EP1429004A2 - 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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EP1429004A2
EP1429004A2 EP03104406A EP03104406A EP1429004A2 EP 1429004 A2 EP1429004 A2 EP 1429004A2 EP 03104406 A EP03104406 A EP 03104406A EP 03104406 A EP03104406 A EP 03104406A EP 1429004 A2 EP1429004 A2 EP 1429004A2
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modulated
injection
burner
control signal
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Christian Oliver Paschereit
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    • F23K2900/05003—Non-continuous fluid fuel supply
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for influencing thermoacoustic oscillations in a combustion system with at least a burner and at least one combustion chamber with the features of The preamble of claim 1 or with the features of the preamble of Claim 9.
  • thermoacoustic oscillations refers to mutually accelerating thermal and acoustic disturbances.
  • high oscillation amplitudes can occur, which can lead to undesired effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber and to increased NO x emissions due to inhomogeneous combustion. This is especially true for low acoustic attenuation combustion systems.
  • active control of combustion oscillations may be necessary.
  • thermoacoustic vibrations are to be influenced by a Injection of liquid or gaseous fuel is modulated.
  • thermoacoustic To reduce vibration systems even more.
  • the present invention is concerned with the Problem, a way to improve the influence of thermoacoustic Show vibrations in a combustion system.
  • the invention is based on the general idea, in a Combustion system, in whose combustion chamber there is a recirculation zone trains to inject fuel modulated into this recirculation zone. It has It has been shown that this measure suppresses the thermoacoustic vibrations can be significantly improved.
  • the Fuel injection into the recirculation zone can be found in the Combustion chamber and mutually influencing Spinal systems are intensively influenced. Because in the combustion chamber vortex systems significantly contribute to the emergence of thermoacoustic Vibrations are involved, can be through a targeted, modulated Fuel injection into the recirculation zone an effective influence achieve the thermoacoustic vibrations.
  • Such recirculation zones which according to the invention for the modulated Particularly suitable for injection of fuel may be at special burner-combustor configurations train in the combustion chamber.
  • a recirculation zone then form in the combustion chamber, when the supplied from the burner, swirling flow at the transition into the Combustion chamber suddenly collapses.
  • the collapse of such Swirl flow for example, by a jump-like Cross-sectional enlargement at the transition between burner and combustion chamber can be achieved, which in connection with corresponding pressure conditions quasi causes bursting of the swirl flow.
  • Such recirculation zones are produced specifically in modern combustion systems, as they are in the Combustion chamber the formation of a stationary and stable flame front support. A stable combustion leads to a high efficiency and to low pollutant emissions.
  • thermoacoustic vibrations to instabilities of Lead recirculation zone performs an improved suppression or Damping of the thermoacoustic vibrations to an increased stability of the Recirculation zone.
  • Fuel injection into the recirculation zone can thus stabilize it become.
  • the injection of the Total amount of fuel so done that a first amount of fuel constant injected while a second amount of fuel modulated injected.
  • this procedure ensures that the combustible Mixture in the combustion chamber does not lean too much to extinguish the To avoid flames.
  • this approach uses the Recognizing that the use of a (relatively small) subset of the Injected fuel is sufficient to the modulated injection of the desired effect on the thermoacoustic vibrations to achieve. There Thus, only part of the fuel modulated must be injected, the For this purpose trained fuel supply device correspondingly smaller be dimensioned.
  • the modulated injection of the fuel takes place exclusively in the recirculation zone and / or that the injection of fuel into the recirculation zone is exclusively modulated he follows.
  • the unmodulated injection of a constant Fuel quantity done in a conventional manner.
  • the modulated injection of the fuel into the recirculation zone may occur at the Invention be carried out by means of a lance which projects into the burner. Appropriately, this lance protrudes relatively far into the burner to the Allow fuel injection into the recirculation zone.
  • a combustion system 1 comprises at least one Burner 2 and at least one combustion chamber 3.
  • the burner 2 is here constructed that in him a swirl flow is generated, which by a corresponding arrow 4 is indicated.
  • the burner 2 goes at 5 with a sudden cross-sectional enlargement 6 in the immediately following Combustion chamber 3 via.
  • a central recirculation zone 7 consisting essentially of an annular, quasi stationary vortex roll consists, which is indicated by arrows 8.
  • the cross-sectional widening 6 may be a stationary Forming the swirl roll, which is indicated by arrows 9.
  • One in the Combustion chamber 3 forming flame front 10 is in particular by the Recirculation zone 7 stabilized.
