EP0611434A1 - Einrichtung zur unterdrückung von verbrennungsschwingungen in einer brennkammer einer gasturbinenanlage - Google Patents

Einrichtung zur unterdrückung von verbrennungsschwingungen in einer brennkammer einer gasturbinenanlage

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EP0611434A1
EP0611434A1 EP92922654A EP92922654A EP0611434A1 EP 0611434 A1 EP0611434 A1 EP 0611434A1 EP 92922654 A EP92922654 A EP 92922654A EP 92922654 A EP92922654 A EP 92922654A EP 0611434 A1 EP0611434 A1 EP 0611434A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
vibrations
feed line
acoustic
combustion chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92922654A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Schetter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0611434A1 publication Critical patent/EP0611434A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a device for suppressing combustion vibrations in a too acoustic
  • Vibration-capable combustion chamber of a gas turbine plant which combustion chamber has a burner for the combustion of a fluid carrying a fuel, which fluid can be fed to the burner through a feed line capable of acoustic vibrations and acoustically coupled to the combustion chamber.
  • Combustion chambers of gas turbine plants tend to self-excited combustion oscillations, depending on the operating state.
  • combustion vibrations have frequencies which correspond to the resonance frequencies of the combustion chamber or of another structure capable of vibration, including the combustion chamber; depending on the size of the vibratory structure, these frequencies are between a few Hz and several kHz, typically less than 1 kHz in gas turbine systems.
  • Pressure fluctuations of considerable magnitude are often associated with such combustion vibrations, in particular with amplitudes of the pressure up to the level of the steady pressure losses of the combustion chamber. Such pressure fluctuations can u. U. cause mechanical damage to the combustion chambers and other components of the gas turbine systems.
  • a combustion chamber for a gas turbine system with a burner arranged therein can be found in EP 0 193 838 B1.
  • the burner described there is a so-called “hybrid burner", a combination of diffusion burner and pre-burner. If the premix burner is operated, u. It may be necessary to support the combustion by means of an additional "pilot flame” from the diffusion burner.
  • Information on the design of a combustion chamber for a gas turbine system can be found in DE 25 23 449 C3.
  • the combustion chamber described there consists of a flame tube which is arranged in a housing, the air for combustion being fed through an annular gap between the flame tube and the housing to the burners arranged at one end of the flame tube.
  • the combustion air flows through the burners into the flame tube, fuel being added to it;
  • the combustion takes place in the flame tube.
  • the exhaust gases from the combustion are fed to the gas turbine, if necessary after admixing air.
  • Gas turbine plants which are operated with gaseous fuels are receiving increased attention in connection with coal gasification devices in which gaseous fuel is produced from coal.
  • Gas turbine plants in combination with coal gasification plants and steam power plants for waste heat recovery were dealt with in detail in a lecture by S. Joyce entitled “The Development of Integrated Coal-Gasification Combined-Cycle (ICG-GUD) Power Plants", presented on April 26th. 90 on the occasion of a seminar "Coal Gasification for Generation of Electricity" held in Arnhem (Netherlands); a transcript of the lecture was distributed during the seminar.
  • ICG-GUD Integrated Coal-Gasification Combined-Cycle
  • combustion vibrations With combustion vibrations conditions are acoustic vibrations, i.e. vibrations of the type of sound, which are ignited by transient combustion processes.
  • the frequency of a combustion oscillation is mainly determined by the geometry of the combustion chamber; the frequency of the combustion oscillation corresponds to a resonance frequency, which is defined by standing acoustic waves in the oscillatory structure to which the combustion chamber belongs.
  • Combustion vibrations often result from the fact that acoustic vibrations in a combustion chamber capable of acoustic vibrations cause acoustic vibrations in a feed line which is also capable of acoustic vibrations for the delivery of the fuel to the burner; the acoustic vibrations in the feed line, in turn, due to the pressure surges connected to them, cause an unsteady fuel flow to the burner and thus bring about an unsteady combustion, which in turn influences the acoustic vibrations in the combustion chamber.
  • a thermodynamic process can result on the burner, which releases mechanical energy from the combustion, which then flows into the acoustic vibrations in the combustion chamber.
  • the closed feedback circuit required for self-excitation which supplies the energy for the combustion vibrations, being formed by the acoustic transmission of vibrations from the combustion chamber into the feed line in connection with the thermodynamic transmission of vibrations from the feed line into the combustion chamber.
  • the described "acoustic coupling" between the combustion chamber and the feed line does not necessarily have to be a direct coupling between the gas columns in the combustion chamber and the feed line; this coupling can also be realized in that the wall of the combustion chamber is connected to the wall of the feed line, which allows the transmission of acoustic vibrations.
  • the acoustic coupling between the feed line and the combustion chamber is very complex and possibly implemented over several different transmission paths.
  • the acoustic coupling is a coupling that is also present in the absence of combustion and can therefore be determined, for example, by measurements on a combustion chamber arrangement through which no combustion flows.
  • the thermodynamic coupling between the feed line and the combustion chamber can also be measured, for example by filling the combustion chamber with acoustic insulation material, whereupon acoustic vibrations are measured in the combustion chamber, which are caused by the combustion by acoustic vibrations excited in the feed line.
  • combustion vibrations are understood to mean, above all, acoustic vibrations, the pressure amplitudes of which reach the order of magnitude of the pressure losses occurring in stationary operation above the combustion chambers, in particular exceeding sizes of about 10% of the respective pressure losses.
  • Usual pressure losses are approximately 200 kPa for aircraft engine gas turbines and approximately 50 kPa for power plant gas turbines. Tolerable acoustic vibrations should therefore not significantly exceed values of around 10 kPa.
  • the invention is based on the object of providing a device for suppressing combustion vibrations in a combustion chamber capable of acoustic vibrations
  • the device according to the invention for suppressing combustion vibrations in a combustion chamber of a gas turbine system capable of acoustic vibrations which combustion chamber has a burner for the combustion of a fluid carrying a fuel, which fluid is acoustically responsive to the burner by means of acoustic vibrations
  • the supply line coupled to the combustion chamber can be supplied, characterized by an acoustically active element coupled to the supply line, by means of which the supply line is acoustically tuned in such a way that unsteady combustion due to acoustic vibrations in the supply line is essentially ruled out.
  • acoustic vibrations in the feed line can mainly be understood as standing waves; this means that zones with vibrations of high amplitude and zones with vibrations of low or practically vanishing amplitude alternate in the feed line in accordance with the frequencies of the acoustic vibrations.
  • the arrangement of the standing waves in the feed line is influenced in such a way that a zone with a small, preferably essentially vanishing, amplitude comes to lie on the burner, which is an end of the feed line. Since the pressure conditions at the location of the burner directly determine the combustion, the guarantee of a sufficiently low pressure fluctuation in the supply line at the location of the burner leads to a sufficiently uniform, non-stationary combustion. Accordingly, the closed feedback circuit, in which self-excitation could build up, has broken down; The occurrence of combustion vibrations can thus be prevented efficiently.
  • the device according to the invention for suppressing combustion vibrations in a combustion chamber of a gas turbine system capable of acoustic vibrations which combustion chamber has a burner for the combustion of a fluid carrying a fuel, which fluid provides the burner with an acoustic signal
  • a feed line capable of vibrations and acoustically coupled to the combustion chamber can be fed, characterized by an acoustically active element coupled to the feed line, by means of which the feed line is acoustically tuned such that a reaction of acoustic vibrations in the feed line to acoustic vibrations in the combustion chamber, which reaction is caused by transient combustion due to the acoustic vibrations in the feed line device, counteracts the occurrence of combustion vibrations.
  • the invention is based on the fact that by adjusting the acoustic properties of the feed line, the phase position of the thermodynamically induced reaction can be influenced relative to the phase position of the acoustic coupling between the combustion chamber and the feed line;
  • the feed line is tuned by inserting a corresponding acoustically active element, so that the phase position of the thermodynamic reaction relative to the acoustic coupling does not correspond to a positive feedback required for self-excitation, but rather to a negative feedback.
  • the negative feedback precludes self-excitation and also results in "active acoustic damping" of the vibratory system, which includes the combustion chamber and the feed line.
  • the device of any design can be used in connection with any burner; it is particularly suitable for use in connection with a pre-burner which is part of a hybrid burner, for example. Reliable suppression of combustion vibrations in gas turbine plants in power plants with electrical power ratings up to 100 MW and above is possible.
