EP1114967B1 - Procédé et dispositif pour supprimer les tourbillons dans une chambre à combustion d'une turbomachine - Google Patents
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- EP1114967B1 EP1114967B1 EP01810007A EP01810007A EP1114967B1 EP 1114967 B1 EP1114967 B1 EP 1114967B1 EP 01810007 A EP01810007 A EP 01810007A EP 01810007 A EP01810007 A EP 01810007A EP 1114967 B1 EP1114967 B1 EP 1114967B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- 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
- F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
Definitions
- the invention relates to a method according to the preamble of claim 4 and to a device according to the preamble of claim 1 for the suppression flow vortexes within a combustion chamber of a flow force engine.
- thermoacoustic oscillations which arise at the burner as fluid mechanical instability waves and lead to flow vortices. These strongly influence the entire combustion process and lead to undesirable periodic heat releases within the combustion chamber, which are associated with strong pressure fluctuations.
- the high pressure fluctuations are associated with high vibration amplitudes, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load of the combustion chamber, increased NO x emissions by inhomogeneous combustion and even to extinguish the flame within the combustion chamber.
- Thermoacoustic oscillations are based at least in part on flow instabilities burner flow, which manifests itself in coherent flow structures, and which influence the mixing processes between air and fuel.
- cooling air In conventional Combustion chambers is cooling air in the manner of a cooling air film over the combustion chamber walls directed.
- the cooling air film In addition to the cooling effect, the cooling air film also has a sound-absorbing effect and contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations.
- the cooling air flow significantly reduced in the combustion chamber and all the air is through the Burner passed is the sound-absorbing cooling air film is reduced, whereby the sound-absorbing effect is reduced and those with the unwanted Vibrations associated problems again occur increasingly.
- thermoacoustic vibration amplitudes involves the disadvantage that the injection of fuel at the head stage may be accompanied by an increase in NO x emission.
- thermoacoustic vibrations have shown that such unwanted coherent structures arise in mixing operations. Of particular importance here are those between two mixing Flow forming shear layers formed within the coherent structures become. Further details can be found in the following publications: 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).
- Document EP-A2-0 754 908 discloses a method and apparatus for suppression Flame / pressure fluctuations in a furnace. Usually, in such Firings pressure fluctuations occur due to the outer or peripheral areas the flame or the fuel / air flow rolling up ring vortices excited and amplified become. To prevent this ring vortex, it is proposed to use a flame Coat of gas to surround. This jacket has a higher flow velocity in the flame direction, as the peripheral area of the flame. This results in a boundary layer acceleration and the vortex formation can no longer occur.
- a gas turbine plant which is a special fuel lance having.
- the fuel lance which is located in a premix tube, comprises a cylindrical Lance body with a number of internal lines. Lead these internal lines via radial extensions for axial fuel injection and at the same time oblique injection openings at the top of the lance. This purge air is in a recirculation zone injected, which increases in size and so to improved flame stability leads.
- the invention is based on the object, a method for the suppression of thermoacoustic vibrations and Flow vortices within a combustion chamber of a turbomachine, in particular a gas turbine plant, to create, so that unwanted flow vortex, which form as coherent pressure fluctuation structures, efficient and extinguished without much additional energy.
- a turbomachine in particular a gas turbine plant
- the invention is based on the recognition that the place of origin of the coherent Structures the boundary or shear layer is directly at the burner outlet. Unlike the principle of anti-sound, in which an existing sound field through Insertion of a phase-shifted sound field of the same energy extinguished
- the invention is based on the direct influence of the shear layer itself, in which the thermoacoustic vibrations form. Due to the direct influence, in the form of a targeted injection of a mass flow, preferably a gaseous mass flow, such as air, nitrogen or natural gas, in the shear layer can, acting in the shear layer, the pressure fluctuations amplifying mechanisms are used to target the extinguish unwanted pressure fluctuations.
- thermoacoustic vibrations are extinguished.
- additional Energy sources as they are known from the anti-sound technology, are not required in the process according to the invention.