  • a fuel supply system 11 has a lance 12 which protrudes into the burner 2 and is designed so that liquid or gaseous fuel by means of this lance 12 in the recirculation zone. 7 modulated is einspritzbar. The influence thereby generated by the Rezirkulationszone 7 can by an appropriate modulation of the Fuel injection be selected specifically so that a damping or Suppression of thermoacoustic vibrations of the combustion system 1 trains. Because these thermoacoustic vibrations are detrimental to the Stability of the recirculation zone 7 and the flame front 10, leads the proposed, modulated fuel injection into the recirculation zone 7 to a stabilization of the combustion in the combustion chamber. 3
  • the burner 2 here as a premix burner is formed, two fuel lines 13 and 14, which with openings 15th are provided. Through these openings 15 may also be gaseous or liquid fuel 16 of the combustion air 25 are mixed.
  • the Fuel supply to the lance 12 is represented in Fig. 2 by an arrow 17.
  • the position of the openings 15, through which the fuel 16 of the combustion air 25 is mixed, is better removed from Fig. 3.
  • the fuel lines 13, 14 are on part bodies 18 and 19, from which the burner. 2 assembled, appropriate.
  • the openings 15 are then along two Lines lined up with respect to a longitudinal central axis 20 of the burner. 2 diametrically opposed and approximately at one point on the Cut longitudinal central axis 20. As a result, all openings 15 are in a level, the so-called fuel injection level.
  • the fuel is thus partially over the lance 12 and partially injected via the openings 15.
  • the fuel exclusively is injected via the lance 12.
  • Preferred is a variant in which the via the lance 12 injected amount of fuel smaller, especially considerably is smaller than the amount of fuel that is injected via the openings 15.
  • the injected via the lance 12 amount of fuel is about 5% or less, in particular about 2%, of the total injected Amount of fuel.
  • the fuel injection via the openings 15 modulated be performed.
  • the additional modulated Fuel injection through the openings 15 is to EP 0 985 810 A1 whose content is hereby incorporated by express reference into the Revelation content of the present invention is incorporated.
  • the modulated fuel injection be carried out so that the total injected quantity of fuel from a first, constant, that is unmodulated injected fuel quantity and a second, modulated injected Fuel quantity composed. In this way, an emaciation of the combustible mixture in the combustion chamber below the proportion of constant injected fuel quantity can be avoided.
  • the modulated injected amount of fuel smaller, in particular, to choose considerably smaller than the constant injected Amount of fuel.
  • the lance 12 is coaxial with Longitudinal axis 20 of the burner 2 is arranged.
  • the lance 12 protrudes relative far and centrally in the burner 2 inside.
  • the lance 12 is designed so that they the fuel injection in the recirculation zone 7 performs axially, that is the modulated injected Fuel exits the lance 12 at an axial end 21.
  • the modulated injection of the fuel in the Recirculation zone 7 are carried out so that the modulation is independent of a vibration phase of the current thermoacoustic vibrations in the Combustion system 1 is.
  • an inventive Device 22 for influencing the thermoacoustic oscillations in Combustion system 1 have a controller 23, which here only by a frame shown with broken lines is symbolized.
  • the Device 22 also includes at least one fuel valve 24 of the Fuel supply device 11, which includes the lance 12.
  • These Fuel supply device 11 is connected to the combustion system. 1 coupled, which includes the burner 2 and the combustion chamber 3. to Simplification are in Fig. 4 burner 2 and combustion chamber 3 by a symbolizes common rectangle.
  • the controller 23 is an open control loop, So as a control circuit, formed and includes a control signal generator 26th and an amplifier 27.
  • the control signal generator 26 generates independently from the thermoacoustic vibrations of the combustion system 1 Control signal which is amplified in the amplifier 27 and for actuating the Fuel valve 24 is used.
  • the control signal generator 26 is, for example, on designed the nominal operating point of the combustion system, so that the of he experienced control signals generated sufficient suppression cause the thermo-acoustic vibrations. It is also possible that the Control signal generator 26, the control signals depending on current Operating parameters of the combustion system 1, in particular under access to Maps, generated.
  • the device 22 in an alternative Embodiment have another controller 28, which as a closed Control loop, that is designed as a control loop.
  • the controller 28 is actuated again, the at least one fuel valve 24 of the Fuel supply device 11 for supplying the combustion system 1, in particular its burner 2 and its combustion chamber 3, with fuel.
  • the controller 28 also includes a control signal generator 29 which On the input side receives a vibration signal and in dependence thereon On the output side generates the control signal for actuating the fuel valve 24.
