WO2000034714A1 - Verbrennungsvorrichtung und verfahren zur verbrennung eines brennstoffs - Google Patents

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WO2000034714A1 PCT/EP1999/009401 EP9909401W WO0034714A1 WO 2000034714 A1 WO2000034714 A1 WO 2000034714A1 EP 9909401 W EP9909401 W EP 9909401W WO 0034714 A1 WO0034714 A1 WO 0034714A1
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Günther SCHULZE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/161—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general in systems with fluid flow
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • 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
    • 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 combustion device for V erbrennung a fuel, wherein said fuel as a flow of fluid via a supply passage of the internal feed b is ar.
  • the invention also relates to a corresponding method.
  • a Laval nozzle is described in section 5.6.2 of the same book.
  • the Laval nozzle serves to expand the outflowing fluid beyond the critical pressure ratio and thus to increase the flow speed beyond the speed of sound.
  • the fluid is first compressed by a narrowing channel, the flow speed increasing up to the speed of sound.
  • An expanding channel section follows, in which the fluid expands and the flow velocity reaches the supersonic area.
  • Such a Laval nozzle is used, for example to achieve maximum outflow speeds for thrust gases from rocket engines.
  • Different operating states of a Laval nozzle are shown in Figure 5.25. In the operating state shown first, the outlet pressure of the fluid is above the critical pressure.
  • the Laval nozzle behaves like a Venturi tube here. For the definition of a Venturi tube, further details follow below.
  • Section 5.7 of the same book describes compression flows.
  • Section 5.7.1 explains how a subsonic diffuser works.
  • Subsonic diffusers are channels widened in the direction of flow, in which a flow in the subsonic area is delayed. The delay causes an increase in pressure.
  • Subsonic diffusers can be found, for example, in jet devices, Venturi tubes and in the idlers and outlet housings of turbocompressors.
  • Section 5.7.2 describes a supersonic diffuser in which the channel cross-section narrows in the direction of flow.
  • the European standard EN ESO 5167-1 concerns flow measurements of fluids with throttling devices.
  • Part 1 describes orifices, nozzles and Venturi tubes in fully flow-through lines with a circular cross-section.
  • Figure 10 shows a classic Venturi tube. A fluid flows through the Venturi tube along a flow direction.
  • the Venturi tube consists of an inlet cone that narrows in the direction of flow and a widening outlet cone that adjoins the inlet cone in the direction of flow. A large pressure loss occurs in the inlet cone. This is through the outlet cone
  • this object is achieved by specifying a combustion device for burning fuel with a supply channel for supplying the fuel to a combustion zone, the fuel being able to be passed through the supply channel as a fluid stream with a flow direction and a nominal speed lying within a nominal operating interval, and wherein Supply channel in a decoupling area is so narrowed that sound waves traveling from the combustion zone in the fluid flow against the direction of flow are at least partially reflected at the nominal speed in the decoupling area.
  • combustion vibrations can arise in that a pressure pulse is generated in the fluid flow when there is a fluctuation in a power release during combustion. Such a pressure pulse in the fluid flow in turn results in an uneveness in the mass flow of the fluid flow entering the combustion zone. This again leads to a fluctuating release of power during combustion.
  • the geometrical designs of the feed channel it can be used to form a positive feedback between pressure pulses in the fluid flow and the fluctuating power release during combustion.
  • a combustion oscillation forms.
  • Such a combustion vibration can have a disruptive effect, for example, as considerable noise pollution. With large power releases, however, vibrations can also occur in the combustion device, which can ultimately result in damage.
  • the invention is based on the knowledge that the propagation of sound waves in the fuel via the feed channel into further, acoustically coupled areas favors the tendency to form such combustion vibrations. This mechanism is prevented by acoustically decoupling the feed channel or also a plurality of feed channels for the fuel. Such acoustic decoupling is achieved by narrowing the feed channel or channels.
  • Such a constriction in the direction of flow which was previously only known for air silencers, increases the flow velocity of the fluid.
  • the flow rate can be increased so far that sound waves traveling against the flow direction against the constriction are reflected.
  • the constriction is designed in such a way that at a nominal velocity of the fluid flow in the supply channel at the constriction there is such a high acceleration of the fluid that a high proportion of the sound waves traveling against the constriction is reflected.
  • the nominal speed is e.g. within a speed interval that corresponds to those operating states of the combustion device in which there is a high tendency to form combustion oscillations.
  • the decoupling area is preferably designed as a continuous narrowing of the feed channel along the flow direction. Such a continuous constriction results in lower flow and pressure losses due to turbulence compared to a discontinuous constriction.
