EP1255074B1 - Oscillation reduction in a combustion chamber - Google Patents

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Turbomaschinen. Sie bezieht sich auf eine Brennkammer und ein Verfahren zur Reduktion thermoakustischer Schwingungen in einer Brennkammer gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9. Eine solche Brennkammer und ein solches Verfahren sind aus Dokument EP-A-0 962 704 schon bekannt.The invention relates to the field of thermal turbomachinery. It refers to a combustion chamber and a method of reduction thermoacoustic oscillations in a combustion chamber according to the preamble of claims 1 and 9. Such a combustion chamber and such a method is known from document EP-A-0 962 704 already known.

Stand der TechnikState of the art

In Ringbrennkammern von Strömungsmaschinen bilden sich unter bestimmten Betriebszuständen selbsterregte Druckschwingungen, die ihre Ursache in einer gegenseitigen Beeinflussung von thermoakustischen Druckpulsationen und lokaler Wärmefreisetzung haben. Eine solche Druckschwingung wird als selbsterregte Brennkammerpulsation oder als Instabilität bezeichnet und stellt bei modernen Industriegasturbinen ein grosses Problem dar, da diese eine Vormischverbrennung verwenden. Bei der Vormischverbrennung werden ein Brennstoff und Luft vor der Verbrennung möglichst homogen vermischt und erst nach der Mischung gezündet. Die Verbrennung soll möglichst mager stattfinden, um NOx-Emissionen zu verringern. Diese magere Verbrennung bedingt aber auch eine niedrige Flammentemperatur und erschwert eine Stabilisierung der Flamme. Dies trifft vor allem, aber nicht nur, auf drallstabilisierte Vormischbrenner zu. Sind mehrere Brenner in einer Ringbrennkammer angeordnet, so kann es zu azimuthalen, das heisst entlang des Brennkammerumfangs wirksamen Verbrennungspulsationen kommen. Die aus diesen Verbrennungspulsationen resultierenden Druckamplituden können Grössen erreichen, welche die mechanische Integrität der Maschine gefährden. Dies ist unerwünscht und wird durch verschiedene Massnahmen zu verhindern versucht.In annular combustion chambers of turbomachines form under certain Operating conditions self-excited pressure oscillations, which are caused by a mutual influence of thermoacoustic pressure pulsations and have local heat release. Such a pressure oscillation is called self-excited combustion chamber pulsation or referred to as instability and represents a major problem in modern industrial gas turbines, since these use premix combustion. In the premix combustion are a fuel and air mixed as homogeneously as possible before combustion and ignited only after the mixture. The combustion should be as lean as possible take place to reduce NOx emissions. This lean burn but also requires a low flame temperature and makes it difficult Stabilization of the flame. This applies especially, but not only, to spin-stabilized Premix burner too. Are several burners in an annular combustion chamber arranged, it may be too azimuthal, that is along the Brennkammerumfangs effective combustion pulsations come. The from these combustion pulsations resulting pressure amplitudes Achieve sizes that endanger the mechanical integrity of the machine. This is undesirable and is due to various measures try to prevent.

Eine bekannte Methode zur Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen ist ein Einbau von sogenannten Helmholtz-Resonatoren, wie in "Technische Akustik", Ivar Veit, Vogel Buchverlag, 1996, Seite 84, gezeigt wird. Diese Helmholtz-Resonatoren haben jedoch den Nachteil, dass sie nur für eine vorgegebene Frequenz ausgelegt sind, und dass bei einem Aufkommen weiterer Pulsationen mit anderen Frequenzen weitere, für diese Frequenzen ausgelegte Resonatoren eingebaut werden müssen.A known method for suppressing thermoacoustic vibrations is an installation of so-called Helmholtz resonators, as in "Technical Acoustics ", Ivar Veit, Vogel Buchverlag, 1996, page 84 However, Helmholtz resonators have the disadvantage that they only for one given frequency are designed, and that at an advent of more Pulsations with other frequencies further, for these frequencies designed resonators must be installed.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer und ein Verfahren zur Reduktion thermoakustischer Schwingungen in einer Brennkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile behebt.It is therefore an object of the invention, a combustion chamber and a method for the reduction of thermoacoustic vibrations in a combustion chamber of to create the aforementioned type, which has the above-mentioned disadvantages fixes.

Diese Aufgabe lösen eine Brennkammer und ein Verfahren zur Reduktion thermoakustischer Schwingungen in einer Brennkammer mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9. This task is solved by a combustion chamber and a method of reduction thermoacoustic oscillations in a combustion chamber with the features of claims 1 and 9.

Die erfindungsgemässe Brennkammer weist also eine Anzahl b0 von ringförmig angeordneten Brennern auf, von denen eine Anzahl k von modulierbaren Brennern Mittel zur Modulation eines Brennstoffmassenstroms aufweisen, wobei k<b0 ist und die modulierbaren Brenner derart angeordnet sind, dass zwischen je zwei modulierbaren Brennern je a1, a2, ... ak nicht modulierbare Brenner angeordnet sind, und dass die Werte a1+1, a2+1, ..., ak+1 keine ganzzahligen Teiler von b0 sind.The inventive combustion chamber thus has a number b0 of annular arranged burners, of which a number k of modulable Burners have means for modulating a fuel mass flow, where k <b0 and the modulatable burners are arranged such that between each two modulatable burners each a1, a2, ... ak not modulatable Burner are arranged, and that the values a1 + 1, a2 + 1, ..., ak + 1 are not integer divisors of b0.