  • the incoming vibration signal correlates with the current one thermoacoustic vibrations in the combustion system 1 and is of a Detected sensors not shown here.
  • the determined by the sensor Vibration signals can be pressure signals, the sensors then Pressure sensors, preferably microphones, in particular water-cooled Includes microphones and / or microphones with piezoelectric pressure transducers. It is also possible that the signals detected by the sensor through Chemielumineszensignale are formed, preferably by Chemieluminescence signals from the emission of one of the radicals OH or CH.
  • the sensor can optical sensors for visible or infrared Radiation, in particular optical fiber probes have.
  • the control signal generator 29 includes, for example, a special algorithm and / or maps to suitable from the incoming vibration signals Generate control signals. These control signals are then a filter 30th supplied, in particular as a bandpass filter or as a high-pass filter is formed and unwanted, low-frequency interference holds back. To the filter 30, the control signals in a time delay element 31 phase; then they are amplified in an amplifier 32 and can then be used to drive the fuel valve 24.
  • the influence of Control 28 varies or tracked to the interference frequency to be damped become.
  • the embodiment shown in Fig. 4 is a modulated Fuel injection generated independently of the current thermoacoustic vibrations, in particular independently of the Vibration phase of the current thermoacoustic oscillations, can, at of the embodiment shown in Fig. 5, the modulated fuel injection the current thermoacoustic vibrations, especially on the Vibration phase of the current thermoacoustic vibrations, tuned become.
  • the vibration signal can be downstream of the burner 2 in the Combustion chamber 3 or arranged in an upstream of the burner 2 Calming chamber to be measured.
  • the fluid mechanical stability of a gas turbine combustor 2 is of crucial for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
  • the resulting in the burner 2 fluid mechanical instability waves lead to the formation of vertebrae.
  • These also as coherent structures referred vortex play an important role in mixing operations between air and fuel.
  • the spatial and temporal dynamics of this Coherent structures affect combustion and heat release. Due to the modulated fuel injection, the training of this coherent structures are counteracted. Will the emergence of Reduces or prevents vortex structures at the burner outlet, it is characterized also reduces the periodic heat release variation.
  • periodic heat release fluctuations form the basis for the occurrence of thermoacoustic oscillations, so that by the acoustic Stimulation, the amplitude of the thermoacoustic fluctuations are reduced can.
  • phase difference is determined by the Time delay 31 is set and taken into account that usually by the arrangement of the measuring sensors and fuel valves 24 and by the Measuring devices and cables themselves phase shifts occur.
  • the set relative phase selected so that as large as possible Reducing the pressure amplitude results in all these phase rotating Effects implicitly taken into account. Since the most favorable relative phase with time change, the relative phase advantageously remains variable and can be about a control of the pressure fluctuations are tracked so that always one great suppression is guaranteed.
  • the training can be specifically influence thermoacoustic oscillations.
  • a modulated Fuel injection is here every time varying injection of liquid or gaseous fuel understood. This modulation can for example, with an arbitrary frequency.
  • the injection can phase independent of the pressure oscillations in the combustion system take place (see Fig. 4); However, preference is given to the embodiment according to FIG. 5, in which the injection with the measured in the combustion system 1 Vibration signal is phase-locked, that with the thermoacoustic Vibrations is correlated.
  • the modulation of the fuel injection takes place by a corresponding opening and closing of the fuel valve or valves 24, whereby the injection times (start and end of the injection) and / or the Injection quantity can be varied. Due to the modulated fuel supply in the Rezirkulationszone 7 can in the combustion chamber 3 in large-scale vortices converted fuel quantity to be controlled. This allows the training the coherent structures and thus the formation of thermoacoustic Instabilities are affected.
  • thermoacoustic oscillations it may be possible via the control signal generator 26 or 29 to be influenced by means of the device 22 according to the invention Disturbing frequency of the thermoacoustic oscillations to vary.
  • the main noise frequency can be determined by the respective operating state of the Depend on combustion system 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (1), mit wenigstens einem Brenner (2) und wenigstens einer Brennkammer (3), wobei eine modulierte Eindüsung von Brennstoff durchgeführt wird. Um die Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen zu verbessern, erfolgt die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in eine sich in der Brennkammer (3) ausbildende Rezirkulationszone (7). <IMAGE>

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 9.
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 zu 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 gattungsgemäßen 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.