  • a continuous narrowing could e.g. B. something like that be designed, such as the supersonic diffuser described in the above-mentioned book by Willi Bohl.
  • the decoupling area is preferably followed by a pressure-increasing area which corresponds to an expansion of the feed channel.
  • a pressure increase range increases the pressure in the fluid flow. This is done by expanding the feed channel.
  • the passage from the decoupling area and pressure increase area thus corresponds e.g. the Venturi tube or a Laval nozzle shown in the above European standard.
  • Such a configuration is particularly advantageous when a high fluid mass flow has to be provided.
  • the combination of the decoupling area and the pressure-increasing area thus ensures that a great power release can be achieved in the combustion device with the aid of a large fluid mass flow, with an effective acoustic decoupling of the combustion zone and supply channel being provided at the same time.
  • the fuel is preferably natural gas or oil.
  • the combustion zone is preferably in a combustion chamber.
  • the combustion chamber can have any shape, but a tubular or annular combustion chamber is of particular importance.
  • Combustion vibrations can form in a combustion chamber through an interaction of a fluctuation in power during combustion and acoustic modes of the combustion chamber.
  • Such combustion chamber vibrations can spread in fluidically coupled rooms, e.g. into the supply lines of fuel or air and possibly penetrate to a supply pump, which can be mechanically heavily loaded.
  • An acoustic decoupling by means of the tapering of the feed channel prevents such a spreading of the combustion chamber vibrations.
  • the combustion chamber vibrations can spread in fluidically coupled rooms, e.g. into the supply lines of fuel or air and possibly penetrate to a supply pump, which can be mechanically heavily loaded.
  • the combustion device is preferably a gas turbine, in particular with an annular combustion chamber.
  • a gas turbine With a gas turbine, there is a particularly high release of power during combustion. Combustion vibrations can lead to particularly large noise pollution and damaging vibrations.
  • a ring combustion chamber the intrinsic acoustic modes are practically unpredictable due to the complicated geometry, so that the formation of combustion chamber vibrations is particularly difficult to prevent here.
  • the acoustic decoupling between the ring combustion chamber and the feed channels of the combustion media is of particular importance here.
  • the object is also achieved according to the invention by specifying a method for combusting fuel, the fuel being fed as a fluid stream with a flow direction with a flow direction and a nominal speed lying within a nominal operating interval, and the fluid stream being tapered in a decoupling area in such a way that sound waves traveling against the direction of flow from the combustion zone in the fluid flow are at least partially reflected at the nominal speed in the decoupling area.
  • the fluid flow is preferably continuously narrowed in the direction of flow.
  • the pressure in the fluid flow is preferably increased by a subsequent expansion of the fluid flow following the constriction.
  • Natural gas or oil is more preferably used as fuel.
  • Figure 2 shows a gas turbine
  • FIG. 1 shows a combustion device 1.
  • a fuel duct 5 which is likewise circular in cross section and which represents a supply duct 5 is arranged concentrically.
  • Air 6 is guided in the air duct 3 in the form of an air flow 7 with a flow direction 8.
  • fuel 14 for example oil
  • the air 6 and the fuel 14 are burned in a combustion zone 11 in a flame 13.
  • a fluctuation in the power release during combustion causes a sound wave 15 in the fluid flow 9 of the fuel 14. This sound wave 15 travels upstream in the direction of flow 10 in the fluid flow 9.
  • the sound wave 15 could penetrate the entire feed channel 5 and travel, for example, to a fuel pump (not shown) and possibly damage it.
  • a fuel pump not shown
  • considerably extensive spaces were acoustically coupled to the combustion zone 11 by means of the feed channel 5, through which combustion vibrations could spread in the combustion device 1 and which also resonance spaces represent that can favor the formation of combustion vibrations.
  • an acoustic decoupling of the feed channel 5 from the combustion zone 11 is achieved by a decoupling area 17.
  • the decoupling area 17 is formed by a narrowing of the feed channel 5 along the flow direction 10. The flow velocity of the fluid flow 9 is thus increased in the decoupling area 17.
  • the decoupling area 17 is designed such that at a nominal speed of the fluid flow 9 in the supply channel 5, this flow rate in the decoupling area 17 is greatly increased, preferably to a value close to the speed of sound in the fluid flow.
  • the sound wave 15 is largely reflected in the decoupling area 17 as a reflection wave 19.
  • the remaining part runs as a residual sound wave 21 upstream of the feed channel 5.
  • the nominal speed lies in a nominal operating interval, which corresponds to an interval of operating states close to a full load and a full load state.
