EP1429003A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in Verbrennungssystemen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in Verbrennungssystemen Download PDF

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EP1429003A2
EP1429003A2 EP03104405A EP03104405A EP1429003A2 EP 1429003 A2 EP1429003 A2 EP 1429003A2 EP 03104405 A EP03104405 A EP 03104405A EP 03104405 A EP03104405 A EP 03104405A EP 1429003 A2 EP1429003 A2 EP 1429003A2
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EP
European Patent Office
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fuel
gas flow
burner
modulated
acoustic
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EP03104405A
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EP1429003A3 (de
EP1429003B1 (de
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Ephraim Gutmark
Christian Oliver Paschereit
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GE Vernova GmbH
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Alstom Technology AG
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Publication of EP1429003A3 publication Critical patent/EP1429003A3/de
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2205/00—Pulsating combustion
    • F23C2205/10—Pulsating combustion with pulsating fuel supply
    • 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 and a device for influencing thermoacoustic vibrations in a combustion system with at least a burner and at least one combustion chamber with the features of Preamble of claim 1 and with the features of the preamble of Claim 7.
  • thermoacoustic vibrations denotes mutually rocking thermal and acoustic disturbances. High vibration amplitudes can occur, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber and increased NO x emissions due to inhomogeneous combustion. This is especially true for combustion systems with low acoustic damping. In order to ensure high performance in terms of pulsations and emissions over a wide operating range, active control of the combustion vibrations may be necessary.
  • thermoacoustic vibrations are to be influenced by being in the area of the burner forming shear layer is acoustically excited.
  • thermoacoustic vibrations are to be influenced by an injection of liquid or modulated gaseous fuel.
  • thermoacoustic Reduce vibration systems are each for influencing one specific interference frequency of the thermoacoustic vibrations. It there is a further need to disrupt the thermoacoustic Reduce vibration systems even more.
  • the present invention is concerned with Problem, a way to improve the influence of thermoacoustic To show vibrations in a combustion system.
  • the invention is based on the general idea that is basically known acoustic excitation of the gas flow with the basically known modulated injection of the fuel to influence it Combine the interference frequency of the thermoacoustic vibrations.
  • Tests have shown that the proposed according to the invention Combination a surprisingly high suppressive effect or Damping effect for the respective interference frequency shows that clearly above the Damping effect of the known acoustic gas flow excitation for itself taken and modulated on the damping effect of the known Fuel injection taken on its own and over that for a combination damping effect expected from these two influencing methods goes.
  • the unexpectedly strong improvement in the damping effect is thereby on surprisingly occurring, not yet explained synergy effects recycled.
  • the current acoustic gas flow excitation and the current modulated Fuel injection with the same, measured in the combustion system, with signal coupled to the thermoacoustic vibrations become. This ensures that the two influencing methods are not work independently of one another, but work together in a phase-locked manner.
  • the phases relate to the amplitude profile of the preferred influencing interference frequency within the thermoacoustic vibrations.
  • Said measured signal is used to realize the acoustic Gas flow excitation undergoes a first phase shift while it to implement the modulated fuel injection of a second Undergoes phase shift. It may be appropriate to to give a different value to the first phase shift than to the second Phase shift.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified schematic diagram of a device according to the invention.
  • a device 1 comprises one Control 2, which here only by a broken line symbolized frame is symbolized.
  • the device 1 also has at least one acoustic source 3 and at least one control valve 4 one Fuel supply device 5.
  • the fuel supply device 5 is coupled to a combustion system 6, which is usually at least one Has burner 7 and at least one combustion chamber 8. For simplification here are burner 7 and combustion chamber 8 by a common rectangle symbolizes.
  • the combustion system 6 is also one Gas supply device 9 assigned. While with the control valve 4 the amount of liquid or gaseous fed to the combustion system 6 Fuel is controllable, can be in the acoustic source 3 Combustion system 6 forming gas flow can be influenced. there can the acoustic source 3 - as here - indirectly via the Gas supply device 9 or directly to the combustion system 6 act.
  • the device 1 is assigned to the combustion system 6 and is used for Influencing thermoacoustic vibrations in the combustion system 6 may occur.
  • the controller 2 contains a first one Control path 10 and a second control path 11, the input side of a first Contain time delay element 12 or a second time delay element 13.
  • the control paths 10, 11 contain a first on the output side Amplifier 14 and a second amplifier 15.
