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EP1429002A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in Verbrennungssystemen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in Verbrennungssystemen Download PDF

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Publication number
EP1429002A2
EP1429002A2 EP03104404A EP03104404A EP1429002A2 EP 1429002 A2 EP1429002 A2 EP 1429002A2 EP 03104404 A EP03104404 A EP 03104404A EP 03104404 A EP03104404 A EP 03104404A EP 1429002 A2 EP1429002 A2 EP 1429002A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acoustic
injection
fuel
burner
modulated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03104404A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1429002A3 (de
Inventor
Ephraim Gutmark
Christian Oliver Paschereit
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1429002A2 publication Critical patent/EP1429002A2/de
Publication of EP1429002A3 publication Critical patent/EP1429002A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2205/00—Pulsating combustion
    • F23C2205/10—Pulsating combustion with pulsating 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 method and a device for influencing thermoacoustic vibrations in a combustion system with at least a burner and at least one combustion chamber with the features of Preamble of claim 1 and with the features of the preamble of Claim 7.
  • thermoacoustic vibrations denotes mutually rocking thermal and acoustic disturbances. High vibration amplitudes can occur, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame. This is especially true for combustion systems with low acoustic damping. In order to ensure high performance in terms of pulsations and emissions over a wide operating range, active control of the combustion vibrations may be necessary.
  • thermoacoustic vibrations by influencing that the developing in the area of the burner Shear layer is acoustically excited.
  • thermoacoustic vibrations to influence that a liquid or gaseous injection Fuel modulated.
  • the known devices and methods are each for influencing one specific interference frequency of the thermoacoustic vibrations.
  • certain applications can also use vibration systems several interference frequencies occur, it being possible in particular that the Reduction of the disruptive effect of a main interference frequency the disruptive effect a secondary interference frequency amplified.
  • thermoacoustic To show vibrations in a combustion system in particular influencing thermoacoustic vibrations with two or more Interference frequencies should be made possible.
  • the invention is based on the general idea of multiple interference frequencies to influence the thermoacoustic vibrations separately. hereby can have adverse interactions in fighting one Interference frequency can cause an amplification of the other interference frequency, be reduced or eliminated. It has been shown that through the Procedure according to the invention at least the attenuation of the main interference frequency can be significantly strengthened.
  • two interference frequencies exclusively through acoustic excitation of the gas flow with vibrations different phases and / or amplitudes can be influenced.
  • this Embodiment can influence two interference frequencies on one modulated injection can be dispensed with. Influencing the Thereby, thermal-acoustic vibrations are mainly acoustic Path.
  • thermoacoustic vibrations are influenced here mainly through fuel injection.
  • a device 1 according to the invention comprises a controller 2, which is here only by a broken line symbolized frame is symbolized.
  • the device 1 also has at least one acoustic source 3 and / or at least one control valve 4 a fuel supply device, not otherwise shown.
  • the Device 1 is assigned to a combustion system 5, which is usually has at least one burner 6 and at least one combustion chamber 7. to Simplification are burner 6 and combustion chamber 7 by a common one Rectangle symbolizes.
  • the exemplary embodiments shown here differ essentially in that the controller 2 two in the variant according to FIG. 1 controls separate acoustic sources 3, while according to the variant FIG. 2 controls two separate control valves 4 and in the variant according to FIG. 3 controls an acoustic source 3 and a control valve 4.
  • the controller 2 two in the variant according to FIG. 1 controls separate acoustic sources 3, while according to the variant FIG. 2 controls two separate control valves 4 and in the variant according to FIG. 3 controls an acoustic source 3 and a control valve 4.
  • One of the control valves 4 is designated 4 ′ when two control valves 4 are provided.
  • the controller 2 contains two control paths 8 and 9 for this purpose contain a frequency band pass filter 10 on the input side. Since the two Frequency band pass filter 10 tuned to different interference frequencies are, a frequency band pass filter is designated 10 '.
  • a frequency band pass filter is designated 10 '.