  • the fuel can be a gas, for example natural gas or one obtained from a coal gasification process
  • the fluid carrying the fuel possibly being the gas itself.
  • the fuel can also be a solid or liquid substance, for example coal dust or oil, which is dispersed in a gas which is itself possibly combustible.
  • a liquid fuel e.g. B. oil, conceivable; oil-water emulsions and the like are also suitable.
  • the described measures for suppressing combustion vibrations also allow targeted upgrading of an already existing gas turbine system.
  • the design of the acoustically active element with regard to its acoustic parameters must be adapted to the properties of the predetermined combustion chamber and the location in the supply line to which it is to be coupled or connected.
  • the combustion vibrations occurring in the combustion chamber may have to be measured; in particular, acoustic waves in the feed line may also have to be examined.
  • the evaluation of such measurement data then leads to specific requirements for the acoustically active element to be coupled to the feed line.
  • the acoustic phenomena in the feed line of the burner are evaluated.
  • Helmholtz resonance nator As an acoustically effective element, there is a Helmholtz resonance nator in question; this consists of an essentially closed cavity or pot into which a piece of pipe or neck leads.
  • the mode of operation of the Helmhol tz resonator is known per se and therefore requires no detailed discussion at this point.
  • the Helmholtz resonator which is itself a structure capable of oscillation and has certain resonance frequencies, is not necessarily operated at such a resonance frequency in the present context.
  • a Helmholtz resonator can be designed in a particularly space-saving manner as a cavity coaxially surrounding the supply line in the manner of a muffler in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • a further possibility for realizing the acoustically active element is the connection of a closed pipe section, that is to say a resonance pipe, to the feed line.
  • a closed pipe section that is to say a resonance pipe
  • Such resonance tubes are known as "quarter-wave tubes”.
  • the resonance tube is not necessarily operated at one of its resonance frequencies.
  • an acoustically effective element that is adjustable to change its acoustic properties.
  • Such an adjustable acoustically active element can be a Helmholtz resonator with a neck that is adjustable in length or a pot with variable volume; a resonance tube is also possible, which is closed with an adjustable slide and thus an adaptation of its acoustic properties to the requirements of the respective individual case allowed.
  • the use of adjustable acoustically active elements is to be preferred, since such elements allow adaptation to predetermined systems. It may also be appropriate to adjust the acoustically active element as a function of the operating state of the gas turbine system, since experience has shown that the occurrence of combustion vibrations depends relatively strongly on the respective load on the gas turbine system.
  • a further possibility for realizing the acoustically active element is to insert a cavity into the feed line, the cavity being an “open end” of the feed line in terms of acoustics.
  • the resonance behavior of the part of the supply line directly connected to the burner can be influenced in a targeted manner, so that combustion vibrations are effectively avoided.
  • the "acoustic effectiveness" of the cavity is not a specific "response behavior" to an acoustic wave that enters the cavity through the feed line, but simply the fact that an acoustic wave in a well-defined manner and practically completely at the mouth of the feed line in the cavity is reflected.
  • the part of the feed line between the burner and the cavity is thus acoustically decoupled from the other parts of the feed line; in terms of its acoustic properties, it is therefore easy to grasp theoretically and can be adapted to the respective requirements.
  • an acoustic termination in the manner of a "closed end" in a supply line would hardly be possible in a gas turbine system by means of a critically flowed orifice, which could be part of a throttle device, for example.
  • a critical flow acts as a reflector for Acoustic waves, since by definition sound waves flow through them and therefore wave propagation against the flowing flow is not possible. Ensuring such a "critical flow”, however, requires a considerable pressure drop across the orifice, which in connection with pressure-loaded combustion chambers would only be achievable with pressures at an impractical level in the feed lines. It should therefore be noted that in the context of the prior art in a gas turbine system, the formation of an acoustic termination in a fuel supply line was not practical.
  • An acoustically active element in the present sense can also be an acoustic transmitter coupled to the feed line, e.g. B. a speaker, a vibrating piston or a vibrating membrane.
  • Such an element is acted upon by an acoustic signal which is removed from the combustion chamber and which is characteristic of the acoustic conditions there.
  • Such an acoustic signal can, for example, by means of a transducer acoustically coupled to the combustion chamber, preferably directly to the flame tube, e.g. B. a microphone can be obtained.
  • the signal can be sent from the microphone to an amplifier via a signal line and from there to the acoustic transmitter via a further signal line.
  • the transmitter enables "active" suppression of combustion vibrations in addition to or instead of the "passive" suppression previously explained, the supply line being acted upon from the outside, to a certain extent forcibly, by an acoustic signal which counteracts the combustion vibrations.
  • suppression of the combustion vibrations can also be achieved, in particular when vibrations from the combustion chamber are coupled into the feed line only very little become; this is particularly so because, in addition to the coupling from the combustion chamber, an additional possibility for coupling vibrations into the feed line is used.
  • the suppression of combustion vibrations may be linked to the guarantee of certain phase relationships between acoustic vibrations in the combustion chamber and acoustic vibrations in the feed line.
  • a transmitter acted upon by an acoustic pickup is preferably used in connection with liquid fuel.
  • a particularly advantageous development of the device is characterized in that at least two acoustically active elements are provided in the feed line. It is particularly advantageous if an acoustically active element is a cavity, which represents an acoustically open end of the supply line, and a further acoustically active element is inserted between the cavity and the burner.
  • the cavity is used to acoustically close off a section of the feed line adjoining the burner and to decouple it from the rest of the feed line; the further acoustically active element can be used to tune the piece of the feed line thus obtained to suppress combustion vibrations.
  • the insertion of several acoustically active elements in a feed line means that several parameters are available for tuning the feed line, which can considerably simplify the suppression of combustion vibrations.
  • the suppression of combustion vibrations in a combustion chamber of a gas turbine system can be realized on the one hand with the aid of the acoustically active element coupled to the feed line in such a way that acoustic vibrations in the feed line, which can lead to in-stationary combustion, are largely suppressed. Under certain circumstances this amounts to avoiding resonance frequencies in the feed line which correspond approximately to the resonance frequencies of the combustion chamber.
  • the suppression of combustion vibrations in the combustion chamber can also be carried out by explicitly accepting vibrations in the feed line are set in that the acoustic properties of the feed line are set by the acoustically active element in such a way that a vibration excited in the feed line counteracts the combustion vibration in the combustion chamber.
  • This measure assumes that an oscillation in the feed line which is stimulated by an oscillation in the combustion chamber must also have a certain phase relationship to the combustion oscillation.
  • the mutual coupling of the vibrations mentioned can be influenced in such a way that the vibrations do not support each other, but counteract each other. This adjustment of the phase relationship between the vibrations must take into account the dynamics of the combustion process.
  • combustion of a fuel emerging from a burner occurs only after a certain time delay and, moreover, takes up a certain period of time.
  • the phase relationship between combustion oscillation and oscillation in the feed line must be dimensioned taking this delay into account.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber with feed lines for fuel, supplemented by a device for suppressing combustion vibrations
  • FIGS. 2 and 3 show exemplary embodiments of an acoustically effective element in a feed line
  • Fig. 4 and Fig. 5 embodiments of an adjustable or controllable acoustically active element in one Supply line.
  • combustion chamber 1 shows a combustion chamber 1, which can optionally be used as one of several in a (not shown) gas turbine system, with two burners 2, each of which can be supplied with a gas carrying a fuel through a feed line 3. It is assumed that the combustion chamber 1 and the feed lines 3 are capable of acoustic vibrations, as is generally the case with components of gas turbine systems. Important for this is in particular the fact that supply lines 3 and combustion chambers 1 of gas turbine systems are usually not manufactured or filled with acoustically insulating substances, since such substances increase the pressure losses caused in the combustion chambers 1 or supply lines 3, which is always very disadvantageous for the efficiency of the gas turbine system is.
  • the combustion chamber 1 is formed from a flame tube 8 with a bottom 9 into which the burners 2 are let in; the flame tube 8 is — essentially concentrically — surrounded by an outer tube 10.
  • Combustion air can flow between the flame tube 8 and the outer tube 10 from a compressor of the gas turbine system to the burners 2.