  • the second contains Control path 11 between the second time delay element 13 and the second Amplifier 15 a high-pass filter 16.
  • the first control path 10 is connected on the output side to the acoustic source 3 is the second Control path 11 is connected on the output side to control valve 4.
  • the controller 2 also contains a control algorithm 17, which is shown in FIG Depending on incoming signals, corresponding signals to the input sides of the control paths 10, 11 connected in parallel.
  • the Control algorithm 17 receives its input signals from one not shown here Sensor technology for measuring thermoacoustic vibrations in the Combustion system 6 is formed. The determined by this sensor system Signals correlate with the thermoacoustic vibrations in the Combustion system 6.
  • the measured signals can be pressure signals be, the sensors then pressure sensors, preferably microphones, in particular with water-cooled microphones and / or microphones piezoelectric pressure transducers. It is also possible that the signals measured by the sensor system are formed by chemical luminescence signals are, preferably by chemiluminescent signals from the emission of one of the Radicals OH or CH.
  • the sensor system can then expediently use optical sensors for visible or infrared radiation, especially optical fiber probes, exhibit.
  • the pressure or measured in the combustion chamber 8, for example Luminescence signal is processed accordingly by the control algorithm 7 and the time delay elements 12, 13 fed in parallel.
  • the Time delay elements 12, 13 then take place for the respective control path 10, 11 provided phase shifts of the incoming signal.
  • the second control path 11 holds the high-pass filter 16 undesirable, low-frequency Interference so that only the desired high-frequency, phase-shifted signals reach the second amplifier 15.
  • Amplifiers 14, 15 are then signal amplified.
  • those of the time delay elements 12, 13 achieved phase shifts selected different sizes.
  • the controller 2 in particular via its control algorithm 17 Phase shifts of the time delay elements 12, 13 independently can adjust from each other.
  • the Control 2 e.g. via the control algorithm 17, the amplifiers 14, 15 for Generation of different signal amplitudes independently of one another controls.
  • the high-pass filter 16 can also be set in a corresponding manner be designed.
  • driver signals are generated which are used to control or actuate the acoustic source 3 or the control valve 4 can be used. This allows the desired influence on the thermoacoustic vibrations in the Combustion system 6 can be achieved.
  • the controller 2 in particular its control algorithm 17, can be in Dependence of the current pressure or luminescent signals Time delay elements 12, 13 and / or the amplifiers 14, 15 and / or the Press high pass filter 16. This can influence each Control paths 10, 11 to the interference frequency to be damped varies or be tracked. To this extent, there are control paths 10, 11 for both closed control loops.
  • thermoacoustic vibrations For the functioning of influencing the thermoacoustic vibrations by means of acoustic excitation of the gas flow, EP 0 918 152 A1 referenced, the content of which is hereby expressly referred to in the Disclosure content of the present invention is incorporated. In is accordingly for the functioning of influencing the thermoacoustic vibrations by means of modulated fuel injection EP 0 985 810 A1, the content of which is hereby expressly referred to Reference to the disclosure content of the present invention is incorporated.
  • the fluid mechanical stability of a gas turbine burner is of crucial for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
  • the fluid-mechanical instability waves in the burner lead for the formation of vertebrae. These are also referred to as coherent structures Eddies play an important role in mixing processes between air and fuel.
  • the spatial and temporal dynamics of this coherent Structures affect combustion and heat release. Through the Acoustic excitation of the gas flow can make this coherent Structures are counteracted. Will the emergence of vortex structures reduced or prevented at the burner outlet, this also periodic heat release fluctuation reduced. This periodic Fluctuations in heat release form the basis for the occurrence thermoacoustic vibrations, so that the acoustic excitation Amplitude of the thermoacoustic fluctuations can be reduced.
  • thermoacoustic vibrations occur in the area of the burner forming shear layer is acoustically excited.
  • Mixture layer refers to that between two fluid flows forms different speeds. Influencing the shear layer has the advantage that the excitation introduced in the shear layer increases become. So there is little to cancel an existing sound field Excitation energy needed. In contrast, with a pure Anti-sound principle an existing sound field by a phase-shifted Sound field of equal energy extinguished.
  • the shear layer can be excited both downstream and upstream of the burner become. Downstream of the burner, the shear layer can be excited directly. With an excitation upstream of the burner, the acoustic excitation first introduced into a working gas, for example air, the Then excitation after passage of the working gas through the burner into the Shear layer transmits. Since only a small amount of stimulation is required, can the acoustic source 3 by an acoustic driver, such as a or several speakers, be formed, which is aligned with the gas flow. Alternatively, one or more chamber walls can be closed mechanically Vibrations are excited at the desired frequency.