- the inventive method allows a direct excitation of the shear layer at the place of their formation, i. at the burner outlet.
- the burner has at least two hollow, in the flow direction of the Hot gases nested part body on whose center axes to each other offset, so that adjacent walls of the body part tangential Air inlet ducts for the inflow of combustion air into one of the partial bodies form predetermined interior, and wherein the burner at least one Has fuel nozzle.
- Such types of burners also known as cone burners, have at their burner outlet on a circular trained tear-off, on the burner side immediately adjacent an outlet channel is provided through the mass flow is injected into the, at the spoiler edge forming shear layer can be.
- the outlet channel is on the inside of the burner outlet provided directly at its trailing edge.
- the mass flow inflow is constant or preferably pulsed into the shear layer to be subsequently to mix with the hot gases.
- vibration damping is the pulsation frequency of the mass flow on the training behavior the undesirable one forming within the shear layer
- the unwanted flow vortex at a pulsation frequency between 1 Hz and 5 kHz, preferably between 50 Hz and 300 Hz, effectively suppressed become.
- thermoacoustic Vibrations characteristic signal is supplied, and in dependence of which generates an excitation signal through which in the boundary layer mass flow to be introduced is modulated. It is with known techniques possible for the training of thermoacoustic oscillations within the Boundary layer characteristic signal to capture, filter accordingly and phase-rotated and reinforces another control unit, which, in accordance with the above described closed loop works to supply.
- Fig. 1 is a schematic device shown for targeted suppression thermoacoustic oscillations within a combustion chamber 2.
- a cone burner 1 is shown with one in the flow direction immediately subsequent combustion chamber 2.
- the cone burner 1 has a circular design Burner outlet 3, which in particular formed as a sharp tear-off edge is.
- a mass flow preferably air, Nitrogen or natural gas can be applied specifically (see arrows).
- a liquid fuel can be used.
- a boundary or shear layer is formed 5 out, within the unwanted thermoacoustic vibrations arise.
- a controllable Valve 6 ensures that the mass flow is both continuous and also in the shear layer 5 can be fed.
- thermoacoustic vibrations it is possible to choose a fixed pulse rate, the in no fixed phase relation to those forming within the shear layer 5 thermoacoustic vibrations.
- the valve 6 under a closed loop specify a pulse rate that in a certain Relationship to the training behavior of the thermoacoustic vibrations within the shear layer 5 is. So can by suitable choice of a correct phase difference between the pulsation of the mass flow and a measured Excitation signal representing the thermoacoustic oscillations within the shear layer characterized, the coherence of the developing instability waves disturbed be, whereby the pulsation amplitudes are significantly reduced can.
- the excitation mechanism according to the invention In contrast to the acoustic stimulation using the anti-sounding technique are no high demands on the excitation mechanism according to the invention especially because of thermal conditions and functionality the damping mechanism is not significantly affected.
- the mode of action of the method according to the invention for the suppression of Flow vortices within combustion chambers of fluid engines is also from the diagram as shown in FIG. 2.
- To juxtapose an undamped Flow case (see the dashed line) compared to a damped Flow case (see solid line) is the diagram according to Fig. 2 serve that at a suppression of a pressure oscillation in the 100 Hz range has been recorded.
- the excitation of the mass flow is antisymmetric to the forming within the shear layer thermoacoustic Vibrations. Nitrogen was used as the mass flow.
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Claims (19)
- Procédé pour supprimer des vibrations thermoacoustiques et des tourbillons à l'intérieur d'une chambre de combustion (2) d'une turbomachine, dans lequeldans un brûleur (1) est fourni un mélange combustible/air qui est introduit dans la chambre de combustion (2) etle mélange combustible/air est allumé à l'intérieur de la chambre de combustion (2) et des gaz chauds se forment,un débit massique alimentant la chambre de combustion (2),le débit massique est introduit directement au niveau de la sortie du brûleur (3) dans une couche de cisaillement (5) se formant au niveau d'une arête de rupture du brûleur (1).
- Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
le mélange combustible/air est produit dans un brûleur (1) qui se compose d'au moins deux corps partiels creux emboítés l'un dans l'autre dans la direction de l'écoulement du mélange combustible/air, dont les axes médians s'étendent de manière décalée l'un par rapport à l'autre, de telle sorte que des parois voisines des corps partiels forment des canaux d'entrée d'air tangentiels pour l'entrée de l'air de combustion dans un espace interne prédéfini par les corps partiels, et le brûleur (1) présentant au moins un injecteur de combustible. - Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
le débit massique est introduit dans la couche de cisaillement (5) au niveau du côté intérieur de la sortie du brûleur (3). - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce qu'
un débit massique gazeux constitué d'air, d'azote ou de gaz naturel est introduit dans la couche de cisaillement (5). - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce qu'
un combustible liquide est introduit dans la couche de cisaillement (5) en tant que débit massique. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que
le débit massique est introduit en continu dans la couche de cisaillement (5). - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que
le débit massique est introduit de manière pulsée dans la couche de cisaillement (5). - Procédé selon la revendication 7,
caractérisé en ce que
le mélange pulsé du débit massique est réalisé au moyen d'une unité de commande (6). - Procédé selon la revendication 8,
caractérisé en ce que
l'unité de commande (6) est entraínée avec un circuit de régulation ouvert ou fermé. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9,
caractérisé en ce que
le débit massique est introduit avec une fréquence de pulsations comprise entre 1 Hz et 5 kHz, de préférence avec une fréquence comprise entre 50 Hz et 300 Hz, dans la couche de cisaillement (5). - Procédé selon la revendication 10,
caractérisé en ce qu'
un circuit de régulation ouvert produit un signal d'excitation qui n'est pas en relation de phase déterminée avec un signal mesuré qui caractérise les vibrations thermoacoustiques et les tourbillons se produisant à l'intérieur de la chambre de combustion (2), et est utilisé comme signal d'excitation pour le débit massique pulsé. - Procédé selon la revendication 10,
caractérisé en ce qu'
un signal est acheminé à un circuit de régulation fermé et caractérise les vibrations thermoacoustiques et les tourbillons se produisant à l'intérieur de la chambre de combustion (2), et est utilisé comme signal d'excitation pour le débit massique pulsé. - Procédé selon la revendication 12,
caractérisé en ce que
le signal acheminé au circuit de régulation fermé est mesuré, filtré, soumis à une rotation de phase, et amplifié. - Dispositif pour supprimer des vibrations thermoacoustiques et des tourbillons à l'intérieur d'une chambre de combustion (2) d'une turbomachine, qui comprend :un brûleur (1),une chambre de combustion (2) disposée après le brûleur (1) etau moins un canal de sortie (4) pour l'introduction d'un débit massique supplémentaire, lequel canal de sortie (4) débouche dans la chambre de combustion (2),l'au moins un canal de sortie (4) débouche à la sortie du brûleur (3) au niveau d'une arête de rupture du brûleur (1) dans la chambre de combustion (2).
- Dispositif selon la revendication 14,
caractérisé en ce que
l'au moins un canal de sortie (4) débouche dans la chambre de combustion (2) au niveau du côté intérieur de la sortie du brûleur (3). - Dispositif selon la revendication 14 ou 15,
caractérisé en ce que
le brûleur (1) est un brûleur sous forme de cône dont la sortie de brûleur (3) présente un contour essentiellement annulaire circulaire le long duquel débouche au moins en partie le canal de sortie (4). - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 14 à 16,
caractérisé en ce que
l'on prévoit dans la région d'alimentation du canal de sortie (4) une unité de régulation qui permet d'introduire le débit massique de manière pulsée dans la chambre de combustion (2). - Dispositif selon la revendication 17,
caractérisé en ce que
l'unité de régulation est une soupape (6). - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 14 à 18,
caractérisé en ce que
la turbomachine est une installation de turbine à gaz.
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