EP2383515A1

EP2383515A1 - Brennersystem und Verfahren zur Dämpfung eines solchen Brennersystems

Info

Publication number: EP2383515A1
Application number: EP10161306A
Authority: EP
Inventors: Sven Bethke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: WO2011134706A1; RU2012103903A; US20120291438A1; JP5409959B2; RU2541478C2; CN102472495A; US8631654B2; EP2383515B1; JP2013525737A; CN102472495B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem mit zumindest zwei benachbarten Brennern (7), von denen jeder zumindest eine Brennkammer (6) und ein Kopfende (51) aufweist, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung (55) sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung (56) umfasst, wobei jeder Brenner (7) einen Hut (110) mit einer Hutseite (150) und einer Hutoberseite (170) aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite (170) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende (51) angeordnet ist, so dass zwischen der Hutoberseite (170) und dem Kopfende (51) ein Brenner-Plenum (100) ausgebildet wird, wobei die zumindest zwei Brenner-Plenen (100) eine akustische Verbindung aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung einen solchen Brennersystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem mit zumindest zwei benachbarten Brennern, von denen jeder zumindest eine Brennkammer und ein Kopfende aufweist, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung umfasst, wobei jeder Brenner einen Hut mit einer Hutseite und einer Hutoberseite aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei zwischen der Hutoberseite und dem Kopfende dadurch ein Brenner-Plenum ausgebildet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen eines solchen Brennersystems.
In Verbrennungssystemen wie Gasturbinen, Flugtriebwerken, Raketenmotoren und Heizungsanlagen kann es zu thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen kommen. Diese entstehen durch eine Wechselwirkung der Verbrennungsflamme und der damit verbundenen Wärmefreisetzung mit akustischen Druckschwankungen. Durch eine akustische Anregung kann die Lage der Flamme, die Flammenfrontfläche oder die Gemischzusammensetzung schwanken, was wiederum zu Schwankungen der Wärmefreisetzung führt. Bei konstruktiver Phasenlage kann es zu einer positiven Rückkopplung und Verstärkung kommen. Eine so verstärkte Verbrennungsschwingung kann zu erheblichen Lärmbelastungen und Schädigungen durch Vibrationen führen.
Wesentlich beeinflusst werden diese thermoakustisch hervorgerufenen Instabilitäten durch die akustischen Eigenschaften des Brennraumes und die am Brennraumeintritt und Brennraumaustritt sowie an den Brennkammerwänden vorliegenden Randbedingungen. Die akustischen Eigenschaften können durch den Einbau von Helmholtz-Resonatoren verändert werden.
Die WO 93/10401 A1 zeigt eine Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage. Ein Helmholtz-Resonator ist mit einer Brennstoffzuführleitung strömungstechnisch verbunden. Die akustischen Eigenschaften der Zuführleitung bzw. des akustischen Gesamtsystems werden hierdurch so verändert, dass Verbrennungsschwingungen unterdrückt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Maßnahme nicht in allen Betriebszuständen ausreicht, da es auch bei einer Unterdrückung von Schwingungen in der Brennstoffleitung zu Verbrennungsschwingungen kommen kann.
Die WO 03/074936A1 zeigt eine Gasturbine, mit einem Brenner, der in eine Brennkammer mündet, wobei diese Mündung ringförmig von einem Helmholtz-Resonator umgeben ist. Hierdurch werden Verbrennungsschwingungen durch engen Kontakt zur Flamme effektiv gedämpft, wobei gleichzeitig Temperaturungleichmäßigkeiten vermieden werden. In dem Helmholtz-Resonator sind Röhrchen angebracht, welche eine Frequenzanpassung bewirken.