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, bei einem Verbrennungssystem, in dessen Brennkammer sich eine Rezirkulationszone ausbildet, Brennstoff in diese Rezirkulationszone moduliert einzudüsen. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Maßnahme die Unterdrückung der thermoakustischen Schwingungen deutlich verbessert werden kann. Durch die Brennstoffeindüsung in die Rezirkulationszone können die sich in der Brennkammer ausbildenden und sich gegenseitig beeinflussenden Wirbelsysteme intensiv beeinflusst werden. Da die in der Brennkammer vorliegenden Wirbelsysteme wesentlich am Entstehen thermoakustischer Schwingungen beteiligt sind, lässt sich durch eine gezielte, modulierte Brennstoffeindüsung in die Rezirkulationszone eine wirkungsvolle Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen erzielen.
Derartige Rezirkulationszonen, die sich erfindungsgemäß für die modulierte Eindüsung von Brennstoff besonders eignen, können sich bei speziellen Brenner-Brennkammer-Konfigurationen in der Brennkammer ausbilden. Beispielsweise kann sich eine solche Rezirkulationszone in der Brennkammer dann ausbilden, wenn die vom Brenner zugeführte, drallbehaftete Strömung beim Übergang in die Brennkammer plötzlich zusammenbricht. Der Zusammenbruch einer solchen Drallströmung kann beispielsweise durch eine sprungartige Querschnittserweiterung beim Übergang zwischen Brenner und Brennkammer erreicht werden, die in Verbindung mit entsprechenden Druckverhältnissen quasi ein Aufplatzen der Drallströmung bewirkt. Derartige Rezirkulationszonen werden bei modernen Verbrennungssystemen gezielt erzeugt, da sie in der Brennkammer die Ausbildung einer stationären und stabilen Flammenfront unterstützen. Eine stabile Verbrennung führt zu einem hohen Wirkungsgrad und zu niedrigen Schadstoffemissionen. Es ist daher von besonderem Interesse, in der Brennkammer eine stabile Rezirkulationszone zu erzeugen. Da sich ausbildende thermoakustische Schwingungen zu Instabilitäten der Rezirkulationszone führen können, führt eine verbesserte Unterdrückung oder Dämpfung der thermoakustischen Schwingungen zu einer erhöhten Stabilität der Rezirkulationszone. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene modulierte Brennstoffeindüsung in die Rezirkulationszone kann diese somit stabilisiert werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Eindüsung der Gesamtbrennstoffmenge so erfolgen, dass eine erste Brennstoffmenge konstant eingedüst, während eine zweite Brennstoffmenge moduliert eingedüst wird. Durch diese Vorgehensweise wird einerseits gewährleistet, dass das brennbare Gemisch in der Brennkammer nicht zu stark abmagert, um ein Erlöschen der Flammen zu vermeiden. Andererseits nutzt diese Vorgehensweise die Erkenntnis, dass die Verwendung einer (relativ kleinen) Teilmenge des eingedüsten Brennstoffs ausreicht, um durch die modulierte Eindüsung den gewünschten Einfluss auf die thermoakustischen Schwingungen zu erzielen. Da somit nur ein Teil des Brennstoffs moduliert eingedüst werden muss, kann die dazu ausgebildete Brennstoffversorgungseinrichtung entsprechend kleiner dimensioniert werden.
Bei einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die modulierte Eindüsung des Brennstoffs ausschließlich in die Rezirkulationszone erfolgt und/oder dass die Eindüsung von Brennstoff in die Rezirkulationszone ausschließlich moduliert erfolgt. Insbesondere kann dann die nicht modulierte Eindüsung einer konstanten Brennstoffmenge auf herkömmliche Weise erfolgen.
Die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in die Rezirkulationszone kann bei der Erfindung mittels einer Lanze durchgeführt werden, die in den Brenner hineinragt. Zweckmäßig ragt diese Lanze dabei relativ weit in den Brenner hinein, um die Brennstoffeindüsung in die Rezirkulationszone zu ermöglichen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile bezeichnen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1
eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Verbrennungssystems,
Fig. 2
eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung eines Brenners,
Fig. 3
eine vereinfachte Darstellung des Brenners aus Fig. 2, jedoch aus einer anderen Perspektive,
Fig. 4
eine nochmals vereinfachte Darstellung des Verbrennungssystems mit einer Steuerung,
Fig. 5
eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Steuerung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 umfasst ein Verbrennungssystem 1 zumindest einen Brenner 2 sowie wenigstens eine Brennkammer 3. Der Brenner 2 ist hier so aufgebaut, dass in ihm eine Drallströmung erzeugt wird, was durch einen entsprechenden Pfeil 4 angedeutet ist. Der Brenner 2 geht bei 5 mit einer sprungartigen Querschnittserweiterung 6 in die unmittelbar anschließende Brennkammer 3 über. Hierdurch kommt es in der Brennkammer 3 zur Ausbildung einer zentralen Rezirkulationszone 7, die im wesentlichen aus einer ringförmigen, quasi ortsfesten Wirbelwalze besteht, die durch Pfeile 8 angedeutet ist. Auch im Totwasserbereich der Querschnittserweiterung 6 kann sich eine stationäre Wirbelwalze ausbilden, die durch Pfeile 9 angedeutet ist. Eine sich in der Brennkammer 3 ausbildende Flammenfront 10 wird dabei insbesondere durch die Rezirkulationszone 7 stabilisiert.
