EP0985877A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Minimierung thermoakustischer Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Minimierung thermoakustischer Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern Download PDF

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EP0985877A1
EP0985877A1 EP98810904A EP98810904A EP0985877A1 EP 0985877 A1 EP0985877 A1 EP 0985877A1 EP 98810904 A EP98810904 A EP 98810904A EP 98810904 A EP98810904 A EP 98810904A EP 0985877 A1 EP0985877 A1 EP 0985877A1
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EP
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burner
nozzle section
diameter
nozzle
flow
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EP98810904A
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Ephraim Prof. Dr. Gutmark
Christian Oliver Dr. Paschereit
Wolfgang Weisenstein
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/40—Mixing tubes; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D17/00—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for Minimization of thermoacoustic vibrations in Gas turbine combustors.
  • thermoacoustic vibrations denotes mutually rocking thermal and acoustic disturbances. High vibration amplitudes can occur, which can lead to undesired effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame. This is particularly true for combustion systems with low acoustic damping. In order to guarantee high performance in terms of pulsations and emissions over a wide operating range, passive control of the combustion vibrations may be necessary.
  • the cooling air flowing into the combustion chamber has an important function, since the cooling air film on the combustion chamber wall has a sound-absorbing effect and thus contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations.
  • the cooling air film on the combustion chamber wall has a sound-absorbing effect and thus contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations.
  • an increasing proportion of the air is passed through the burners themselves in modern gas turbines, so the cooling air flow is reduced.
  • the problems mentioned at the outset which are associated with the undesirable vibrations, occur increasingly in such modern combustion chambers.
  • the fluid mechanical stability of a gas turbine burner is vital to the appearance thermoacoustic vibrations.
  • the arising in the burner fluid mechanical instability waves lead to Formation of vertebrae.
  • This also as coherent structures designated vertebrae play an important role Mixing processes between air and fuel.
  • the dynamics of the coherent structures affects combustion and the associated heat release.
  • These vertebrae can therefore for periodic heat release of the flame of the Burner and thus lead to pressure fluctuations.
  • the formation of eddies that affect combustion and to periodically release heat with it associated pressure fluctuations can result from the Stabilization of the backflow zone in the center of the burner to be influenced.
  • the stability of the backflow zone works directly on the stability of the burner flame and has thus a decisive influence on the tendency to vibrate of the burner.
  • the stabilization takes place Backflow zone due to the acceleration of the flow at Burner outlet.
  • the mixture of Fresh gas is influenced by recirculated flue gas and therefore the stability of the combustion increases. Furthermore change the boundary conditions of the shear layer that forms and the backflow zone and thus its stability.
  • Figure 1 shows a known from the prior art Brenner, whose detailed description is EP 0 321 809 can be removed.
  • the burner consists of two halves hollow partial cone bodies 1, 2, each having a cylindrical Have initial part 9, 10, wherein a nozzle 11 housed is the fuel injection with the narrowest cross section of the tapered formed by the two partial cone bodies 1, 2 Cavity 8 coincides.
  • Combustion chamber 17 has the A collar-shaped burner as an anchor for the Partial cone body 1, 2 serving end plate 18 with a Number of holes 19, through which if necessary Dilution air or cooling air 20 the front part of the Combustion chamber or its wall can be supplied.
  • Injection of fuel 12 is in the range of Vortex bursting, that is, in the area of the backflow zone 24 favorable fuel concentration across the cross-section reached.
  • the ignition takes place at the top of the backflow zone 24, where the flame front 25 forms.
  • Figure 2 shows a correspondingly modified burner.
  • the Burner on a nozzle-like taper of the diameter.
  • This nozzle section 28 can both by a corresponding Design of the burner in the area of the burner outlet as also by attaching a separate attachment will be realized.
  • the end plate 18 (not shown) can both at the combustion chamber side 17 end of the nozzle section 28 as well as between the combustion chamber end of the burner and the nozzle portion 28 are attached. In one case the nozzle section 28 is thus outside the Combustion chamber, otherwise the nozzle section 28 protrudes into the combustion chamber.
  • the burner outlet is thus reduced to a fraction D / D B of the original diameter D B , which according to the invention is between 0.25 and 0.99, preferably between 0.46 and 0.86, particularly preferably between 0.57 and 0.71.
  • D B 175 mm
  • the burner outlet is therefore reduced according to the invention to a diameter that is between 43 and 173 mm, preferably between 80 and 150 mm, particularly preferably between 100 and 125 mm.
