DE4339094A1 - Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, welche bei der Verbren­ nung eines einströmenden Brennstoffes in einer Brennkammer, insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine, entstehen, bei welchem Verfahren die Druckschwankungen in der Brennkam­ mer gemessen und die Verbrennung nach Maßgabe der gemessenen Druckschwankungen phasenrichtig so steuernd beeinflußt wird, daß die Druckschwankungen verringert werden.
Ein solches Verfahren ist zum Beispiel aus der Deutschen Of­ fenlegungsschrift DE-A1-40 40 745 bekannt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens.
Stand der Technik
Bei der Verbrennung von Brennstoffen in den Brennkammer von stationären Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken oder dgl. kann es aufgrund der Verbrennungsvorgänge zu Instabilitäten oder Druckschwankungen kommen, die unter geeigneten Verhältnissen (thermoakustische) Schwingungen anregen. Solche thermoakusti­ schen Schwingungen machen sich nach außen hin als Summen, Brummen oder Rumpeln bemerkbar. Sie stellen nicht nur eine unerwünschte Schallquelle dar, sondern führen zu unzulässig hohen mechanischen Belastungen der Brennkammer, zum Anstieg der Schadstoffemissionen durch inhomogene Verbrennung und im Extremfall zum Löschen der Flamme.
Um derartige thermoakustische Schwingungen wirkungsvoll zu bekämpfen, sind in der Vergangenheit bereits verschiedentlich Vorschläge zu deren aktiven Dämpfung gemacht worden (siehe die eingangs genannte Druckschrift oder die DE-A1-34 39 903). Das in der eingangs genannten Druckschrift vorgeschlagene Verfahren beruht auf einer antizyklischen Zuführung von Brennstoff. Das Funktionsprinzip basiert auf dem sogenannten Rayleigh-Kriterium. Nach diesem Kriterium kommt es in einer Brennkammer zur Schallanfachung, wenn der Kreuzkorrelations­ term
mit
(x,t): Wärmefreisetzungsrate
p(x,t): Druck
t, T: Zeit
x: Ort
positive Werte annimmt.
Nach dem erwähnten Stand der Technik werden Stellglieder vor­ geschlagen, um die Schwankungen in der Wärmefreisetzung über die Brennstoffzufuhr so zu steuern, daß der Kreuzkorrelati­ onsterm minimal wird. Für flüssige Brennstoffe sind derartige Stellglieder vorhanden. Für gasförmige Brennstoffe sind je­ doch keine brauchbaren Stellglieder verfügbar. Das Problem ist, daß sich bei Stellgliedern für gasförmige Brennstoffe parasitäre Druckschwankungen in den Gasversorgungsleitungen zu den Brennern ausbilden, die schließlich die Verbrennung unerwünscht beeinflussen.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaf­ fen, mit welchem auf einfache Weise unabhängig von der Brenn­ stoffart (flüssig oder gasförmig) thermoakustische Schwingun­ gen in einer Brennkammer wirkungsvoll gedämpft werden können, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Steuerung der Verbrennung der Ort der mit der Verbrennung verbundenen Wärmefreisetzungs­ schwankung gesteuert wird. Da die Steuerung nicht über den Brennstoffzufluß selbst erfolgt, kann das erfindungsgemäße Verfahren folgerichtig sowohl bei flüssigen als auch bei gas­ förmigen Brennstoffen eingesetzt werden.
Die Erfindungsidee besteht also darin, nicht die Wärmefrei­ setzungsschwankung in ihrer Höhe zu beeinflussen, sondern den Ort der Wärmefreisetzungsschwankung. Durch eine solche Maßnahme kann der Kreuzkorrelationsterm ebenfalls minimiert wer­ den. Grundsätzlich kann der Ort der Wärmefreisetzungsschwan­ kung beispielsweise dadurch verändert werden, daß die Geo­ metrie des Brennraumes oder der Flamme verändert wird. Eine solche geometrische Veränderung wäre jedoch mit aufwendigen mechanischen Einrichtungen verbunden, welche die Konstruktion der Brennkammer unnötig verkomplizierten.