  • the full load of the combustion apparatus 1 ' is the maximum value. for a power release during combustion. In the operating states of the combustion device 1, which correspond to a lower power release than a full load, there is less reflection of the
  • a pressure increase area 23 adjoins the decoupling area 17.
  • the pressure increasing area 23 corresponds to an expansion of the supply channel 5, in this case to the cross section of the supply channel 5, which also extends in the direction of flow 10 before decompression.
  • Coupling area 17 is present.
  • the reflection section 24 is a venturi tube.
  • the pressure increase area 23 is preferably designed so that there is a maximum pressure increase in the fluid flow 9 at the nominal speed.
  • the decoupling area 17 has an entry area 25 and an end area 27.
  • the end region 27 is at the same time an inlet region 29 of the pressure increase region 23.
  • the pressure increase region 23 ends at an outlet region 31.
  • a schematic illustration of the pressure curve in the decoupling region 17 and in the pressure increase region 23 is also included in FIG. Between the inlet area 25 of the decoupling area 17 and the end area 27 of the decoupling area 17 there is a clear pressure loss in the fluid flow 9.
  • FIG. 2 schematically shows a combustion device 1 designed as a gas turbine.
  • a compressor 45 and a turbine 47 are arranged along an axis 43.
  • a combustion chamber 49 which is designed as an annular combustion chamber, is connected between the compressor 45 and the turbine 47.
  • a plurality of burners 51 open into the combustion chamber 49; only one burner 51 is shown here for the sake of clarity.
  • the burner 51 has an air duct 3 which is connected to the compressor 45 in terms of flow technology.
  • the burner 51 also has a supply channel 5 for supplying natural gas '14.
  • Combustion media are air 6 from the compressor 45 and natural gas 14 here. These burn in the combustion chamber 49.
  • the hot combustion gases 53 thus generated drive the turbine 47.
  • the large power release in such a gas turbine 1 can result in combustion vibrations with particularly large amplitudes.
  • Such combustion vibrations can occur as combustion chamber vibrations in the combustion chamber 49 form.
  • a decoupling area 17 is provided in the feed channel 5. This is followed by a pressure increase region 23 in the direction of flow.
  • the effects and advantages of the decoupling area 17 and the pressure increasing area 23 correspond to those explained for FIG. 1.
  • the natural gas supply system, not shown in detail, is thus effectively acoustically decoupled from the combustion chamber 49.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung (1) zur Verbrennung von Brennstoff (14) mit einem Zufuhrkanal (5) zur Zuführung eines Brennstoffs (14) zu einer Verbrennungszone (11), wobei der Brennstoff (14) in einem Fluidstrom (9) mit einer Strömungsrichtung (10) und einer in einem Nennbetriebsintervall liegenden Nenngeschwindigkeit durch den Zufuhrkanal (5) führbar ist, und wobei der Zufuhrkanal (5) in einem Entkopplungsbereich (17) so verengt ist, daß von der Verbrennungszone (11) im Fluidstrom (9) gegen die Strömungsrichtung (10) laufende Schallwellen (15) bei der Nenngeschwindigkeit im Entkopplungsbereich (17) zumindest teilweise reflektiert werden.

Description

Beschreibung
Verbrennungsvorrichtung und Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffs, wobei der Brennstoff als ein Fluidstrom über einen Zufuhrkanal der Verbrennung zuführbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfah- ren.
In dem Buch "Technische Strömungslehre" von Willi Bohl, 10. Aufl., Vogel-Verlag, Würzburg 1994, sind in Kapitel 5.6 Ausströmvorgänge beschrieben. Genauer dargestellt sind Ausström- Vorgänge eines Fluides aus einem Behälter, in dem das Fluid beim Druck pi und der Dichte pi gespeichert ist. Das Fluid tritt als ein Strahl aus dem Behälter aus, wobei im Strahl der Strahldruck pa herrscht. Man bezeichnet das Druckverhält- nis, bei dem sich bei einem gegebenen Behälterzustand - also bei gegebenem Behälterdruck pi und gegebener Fluiddichte pi sowie bei gegebener Behälteröffnung, aus der das Fluid austritt - der Massenstrom des Fluides sich nicht mehr ändert, als kritisches Druckverhältnis (pa/pι) <k) • Je nach Größe des Druckverhältnisses pa/pι unterscheidet man zwei Arten von Ausströmvorgängen: 1. Unterkritische Ausströmung; 2. Überkritische Ausströmung.
