EP1050713A1 - Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen in einem Verbrennungssystem sowie Verbrennungssystem zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen in einem Verbrennungssystem sowie Verbrennungssystem zur Durchführung des Verfahrens Download PDFInfo
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- EP1050713A1 EP1050713A1 EP00810369A EP00810369A EP1050713A1 EP 1050713 A1 EP1050713 A1 EP 1050713A1 EP 00810369 A EP00810369 A EP 00810369A EP 00810369 A EP00810369 A EP 00810369A EP 1050713 A1 EP1050713 A1 EP 1050713A1
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- F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
Definitions
- the present invention relates to the field of combustion technology, as it plays a role in particular for gas turbines.
- the invention relates to a Process for the suppression or control of thermoacoustic vibrations in a combustion system according to the preamble of claim 1.
- the invention further relates to a combustion system for performing the Method according to the preamble of claim 8.
- thermoacoustic Vibrations are detected and rotated in phase by 180 degrees and coupled into the system in an appropriately reinforced form in order to then due to superposition with the thermoacoustic vibrations out of phase leads to extinction.
- anti-noise solutions have proven useful in low power combustion systems. In high-performance combustion systems with correspondingly strong ones Pressure fluctuations, however, are becoming increasingly difficult to achieve appropriate acoustic Generate and couple vibrations with reasonable effort.
- thermoacoustic Vibrations are not due to sound cancellation based, but intervenes in the formation of the vibrations and how can be described as follows:
- Coherent structures play a crucial role Role in mixing processes between air and fuel.
- the dynamics of this Structures therefore affect combustion and thus heat release.
- By influencing the shear layer between the fresh gas mixture and The recirculated exhaust gas can control the combustion instabilities.
- One way of influencing this is in the publication mentioned at the beginning described acoustic excitation.
- the acoustic excitation allows suppression the combustion-driven vibrations by doing the training coherent structures prevented.
- Vortex structures at the burner outlet will release periodic heat and thus preventing the basis for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
- this method is based on the direct influence of the shear layer.
- This direct influence on the shear layer has the advantage that the external disturbances in the shear layer itself are amplified and therefore less energy is needed to generate the disturbances than in the case the direct cancellation of a sound field by anti-sound.
- the shear layer can be excited both downstream and upstream of the burner. There only low power is required, the sound energy e.g. of acoustic Drivers, in particular loudspeakers or the like, introduced into the flow become.
- the combustion system 10 includes one (Swirl-stabilized) burner 11, which works in a combustion chamber 12.
- the burner 11 receives the necessary combustion air via an air supply 13.
- a corresponding fuel supply 14 is provided for the fuel supply.
- sensors 20, .., 22 are provided which are connected to the air supply (sensors 20) and / or on the combustion chamber (sensors 21, 22) can be arranged.
- the sensors 20, .., 22 can be used for the direct detection of the pressure fluctuations or vibrations as (water-cooled) microphones or other dynamic Pressure transducers should be designed.
- the sensors 20, .., 22 can also be wholly or partly designed as optical sensors with which the Chemiluminescence e.g. the OH molecules the fluctuations in the heat release can be detected with the thermoacoustic vibrations are directly linked.
- the sensors 20, .. 22 are connected to a control 23, the output side controls different speakers 16, .., 19, which are symmetrical to the axis of the Combustion system 10 optionally in the area of the air supply 13 and / or the combustion chamber 12 are arranged.
- the speakers 16, .., 19 produce after Provided the regulation 23 acoustic vibrations, which then enter the combustion system 10 are coupled and there the shear layers described influence.
- the combustion system 10 according to the prior art with the Sensors 20, .., 22 and the loudspeakers 16, .. 19 forms - if the vibrations are detected at the combustion chamber 12 - the closed one shown in FIG. 2 Control loop 24.
- Vibrations in the combustion chamber 12 are in a subsequent filter 25 filtered and possibly amplified and then by means of a phase shifter 26 with predefinable phase setting 29 in the phase by a desired amount postponed.