Dadurch wird es möglich, mit einer minimalen Anzahl von modulierbaren Brennern eine maximale Anzahl von azimuthalen Schwingungsmodi zu dämpfen. Es ist beim gegenwärtigen Stand der Technik nicht möglich, das Auftreten einer azimuthalen Verbrennungsschwingung während der Designphase der Brennkammer zweifelsfrei vorherzusagen. Jedes Paar von modulierbaren Brennern kann deshalb mindestens eine unerwünschte Schwingung oder Instabilität hervorrufen, die aber durch den oder die erfindungsgemäss angeordneten andern modulierbaren Brenner gedämpft wird.This makes it possible with a minimum number of modulable Burners to a maximum number of azimuthal modes of vibration dampen. It is not possible in the current state of the art that Occurrence of an azimuthal combustion vibration during the design phase predict the combustion chamber beyond doubt. Every pair of modulable Burners can therefore have at least one unwanted vibration or cause instability, but by the or the invention arranged other modulated burner is attenuated.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist ein grösster Wert von
   kgV(b0, a1+1), kgV(b0, a2+1), ... kgV(b0, ak+1)
maximal, wobei kgV das kleinste gemeinsame Vielfache bezeichnet.In a preferred embodiment of the subject invention is a maximum value of
kgV (b0, a1 + 1), kgV (b0, a2 + 1), ... kgV (b0, ak + 1)
maximum, where kgV denotes the least common multiple.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beträgt die Anzahl k der modulierbaren Brenner mindestens drei.In a further preferred embodiment of the subject invention the number k of modulated burners is at least three.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind die a1, a2, ... ak voneinander verschieden.In a further preferred embodiment of the subject invention the a1, a2, ... ak are different from each other.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind auch Abstände zwischen modulierbaren Brennern berücksichtigt, zwischen denen genau ein modulierbarer Brenner angeordnet ist: Die modulierbaren Brenner sind also derart angeordnet, dass ein grösster Wert von
   kgV(b0, a1+1), kgV(b0, a2+1), ... kgV(b0, ak+1),
   kgV(b0, a1+a2+2), kgV(b0, a2+a3+2), ... kgV(b0, ak+a1+2)
   maximal ist.In a further preferred embodiment of the subject invention also distances between modulatable burners are taken into account, between which exactly one modulatable burner is arranged: The modulated burners are thus arranged such that a maximum value of
kgV (b0, a1 + 1), kgV (b0, a2 + 1), ... kgV (b0, ak + 1),
kgV (b0, a1 + a2 + 2), kgV (b0, a2 + a3 + 2), ... kgV (b0, ak + a1 + 2)
is maximum.

Diese bevorzugten Ausführungsformen haben den Vorteil, dass sie Eigenfrequenzen von Schwingungen oder Modi, welche entsprechend der Anordnung der modulierbaren Brenner noch auftreten können, weiter erhöhen.These preferred embodiments have the advantage of having natural frequencies of vibrations or modes corresponding to the arrangement the modulable burner can still occur, further increase.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die modulierbaren Brenner derart ausgebildet, dass sie ihren Brennstoffmassenstrom mit Frequenzen modulieren, welche von Eigenfrequenzen von Modi, die aufgrund der Anordnung der modulierbaren Brenner entstehen, verschieden sind. Alle modulierten Brenner haben jeweils die Eigenschaft, dass ihre Modulationsfrequenzen von der durch die geometrischen und thermo-physikalischen Gegebenheiten der Brennkammer bestimmten, natürlichen Instabilitätsfrequenz der Brennkammer verschieden sind.In a further preferred embodiment of the invention, the modulatable Burner designed such that it their fuel mass flow with frequencies modulating which of natural frequencies of Modes that arise due to the arrangement of the modulated burners, are different. All modulated burners have the property that their modulation frequencies from that by the geometric and thermo-physical conditions of the combustion chamber specific, natural Instability frequency of the combustion chamber are different.

Im erfindungsgemässen Verfahren zur Reduktion thermoakustischer Schwingungen in einer annularen Brennkammer mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, von denen mehrere modulierbare Brenner Mittel zur Modulation eines Brennstoffmassenstroms aufweisen, wobei die Anzahl von Brennern b0 beträgt, wird in einer Anzahl k der modulierbaren Brenner der Brennstoffmassenstrom moduliert, wobei diese modulierten Brenner derart angeordnet sind, dass zwischen je zwei modulierten Brennern je a1, a2, ... ak nichtmodulierte Brenner angeordnet sind, und die Abstände der Brenner a1+1, a2+1, ... , ak+1 keine ganzzahligen Teiler von b0 sind.In the inventive method for reducing thermoacoustic vibrations in an annular combustion chamber with a plurality of annularly arranged Burners, of which several modulated burners means of modulation a fuel mass flow, wherein the number of burners is b0, in a number k of the modulating burner is the Fuel mass flow modulated, these modulated burners such are arranged that between each two modulated burners each a1, a2, ... ak unmodulated burners are arranged, and the distances of the burners a1 + 1, a2 + 1, ..., ak + 1 are not integer divisors of b0.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt, in einer Brennkammer welche mit mehreren modulierbaren Brennern ausgerüstet ist, eine Dämpfung von Verbrennungspulsationen zu bewirken. In einer bevorzugten Variante der Erfindung geschieht dies durch Verwendung konstanter Modulationsfrequenzen, so dass im Betrieb der Brennkammer keine Messung von Pulsationen und eine aufwendige Regelung erforderlich sind.The inventive method allows, in a combustion chamber which with equipped with several modulatable burners, damping of combustion pulsations to effect. In a preferred variant of the invention this is done by using constant modulation frequencies, so that during operation of the combustion chamber no measurement of pulsations and a complicated control are required.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.Further preferred embodiments are defined in the dependent claims out.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

schematisch eine ringförmige Anordnung von Brennern einer Ringbrennkammer mit 24 Brennern gemäss der Erfindung;

Figur 2

schematisch eine ringförmige Anordnung von Brennern einer Ringbrennkammer mit 20 Brennern gemäss der Erfindung;

Figur 3

schematisch eine ringförmige Anordnung von Brennern einer Ringbrennkammer gemäss der Erfindung, wobei Brenner in radialer Richtung gegeneinander versetzt sind; und

Figur 4

schematisch eine Anordnung von Brennern einer Ringbrennkammer gemäss der Erfindung, welche zwei konzentrische ringförmige Anordnungen bilden.