  • the Control paths 8, 9 is the frequency band pass filter 10, 10 'each Time delay element 11 or 11 'connected, which in turn a Amplifier element 12 is connected downstream.
  • the two are on the output side Control paths 8, 9 either with one of the acoustic sources 3 or with one the control valves 4 connected.
  • each controller 2 contains a control algorithm 13 which is shown in FIG Depending on incoming signals, corresponding signals to the input sides the control paths 8, 9 delivers.
  • the control algorithm 13 receives its Input signals from a sensor system, not shown here, for measurement thermoacoustic vibrations in the combustion system 5 is formed.
  • the Signals determined by the sensor system correlate with the thermoacoustic Vibrations in the combustion system 5.
  • the measured signals can thereby be pressure signals.
  • the sensors then include pressure sensors, preferably microphones, in particular water-cooled microphones and / or Microphones with piezoelectric pressure transducers. It is also possible that the signals measured by the sensors using chemical luminescence signals are formed, preferably by chemiluminescent signals from the emission one of the radicals OH or CH.
  • the sensor system can then expediently be optical Sensors for visible or infrared radiation, especially optical ones Have fiber probes.
  • the pressure or measured in the combustion chamber 7, for example Luminescence signal is filtered in the frequency band pass filters 10, 10 '.
  • the frequency band pass filters 10, 10 ' By the different pass frequencies of the frequency band pass filter 10, 10 'becomes the desired separate influencing of two different ones Interference frequencies, for example a main interference frequency and a secondary interference frequency, the thermoacoustic vibrations in the combustion system 5 allows.
  • the respective control path 8, 9 then takes place in the respective Time delay element 11, 11 'a phase shift, the Phase shifts in the control paths 8, 9 can be different.
  • Signal amplification then takes place in amplifier 12, and here too to generate different amplitudes the gain in the Control paths 8, 9 can be different.
  • the control paths 8, 9 outgoing signals then drive the respective acoustic source 3, 3 'or that respective control valve 4, 4 '. This results in the desired influence thermoacoustic vibrations.
  • the controller 2 in particular its control algorithm 13, can be in Dependence of the current pressure or luminescent signals Actuate time delay elements 11 or 11 'and / or the amplifiers 12. As a result, the influence of the respective control path 8, 9 on the respective assigned interference frequency can be varied or tracked. So far closed control loops for both control paths 8, 9.
  • thermoacoustic vibrations For the functioning of influencing the thermoacoustic vibrations by means of acoustic excitation of the gas flow, EP 0 918 152 A1 referenced, the content of which is hereby expressly referred to in the Disclosure content of the present invention is incorporated. In is accordingly for the functioning of influencing the thermoacoustic vibrations by means of modulated fuel injection EP 0 985 810 A1, the content of which is hereby expressly referred to Reference to the disclosure content of the present invention is incorporated.
  • the fluid mechanical stability of a gas turbine burner is of crucial for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
  • thermoacoustic vibrations occur in the area of the burner forming shear layer is acoustically excited.
  • Mixture layer refers to that between two fluid flows forms different speeds. Influencing the shear layer has the advantage that the excitation introduced in the shear layer increases become. So there is little to cancel an existing sound field Excitation energy needed. In contrast, with a pure Anti-sound principle an existing sound field by a phase-shifted Sound field of equal energy extinguished.
  • the shear layer can be excited both downstream and upstream of the burner become. Downstream of the burner, the shear layer can be excited directly. With an excitation upstream of the burner, the acoustic excitation first introduced into a working gas, for example air, the Then excitation after passage of the working gas through the burner into the Shear layer transmits. Since only a small amount of stimulation is required, can the acoustic sources 3 by acoustic drivers, such as Loudspeakers, be formed, which are aligned with the gas flow. alternative can one or more chamber walls mechanically cause vibrations in the desired frequency can be excited.
  • acoustic drivers such as Loudspeakers
  • This signal can be in the combustion chamber or in a downstream of the burner Calming chamber arranged upstream of the burner can be measured.
  • the current acoustic excitation is then dependent on this Measurement signal controlled.