  • a working gas for example air
  • an acoustic driver such as a or several speakers
  • This signal can be in the combustion chamber or in a downstream of the burner Calming chamber arranged upstream of the burner can be measured.
  • the current acoustic excitation is then dependent on this Measurement signal controlled.
  • phase difference between the measurement signal and the current one acoustic excitation signal affects the acoustic excitation of the training coherent structures, so that the amplitude of the pressure pulsation is reduced.
  • the phase difference mentioned is by the Time delay element 12 is set and takes into account that usually through the arrangement of the measuring sensors and acoustic drivers or sources 3 and phase shifts occur due to the measuring devices and cables themselves. If the set relative phase is chosen so that the largest possible Reducing the pressure amplitude results in all of these being phase shifting Effects implicitly taken into account. Because the cheapest relative phase changes over time can change, the relative phase advantageously remains variable and can be about a control of the pressure fluctuations so that a great suppression is guaranteed.
  • the training can also be done with the help of the modulated fuel injection influence thermoacoustic vibrations.
  • a modulated Fuel injection is every time varying injection of understood liquid or gaseous fuel. This modulation can for example with any frequency.
  • the injection can phase-independent of the pressure fluctuations in the combustion system respectively; however, the embodiment shown here is preferred, in which the Injection with a signal measured in the combustion system 6 is phase-locked, which is correlated with the thermoacoustic vibrations.
  • the fuel injection is modulated by opening it accordingly and closing the control valve or valves 4, whereby the injection times (start and End of injection) and / or the injection quantity can be varied.
  • the Modulated fuel supply can be implemented in large eddies Check the amount of fuel. As a result, the training of coherent heat release and thus the emergence of thermoacoustic Instabilities can be influenced.
  • the modulated injection of the fuel is preferably carried out into the already above-mentioned shear layer within the burner 7. It can be sufficient, only a relatively small proportion of the injected Modulate the amount of fuel. In particular, it can be useful modulates less than 20% of the total amount of fuel injected inject.
  • the interference frequency of the device 1 according to the invention can in particular be possible to use the interference frequency of the device 1 according to the invention to vary thermoacoustic vibrations.
  • the Main interference frequency from the respective operating state of the combustion system 6 depend.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (6), umfassend wenigstens einen Brenner (7) und wenigstens eine Brennkammer (8).
Um die Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen zu verbessern,
  • wird eine sich im Bereich des Brenners (7) ausbildende Gasströmung akustisch angeregt,
  • erfolgt eine Eindüsung von Brennstoff moduliert,
  • sind die akustische Anregung der Gasströmung und die modulierte Eindüsung des Brennstoffs zur Beeinflussung derselben Störfrequenz abgestimmt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem mit wenigstens einem Brenner und wenigstens einer Brennkammer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
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 und erhöhten NOx-Emissionen durch eine inhomogene Verbrennung 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 gewährleisten, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.
Um niedrige NOx-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet und der Kühlluftstrom reduziert. Da bei herkömmlichen Brennkammern die in die Brennkammer einströmende Kühlluft schalldämpfend wirkt und damit zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen beiträgt, wird durch die vorgenannten Maßnahmen zur Reduzierung der NOx-Emissionen die Schalldämpfung reduziert.
Aus der EP 0 918 152 A1 ist es bekannt, dass thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen sind, indem die sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt wird.
