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 PDF

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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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combustion system
acoustic
combustion
sensor
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Ephraim Prof. Dr. Gutmark
Christian Oliver Paschereit
Wolfgang Weisenstein
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ABB Alstom Power Switzerland Ltd
Alstom Schweiz AG
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    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the 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

Bei einem Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen, welche in einem Verbrennungssystem mit einem in eine 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, wird eine verbesserte Unterdrückung dadurch erreicht, das innerhalb der Regelschleife (24') die Amplitude der erzeugten akustischen Schwingungen proportional zur Amplitude der detektierten Schwingungen gewählt wird. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik, wie sie insbesondere für Gasturbinen eine Rolle spielt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen in einem Verbrennungssystem gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verbrennungssystem zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Ein derartiges Verfahren bzw. Verbrennungssystem ist beispielsweise aus dem Artikel von Paschereit, C.O., Gutmark, E., und Weisenstein, W., "Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in a Gas-Turbine Combustor", 36th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, January 12-15, 1998, bekannt.
STAND DER TECHNIK
Thermoakustische Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendungen bzw. -systemen dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches, und können die unerwünschten Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu, wie sie üblicherweise bei Gasturbinen vorliegen. Um im Bezug auf Pulsationen und Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle bzw. Unterdrückung der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.
In der Vergangenheit sind bereits verschiedene aktive Kontrollsysteme vorgeschlagen worden, die nach dem Prinzip des "Antischalls" arbeiten, d.h., die thermoakustischen Schwingungen werden detektiert, in der Phase um 180 Grad gedreht und in entsprechend verstärkter Form in das System eingekoppelt, um aufgrund dann bei Ueberlagerung mit den thermoakustischen Schwingungen aufgrund der Gegenphasigkeit zu einer Auslöschung zu führen. Die Antischall-Lösungen haben sich bei Verbrennungssystemen geringer Leistung als brauchbar erwiesen. Bei Verbrennungssystemen hoher Leistung mit entsprechend starken Druckschwankungen wird es jedoch zunehmend schwierig, entsprechende akustische Schwingungen mit vertretbarem Aufwand zu erzeugen und einzukoppeln.
Um auch bei hohen Leistungen eine aktive Kontrolle zu ermöglichen, hat man deshalb vorgeschlagen, entweder die Brennerflamme selbst über die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von den detektierten Instabilitäten zu modulieren (US-A-5,145,355), oder einen Schwingungserzeuger in Form eines pulsierend betriebenen Hilfsbrenners einzuführen (US-A-5,428,951). In beiden Fällen können so über gezielt erzeugte Schwankungen in der Wärmefreisetzung die gewünschten akustischen Schwingungen hoher Leistung erzeugt werden. Nachteilig ist dabei jedoch, dass diese Art der Schwingungserzeugung massive Eingriffe in das Verbrennungssystem erfordert und daher beispielsweise bei vorhandenen Konstruktionen nicht ohne weiteres nachgerüstet werden kann. Darüber hinaus lässt sich ein solches System wegen der Komplexität der dabei ins Spiel kommenden Verbrennungsvorgänge nur schwer über einen grösseren Betriebsbereich gezielt und stabil beeinflussen und regeln.
In der eingangs genannten Druckschrift ist nun eine aktive Kontrolle der thermoakustischen Schwingungen vorgeschlagen worden, die nicht auf der Schallauslöschung beruht, sondern in die Entstehung der Schwingungen eingreift und wie folgt beschrieben werden kann: Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die Dynamik dieser Strukturen beeinflusst demzufolge die Verbrennung und damit die Wärmefreisetzung. Durch Beeinflussung der Scherschicht zwischen dem Frischgasgemisch und dem rezirkulierten Abgas ist eine Kontrolle der Verbrennungsinstabilitäten möglich. Eine Möglichkeit der Beeinflussung ist die in der eingangs genannten Druckschrift beschriebene akustische Anregung. Die akustische Anregung erlaubt eine Unterdrückung der verbrennungsgetriebenen Schwingungen, indem sie die Ausbildung kohärenter Strukturen verhindert. Durch die Verhinderung der Entstehung von Wirbelstrukturen am Brenneraustritt wird eine periodische Wärmefreisetzung und damit die Grundlage für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen unterbunden.
