekennzeichnet war durch akustische Wellen, die die ringförmige Brennkammer geschlossen umliefen. Die Wellenlange der akustischen Schwingungen entsprach dabei einem halben mittleren Umfang der ringförmigen Brennkammer. Zur Unterdrückung einer solchen Schwingung wäre es von Vorteil, bei der Anordnung der Brenner zweizahlige oder vierzah- lige Symmetrien zu vermeiden.
Die Erfindung fordert nicht, daß es der Brennkammer keine zwei Brenner mit identischen Eigenschaften geben dürfe; dem Zweck der Erfindung kann durchaus gedient werden mit einer Brennkammer, an welche von mehreren Typen von Brennern jeweils mehrere Brenner angeschlossen sind. In diesem Zusammenhang wurde an einer Gasturbinen mit zwei Silobrennkammern herkömmlichen Typs, deren ede sechs untereinander gleiche Brenner zur Verbrennung von Heizöl aufwies, beim Betrieb unter 80 l der für die Auslegung maßgeblichen Nennlast akustische Schwingungen mit Amplituden von 100 mbar beobachtet. Diese akustischen Schwingungen konnten beseitigt werden, m- dem in jeder Silobrennkammer zwei der sechs Brenner gegen leicht modifizierte Brenner ausgetauscht wurden. Die modifizierten Brenner waren so ausgelegt, daß sie bei Nennlast etwa 8 o weniger Brennstoff erhielten als die unveränderten Brenner. Die modifizierten Brenner wurden so eingesetzt, daß sie jeweils einen unveränderten Brenner zwischen sich einschlössen. Die modifizierte Konfiguration der Brenner erlaubte es, die Gasturbine bis zu 100 ° ihrer Nennlast zu betreiben,
ohne daß akustische Schwingungen in merklicher Hohe auftraten .
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist teilweise schematisiert ausgeführt und nicht als Wiedergabe konkret ausgeführter Anlagen oder Anlagenkomponenten aufzufassen. Zur Ergänzung der anhand der Zeichnung gegebenen Hinweise sei verwiesen auf die vorstehende Erläuterung eines tatsachlich durch- geführten Versuchs, die zitierten Dokumente des Standes der Technik sowie das Wissen einer einschlagig bewanderten und tatigen Person. Im einzelnen zeigen:
FIG 1 eine Gasturbine und eine Einrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffes mit Luft;
FIG 2 eine Draufsicht auf eine Brennkammer mit mehreren Brennern; FIG 3 einen schematisierten Querschnitt durch eine Brennkammer mit mehreren Brennern.
In der Zeichnung tragen einander entsprechende Komponenten jeweils dasselbe Bezugszeichen.
FIG 1 zeigt eine Gasturbine mit einem Verdichter 1 und einer Turbine 2, welche über eine Welle 3 den Verdichter 1 antreibt. Aus dem Verdichter 1 gelangt verdichtete Luft über eine Luftleitung 4 zu der Brennkammer 5 und tritt diese durch Lufteinlasse 6, deren jeder einem Brenner 7 zugeordnet ist, wobei jeder Brenner 7 m einer Ruckwand 8 der Brennkam- mer 5 angeordnet ist, in die Brennkammer 5 ein. Die Brenner 7 werden aus einem Tank 9 über eine Pumpe 10 und eine Brenn- stoffleitung 11, welche sich vor den Brennern 7 verzweigt, mit Brennstoff versorgt. Dieser Brennstoff verbrennt m der Brennkammer 5 mit der über die Luftleitung 4 zugefuhrten Luft.
Die Brennkammer 5 ist ein zu akustischen Schwingungen fähiges Gebilde und kann, gegebenenfalls als Bestandteil eines zu akustischen Schwingungen fähigen Gesamtsystems, welches beispielsweise die Brennkammer 5, eine von dieser zur Turbine 2 fuhrende Rauchgasleitung 13 sowie gegebenenfalls die Luftleitung 4 und die Brennstoffleitung 11 umfaßt angesehen werden. Akustische Schwingungen der Brennkammer 5, welche alle oder als Bestandteil eines solchen Gesamtsystems schwingt, können durch Fluktuationen bei der Verbrennung des Brennstof- fes angeregt und aufrechterhalten werden; einem solchen Fall spricht man von Verbrennungsschwingungen. Solche Verbrennungsschwingungen können so stark werden, daß die Brennkammer 5 und andere Teile der Gasturbine beschädigt werden können.