Aus der EP 0 985 810 A1 ist es bekannt, dass thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen sind, indem eine Eindüsung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff moduliert erfolgt.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind jeweils zur Beeinflussung einer bestimmten Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen abgestimmt. Es besteht weiterer Bedarf, die Störwirkung der thermoakustischen Schwingungssysteme noch stärker zu reduzieren.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen Weg zur Verbesserung der Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem aufzuzeigen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die grundsätzlich bekannte akustische Anregung der Gasströmung mit der grundsätzlich bekannten modulierten Eindüsung des Brennstoffs zur Beeinflussung derselben Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen miteinander zu kombinieren. Versuche haben gezeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kombination eine überraschend hohe Unterdrückungswirkung oder Dämpfungswirkung für die jeweilige Störfrequenz zeigt, die deutlich über die Dämpfungswirkung der bekannten akustischen Gasströmungsanregung für sich genommen und über die Dämpfungswirkung der bekannten modulierten Brennstoffeindüsung für sich genommen sowie über die für eine Kombination dieser beiden Beeinflussungs-Methoden erwartete Dämpfungswirkung hinausgeht. Die unerwartet starke Verbesserung der Dämpfungswirkung wird dabei auf überraschend auftretende, noch nicht erklärte Synergieeffekte zurückgeführt.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung können die momentane akustische Gasströmungsanregung und die momentane modulierte Brennstoffeindüsung mit demselben, im Verbrennungssystem gemessenen, mit den thermoakustischen Schwingungen korrelierenden Signal phasengekoppelt werden. Hierdurch wird erreicht, dass die beiden Beeinflussungs-Methoden nicht unabhängig voneinander arbeiten, sondern phasengekoppelt zusammenwirken.
Die Phasen beziehen sich dabei auf dem Amplitudenverlauf der bevorzugt zu beeinflussenden Störfrequenz innerhalb der thermoakustischen Schwingungen.
Das besagte gemessene Signal wird zur Realisierung der akustischen Gasströmungsanregung einer ersten Phasenverschiebung unterzogen, während es zur Realisierung der modulierten Brennstoffeindüsung einer zweiten Phasenverschiebung unterzogen wird. Dabei kann es zweckmäßig sein, der ersten Phasenverschiebung einen anderen Wert zu geben als der zweiten Phasenverschiebung. Durch das separate Einstellen der Phasenverschiebungen können die synergetischen Wechselwirkungen der beiden kombinierten Beeinflussungs-Methoden zur Verbesserung der Dämpfungswirkung optimiert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine Steuerung 2, die hier lediglich durch einen mit unterbrochenen Linien dargestellten Rahmen symbolisiert ist. Die Vorrichtung 1 besitzt außerdem wenigstens eine akustische Quelle 3 sowie wenigstens ein Steuerventil 4 einer Brennstoffversorgungseinrichtung 5. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 5 ist mit einem Verbrennungssystem 6 gekoppelt, das üblicherweise wenigstens einen Brenner 7 sowie wenigstens eine Brennkammer 8 aufweist. Zur Vereinfachung sind hier Brenner 7 und Brennkammer 8 durch ein gemeinsames Rechteck symbolisiert. Dem Verbrennungssystem 6 ist außerdem eine Gasversorgungseinrichtung 9 zugeordnet. Während mit dem Steuerventil 4 die dem Verbrennungssystem 6 zugeführte Menge an flüssigem oder gasförmigen Brennstoff steuerbar ist, kann mit der akustischen Quelle 3 eine sich im Verbrennungssystem 6 ausbildende Gasströmung beeinflusst werden. Dabei kann die akustische Quelle 3 ― wie hier ― indirekt über die Gasversorgungseinrichtung 9 oder direkt auf das Verbrennungssystem 6 einwirken.
Die Vorrichtung 1 ist dem Verbrennungssystem 6 zugeordnet und dient zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen, die im Verbrennungssystem 6 auftreten können. Zu diesem Zweck enthält die Steuerung 2 einen ersten Steuerpfad 10 und einen zweiten Steuerpfad 11, die eingangsseitig ein erstes Zeitverzögerungsglied 12 bzw. ein zweites Zeitverzögerungsglied 13 enthalten. Des weiteren enthalten die Steuerpfade 10, 11 ausgangsseitig einen ersten Verstärker 14 bzw. einen zweiten Verstärker 15. Außerdem enthält der zweite Steuerpfad 11 zwischen zweitem Zeitverzögerungsglied 13 und zweitem Verstärker 15 ein Hochpassfilter 16. Während der erste Steuerpfad 10 ausgangsseitig an die akustische Quelle 3 angeschlossen ist, ist der zweite Steuerpfad 11 ausgangsseitig mit dem Steuerventil 4 verbunden.