  • the tapering part of the burner or the tapering attachment has a length L which depends on the diameter D B of the burner outlet.
  • the value of L / D B is between 0.01 and 0.57, preferably between 0.057 and 0.46, particularly preferably between 0.11 and 0.40.
  • the tapering part of the burner thus has, according to the invention, a length L that is between 2 and 100 mm, preferably 10 to 80 mm , particularly preferably 20 to 70 mm.
  • Figure 3 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations for various inventive nozzle-like attachments.
  • the combustion system used tended to at a frequency of around 100 Hz axially symmetric thermoacoustic vibrations.
  • the diameter of the burner outlet opening was without Attachments 175 mm (measured from partial cone body 1 to Partial cone body 2).
  • attachments 1 to 3 have one at both ends had a circular edge, the edge of the attachment 4 serrated on the side with the smaller diameter, the individual points a width at the base of 15 mm and a Extent to the tip of 10 mm.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Minimieren thermoakustischer Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern erfolgt eine Beschleunigung der Strömung in axialer Richtung durch eine düsenartige Ausbildung (28) des Brenneraustritts oder durch entsprechende düsenartig geformte Anbauten am Brenner.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Minimierung thermoakustischer Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern.
Stand der Technik
Es ist bekannt, daß in Brennkammern von Gasturbinen häufig unerwünschte thermoakustische Schwingungen auftreten. Mit dem Begriff "thermoakustische Schwingungen" werden sich gegenseitig aufschaukelnde thermische und akustische Störungen bezeichnet. Es können dabei hohe Schwingungsamplituden auftreten, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung der Brennkammer, einer erhöhten NOx-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme führen können. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu. Um eine hohe Leistung in Bezug auf Pulsationen und Emissionen über einen weiten Betriebsbereich zu garantieren, kann eine passive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.
Bei herkömmlichen Brennkammern hat die in die Brennkammer einströmende Kühlluft eine bedeutende Funktion, da der Kühlluftfilm an der Brennkammerwand schalldämpfend wirkt und damit zur Verminderung von thermoakustischen Schwingungen beiträgt. Um niedrige NOx-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet, der Kühlluftstrom also reduziert. Durch die damit einhergehende geringere Schalldämpfung treten die eingangs angesprochenen, mit den unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme in solchen modernen Brennkammern demnach verstärkt auf.
Die strömungsmechanische Stabilität eines Gasturbinenbrenners ist von entscheidender Bedeutung für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen. Die im Brenner entstehenden strömungsmechanischen Instabilitätswellen führen zur Ausbildung von Wirbeln. Diese auch als kohärente Strukturen bezeichneten Wirbel spielen eine bedeutende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die Dynamik der kohärenten Strukturen beeinflußt die Verbrennung und die damit verbundene Wärmefreisetzung. Diese Wirbel können daher zu einer periodischen Wärmefreisetzung der Flamme des Brenners und damit zu Druckschwankungen führen. Insbesondere wenn über die gesamte Fläche des Brenners keine homogene Vermischung von Brennstoff und Luft gegeben ist, wirkt sich die Entstehung von kohärenten Wirbelstrukturen stark auf die Ausbildung von thermoakustischen Instabilitäten aus. Somit liegt eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Schwingungsneigung eines Brenners in der Stabilisierung der Rückströmzone, in der die Flamme des Brenners gehalten wird.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Es soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Minimierung thermoakustischer Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern geschaffen werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Brenner gemäß unabhängigen Patentansprüchen 1 und 4, sowie durch das Verfahren gemäß unabhängigem Patentanspruch 7 gelöst.
Die Ausbildung von Wirbeln, die die Verbrennung beeinflussen und zu einer periodischen Wärmefreisetzung mit den damit verbundenen Druckschwankungen führen, kann durch die Stabilisierung der Rückströmzone im Zentrum des Brenners beeinflußt werden. Die Stabilität der Rückströmzone wirkt sich direkt auf die Stabilität der Brennerflamme aus und hat damit einen entscheidenden Einfluß auf die Schwingungsneigung des Brenners. Erfindungsgemäß erfolgt die Stabilisierung der Rückströmzone durch die Beschleunigung der Strömung am Austritt des Brenners.
Durch die düsenartige Ausgestaltung wird die Mischung von Frischgas mit rezirkuliertem Rauchgas beeinflußt und damit die Stabilität der Verbrennung erhöht. Desweiteren verändern sich die Randbedingungen der sich ausbildenden Scherschicht und der Rückströmzone und damit deren Stabilität.