  • the combustion air is mixed with fuel in the burners 2; the combustion essentially takes place in the flame tube 8, from which the combustion gases subsequently flow to a gas turbine of the gas turbine system.
  • the burners 2 are so-called premix burners.
  • the gas carrying the fuel is supplied to the combustion air through main nozzles 11, mixed intensively with it in a blading 12 and ignited only when it enters the flame tube 8.
  • auxiliary nozzle 13 which has a certain proportion of fuel is introduced directly into the flame tube 8, where it burns in a diffusion flame and thus provides a "pilot flame” for stabilizing the premix combustion.
  • the lower feed line 3 has a laterally connected Helmholtz resonator 4 as an acoustically active element.
  • a Helmholtz resonator 5 arranged coaxially around it is provided on the upper feed line 3.
  • Essential elements of each Helmholtz resonator 4, 5 are a neck 14, i. H. a narrow piece of pipe, and a pot 15, d. H. a relatively large cavity that connects to the neck 14.
  • the mode of operation of the Helmholtz resonator 4, 5 has already been explained.
  • a control valve 16 is inserted into each feed line 3; Both control valves 16 can be controlled via a branching control line 17 and thus allow, if necessary in conjunction with further measures, an adjustment of the thermal power generated in the combustion chamber 1 and a power control of the gas turbine system. Under certain circumstances, the control valves 16 (or similar components) can represent acoustic closings of the feed lines 3; this is the case if there is a noticeable amount of pressure loss.
  • the insertion of throttling points in supply lines 3 is common and advantageous if these supply lines 3 are supplied with fuel by a common delivery device. As a rule, throttling points in the feed lines 3 serve to even out the distribution of the fuel on these feed lines 3.
  • a resonance tube 6 is coupled to the feed line 3.
  • One end of the resonance tube 6 opens into the feed line 3; the other end facing away from the feed line 3 is closed.
  • An acoustic vibration excited in the feed line 3 is coupled into the resonance tube 6; the acoustic behavior of the resonance tube 6 influences the acoustic properties of the feed line 3.
  • the resonance tube 6 can be used in particular to set the resonance frequency for the structure of the feed line 3 and the resonance tube 6.
  • a large-volume cavity 7 is inserted into the feed line 3.
  • This cavity 7 represents an acoustically open end of the feed line 3; it uncouples the piece of the feed line 3 between itself and the burner 2 (not shown) from the piece of the feed line 3 leading from it to the conveying device.
  • the cavity 7 By suitably positioning the cavity 7, the acoustic properties of the feed line 3 between the burner 2 and the cavity 7 matched so that the combustion vibrations are suppressed.
  • FIG. 4 shows, similar to FIG. 2, a resonance tube 6 coupled to the feed line 3 as an acoustically active element. 4, the resonance tube 6 is closed at the end by means of a movable slide 18 which allows the acoustic properties of the resonance tube 6 to be adjusted (for example its resonance frequencies). By adjusting the slide 18, the resonance tube 6 can be adapted to different operating states of the combustion chamber 1 to which the feed line 3 is connected. This is in particular against the endeavor to be able to operate a gas turbine plant safely over the largest possible power range.
  • Fig. 5 shows a possibility of realizing the acoustically active element by means of an acoustic transmitter, namely a loudspeaker 19, which in one Housing 20 is coupled or attached to the feed line 3 and is acted upon by an acoustic signal removed from the flame tube 8.
  • This signal is taken from the flame tube 8 by means of a microphone 21 and fed to the amplifier 23 via a signal line 22, and to the loudspeaker 19 via a further signal line 24.
  • the phase of the acoustic in the feed line 3 caused by the loudspeaker 19 is adjusted Vibration may include amplifier 23, for example, a setting element 25, shown as a capacitor with variable capacitance, for adjusting the phase of its output signal. Possibly.
  • the correct phase relationship can be achieved by appropriate selection of the position of the microphone 21 on the flame tube 8.
  • several, z. B. two, acoustically effective elements 7, 19 may be provided.
  • the combination of a large cavity 7, as shown in FIG. 5, with another acoustically active element 19 is particularly preferred.
  • the cavity 7 serves the piece of the feed line 3 between the
  • the loudspeaker 19 is connected between the burner 2 and the cavity 7.
  • the mode of operation of the acoustically active elements 4, 5, 6, 7, 19 shown in the drawing can be used in accordance with each embodiment of the invention, since both versions can be implemented essentially using the same structural measures.
  • the mode of operation of the acoustically active element 4, 5, 6, 7, 19 depends on its design and coordination, under certain circumstances, not only the position of a single resonance frequency, but also the arrangement of a plurality or a plurality of resonance frequencies and any other acoustic properties.
  • its damping properties can also be important, which can be particularly important and advantageous if the acoustically active element does not directly flow through the feed line 3
  • the invention enables the suppression of combustion vibrations in a combustion chamber of a gas turbine system in a simple and safe manner.
  • the device according to the invention is easily adaptable to the requirements of the individual case and enables safe and reliable operation of the gas turbine system.

Landscapes

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Description

Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer zu akustischen
Schwingungen fähigen Brennkammer einer Gasturbinenanlage, welche Brennkammer einen Brenner zur Verbrennung eines einen Brennstoff tragenden Fluides aufweist, welches Fluid dem Brenner durch eine zu akustischen Schwingungen fähige und akustisch an die Brennkammer gekoppelte Zuführleitung zuführbar ist.
Brennkammern von Gasturbinenanlagen, vor allem Brenn¬ kammern, die mit Vormischbrennern bestückt sind, neigen je nach Betriebszustand zu selbsterregten Verbrennungsschwin¬ gungen. Solche Verbrennungsschwingungen haben Frequenzen, die Resonanzfrequenzen der Brennkammer oder eines anderen schwingungsfähigen Gebildes unter Einbeziehung der Brenn¬ kammer entsprechen; je nach Größe des schwingungsf higen Gebildes liegen diese Frequenzen zwischen einigen Hz und mehreren kHz, in Gasturbinenanlagen typisch unter 1 kHz. Mit solchen Verbrennungsschwingungen sind oftmals Druck¬ schwankungen in erheblicher Höhe, insbesondere mit Ampli¬ tuden des Druckes bis zur Höhe der stationären Druckver- luste der Brennkammer, verbunden. Solche Druckschwankungen können u. U. mechanische Schäden an den Brennkammern und anderen Komponenten der Gasturbinenanlagen verursachen.
Eine Brennkammer für eine Gasturbinenanlage mit darin angeordnetem Brenner geht aus der EP 0 193 838 Bl hervor. Der dort beschriebene Brenner ist ein sogenannter "Hybrid¬ brenner", eine Kombination aus Diffusionsbrenner und Vor- ischbrenner. Wird der Vormischbrenπer betrieben, so ist u. U. eine Unterstützung der Verbrennung durch eine zu- sätzliche "Pilotflamme" aus dem Diffusionsbrenπer erfor¬ derlich. Hinweise zur Ausgestaltung einer Brennkammer für eine Gas¬ turbinenanlage sind der DE 25 23 449 C3 entnehmbar. Die dort beschriebene Brennkammer besteht aus einem Flammrohr, das in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Luft zur Verbrennung durch einen Ringspalt zwischen dem Flammrohr und dem Gehäuse den an einem Ende des Flammrohres ange¬ ordneten Brennern zugeführt wird. Durch die Brenner strömt die Verbrennungsluft in das Flammrohr ein, wobei sie mit Brennstoff versetzt wird; in dem Flammrohr findet die Ver- brennung statt. Die Abgase der Verbrennung werden, ggf. nach Zumischung von Luft, der Gasturbine zugeführt.
Gasturbinenanlagen, die mit gasförmigen Brennstoffen be¬ trieben werden, finden im Zusammenhang mit Kohleverga- sungseinrichtungen, in denen aus Kohle gasförmiger Brenn¬ stoff erzeugt wird, gesteigerte Aufmerksamkeit. Gastur¬ binenanlagen in Kombination mit Kohlevergasungsanlagen und Dampfkraftanlagen zur Abhitzeverwertung wurden eingehend abgehandelt in einem Vortrag von 0. S. Joyce mit dem Titel "The Development of Integrated Coal-Gasification Combined- Cycle (ICG-GUD) Power Plants", vorgetragen am 26.04.90 an¬ läßlich eines in Arnhem (Niederlande) gehaltenen Seminars "Coal Gasification for Generation of Electricity"; eine Niederschrift des Vortrages wurde während des Seminars verteilt.
