EP0925472B1

EP0925472B1 - Verfahren zur unterdrückung von verbrennungsschwingungen und einrichtung zur verbrennung von brennstoff mit luft

Info

Publication number: EP0925472B1
Application number: EP97941847A
Authority: EP
Inventors: Stefan Hoffmann; Peter Berenbrink; Hans Judith
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-09-16
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2001-04-04
Anticipated expiration: 2017-08-28
Also published as: US6052986A; EP0925472A1; JP4249263B2; DE59703302D1; RU2186298C2; JP2001503843A; WO1998012478A1

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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen bei einer 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 zugehörige Verzugszeit hat, welche einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls in der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner zugeführten 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 A1.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zum Einsatz in 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 hintereinandergeschaltete Teilturbinen umfassen; gleiches gilt für den Verdichter. Der Verdichter ist insbesondere ein Turboverdichter. Im Rahmen der geläufigen Praxis treibt die Turbine den Verdichter an.

Die Erfindung knüpft an an die Aufgabe der Dämpfung 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, Industrieöfen oder anderen Anlagen, treten unter bestimmten, durch die einschlägigen thermodynamischen Betriebsparameter, wie Luftzahl und thermische Leistung, eindeutig definierten Bedingungen instabile Betriebszustände auf, die gekennzeichnet sind durch korrelierte Fluktuationen der Wärmeproduktion bei der Verbrennung und des statischen Druckes in der Brennkammer und/oder in dieser vor- und nachgeschalteten Anlagenteilen. Diese Fluktuationen äußern sich dadurch, daß in der Brennkammer selbsterregte akustische Schwingungen auftreten. Diese akustischen Schwingungen verursachen neben einer erhöhten Lärmbelastung der Umgebung der betroffenen Anlage verstärkte mechanische und thermische Beanspruchungen der Brennkammer und anderer Teile der Anlage die durchaus in 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 in entsprechenden Brennkammern führt aufgrund der mit einem Vormischbrenner erreichten höheren Reaktionsdichte, der von der chemischen Zusammensetzung des zur Verbrennung anstehenden Gemisches stärker als in einem Diffusionsbrenner abhängigen 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 in der Brennkammer und daran angeschlossenen Anlagenteilen auftretenden akustischen Resonanz eine stabile akustische Schwingung erzeugt und unterhält. Dabei liegt ein geschlossener Wirkungskreis in einem aus dem Brenner nebst Zuleitungen, der Flamme selbst und der Brennkammer bzw. einem mit dieser gebildeten, akustisch schwingungsfähigen System vor. Die zur Ausbildung und Aufrechterhaltung der akustischen Schwingung erforderliche Energie wird dabei aus dem Verbrennungsprozeß selbst geliefert.

Die akustischen Verhältnisse in einer Brennkammer nebst angeschlossenen Systemen sind eingehend erläutert in dem Buch "Combustion-Driven-Oscillations in 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 in technischen Vormisch-Verbrennungssystemen" von H. Büchner, Universität Karlsruhe 1992, Seiten 4 u. 5. Vorgestellt und erläutert wird jeweils eine als "Rayleigh-Kriterium" bekannte Bedingung, welche erfüllt sein muß, damit eine stabile Verbrennungsschwingung 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 zugeführten Brennstoffs hervorruft. Bezogen auf eine in der Brennkammer vorliegende stabile Schwingung und eine von dieser 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 Büchner, S. 26-29, sowie den Bericht "Untersuchung der Anregungsmechanismen selbsterregter Verbrennungsschwingungen an einem Verbrennungssystem für Flüssigkraftstoff" von J. Herrmann, P. Zangl, S. Gleis und D. Vortmeyer, VDI-Berichte Nr. 1193 (1995), S. 251-260.