Im Abschnitt 5.6.2 desselben Buchs ist eine Lavaldüse beschrieben. Die Lavaldüse dient dazu, das ausströmende Fluid über das kritische Druckverhältnis hinaus zu expandieren und damit die Strömungsgeschwindigkeit über die Schallgeschwindigkeit hinaus zu erhöhen. Dazu wird das Fluid zunächst durch einen sich verengenden Kanal komprimiert, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit bis zur Schallgeschwindigkeit er- höht. Es folgt ein sich erweiternder Kanalabschnitt, in dem das Fluid expandiert und die Strömungsgeschwindigkeit den Überschallbereich erreicht. Eine solche Lavaldüse dient z.B. zum Erreichen maximaler Ausströmgeschwindigkeiten für Schubgase von Raketentriebwerken. In Bild 5.25 sind verschiedene Betriebszustände einer Lavaldüse dargestellt. In dem zuerst dargestellten Betriebszustand liegt der Austrittsdruck des Fluides über dem kritischen Druck. Die Lavaldüse verhält sich hier wie ein Venturirohr. Zur Definition eines Venturirohres folgen weiter unten nähere Angaben.
Im Abschnitt 5.7 desselben Buchs sind Verdichtungsströmungen beschrieben. Abschnitt 5.7.1 erläutert die Funktionsweise eines Unterschalldiffusors. Unterschalldiffusoren sind in Strömungsrichtung erweiterte Kanäle, in denen eine im Unterschallbereich verlaufende Strömung verzögert wird. Durch die Verzögerung entsteht ein Druckanstieg. Unterschalldiffusoren finden sich beispielsweise in Strahlapparaten, Venturirohren und in den Leiträdern und Austrittsgehäusen von Turboverdichtern. In Abschnitt 5.7.2 ist ein Überschalldiffusor beschrieben, bei dem sich der Kanalquerschnitt in Strömungsrichtung verengt .
Die Europäische Norm EN ESO 5167-1 betrifft Durchflußmessungen von Fluiden mit Drosselgeräten. In Teil 1 sind Blenden, Düsen und Venturirohre in volldurchströmten Leitungen mit Kreisquerschnitt beschrieben. Bild 10 zeigt ein klassisches Venturirohr. Durch das Venturirohr strömt entlang einer Strömungsrichtung ein Fluid. Das Venturirohr besteht aus einem sich in Strömungsrichtung verengenden Einlaufkonus und einem sich an den Einlaufkonus in Strömungsrichtung anschließenden, sich erweiternden Auslaufkonus . Im Einlaufkonus entsteht ein großer Druckverlust. Durch den Auslaufkonus wird dieser
Druckverlust zum größten Teil wieder wettgemacht, so daß der insgesamt durch das Venturirohr gegenüber einem Rohr mit unveränderlichem Querschnitt und gleicher Länge entstehende Druckverlust klein bleibt.
In dem Buch "Berechnung der Schallausbreitung in durchströmten Kanälen von Turbomaschinen unter besonderer Berücksichti- gung der Auslegung von Drehtonschalldämpfern" von Christian Faber, Verlag Shaker, Aachen 1993, ist im Abschnitt 3.4 dargestellt, wie Diskontinuitäten in Strömungskanälen die Ausbreitung von Schall in einem in diesen Strömungskanälen strö- menden Fluid beeinflussen. Es werden Streu-, Reflexions- und Transmissionsfaktoren abgeleitet, mit denen berechnet werden kann, welcher Teil einer einfallenden Schallenergie die Diskontinuität passiert und welcher Teil reflektiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Verbrennungsvorrichtung, die hinsichtlich der Beherrschung und Beeinflussung der Ausbreitung und der Ausbildung von durch eine Verbrennung induzierten Schallwellen günstige Eigenschaften aufweist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines entspre- chenden Verfahrens.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Angabe einer Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit einem Zufuhrkanal zur Zuführung des Brennstoffs zu einer Ver- brennungszone, wobei der Brennstoff als ein Fluidstrom mit einer Strömungsrichtung und einer in einem Nennbetriebsintervall liegenden Nenngeschwindigkeit durch den Zufuhrkanal führbar ist und wobei der Zufuhrkanal in einem Entkopplungsbereich so verengt ist, daß von der Verbrennungszone im Fluidstrom gegen die Strömungsrichtung laufende Schallwellen bei der Nenngeschwindigkeit im Entkopplungsbereich zumindest teilweise reflektiert werden.