Weitere Einzelheiten zu Vor ischbrennern und Hybrid¬ brennern zum Einsatz in den Brennkammern von Gasturbinen¬ anlagen sind der EP 0 108 361 Bl , der EP 0 276 696 Bl und der WO 89/08803 AI entnehmbar . Die letztgenannte Schrift betrifft die Ertüchtigung einer Brennkammer zur Zuführung von Zusatzstoffen für die Bindung gew is ser Sc hads tof fe im verwendeten Brennstoff.
Die Ursachen selbsterregter Verbrennungsschwingungen sind seit langem im Prinzip bekannt. Bei Verbrennungsschwin- gungen handelt es sich um akustische Schwingungen, also Schwingungen nach Art des Schalls, die durch instationär ablaufende Verbrennungsvorgänge angefacht werden. Die Frequenz einer Verbrennungsschwingung ist hauptsächlich bestimmt durch die Geometrie der Brennkammer; die Frequenz der Verbrennungsschwingung entspricht einer Resonanzfre¬ quenz, die durch stehende akustische Wellen in dem schwin¬ gungsfähigen Gebilde, zu dem die Brennkammer gehört, definiert ist.
Vielfach entstehen Verbrennungsschwingungen dadurch, daß akustische Schwingungen in einer zu akustischen Schwingun¬ gen fähigen Brennkammer akustische Schwingungen in einer gleichfalls zu akustischen Schwingungen fähigen Zuführ- leitung für die Zustellung des Brennstoffes zu dem Brenner hervorrufen; die akustischen Schwingungen in der Zuführ¬ leitung bedingen ihrerseits durch die mit ihnen verbun¬ denen Druckstöße einen instationären Brennstofffluß zu dem Brenner und bewirken somit eine instationäre Verbrennung, die ihrerseits Einfluß auf die akustischen Schwingungen in der Brennkammer nimmt. Je nach der Phasenbeziehung zwi¬ schen der instationären Verbrennung und den akustischen Schwingungen in der Brennkammer kann sich am Brenner ein thermodynamischer Prozeß ergeben, der aus der Verbrennung mechanische Energie, die dann in die akustischen Schwin¬ gungen in der Brennkammer einfließt, freisetzt. Auf diese Weise entsteht eine Selbsterregung in dem schwingungs¬ fähigen Gesamtsystem, welches die Brennkammer und die Zuführleitung umfaßt, wobei der zur Selbsterregung not- wendige geschlossene Rückkopplungskreis , der die Energie für die Verbrennungsschwingungen liefert, gebildet ist durch die akustische Übertragung von Schwingungen aus der Brennkammer in die Zuführleitung in Verbindung mit der thermodynamischen Übertragung von Schwingungen aus der Zuführleitung in die Brennkammer. Es sei bemerkt, daß die beschriebene "akustische Kopplung" zwischen der Brennkammer und der Zuführleitung nicht unbe¬ dingt eine unmittelbare Kopplung zwischen den Gassäulen in der Brennkammer und der Zuführleitung sein muß; diese Kopplung kann auch realisiert sein dadurch, daß die Wand der Brennkammer mit der Wand der Zuführleitung in einer Verbindung steht, die die Übertragung akustischer Schwin¬ gungen gestattet. Im allgemeinen ist davon auszugehen, daß die akustische Kopplung zwischen der Zuführleitung und der Brennkammer sehr komplex und möglicherweise über mehrere verschiedene Ubertragungswege realisiert ist. In jedem Fall ist jedoch die akustische Kopplung eine Kopplung, die auch in Abwesenheit der Verbrennung vorliegt und somit beispielsweise durch Messungen an einer ohne Verbrennung durchströmten Brennkammeranordnung bestimmbar ist. Auch ist die thermodynamische Kopplung zwischen der Zuführ¬ leitung und der Brennkammer meßbar, indem beispielsweise die Brennkammer gefüllt wird mit akustischem Dämmaterial, worauf in der Brennkammer akustische Schwingungen gemessen werden, die über die Verbrennung durch in der Zuführ¬ leitung erregte akustische Schwingungen hervorgerufen werden. Bedingt durch die Komplexität üblicher Brenn¬ kammern, die darüber hinaus in der Regel auch keine akustisch abgeschlossenen Gebilde, sondern lediglich Bestandteile größerer, neben der Brennkammer auch Heißgas¬ kanäle und dergleichen umfassender schwingungsfähiger Gebilde sind, ist eine sichere Vorhersage über das Auf¬ treten und die Frequenzen akustischer Resonanzen, die zu Verbrennungsschwingungen führen können, in der Praxis kaum möglich.
Verbrennungsschwingungen in industriellen Verbrennungsein¬ richtungen sind in dem Buch "Cό bustion-Driven Oscillations in Industry" von A. A. Putnam, American Elsevier Publishing Company, Inc., New York (1971), abge¬ handelt. In den Kapiteln 1 und 2 finden sich Hinweise zur Ursache und Entstehung von Verbrennungsschwingungen, in den folgenden Kapiteln sind spezielle Verbrennungsein¬ richtungen abgehandelt, und das Kapitel 9 betrifft die Unterdrückung von Verbreπnungsschwingungen. Zu den speziellen Problemen von Verbrennungseinrichtungen, in denen eine Verbrennung unter hohem Druck erfolgt und die insbesondere in Gasturbinenanlagen eingesetzt werden, gibt es keine Hinweise.
In Gasturbinenanlagen werden unter "Verbrennuπgsschwin- gungen" vor allem akustische Schwingungen verstanden, deren Druckamplituden an die Größenordnung der im statio¬ nären Betrieb über den Brennkammern auftretenden Druckver¬ luste heranreichen, insbesondere Größen von etwa 10 % der jeweiligen Druckverluste überschreiten. Übliche Druckver¬ luste liegen bei etwa 200 kPa bei Flugtriebwerks-Gastur- binen und bei etwa 50 kPa bei Kraftwerks-Gasturbinen. Tolerable akustische Schwingungen dürften demnach Werte um etwa 10 kPa nicht wesentlich überschreiten. Es sei be- merkt, daß die Abwesenheit von Verbrennungsschwingungen kaum jemals eine absolut geräuschlose Verbrennung bedeuten kann - in Brennkammern von Gasturbinen tritt in aller Regel stets ein durchaus lautes, charakteristisches Rauschen auf, dessen Auswirkungen bei der Auslegung der Brennkammern berücksichtigt werden und das daher die untere Grenze für die betriebliche akustische Beanspruch¬ ung der Brennkammer bestimmt.
Bislang wurde versucht, Verbrenπungsschwingungen in Brenn- kammern von Gasturbinenanlagen zu begegnen durch geome¬ trische Veränderungen am Brenner oder anderen Komponen¬ ten der Brennkammer, durch Umverteilung der in die Brenn¬ kammer eingeführten Luft oder durch Einfügung von Drossel¬ stellen an die Austritte der Zuführleitungen in den Brennern; letzteres geschah, um einer Rückwirkung von akustischen Schwingungen in der Brennkammer auf die Zu- führleitungen zu begegnen. Die mit den bisher bekannten
Maßnahmen erzielten Erfolge waren stets eingeschränkt: Die zuerst genannten Maßnahmen waren insbesondere deshalb wenig tauglich, weil sie mangels hinreichender Vorhersag- barkeit ihrer Auswirkungen nur wenig zielgerichtet aus¬ führbar waren. Die letztgenannte Maßnahme hatte nur ge¬ ringe praktische Bedeutung, weil eine hinreichend wirk¬ same Drosselstelle in der Zuführleitung einen erheblichen Druckverlust nach sich zieht und somit unpraktikabel hohe Drücke im Brennstoffzuführungssystem erfordert.
In Ansehung der beschriebenen Problematik basiert die Erfindung auf der Aufgabe, eine Einrichtung zur Unter¬ drückung von Verbrennungsschwingungen in einer zu akustischen Schwingungen fähigen Brennkammer einer
Gasturbinenanlage anzugeben, die zuverlässig wirksam ist, keine erhebliche Beeinträchtigung der weiteren, zum Betrieb der Gasturbinenanlage erforderlichen Einrichtungen darstellt und darüber hinaus bei Bedarf möglichst einfach in eine vorhandene Gasturbinenanlage integrierbar ist.