In the following, the subject invention will be explained in more detail with reference to preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings. Show it:

FIG. 1

schematically an annular array of burners of an annular combustion chamber with 24 burners according to the invention;

FIG. 2

schematically an annular arrangement of burners of an annular combustion chamber with 20 burners according to the invention;

FIG. 3

schematically an annular arrangement of burners of an annular combustion chamber according to the invention, wherein burners are offset from each other in the radial direction; and

FIG. 4

schematically an arrangement of burners of an annular combustion chamber according to the invention, which form two concentric annular arrangements.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. The reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of references summarized. in principle In the figures, like parts are given the same reference numerals.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Figur 1 zeigt schematisch eine ringförmige Anordnung von Brennern einer Ringbrennkammer mit 24 Brennern. Brenner sind schematisch durch Kreise dargestellt, modulierbare Brenner 1,2,3 sind durch Kreise mit einem Kreuz dargestellt. Die Brennkammer ist Teil einer thermischen Turbomaschine oder Strömungsmaschine, insbesondere einer Industriegasturbine. Die Brennkammer ist vorzugsweise eine Ring- oder auch eine Ringrohrbrennkammer das heisst, ihr Feuerungsraum umschliesst einen Rotor der Gasturbine.FIG. 1 schematically shows an annular arrangement of burners Ring combustion chamber with 24 burners. Burners are schematic by circles shown, modulated burners 1,2,3 are by circles with a cross shown. The combustion chamber is part of a thermal turbomachine or Turbomachine, in particular an industrial gas turbine. The combustion chamber is preferably a ring or a ring tube combustion chamber that is, their firebox encloses a rotor of the gas turbine.

Unter einem Brenner oder Einzelbrenner wird im folgenden ein System zur Brennstoffzuführung, zur Einbringung des Brennstoffes in ein Arbeitsmedium, zur Vermischung des Brennstoffs mit dem Arbeitsmedium und gegebenenfalls zur Stabilisierung einer Flamme verstanden. Zur Erfüllung dieser Funktionen weist ein Brenner beispielsweise ein Flammrohr, eine Anordnung zur Drallstabilisierung der Flamme oder eine Brennstofflanze auf. Bei einem modulierbaren Brenner 1,2,3 wird ein Mittel zur Modulation des Brennstoffmassenstroms ebenfalls als Bestandteil des Brenners betrachtet.Below a burner or a single burner is a system for Fuel supply, for introducing the fuel into a working medium, for mixing the fuel with the working medium and optionally for stabilizing a flame. To fulfill this Functions, a burner, for example, a flame tube, an arrangement for swirl stabilization of the flame or a fuel lance. At a modulatable burner 1,2,3 becomes a means for modulating the fuel mass flow also considered as part of the burner.

Ein modulierbarer Brenner 1,2,3 weist beispielsweise ein Hauptventil und als Modulationsmittel ein parallel dazu geschaltetes Modulationsventil auf, welche dem Brenner den Brennstoffmassenstrom zuführen. Dabei wird das Hauptventil auf einen Massenstrom eingestellt, der unter einem Nennmassenstrom des Brenners liegt. Mit dem Modulationsventil wird ein zusätzlicher, mit einer Anregungsfrequenz von 0.1 bis 1000 Hz periodisch modulierter, Massenstrom addiert, so dass der gesamte Massenstrom des Brenners periodisch um einen Mittelwert in Höhe des Nennmassenstroms schwankt. Dadurch wird der Verbrennungsprozess in der Brennkammer zu einer periodischen Schwankung angeregt, welche selber unschädlich ist, jedoch den durch störende Verbrennungschwankungen hervorgerufenen periodischen Druckfluktuationen Energie entziehen, so dass diese gedämpft werden. Bei kleinen Brennstoffmassenströmen kann die Brennstoffmodulation auch durch ein einzelnes geeignetes Brennstoffventil pro moduliertem Brenner geschehen.A modulating burner 1,2,3 has, for example, a main valve and as Modulation means on a parallel switched to modulation valve, which supply the burner with the fuel mass flow. This is the Main valve set to a mass flow below a nominal mass flow the burner is located. With the modulation valve is an additional, periodically modulated with an excitation frequency of 0.1 to 1000 Hz, Mass flow added so that the total mass flow of the burner periodically by an average value equal to the nominal mass flow fluctuates. This increases the combustion process in the combustion chamber a periodic fluctuation excited, which is harmless itself, however the caused by disturbing combustion fluctuations periodic Pressure fluctuations remove energy, so that they are damped. At low fuel mass flows, the fuel modulation can also by a single suitable fuel valve per modulated burner happen.