Bei einer Verbrennung können Verbrennungsschwingungen dadurch entstehen, daß bei einer Schwankung einer Leistungsfreisetzung bei der Verbrennung ein Druckpuls im Fluidstrom entsteht. Ein solcher Druckpuls im Fluidstrom hat wiederum eine Verungleichmäßigung im Massenstrom des in die Verbrennungszone eintretenden Fluidstroms zur Folge. Dies führt wieder zu einer zeitlich schwankenden Leistungsfreisetzung bei der Verbrennung. Je nach z.B. den geometrischen Ausbildungen des Zu- fuhrkanales kann es zur Ausbildung einer positiven Rückkopp- lung zwischen Druckpulsen im Fluidstrom und der schwankenden Leistungsfreisetzung bei der Verbrennung kommen. Es bildet sich eine Verbrennungsschwingung aus. Eine solche Verbrennungsschwingung kann sich z.B. als erhebliche Lärmbelastung störend auswirken. Bei großen Leistungsfreisetzungen kann es aber auch zu Vibrationen in der Verbrennungsvorrichtung kommen, die letztlich Beschädigungen zur Folge haben können. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Ausbreitung von Schallwellen im Brennstoff über den Zufuhrkanal in wei- tere, akustisch angekoppelte Bereiche die Neigung zur Ausbildung solcher Verbrennungsschwingungen begünstigt. Durch eine akustische Entkopplung des Zufuhrkanales oder auch mehrerer Zufuhrkanäle für den Brennstoff wird dieser Mechanismus unterbunden. Eine solche akustische Entkopplung wird durch eine Verengung des Zufuhrkanales oder der Zufuhrkanäle erreicht.
Durch eine solche, bisher lediglich bei Luftschalldämpfern bekannte, Verengung in Strömungsrichtung erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids . Die Strömungsgeschwin- digkeit kann dabei so weit erhöht werden, daß entgegen der Strömungsrichtung gegen die Verengung laufende Schallwellen reflektiert werden. Die Verengung wird so ausgelegt, daß sich bei einer Nenngeschwindigkeit des Fluidstroms im Zufuhrkanal an der Verengung eine so hohe Beschleunigung des Fluides er- gibt, daß ein hoher Anteil der gegen die Verengung laufenden Schallwellen reflektiert wird. Die Nenngeschwindigkeit liegt z.B. innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, das solchen Betriebszuständen der Verbrennungsvorrichtung entspricht, bei denen eine hohe Neigung zur Ausbildung von Verbrennungs- Schwingungen besteht.
Vorzugsweise ist der Entkopplungsbereich als eine kontinuierliche Verengung des Zufuhrkanales entlang der Strömungsrichtung ausgebildet. An einer solchen kontinuierlichen Verengung ergeben sich gegenüber einer diskontinuierlichen Verengung geringere Strömungs- und Druckverluste durch Turbulenzen. Eine solche kontinuierliche Verengung könnte z. B. so ähnlich ausgebildet sein, wie der im obengenannten Buchs von Willi Bohl beschriebene Überschalldiffusor .
Bevorzugtermaßen schließt sich in Strömungsrichtung an den Entkopplungsbereich ein Druckerhöhungsbereich an, der einer Erweiterung des Zufuhrkanales entspricht. Durch einen solchen Druckerhöhungsbereich wird der Druck im Fluidstrom erhöht. Dies geschieht durch die Erweiterung des Zufuhrkanales. Die Passage aus Entkopplungsbereich und Druckerhöhungsbereich entspricht somit z.B. dem in der oben angegebenen Europäischen Norm dargestellten Venturirohr oder einer Lavaldüse. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein hoher Fluidmassenstrom bereitgestellt werden muß. Durch die Kombination von Entkopplungsbereich und Druckerhö- hungsbereich wird somit erreicht, daß bei der Verbrennungsvorrichtung eine große Leistungsfreisetzung mit Hilfe eines - großen Fluidmassenstroms erreichbar ist, wobei gleichzeitig mit eine wirksame akustische Entkopplung von Verbrennungszone und Zufuhrkanal bereitgestellt wird.
Bevorzugt ist der Brennstoff Erdgas oder Öl.