In einer ersten Ausführung ist die erfindungsgemäße Ein¬ richtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer zu akustischen Schwingungen fähigen Brennkammer einer Gasturbinenanlage, welche Brennkammer einen Brenner zur Verbrennung eines einen Brennstoff tragenden Fluides aufweist, welches Fluid dem Brenner durch eine zu akustischen Schwingungen fähige und akustisch an die Brennkammer gekoppelte Zuführleitung zuführbar ist, ge- kennzeichnet durch ein an die Zuführleitung angekoppeltes akustisch wirksames Element, durch das die Zuführleitung derart akustisch abgestimmt ist, daß eine instationäre Verbrennung aufgrund akustischer Schwingungen in der Zu¬ führleitung im wesentlichen ausgeschlossen ist.
Im Rahmen dieser Ausführung geht die Erfindung davon aus. daß akustische Schwingungen in der Zuführleitung haupt¬ sächlich als stehende Wellen auffaßbar sind; dies bedeu¬ tet, daß in der Zuführleitung entsprechend den Frequenzen der akustischen Schwingungen Zonen mit Schwingungen hoher Amplitude und Zonen mit Schwingungen geringer oder prak¬ tisch verschwindender Amplitude einander abwechseln. Er¬ findungsgemäß wird die Anordnung der stehenden Wellen in der Zuführleitung in der Weise beeinflußt, daß an dem Brenner, der ein Ende der Zuführleitung darstellt, eine Zone mit geringer, vorzugsweise im wesentlichen verschwin¬ dender, Amplitude zu liegen kommt. Da die Druckverhält¬ nisse am Ort des Brenners unmittelbar die Verbrennung be¬ stimmen, führt die Gewährleistung einer hinreichend ge¬ ringen Druckschwankung in der Zuführleitung am Ort des Brenners zu einer ausreichend gleichmäßigen, nicht in¬ stationären Verbrennung. Dementsprechend ist der ge¬ schlossene Rückkopplungskreis, in dem sich Selbsterregung aufbauen könnte, aufgebrochen; das Entstehen von Ver¬ brennungsschwingungen kann somit effizient verhindert werden.
Im Rahmen einer zweiten Ausführung ist die erfindungsge¬ mäße Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennuπgsschwiπ- gungen in einer zu akustischen Schwingungen fähigen Brenn- kammer einer Gasturbinenanlage, welche Brennkammer einen Brenner zur Verbrennung eines einen Brennstoff tragenden Fluides aufweist, welches Fluid dem Brenner durch eine zu akustischen Schwingungen fähige und akustisch an die Brennkammer gekoppelte Zuführleitung zuführbar ist, ge- kennzeichnet durch ein an die Zuführleitung angekoppeltes akustisch wirksames Element, durch das die Zuführleitung derart akustisch abgestimmt ist, daß eine Rückwirkung von akustischen Schwingungen in der Zuführleitung auf akustische Schwingungen in der Brennkammer, welche Rück- Wirkung bedingt ist durch eine instationäre Verbrennung aufgrund der akustischen Schwingungen in der Zuführlei- tung, der Entstehung von Verbrennungsschwingungen ent¬ gegenwirkt.
Im Rahmen der zweiten Ausführung geht die Erfindung davon aus, daß durch Abstimmung der akustischen Eigenschaften der Zuführleitung die Phasenlage der thermodynamisch be¬ dingten Rückwirkung relativ zu der Phasenlage der akusti¬ schen Kopplung zwischen der Brennkammer und der Zuführ¬ leitung beeinflußbar Ist; erfindungsgemäß wird die Zuführ- leitung abgestimmt durch Einfügung eines entsprechenden akustisch wirksamen Elementes, so daß die Phasenlage der thermodynamischen Rückwirkung relativ zur akustischen Kopplung nicht einer zur Selbsterregung erforderlichen positiven Rückkopplung, sondern einer negativen Rückkopp- lung entspricht. Die negative Rückkoppplung schließt die Selbsterregung aus und resultiert darüber hinaus in einer "aktiven akustischen Bedämpfung" des schwingungsfähigen Systems, welches die Brennkammer und die Zuführleitung umfaßt. "Aktiv" deshalb, weil die über die Verbrennung erfolgende thermodynamische Rückwirkung dem schwingungs¬ fähigen System tatsächlich Energie entzieht; nach der.. ersten Ausführung der Erfindung kann ein Entzug von Ener¬ gie aus dem schwingungsfähigen System nur durch die übrige, in dem System aufgrund von Reibung oder derglei- chen vorhandene Dämpfung erfolgen.
Die Einrichtung nach jedweder Ausführung ist verwendbar im Zusammenhang mit jedwedem Brenner; sie eignet sich beson¬ ders zum Einsatz im Zusammenhang mit einem Vor isch- brenner, der beispielsweise Teil eines Hybridbrenners ist. Dabei ist die zuverlässige Unterdrückung von Verbrennungs¬ schwingungen in Gasturbinenanlagen in Kraftwerken mit elektrischen Nennleistungen bis 100 MW und darüber mög¬ lich.
Der Brennstoff kann ein Gas sein , beispielsweis e Erdgas oder ein aus einem Kohlevergasungsprozeß gewonnenes
Produkt, wobei gegebenenfalls das den Brennstoff tragende Fluid das Gas selbst ist. Auch kann der Brennstoff ein in in einem womöglich selbst brennbaren Gas dispergierter fester oder flüssiger Stoff, beispielsweise Kohlenstaub oder Öl, sein. Schließlich ist auch ein flüssiger Brenn¬ stoff, z. B. Öl, denkbar; auch kommen Öl-Wasser-Emulsionen und dergleichen in Frage.
Die geschilderten Maßnahmen zur Unterdrückung von Ver¬ brennungsschwingungen gestatten auch die zielgerichtete Ertüchtigung einer bereits bestehenden Gasturbinenanlage.
Es versteht sich, daß die Auslegung des akustisch wirksa- men Elementes hinsichtlich seiner akustischen Parameter den Eigenschaften der vorgegebenen Brennkammer und dem in der Zuführleitung bestimmten Ort, an den es angekoppelt oder angeschlossen werden soll, angepaßt werden muß. Hier¬ für sind ggf. die in der Brennkammer auftretenden Ver- brennungsschwingungen auszumessen; insbesondere sind ggf. auch akustische Wellen in der Zuführleitung zu untersu¬ chen. Die Auswertung solcher Meßdaten führt sodann zu kon¬ kreten Vorgaben für das an die Zuführleitung anzukoppelnde akustisch wirksame Element. Zur Unterdrückung von Ver- brennungsschwingungen in der Brennkammer einer Gasturbinen¬ anlage können - wie erwähnt - u. a. die akustischen Phäno¬ mene in der Zuführleitung des Brenners ausgewertet werden. Bedingt durch die üblicherweise einfache Gestalt einer solchen Zuführleitung sind die auftretenden akustischen Phänomene relativ einfach ausmeßbar und theoretisch erfa߬ bar selbst dann, wenn sie von Fall zu Fall variieren. In jedem Fall ist es möglich, eine sichere Aussage abzulei¬ ten, wie den Verbrennungsschwingungen entgegengewirkt werden kann.
Al s akustisc h wirksames Eleme nt kommt ein Helmholtz- Reso- nator in Frage; dieser besteht aus einem im wesentlichen geschlossenen Hohlraum oder Topf, in den ein Rohrstück oder Hals hineinführt. Die Wirkungsweise des Helmhol tz-Resona- tors ist an sich bekannt und bedarf daher an dieser Stelle keiner eingehenden Abhandlung. Es sei allerdings bemerkt, daß der Helmholtz-Resonator, der selbst ein schwingungs¬ fähiges Gebilde ist und gewisse Resoπanzfrequezen auf¬ weist, im vorliegenden Zusammenhang nicht unbedingt auf einer solchen Resonanzfrequenz betrieben wird. Es wird hingegen ausgenutzt, daß ein Helmholtz-Resonator bei Be¬ aufschlagung mit jedweder akustischen Welle, also auch einer Welle, deren Frequenz keiner seiner Resonanzfre¬ quenzen entspricht, ein wohldefiniertes Verhalten zeigt.