Der Nennmassenstrom des Brennstoffs wird durch eine überlagerte Regelung der Gasturbine vorgegeben, welche beispielsweise Leistung, Drehzahl und/oder Temperaturen der Gasturbine regelt und überwacht.The nominal mass flow of the fuel is controlled by a superimposed control the gas turbine predetermined, which, for example, power, speed and / or temperatures of the gas turbine regulates and monitors.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weisen mehrere Brenner ein gemeinsames Hauptventil auf, und weisen einzelne modulierbare Brenner 1,2,3 je ein zugeordnetes Modulationsventil zur Hinzufügung eines modulierten Massenstroms auf.In another embodiment of the invention, a plurality of burners common main valve, and have individual modulating burner 1,2,3 each associated modulation valve for adding a modulated Mass flow on.

Die Anordnung gemäss Figur 1 weist b0=24 Brenner auf, wovon in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung k=3 Brenner modulierbar sind, also ein erster modulierbarer Brenner 1, ein zweiter modulierbarer Brenner 2 und ein dritter modulierbarer Brenner 3.The arrangement according to Figure 1 has b0 = 24 burners, of which in a preferred Embodiment of the invention k = 3 burners can be modulated, that is to say a first modulatable burner 1, a second modulatable burner 2 and a third modulatable burner 3.

Erfindungsgemäss ist nur ein Teil der Brenner, vorzugsweise weniger als die Hälfte oder weniger als ein Viertel der Brenner, modulierbar, und sind die modulierbaren Brenner derart angeordnet, dass zwischen jedem Paar von benachbarten modulierbaren Brennern je a1, a2, ... ak nicht modulierbare Brenner angeordnet sind, und dass die Werte a1+1, a2+1, ..., ak+1 keine ganzzahligen Teiler von b0 sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein grösster Wert von
   kgV(b0, a1+1), kgV(b0, a2+1), ... kgV(b0, ak+1)
maximal, wobei kgV das kleinste gemeinsame Vielfache bezeichnet. Die Summe a1+a2+ ... +ak+k beträgt immer b0.According to the invention, only a part of the burners, preferably less than half or less than a quarter of the burners, is modulatable, and the modulatable burners are arranged such that between each pair of adjacent modulatable burners each a1, a2, ... ak are non-modulatable Are arranged and that the values a1 + 1, a2 + 1, ..., ak + 1 are not integer divisors of b0. In a preferred embodiment of the invention, a maximum value of
kgV (b0, a1 + 1), kgV (b0, a2 + 1), ... kgV (b0, ak + 1)
maximum, where kgV denotes the least common multiple. The sum a1 + a2 + ... + ak + k is always b0.

In der vorliegenden Ausführungsform ist a1=4, a2=8, a3=9. Die kleinsten gemeinsamen Vielfachen von {b0, a1+1}, {b0, a2+1}, {b0, a3+1} betragen hier 120, 72 und 120. Der grösste dieser Werte ist also 120. Azimuthale akustische Schwingungen breiten sich in Ringbrennkammern stets in solchen Moden aus, dass sich ein oder mehrere Druckknoten an solchen Brennern einstellen, die aufgrund nicht beeinflussbarer Strömungsvorgänge über ein dafür geeignetes Strömungsfeld verfügen. Die sich einstellende Mode wird dabei durch die aus maschinenbautechnischen Gründen meist symmetrische Anordnung der Brenner bestimmt. Die möglichen Instabilitätsfrequenzen ergeben sich aus der Brennkammerazimuthalen, die der Länge einer Vollwelle entspricht, bzw. deren ganzzahligen Teilern und Vielfachen. Meist stellt sich eine Mode ein, deren Schwingungsvorgänge vollständig auf 360° der Brennkammerazimuthalen verlaufen. Gemäss der akustisch-physikalischen Theorie kann sich eine azimuthale thermoakustische Schwingung in einer Ringbrennkammer auch in einer Mode ausbreiten, welche die Druckschwingung um mehr als 360° um die Azimuthale der Brennkammer herumlaufen lässt, bis sich wieder ein Druckknoten einstellen muss. Im Sinne der Erfindung stellt das kleinste gemeinsame Vielfache hier eine minimale Lauflänge, gemessen in einer Anzahl von Brennerdurchmessern, einer sich einstellenden Druckschwingung dar, nach der sich zum ersten Mal wieder ein Druckknoten einstellen kann. Da grosse Wellenlängen naturgemäss eine geringere Energie, hier eine geringere Druckamplitude, haben, kann der Sinn der Erfindung, die nachhaltige Reduktion der Druckfluktuationsamplituden, um so besser erreicht werden, je grösser das kleinste gemeinsame Vielfache ist.In the present embodiment, a1 = 4, a2 = 8, a3 = 9. The smallest common multiples of {b0, a1 + 1}, {b0, a2 + 1}, {b0, a3 + 1} are here 120, 72 and 120. The largest of these values is 120. Azimuthale acoustic Vibrations always propagate in annular combustion chambers in such modes out that one or more pressure nodes set on such burners, the flow processes that can not be influenced because of one have a suitable flow field. The self-adjusting fashion will be there due to the mechanical engineering reasons usually symmetrical Arrangement of burners determined. The possible instability frequencies result extending from the combustion chamber azimuthalen, which is the length of a full wave corresponds, or their integer divisors and multiples. Mostly turns a mode whose oscillations are completely azimuthal to 360 ° of the combustion chamber run. According to the acoustic-physical theory can be an azimuthal thermoacoustic oscillation in an annular combustion chamber also spread in a fashion that the pressure oscillation run around more than 360 ° around the azimuthal of the combustion chamber, until a pressure node has to set again. Within the meaning of the invention represents the smallest common multiple here a minimum run length, measured in a number of burner diameters, one adjusting Pressure oscillation, after the first time again a pressure node can adjust. Because large wavelengths naturally have a lower energy, here have a lower pressure amplitude, the sense of the invention, the lasting reduction of the pressure fluctuation amplitudes, so be better achieved, the greater the smallest common multiple.