Vorzugsweise liegt die Verbrennungszone in einer Brennkammer. Die Brennkammer kann eine beliebige Form haben, besondere Be- deutung kommt aber einer rohrförmigen oder einer ringförmigen Brennkammer zu. In einer Brennkammer können sich Verbrennungsschwingungen durch eine Wechselwirkung einer Leistungsschwankung bei der Verbrennung und akustischen Eigenmoden der Brennkammer bilden. Solche Brennkammerschwingungen können sich in strömungstechnisch angekoppelten Räume ausbreiten, z.B. in die Zufuhrleitungen von Brennstoff oder Luft und u.U. bis zu einer Versorgungspumpe, die dadurch mechanisch stark belastet werden kann, vordringen. Eine akustische Entkopplung mittels der Verjüngung des Zufuhrkanals verhindert eine sol- ehe Ausbreitung der Brennkammerschwingungen. Zudem wird die
Neigung, überhaupt Brennkammerschwingungen auszubilden, reduziert, da der für die Brennkammerschwingungen zur Verfügung stehende akustische Resonanzraum durch die Abkopplung des Zufuhrkanals verkleinert wird.
Bevorzugt ist die Verbrennungsvorrichtung eine Gasturbine, insbesondere mit einer Ringbrennkammer. Bei einer Gasturbine kommt es zu einer besonders hohen Leistungsfreisetzung bei der Verbrennung. Verbrennungsschwingungen können somit hier zu besonders großen Lärmbelastungen und schädigenden Vibrationen führen. In einer Ringbrennkammer sind akustische Ei- genmoden durch die komplizierte Geometrie praktisch nicht vorhersagbar, so daß die Ausbildung von Brennkammerschwingungen hier besonders schwer zu verhindern ist. Die akustische Entkopplung zwischen der Ringbrennkammer und den Zufuhrkanälen der Verbrennungsmedien ist hier also von besonderer Be- deutung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso gelöst durch Angabe eines Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoff, wobei der Brennstoff als ein Fluidstrom mit einer Strömungsrichtung mit einer Strömungsrichtung und einer in einem Nennbetriebsintervall liegenden Nenngeschwindigkeit einer Verbrennungszone zugeführt wird und wobei der Fluidstrom in einem Entkopplungsbereich so verjüngt wird, daß von der Verbrennungszone im Fluidstrom gegen die Strömungsrichtung laufende Schallwellen bei der Nenngeschwindigkeit im Entkopplungsbereich zumindest teilweise reflektiert werden.
Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen der Verbren- nungsvorrichtung.
Bevorzugt wird der Fluidstrom in Strömungsrichtung kontinuierlich verengt. Bevorzugtermaßen wird der Druck im Fluidstrom durch eine im Anschluß an die Verengung folgende Aufweitung des Fluidstroms erhöht. Weiter bevorzugt wird als Brennstoff Erdgas oder Öl verwendet. Vorzugsweise wird der Brennstoff in einer Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Ringbrennkammer, verbrannt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich- nung näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 eine Verbrennungsvorrichtung und
Figur 2 eine Gasturbine.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt eine Verbrennungsvorrichtung 1. In einem im Querschnitt kreisförmigen Luftkanal 3 ist ein ebenfalls im Querschnitt kreisförmiger Brennstoffkanal 5, der einen Zufuhrkanal 5 darstellt, konzentrisch angeordnet. In dem Luftkanal 3 wird Luft 6 in Form eines Luftstromes 7 mit einer Strömungsrichtung 8 geführt. Im Brennstoffkanal 5 wird als Fluidstrom 9 entlang einer Strömungsrichtung 10 Brennstoff 14, z.B. Öl, aus einem Brennstoffbehälter 12 geführt. Die Luft 6 und der Brennstoff 14 werden in einer Verbrennungszone 11 in einer Flamme 13 verbrannt. Eine Schwankung in der Lei- stungsfreisetzung bei der Verbrennung ruft eine Schallwelle 15 im Fluidstrom 9 des Brennstoffs 14 hervor. Diese Schallwelle 15 wandert entgegen der Strömungsrichtung 10 im Fluidstrom 9 stromaufwärts. Bei einem Zufuhrkanal 5 mit einem unveränderlichen Querschnitt könnte die Schallwelle 15 den gesamten Zufuhrkanal 5 durchsetzen und etwa bis hin zu einer nicht dargestellten Brennstoffpumpe wandern und diese eventuell schädigen. Bei solchen, bisher verwendeten Ausführungen wurden somit an die Verbrennungszone 11 mittels des Zufuhrkanales 5 erheblich ausgedehnte Räume akustisch angekoppelt, durch die Verbrennungsschwingungen sich in der Verbrennungsvorrichtung 1 ausbreiten konnten und die zudem Resonanzräume darstellen, die eine Ausbildung von Verbrennungsschwingungen begünstigen können.