Um solchen Verbrennungsschwingungen vorzubeugen und insbesondere auszuschließen, daß mehrere der Brenner 7 zur Anregung einer solchen Verbrennungsschwingung zusammenwirken, sind die Brenner 7 untereinander verschieden gestaltet. Dies fuhrt dazu, daß nicht alle Brenner 7 dieselben relevanten Eigenschaften aufweisen, und daß insbesondere die den jeweiligen Verbrennungsprozeß charakterisierenden Verzugszeiten verschieden voneinander sind. Auf diese Weise ist es bei der Konfiguration gemäß FIG 1 jedenfalls ausgeschlossen, daß die Brenner 7 kollektiv eine Verbrennungsschwingung anregen.
Hinweise zu bevorzugten Betriebsweisen der Brenner 7 sind bereits gegeben worden; alle diese Hinweise sind für das anhand der FIG 1 skizzierte Ausfuhrungsbeispiel von Interesse. Ins- besondere ist es möglich, den Brennstoff nach gewissen bevorzugten Vorgaben auf die Brenner 7 zu verteilen; dabei kann insbesondere darauf hingewirkt werden, daß jeder Brenner 7 so arbeitet, daß eine Rate der durch seinen zugehörigen Lufte - laß 6 zugefuhrten Luft zur Rate des durch seine zugehörige Düse 12 geführten Brennstoffs einem für alle Brenner 7 vorgegebenen Verhältnis steht. Eine solche Betriebsweise wird
bevorzugt, um die Produktion von Stickoxiden in der Brennkammer 5 so gering wie möglich zu halten.
Die Brenner 7 FIG 1 sind dargestellt als sogenannte Diffu- sionsbrenner, da sie den Brennstoff unmittelbar in die Brennkammer 5 einspritzen. Dabei kann sich der Brennstoff erst der Brennkammer 5 mit der zugefuhrten Luft vermischen, was erfahrungsgemäß durch Diffusion erfolgt. Diffusionsbrenner sind einfach aufgebaut und relativ unkompliziert betreibbar, aber sie sind hinsichtlich der Produktion von Stickoxiden den komplizierteren Vormischbrennern, die noch anhand der FIG 2 erläutert werden, unterlegen.
FIG 2 zeigt eine Draufsicht auf die Ruckwand 8 einer Brenn- kammer 5, gesehen derjenigen Richtung, welcher die Luft zur Brennkammer 5 strömt. In die Ruckwand 8 eingefügt sind fünf Brenner 7, welche alle im wesentlichen gleich untereinander gestaltet sind. Jeder Brenner 7 hat eine Anzahl von Drallschaufeln 14, welche der Luft, die ihn durchsetzt, einen Drall aufprägen. Ein solcher Drall ist von Vorteil für die Verbrennung selbst und für die innige Vermischung des Brennstoffes mit der Luft. In den Drallschaufeln 14 vorgesehen sind die Düsen 12, aus denen der Brennstoff in die Luft gelangt, bevor diese die Brennkammer 5 einströmt und der Brennstoff sich entzünden kann. Demgemäß sind die in FIG 2 dargestellten Brenner 7 sogenannte „Vormischbrenner". Diese sind naturgemäß komplizierter aufgebaut als Diffusionsbrenner und auch hinsichtlich ihres Betriebs deutlich aufwendiger als ene, haben aber im Hinblick auf die Stickoxidproduktion im Vergleich zu jenen wesentliche Vorteile. Ein Vormischbrenner bringt ein Gemisch aus Brennstoff und Luft mit definierter Zusammensetzung zur Verbrennung, so daß eine wesentlich feinfühligere Steuerung der Verbrennung als bei einem Diffusionsbrenner, wo der Vorgang der Mischung von Brennstoff und Luft praktisch nicht steuerbar ist, möglich ist. Auch lauft die
Verbrennung bei einem Vormischbrenner bei bedeutend geringeren Maximaltemperaturen als bei einem Diffusionsbrenner ab.
was zur Vermeidung der Produktion von Stickoxiden vorteilhaft ist. Bei jedem Brenner 7 umringen die Schaufeln 14 eine Nabe 15; diese Nabe 15 kann dazu dienen, Brennstoff zu den Düsen 12 zu fuhren.