  • phase difference is determined by the respective Time delay element 11, 11 'is set and takes into account that as a rule by the arrangement of the measuring sensors and acoustic drivers or sources 3, 3 'or control valves 4, 4' and by the measuring devices and lines themselves Phase shifts occur. If the set relative phase is like this chosen to result in the greatest possible reduction in the pressure amplitude, all these phase shifting effects are implicitly taken into account. Since the cheapest relative phase can change over time, the relative phase remains advantageously variable and can be controlled via pressure fluctuations be adjusted in such a way that great suppression is always guaranteed.
  • the training can also be done with the help of the modulated fuel injection influence thermoacoustic vibrations.
  • a modulated Fuel injection is every time varying injection of understood liquid or gaseous fuel. This modulation can for example with any frequency.
  • the injection can phase-independent of the pressure fluctuations in the combustion system respectively; however, an embodiment is preferred in which the injection is carried out with is phase-coupled to a signal measured in the combustion system 5, the is correlated with the thermoacoustic vibrations.
  • the modulation of the The fuel is injected by opening and closing the Control valves 4, 4 ', whereby the injection times (start and end of injection) and / or the injection quantity can be varied. Thanks to the modulated fuel supply can the amount of fuel converted in large eddies to be controlled. This can result in the formation of coherent heat releases and thus the emergence of thermoacoustic instabilities to be influenced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Feeding And Controlling Fuel (AREA)
  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (5), umfassend wenigstens einen Brenner (6) und wenigstens eine Brennkammer (7), wobei eine sich im Bereich des Brenners (6) ausbildende Gasströmung akustisch angeregt wird und/oder, eine Eindüsung von Brennstoff moduliert erfolgt. Um die Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen zu verbessern, sind die akustischen Anregungen der Gasströmung und/oder die modulierten Eindüsungen des Brennstoffs zur Beeinflussung von wenigstens zwei unterschiedlichen Störfrequenzen der thermoakustischen Schwingungen abgestimmt. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem mit wenigstens einem Brenner und wenigstens einer Brennkammer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass in Brennkammern von Gasturbinen häufig unerwünschte thermoakustische Schwingungen auftreten. Mit dem Begriff "thermoakustische Schwingungen" werden sich gegenseitig aufschaukelnde thermische und akustische Störungen bezeichnet. Es können dabei hohe Schwingungsamplituden auftreten, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung der Brennkammer, einer erhöhten NOx-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme führen können. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu. Um eine hohe Leistung in Bezug auf Pulsationen und Emissionen über einen weiten Betriebsbereich zu gewährleisten, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.
Um besonders niedrige NOx-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet und der Kühlluftstrom reduziert. Da bei herkömmlichen Brennkammern die in die Brennkammer einströmende Kühlluft schalldämpfend wirkt und damit zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen beiträgt, wird durch die vorgenannten Maßnahmen zur Reduzierung der NOx-Emissionen die Schalldämpfung reduziert.
Aus der EP 0 918 152 A1 ist es bekannt, thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen, dass die sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt wird.
Aus der EP 0 985 810 A1 ist es bekannt, thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen, dass eine Eindüsung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff moduliert erfolgt.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind jeweils zur Beeinflussung einer bestimmten Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen abgestimmt. Bei bestimmten Anwendungsfällen können jedoch auch Schwingungssysteme mit mehreren Störfrequenzen auftreten, wobei es insbesondere möglich ist, dass die Reduzierung der störenden Wirkung einer Haupt-Störfrequenz die Störwirkung einer Neben-Störfrequenz verstärkt.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen Weg zur Verbesserung der Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem aufzuzeigen, wobei insbesondere die Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen mit zwei oder mehr Störfrequenzen ermöglicht werden soll.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mehrere Störfrequenzen der thermoakustischen Schwingungen separat zu beeinflussen. Hierdurch können nachteilige Wechselwirkungen, die bei der Bekämpfung der einen Störfrequenz eine Verstärkung der anderen Störfrequenz hervorrufen können, reduziert oder eliminiert werden. Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise zumindest die Bedämpfung der Haupt-Störfrequenz deutlich verstärkt werden kann.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können zwei Störfrequenzen ausschließlich durch akustische Anregung der Gasströmung mit Schwingungen unterschiedlicher Phasen und/oder Amplituden beeinflusst werden. Bei dieser Ausführungsform kann zur Beeinflussung von zwei Störfrequenzen auf eine modulierte Eindüsung verzichtet werden. Die Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen erfolgt hierbei hauptsächlich auf akustischem Weg.