In der EP 0 597 138 A1 ist eine Gasturbinen-Brennkammer beschrieben, die im Bereich der Brenner luftgespülte Helmholtz-Resonatoren aufweist. Die Resonatoren sind alternierend an der Stirnseite der Brennkammer zwischen den Brennern angeordnet. Durch diese Resonatoren wird Schwingungsenergie von in der Brennkammer auftretenden Verbrennungsschwingungen absorbiert und die Verbrennungsschwingungen werden hierdurch gedämpft.
Jeder dieser Resonatoren weist funktionsbedingt eine verbindende Öffnung mit der Brennkammer auf, die durch eine bestimmte Luftmenge gesperrt werden muss. Diese Luftmenge steht, bei Anbringung der Resonatoren an der Brennkammerwand, anschließend nicht mehr für die Verbrennung zur Verfügung, da sie am Brenner vorbeigeführt wird. Damit werden die Flammentemperatur sowie die NOx-Emissionen erhöht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe eines Brennersystems, welche zur Dämpfung von Verbrennungsschwingungen einsetzbar ist und welche die obige Problematik vermeidet. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens, welches zur Dämpfung von Verbrennungsschwingungen einsetzbar ist und welches obige Problematik vermeidet.
Erfindungsgemäß ist ein Brennersystem mit zumindest zwei benachbarten Brennern vorgesehen, von denen jeder zumindest eine Brennkammer und ein Kopfende aufweist, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung umfasst. Dabei weist jeder Brenner einen Hut mit einer Hutseite und einer Hutoberseite auf, wobei zumindest die Hutoberseite in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist. Zwischen der Hutoberseite und dem Kopfende wird dadurch ein Brenner-Plenum ausgebildet.
Es ist bekannt, dass die Leistung von Gasturbinen beim Einsatz von Rohrbrennkammern durch das Auftreten von thermoakustischen Schwingungen in diesen Brennkammern begrenzt wird. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass speziell bei den Rohrbrennkammern die akustische Interaktion zweier benachbarter Brennkammern wichtig ist. Hier stellen sich Moden ein, die sich über die Verbindung vor der Turbine von einer Brennkammer in die andere ausbreiten.
Die akustische Analyse der Verteilungen des akustischen Druckes zeigt, dass sich hierbei eine Modenform einstellt, bei der benachbarte Brennkammern einschließlich der Plenen stromauf der Brennkammern gegenphasig schwingen. Erfindungsgemäß weisen nun die zumindest zwei Brenner-Plenen eine akustische Verbindung auf.
Durch diese eine geeignet ausgeführte akustische Verbindung benachbarter Brennkammern beziehungsweise ihrer Plenen, kann die Möglichkeit zur Ausbildung dieser Modenform unterdrückt und verhindert werden. Somit ist es möglich thermoakustische Schwingungen zu dämpfen oder gar weitestgehend zu verhindern.
Bevorzugt ist die Hutseite zumindest teilweise um das Kopfende herum angeordnet, so dass dabei die Hutseite in einer radialen Richtung vom Kopfende beabstandet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist durch die Hutseite und das Kopfende ein Kanal ausgebildet. Durch diesen Kanal wird Verdichterluft zu dem Plenum geleitet. Diese Verdichterluft kühlt somit die Außenseite der Brennkammer und vermindert so eine Überhitzung der Brennkammer. Idealerweise wird so die Verdichterluft vorgewärmt, so dass eine stabilere Verbrennung stattfinden kann.
Bevorzugt ist die akustische Verbindung ein Brenner-Plenen verbindendes Rohr, insbesondere ein ringfömig ausgebildetes Rohr oder ein Kanal. Diese Verbindung lässt sich besonders einfach konstruktiv umsetzten.
Bevorzugt weist jeder Brenner mit seinem Brenner-Plenum eine akustische Verbindung zu den jeweils benachbarten Brenner bzw. Brenner-Plenen auf. Somit lässt sich optimal die Ausbildung einer Modenform aller vorhanden Brenner unterdrücken.
Vorteilhafterweise umfasst eine Gasturbine ein solches Brennersystem.
Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zur Dämpfung von Schwingungen eines Brennersystems, mit zumindest zwei benachbarten Brennern, von denen jeder zumindest eine Brennkammer und ein Kopfende aufweist, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung umfasst, wobei jeder Brenner einen Hut mit einer Hutseite und einer Hutoberseite aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei zwischen der Hutoberseite und dem Kopfende dadurch ein Brenner-Plenum ausgebildet wird und wobei wodurch eine akustische Verbindung zwischen zwei benachbarten Brenner-Plenen eine gegenphasige Schwingung der benachbarten Brenner und ihrer Brenner-Plenen vermieden wird.
Durch dieses Verfahren werden vereinfacht thermoakustische Schwingungen weitestgehend verhindert bzw. sogar vermieden. Es können somit -im Gegensatz zum Stand der Technik- verschiedene auftretende Frequenzen gedämpft werden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Fig. 1: zeigt schematisch eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
Fig. 2: zeigt eine Rohrbrennkammer mit Hut,
Fig. 3: zeigt schematisch die erfindungsgemäße Verbindung zwischen den Brenner-Plenen.

Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 6, insbesondere Rohr- oder Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 7, eine Turbine 8 und das Abgasgehäuse 9.
Die Brennkammer 6 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 11. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 12 die Turbine 8.
Jede Turbinenstufe 12 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 13 gesehen folgt im Heißgaskanal 11 einer Leitschaufelreihe 15 eine aus Laufschaufeln 20 gebildete Reihe 25.
Während des Betriebes der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 5 durch das Ansauggehäuse 4 Luft 35 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 5 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 7 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 13 in der Brennkammer 6 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 13 entlang des Heißgaskanals 11 vorbei an den Leitschaufeln 30 und den Laufschaufeln 20. An den Laufschaufeln 20 entspannt sich das Arbeitsmedium 13 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 20 den Rotor 3 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Vorzugsweise wird der Brenner 7 in Verbindung mit einer sogenannten Rohrbrennkammer 6 (Fig. 2) verwendet. Hierbei weist die Gasturbine 1 mehrere, ringförmig angeordnete Rohrbrennkammern 6 auf, deren abströmseitigen Öffnungen in den ringförmigen Heißgaskanal 11 turbineneingansseitig münden. Dabei sind vorzugsweise an jeder dieser Rohrbrennkammer mehrere, beispielsweise sechs oder acht, Brenner 7 an dem gegenüberliegenden Ende der abströmseitigen Öffnung der Rohrbrennkammer 6 zumeist ringförmig um einen Pilotbrenner angeordnet.
Figur 2 zeigt abschnittweise einen Rohrbrenner 7 schematisch. Der Brenner 7 umfasst ein Kopfende 51, ein Überleitkanal (Transition) 52, und dazwischen einen Liner 53. Dabei wird als "Kopfende (Head-End) 51" im Wesentlichen der Teilabschnitt der Kraftstoffeinspritzung 55/Kraftstoff-Luft Vormischung 56 des Brenners bezeichnet. Der Liner 53 erstreckt sich vom Kopfende zu dem Transition 52 auf beliebige Weise. Durch Liner 53 und Strömungsmantel 60 wird eine Ringpassage 57 ausgebildet durch die Verbrennungs-/Kühlluft 65 eingeströmt. Der Raum vor der Kraftstoffeinspritzung 55 bzw.
Kraftstoff / Luftvormischung 56 wird als Brenner-Plenum (Plenum) 100 bezeichnet. Der Brenner 7 weist einen Hut 110 mit einer Hutseite 150 und einer Hutoberseite 170 auf. Dabei ist zumindest die Hutoberseite 170 in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende 51 angeordnet, wodurch zwischen der Hutoberseite 170 und dem Kopfende 51 ein Brenner-Plenum 100 ausgebildet wird. Der Hut 110 weist eine brennkammerzugewandte Seite 140 und eine brennkammerabgewandte Seite 120 auf (Fig. 3). Dabei ist der Hut 110 mit der Hutseite 150 quasi außerhalb der Maschine angeordnet.
Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Brennersystem mit zwei benachbarten Brennern 7, von denen jeder eine Rohrbrennkammer 6 und ein Kopfende 51 aufweist. Jeder der Brenner 7 weist einen Hut 110 mit einer Hutseite 150 und einer Hutoberseite 170 auf. Dabei ist zumindest die Hutoberseite 170 in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende 51 angeordnet, wodurch zwischen der Hutoberseite 170 und dem Kopfende 51 ein Brenner-Plenum 100 ausgebildet wird. Zwischen den zwei benachbarten Brenner-Plenen 100 ist eine akustische Verbindung 130 vorhanden. Diese akustische Verbindung ist hier vorteilhafterweise ringförmig und verbindet somit die jeweiligen benachbarten Brenner-Plenen 100 der Brenner 7 gesamten Gasturbine miteinander. Die ringförmige Verbindung kann beispielsweise mittels eines Rohres realisiert werden, dass die einzelnen Plenen 100 miteinander verbindet. Im Bereich der Plenen 100 ist eine solche Verbindung 130 ohne großen konstruktiven Aufwand realisierbar. Die ringförmige Verbindung endet somit an dem Brenner-Plenum 100 an dem sie begonnen hat. Es stelle sich somit keine Moden mehr ein, die sich über die Verbindung vor der Turbine von einer Brennkammer in die andere ausbreiten, so dass die Brennkammern mit ihren Plenen gegenphasig schwingen. Die akustische Verbindung 130 unterdrückt und verhindert die Ausbildung einer solchen Modenform.

Claims

Brennersystem mit zumindest zwei benachbarten Brennern (7), von denen jeder zumindest eine Brennkammer (6) und ein Kopfende (51) aufweist, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung (55) sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung (56) umfasst, wobei jeder Brenner (7) einen Hut (110) mit einer Hutseite (150) und einer Hutoberseite (170) aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite (170) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende (51) angeordnet ist, so dass zwischen der Hutoberseite (170) und dem Kopfende (51) ein Brenner-Plenum (100) ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Brenner-Plenen (100) eine akustische Verbindung (130) aufweisen.
Brennersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hutseite (150) zumindest teilweise um das Kopfende (51) herum angeordnet ist, und dass dabei die Hutseite (150) in einer radialen Richtung (r) vom Kopfende (51) beabstandet ist.
Brennersystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass durch die Hutseite (150) und das Kopfende (51) ein Kanal (125) ausgebildet ist.
Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Verbindung (130) ein Brenner-Plenen (100) verbindendes Rohr ist.
Brennersystem nach Anspruch 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Verbindung (130) ringförmig ist.
Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 1-5
dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Verbindung (130) ein Brenner-Plenen (100) verbindender Kanal ist.
Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brenner (7) mit seinem Brenner-Plenum (100) eine akustische Verbindung (130) zu den jeweils benachbarten Brenner (7) bzw. Brenner-Plenen (100) aufweist.
Gasturbine mit einem Verdichter, einer Turbine sowie einem Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen eines Brennersystems, mit zumindest zwei benachbarten Brennern (7), von denen jeder zumindest eine Brennkammer (6) und ein Kopfende (51) aufweist, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung (55) sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung (56) umfasst, wobei jeder Brenner (7) einen Hut (110) mit einer Hutseite (150) und einer Hutoberseite (170) aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite (170) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende (51) angeordnet ist, wobei zwischen der Hutoberseite (170) und dem Kopfende (51) dadurch ein Brenner-Plenum (100) ausgebildet wird, dadurch gekennz eichnet, dass durch eine akustische Verbindung (130) zwischen zwei benachbarten Brenner-Plenen (100) eine gegenphasige Schwingung der benachbarten Brenner (7) und ihrer Brenner-Plenen (100) vermieden wird.