Die Erfindung funktioniert wie folgt: Der erste modulierbare Brenner wird mit einer Frequenz angeregt, der von einer Eigenfrequenz einer azimuthalen Schwingung der Brennkammer verschieden ist. Dadurch wird eine Schwingung mit dieser Eigenfrequenz gedämpft und werden Schäden vermieden, die durch diese Schwingung hervorgerufen würden. Ist nur ein erster modulierbarer Brenner 1 vorhanden, so bedeutet dieses Vorhandensein eine Asymmetrie der Brennkammer mit ansonsten nicht modulierten Brennern. Diese Asymmetrie führt in der Regel zu einer azimuthalen Pulsation mit einer räumlichen Wellenlänge, die gleich dem Umfang der Brennkammer ist und welche einen Schwingungsknoten an der Stelle des ersten modulierten Brenners 1 aufweist. Diese Schwingung wird auch als (Grund-)Modus des schwingfähigen Systems bezeichnet. Höherfrequente Modi weisen zusätzliche Schwingungsknoten auf, und ihre Wellenlänge ist ein ganzzahliger Teiler der Brennkammerazimuthalen.The invention works as follows: The first modulatable burner is excited at a frequency that is of a natural frequency of an azimuthal Vibration of the combustion chamber is different. This will create a vibration dampened with this natural frequency and damage is avoided which would be caused by this vibration. Is only a first modulierbarer Burner 1 present, so this presence means one Asymmetry of the combustion chamber with otherwise non-modulated burners. This asymmetry usually leads to an azimuthal pulsation with a spatial wavelength, which is equal to the circumference of the combustion chamber and which modulates a node at the location of the first one Burner 1 has. This vibration is also called (basic) mode of the oscillatory system. Higher-frequency modes have additional Vibration node on, and their wavelength is an integer divisor the combustion chamber azimuth.

Um die durch den ersten modulierbaren Brenner 1 hervorgerufene Pulsation zu dämpfen, wird der zweite modulierbare Brenner 2 erfindungsgemäss plaziert. Dadurch liegt er nicht in einem Knoten des Grundmodus oder eines der ersten höherfrequenten Modi. Die Wellenlänge des nächsten Modus, der durch die Position des ersten und zweiten modulierbaren Brenners 1,2 beeinflussbar ist, entspricht dem doppelten Abstand zwischen den beiden modulierbaren Brennern.To the caused by the first modulating burner 1 pulsation To dampen, the second modulating burner 2 is placed according to the invention. As a result, he is not in a node of the basic mode or a the first higher frequency modes. The wavelength of the next mode, the influenced by the position of the first and second modulatable burner 1,2 is equal to twice the distance between the two modulatable Burners.

Dieser nächste Modus wird durch die erfindungsgemässe Plazierung des dritten modulierbaren Brenners 3 gedämpft. In Abhängigkeit von den genauen geometrischen und physikalischen Verhältnissen in der Brennkammer werden verbleibende Modi durch die Brennkammer selber und ohne aktive Einwirkung gedämpft.This next mode is achieved by the placement of the invention third modulated burner 3 attenuated. Depending on the exact geometric and physical conditions in the combustion chamber remaining modes through the combustion chamber itself and without active Action dampened.

Je höher die Anzahl der modulierbaren Brenner, desto grösser ist die Gefahr, dass sich zwischen zwei nahe beieinander liegenden modulierten Brennern eine hochfrequente Schwingung einstellen kann, welche die Modulationsfrequenz sogar überlagern kann. Dies ist keine azimuthale Instabilität im Sinne der Erfindung, da die Druckfluktuationen sich zwar auf der Azimuthalen abspielen, aber keine vollständig umlaufende Mode mehr haben. Sie verhalten sich dann eher wie Schwingungen in zwei kommunizierenden Röhren. Dieser Zustand muss auf jeden Fall vermieden werden, da sich hier sehr starke Druckfluktuationen einstellen würden. Also werden so viele modulierbare Brenner wie nötig aber so wenig wie möglich eingesetzt. Dadurch werden die Abstände zwischen den modulierbaren Brennern gross gehalten.The higher the number of modulating burners, the greater the risk that between two modulated burners close to each other can set a high-frequency oscillation, which is the modulation frequency even superimpose. This is not azimuthal instability in the sense of the invention, since the pressure fluctuations occur on the azimuthals, but do not have a completely circulating fashion anymore. They behave then more like vibrations in two communicating tubes. This Condition must be avoided in any case, since here are very strong Would set pressure fluctuations. So so many are modulable Burner as necessary but used as little as possible. This will be the Distances between the modulatable burners kept large.

Um höherfrequente Modi zu dämpfen oder ganz zu unterdrücken, sind eine oder mehrere der folgenden Bedingungen zu erfüllen:

1. Keiner der Werte {a1+1, a2+1, ..., ak+1} ist ein ganzzahliger Teiler von b0.

2. Ein grösster Wert von
   kgV(b0, a1+1), kgV(b0, a2+1), ... kgV(b0, ak+1)
ist maximal.

3. Mindestens drei von beliebig vielen ringförmig angeordneten Brennern sind modulierbare Brenner.

4. Keine der Zahlen a1,a2, ... ak sind gleich, also ∀i,j:ai≠aj, es sei denn, dass die vorhergehenden Bedingungen sonst nicht erfüllt werden können.
Diese Bedingung bewirkt auch, dass im Normalfall keine Achse existiert, zu welcher die Anordnung der modulierbaren Brenner spiegelsymmetrisch ist. Ist dies unvermeidbar, so muss die Modulationsfrequenz des mittleren Brenners so gewählt werden, dass sie kein ganzzahliger Teiler und auch kein ganzzahliges Vielfaches der natürlichen Instabilitätsfrequenz zwischen den Brennern ist.

