EP1429003B1 - 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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EP1429003B1
EP1429003B1 EP03104405A EP03104405A EP1429003B1 EP 1429003 B1 EP1429003 B1 EP 1429003B1 EP 03104405 A EP03104405 A EP 03104405A EP 03104405 A EP03104405 A EP 03104405A EP 1429003 B1 EP1429003 B1 EP 1429003B1
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EP
European Patent Office
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fuel
gas flow
burner
acoustic
control
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP03104405A
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English (en)
French (fr)
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EP1429003A2 (de
EP1429003A3 (de
Inventor
Ephraim Gutmark
Christian Oliver Paschereit
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Publication of EP1429003A3 publication Critical patent/EP1429003A3/de
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    • 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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 oscillations in a combustion system with at least one burner and at least one combustion chamber having the features of the preamble of claim 1 or with the features of the preamble of claim 5.
  • thermoacoustic oscillations refers to mutually accelerating 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, increased NO x emissions through inhomogeneous combustion and even extinguishment of the flame. This is especially true for low acoustic attenuation combustion systems.
  • active control of combustion oscillations may be necessary.
  • thermoacoustic oscillations by modulating an injection of liquid or gaseous fuel.
  • thermoacoustic oscillations by introducing pressure pulsations into the combustion chamber with a loudspeaker.
  • thermoacoustic oscillations The known devices and methods are each tuned to influence a specific interference frequency of the thermoacoustic oscillations. There is a further need to further reduce the interference of the thermoacoustic vibration systems.
  • the present invention addresses the problem of finding a way to improve the effect of thermoacoustic oscillations in a combustion system.
  • the invention is based on the general idea of combining the basically known acoustic excitation of the gas flow with the basically known modulated injection of the fuel to influence the same interference frequency of the thermoacoustic oscillations.
  • the combination proposed according to the invention exhibits a surprisingly high suppression effect or damping effect for the respective interference frequency, taken singly by the damping effect of the known acoustic gas flow excitation and by the attenuation effect of the known modulated fuel injection and by the combination these two influencing methods expected attenuation effect goes beyond.
  • the unexpectedly strong improvement in the damping effect is attributed to surprisingly occurring, not yet explained synergy effects.
  • the instantaneous acoustic gas flow excitation and the instantaneous modulated fuel injection are phase locked to the same signal correlated with the thermoacoustic vibrations measured in the combustion system. This ensures that the two influencing methods do not work independently of each other, but interact in a phase-locked manner.
  • the phases relate to the amplitude curve of the interference frequency preferably to be influenced within the thermoacoustic oscillations.
  • Said measured signal is subjected to a first phase shift for the realization of the acoustic gas flow excitation, while it is subjected to a second phase shift for the realization of the modulated fuel injection excitation. It may be expedient to give the first phase shift a different value than the second phase shift. By separately adjusting the phase shifts, it is possible to optimize the synergetic interactions of the two combined influencing methods for improving the damping effect.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified schematic diagram of a device according to the invention.
  • a device 1 comprises a controller 2, which is symbolized here only by a frame shown with broken lines.
  • the device 1 also has at least one acoustic source 3 and at least one control valve 4 of a fuel supply device 5.
  • the fuel supply device 5 is coupled to a combustion system 6, which usually has at least one burner 7 and at least one combustion chamber 8. To simplify burner 7 and combustion chamber 8 are symbolized by a common rectangle here.
  • the combustion system 6 is also associated with a gas supply device 9. While with the control valve 4, the amount of liquid or gaseous fuel supplied to the combustion system 6 can be controlled, with the acoustic source 3, a gas flow forming in the combustion system 6 can be influenced. In this case, the acoustic source 3 - as here - act indirectly via the gas supply device 9 or directly to the combustion system 6.
  • the device 1 is assigned to the combustion system 6 and serves to influence thermoacoustic oscillations, which can occur in the combustion system 6.
  • the controller 2 includes a first control path 10 and a second control path 11, the input side, a first time delay element 12 and a second time delay element 13 contain.
  • the control paths 10, 11 contain a first amplifier 14 and a second amplifier 15 on the output side.
  • the second control path 11 between the second time delay element 13 and the second amplifier 15 contains a high-pass filter 16. While the first control path 10 is connected to the acoustic source 3 on the output side is, the second control path 11 on the output side connected to the control valve 4.
  • the controller 2 contains a control algorithm 17, which emits corresponding signals to the input sides of the control paths 10, 11 connected in parallel in response to incoming signals.