Ein Helmholtz-Resonator kann in besonders platzsparender Weise als die Zuführleitung koaxial umgebender Hohlraum nach Art eines Auspufftopfes im Abgassystem eines Ver¬ brennungsmotors ausgeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung des akustisch wirksamen Elementes ist der Anschluß eines geschlossenen Rohrstückes, also eines Resonanzrohres, an die Zuführ¬ leitung. Solche Resonanzrohe sind als "Viertelwellenrohre" einschlägig bekannt. Wie bereits zum Helmholtz-Resonator angemerkt, wird allerdings auch das Resonanzrohr nicht unbedingt auf einer seiner Resonanzfrequenzen betrieben.
Mit besonderem Vorteil wird ein akustisch wirksames Ele¬ ment eingesetzt, das verstellbar ist zu Veränderung seiner akustischen Eigenschaften. Ein solches verstellbares akustisch wirksames Element kann ein Helmholtz-Resonator mit einem in seiner Länge verstellbaren Hals oder einem Topf mit variablem Volumen sein; auch ist ein Resonanzrohr möglich, das mit einem verstellbaren Schieber verschlossen ist und somit eine Anpassung seiner akustischen Eigen¬ schaften an die Anforderungen des jeweiligen Einzelfalls erlaubt. Insbesondere im Hinblick auf Nachrüstungen be¬ stehender Brennkammern ist der Einsatz verstellbarer akustisch wirksamer Elemente zu bevorzugen, da solche Elemente eine Anpassung an vorgegebene Anlagen gestatten. Auch kann es angebracht sein, das akustisch wirksame Element zu verstellen in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbinenanlage, da erfahrungsgemäß das Auftreten von Verbrennungsschwingungen relativ stark von der je¬ weiligen Belastung der Gasturbinenanlage abhängt. "
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung des akustisch wirksamen Elementes ist das Einfügen eines Hohlraumes in die Zuführleitung, wobei der Hohlraum ein "offenes Ende" der Zuführleitung im Sinne der Akustik darstellt. Mit Hilfe eines solchen Hohlraumes kann das Resonanzverhalten des unmittelbar an den Brenner angeschlossenen Teils der Zuführleitung gezielt beeinflußt werden, so daß Ver¬ brennungsschwingungen wirksam vermieden werden. Die "akustische Wirksamkeit" des Hohlraumes ist in diesem Zusammenhang nicht ein bestimmtes "Antwortverhalten" auf eine durch die Zuführleitung in den Hohlraum einlaufende akustische Welle, sondern einfach die Tatsache, daß eine akustische Welle in wohldefinierter Weise und praktisch vollständig an der Einmündung der Zuführleitung in den Hohlraum reflektiert wird. Somit ist der Teil der Zuführ¬ leitung zwischen Brenner und Hohlraum von den übrigen Teilen der Zuführleitung akustisch entkoppelt; in seinen akustischen Eigenschaften ist er mithin leicht theoretisch erfaßbar und auf die jeweiligen Anforderungen abstimmbar.
Es sei darauf hingewiesen, daß in einer Gasturbinenanlage ein akustischer Abschluß nach Art eines "geschlossenen Endes" in einer Zuführleitung kaum realisierbar wäre mittels einer kritisch durchströmten Blende, die beispiels- weise Teil einer Drosseleinrichtung sein könnte. Bekannt¬ lich wirkt eine kritisch durchströmte als Reflektor für akustische Wellen, da sie definitionsgemäß mit Schallge¬ schwindigkeit durchströmt wird und somit eine Wellenaus¬ breitung entgegen der durchfließenden Strömung nicht mög¬ lich ist. Die Gewährleistung einer solchen "kritischen Strömung" erfordert allerdings ein erhebliches Druckge¬ fälle über der Blende, was im Zusammenhang mit druckbe¬ lasteten Brennkammern nur mit Drücken in unpraktikabler Höhe in den Zuführleitungen erreichbar wäre. Somit ist festzuhalten, daß im Rahmen des bisherigen Standes der Technik in einer Gasturbinenanlage die Bildung eines akustischen Abschlusses in einer Brennstoff-Zuführleitung nicht praktikabel war.
Ein akustisch wirksames Element im vorliegenden Sinne kann auch ein an die Zuführleitung angekoppelter akustischer Sender, z. B. ein Lautsprecher, ein vibrierender Kolben oder eine vibrierende Membran sein. Ein solches Element wird mit einem von der Brennkammer abgenommenen akusti¬ schen Signal, das kennzeichnend ist für die dortigen akustischen Verhältnisse, beaufschlagt. Ein solches akustisches Signal kann beispielsweise mittels eines an die Brennkammer, vorzugsweise unmittelbar an das Flamm¬ rohr, akustisch angekoppelten Aufnehmers, z. B. eines Mikrophones, erhalten werden. Von dem Mikrophon kann das Signal über eine Signalleitung einem Verstärker und von dort über eine weitere Signalleitung dem akustischen Sender zugestellt werden. Mittels des Senders wird eine "aktive" Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen neben oder anstelle der bisher erläuterten "passiven" Unter- drückung ermöglicht, wobei die Zuführleitung von außen, gewissermaßen zwangsweise, mit einem den Verbrennungs¬ schwingungen entgegenwirkenden akustischen Signal beauf¬ schlagt wird. Auf diese Weise kann auch und insbesondere dann, wenn Schwingungen von der Brennkammer nur sehr wenig in die Zuführleitung eingekoppelt werden, eine Unter¬ drückung der Verbrennungsschwingungen bewerkstelligt werden; dies insbesondere deshalb, weil neben der Ein- kopplung aus der Brennkammer eine zusätzliche Möglichkeit zur Einkopplung von Schwingungen in die Zuführleitung ge¬ nutzt wird. Wie bereits erwähnt, ist die Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen unter Umständen gebunden an die Gewährleistung bestimmter Phasenbeziehungen zwischen akustischen Schwingungen in der Brennkammer und akusti¬ schen Schwingungen in der Zuführleitung. Dementsprechend muß Sorge getragen werden, daß die Beaufschlagung der Zu- führleitung mittels des Senders mit einer solchen Phasen¬ beziehung erfolgt. Hierfür sind ggf. entsprechende Ein¬ steilglieder vorzusehen, beispielsweise als elektronische Phasenschieber in den zu dem Sender führenden Sigπallei- tungen. Grundsätzlich ist zur Speisung des Senders auch ein Verstärker einsetzbar, der selbst eine solche Möglich- eit zur Einstellung der Phase bietet. Ein von einem akustischen Aufnehmer beaufschlagter Sender wird im Zu¬ sammenhang mit flüssigem Brennstoff bevorzugt eingesetzt.
Wie die Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer Brennkammer mit mehreren Brennern erfolgt, ist grundsätzlich Sache des Einzelfalls, da es hierfür u. a. darauf ankommt, inwieweit Schwingungen in den zu den Brennern führenden Zuführleitungen einander beeinflussen. Insbesondere dann, wenn die Verbrennungsschwiπgungen mit relativ niedrig liegenden Resonanzfrequenzen der Brenn¬ kammer erfolgen, ist davon auszugehen, daß die akustische Kopplung der Zuführleitung eines ersten Brenners auf die Zuführleitung eines zweiten Brenners relativ klein ist. Unter solchen Umständen sind die akustischen Wirkungen der Zuführleitungen weitgehend unabhängig voneinander, woraus folgt, daß in jeder Zuführleitung ein eigenes akustisch wirksames Element zur Unterdrückung der Verbrennungs¬ schwingungen erforderlich ist. In anderen Fällen, wenn es nennenswerte Rückwirkungen von Zuführleitung zu Zuführ¬ leitung gibt, kann es möglich und ausreichend sein, nur einen Teil der Zuführleitungen mit akustisch wirksamen Elementen zu versehen.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuführleitung zu¬ mindest zwei akustisch wirksame Elemente vorgesehen sind. Dabei ist besonders günstig, wenn ein akustisch wirksames Element ein Hohlraum ist, der ein akustisch offenes Ende der Zuführleitung darstellt, und ein weiteres akustisch wirksames Element eingefügt ist zwischen den Hohlraum und den Brenner. Im Rahmen dieser Ausgestaltung wird der Hohl¬ raum dazu benutzt, ein an den Brenner anschließendes Stück der Zuführleitung akustisch abzuschließen und von der übrigen Zuführleitung zu entkoppeln; das weitere akustisch wirksame Element kann genutzt werden, um das somit er¬ haltene Stück der Zuführleitung zur Unterdrückung von Ver¬ brennungsschwingungen abzustimmen. In jedem Fall bedeutet die Einfügung mehrerer akustisch wirksamer Elemente in eine Zuführleitung, daß mehrere Parameter zur Abstimmung der Zuführleitung zur Verfügung stehen, was die Unter¬ drückung von Verbrennungsschwingungen wesentlich verein¬ fachen kann.