5. Die Anordnung der modulierbaren Brenner 1,2,3,, ...,k maximiert ein kleinstes gemeinsames Vielfaches von {b0, a1+1, a2+1, ... ak+1, a1+a2+2, a2+a3+2, ... ak+a1+2}. Diese Bedingung bedeutet, dass auch Abstände zwischen modulierbaren Brennern, die nicht benachbart sind, sondern zwischen denen genau ein modulierbarer Brenner liegt, berücksichtigt werden.

To attenuate or completely suppress higher-frequency modes, one or more of the following conditions must be met:

1. None of the values {a1 + 1, a2 + 1, ..., ak + 1} is an integer divisor of b0.

2. A greatest value of
kgV (b0, a1 + 1), kgV (b0, a2 + 1), ... kgV (b0, ak + 1)
is maximum.

3. At least three of any number of annularly arranged burners are modulated burners.

4. None of the numbers a1, a2, ... ak are the same, that is, ∀i, j: ai ≠ aj, unless otherwise the preceding conditions can not be fulfilled.
This condition also causes that normally no axis exists, to which the arrangement of the modulated burner is mirror-symmetrical. If this is unavoidable, then the modulation frequency of the center burner must be chosen so that it is not an integer divisor nor an integer multiple of the natural instability frequency between the burners.

5. The arrangement of modulatable burners 1,2,3 ,, ..., k maximizes a least common multiple of {b0, a1 + 1, a2 + 1, ... ak + 1, a1 + a2 + 2, a2 + a3 + 2, ... ak + a1 + 2}. This condition means that also distances between modulatable burners, which are not adjacent, but between which exactly one modulatable burner, are considered.

Werte der Parameter k, a1,a2, ... ak, welche eine oder mehrere der geforderten Bedingungen erfüllen, werden heuristisch oder mittels nichtlinearer oder stochastischer Optimierungsverfahren ermittelt. In einer einfach zu implementierenden aber rechenaufwendigen Variante werden Werte der Parameter für ein gegebenes b0 durch systematische Generierung aller möglichen Wertekombinationen und durch Überprüfung der Bedingungen erzeugt. Beispielsweise wird ein Wert für k gewählt, wobei k vorzugsweise 3 ist oder zwischen 2 und 5 liegt. Dann werden zu diesem k systematisch alle Wertekombinationen von a1 ,a2, ... ak gewählt, für welche die Summe
   a1+a2+ ... +ak+k = b0
ist. Dieser Schritt wird für verschiedene Werte von k wiederholt. Die Überprüfung der Bedingungen geschieht vorzugsweise, indem zuerst die erste Bedingung entsprechend der obigen Liste überprüft wird. Falls mehrere Wertekombinationen die erste Bedingung erfüllen, werden von diesen Wertekombinationen jene ausgewählt, welche auch die zweite Bedingung erfüllen. Falls mehrere Wertekombinationen auch die zweite Bedingung erfüllen, werden von diesen Wertekombinationen jene ausgewählt, welche auch die dritte Bedingung erfüllen. Das Verfahren wird analog fortgesetzt, bis nur eine somit optimale Wertekombination übrigbleibt und/oder alle Bedingungen berücksichtigt sind. In einer Variante der Erfindung wird die Erfüllung der dritten Bedingung vor der Erfüllung der zweiten Bedingung überprüft.Values of the parameters k, a1, a2,... Ak, which fulfill one or more of the required conditions, are determined heuristically or by means of nonlinear or stochastic optimization methods. In an easy-to-implement but computationally expensive variant, values of the parameters for a given b0 are generated by systematically generating all possible value combinations and by checking the conditions. For example, a value is chosen for k, where k is preferably 3 or between 2 and 5. Then all value combinations of a1, a2, ... ak are chosen systematically for this k, for which the sum
a1 + a2 + ... + ak + k = b0
is. This step is repeated for different values of k. The checking of the conditions is preferably done by first checking the first condition according to the above list. If several value combinations satisfy the first condition, those value combinations are selected which also fulfill the second condition. If several value combinations also satisfy the second condition, those value combinations are selected which also fulfill the third condition. The process continues analogously until only one optimal value combination is left over and / or all conditions are taken into account. In a variant of the invention, the fulfillment of the third condition is checked before the fulfillment of the second condition.

Anregungsfrequenzen für die modulierbaren Brenner 1,2,3 werden vorzugsweise unterschiedlich und derart gewählt, dass sie keine der vorliegenden Schwingungsmodi anregen. Die Anregungsfrequenzen sind also von Eigenfrequenzen von Modi, die aufgrund der Anordnung der modulierten Brenner entstehen, verschieden. Typische Frequenzen azimuthaler thermoakustischer Verbrennungsinstabilitäten liegen in gegenwärtigen Ringbrennkammern bei etwa 50 - 80 Hz. Die Modulationsfrequenz kann deutlich niedriger gewählt werden und sollte für das genannte Beispiel bei etwa 20 - 30 Hz liegen. Die praktische Erfahrung zeigt, dass etwa 5% des Brennstoffmassenstroms moduliert werden müssen um eine Instabilität wirksam zu unterdrükken. Excitation frequencies for the modulated burners 1,2,3 are preferably different and chosen so that they are none of the present Stimulate vibration modes. The excitation frequencies are therefore of natural frequencies of modes, due to the arrangement of the modulated burner arise, different. Typical frequencies azimuthal thermoacoustic Combustion instabilities are present in current annular combustors at about 50 - 80 Hz. The modulation frequency can be significantly lower and should be about 20-30 Hz for the example mentioned. Practical experience shows that about 5% of the fuel mass flow must be modulated to effectively suppress instability.