Die Verzugszeit eines Brenners in einer Brennkammer setzt sich zusammen aus verschiedenen Summanden, die jeweils auf einzelne Komponenten des Systems aus Brenner, Brennkammer und Flamme zurückführbar 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 zurückführbarer Summand ist wesentlich durch die Eigenschaften der Verbrennung selbst bestimmt. Der Summand selbst läßt sich weiter zerlegen in eine "konvektive Verzugszeit", die eine Transportzeit für den Transport der Reaktionspartner zur Flammenfront, wo die Verbrennung einsetzt, 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 Schalldämpfer zum Einsatz kommen, siehe das erwähnte Buch von Putnam, S. 156-175, oder daß die Zuführung 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 Instabilitätskontrolle" bezeichnet; zur Erläuterung siehe den Aufsatz "Die 'aktive Instabilitätskontrolle' als Untersuchungsmethode für selbsterregte Verbrennungsinstabilitäten" von S. Gleis und D. Vortmeyer, VDI-Berichte Nr. 765 (1989), S. 645-656. In der DE 42 41 729 A1 ist ein Aktuator beschrieben, durch den einem unter Druck stehenden Flüssigkeitsstrom eine Massenstrom- oder Druckschwankung aufprägbar ist. Der Aktuator wird für eine Verwendung zur aktiven Regelung von Verbrennungsinstabilitäten bei Flüssigtreibstoff-Brennern sowie bei Geräten 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 gewünschten 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 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen in Brennkammern angegeben. Hierin sind in Strömungsrichtung vor der Brennkammer mehrere Brenner angeordnet, wobei benachbarte Brenner jeweils in Strömungsrichtung um einen vorgegebenen Abstand verschoben zueinander angeordnet sind. Dieser vorgegebene Abstand ist hierbei so gewählt, daß bei einem Betrieb der Brenner die sich in Strömungsrichtung ausbreitenden Temperaturschwankungen benachbarter Brenner gerade entgegengesetzt sind. In einem Querschnitt zur Strömungsrichtung liegen somit Verbrennungszonen mit einer positiven und einer negativen Abweichung von einer mittleren Temperatur nebeneinander, wobei eine Vermischung dieser Bereiche in Strömungsrichtung stattfindet und somit eine Vergleichmäßigung 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 gasförmiger Brennstoff eingesetzt werden soll, und außerdem störanfällig und wartungsbedürftig. Sie führen darüber hinaus lediglich zu einer Dämpfung 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 anzugeben, welche zu einer zuverlässigen Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen geeignet sind. Die Maßnahmen sollen sowohl für flüssige als auch für gasförmige Brennstoffe unabhängig von apparativen und funktionellen 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 Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß angegeben ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß es in einer Brennkammer, wie sie üblicherweise in einer Gasturbine eingesetzt 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 in Wechselwirkung mit akustischen Schwingungen in der Brennkammer aus, so regt dieser eine Brenner jeden anderen Brenner in der Brennkammer ebenfalls zum Schwingen an. Dieser Effekt äußert sich beispielsweise darin, daß es in einer Brennkammer mit mehreren, gleichartigen Brennern jeweils scharfe Übergänge zwischen Betriebszuständen mit bzw. ohne Verbrennungsschwingungen gibt. Da auftretende Verbrennungsschwingungen stets von mehreren Brennern ausgehen, werden bei solchen Verbrennungsschwingungen 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 Dämpfungseffekt 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 Ströme der Brenner wesentlich verschieden untereinander sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die den jeweiligen Betrieb der Brenner charakterisierenden thermodynamischen Verhältnisse 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 jedem außer einem zugehörigen Lufteinlaß der zugehörige Strom gedrosselt wird, so daß alle zugehörigen Ströme wesentlich verschieden untereinander sind. Alternativ wird an jedem zugehörigen 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 wesentlichen gleich untereinander sind, und stellt die notwendige Verschiedenheit der Verzugszeiten sicher durch eine einfache und billige zusätzliche 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 in die Brennkammer geführt wird, und wobei die zugehörigen Ströme untereinander geometrisch ähnlich sind, ist dadurch charakterisiert, daß die Brenner untereinander geometrisch ähnlich, 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 skalieren. Die Verschiedenheit der Verzugszeiten bleibt gewährleistet, da die Verzugszeit eines Brenners nicht allein durch seine Geometrie bestimmt und somit nicht skaleninvariant ist.