Bei der hier gezeigten Verbrennungsvorrichtung 1 wird demge- genüber eine akustische Entkopplung des Zufuhrkanals 5 von der Verbrennungszone 11 durch einen Entkopplungsbereich 17 erreicht. Der Entkopplungsbereich 17 ist durch eine Verengung des Zufuhrkanals 5 entlang der Strömungsrichtung 10 gebildet. Im Entkopplungsbereich 17 wird damit die Strömungsgeschwin- digkeit des Fluidstroms 9 erhöht. Der Entkopplungsbereich 17 ist so ausgelegt, daß bei einer Nenngeschwindigkeit des Fluidstroms 9 im Zufuhrkanal 5 diese Strömungsgeschwindigkeit im Entkopplungsbereich 17 stark erhöht wird, vorzugsweise auf einen Wert nahe der Schallgeschwindigkeit im Fluidstrom. Da- durch wird die Schallwelle 15 im Entkopplungsbereich 17 zum großen Teil als Reflexionswelle 19 reflektiert. Der verbleibende Teil läuft als Restschallwelle 21 weiter den Zufuhrkanal 5 stromaufwärts. Die Nenngeschwindigkeit liegt in einem Nennbetriebsintervall, welches einem Intervall von Betriebs- zuständen nahe einer Vollast und einem Vollastzustand entspricht. Der Vollastzustand der Verbrennungsvorrichtung 1 ist ' der maximale Wert. für eine Leistungsfreisetzung bei der Verbrennung. Bei Betriebszuständen der Verbrennungsvorrichtung 1, die einer geringeren Leistungsfreisetzung als einer Voll- last entsprechen, erfolgt eine geringere Reflexion der
Schallwelle 15. Verbrennungsschwingungen können besonders störend und schädlich in der Nähe des Vollastzustandes sein, da es hier zu einer hohen Leistungsfreisetzung kommt. Bei geringeren Lastzuständen ist somit eine geringere Reflexion der Schallwelle 15 und somit eine höhere Ausbreitung der Schallwelle 15 akzeptabel. An den Entkopplungsbereich 17 schließt sich ein Druckerhöhungsbereich 23 an. Der Entkopplungsbereich 17 bildet zusammen mit dem Druckerhöhungsbereich 23 einen Reflexionsabschnitt 24 mit einer Länge 24 des Zufuhrkanales 5. Der Druckerhöhungsbereich 23 entspricht einer Erweiterung des Zufuhrkanals 5, in diesem Fall auf den Querschnitt des Zufuhrkanals 5, der auch in Strömungsrichtung 10 vor dem Ent- kopplungsbereich 17 vorliegt. Der Reflexionsabschnitt 24 ist ein Venturirohr. Der Druckerhöhungsbereich 23 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß sich bei der Nenngeschwindigkeit eine maximale Druckerhöhung im Fluidstrom 9 ergibt. Der Entkopp- lungsbereich 17 weist einen Eintrittsbereich 25 und einen Endbereich 27 auf. Der Endbereich 27 ist gleichzeitig ein Eintrittsbereich 29 des Druckerhöhungsbereichs 23. Der Druckerhöhungsbereich 23 endet an einem Austrittsbereich 31. Eine schematische Darstellung des Druckverlaufs im Entkopplungsbe- reich 17 und im Druckerhöhungsbereich 23 ist mit in die Figur 1 aufgenommen. Zwischen dem Eintrittsbereich 25 des Entkopplungsbereichs 17 und dem Endbereich 27 des Entkopplungsbereichs 17 ergibt sich ein deutlicher Druckverlust im Fluidstrom 9. Dieser Druckverlust wird im Druckerhöhungsbe- reich 23 zum größten Teil wieder ausgeglichen, so daß sich insgesamt ein nur geringer Druckverlust Δp gegenüber einem über diese Strecke des Zufuhrkanals 5 entstehenden Druckverlustes bei einem unveränderlichen Querschnitt des Zufuhrkanals 5 ergibt (strichliert dargestellt) .