- the phase-shifted signal then triggers a signal generator 27, whose output signal in a power amplifier 28 with a predeterminable amplitude setting 30 amplified and used to control the speakers 16, .., 19 becomes.
- a signal generator 27 whose output signal in a power amplifier 28 with a predeterminable amplitude setting 30 amplified and used to control the speakers 16, .., 19 becomes.
- the object is achieved by the entirety of the features of claims 1 and 8.
- the essence of the invention is, within the closed control loop, through the combustion system with the sensors and acoustic Excitation means (e.g. loudspeakers) is formed, a proportional regulation to provide, i.e., the amplitude of the acoustic vibrations generated directly to be proportional to the amplitude of the detected vibrations.
- acoustic Excitation means e.g. loudspeakers
- thermoacoustic vibrations are measured acoustically, or the associated fluctuations in heat release measured optically be used for optical measurement of the fluctuations in the heat release in particular the fluctuations in the chemiluminescence of the OH molecules be measured.
- Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized by the fact that it generates acoustic vibrations Speakers are used which acoustically connect to the combustion system are coupled.
- the sensors used in the combustion system according to the invention can according to a preferred embodiment, either as pressure fluctuations receiving pressure sensors, in particular as a microphone, or as optical sensors for measuring chemiluminescence.
- FIG. 3 shows a preferred exemplary embodiment of a control scheme, that in the context of the invention instead of that of the prior art known control schemes (Fig. 2) used in a combustion system of FIG. 1 can be used to improve the suppression of thermoacoustic To achieve vibrations.
- the sensors 21, 22, detection signals characteristic of the thermoacoustic vibrations passed on to a P-controller 31, which amplifies the signals and around delayed a predetermined period of time.
- the delay - that of the phase shift 2 corresponds - can be done directly in the P controller 31, or - as shown in Fig. 3 - in a downstream delay circuit 32 with Delay time setting 33.
- the pre-amplified, delayed signal will then given directly to the input of a power amplifier 28 ', which it for the control of the speakers 16, .., 19 required performance level amplified.
- the proportional control causes the amplitude of the acoustic generated Vibrations with the amplitude of the detected combustion vibrations increases and decreases proportionally.
- FIG. 4 shows exemplary measurement results which show the suppression (in dB) of a pressure oscillation in the 100 Hz range in a combustion system 1 with a proportional control according to FIG. 3.
- the normalized amplitudes are shown as a function of the phase shift (in degrees) between the detected and generated vibrations for acoustic detection using a microphone (open circles) and optical detection via OH chemiluminescence (filled circles). You can see that in In both cases the maximum suppression of more than 20 dB is approximately the same with a phase shift of about 50 degrees.
- the necessary optimal time delay or Phase shift depends on the respective combustion system.
- From the acoustic stimulants (Loudspeakers 16, .., 19) is to be requested that - if it is the combustion system 10 is that of a gas turbine - that in gas turbines must withstand the usual preheating temperatures of approx. 400 ° C. Farther they should approx. 0.001% of the thermal output per burner 11 (with several Burners) to the respective gas (air or fresh mixture when excited upstream; Exhaust gas can give off excitation downstream of the burner 11).
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Abstract
Description
- Fig. 1
- die schematische Darstellung eines Verbrennungssystems mit akustischer Kontrolle der thermoakustischen Schwingungen nach dem Stand der Technik, wie es beispielhaft auch zur Realisierung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
- Fig. 2
- das aus dem Stand der Technik bekannte Regelschema des Systems nach Fig. 1;
- Fig. 3
- ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Regelschemas für das System nach Fig. 1, wie es bei dem Verfahren nach der Erfindung Anwendung findet; und
- Fig. 4
- beispielhafte Messkurven, welche die Unterdrückung einer Druckschwingung im 100 Hz-Bereich in einem System nach Fig. 1 mit einem Regelschema gemäss Fig. 3 zeigen.
