EP1114967B1

EP1114967B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Brennkammer einer Strömungskraftmaschine

Info

Publication number: EP1114967B1
Application number: EP01810007A
Authority: EP
Inventors: Ephraim Prof. Dr. Gutmark; Christian Olivier Dr. Paschereit; Wolfgang Weisenstein
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2021-01-04
Also published as: JP4898004B2; US6698209B1; DE10000415A1; JP2001248833A; DE50108042D1; EP1114967A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 4 sowie auf eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Brennkammer einer Strömungskraftmaschnine.

Stand der Technik

Beim Betrieb von Strömungskraftmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinenanlagen, treten in den Brennkammern häufig unerwünschte, so genannte thermoakustische Schwingungen auf, die am Brenner als strömungsmechanische Instabilitätswellen entstehen und zu Strömungswirbeln führen. Diese beeinflussen den gesamten Verbrennungsvorgang stark und führen zu unerwünschten periodischen Wärmefreisetzungen innerhalb der Brennkammer , die mit starken Druckschwankungen verbunden sind. Mit den hohen Druckschwankungen sind hohe Schwingungsamplituden verknüpft, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung des Brennkammergehäuses, einer erhöhten NO_x-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme innerhalb der Brennkammer führen können.

Thermoakustische Schwingungen beruhen zumindest teilweise auf Strömungsinstabilitäten der Brennerströmung, die sich in kohärenten Strömungsstrukturen äußern, und die die Mischungsvorgänge zwischen Luft und Brennstoff beeinflussen. Bei herkömmlichen Brennkammern wird Kühlluft in Art eines Kühlluftfilm über die Brennkammerwände geleitet. Neben dem Kühleffekt wirkt der Kühlluftfilm auch schalldämpfend und trägt zur Verminderung von thermoakustischen Schwingungen bei. In modernen Gasturbinenbrennkammem mit hohen Wirkungsgraden, niedrigen Emissionen und einer konstanten Temperaturverteilung am Turbineneintritt ist der Kühlluftstrom in die Brennkammer deutlich reduziert und die gesamte Luft wird durch den Brenner geleitet. Jedoch reduziert sich zugleich auch der schalldämpfende Kühlluftfilm, wodurch die schalldämpfende Wirkung herabgesetzt wird und die mit den unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme wieder verstärkt auftreten.

Eine weitere Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln so genannter Helmholtz-Dämpfern im Bereich der Brennkammer oder der Kühlluftzufuhr. Jedoch ist bei modernen Brennkammerkonstruktionen das Vorsehen derartiger Helmholtz-Dämpfer aufgrund enger Platzverhältnisse mit großen Schwierigkeiten verbunden.

Daneben ist es bekannt dass den im Brenner auftretenden strömungsmechanischen Instabilitäten und den damit verbundenen Druckschwankungen dadurch entgegengetreten werden kann, indem die Flamme durch zusätzliche Eindüsung von Brennstoff stabilisiert werden kann. Eine derartige Eindüsung von zusätzlichem Brennstoff erfolgt über die Kopfstufe des Brenners, in der eine auf der Brennerachse liegende Düse für die Pilot-Brennstoffgaszuführung vorgesehen ist, sie führt zu einer Anfettung der zentralen Flammstabilisierungszone. Diese Methode der Verminderung von thermoakustischen Schwingungsamplituden ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die Eindüsung von Brennstoff an der Kopfstufe mit einer Erhöhung der NO_x-Emission einhergehen kann.

Nähere Untersuchungen zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen haben gezeigt, dass derartig unerwünschte kohärente Strukturen bei Mischvorgängen entstehen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die sich zwischen zwei mischenden Strömungen ausbildenden Scherschichten, innerhalb der kohärente Strukturen gebildet werden. Nähere Ausführungen hierzu sind folgenden Druckschriften zu entnehmen: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid mechanics, Vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, "Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 283, 365-407).

Wie aus den vorstehenden Artikeln hervorgeht, ist es möglich, die sich innerhalb der Scherschichten ausbildenden kohärenten Strukturen durch gezieltes Einbringen einer akustischen Anregung derart zu beeinflussen, dass Ihre Entstehung verhindert wird. Eine weitere Methode ist das Einbringen eines akustischen Gegenschallfeldes, so dass das vorhandene unerwünschte Schallfeld durch ein gezielt eingebrachtes, phasenverschobenes Schallfeld regelrecht ausgelöscht wird. Diese Antischall-Technik, benötigt jedoch verhältnismäßig viel Energie, die entweder extern dem Brennersystem zur Verfügung gestellt werden muss oder die dem gesamten System an einer anderen Stelle abzuzweigen ist. Dies führt jedoch zu einer, wenn auch geringen, aber dennoch vorhandenen Wirkungsgradeinbuße.