Erfindungsgemäß besitzt ein Brennstoffversorgungssystem 11 eine Lanze 12, die in den Brenner 2 hineinragt und so ausgestaltet ist, dass flüssiger oder gasförmiger Brennstoff mit Hilfe dieser Lanze 12 in die Rezirkulationszone 7 moduliert eindüsbar ist. Die dadurch erzeugte Beeinflussung der Rezirkulationszone 7 kann durch eine entsprechende Modulation der Brennstoffeindüsung gezielt so gewählt werden, dass sich eine Dämpfung oder Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen des Verbrennungssystems 1 ausbildet. Da diese thermoakustischen Schwingungen nachteilig für die Stabilität der Rezirkulationszone 7 bzw. der Flammenfront 10 sind, führt die vorgeschlagene, modulierte Brennstoffeindüsung in die Rezirkulationszone 7 zu einer Stabilisierung der Verbrennung in der Brennkammer 3.
Entsprechend Fig. 2 weist der Brenner 2, der hier als Vormischbrenner ausgebildet ist, zwei Brennstoffleitungen 13 und 14 auf, die mit Öffnungen 15 versehen sind. Durch diese Öffnungen 15 kann ebenfalls gasförmiger oder flüssiger Brennstoff 16 der Verbrennungsluft 25 zugemischt werden. Die Brennstoffzuführung zur Lanze 12 ist in Fig. 2 durch einen Pfeil 17 repräsentiert.
Die Lage der Öffnungen 15, durch welche der Brennstoff 16 der Verbrennungsluft 25 zugemischt wird, ist aus Fig. 3 besser entnehmbar. Die Brennstoffleitungen 13, 14 sind an Teilkörpern 18 und 19, aus denen der Brenner 2 zusammengesetzt ist, angebracht. Die Öffnungen 15 sind dann entlang zweier Geraden aufgereiht, die sich bezüglich einer Längsmittelachse 20 des Brenners 2 diametral gegenüberliegen und sich näherungsweise in einem Punkt auf der Längsmittelachse 20 schneiden. Hierdurch liegen sämtliche Öffnungen 15 in einer Ebene, der sogenannten Brennstoffinjektionsebene.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird der Brennstoff somit teilweise über die Lanze 12 und teilweise über die Öffnungen 15 eingedüst. Grundsätzlich ist auch eine Ausführungsform möglich, bei welcher der Brennstoff ausschließlich über die Lanze 12 eingedüst wird. Bevorzugt wird eine Variante, bei welcher die über die Lanze 12 eingedüste Brennstoffmenge kleiner, insbesondere erheblich kleiner ist als die Brennstoffmenge, die über die Öffnungen 15 eingedüst wird. Beispielsweise liegt die über die Lanze 12 eingedüste Brennstoffmenge etwa bei 5 % oder weniger, insbesondere bei etwa 2 %, der insgesamt eingedüsten Brennstoffmenge.
Während über die Lanze 12 der Brennstoff in die Rezirkulationszone 7 eindüsbar ist, erfolgt die Brennstoffeindüsung über die Öffnungen 15 eindeutig innerhalb des Brenners 2. Abgesehen von der Lanze 12 gleicht der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Brenner somit dem aus der EP 0 985 810 A1 bekannte Brenner.
Dementsprechend kann zur Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen zusätzlich auch die Brennstoffeindüsung über die Öffnungen 15 moduliert durchgeführt werden. Zur Funktionsweise der zusätzlichen modulierten Brennstoffeindüsung durch die Öffnungen 15 wird auf die EP 0 985 810 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung eingegliedert wird.