Die Figur 2 zeigt schematisch eine als Gasturbine ausgeführte Verbrennungsvorrichtung 1. Entlang einer Achse 43 sind ein Verdichter 45 und eine Turbine 47 angeordnet. Zwischen Verdichter 45 und Turbine 47 ist eine Brennkammer 49 geschaltet, die als Ringbrennkammer ausgeführt ist. In die Brennkammer 49 münden eine Mehrzahl von Brennern 51, hier ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Brenner 51 dargestellt. Der Brenner 51 weist einen Luftkanal 3 auf, der strömungstechnisch mit dem Verdichter 45 verbunden ist. Der Brenner 51 weist weiter- hin einen Zufuhrkanal 5 zur Zuführung von Erdgas '14 auf. Verbrennungsmedien sind also hier Luft 6 vom Verdichter 45 und Erdgas 14. Diese verbrennen in der Brennkammer 49. Die dadurch entstehenden heißen Brenngase 53 treiben die Turbine 47 an. Durch die große Leistungsfreisetzung in einer solchen Gasturbine 1 können Verbrennungsschwingungen mit besonders großen Amplituden entstehen. Solche Verbrennungsschwingungen können sich als Brennkammerschwingungen in der Brennkammer 49 ausbilden. Um zu verhindern, daß sich solche Brennkammerschwingungen über den Zufuhrkanal 5 auf das gesamte, nicht näher dargestellte Erdgaszuleitungssystem ausbreiten, ist im Zufuhrkanal 5 ein Entkopplungsbereich 17 vorgesehen. An die- sen schließt sich in Strömungsrichtung ein Druckerhöhungsbereich 23 an. Die Wirkungen und Vorteile des Entkopplungsbereichs 17 und des Druckerhöhungsbereichs 23 entsprechen den zu Figur 1 erläuterten. Das nicht näher dargestellte Erdgaszufuhrsystem ist somit wirksam von der Brennkammer 49 aku- stisch entkoppelt.

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungsvorrichtung (1) zur Verbrennung von Brennstoff (14) mit einem Zufuhrkanal (5) zur Zuführung von Brennstoff (14) zu einer Verbrennungszone (11), wobei der Brennstoff (14 ) in einem Fluidstrom (9) mit einer Strömungsrichtung (10) und einer in einem Nennbetriebsintervall liegenden Nenngeschwindigkeit durch den Zufuhrkanal (5) führbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zufuhrka- nal (5) in einem Entkopplungsbereich (17) so verengt ist, daß von der Verbrennungszone (11) im Fluidstrom (9) gegen die Strömungsrichtung (10) laufende Schallwellen (15) bei der Nenngeschwindigkeit im Entkopplungsbereich (17) zumindest teilweise reflektiert werden.
2. Verbrennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Entkopplungsbereich (17) als eine kontinuierliche Verengung des Zufuhrkanales (5) entlang der Strömungsrichtung (10) ausgebil- det ist.
3. Verbrennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zufuhrkanal (5) einen kreis- oder ringförmigen Querschnitt aufweist.
4. Verbrennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich in Strömungsrichtung (10) an den Entkopplungsbereich (17) ein Druckerhöhungsbereich (23) anschließt, in dem sich der Zufuhrkanal (5) erweitert.
5. Verbrennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Entkopplungsbereich (17) zusammen mit dem Druckerhöhungsbereich (23) einen Reflexionsabschnitt (22) bilden, der in Form einer Lavaldüse ausgebildet ist.
6. Verbrennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Entkopplungsbereich (17) zusammen mit dem Druckerhöhungsbereich (23) einen Reflexionsabschnitt (22) bilden, der in Form eines Ven- turirohres ausgebildet ist.
7. Verbrennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Brennstoff Erdgas oder Öl ist.
8. Verbrennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verbrennungszone (11) in einer Brennkammer (49) liegt.
9. Verbrennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Ausführung als Gasturbine .
10. Verbrennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Brennkammer (49) als Ringbrennkammer ausgeführt ist.
11. Verbrennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Nennbetriebsintervall ein Vollastintervall ist, das die Betriebszustände umfaßt, bei denen eine bei der Verbrennung umsetzbare Energie zumindest nahezu maximal ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Entkopp- lungsbereich (17) so verengt ist, daß im Vollastintervall ein gegenüber anderen Zuständen größerer Anteil an Schallwellen (15) reflektiert wird.
12. Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs (14) als ein Fluidstrom (9) mit einer Strömungsrichtung (10) und einer in einem Nennbetriebsintervall liegenden Nenngeschwindigkeit einer Verbrennungszone (11) zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Fluidstrom (9) in einem Entkopplungsbereich (17) so verengt wird, daß von der Verbrennungszone (11) im Fluidstrom (9) gegen die Strömungsrichtung (8, 10) laufende Schallwellen (15) bei der Nenngeschwindigkeit im Entkopplungsbereich (17) reflektiert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Fluidstrom (9) in Strömungsrichtung (8, 10) kontinuierlich verengt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Fluidstrom (9) im Anschluß an die Verengung aufgeweitet und damit der Druck im Fluidstrom (9) erhöht wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Brenn- stoff (14) Erdgas oder Öl verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Brennstoff (14) in einer Brennkammer (49), insbesondere einer Ringbrennkammer, einer Gasturbine (1) verbrannt wird.
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