Die Schrift EP-A2-0 754 908 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwankungen bei einer Feuerung. Üblicherweise können bei solchen Feuerungen Druckschwankungen auftreten, die durch sich an den Aussen- bzw. Randbereichen der Flamme oder der Brennstoff/Luftströmung aufrollende Ringwirbel angeregt und verstärkt werden. Um diese Ringwirbel zu unterbinden, wird vorgeschlagen, die Flamme mit einem Mantel aus Gas zu umgeben. Dieser Mantel weist eine höhere Strömungsgeschwindigkeit in Flammenrichtung auf, als der Randbereich der Flamme. Hierdurch erfolgt eine Grenzschichtbeschleunigung und die Wirbelbildung kann nicht mehr auftreten.

Aus US-A-5,408,830 ist eine Gasturbinenanlage bekannt, die eine spezielle Brennstofflanze aufweist. Die Brennstofflanze, die sich in einem Vormischrohr befindet, umfasst einen zylindrischen Lanzenkörper mit einer Anzahl von internen Leitungen. Diesen intemen Leitungen führen über radiale Erweiterungen zur einer axialen Brennstoffeindüsung und gleichzeitig zu schrägen Eindüsungsöffnungen an der Spitze der Lanze. Diese Spülluft wird in eine Rezirkulationszone eingedüst, die sich vergrössert und so zu einer verbesserten Flammenstabilität führt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen und Strömungswirbeln innerhalb einer Brennkammer einer Strömungskraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, zu schaffen, so dass unerwünschte Strömungswirbel, die sich als kohärente Druckschwankungsstrukturen ausbilden, effizient und ohne großen zusätzlichen Energieaufwand ausgelöscht werden. Die hierzu notwendigen Maßnahmen sollen einen geringen konstruktiven Aufwand verursachen und kostengünstig in ihrer Realisierung sein.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 14 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß sieht das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vor, den Massenstrom unmittelbar am Brenneraustritt an einer Abrisskante des Brenners in eine Scherschnicht einer bringen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Ort der Entstehung der kohärenten Strukturen die Grenz- bzw. Scherschicht unmittelbar am Brenneraustritt ist. Anders als das Prinzip des Antischalls, bei dem ein vorhandenes Schallfeld durch Einbringen eines phasenverschobenen Schallfeldes gleicher Energie ausgelöscht wird, basiert die Erfindung auf der unmittelbaren Beeinflussung der Scherschicht selbst, in der sich die thermoakustischen Schwingungen ausbilden. Durch die direkte Einflussnahme, in Form einer gezielten Injektion eines Massenstromes, vorzugsweise eines gasförmigen Massenstromes, wie Luft, Stickstoff oder Erdgas, in die Scherschicht können die, in der Scherschicht wirkenden, die Druckschwankungen verstärkenden Mechanismen genutzt werden, um gezielt die unerwünschten Druckschwankungen auszulöschen. So werden bereits kleinste, von außen in die Scherschicht eingrebrachte Störungen, in Form einer gezielten Injektion eines Massenstroms, verstärkt, wodurch die sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen ausgelöscht werden. Auf diese Weise ist man in der Lage, mit kleinen, extern induzierten Störsignalen die thermoakustischen Schwingungen gänzlich zu unterdrücken. Zusätzliche Energiequellen, wie sie von der Antischalltechnik her bekannt sind, sind beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.

Auf diese weise erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine direkte Anregung der Scherschicht am Ort ihrer Entstehung, d.h. am Brenneraustritt.

Typischerweise weist der Brenner mindestens zwei hohle, in Strömungsrichtung der Heißgase ineinander geschachtelte Teilkörper auf, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, sodass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine Brennstoffdüse aufweist. Derartige, auch als Kegelbrenner bezeichnete Brennertypen, weisen an ihrem Brenneraustritt eine kreisrund ausgebildete Abrisskante auf, an der Brennerseitig unmittelbar angrenzend ein Austrittskanal vorgesehen ist, durch den der Massenstrom in die, sich an der Abrisskante ausbildende Scherschicht injiziert werden kann. Vorzugsweise ist der Austrittskanal an der Innenseite des Brenneraustritts unmittelbar an seiner Abrisskante vorgesehen.

Neben der Verwendung eines gasförmigen Massenstromes, wie vorstehend aufgezeigt, ist es auch möglich, einen flüssigen Massenstrom den Heißgasen beizumischen, beispielsweise in Form flüssigen Brennstoffs.