Figur 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Brenner, dessen detaillierte Beschreibung der EP 0 321 809 entnommen werden kann. Der Brenner besteht aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die je einen zylindrischen Anfangsteil 9, 10 aufweisen, worin eine Düse 11 untergebracht ist, deren Brennstoffeindüsung mit dem engsten Querschnitt des durch die zwei Teilkegelkörper 1, 2 gebildeten kegeligen Hohlraumes 8 zusammenfällt. Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine kragenförmige als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Abschlußplatte 18 mit einer Anzahl Bohrungen 19 auf, durch welche nötigenfalls Verdünnungsluft bzw. Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes bzw. dessen Wand zugeführt werden kann. Bei der Eindüsung von Brennstoff 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 24 eine günstige Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 24, wo sich die Flammenfront 25 ausbildet.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Beschleunigung der Strömung in axialer Richtung durch eine düsenartige Ausbildung des Brenneraustritts oder durch entsprechende düsenartig geformte Anbauten am Brenner. Durch die Beschleunigung der Strömung am Austritt des Brenners kann die Rückströmzone 24 stabilisiert werden, wodurch Fluktuationen der Rückströmzone und damit eine periodische Wärmefreisetzung unterdrückt werden.
Figur 2 zeigt einen entsprechend modifizierten Brenner. Am brennraumseitigen 17 Ende der Teilkegelkörper 1, 2 weist der Brenner eine düsenartige Verjüngung des Durchmessers auf. Dieser Düsenabschnitt 28 kann sowohl durch eine entsprechende Gestaltung des Brenners im Bereich des Brenneraustritts als auch durch das Anbringen eines separaten Anbauteils realisiert werden. Die Abschlußplatte 18 (nicht gezeigt) kann sowohl an dem brennraumseitigen 17 Ende des Düsenabschnitts 28 als auch zwischen dem brennraumseitigen Ende des Brenners und dem Düsenabschnitt 28 angebracht werden. Im einen Fall befindet sich der Düsenabschnitt 28 somit außerhalb der Brennkammer, im anderen Fall ragt der Düsenabschnitt 28 in die Brennkammer hinein.
Der Brenneraustritt wird somit auf einen Bruchteil D/DB des ursprünglichen Durchmessers DB verkleinert, der erfindungsgemäß zwischen 0.25 und 0.99, bevorzugt zwischen 0.46 und 0.86, besonders bevorzugt zwischen 0.57 und 0.71 beträgt. Für einen Brenner mit einem ursprünglichen Brennerdurchmesser am Austritt (gemessen von Teilkegelkörper 1 bis Teilkegelkörper 2) von DB = 175 mm wird der Brenneraustritt also erfindungsgemäß auf einen Durchmesser verkleinert, der zwischen 43 und 173 mm beträgt, bevorzugt zwischen 80 und 150 mm, besonders bevorzugt zwischen 100 und 125 mm.
Der sich verjüngende Teil des Brenners bzw. das sich verjüngende Anbauteil weist erfindungsgemäß eine Länge L auf, die vom Durchmesser DB des Brenneraustritts abhängt. Erfindungsgemäß liegt der Wert von L/DB zwischen 0.01 und 0.57, bevorzugt zwischen 0.057 und 0.46, besonders bevorzugt zwischen 0.11 und 0.40. Für einen Brenner mit einem ursprünglichen Brennerdurchmesser am Austritt (gemessen von Teilkegelkörper 1 bis Teilkegelkörper 2) von DB = 175 mm weist das sich verjüngende Teil des Brenners somit erfindungsgemäß eine Länge L auf, die zwischen 2 und 100 mm, bevorzugt 10 bis 80 mm, besonders bevorzugt 20 bis 70 mm liegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1
einen aus dem Stand der Technik bekannten Brenner in perspektivischer Darstellung entsprechend aufgeschnitten;
Fig. 2
den Querschnitt eines erfindungsgemäß abgeänderten Brenners;
Fig. 3
eine Auftragung der relativen Druckschwankung unter Verwendung verschiedener erfindungsgemäßer düsenartiger Anbauten bezogen auf die Druckschwankung ohne Anbau (100 %) als Funktion der λ-Zahl.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In der Figur 3 wurden relative Druckschwankungen als Funktion der λ-Zahl der Verbrennnung aufgetragen. Der λ-Wert ist ein Maß für das Verhältnis der in den Verbrennungsraum eingeführten zu der zur vollständigen Verbrennung theoretisch benötigten Luftmenge. Gasturbinenbrenner der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Art werden in der Regel in einem Bereich von 1.8 ≤ λ ≤ 2.2 betrieben.