Es wird deshalb gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Steuerung des Ortes der Wärmefreisetzungsschwankung durch eine Steuerung des Zünd­ zeitpunktes bewirkt. Durch eine Veränderung des Zündzeit­ punktes bzw. Zündverzuges ergibt sich wegen der Strömung des Brennstoffes automatisch eine Veränderung des Zündortes und damit eine Veränderung des Ortes der Wärmefreisetzungs­ schwankung.
Besonders einfach und wirkungsvoll kann der Zündzeitpunkt beeinflußt werden, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung die Steuerung des Zündzeit­ punktes durch Eindüsen eines zusätzlichen Mediums in die Brennkammer bewirkt wird. Es versteht sich dabei von selbst, daß die Eindüsung phasenrichtig erfolgen muß, um den ange­ strebten Dämpfungserfolg zu ermöglichen.
Bei einer ersten alternativen Ausführungsform wird ein zu­ sätzliches Medium eingedüst, welches den Zündverzug vergrößert. Bevorzugt wird dabei Wasser als zusätzliches Medium eingesetzt.
Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform wird ein zu­ sätzliches Medium eingedüst, welches den Zündverzug verrin­ gert. Bevorzugt wird dabei Wasserstoff oder CO als zusätzli­ ches Medium verwendet.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist gekennzeichnet durch erste Mittel zur Messung der Druckschwankungen und zweite Mittel zur Steuerung des Ortes der Wärmefreisetzung, welche zweiten Mittel mit den ersten Mitteln über eine Regelung in Wirkverbindung stehen und eine Regelschleife bilden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Er­ findung zeichnet sich dadurch aus, daß die ersten Mittel we­ nigstens einen in und/oder hinter der Brennkammer angeordne­ ten Drucksensor und die zweiten Mittel wenigstens eine in der Brennkammer angeordnete Einspritzdüse umfassen, welche Ein­ spritzdüse über eine mit einem Regelventil versehene Zulei­ tung mit einem zusätzlichen Medium zur Steuerung des Zündver­ zugs beaufschlagbar ist.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.
Kurze Erläuterung der Figur
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels im Zusammenhang mit der einzigen Figur näher erläutert werden. Die Figur zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Regelanordnung nach der Erfindung, mit der die thermo­ akustischen Schwingungen in der Brennkammer einer Gasturbine durch ein geregeltes Eindüsen eines zusätzlichen Mediums in die Brennkammer wirkungsvoll gedämpft werden können.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In der (einzigen) Figur ist schematisch eine (stationäre) Gasturbine 1 dargestellt, wie sie zur Stromerzeugung in großen Kraftwerken eingesetzt wird. Die Gasturbine 1 umfaßt ei­ nen Verdichterteil 5, eine Brennkammer 3 mit nachfolgendem Turbineneintritt 7 und einen Turbinenteil 4. Sowohl im Ver­ dichterteil 5 als auch im Turbinenteil 4 sind abwechselnd Kränze von Leit- und Laufschaufeln angeordnet. Die rotieren­ den Laufschaufeln sind auf einer gemeinsamen Turbinenwelle 6 befestigt. Verbrennungsluft wird auf der rechten Seite am Verdichtereinlaß angesaugt, im Verdichterteil 5 verdichtet und unter Druck in die (in diesem Beispiel ringförmige) Brennkammer 3 eingeleitet. Dort wird die Luft mit Brennstoff vermischt, der über eine Brennstoffzuleitung 10, eine Brenn­ stoffringleitung 9 und eine Mehrzahl von Brennstoffeinspritz­ düsen 8 in die Brennkammer 3 eingedüst wird. Das Luft-Brenn­ stoff-Gemisch wird gezündet und brennt in einer Flamme. Die entstehenden heißen Verbrennungsgase strömen mit hoher Ge­ schwindigkeit durch den Turbineneintritt 7 in den Turbinen­ teil 4, wo sie ihre kinetische Energie zumindest teilweise über die Laufschaufeln an die drehende Turbinenwelle 6 abge­ ben.