Alle beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens können derart weitergebildet werden, daß jedem Brenner der Brennstoff so zugeführt wird, daß ein für alle Brenner vorgegebenes Mischungsverhältnis zwischen einer Rate des zugeführten Brennstoffs und einer Rate der durch den zugehörigen Lufteinlaß zugeführten 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 ertüchtigte 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 Umständen nicht optimal hinsichtlich der Produktion von Stickoxiden betrieben werden, was aber im Hinblick auf die einfache Brennstoffzufuhr unter Umständen 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 ganzzahligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt. Dies entspricht der Einhaltung des von Herrmann et al sowie Büchner 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 definitionsgemäß keine negativen 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 Verfahrens 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 einschlägig bekannte "Vormischverbrennung" zum Einsatz. Die Vormischverbrennung ist von besonderem Interesse deshalb, weil sie bei niedrigeren Temperaturen als die mit einfacheren Mitteln zu bewirkende Diffusionsverbrennung abläuft und daher bedeutend weniger als die Diffusionsverbrennung zur Produktion 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 in der Brennkammer entsteht, indem der Brennstoff in der Luft verbrannt wird, einer Turbine zugeführt wird.

Zur Lösung der Aufgabe, soweit diese sich auf eine Einrichtung bezieht, angegeben wird erfindungsgemäß eine Einrichtung gemäß Anspruch 11.

Wesentliche Vorzüge dieser Einrichtung erschließen sich aus den Vorzügen des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen, worauf hiermit verwiesen wird. Das Verfahren und seine Ausgestaltungen erfordern unter Umständen bestimmte einrichtungsmäßige Merkmale, welche als Merkmale von Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ansehbar sind. Gleiches gilt für verfahrensmäßige 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 eingerichtet zur Zuführung des Brennstoffes zu den Brennern mit jeweiligen Raten, welche Raten wesentlich verschieden untereinander sind.

Eine andere Alternative ist dadurch charakterisiert, daß jedem 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 einem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganzzahligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt. Diese Ausgestaltung korrespondiert zu einer bereits erläuterten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und alle dazu gemachten Ausführungen 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 Unsymmetrie" feststellbar ist, bleibt für jeden Einzelfall dem Ermessen der einschlägig bewanderten und tätigen Person überlassen. Der dabei hauptsächlich zu beachtende Grundsatz läuft 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 Wellenlänge 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 zweizählige oder vierzählige Symmetrien zu vermeiden.

Die Erfindung fordert nicht, daß es in 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 jede sechs untereinander gleiche Brenner zur Verbrennung von Heizöl aufwies, beim Betrieb unter 80 % der für die Auslegung maßgeblichen Nennlast akustische Schwingungen mit Amplituden von 100 mbar beobachtet. Diese akustischen Schwingungen konnten beseitigt werden, indem 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 % weniger Brennstoff erhielten als die unveränderten Brenner. Die modifizierten Brenner wurden so eingesetzt, daß sie jeweils einen unveränderten Brenner zwischen sich einschlossen. Die modifizierte Konfiguration der Brenner erlaubte es, die Gasturbine bis zu 100 % ihrer Nennlast zu betreiben, ohne daß akustische Schwingungen in merklicher Höhe auftraten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist teilweise schematisiert ausgeführt und nicht als Wiedergabe konkret ausgeführter Anlagen oder Anlagenkomponenten aufzufassen.

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 in diese durch Lufteinlässe 6, deren jeder einem Brenner 7 zugeordnet ist, wobei jeder Brenner 7 in einer Rückwand 8 der Brennkammer 5 angeordnet ist, in die Brennkammer 5 ein. Die Brenner 7 werden aus einem Tank 9 über eine Pumpe 10 und eine Brennstoffleitung 11, welche sich vor den Brennern 7 verzweigt, mit Brennstoff versorgt. Dieser Brennstoff verbrennt in der Brennkammer 5 mit der über die Luftleitung 4 zugeführten 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 führende Rauchgasleitung 13 sowie gegebenenfalls die Luftleitung 4 und die Brennstoffleitung 11 umfaßt angesehen werden. Akustische Schwingungen in der Brennkammer 5, welche allein oder als Bestandteil eines solchen Gesamtsystems schwingt, können durch Fluktuationen bei der Verbrennung des Brennstoffes angeregt und aufrechterhalten werden; in 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 führt 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 Ausführungsbeispiel von Interesse. Insbesondere 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 Lufteinlaß 6 zugeführten Luft zur Rate des durch seine zugehörige Düse 12 geführten Brennstoffs in 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 in FIG 1 sind dargestellt als sogenannte Diffusionsbrenner, da sie den Brennstoff unmittelbar in die Brennkammer 5 einspritzen. Dabei kann sich der Brennstoff erst in der Brennkammer 5 mit der zugeführten 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 Rückwand 8 einer Brennkammer 5, gesehen in derjenigen Richtung, in welcher die Luft zur Brennkammer 5 strömt. In die Rückwand 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 in 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 jene, 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 läuft 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 führen.