Im Ausfuhrungsbeispiel gemäß FIG 2 sind vor vier der fünf Brenner 7 Blenden 16 angebracht, deren jede die entsprechenden Drallschaufeln 14 teilweise abdeckt und somit als Drossel für den in den Brenner 7 eintretenden Luftstrom wirkt. Dies bewirkt, daß die maßgeblichen Betriebsparameter aller Brenner 7 verschieden voneinander sind, so daß ein Zusammenwirken der Brenner 7 zur Anregung von Verbrennungsschwingungen in der Brennkammer 5 ausgeschlossen ist. Auch für das Ausfuhrungsbeispiel gemäß FIG 2 gelten die zu bevorzugten Ausgestaltun- gen der Erfindung gemachten Ausfuhrungen.
FIG 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennkammer 5 nebst ihrer Ruckwand 8 sowie zwei Brennern 7. Die Brenner 7 sind wiederum als Vormischbrenner ausgestaltet. Jeder Brenner 7 zeigt drei Düsen 12 zur Zufuhrung von Brennstoff, die alle an der Nabe 15 angeordnet sind. Aus zweien dieser Düsen gelangt der Brennstoff zwischen die Drallschaufeln 14, so daß er mit der durchströmenden Luft vermischt wird. Eine Düse 12 ist unmittelbar dem Inneren der Brennkammer 5 zugewandt. Diese Düse 12 bildet eine sogenannte „Pilotflamme" aus, in welcher eine Verbrennung nach Art eines Diffusionsbrenners stattfindet; diese Pilotflamme dient dazu, die Verbrennung des zwischen den Drallschaufeln 14 erzeugten und üblicherweise einen deutlichen Überschuß von Sauerstoff aufweisenden Gemisches aus Luft und Brennstoff zu stabilisieren. Dies erlaubt es, die
Produktion von Warme durch den Brenner 7 in weiten Grenzen zu regeln.
Die beiden Vormischbrenner sind einander geometrisch ähnlich, d. h. daß sie sich nur in ihrer Große, nicht aber m ihren
Proportionen unterscheiden. Auch daraus resultiert eine Verschiedenheit der einschlagigen Betriebsparameter, die zum
Ausschluß eines Zusammenwirkens dieser Brenner 7 bei der Anregung einer Verbrennungsschwingung m der Brennkammer 5 ausgenutzt wird.