Bei einer alternativen Weiterbildung können zwei Störfrequenzen ausschließlich durch modulierte Eindüsung des Brennstoffs mit Eindüsmodulationen unterschiedlicher Eindüszeiten und/oder Eindüsmengen beeinflusst werden. Im Unterschied zur vorstehend genannten Variante kann bei dieser auf eine akustische Anregung der Gasströmung verzichtet werden. Dementsprechend erfolgt die Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen hier hauptsächlich über die Brennstoffeindüsung.
Des Weiteren ist eine Lösung denkbar, bei welcher eine Störfrequenz durch akustische Anregung der Gasströmung beeinflusst wird, während eine andere Störfrequenz durch modulierte Eindüsung des Brennstoffs beeinflusst wird. Bei dieser Variante werden die beiden unterschiedlichen Beeinflussungs-Methoden miteinander kombiniert, um unterschiedliche Störfrequenzen mit unterschiedlichen Methoden zu beeinflussen. Bei einem derartigen Aufbau kann insbesondere auf die eingangs genannten bekannten Systeme zurückgegriffen werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 bis 3
jeweils eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 bis 3 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine Steuerung 2, die hier lediglich durch einen mit unterbrochenen Linien dargestellten Rahmen symbolisiert ist. Die Vorrichtung 1 besitzt außerdem wenigstens eine akustische Quelle 3 und/oder wenigstens ein Steuerventil 4 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennstoffversorgungseinrichtung. Die Vorrichtung 1 ist einem Verbrennungssystem 5 zugeordnet, das üblicherweise wenigstens einen Brenner 6 sowie wenigstens eine Brennkammer 7 aufweist. Zur Vereinfachung sind hier Brenner 6 und Brennkammer 7 durch ein gemeinsames Rechteck symbolisiert.
Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im wesentlichen dadurch voneinander, dass bei der Variante gemäß Fig. 1 die Steuerung 2 zwei separate akustische Quellen 3 ansteuert, während sie bei der Variante gemäß Fig. 2 zwei separate Steuerventile 4 ansteuert und bei der Variante gemäß Fig. 3 eine akustische Quelle 3 und ein Steuerventil 4 ansteuert. Sofern zwei akustische Quellen 3 vorhanden sind, ist eine davon mit 3' bezeichnet. In entsprechender Weise ist eines der Steuerventile 4 mit 4' bezeichnet, wenn zwei Steuerventile 4 vorgesehen sind.
Die Steuerung 2 enthält zu diesem Zweck jeweils zwei Steuerpfade 8 und 9, die eingangsseitig jeweils ein Frequenzband-Pass-Filter 10 enthalten. Da die beiden Frequenzband-Pass-Filter 10 auf unterschiedliche Störfrequenzen abgestimmt sind, ist das eine Frequenzband-Pass-Filter mit 10' bezeichnet. In den Steuerpfaden 8, 9 ist dem Frequenzband-Pass-Filter 10, 10' jeweils ein Zeitverzögerungsglied 11 bzw. 11' nachgeschaltet, dem seinerseits ein Verstärkerglied 12 nachgeschaltet ist. Ausgangsseitig sind die beiden Steuerpfade 8, 9 entweder mit einer der akustischen Quellen 3 oder mit einem der Steuerventile 4 verbunden.