Im Ausführungsbeispiel 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 Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 gelten die zu bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung gemachten Ausführungen.

FIG 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennkammer 5 nebst ihrer Rückwand 8 sowie zwei Brennern 7. Die Brenner 7 sind wiederum als Vormischbrenner ausgestaltet. Jeder Brenner 7 zeigt drei Düsen 12 zur Zuführung 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 Wärme durch den Brenner 7 in weiten Grenzen zu regeln.

Die beiden Vormischbrenner sind einander geometrisch ähnlich, d. h. daß sie sich nur in ihrer Größe, nicht aber in ihren Proportionen unterscheiden. Auch daraus resultiert eine Verschiedenheit der einschlägigen Betriebsparameter, die zum Ausschluß eines Zusammenwirkens dieser Brenner 7 bei der Anregung einer Verbrennungsschwingung in der Brennkammer 5 ausgenutzt wird.

Claims

Verfahren zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen bei einer 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, wobei jeder Brenner (7) eine zugehörige Verzugszeit 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) zugeführten Brennstoffs hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Brennstoffs über die Brenner (7) und die Zuführung der Luft über den Lufteinlaß (6) derart eingestellt werden, daß die Verzugszeiten der Brenner (7) wesentlich verschieden untereinander sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem

a) die Brenner (7) ein zugehöriger Lufteinlaß (6) zugeordnet ist, durch welchen die Luft in einem zugehörigen Strom der Brennkammer (5) zugeführt wird; und

b) die zugehörigen Ströme der Brenner (7) wesentlich verschieden untereinander sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem

a) die Brenner (7) im wesentlichen gleich untereinander gestaltet 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 außer einem zugehörigen Lufteinlaß (6) der zugehörige Strom gedrosselt wird, so daß alle zugehörigen Ströme wesentlich verschieden untereinander sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem

a) die Brenner (7) im wesentlichen gleich untereinander gestaltet 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.
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.
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 stöchiometrischen Rate entsprechend der durch den zugehörigen Lufteinlaß (6) zugeführten Luft eingehalten wird.
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.
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 jeden Brenner (7) die zugehörige Verzugszeit zwischen einem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganzzahligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luft aus einem Verdichter (1) bereitgestellt wird, und bei dem Rauchgas, welches in der Brennkammer (5) entsteht, indem der Brennstoff in der Luft verbrannt wird, einer Turbine (2) zugeführt wird.
Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft, umfassend

a) eine Brennkammer (5), in der der Brennstoff mit der Luft verbrannt wird;

b) zumindest einen Lufteinlaß (6) zur Zuführung der Luft in die Brennkammer (5);

c) mehrere Brenner (7) zur Zuführung des Brennstoffes in die Brennkammer (5), wobei jeder Brenner (7) eine zugehörige Verzugszeit 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) zugeführten Brennstoffs hervorruft; und

d) eine Brennstoffzufuhr (9, 10, 11) zur Zufuhr des Brennstoffs zu den Brennern (7);

dadurch gekennzeichnet, daß die Verzugszeiten der Brenner (7) wesentlich verschieden untereinander sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die Brenner (7) geometrisch verschieden untereinander sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die Brenner (7) geometrisch gleich untereinander sind, und bei der die Brennstoffzufuhr (9, 10, 11) eingerichtet ist zur Zuführung des Brennstoffs zu den Brennern (7) mit jeweiligen Raten, welche wesentlich verschieden untereinander sind.
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.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der jedem Brenner (7) ein zugehöriger Lufteinlaß (6) zugeordnet ist und an jedem Brenner (7) eine Drossel (16) zur Drosselung einer den zugehörigen Lufteinlaß (6) durchströmenden Stromes der Luft vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der die Brennkammer (5) resonant ist für eine akustische Schwingung 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.
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.