Anders als beim Prinzip des Antischalls, bei dem ein vorhandenes Schallfeld durch Einbringen eines phasenverschobenen Schallfeldes gleicher Energie ausgelöscht wird, basiert diese Methode auf der direkten Beeinflussung der Scherschicht. Diese direkte Beeinflussung der Scherschicht hat den Vorteil, dass die von aussen eingebrachten Störungen in der Scherschicht selbst verstärkt werden und daher weniger Energie zur Erzeugung der Störungen benötigt wird als im Fall der direkten Auslöschung eines Schallfeldes durch Antischall. Die Scherschicht kann dabei sowohl stromab als auch stromauf des Brenners angeregt werden. Da nur geringe Leistungen notwendig sind, kann die Schallenergie z.B. von akustischen Treibern, insbesondere Lautsprechern oder dgl., in die Strömung eingebracht werden. Durch Wahl der korrekten Phasendifferenz zwischen Pulsation und akustischem Anregungssignal kann die Kohärenz der sich entwickelnden Instabilitätswellen gestört und können die Pulsationsamplituden verringert werden.
Ein beispielhaftes Verbrennungssystem, wie es in der eingangs genannten Druckschrift verwendet worden ist und sich auch für die vorliegende Erfindung eignet, ist schematisch in Fig. 1 wiedergegeben. Das Verbrennungssystem 10 umfasst einen (drallstabilisierten) Brenner 11, der in einer Brennkammer 12 arbeitet. Der Brenner 11 erhält die notwendige Verbrennungsluft über eine Luftzuführung 13. Für die Brennstoffversorgung ist eine entsprechende Brennstoffzuführung 14 vorgesehen. Zur Detektion der thermoakustischen Schwingungen, die im Bereich der Flamme 15 entstehen, sind Sensoren 20,..,22 vorgesehen, die an der Luftzuführung (Sensoren 20) und/oder an der Brennkammer (Sensoren 21, 22) angeordnet sein können. Die Sensoren 20,..,22 können zur direkten Detektion der Druckschwankungen bzw. -schwingungen als (wassergekühlte) Mikrophone oder andere dynamische Druckaufnehmer ausgebildet sein. Die Sensoren 20,..,22 können aber auch ganz oder teilweise als optische Sensoren ausgebildet sein, mit denen über die Chemilumineszenz z.B. der OH-Moleküle die Schwankungen in der Wärmefreisetzung detektiert werden können, die mit den thermoakustischen Schwingungen direkt verknüpft sind.
Die Sensoren 20,..22 sind an eine Regelung 23 angeschlossen, die ausgangsseitig verschiedene Lautsprecher 16,..,19 ansteuert, die symmetrisch zur Achse des Verbrennungssystems 10 wahlweise im Bereich der Luftzuführung 13 und/oder der Brennkammer 12 angeordnet sind. Die Lautsprecher 16,..,19 erzeugen nach Massgabe der Regelung 23 akustische Schwingungen, die dann in das Verbrennungssystem 10 eingekoppelt werden und dort die beschriebenen Scherschichten beeinflussen. Das Verbrennungssystem 10 nach dem Stand der Technik mit den Sensoren 20,..,22 und den Lautsprechern 16,..19 bildet - wenn die Schwingungen an der Brennkammer 12 detektiert werden - die in Fig. 2 dargestellte geschlossene Regelschleife 24. Die von den Sensoren 21 und/oder 22 detektierten Schwingungen in der Brennkammer 12 werden in einem nachfolgenden Filter 25 gefiltert und ggf. verstärkt und anschliessend mittels eines Phasenschiebers 26 mit vorgebbarer Phaseneinstellung 29 in der Phase um einen gewünschten Betrag verschoben. Das phasenverschobene Signal triggert dann einen Signalgenerator 27, dessen Ausgangssignal in einem Leistungsverstärker 28 mit vorgebbarer Amplitudeneinstellung 30 verstärkt und zum Ansteuern der Lautsprecher 16,..,19 verwendet wird. Mit dieser bekannten Regelung, bei der die akustischen Schwingungen synthetisch erzeugt werden und die Amplitude dieser Schwingungen fest eingestellt ist, ist bei dem verwendeten System bereits eine Unterdrückung (Schwächung) der verbrennungsgetriebenen Schwingungen um bis zu 6 dB erreicht worden.
Es wäre jedoch wünschenswert, mit einer Anordnung gemäss Fig. 1 eine noch bessere Unterdrückung zu erreichen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der akustischen Kontrolle thermoakustischer Schwingungen anzugeben, welches unter Einsatz des Prinzips der akustischen Anregung der Scherschicht eine deutlich verbesserte Unterdrückung ermöglicht, sowie ein Verbrennungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, innerhalb der geschlossenen Regelschleife, die durch das Verbrennungssystem mit den Sensoren und akustischen Anregungsmitteln (z.B. Lautsprechern) gebildet wird, eine proportionale Regelung vorzusehen, d.h., die Amplitude der erzeugten akustischen Schwingungen direkt proportional zur Amplitude der detektierten Schwingungen auszusteuern. Durch die proportionale Regelung ergeben sich überraschenderweise Werte für die Unterdrückung, die bei einem System gemäss Fig. 1 bis zu 20 dB betragen können. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der thermoakustischen Schwingungen entweder die damit verbundenen Druckschwankungen akustisch gemessen werden, oder die damit verbundenen Schwankungen in der Wärmefreisetzung optisch gemessen werden, wobei zur optischen Messung der Schwankungen in der Wärmefreisetzung insbesondere die Schwankungen in der Chemilumineszenz der OH-Moleküle gemessen werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zur Erzeugung der akustischen Schwingungen Lautsprecher verwendet werden, welche akustisch an das Verbrennungssystem angekoppelt sind.