Die Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage kann zum einen mit Hilfe des an die Zuführleitung angekoppelten akustisch wirksamen Elementes derart realisiert werden, daß in der Zuführleitung akustische Schwingungen, die zu einer in¬ stationären Verbrennung führen können, weitestgehend unter- drückt werden. Dies läuft unter Umständen darauf hinaus, in der Zuführleitung Resonanzfrequenzen zu vermeiden, die etwa den Resonanzfrequenzen der Brennkammer entsprechen.
Die Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in der Brennkammer kann zum anderen auch unter expliziter Inkauf¬ nahme von Schwingungen in der Zuführleitung durchgeführt werden, indem durch das akustisch wirksame Element die akustischen Eigenschaften der Zuführleitung dahingehend eingestellt werden, daß eine in der Zuführleitung ange¬ regte Schwingung der Verbrennungsschwingung in der Brenn- kammer entgegenwirkt. Diese Maßnahme geht davon aus, daß eine durch eine Schwingung in der Brennkammer angefachte Schwingung in der Zuführleitung auch eine bestimmte Phasen¬ beziehung zu der Verbrennungsschwiπgung haben muß. Somit kann die gegenseitige Kopplung der erwähnten Schwingungen so beeinflußt werden, daß die Schwingungen einander nicht unterstützen, sondern einander entgegenwirken. Diese Ein¬ stellung der Phasenbeziehung zwischen den Schwingungen muß Rücksicht auf die Dynamik des Verbrennungsprozesses nehmen. Dabei ist insbesondere zu beachten, daß die Ver- brennung eines aus einem Brenner austretenden Brennstoffes erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung eintritt und darüber hinaus einen gewissen Zeitraum beansprucht. Die Phasenbeziehung zwischen Verbrennungsschwingung und Schwingung in der Zuführleitung muß unter Berücksichtigung dieser Verzögerung bemessen werden.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Zur Verdeutlichung besonderer Merkmale ist die Zeichnung schematisiert und nicht maßstäblich ausgeführt. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Brennkammer mit Zuführleitungen für Brenn¬ stoff, ergänzt um eine Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen;
Fig. 2 und 3 Ausführungsbeispiele eines akustisch wirk¬ samen Elementes in einer Zuführleitung;
Fig. 4 und Fig. 5 Ausführungsbeispiele eines verstellbaren oder steuerbaren akustisch wirksamen Elementes in einer Zuführleitung.
Fig. 1 zeigt eine Brennkammer 1, die, ggf. als eine von mehreren, in einer (nicht dargestellten) Gasturbinenanlage einsetzbar ist, mit zwei Brennern 2, die durch jeweils eine Zuführleitung 3 mit einem einen Brennstoff tragenden Gas beaufschlagbar sind. Es sei angenommen, daß die Brenn¬ kammer 1 und die Zuführleitungen 3 zu akustischen Schwin¬ gungen fähig sind, wie dies bei Komponenten von Gastur- binenanlagen in aller Regel der Fall ist. Hierfür wichtig Ist insbesondere die Tatsache, daß Zuführleitungen 3 und Brennkammern 1 von Gasturbinenanlagen überlicherweise nicht mit akustisch dämmenden Stoffen hergestellt oder gefüllt sind, da solche Stoffe die in den Brennkammern 1 oder Zuführleitungen 3 hervorgerufenen Druckverluste erhöhen, was für den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage stets sehr nachteilig ist. Die Brennkammer 1 ist gebildet aus einem Flammrohr 8 mit einem Boden 9, in den die Brenner 2 eingelassen sind; das Flammrohr 8 ist - im wesentlichen konzentrisch - umgeben von einem Außenrohr 10. Zwischen dem Flammrohr 8 und dem Außenrohr 10 kann Verbrennungsluft von einem Kompressor der Gasturbinenan¬ lage zu den Brennern 2 strömen. In den Brennern 2 wird die Verbrennungsluft mit Brennstoff versetzt; die Verbrennung findet im wesentlichen statt in dem Flammrohr 8, aus dem die Verbrennungsgase anschließend zu einer Gasturbine der Gasturbinenanlage abströmen.
Die Brenner 2 sind sogenannte Vormischbrenner. Das den Brennstoff tragende Gas wird durch Hauptdüsen 11 der Ver¬ brennungsluft zugeführt, in einer Beschaufelung 12 inten¬ siv mit dieser vermischt und erst beim Eintritt in das Flammrohr 8 entzündet.
Zur Stabilisierung jedes Brenners 2 ist dieser noch ver¬ sehen mit einer Nebendüse 13, die einen gewissen Anteil von Brennstoff unmittelbar in das Flammrohr 8 einführt, wo dieser in einer Diffusionsflamme verbrennt und so eine "Pilotflamme" zur Stabilisierung der Vormischverbrennung liefert.
Die untere Zuführleitung 3 weist als akustisch wirksames Element einen seitlich angeschlossenen Helmholtz-Resonator 4 auf. An der oberen Zuführleitung 3 ist ein koaxial um diese herum angeordneter Helmholtz-Resonator 5 vorgesehen. Wesentliche Elemente jedes Helmholtz-Resonators 4, 5 sind ein Hals 14, d. h. ein enges Rohrstück, und ein Topf 15, d. h. ein relativ großräumiger Hohlraum, der sich an den Hals 14 anschließt. Die Wirkungsweise des Helmholtz-Re¬ sonators 4, 5 ist bereits erläutert worden.
In jede Zuführleitung 3 eingefügt ist ein Stellventil 16; beide Stellventile 16 sind über eine sich verzweigende Steuerleitung 17 ansteuerbar und erlauben so, ggf. in Verbindung mit weiteren Maßnahmen, eine Einstellung der in der Brennkammer 1 erzeugten thermischen Leistung und eine Leistungssteuerung der Gasturbinenanlage. U. U. können die Stellventile 16 (oder ähnliche Komponenten) akustische Abschlüsse der Zuführleitungen 3 darstellen; dies ist dann der Fall, wenn an ihnen Druckverluste in merklicher Höhe eintreten. Die Einfügung von Drosselstellen in Zu¬ führleitungen 3 ist allerdings dann üblich und von Vor¬ teil, wenn diese Zuführleitungen 3 von einer gemeinsamen Fördereinrichtung mit Brennstoff beaufschlagt werden. In aller Regel dienen Drosselstellen in den Zuführleitungen 3 dazu, die Verteilung des Brennstoffes auf diese Zuführlei¬ tungen 3 zu vergleichmäßigen.
Die Fig. 2 und 3 betreffen andere Möglichkeiten hinsicht¬ lich der Ausgestaltung des akustisch wirksamen Elementes. Gemäß Fig. 2 ist an die Zuführleitung 3 ein Resonanzrohr 6 angekoppelt. Das eine Ende des Resoπanzrohrs 6 mündet in die Zuführleitung 3; das der Zuführleitung 3 abgewandte andere Ende ist verschlossen. Eine in der Zuführleitung 3 erregte akustische Schwingung wird in das Resonanzrohr 6 eingekoppelt; das akustische Verhalten des Resonanzrohres 6 beeinflußt die akustischen Eigenschaften der Zuführlei¬ tung 3. Das Resonanzrohr 6 kann insbesondere zur Ein¬ stellung der Resonanzfrequenz für das Gebilde aus der Zu¬ führleitung 3 und dem Resonanzrohr 6 verwendet werden.
Gemäß Fig. 3 ist in die Zuführleitung 3 ein großräumiger Hohlraum 7 eingefügt. Dieser Hohlraum 7 stellt ein akustisch offenes Ende der Zuführleitung 3 dar; er ent¬ koppelt das Stück der Zuführleitung 3 zwischen sich und dem (nicht dargestellten) Brenner 2 von dem von ihm zur Fördereinrichtung führenden Stück der Zuführleitung 3. Durch geeignete Positionierung des Hohlraums 7 sind die akustischen Eigenschaften der Zuführleitung 3 zwischen Brenner 2 und Hohlraum 7 so abgestimmt, daß die Ver¬ brennungsschwingungen unterdrückt sind.