  • the control algorithm 17 receives its input signals from a sensor, not shown here, which is designed to measure thermoacoustic oscillations in the combustion system 6.
  • the signals determined by this sensor system correlate with the thermoacoustic oscillations in the combustion system 6.
  • the measured signals can be pressure signals, the sensors then comprising pressure sensors, preferably microphones, in particular water-cooled microphones and / or microphones with piezoelectric pressure sensors. It is likewise possible for the signals measured by the sensor system to be formed by chemiluminescence signals, preferably by chemiluminescence signals from the emission of one of the radicals OH or CH.
  • the sensors can then expediently have optical sensors for visible or infrared radiation, in particular optical fiber probes.
  • the measured for example in the combustion chamber 8 pressure or 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 provided for the respective control path 10, 11 phase shifts of the incoming signal.
  • the high-pass filter 16 retains unwanted, low-frequency interference, so that only the desired, high-frequency phase-shifted signals reach the second amplifier 15. With the aid of the amplifier 14, 15 then takes place a signal amplification.
  • the phase shifts achieved by the time delay elements 12, 13 are chosen to be different.
  • the controller 2 in particular via its control algorithm 17 the Phase shifts of the time delay elements 12, 13 can set independently.
  • the controller 2 for example via the control algorithm 17, controls the amplifiers 14, 15 independently of each other for generating different signal amplitudes.
  • the high-pass filter 16 can be designed to be adjustable.
  • thermoacoustic oscillations in the combustion system 6 can be achieved.
  • the controller 2 in particular its control algorithm 17, can actuate the time delay elements 12, 13 and / or the amplifiers 14, 15 and / or the high-pass filter 16 as a function of the instantaneous pressure or luminescence signals.
  • the influence of the respective control path 10, 11 can be varied or tracked to the interference frequency to be damped. In that regard, arise here for both control paths 10, 11 closed control loops.
  • EP 0 918 152 A1 For the mode of operation of influencing the thermoacoustic oscillations by means of acoustic excitation of the gas flow, reference is made to EP 0 918 152 A1, the content of which is hereby incorporated by express reference in the disclosure content of the present invention. In a corresponding manner, reference is made to EP 0 985 810 A1 for the mode of operation of influencing the thermoacoustic oscillations by means of modulated fuel injection, the content of which is hereby expressly indicated Reference is incorporated in the disclosure of the present invention.
  • the fluid mechanical stability of a gas turbine burner is of crucial importance for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
  • the fluid-mechanical instability waves arising in the burner lead to the formation of vortices.
  • These vortices also known as coherent structures, play an important role in air-fuel mixing.
  • the spatial and temporal dynamics of these coherent structures influence combustion and heat release.
  • the formation of these coherent structures can be counteracted. If the formation of vortex structures at the burner outlet is reduced or prevented, this also reduces the periodic heat release fluctuation.
  • these periodic heat release fluctuations form the basis for the occurrence of thermoacoustic oscillations, so that the amplitude of the thermoacoustic fluctuations can be reduced by the acoustic excitation.
  • shear layer here refers to the mixture layer that forms between two fluid flows of different speeds.
  • the influence of the shear layer has the advantage that introduced excitations are amplified in the shear layer. Thus, only a small amount of excitation energy is needed to extinguish an existing sound field. In contrast, in a pure anti-sound principle, an existing sound field is canceled out by a phase-shifted sound field of the same energy.
  • the shear layer can be excited both downstream and upstream of the burner. Downstream of the burner, the shear layer can be excited directly. In an excitation upstream of the burner, the acoustic excitation is first introduced into a working gas, such as air, wherein the excitation then transmits after passage of the working gas through the burner in the shear layer. Since only low excitation powers are required, the acoustic source 3 may be formed by an acoustic driver, such as one or more loudspeakers, which is aligned with the gas flow. Alternatively, one or more chamber walls may be mechanically excited to vibrate at the particular desired frequency.
  • acoustic driver such as one or more loudspeakers
  • the instantaneous acoustic excitation of the gas flow or its shear layer is phase-coupled with a signal measured in the combustion system, which is correlated with the thermoacoustic fluctuations.
  • This signal can be measured downstream of the burner in the combustion chamber or in a settling chamber located upstream of the burner.
  • the instantaneous acoustic excitation is then controlled as a function of this measurement signal.
  • the acoustic excitation counteracts the formation of coherent structures, so that the amplitude of the pressure pulsation is reduced.