Die in der Brennkammer 3 bei der Verbrennung entstehenden thermoakustischen Schwingungen werden nun dadurch dämpfend beeinflußt, daß der Ort der Wärmefreisetzungsschwankung, d. h., insbesondere die Lage und/oder Form der Flamme nach Maßgabe der unerwünschten Druckschwankungen verändert und geregelt wird. Hierzu ist eine Regelschleife vorgesehen, die wenigstens einen Drucksensor 15, eine Regelung 2 und ein Re­ gelventil 14 zur geregelten Eindüsung eines zusätzlichen Me­ diums in die Brennkammer 3 umfaßt.
Der Drucksensor 15 ist an einem Ort mit starken Druckschwan­ kungen, also z. B. in der Brennkammer 3 selbst oder - wie in der Figur gezeigt - im Turbineneintritt 7 angeordnet. Er nimmt die mit den thermoakustischen Schwingungen verbundenen Druckschwankungen messend auf und gibt das entstehende Meßsignal an eine nachgeordnete Meßwertaufbereitung 16 weiter. Die Meßwertaufbereitung 16 kann beispielsweise geeignete Filterschaltungen und Vorverstärker umfassen, welche das Meßsignal von Störungen befreien und auf ein Niveau verstär­ ken, das zur Weiterverarbeitung erforderlich ist. Das so auf­ bereitete Meßsignal wird dann an eine nachfolgende Meßwertverarbeitung 17 weitergeleitet, die insbesondere dafür sorgt, daß innerhalb der Regelschleife die notwendige Phasenver­ schiebung ausgeführt wird. Dies kann mit analogen Mitteln ge­ schehen oder digital durch Einsatz eines Mikroprozessors.
Das entsprechend verarbeitete Signal gelangt aus der Meßwertverarbeitung 17 auf den Eingang einer Ansteuerung 18, welche die für die Steuerung des Regelventils 14 notwendigen Stellgrößen erzeugt. Die Art der Stellgröße richtet sich danach, ob das Regelventil 14 elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch arbeitet. Das Regelventil 14 ist in einer Zulei­ tung 13 für ein zusätzliches Medium angeordnet und steuert den Zustrom des Mediums zu entsprechenden Einspritzdüsen 12, die an eine Ringleitung 11 angeschlossen sind und das Medium in die Brennkammer 3 eindüsen. Die Einspritzdüsen 12 sind zweckmäßigerweise auf die Flamme in der Brennkammer 3 ge­ richtet. Sie können quer zur Flammenrichtung oder parallel dazu ausgerichtet sein. Sie können. Die Düsen selbst können ringförmig oder als Einzeldüsen ausgebildet sein. Wichtig ist, daß das zusätzliche Medium in experimentell genau zu bestimmende, vom Brennertyp abhängende Zonen der Flamme ein­ gedüst wird, wo die Beeinflussung des Zündverzuges besonders wirksam ist.
Besonders einfach läßt sich die dargestellte Regelung aus­ führen, wenn als zusätzliches Medium eine Flüssigkeit, insbe­ sondere Wasser, verwendet wird. Der Vorteil dieser Ausfüh­ rungsform liegt darin, daß entsprechende Stellglieder, d. h. Regelventile 14, für flüssige Medien vorhanden sind. Mit dem Eindüsen von Wasser wird in an sich bekannter Weise die Zünd­ verzugszeit verlängert. Erfolgt die Eindüsung mit der ent­ sprechenden Phasenverschiebung, wird der eingangs erwähnte Kreuzkorrelationsterm minimiert.