Dementsprechend ist es somit möglich, sowohl über die Lanze 12 als auch über die Öffnungen 15 den Brennstoff moduliert einzudüsen. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei welcher die modulierte Brennstoffeindüsung ausschließlich über die Lanze 12 erfolgt.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die modulierte Brennstoffeindüsung so durchgeführt werden, dass sich die insgesamt eingedüste Brennstoffmenge aus einer ersten, konstant, also unmoduliert eingedüsten Brennstoffmenge und einer zweiten, moduliert eingedüsten Brennstoffmenge zusammensetzt. Auf diese Weise kann eine Abmagerung des brennbaren Gemischs in der Brennkammer unter den Anteil der konstant eingedüsten Brennstoffmenge vermieden werden.
Es hat sich gezeigt, dass es zur Bedämpfung der thermoakustischen Schwingungen ausreicht, die moduliert eingedüste Brennstoffmenge kleiner, insbesondere erheblich kleiner zu wählen als die konstant eingedüste Brennstoffmenge. Bevorzugt wird hierbei eine Ausführungsform, bei der die modulierte Brennstoffeindüsung ausschließlich über die Lanze 12 erfolgt, während die konstante, also unmodulierte Brennstoffeindüsung ausschließlich über die Öffnungen 15 durchgeführt wird. Dementsprechend ergibt sich wieder die obengenannte Aufteilung, bei der nur etwa 5 % oder vorzugsweise 2 % der gesamten Brennstoffmenge moduliert über die Lanze 12 in die Rezirkulationszone 7 eingedüst wird.
Wie aus den Fig. 1 bis 3 hervorgeht, ist die Lanze 12 koaxial zur Längsmittelachse 20 des Brenners 2 angeordnet. Die Lanze 12 ragt dabei relativ weit und zentral in den Brenner 2 hinein. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Lanze 12 zumindest über 50 %, insbesondere über etwa 75 % der axialen Länge des Brenners 2.
Zweckmäßig ist die Lanze 12 so ausgebildet, dass sie die Brennstoffeindüsung in die Rezirkulationszone 7 axial durchführt, das heißt der moduliert eingedüste Brennstoff tritt an einer axialen Stirnseite 21 aus der Lanze 12 aus.
Grundsätzlich kann die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in die Rezirkulationszone 7 so ausgeführt werden, dass die Modulation unabhängig von einer Schwingungsphase der aktuellen thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 1 ist. Gemäß Fig. 4 kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung 22 zur Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 1 eine Steuerung 23 aufweisen, die hier lediglich durch einen mit unterbrochenen Linien dargestellten Rahmen symbolisiert ist. Die Vorrichtung 22 umfasst außerdem wenigstens ein Brennstoffventil 24 der Brennstoffversorgungseinrichtung 11, welche die Lanze 12 umfasst. Diese Brennstoffversorgungseinrichtung 11 ist mit dem Verbrennungssystem 1 gekoppelt, das den Brenner 2 und die Brennkammer 3 umfasst. Zur Vereinfachung sind in Fig. 4 Brenner 2 und Brennkammer 3 durch ein gemeinsames Rechteck symbolisiert. Mit dem Brennstoffventil 24 ist durch eine entsprechende Betätigung die dem Verbrennungssystem 1 moduliert zugeführte Menge an flüssigem oder gasförmigen Brennstoff steuerbar. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die Steuerung 23 als offene Kontrollschleife, also als Steuerkreis, ausgebildet und enthält einen Steuersignalgenerator 26 sowie einen Verstärker 27. Der Steuersignalgenerator 26 erzeugt unabhängig von den thermoakustischen Schwingungen des Verbrennungssystems 1 ein Steuersignal, das im Verstärker 27 verstärkt wird und zur Betätigung des Brennstoffventils 24 dient. Der Steuersignalgenerator 26 ist beispielsweise auf den Nennbetriebspunkt des Verbrennungssystems ausgelegt, so dass die von ihm erzeugten Steuersignale erfahrungsgemäß eine hinreichende Unterdrückung der thermoakustischen Schwingungen bewirken. Ebenso ist es möglich, dass der Steuersignalgenerator 26 die Steuersignale in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter des Verbrennungssystems 1, insbesondere unter Zugriff auf Kennfelder, erzeugt.