Des Weiteren enthält die Steuerung 2 einen Steueralgorithmus 17, der in Abhängigkeit eingehender Signale entsprechende Signale an die Eingangsseiten der insoweit parallel geschalteten Steuerpfade 10, 11 abgibt. Der Steueralgorithmus 17 erhält seine Eingangssignale von einer hier nicht gezeigten Sensorik, die zur Messung thermoakustischer Schwingungen im Verbrennungssystem 6 ausgebildet ist. Die von dieser Sensorik ermittelten Signale korrelieren dabei mit den thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 6. Die gemessenen Signale können dabei Drucksignale sein, wobei die Sensorik dann Drucksensoren, vorzugsweise Mikrofone, insbesondere wassergekühlte Mikrofone und/oder Mikrofone mit piezoelektrischen Druckaufnehmern, umfasst. Ebenso ist es möglich, dass die von der Sensorik gemessenen Signale durch Chemielumineszenssignale gebildet sind, bevorzugt durch Chemielumineszenssignale von der Emission eines der Radikale OH oder CH. Zweckmäßig kann die Sensorik dann optische Sensoren für sichtbare oder infrarote Strahlung, insbesondere optische Fasersonden, aufweisen.
Das beispielsweise in der Brennkammer 8 gemessene Druck- oder Lumineszenssignal wird vom Steueralgorithmus 7 entsprechend aufbereitet und den Zeitverzögerungsgliedern 12, 13 parallel zugeführt. In den Zeitverzögerungsgliedern 12, 13 erfolgen dann die für den jeweiligen Steuerpfad 10, 11 vorgesehenen Phasenverschiebungen des eingehenden Signals. Im zweiten Steuerpfad 11 hält das Hochpassfilter 16 unerwünschte, niederfrequente Störungen zurück, so dass nur die erwünschten, hochfrequenten, phasenverschobenen Signale zum zweiten Verstärker 15 gelangen. Mit Hilfe der Verstärker 14, 15 erfolgt dann eine Signalverstärkung. Vorzugsweise sind die von den Zeitverzögerungsgliedern 12, 13 erzielten Phasenverschiebungen verschieden groß gewählt. Insbesondere ist eine Ausführungsform möglich, bei der die Steuerung 2, insbesondere über ihren Steueralgorithmus 17 die Phasenverschiebungen der Zeitverzögerungsglieder 12, 13 unabhängig voneinander einstellen kann. Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass die Steuerung 2, z.B. über den Steueralgorithmus 17, die Verstärker 14, 15 zur Erzeugung unterschiedlicher Signalamplituden unabhängig voneinander ansteuert. In entsprechender Weise kann auch der Hochpassfilter 16 einstellbar ausgestaltet sein.
Mit Hilfe der Verstärker 14, 15 werden an den Steuerpfaden 10, 11 ausgangsseitig Treibersignale erzeugt, die zur Ansteuerung oder Betätigung der akustischen Quelle 3 bzw. des Steuerventils 4 nutzbar sind. Hierdurch kann die gewünschte Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 6 erzielt werden.
Die Steuerung 2, insbesondere deren Steueralgorithmus 17, kann in Abhängigkeit der momentanen Druck- oder Lumineszens-Signale die Zeitverzögerungsglieder 12, 13 und/oder die Verstärker 14, 15 und/oder den Hochpassfilter 16 betätigen. Hierdurch kann der Einfluss des jeweiligen Steuerpfads 10, 11 auf die zu bedämpfende Störfrequenz variiert bzw. nachgeführt werden. Insoweit ergeben sich hier für beide Steuerpfade 10, 11 geschlossene Regelkreise.
Für die Funktionsweise der Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen mittels akustischer Anregung der Gasströmung wird auf die EP 0 918 152 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung eingegliedert wird. In entsprechender Weise wird für die Funktionsweise der Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen mittels modulierter Brennstoffeindüsung auf die EP 0 985 810 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung eingegliedert wird.
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 räumliche und zeitliche Dynamik dieser kohärenten Strukturen beeinflusst die Verbrennung und die Wärmefreisetzung. Durch die akustische Anregung der Gasströmung kann der Ausbildung dieser kohärenten Strukturen entgegengewirkt werden. Wird die Entstehung von Wirbelstrukturen am Brenneraustritt reduziert oder verhindert, so wird dadurch auch die periodische Wärmefreisetzungsschwankung reduziert. Diese periodischen Wärmefreisetzungsschwankungen bilden jedoch die Grundlage für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen, so dass durch die akustische Anregung die Amplitude der thermoakustischen Schwankungen reduziert werden kann.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn zur Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen eine sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt wird. Mit Scherschicht ist hier die Mischungsschicht bezeichnet, die sich zwischen zwei Fluidströmungen unterschiedlicher Geschwindigkeiten bildet. Die Beeinflussung der Scherschicht hat den Vorteil, dass eingebrachte Anregungen in der Scherschicht verstärkt werden. Somit wird zur Auslöschung eines vorhandenen Schallfelds nur wenig Anregungsenergie benötigt. Im Unterschied dazu wird bei einem reinen Antischall-Prinzip ein vorhandenes Schallfeld durch ein phasenverschobenes Schallfeld gleicher Energie ausgelöscht.