Des Weiteren enthält jede Steuerung 2 einen Steueralgorithmus 13, der in Abhängigkeit eingehender Signale entsprechende Signale an die Eingangsseiten der Steuerpfade 8, 9 abgibt. Der Steueralgorithmus 13 erhält seine Eingangssignale von einer hier nicht gezeigten Sensorik, die zur Messung thermoakustischer Schwingungen im Verbrennungssystem 5 ausgebildet ist. Die von der Sensorik ermittelten Signale korrelieren dabei mit den thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 5. Die gemessenen Signale können dabei Drucksignale sein. Die Sensorik umfasst dann Drucksensoren, vorzugsweise Mikrophone, insbesondere wassergekühlte Mikrophone und/oder Mikrophone mit piezoelektrischen Druckaufnehmern. Ebenso ist es möglich, dass die von der Sensorik gemessenen Signale durch Chemielumineszenssignale gebildet sind, bevorzugt durch Chemielumineszenssignale von der Emission eines der Radikale OH oder CH. Zweckmäßig kann die Sensorik dann optische Sensoren für sichtbare oder infrarote Strahlung, insbesondere optische Fasersonden, aufweisen.
Das zum Beispiel in der Brennkammer 7 gemessene Druck- oder Lumineszenssignal wird in den Frequenzband-Pass-Filtern 10, 10' gefiltert. Durch die unterschiedlichen Durchgangsfrequenzen der Frequenzband-Pass-Filter 10, 10' wird die gewünschte separate Beeinflussung zweier verschiedener Störfrequenzen, zum Beispiel einer Haupt-Störfrequenz und einer Neben-Störfrequenz, der thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 5 ermöglicht. Im jeweiligen Steuerpfad 8, 9 erfolgt dann im jeweiligen Zeitverzögerungsglied 11, 11' eine Phasenverschiebung, wobei die Phasenverschiebungen in den Steuerpfaden 8, 9 unterschiedlich sein können. Anschließend erfolgt im Verstärker 12 eine Signalverstärkung, wobei auch hier zur Erzeugung unterschiedlicher Amplituden die Verstärkung in den Steuerpfaden 8, 9 verschieden sein kann. Die von den Steuerpfaden 8, 9 ausgehenden Signale treiben dann die jeweilige akustische Quelle 3, 3' bzw. das jeweilige Steuerventil 4, 4'. Hierdurch ergibt sich die gewünschte Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen.
Die Steuerung 2, insbesondere deren Steueralgorithmus 13, kann in Abhängigkeit der momentanen Druck- oder Lumineszens-Signale die Zeitverzögerungsglieder 11 bzw. 11' und/oder die Verstärker 12 betätigen. Hierdurch kann der Einfluss des jeweiligen Steuerpfads 8, 9 auf die jeweils zugeordnete Störfrequenz variiert bzw. nachgeführt werden. Insoweit ergeben sich hier für beide Steuerpfade 8, 9 geschlossene Regelkreise.
Für die Funktionsweise der Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen mittels akustischer Anregung der Gasströmung wird auf die EP 0 918 152 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung eingegliedert wird. In entsprechender Weise wird für die Funktionsweise der Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen mittels modulierter Brennstoffeindüsung auf die EP 0 985 810 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung eingegliedert wird.
Die strömungsmechanische Stabilität eines Gasturbinenbrenners ist von entscheidender Bedeutung für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen.
Die im Brenner entstehenden strömungsmechanischen Instabilitätswellen führen zur Ausbildung von Wirbeln. Diese auch als kohärente Strukturen bezeichneten Wirbel spielen eine bedeutende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die räumliche und zeitliche Dynamik dieser kohärenten Strukturen beeinflusst die Verbrennung und die Wärmefreisetzung. Durch die akustische Anregung der Gasströmung kann der Ausbildung dieser kohärenten Strukturen entgegengewirkt werden. Wird die Entstehung von Wirbelstrukturen am Brenneraustritt reduziert oder verhindert, so wird dadurch auch die periodische Wärmefreisetzungsschwankung reduziert. Diese periodischen Wärmefreisetzungsschwankungen bilden jedoch die Grundlage für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen, so dass durch die akustische Anregung die Amplitude der thermoakustischen Schwankungen reduziert werden kann.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn zur Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen eine sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt wird. Mit Scherschicht ist hier die Mischungsschicht bezeichnet, die sich zwischen zwei Fluidströmungen unterschiedlicher Geschwindigkeiten bildet. Die Beeinflussung der Scherschicht hat den Vorteil, dass eingebrachte Anregungen in der Scherschicht verstärkt werden. Somit wird zur Auslöschung eines vorhandenen Schallfelds nur wenig Anregungsenergie benötigt. Im Unterschied dazu wird bei einem reinen Antischall-Prinzip ein vorhandenes Schallfeld durch ein phasenverschobenes Schallfeld gleicher Energie ausgelöscht.