  • the said phase difference is set by the time delay element 12 and takes into account that phase shifts usually occur due to the arrangement of the measuring sensors and acoustic drivers or sources 3 as well as by the measuring devices and lines themselves. If the set relative phase is chosen such that the greatest possible reduction in the pressure amplitude results, all these phase-rotating Effects implicitly taken into account. Since the most favorable relative phase can change over time, the relative phase advantageously remains variable and can be tracked, for example, via a control of the pressure fluctuations so that a large suppression is always ensured.
  • the modulated fuel injection can also influence the formation of thermoacoustic vibrations.
  • a modulated fuel injection means any time-varying injection of liquid or gaseous fuel. This modulation can be done, for example, at any frequency.
  • the injection can be carried out phase-independently of the pressure oscillations in the combustion system; however, the embodiment shown here is preferred, in which the injection is phase-locked with a signal measured in the combustion system 6, which is correlated with the thermoacoustic oscillations.
  • the modulation of the fuel injection takes place by a corresponding opening and closing of the control valve or valves 4, whereby the injection times (start and end of the injection) and / or the injection quantity are varied. Due to the modulated fuel supply, the amount of fuel reacted in large-scale vortices can be controlled. As a result, the formation of the coherent heat release and thus the formation of thermoacoustic instabilities can be influenced.
  • the acoustic excitation of the gas flow takes place upstream of the modulated injection of the fuel.
  • the modulated injection of the fuel preferably takes place in the already mentioned above shear layer within the burner 7. It can be sufficient to modulate only a relatively small proportion of the injected fuel quantity. In particular, it may be appropriate to inject less than 20% of the total injected fuel quantity modulated.
  • the control algorithm 17 it may be possible in particular to vary the interference frequency of the thermoacoustic oscillations to be influenced with the aid of the device 1 according to the invention.
  • the main noise frequency may depend on the respective operating state of the combustion system 6.

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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 5.
    • 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, einer erhöhten NOx-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme 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 besonders 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, thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen, dass die sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt wird.
  • Aus der EP 0 985 810 A1 ist es bekannt, thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen, dass eine Eindüsung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff moduliert erfolgt.
  • Aus der US 5,719,791 ist es bekannt, thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen, dass mit einem Lautsprecher Druckpulsationen in die Brennkammer eingebracht werden. Alternativ wird vorgeschlagen, das der Brennkammer zugeführte Oxidatorgas durch Ansteuern eines Ventils zu modulieren. Für eine weitere Alternative wird vorgeschlagen, mit Hilfe entsprechenden Düsen den der Brennkammer zugeführten Brennstoffstrom und/oder Oxidatorstrom zu modulieren.
  • 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.
  • Bei der Erfindung werden die momentane akustische Gasströmungsanregung und die momentane modulierte Brennstoffeindüsung mit demselben, im Verbrennungssystem gemessenen, mit den thermoakustischen Schwingungen korrelierenden Signal phasengekoppelt. 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 (7)

  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 und wobei eine Eindüsung von Brennstoff moduliert erfolgt, wobei
    - die akustische Anregung der Gasströmung und die modulierte Eindüsung des Brennstoffs kombiniert erfolgen und zur Beeinflussung derselben Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen abgestimmt sind,
    - 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,
    - 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,
    - 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei
    die erste Phasenverschiebung einen anderen Wert besitzt als die zweite Phasenverschiebung.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei
    die akustische Anregung der Gasströmung stromauf der modulierten Eindüsung des Brennstoffs erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei
    die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in eine sich in der Gasströmung ausbildende Scherschicht erfolgt.
  5. 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 und 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) kombiniert zur Beeinflussung derselben Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen ansteuert,
    - 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,
    - den beiden Steuerpfaden (10, 11) eingangsseitig parallel dasselbe, mit den thermoakustischen Schwingungen korrelierende Signal zugeführt wird,
    - die beiden Steuerpfade (10, 11) jeweils ein Zeitverzögerungsglied (12, 13) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung enthalten,
    - der erste Steuerpfad (10) ausgangsseitig ein erstes Treibersignal an die akustische Quelle (3) leitet,
    - der zweite Steuerpfad (11) ausgangsseitig ein zweites Treibersignal an das Steuerventil (4) leitet.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    wobei
    das erste Zeitverzögerungsglied (12) eine andere Phasenverschiebung erzeugt als das zweite Zeitverzögerungsglied (13)
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 7,
    wobei
    die wenigstens eine akustische Quelle (3) stromauf der Stelle angeordnet ist, an der die modulierte Eindüsung des Brennstoffs erfolgt.
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