Es ist jedoch auch denkbar, anstelle des Wassers ein gasför­ miges zusätzliches Medium zur Verlängerung der Zündverzugs­ zeit einzudüsen, wenn entsprechende Stellglieder vorhanden sind. Ebenso ist es denkbar, anstelle von die Zündverzugszeit verlängernden Medien solche (flüssig oder gasförmig) einzu­ setzen, welche die Zündverzugszeit verkürzen. Als Beispiele für derartig wirkende gasförmige Medien seien hier Wasser­ stoff und Kohlenmonoxid (CO) genannt.
Die Anwendung der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die im Beispiel gezeigten ringförmigen Hauptbrennkammern von stationären Gasturbinen beschränkt. Sie kann mit gleichem Er­ folg bei geometrisch anders gestalteten Brennkammern, bei Nachbrennkammern, bei Flugzeugtriebwerken oder dgl. einge­ setzt werden.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Verfahren und ei­ ne Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkammer, bei welchem un­ abhängig von der Art des Brennstoffs einfach und wirkungsvoll die beim Verbrennungsvorgang entstehenden thermoakustische Schwingungen gedämpft oder ganz unterdrückt werden können.
Bezugszeichenliste
1 Gasturbine
2 Regelung
3 Brennkammer (ringförmig)
4 Turbinenteil
5 Verdichterteil
6 Turbinenwelle
7 Turbineneintritt
8 Brennstoffeinspritzdüse
9 Brennstoffringleitung
10 Brennstoffzuleitung
11 Ringleitung (Zusatzmedium)
12 Einspritzdüse (Zusatzmedium)
13 Zuleitung (Zusatzmedium)
14 Regelventil
15 Drucksensor
16 Meßwertaufbereitung
17 Meßwertverarbeitung
18 Ansteuerung.

Claims (13)

1. Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, welche bei der Verbrennung eines einströmenden Brennstoffes in einer Brennkammer (3), insbesondere in der Brennkammer ei­ ner Gasturbine (1), entstehen, bei welchem Verfahren die Druckschwankungen in der Brennkammer (3) gemessen und die Verbrennung nach Maßgabe der gemessenen Druckschwankungen phasenrichtig so steuernd beeinflußt wird, daß die Druck­ schwankungen verringert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Verbrennung der Ort der mit der Verbrennung verbundenen Wärmefreisetzungsschwankung gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Ortes der Wärmefreisetzungsschwankung durch eine Steuerung des Zündzeitpunktes bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Zündzeitpunktes durch Eindüsen eines zu­ sätzlichen Mediums in die Brennkammer bewirkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Medium eingedüst wird, welches den Zündver­ zug vergrößert.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Medium eingedüst wird, welches den Zündver­ zug verringert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zusätzliche Medium ein flüssiges Medi­ um ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Zündverzuges Wasser als zusätzliches Medium eingedüst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zusätzliche Medium ein gasförmiges Me­ dium ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkürzung des Zündverzuges als zusätzliches Medium Was­ serstoff oder CO eingedüst wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch erste Mittel zur Messung der Druckschwankungen und zweite Mittel zur Steuerung des Ortes der Wärmefreisetzung, welche zweiten Mittel mit den ersten Mitteln über eine Regelung (2) in Wirkverbindung ste­ hen und eine Regelschleife bilden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel wenigstens einen in und/oder hinter der Brennkammer (3) angeordneten Drucksensor (15) und die zweiten Mittel wenigstens eine in der Brennkammer (3) ange­ ordnete Einspritzdüse (12) umfassen, welche Einspritzdüse (12) über eine mit einem Regelventil (14) versehene Zuleitung (13) mit einem zusätzlichen Medium zur Steuerung des Zündver­ zugs beaufschlagbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (2) in Hintereinanderschaltung eine Meßwertaufbereitung (16), eine Meßwertverarbeitung (17) und ei­ ne Ansteuerung (18) umfaßt, wobei der Eingang der Meßwertaufbereitung (16) mit dem Drucksensor (15) und der Ausgang der Ansteuerung (18) mit dem Regelventil (14) in Wirkverbin­ dung steht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufbereitung (16) insbesondere zur Einstel­ lung der richtigen Phase innerhalb der Regelschleife vorgese­ hen ist.
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