Die Anregungsfrequenzen werden beispielsweise aufgrund von Berechnungen oder von Messungen von Eigenfrequenzen während einer Inbetriebnahme der Turbine bestimmt. Diese einmal bestimmten Anregungsfrequenzen werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den modulierbaren Brennern 1,2,3 zugeordnet. In einem Betrieb der Gasturbine wird jeder der modulierbaren Brenner 1,2,3 in einem "open-loop" oder ungeregelten Betrieb mit der jeweiligen Anregungsfrequenz angeregt. Es ist keine Messung von Pulsationen und/oder eine spezielle Regelung zur Ansteuerung der modulierbare Brenner 1,2,3 aufgrund von Messungen erforderlich.The excitation frequencies, for example, due to calculations or measurements of natural frequencies during commissioning the turbine determines. These once determined excitation frequencies In a preferred embodiment of the invention, the modulatable Assigned to burners 1,2,3. In one operation of the gas turbine everyone will the modulable burner 1,2,3 in an "open-loop" or unregulated Operation excited with the respective excitation frequency. It is not a measurement Pulsations and / or a special control for controlling the modulable burner 1,2,3 required due to measurements.

Figur 2 zeigt schematisch eine ringförmige Anordnung von Brennern einer Ringbrennkammer mit 20 Brennern. Darin sind a1 = 4, a2=7, a3= 6.Figure 2 shows schematically an annular arrangement of burners a Ring combustion chamber with 20 burners. Where a1 = 4, a2 = 7, a3 = 6.

Figur 3 zeigt schematisch eine ringförmige Anordnung von Brennern einer Ringbrennkammer, wobei Brenner in radialer Richtung gegeneinander versetzt sind. Solange dieser radiale Versatz relativ klein ist, wird die Anordnung gleich wie eine Anordnung ohne Versatz behandelt und werden modulierbare Brenner 1,2,3 wie oben beschrieben angeordnet. Falls der radiale Versatz grösser ist, kann die Anordnung als zwei konzentrische ringförmige Anordnungen von Brennern betrachtet werden, wie in Figur 4 gezeigt. In dieser Ausführungsform der Erfindung werden Abstände zwischen modulierbaren Brennern 1,2,34,5 für jede der beiden konzentrischen Anordnungen einzeln bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die beiden konzentrischen Anordnungen zumindest annähernd dieselben Abstände zwischen modulierbaren Brennern 1,2,34,5 auf, wobei die Anordnungen gegeneinander verdreht sind. In dieser Konfiguration ist jedoch zu beachten, dass sich auch zwischen den Brennern des inneren und des äusseren Kreises Verbrennungspulsationen ergeben können und daher auch hier die oben genannten Regeln gelten müssen. Die Vielzahl der eingebauten Brenner verringert hier jedoch drastisch die Anzahl der möglichen Kombinationen, bei denen alle Bedingungen erfüllt werden können. In den meisten Fällen ist dies nicht möglich. In diesen Fällen muss über die Abstände der modulierbaren Brenner zueinander und der Grundfrequenz der Brennkammer die Vorzugsfrequenz der Mode, deren halbe Wellenlänge dem Abstand zweier beliebiger Brenner entspricht bestimmt werden. Diese Frequenz und ihre ganzzahligen Vielfachen bzw. ganzzahligen Teiler gilt es bei der Wahl der Modulationsfrequenz unbedingt zu vermeiden.FIG. 3 schematically shows an annular arrangement of burners Ring combustion chamber, wherein burner offset in the radial direction against each other are. As long as this radial offset is relatively small, the arrangement becomes the same as an arrangement treated without offset and become modulatable Burner 1,2,3 arranged as described above. If the radial Larger, the arrangement can be designed as two concentric annular Arrangements of burners are considered, as shown in Figure 4. In In this embodiment of the invention, distances between modulatable Burners 1,2,34,5 for each of the two concentric arrangements individually determined. In a preferred embodiment of the invention the two concentric arrangements at least approximately the same Distances between modulated burners 1,2,34,5 on, the arrangements are twisted against each other. In this configuration, however to note that also between the burners of the inner and the outer Circle combustion pulsations can result and therefore also here the above rules must apply. The variety of built-in Brenner drastically reduces the number of possible combinations, where all conditions can be fulfilled. In most This is not possible. In these cases, about the distances the modulatable burner to each other and the fundamental frequency of the combustion chamber the preferred frequency of the mode whose half wavelength is the distance to be determined by any two burners. This frequency and their integer multiples or integer divisors, it applies the choice of the modulation frequency necessarily to avoid.