Claims
1. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft einer Brennkammer (5), welcher durch zumindest einen Lufteinlaß (6) die Luft und durch mehrere Brenner (7) der Brennstoff zugeführt werden, wobei jeder Brenner (7) eine zugehörige Verzugszeit hat, welche einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls der Brennkammer (5) einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner (7) zugefuhrten Brennstoffs hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrung des Brennstoffs über die Brenner (7) und die Zufuhrung der Luft über den Lufte laß (6) derart gesteuert werden, daß die Verzugszeiten der Brenner (7) wesentlich verschieden untereinander sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem a) die Brenner (7) ein zugehöriger Lufteinlaß (6) zugeordnet ist, durch welchen die Luft m einem zugehörigen Strom der Brennkammer (5) zugeführt wird; und b) die zugehörigen Strome der Brenner (7) wesentlich verschieden untereinander sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem a) die Brenner (7) im wesentlichen gleich untereinander ge- staltet sind; b) jedem Brenner (7) ein zugehöriger Lufte laß (6) zugeordnet ist, durch welchen die Luft einem zugehörigen Strom der Brennkammer (5) zugeführt wird; und c) an jedem außer einem zugehörigen Luftemlaß (6) der zuge- hörige Strom gedrosselt wird, so daß alle zugehörigen Strome wesentlich verschieden untereinander sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem a) die Brenner (7) im wesentlichen gleich untereinander ge- staltet sind; b) jedem Brenner (7) ein zugehöriger Lufteinlaß (6) zugeordnet ist, durch welchen die Luft in einem zugehörigen Strom der Brennkammer (5) zugeführt wird; und c) an jedem zugehörigen Lufteinlaß (6) der zugehörige Strom gedrosselt wird, wobei die zugehörigen Ströme verschieden untereinander sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem a) die Brenner (7) untereinander geometrisch ähnlich, jedoch verschieden groß sind; b) jedem Brenner (7) ein zugehöriger Lufteinlaß (6) zugeordnet ist, durch welchen die Luft in einem zugehörigen Strom in die Brennkammer (5) geführt wird, wobei die zugehörigen Ströme untereinander geometrisch ähnlich sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jedem Brenner (7) der Brennstoff derart zugeführt wird, daß ein für alle Brenner (7) vorgegebenes Mischungsverhältnis zwischen einer Rate des zugeführten Brennstoffs und einer Rate der durch den zugehörigen Lufteinlaß (6) zugeführten Luft eingehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jedem Brenner (7) der Brennstoff mit einer für alle Brenner (7) vorgegebenen Rate zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brennkammer (5) resonant ist für eine akustische Schwingung mit einer bestimmten Periodendauer, und bei dem für je- den Brenner (7) die zugehörige Verzugszeit zwischen einem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganzzahligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in jedem Brenner (7) der Brennstoff mit der Luft vermischt wird, bevor er in der Brennkammer (5) verbrannt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luft aus einem Verdichter (1) bereitgestellt wird, und bei dem Rauchgas, welches der Brennkammer (5) entsteht, indem der Brennstoff der Luft verbrannt wird, einer Turbine (2) zugeführt wird.
11. Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft, umfassend a) eine Brennkammer (5), der der Brennstoff mit der Luft verbrannt wird; b) zumindest einen Luftemlaß (6) zur Zufuhrung der Luft m die Brennkammer (5); c) mehrere Brenner (7) zur Zufuhrung des Brennstoffes in die Brennkammer (5), wobei jeder Brenner (7) eine zugehörige Ver- zugszeit hat, welche einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls in der Brennkammer (5) einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner (7) zugefuhrten Brennstoffs hervorruft; und d) eine Brennstoffzufuhr (9, 10, 11) zur Zufuhr des Brenn- Stoffs zu den Brennern (7) ; dadurch ge ennzeichnet, daß die Verzugszeiten der Brenner (7) wesentlich verschieden untereinander sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die Brenner (7) geometrisch verschieden untereinander sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die Brenner (7) geometrisch gleich untereinander sind, und bei der die Brennstoffzufuhr (9, 10, 11) eingerichtet ist zur Zufuhrung des Brennstoffs zu den Brennern (7) mit jeweiligen Raten, welche wesentlich verschieden untereinander sind.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der jedem Brenner (7) ein zugehöriger Lufteinlaß (6) zugeordnet ist und an jedem außer einem Brenner (7) eine Drossel (16) zur Drosselung eines den zugehörigen Lufteinlaß (6) durchströmenden Stromes der Luft vorgesehen ist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der jedem Brenner (7) ein zugehöriger Luftemlaß (6) zugeordnet ist und an jedem Brenner (7) eine Drossel (16) zur Drosselung einer den zugehörigen Luftemlaß (6) durchströmenden Stromes der Luft vorgesehen ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der die Brennkammer (5) resonant ist für eine akustische Schwin- gung mit einer bestimmten Periodendauer, und bei der für jeden Brenner (7) die zugehörige Verzugszeit zwischen einem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganzzahligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der die Brennkammer (5) in einer Gasturbine (1, 2, 3, 4, 5, 13) zwischen einem Verdichter (1) und einer Turbine (2) angeordnet ist.
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