Die Scherschicht kann sowohl stromab als auch stromauf des Brenners angeregt werden. Stromab des Brenners kann die Scherschicht direkt angeregt werden. Bei einer Anregung stromauf des Brenners wird die akustische Anregung zunächst in ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, eingebracht, wobei sich die Anregung dann nach Durchgang des Arbeitsgases durch den Brenner in die Scherschicht überträgt. Da nur geringe Anregungsleistungen notwendig sind, können die akustischen Quellen 3 durch akustische Treiber, wie etwa Lautsprecher, gebildet sein, die auf die Gasströmung ausgerichtet sind. Alternativ können eine oder mehrere Kammerwände mechanisch zu Schwingungen bei der jeweils gewünschten Frequenz angeregt werden.
Bevorzugt wird die momentane akustische Anregung der Gasströmung bzw. deren Scherschicht mit einem in dem Verbrennungssystem gemessenen Signal phasengekoppelt, das mit den thermoakustischen Fluktuationen korreliert ist. Dieses Signal kann stromab des Brenners in der Brennkammer oder in einer stromauf des Brenners angeordneten Beruhigungskammer gemessen werden. Die momentane akustische Anregung wird dann in Abhängigkeit dieses Messsignals gesteuert.
Durch die Wahl einer geeigneten, je nach Art des gemessenen Signals verschiedenen Phasendifferenz zwischen Messsignal und momentanem akustischen Anregungssignal wirkt die akustische Anregung der Ausbildung kohärenter Strukturen entgegen, so dass die Amplitude der Druckpulsation verringert wird. Die genannte Phasendifferenz wird durch das jeweilige Zeitverzögerungsglied 11, 11' eingestellt und berücksichtigt, dass in der Regel durch die Anordnung der Messsensoren und akustischen Treiber oder Quellen 3, 3' bzw. Steuerventile 4, 4' sowie durch die Messgeräte und Leitungen selbst Phasenverschiebungen auftreten. Wird die eingestellte relative Phase so gewählt, dass sich eine möglichst große Reduzierung der Druckamplitude ergibt, werden alle diese phasendrehenden Effekte implizit berücksichtigt. Da sich die günstigste relative Phase mit der Zeit ändern kann, bleibt die relative Phase vorteilhaft variabel und kann etwa über eine Kontrolle der Druckschwankungen so nachgeführt werden, dass stets eine große Unterdrückung gewährleistet ist.