Um gezielt die sich innerhalb der Scherschicht am Brenneraustritt ausbildenden thermoakustischen Schwingungen zu unterdrücken, ist der Massenstromzufluss konstant oder vorzugsweise gepulst in die Scherschicht einzubringen, um sich nachfolgend mit den Heißgasen zu vermischen. Für optimale Ergebnisse in der Schwingungsdämpfung ist die Pulsationsfrequenz des Massenstromes auf das Ausbildungsverhalten der sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden, unerwünschten Strömungswirbel bzw. thermoakustischen Schwingungen abzustimmen. Erfahrungswerte zeigen, dass die unerwünschten Strömungswirbel bei einer Pulsationsfrequenz zwischen 1 Hz und 5 kHz, vorzugsweise zwischen 50 Hz und 300 Hz, effektiv unterdrückt werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Massenstromeinspeisung als Antwortsignal auf die sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen erfolgt. Dies setzt voraus, dass das Ausbildungsverhalten der Strömungswirbel innerhalb der Scherschicht erfasst wird und dass in Abhängigkeit davon ein entsprechendes Antwort- bzw. Anregungssignal generiert wird. Dies erfolgt vorzugsweise innerhalb eines geschlossenen Regelkreises, dem ein für die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen charakteristisches Signal zugeführt wird, und der in Abhängigkeit davon ein Anregungssignal generiert, durch das der in die Grenzschicht einzubringende Massenstrom moduliert wird. Mit an sich bekannten Techniken ist es möglich, das für die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Grenzschicht charakteristische Signal zu erfassen, entsprechend zu filtern und phasengedreht und verstärkt einer weiteren Regeleinheit, die nach Maßgabe des vorstehend geschilderten geschlossenen Regelkreises arbeitet, zuzuführen.

Demgegenüber kann aus Gründen geringen Aufwandes das die Massenstromeinspeisung bestimmende Anregungssignal auch von einer Steuereinheit geliefert werden, das in keiner bestimmten Phasenbeziehung zu den sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen steht. Dennoch kann auf diese Weise eine höchst effiziente Schwingungsunterdrückung erzielt werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:

Fig. 1: schematische Darstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Anregungsvorrichtung, sowie
Fig. 2: Diagrammdarstellung zur Unterdrückungseffizienz mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist eine schematisierte Vorrichtung dargestellt zur gezielten Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen innerhalb einer Brennkammer 2. Stark schematisiert ist ein Kegelbrenner 1 dargestellt, mit einer in Strömungsrichtung unmittelbar anschließenden Brennkammer 2. Der Kegelbrenner 1 weist einen kreisförmig ausgebildeten Brenneraustritt 3 auf, der insbesondere als scharfe Abrisskante ausgebildet ist. An der Innenseite des Brenneraustritts 2 mündet, die Abrisskante zirkular umlaufend, ein Austrittskanal 4, durch den ein Massenstrom, vorzugsweise Luft, Stickstoff oder Erdgas gezielt ausgebracht werden kann (siehe Pfeile). Auch ein flüssiger Brennstoff kann verwendet werden. Unmittelbar in Strömungsrichtung am Brenneraustritt 3 anschließend, bildet sich eine Grenz- bzw. Scherschicht 5 aus, innerhalb der die unerwünschten thermoakustischen Schwingungen entstehen. Um diese effizient zu unterdrücken, erfolgt durch den Austrittskanal 4 eine Eindüsung eines Massenstroms in die Scherschicht 5, innerhalb der Strömungswirbel verstärkende Mechanismen wirken. Infolge dessen verstärken sich auch die durch den Massenstrom in die Scherschichts induzierten Störungen entsprechend. Ein ansteuerbares Ventil 6 sorgt dafür, dass der Massenstrom sowohl kontinuierlich als auch in die Scherschicht 5 eingespeist werden kann.