- 10
- Verbrennungssystem
- 11
- Brenner (drallstabilisiert)
- 12
- Brennkammer
- 13
- Luftzuführung
- 14
- Brennstoffzuführung
- 15
- Flamme
- 16,..19
- Lautsprecher
- 20
- Sensor (Luftzuführung)
- 21,22
- Sensor (Brennkammer)
- 23
- Regelung
- 24,24'
- Regelschleife
- 25
- Filter
- 26
- Phasenschieber
- 27
- Signalgenerator
- 28,28'
- Leistungsverstärker
- 29
- Phaseneinstellung
- 30
- Amplitudeneinstellung
- 31
- P-Regler
- 32
- Verzögerungsschaltung
- 33
- Verzögerungszeiteinstellung
Claims (12)
- Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen, welche in einem Verbrennungssystem (10) mit einem in einer Brennkammer (12) arbeitenden Brenner (11) durch Ausbildung kohärenter bzw. Wirbelstrukturen und einer damit verbundenen periodischen Wärmefreisetzung entstehen, bei welchem Verfahren in einer geschlossenen Regelschleife (24') die Schwingungen detektiert und in Abhängigkeit von den detektierten Schwingungen akustische Schwingungen einer bestimmten Amplitude und Phase erzeugt und in das Verbrennungssystem (10) eingekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, das innerhalb der Regelschleife (24') die Amplitude der erzeugten akustischen Schwingungen proportional zur Amplitude der detektierten Schwingungen gewählt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der thermoakustischen Schwingungen die damit verbundenen Druckschwankungen akustisch gemessen werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der thermoakustischen Schwingungen die damit verbundenen Schwankungen in der Wärmefreisetzung optisch gemessen werden.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur optischen Messung der Schwankungen in der Wärmefreisetzung die Schwankungen in der Chemilumineszenz der OH-Moleküle gemessen werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der akustischen Schwingungen Lautsprecher (16,..,19) verwendet werden, welche akustisch an das Verbrennungssystem (10) angekoppelt sind.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Schwingungen mit einer Leistung erzeugt und eingekoppelt werden, die mehrere Zehnerpotenzen kleiner ist als die thermische Leistung des Verbrennungssystems (10).
- Verbrennungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welches Verbrennungssystem (10) einen Brenner (11), eine Brennkammer (12), eine Luftzuführung (13) für die Zuführung von Verbrennungsluft zum Brenner (11), wenigstens einen Sensor (20,..,22) zur Detektion der thermoakustischen Schwingungen sowie Mittel (16,..,19) zur Erzeugung und Einkopplung der akustischen Schwingungen in das Verbrennungssystem (10) umfasst, wobei der wenigstens eine Sensor (20,..,22) und die Mittel (16,..,19) zur Erzeugung und Einkopplung der akustischen Schwingungen in einer geschlossenen Regelschleife (24') angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regelschleife (24') zwischen dem wenigstens einen Sensor (20,..,22) und den Mitteln (16,..,19) zur Erzeugung und Einkopplung der akustischen Schwingungen ein P-Regler (31) vorgesehen ist.
- Verbrennungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (21) als ein Druckschwankungen aufnehmender Drucksensor, insbesondere als Mikrophon, ausgebildet ist.
- Verbrennungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (22) als optischer Sensor zur Messung der Chemilumineszenz ausgebildet ist.
- Verbrennungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung und Einkopplung der akustischen Schwingungen als Lautsprecher (16,..,19) ausgebildet sind.
- Verbrennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Regelschleife (24') dem P-Regler (31) ein Leistungsverstärker (28') nachgeschaltet ist, welcher die Lautsprecher (16,..,19) ansteuert.
- Verbrennungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regelschleife (24') vor den Mitteln zur Erzeugung und Einkopplung der akustischen Schwingungen bzw. vor den Lautsprechern (16,..,19) Mittel (32) zur einstellbaren zeitlichen Verzögerung des Regelsignals vorgesehen sind.
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