Entsprechend Fig. 5 kann die Vorrichtung 22 bei einer alternativen Ausführungsform eine andere Steuerung 28 aufweisen, die als geschlossene Kontrollschleife, also als Regelkreis, ausgebildet ist. Die Steuerung 28 betätigt dabei wieder das wenigstens eine Brennstoffventil 24 der Brennstoffversorgungseinrichtung 11 zur Versorgung des Verbrennungssystems 1, insbesondere dessen Brenner 2 und dessen Brennkammer 3, mit Brennstoff. Die Steuerung 28 enthält ebenfalls einen Steuersignalgenerator 29, der eingangsseitig ein Schwingungssignal erhält und in Abhängigkeit davon ausgangsseitig das Steuersignal zur Betätigung des Brennstoffventils 24 erzeugt. Das eingehende Schwingungssignal korreliert mit den aktuellen thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 1 und wird von einer hier nicht gezeigten Sensorik ermittelt. Die von der Sensorik ermittelten Schwingungssignale können 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 ermittelten Signale durch Chemielumineszenssignale gebildet sind, bevorzugt durch Chemielumineszenssignale von der Emission eines der Radikale OH oder CH. Zweckmäßig kann die Sensorik optische Sensoren für sichtbare oder infrarote Strahlung, insbesondere optische Fasersonden, aufweisen.
Der Steuersignalgenerator 29 enthält beispielsweise einen speziellen Algorithmus und/oder Kennfelder, um aus den eingehenden Schwingungssignalen geeignete Steuersignale zu erzeugen. Diese Steuersignale werden dann einem Filter 30 zugeführt, der insbesondere als Bandpassfilter oder als Hochpassfilter ausgebildet ist und unerwünschte, niederfrequente Störungen zurück hält. Nach dem Filter 30 werden die Steuersignale in einem Zeitverzögerungsglied 31 phasenverschoben; anschließend werden sie in einem Verstärker 32 verstärkt und können dann zur Ansteuerung des Brennstoffventils 24 verwendet werden. Zweckmäßig kann die Steuerung 28, insbesondere deren Steuersignalgenerator 29, in Abhängigkeit der momentanen Druck- oder Lumineszens-Signale das Zeitverzögerungsglied 31 zur Veränderung der Phasenverschiebung und/oder den Verstärker 32 zur Veränderung der Signalamplitude und/oder das Filter 30 zur Veränderung des Filterbereichs ansteuern. Hierdurch kann der Einfluss der Steuerung 28 auf die zu bedämpfende Störfrequenz variiert bzw. nachgeführt werden. Während die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform eine modulierte Brennstoffeindüsung erzeugt, die unabhängig von den aktuellen thermoakustischen Schwingungen, insbesondere unabhängig von der Schwingungsphase der aktuellen thermoakustischen Schwingungen, ist, kann bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform die modulierte Brennstoffeindüsung auf die aktuellen thermoakustischen Schwingungen, insbesondere auf die Schwingungsphase der aktuellen thermoakustischen Schwingungen, abgestimmt werden. Bei der Variante gemäß Fig. 5 ist somit die momentane Betätigung des Brennstoffventils 24 mit dem im Brennungssystem 1 gemessenen, mit den thermoakustischen Fluktuationen korrelierenden Schwingungssignal phasengekoppelt. Das Schwingungssignal kann stromab des Brenners 2 in der Brennkammer 3 oder in einer stromauf des Brenners 2 angeordneten Beruhigungskammer gemessen werden.
Die strömungsmechanische Stabilität eines Gasturbinenbrenners 2 ist von entscheidender Bedeutung für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen. Die im Brenner 2 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 modulierte Brennstoffeindüsung 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.
Durch die Wahl einer geeigneten, je nach Art des gemessenen Signals verschiedenen Phasendifferenz zwischen Messsignal und momentaner Modulation der Brennstoffeindüsung wirkt die Brennstoffeindüsung der Ausbildung kohärenter Strukturen entgegen, so dass die Amplitude der Druckpulsation verringert wird. Die genannte Phasendifferenz wird durch das Zeitverzögerungsglied 31 eingestellt und berücksichtigt, dass in der Regel durch die Anordnung der Messsensoren und Brennstoffventile 24 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, die erfindungsgemäß in die Rezirkulationszone 7 der Brennkammer 3 erfolgt, lässt sich die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen gezielt 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 (vgl. Fig. 4); bevorzugt wird jedoch die Ausführungsform gemäß Fig. 5, bei der die Eindüsung mit dem im Verbrennungssystem 1 gemessenen Schwingungssignal phasengekoppelt ist, das mit den thermoakustischen Schwingungen korreliert ist. Die Modulation der Brennstoffeindüsung erfolgt durch ein entsprechendes Öffnen und Schließen des oder der Brennstoffventile 24, wodurch die Eindüszeiten (Start und Ende der Eindüsung) und/oder die Eindüsmenge variiert werden. Durch die modulierte Brennstoffzufuhr in die Rezirkulationszone 7 kann in der Brennkammer 3 die in großräumigen Wirbeln umgesetzte Brennstoffmenge kontrolliert werden. Hierdurch kann die Ausbildung der kohärenten Strukturen und somit die Entstehung thermoakustischer Instabilitäten beeinflusst werden.