Fig. 4 zeigt, ähnlich Fig. 2, ein an die Zuführleitung 3 angekoppeltes Resonanzrohr 6 als akustisch wirksames Ele¬ ment. Gemäß Fig. 4 ist das Resonanzrohr 6 endseitig ver¬ schlossen mittels eines beweglichen Schiebers 18, der eine Einstellung der akustischen Eigenschaften des Resonanz¬ rohrs 6 (beispielsweise seiner Resonanzfrequenzen) er¬ laubt. Durch eine Verstellung des Schiebers 18 kann das Resonanzrohr 6 an verschiedene Betriebszustände der Brenn¬ kammer 1, mit der die Zuführleitung 3 verbunden ist, ange- paßt werden. Dies kommt insbesonders dem Bestreben ent¬ gegen, eine Gasturbinenanlage über einen möglichst großen Leistungsbereich sicher betreiben zu können.
Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung des akustisch wirksamen Elements mittels eines akustischen Senders, und zwar eines Lautsprechers 19, der in einem Gehäuse 20 an die Zuführleitung 3 angekoppelt oder ange¬ setzt ist und der mit einem von dem Flammrohr 8 abge¬ nommenen akustischen Signal beaufschlagt wird. Dieses Signal wird mittels eines Mikrophons 21 von dem Flammrohr 8 abgenommen und über eine Signalleitung 22 dem Ver¬ stärker 23 zugeführt, über eine weitere Signalleitung 24 gelangt es zum Lautsprecher 19. Zur Einstellung der Phase der in der Zuführleitung 3 durch den Lautsprecher 19 hervorgerufenen akustischen Schwingung kann der Verstärker 23 beispielsweise ein Einsteilglied 25, dargestellt als Kondensator mit variabler Kapazität, zur Einstellung der Phase seines Ausgangssignals enthalten. Evtl. kann durch entsprechende Wahl der Position des Mikrophons 21 an dem Flammrohr 8 die korrekte Phasenbeziehung erreicht werden. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, anstelle eines einzelnen Mikrophons 21 eine Mehrzahl solcher Mikro¬ phone 21 vorzusehen, was möglicherweise im Hinblick auf die Aufbereitung des dem Lautsprecher 19 zugeführten Signals vorteilhaft sein kann. Selbstverständlich können in einer Zuführleitung 3 zu einem Brenner 2 mehrere, z. B. zwei, akustisch wirksame Elemente 7, 19 vorgesehen sein. Die Kombination eines großräumigen Hohlraums 7, wie ge¬ zeigt in Fig. 5, mit einem anderen akustisch wirksamen Element 19 ist dabei besonders bevorzugt. Der Hohlraum 7 dient dazu, das Stück der Zuführleituπg 3 zwischen dem
Hohlraum 7 und dem Brenner 2 von der übrigen Zuführleitung 3 akustisch zu entkoppeln. Zwischen dem Brenner 2 und dem Hohlraum 7 ist der Lautsprecher 19 angeschlossen.
Die Wirkungsweise der in der Zeichnung dargestellten akustisch wirksamen Elemente 4, 5, 6, 7, 19 kann ent¬ sprechend jeder Ausführung der Erfindung ausgenutzt wer¬ den, da beide Ausführungen im wesentlichen über dieselben konstruktiven Maßnahmen realisierbar sind. Im Einzelfall hängt die Wirkungsweise des akustisch wirksamen Elementes 4, 5, 6, 7, 19 von seiner Auslegung und Abstimmung ab, wobei unter Umständen nicht nur auf die Lage einer ein¬ zigen Resonanzfrequenz abzustellen ist, sondern auf die Anordnung einer Mehrzahl oder Vielzahl von Resonanzfre¬ quenzen und eventueller anderer akustischer Eigenschaften, Abschließend sei bemerkt, daß neben den Resonanzeigen¬ schaften eines akustisch wirksamen Elementes 4, 5, 6, 7, 19 auch seine Dämpfungseigenschaften von Bedeutung sein können, was insbesondere dann wichtig und vorteilhaft sein kann, wenn das akustisch wirksame Element nicht un- mittelbar von dem die Zuführleitung 3 durchströmenden
Brennstoff durchströmt wird. Dann kann auch seine, gün¬ stigerweise einstellbare, Dämpfung mit Vorteil ausgenutzt werden.
Die Erfindung ermöglicht die Unterdrückung von Verbren¬ nungsschwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbinen¬ anlage auf einfache und sichere Weise. Die erfindungsge¬ mäße Einrichtung ist leicht den Erfordernissen des Ein¬ zelfalls anpaßbar und ermöglicht einen sicheren und zu- verlässigen Betrieb der Gasturbinenanlage.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwin¬ gungen in einer zu akustischen Schwingungen fähigen Brenn- kammer (1) einer Gasturbinenanlage, welche Brennkammer (1) einen Brenner (2) zur Verbrennung eines einen Brennstoff tragenden Fluides aufweist, welches Fluid dem Brenner (2) durch eine zu akustischen Schwingungen fähige und akustisch an die Brennkammer (1) angekoppelte Zuführ- leitung (3) zuführbar ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein an die Zuführleitung (3) angekoppeltes, akustisch wirksames Element (4, 5; 6; 7; 19), durch das die Zuführ¬ leitung (3) derart akustisch abgestimmt ist, daß eine in- stationäre Verbrennung aufgrund der akustischen Schwingun¬ gen in der Zuführleitung (3) im wesentlichen ausge¬ schlossen ist.
2. Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwin- gungen in einer zu akustischen Schwingungen fähigen Brenn¬ kammer (1) einer Gasturbinenanlage, welche Brennkammer (1) einen Brenner (2) zur Verbrennung eines einen Brennstoff tragenden Fluides aufweist, welches Fluid dem Brenner (2) durch eine zu akustischen Schwingungen fähige und akustisch an die Brennkammer (1) angekoppelte Zuführ¬ leitung (3) zuführbar ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein an die Zuführleitung (3) angekoppeltes, akustisch wirksames Element (4, 5; 6; 7; 19), durch das die Zuführ- leitung (3) derart akustisch abgestimmt ist, daß eine
Rückwirkung von akustischen Schwingungen in der Zuführ¬ leitung (3) auf akustische Schwingungen in der Brennkammer (1), welche Rückwirkung bedingt ist durch eine instatio¬ näre Verbrennung aufgrund der akustischen Schwingungen in der Zuführleitung (3), der Entstehung von Verbrennungs¬ schwingungen entgegenwirkt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das akustisch wirksame Element (4,5; 6; 7; 19) ein Helmholtz- Resonator (4,5) ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der der Helmholtz- Resonator (5) koaxial die Zuführleitung (3) umgibt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das akustisch wirksame Element (4,5; 6; 7; 19) ein ver- schlossenes Resonanzrohr (6) ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das akustisch wirksame Element (4, 5; 6; 7; 19) zur Veränderung seiner akustischen Eigenschaften verstell- bar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das akustisch wirksame Element (4,5; 6; 7; 19) ein in die Zuführleitung (3) integrierter Hohlraum (7) ist, der ein akustisch offenes Ende der Zuführleitung (3) darstellt.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das akustisch wirksame Element (4, 5; 6; 7; 19) ein akusti¬ scher Sender, insbesondere ein Lautsprecher (19) ist, der mit einem von der Brennkammer (1) abgenommenen akustischen Signal betreibbar ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der der akustische Sender ein Lautsprecher (19) ist, der über Signalleitungen (22, 24) und einen Verstärker (23) mit einem an die Brenn¬ kammer (1), vorzugsweise an das Flammrohr (8), akustisch angekoppelten akustischen Aufnehmer (21) verbunden ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zumindest zwei akustisch wirksame Elemente (4, 5;
6; 7; 19) aufweist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, welche einen Hohlraum (7) aufweist, der ein akustisch offenes Ende der Zuführ¬ leitung (3) darstellt, wobei zwischen den Hohlraum (7) und den Brenner (2) ein weiteres akustisch wirksames Element (4, 5; 6; 19) in die Zuführleitung (3) eingefügt ist.
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