Figur 3 zeigt die Ergebnisse einer experimentellen Bestimmung der Druckschwankungen für verschiedene erfindungsgemäße düsenartige Anbauteile. Das verwendete Verbrennungssystem neigte bei einer Frequenz von rund 100 Hz zu axialsymmetrischen thermoakustischen Schwingungen.
Es wurden die folgenden düsenartigen Anbauteile verwendet:
  • a) Anbauteil 1: Länge 60 mm, Durchmesser 120 mm
  • b) Anbauteil 2: Länge 30 mm, Durchmesser 120 mm
  • c) Anbauteil 3: Länge 30 mm, Durchmesser 100 mm
  • d) Anbauteil 4: Länge 30 mm, Durchmesser 120 mm, gezackter Rand.
    • Der Durchmesser der Brenneraustrittsöffnung betrug ohne Anbauteile 175 mm (gemessen von Teilkegelkörper 1 bis Teilkegelkörper 2).
    Während die Anbauteile 1 bis 3 an beiden Enden einen kreisförmigen Rand aufwiesen, war der Rand des Anbauteils 4 an der Seite mit dem kleineren Durchmesser gezackt, wobei die einzelnen Zacken eine Breite an der Basis von 15 mm und eine Ausdehnung bis zur Spitze von 10 mm aufwiesen.
    Figur 3 zeigt, daß die Druckamplituden im Brenner für sämtliche verwendeten düsenartigen Anbauten unter den Werten der Druckamplituden ohne Anbau liegen. Die besten Resultate wurden bei Verwendung des Anbauteils 3 erzielt, das für λ = 1,8 eine Verringerung der Druckamplitude um 95% bewirkte.
    Bezugszeichenliste
    1, 2
    Teilkegelkörper
    8
    Innenraum
    9, 10
    zylindrische Anfangsteile
    11
    Düse
    12
    Brennstoff
    17
    Brennraumseite
    18
    Abschlußplatte
    19
    Bohrungen
    20
    Kühlluft
    24
    Rückströmzone
    25
    Flammenfront
    26
    Hauptmittelachse
    28
    Düsenabschnitt

    Claims (7)

    1. Brenner zum Betrieb eines Aggregates zur Erzeugung eines Heißgases, wobei der Brenner im wesentlichen mindestens zwei hohle, kegelförmige, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelte Teilkörper (1, 2) umfaßt und der Brenner mit mindestens einer Brennstoffdüse (11) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem brennerseitigen Ende der kegelförmigen Teilkörper (1, 2) ein Düsenabschnitt (28) angebracht ist, wobei sich der Durchmesser des Düsenabschnitts in Strömungsrichtung verringert.
    2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Düsenabschnitt (28) zwischen den Teilkegelkörpern (1, 2) und einer am Brenneraustritt angebrachten Abschlußplatte (18) befindet.
    3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschlußplatte (18) an das brennraumseitige Ende der Teilkegelkörper (1, 2) angebracht ist und sich der Düsenabschnitt (28) in Strömungsrichtung an das brennraumseitige Ende der Teilkegelkörper (1, 2) anschließt.
    4. Brenner nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenabschnitt (28) als separates Anbauteil an den Brenner angebracht ist.
    5. Brenner nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des kleineren Durchmessers D des Düsenabschnitts zu dem Durchmesser DB des Brenneraustritts ohne Düsenabschnitt zwischen 0.25 und 0.99, bevorzugt zwischen 0.46 und 0.86, besonders bevorzugt zwischen 0.57 und 0.71 beträgt.
    6. Brenner nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge L des Düsenabschnitts zu dem Durchmesser DB des Brenneraustritts ohne Düsenabschnitt zwischen 0.01 und 0.57, bevorzugt 0.057 bis 0.46, besonders bevorzugt 0.11 bis 0.40 mm beträgt.
    7. Verfahren zur Minimierung der Druckamplitude thermoakustischer Schwingungen in einer Gasturbine unter Verwendung eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strömung in dem Brenner in axialer Richtung beschleunigt wird.
    EP98810904A 1998-09-10 1998-09-10 Vorrichtung und Verfahren zur Minimierung thermoakustischer Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern Withdrawn EP0985877A1 (de)

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