Über den Steuersignalgenerator 26 bzw. 29 kann es insbesondere möglich sein, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 zu beeinflussende Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen zu variieren. Beispielsweise kann die Hauptstörfrequenz vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungssystems 1 abhängen.
Bezugszeichenliste
1
Verbrennungssystem
2
Brenner
3
Brennkammer
4
Drallströmung
5
Übergang
6
Querschnittserweiterung
7
Rezirkulationszone
8
Wirbelwalze
9
Wirbelwalze
10
Flammenfront
11
Brennstoffversorgungseinrichtung
12
Lanze
13
Brennstoffleitung
14
Brennstoffleitung
15
Öffnung
16
Brennstoff
17
Brennstoff
18
Teilkörper
19
Teilkörper
20
Längsmittelachse
21
axiale Stirnseite
22
Vorrichtung
23
Steuerung
24
Brennstoffventil
25
Verbrennungsluft
26
Steuersignalgenerator
27
Verstärker
28
Steuerung
29
Steuersignalgenerator
30
Filter
31
Zeitverzögerungsglied
32
Verstärker

Claims (15)

  1. Verfahren zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (1) mit wenigstens einem Brenner (2) und wenigstens einer Brennkammer (3), wobei eine modulierte Eindüsung von Brennstoff durchgeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in eine sich in der Brennkammer (3) ausbildende Rezirkulationszone (7) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung der Gesamtbrennstoffmenge so erfolgt, dass eine erste Brennstoffmenge konstant und zweite Brennstoffmenge moduliert eingedüst werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die moduliert eingedüste Brennstoffmenge kleiner ist als die konstant eingedüste Brennstoffmenge.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die moduliert eingedüste Brennstoffmenge etwa zwischen 6 % und 1 % der Gesamtbrennstoffmenge beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die modulierte Eindüsung des Brennstoff unabhängig von einer Schwingungsphase der thermoakustischen Schwingungen erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet, dass die modulierte Eindüsung des Brennstoffs mit einer Schwingungsphase der thermoakustischen Schwingungen gekoppelt ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die modulierte Eindüsung des Brennstoffs ausschließlich in die Rezirkulationszone (7) erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung von Brennstoff in die Rezirkulationszone (7) ausschließlich moduliert erfolgt.
  9. Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (1) mit wenigstens einem Brenner (2) und wenigstens einer Brennkammer (3), wobei der Brenner (2) wenigstens eine Brennstoffversorgungseinrichtung (11) mit wenigstens einem Brennstoffventil (24) zur Erzeugung einer modulierten Eindüsung des Brennstoffs aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffversorgungseinrichtung (11) wenigstens eine in den Brenner (2) hineinragende Lanze (12) zur modulierten Eindüsung des Brennstoffs in eine, sich in der Brennkammer (3) ausbildende Rezirkulationszone (7) aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (12) koaxial zu einer Längsmittelachse (20) des Brenners (2) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (12) den Brennstoff im wesentlichen axial in die Rezirkulationszone (7) eindüst.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (23) zur Betätigung des die Brennstoffversorgung der Lanze (12) steuernden Brennstoffventils (24) eine offene Kontrollschleife aufweist, die einen Steuersignalgenerator (26) enthält, der unabhängig von den aktuellen thermoakustischen Schwingungen ein Steuersignal zur Betätigung des Brennstoffventils (24) erzeugt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die offene Kontrollschleife einen Signalverstärker (27) enthält, der das vom Signalgenerator (26) erzeugte Steuersignal verstärkt an das Brennstoffventil (24) weiterleitet.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (28) zur Betätigung des die Brennstoffversorgung der Lanze (12) steuernden Brennstoffventils (24) eine geschlossene Kontrollschleife aufweist, die einen Steuersignalgenerator (29) enthält, der in Abhängigkeit eines mit den aktuellen thermoakustischen Schwingungen korrelierenden Schwingungssignals ein Steuersignal zur Betätigung des Brennstoffventils (24) erzeugt.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Kontrollschleife eine Sensorik zum Erzeugen des Schwingungssignals und/oder ein Filter (30) zur Rauschunterdrückung im Steuersignal und/oder ein Zeitverzögerungsglied (31) zur Phasenverschiebung des Steuersignals und/oder einen Signalverstärker (32) zum Verstärken des Steuersignals bevor es zum Brennstoffventil (24) gelangt enthält.
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