Grundsätzlich ist es möglich, eine fest vorgegebene Pulsfrequenz zu wählen, die in keinem festen Phasenbezug zu den sich innerhalb der Scherschicht 5 ausbildenden thermoakustischen Schwingungen steht. Jedoch kann das Ventil 6 im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises eine Pulsfrequenz vorgeben, die in einem bestimmten Verhältnis zum Ausbildungsverhalten der thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Scherschicht 5 steht. So kann durch geeignete Wahl einer korrekten Phasendifferenz zwischen der Pulsation des Massenstromes sowie eines gemessenen Anregungssignals, das die thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Scherschicht charakterisiert, die Kohärenz der sich entwickelnden Instabilitätswellen gestört werden, wodurch die Pulsationsamplituden entscheidend verringert werden können. Im Gegensatz zur akustischen Anregung unter Verwendung der Antischalltechnik sind an dem erfindungsgemäßen Anregungsmechanismus keine hohen Anforderungen zu stellen, zumal auch thermische Rahmenbedingungen die Funktionalität des Dämpfungsmechanismus nicht wesentlich beeinträchtigt.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb von Brennkammern von Strömungskraftmaschinen ist auch aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 zu entnehmen. Zur Gegenüberstellung eines nichtgedämpften Strömungsfalls (siehe hierzu die gestrichelte Linie) gegenüber eines gedämpften Strömungsfalles (siehe hierzu durchgezogenen Linienzug) soll das Diagramm gemäß Fig. 2 dienen, das bei einer Unterdrückung einer Druckschwingung im 100 Hz-Bereich aufgenommen worden ist. Die Anregung des Massenstromes erfolgt antisymmetrisch zu den sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen. Als Massenstrom wurde Stickstoff verwandt.

Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Brennkammer
3: Brenneraustritt
4: Austrittskanal
5: Scherschicht
6: Ventil

Claims

Verfahren zur Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen und Strömungswirbeln innerhalb einer Brennkammer (2) einer Strömungskraftmaschine, wobei

in einem Brenner (1) ein Brennstoff-/Luftgemisch bereitstellt und in die Brennkammer (2) eingeleitet wird und

das Brennstoff-/Luftgemisch innerhalb der Brennkammer (2) zur Zündung gebracht wird und Heissgase gebildet werden, wobei

der Brennkammer (2) ein zusätzlicher Massenstrom zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Massenstrom unmittelbar am Brenneraustritt (3) in eine sich an einer Abrisskante des Brenners (1) bildende Scherschicht (5) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoff-/Luftgemisches in einem Brenner (1) erzeugt wird, der aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luftgemisches ineinandergeschachtelten Teilkörpern besteht, deren Mittelachsen zueinander versetzt laufen, dergestalt, dass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner (1) zumindest eine Brennstoffdüse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Massenstrom an der Innenseite des Brenneraustritts (3) in die Scherschicht (5) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein gasförmiger Massenstrom aus Luft, Stickstoff oder Erdgas in die Scherschicht (5) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein flüssiger Brennstoff als Massenstrom in die Scherschicht (5) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Massenstrom kontinuierlich in die Scherschicht (5) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Massenstrom gepulst in die Scherschicht (5) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gepulste Beimischung des Massenstroms mittels einer Steuereinheit (6) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (6) mit einem offenen oder geschlossenen Regelkreis betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Massenstrom mit einer Pulsationsfrequenz zwischen 1 Hz und 5 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 50 Hz und 300 Hz, in die Scherschicht (5) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein offener Regelkreis ein Anregungssignal erzeugt, das in keiner bestimmten Phasenbeziehung zu einem gemessenen Signal steht, das die, sich innerhalb der einer Brennkammer (2) entstehenden thermoakustischen Schwingungen und Strömungswirbel charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
einem geschlossenen Regelkreis ein Signal zugeführt wird, das die, sich innerhalb der einer Brennkammer (2) entstehenden thermoakustischen Schwingungen und Strömungswirbel charakterisiert und als Anregungssignal für den gepulsten Massenstrom verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dem geschlossenen Regelkreis zugeführte Signal gemessen, gefiltert, phasengedreht und verstärkt wird.
Vorrichtung zur Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen und Strömungswirbeln innerhalb einer Brennkammer (2) einer Strömungskraftmaschine, die

einen Brenner (1),

eine dem Brenner (1) nachfolgend angeordnete Brennkammer (2) und

mindestens einen Austrittskanal (4) zur Einbringung zeine zusätzlichen Massenstroms umfasst, welcher Austrittskanal (4) in die Brennkammer (2) mündet,

dadurch gekennzeichnet, dass

der mindestens eine Austrittskanal (4) am Brenneraustritt (3) an einer Abrisskante des Brenners (1) in die Brennkammer (2) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 14,
der mindestens eine Austrittskanal (4) an der Innenseite des Brennerausfitts (3) in die Brennkammer (2) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brenner (1) ein Kegelbrenner ist, dessen Brenneraustritt (3) eine weitgehend kreisringförmige Kontur aufweist, entlang der wenigstens teilweise der Austrittskanal (4) mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Zuleitungsbereich des Austrittskanals (4) eine Regeleinheit vorgesehen ist, durch die der Massenstrom gepulst die Brennkammer (2) einbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regeleinheit ein Ventil (6) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungskraftmaschine eine Gasturbinenanlage ist.