Die Scherschicht kann sowohl stromab als auch stromauf des Brenners angeregt werden. Stromab des Brenners kann die Scherschicht direkt angeregt werden. Bei einer Anregung stromauf des Brenners wird die akustische Anregung zunächst in ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, eingebracht, wobei sich die Anregung dann nach Durchgang des Arbeitsgases durch den Brenner in die Scherschicht überträgt. Da nur geringe Anregungsleistungen notwendig sind, kann die akustische Quelle 3 durch einen akustischen Treiber, wie etwa ein oder mehrere Lautsprecher, gebildet sein, der auf die Gasströmung ausgerichtet ist. Alternativ können eine oder mehrere Kammerwände mechanisch zu Schwingungen bei der jeweils gewünschten Frequenz angeregt werden.
Bevorzugt wird die momentane akustische Anregung der Gasströmung bzw. deren Scherschicht mit einem in dem Verbrennungssystem gemessenen Signal phasengekoppelt, das mit den thermoakustischen Fluktuationen korreliert ist. Dieses Signal kann stromab des Brenners in der Brennkammer oder in einer stromauf des Brenners angeordneten Beruhigungskammer gemessen werden. Die momentane akustische Anregung wird dann in Abhängigkeit dieses Messsignals gesteuert.
Durch die Wahl einer geeigneten, je nach Art des gemessenen Signals verschiedenen Phasendifferenz zwischen Messsignal und momentanem akustischen Anregungssignal wirkt die akustische Anregung der Ausbildung kohärenter Strukturen entgegen, so dass die Amplitude der Druckpulsation verringert wird. Die genannte Phasendifferenz wird durch das Zeitverzögerungsglied 12 eingestellt und berücksichtigt, dass in der Regel durch die Anordnung der Messsensoren und akustischen Treiber oder Quellen 3 sowie durch die Messgeräte und Leitungen selbst Phasenverschiebungen auftreten. Wird die eingestellte relative Phase so gewählt, dass sich eine möglichst große Reduzierung der Druckamplitude ergibt, werden alle diese phasendrehenden Effekte implizit berücksichtigt. Da sich die günstigste relative Phase mit der Zeit ändern kann, bleibt die relative Phase vorteilhaft variabel und kann etwa über eine Kontrolle der Druckschwankungen so nachgeführt werden, dass stets eine große Unterdrückung gewährleistet ist.
Mit Hilfe der modulierten Brennstoffeindüsung lässt sich ebenfalls die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen beeinflussen. Unter einer modulierten Brennstoffeindüsung wird hierbei jede zeitlich variierende Eindüsung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff verstanden. Diese Modulation kann beispielsweise mit einer beliebigen Frequenz erfolgen. Die Eindüsung kann phasenunabhängig von den Druckschwingungen im Verbrennungssystem erfolgen; bevorzugt wird jedoch die hier gezeigte Ausführungsform, bei der die Eindüsung mit einem im Verbrennungssystem 6 gemessenen Signal phasengekoppelt ist, das mit den thermoakustischen Schwingungen korreliert ist. Die Modulation der Brennstoffeindüsung erfolgt durch ein entsprechendes Öffnen und Schließen des oder der Steuerventile 4, wodurch die Eindüszeiten (Start und Ende der Eindüsung) und/oder die Eindüsmenge variiert werden. Durch die modulierte Brennstoffzufuhr kann die in großräumigen Wirbeln umgesetzte Brennstoffmenge kontrolliert werden. Hierdurch kann die Ausbildung der kohärenten Wärmefreisetzung und somit die Entstehung thermoakustischer Instabilitäten beeinflusst werden.
Bei der hier gewählten Anordnung erfolgt die akustische Anregung der Gasströmung stromauf der modulierten Eindüsung des Brennstoffs. Diese Anordnung kann von besonderem Vorteil sein und das Zusammenwirken der beiden unterschiedlichen Beeinflussungs-Methoden verstärken.