Die im erfindungsgemässen Verbrennungssystem verwendeten Sensoren können gemäss einer bevorzugten Ausführungsform entweder als Druckschwankungen aufnehmende Drucksensoren, insbesondere als Mikrophon, ausgebildet sein, oder als optische Sensoren zur Messung der Chemilumineszenz.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
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.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Regelschemas wiedergegeben, das im Rahmen der Erfindung anstelle des aus dem Stand der Technik bekannten Regelschemas (Fig. 2) in einem Verbrennungssystem nach Fig. 1 eingesetzt werden kann, um eine verbesserte Unterdrückung der thermoakustischen Schwingungen zu erreichen. Bei der geschlossenen Regelschleife mit Proportionalregelung werden in Abweichung zu Fig. 2 die von den Sensoren 21, 22 abgegebenen, für die thermoakustischen Schwingungen charakteristischen Detektions-signale an einen P-Regler 31 weitergegeben, der die Signale verstärkt und um eine vorgegebene Zeitspanne verzögert. Die Verzögerung - die der Phasenverschiebung in Fig. 2 entspricht - kann dabei direkt im P-Regler 31 erfolgen, oder - wie in Fig. 3 gezeigt - in einer nachgeschalteten Verzögerungsschaltung 32 mit Verzögerungszeiteinstellung 33. Das vorverstärkte, verzögerte Signal wird dann direkt auf den Eingang eines Leistungsverstärkers 28' gegeben, der es auf das für die Ansteuerung der Lautsprecher 16,..,19 erforderliche Leistungsniveau verstärkt. Die Proportionalregelung bewirkt, dass die Amplitude der erzeugten akustischen Schwingungen mit der Amplitude der detektierten Verbrennungsschwingungen proportional steigt und fällt. Diese direkte regeltechnische Verknüpfung der beiden Schwingungen führt nun überraschenderweise dazu, dass sich eine wesentlich bessere Unterdrückung der Verbrennungsschwingungen ergibt.
In Fig. 4 sind beispielhafte Messergebnisse aufgetragen, welche die Unterdrückung (in dB) einer Druckschwingung im 100 Hz-Bereich in einem Verbrennungssystem gemäss Fig. 1 mit einer Proportionalregelung gemäss Fig. 3 zeigen. Dargestellt sind dabei die normierten Amplituden als Funktion der Phasenverschiebung (in Grad) zwischen den detektierten und erzeugten Schwingungen für die akustische Detektion mittels Mikrophon (offene Kreise) und die optische Detektion über OH-Chemilumineszenz (gefüllte Kreise). Man erkennt, dass sich in beiden Fällen annähernd gleich die maximale Unterdrückung von mehr als 20 dB bei einer Phasenverschiebung von etwa 50 Grad ergibt.
Es versteht sich von selbst, dass die notwendige optimale Zeitverzögerung bzw. Phasenverschiebung vom jeweiligen Verbrennungssystem abhängig ist. Bedeutsam ist in jedem Fall, dass die akustischen Schwingungen mit einer Leistung erzeugt und eingekoppelt werden können, die mehrere Zehnerpotenzen kleiner ist als die thermische Leistung des Verbrennungssystems. Von den akustischen Anregungsmitteln (Lautsprechern 16,..,19) ist zu fordern, dass sie - wenn es sich bei dem Verbrennungssystem 10 um das einer Gasturbine handelt - den in Gasturbinen üblichen Vorheiztemperaturen von ca. 400°C standhalten müssen. Weiterhin sollten sie ca. 0,001% der thermischen Leistung pro Brenner 11 (bei mehreren Brennern) an das jeweilige Gas (Luft oder Frischgemisch bei Anregung stromauf; Abgas bei Anregung stromab des Brenners 11) abgeben können.
BEZUGSZEICHENLISTE
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)

  1. 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der thermoakustischen Schwingungen die damit verbundenen Druckschwankungen akustisch gemessen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der thermoakustischen Schwingungen die damit verbundenen Schwankungen in der Wärmefreisetzung optisch gemessen werden.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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).
  7. 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.
  8. Verbrennungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (21) als ein Druckschwankungen aufnehmender Drucksensor, insbesondere als Mikrophon, ausgebildet ist.
  9. Verbrennungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (22) als optischer Sensor zur Messung der Chemilumineszenz ausgebildet ist.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
EP00810369A 1999-05-07 2000-05-01 Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen in einem Verbrennungssystem sowie Verbrennungssystem zur Durchführung des Verfahrens Expired - Lifetime EP1050713B1 (de)

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DE19928226A DE19928226A1 (de) 1999-05-07 1999-05-07 Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen in einem Verbrennungs-System sowie Verbrennungssystem zur Durchführung des Verfahrens
DE19928226 1999-05-07

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