Das erfindungsgemässen Verfahren zur Reduktion thermoakustischer Schwingungen wird in einer Brennkammer mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, von denen mehrere modulierbare Brenner Mittel zur Modulation eines Brennstoffmassenstroms aufweisen, ausgeführt. Von den mehreren modulierbaren Brennern werden einzelne, jedoch nicht unbedingt alle, entsprechend der Erfindung moduliert. Es wird also unterschieden zwischen modulierbaren Brennern und tatsächlich gemäss der Erfindung modulierten Brennern. Gemäss der Erfindung wird in einer Anzahl k der modulierbaren Brenner der Brennstoffmassenstrom periodisch moduliert, wobei diese modulierten Brenner derart angeordnet sind, dass zwischen je zwei modulierten Brennern je a1, a2, ... ak nichtmodulierte Brenner angeordnet sind, und ein kleinstes gemeinsames Vielfaches von {b0, a1+1, a2+1, ... ak+1} jeweils maximal ist.The inventive method for the reduction of thermoacoustic Vibrations are arranged in a combustion chamber with several annular Burners, of which several modulated burners means of modulation a fuel mass flow, executed. Of the several modulatable burners become individual but not necessarily all modulated according to the invention. So it is differentiated between modulatable burners and actually modulated according to the invention Burners. According to the invention, in a number k of modulatable Burner of the fuel mass flow periodically modulated, this modulated burners are arranged such that between each two modulated Burners each a1, a2, ... ak unmodulated burners are arranged, and a least common multiple of {b0, a1 + 1, a2 + 1, ... ak + 1}, respectively is maximum.

Wenn ein Abstand an+1 ein ganzzahliger Teiler von b0 ist, dann baut sich mit hoher Wahrscheinlichkeit ein azimuthaler Schwingungsmode auf. Ist dies unvermeidlich, dann wird durch entsprechende Wahl der Modulationsfrequenz die Schwingung unterdrückt.If a distance to + 1 is an integer divisor of b0, then it builds with high probability an azimuthal mode of vibration. Is this inevitable, then by appropriate choice of the modulation frequency the vibration is suppressed.

Das erfindungsgemässe Verfahren hat den Vorteil, dass beispielsweise in einer Gasturbine, die mit modulierbaren Brennern zur Bekämpfung von axialen und/oder helikalen Verbrennungsinstabilitäten oder für eine Temperaturregelung ausgerüstet sind, in einfacher Weise auch azimuthale Schwingungen gedämpft werden können. Die Modulationsfrequenzen zur Bekämpfung der unterschiedlichen Instabilitäten liegen in ähnlichen Frequenzbereichen, sind für den Einzelfall jedoch unterschiedlich. Vorteilhaft ist dabei, wenn durch die Wahl von möglichst stark unterschiedlichen Frequenzen das System Brennstoff/Luftversorgung-Verbrennung-Brennkammer nachhaltig akustisch verstimmt wird.The inventive method has the advantage that, for example, in a Gas turbine used with modulating burners to combat axial and / or helical combustion instabilities or for temperature control equipped, in a simple way also azimuthal vibrations can be damped. The modulation frequencies to combat the different instabilities are in similar frequency ranges, are for the individual case, however, different. It is advantageous if by the choice of as much as possible different frequencies the system Fuel / air supply combustion combustion chamber sustainably acoustic is detuned.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

erster modulierbarer Brennerfirst modulable burner

22

zweiter modulierbarer Brennersecond modulable burner

33

dritter modulierbarer Brennerthird modulable burner

44

vierter modulierbarer Brennerfourth modulable burner

55

fünfter modulierbarer Brennerfifth modulable burner

Claims (10)

1. Combustion chamber with a plurality of annularly arranged burners, of which a plurality of modulatable burners (1, 2, 3, 4, 5) have means for modulating a fuel mass flow, the number of burners being b0 and the number of modulatable burners (1, 2, 3, 4, 5) being k, characterized in that k<b0, and the modulatable burners (1, 2, 3, 4, 5) are arranged in such a way that between every two modulatable burners (1, 2, 3, 4, 5) are arranged in each case a1, a2,...ak nonmodulatable burners, and in that the values a1+1, a2+1, ..., ak+1 are not integral divisors of b0.
2. Combustion chamber according to Claim 1,
   characterized in that a highest value
      kgv(b0, a1+1), kgV(b0, a2+1), ...kgV(b0, ak+1)
   is maximum, kgV designating the lowest common multiple.
3. Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that at least three of the burners are modulatable burners (1, 2, 3, 4, 5).
4. Combustion chamber according to Claim 1 or 2, characterized in that a1, a2, ...ak are different from one another.
5. Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that a highest value of
      kgV (b0, al+1), kgV (b0, a2+1), ...kgV (b0, ak+1),
      kgV(b0, a1+a2+2), kgV(b0, a2+a3+2),
   ...kgV(b0, ak+a1+2)
   is maximum, KgV designating the lowest common multiple.
6. Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that, in order to modulate their fuel mass flow, the modulated burners are designed with frequencies which are different from characteristic frequencies of modes which occur by virtue of the arrangement of the modulated burners.
7. Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that b0=24, k=3, al=4, a2=9 and a3=10.
8. Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that b0=20, k=3, a1=5, a2=8 and a3=7.
9. Method for the reduction of thermoacoustic vibrations in a combustion chamber with a plurality of annularly arranged burners, of which a plurality of modulatable burners have means for modulating a fuel mass flow, the number of burners being b0, characterized in that the fuel mass flow is modulated in a number k of the modulatable burners, these modulated burners being arranged in such a way that between every two modulated burners are arranged in each case a1, a2,...ak nonmodulated burners, and in that the values a1+1, a2+1, ..., ak+1 are not integral divisors of b0.
10. Method according to Claim 9, characterized in that a highest value of
       kgV(b0, a1+1), kgV(b0, a2+1), ...kgV(b0, ak+1)
    is maximum, kgV designating the lowest common multiple.

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