Die modulierte Eindüsung des Brennstoffs erfolgt vorzugsweise in die bereits oben erwähnte Scherschicht innerhalb des Brenners 7. Dabei kann es ausreichend sein, nur einen relativ kleinen Anteil der eingedüsten Brennstoffmenge zu modulieren. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, weniger als 20 % der insgesamt eingedüsten Brennstoffmenge moduliert einzudüsen.
Über den Steueralgorithmus 17 kann es insbesondere möglich sein, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu beeinflussende Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen zu variieren. Beispielsweise kann die Hauptstörfrequenz vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungssystems 6 abhängen.
Bezugszeichenliste
1
Vorrichtung
2
Steuerung
3
akustische Quelle
4
Steuerventil
5
Brennstoffversorgungseinrichtung
6
Verbrennungssystem
7
Brenner
8
Brennkammer
9
Gasversorgungseinrichtung
10
erster Steuerpfad
11
zweiter Steuerpfad
12
erstes Zeitverzögerungsglied
13
zweites Zeitverzögerungsglied
14
erster Verstärker
15
zweiter Verstärker
16
Hochpassfilter
17
Steueralgorithmus

Claims (10)

  1. Verfahren zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (6) mit wenigstens einem Brenner (7) und wenigstens einer Brennkammer (8),
    wobei eine sich im Bereich des Brenners (7) ausbildende Gasströmung akustisch angeregt wird,
    wobei eine Eindüsung von Brennstoff moduliert erfolgt,
    wobei die akustische Anregung der Gasströmung und die modulierte Eindüsung des Brennstoffs zur Beeinflussung derselben Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen abgestimmt sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die momentane akustische Anregung der Gasströmung und die momentane modulierte Eindüsung des Brennstoffs mit demselben im Verbrennungssystem gemessenen, mit den thermoakustischen Schwingungen korrelierenden Signal phasengekoppelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das gemessene Signal einer ersten Phasenverschiebung unterzogen und zur Erzeugung eines ersten Treibersignals verwendet wird, das wenigstens eine akustische Quelle (3) zur Erzeugung der momentanen akustischen Anregung der Gasströmung ansteuert,
    dass das gemessene Signal einer zweiten Phasenverschiebung unterzogen und zur Erzeugung eines zweiten Treibersignals verwendet wird, das wenigstens ein Steuerventil (4) zur Erzeugung der momentanen modulierten Eindüsung des Brennstoffs ansteuert.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phasenverschiebung einen anderen Wert besitzt als die zweite Phasenverschiebung.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Anregung der Gasströmung stromauf der modulierten Eindüsung des Brennstoffs erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in eine sich in der Gasströmung ausbildende Scherschicht erfolgt.
  7. Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (6) mit wenigstens einem Brenner (7) und wenigstens einer Brennkammer (8),
    wobei im Bereich des Brenners (7) wenigstens eine akustische Quelle (3) zur Erzeugung einer akustischen Anregung einer sich im Bereich des Brenners (7) ausbildenden Gasströmung angeordnet ist,
    wobei der Brenner (7) wenigstens eine Brennstoffversorgungseinrichtung (5) mit wenigstens einem Steuerventil (4) zur Erzeugung einer modulierten Eindüsung des Brennstoffs aufweist,
    wobei eine Steuerung (2) vorgesehen ist, welche die wenigstens eine akustische Quelle (3) und das wenigstens eine Steuerventil (4) zur Beeinflussung derselben Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen ansteuert.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerung (2) für die akustische Anregung der Gasströmung einen ersten Steuerpfad (10) und für die modulierte Eindüsung des Brennstoffs einen zweiten Steuerpfad (11) aufweist,
    dass den beiden Steuerpfaden (10, 11) eingangsseitig parallel dasselbe, mit den thermoakustischen Schwingungen korrelierende Signal zugeführt wird,
    dass die beiden Steuerpfade (10, 11) jeweils ein Zeitverzögerungsglied (12, 13) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung enthalten,
    dass der erste Steuerpfad (10) ausgangsseitig ein erstes Treibersignal an die akustische Quelle (3) leitet,
    dass der zweite Steuerpfad (11) ausgangsseitig ein zweites Treibersignal an das Steuerventil (4) leitet.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitverzögerungsglied (12) eine andere Phasenverschiebung erzeugt als das zweite Zeitverzögerungsglied (13)
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine akustische Quelle (3) stromauf der Stelle angeordnet ist, an der die modulierte Eindüsung des Brennstoffs erfolgt.
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