Mit Hilfe der modulierten Brennstoffeindüsung lässt sich ebenfalls die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen beeinflussen. Unter einer modulierten Brennstoffeindüsung wird hierbei jede zeitlich variierende Eindüsung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff verstanden. Diese Modulation kann beispielsweise mit einer beliebigen Frequenz erfolgen. Die Eindüsung kann phasenunabhängig von den Druckschwingungen im Verbrennungssystem erfolgen; bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der die Eindüsung mit einem im Verbrennungssystem 5 gemessenen Signal phasengekoppelt ist, das mit den thermoakustischen Schwingungen korreliert ist. Die Modulation der Brennstoffeindüsung erfolgt durch ein entsprechendes Öffnen und Schließen der Steuerventile 4, 4', wodurch die Eindüszeiten (Start und Ende der Eindüsung) und/oder die Eindüsmenge variiert werden. Durch die modulierte Brennstoffzufuhr kann die in großräumigen Wirbeln umgesetzte Brennstoffmenge kontrolliert werden. Hierdurch kann die Ausbildung der kohärenten Wärmefreisetzungen und somit die Entstehung thermoakustischer Instabilitäten beeinflusst werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind zwei separate akustische Quellen 3 und 3' dargestellt, die über die parallelen Steuerpfade 8, 9 getrennt angesteuert werden. Grundsätzlich ist jedoch eine Ausführungsform denkbar, bei der beide Steuerpfade 8, 9 an eine gemeinsame akustische Quelle angeschlossen sind, wobei dann die Ausgangssignale der Steuerpfade 8, 9 in entsprechender Weise überlagert werden. Entsprechendes gilt auch für die Ausführungsform gemäß Fig. 2, bei der zwei separate Steuerventile 4 und 4' von den beiden Steuerpfaden 8, 9 angesteuert werden. Auch hier ist es grundsätzlich denkbar, ein gemeinsames Steuerventil durch eine Überlagerung der Ausgangssignale der beiden Steuerpfade 8, 9 zur Beeinflussung der beiden Störfrequenzen anzusteuern.
Bezugszeichenliste
1
Vorrichtung
2
Steuerung
3
akustische Quelle
4
Steuerventil
5
Verbrennungssystem
6
Brenner
7
Brennkammer
8
Steuerpfad
9
Steuerpfad
10
Frequenzband-Pass-Filter
11
Zeitverzögerungsglied
12
Verstärker
13
Steueralgorithmus

Claims (8)

  1. Verfahren zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (5) mit wenigstens einem Brenner (6) und wenigstens einer Brennkammer (7), bei dem eine sich im Bereich des Brenners (6) ausbildende Gasströmung akustisch angeregt wird und/oder bei dem eine Eindüsung von Brennstoff moduliert erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Anregungen der Gasströmung und/oder die modulierten Eindüsungen des Brennstoffs zur Beeinflussung von wenigstens zwei unterschiedlichen Störfrequenzen der thermoakustischen Schwingungen abgestimmt sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwei Störfrequenzen ausschließlich durch akustische Anregungen der Gasströmung mit unterschiedlichen Phasen und/oder Amplituden beeinflusst werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Anregungen der Gasströmung mit wenigstens einer akustischen Quelle (3) erzeugt werden, wobei die Erzeugung akustischer Anregungen unterschiedlicher Phasen und/oder Amplituden entweder über eine gemeinsame akustische Quelle oder über wenigstens zwei separate akustische Quellen (3, 3') erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwei Störfrequenzen ausschließlich durch modulierte Eindüsungen des Brennstoffs mit unterschiedlichen Eindüszeiten und/oder Eindüsmengen beeinflusst werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die modulierten Eindüsungen des Brennstoffs mit wenigstens einem Steuerventil (4) erzeugt werden, wobei die Erzeugung modulierter Eindüsungen unterschiedlicher Eindüszeiten und/oder Eindüsmengen entweder über ein gemeinsames Steuerventil oder über wenigstens zwei separate Steuerventile (4, 4') erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Störfrequenz durch akustische Anregung der Gasströmung beeinflusst wird und eine andere Störfrequenz durch modulierte Eindüsung des Brennstoffs beeinflusst wird.
  7. Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem (5) mit wenigstens einem Brenner (6) und einer Brennkammer (7), bei der im Bereich des Brenners (6) wenigstens eine akustische Quelle (3, 3') zur Erzeugung einer akustischen Anregung einer sich im Bereich des Brenners (6) ausbildenden Gasströmung angeordnet ist und/oder bei der der Brenner (6) wenigstens eine Brennstoffversorgungseinrichtung mit wenigstens einem Steuerventil (4, 4') zur Erzeugung einer modulierten Eindüsung eines Brennstoffs aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (2) vorgesehen ist, die die wenigstens eine akustische Quelle (3, 3') und/oder das wenigstens eine Steuerventil (4, 4') zur Beeinflussung von wenigstens zwei unterschiedlichen Störfrequenzen der thermoakustischen Schwingungen ansteuert.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2) für jede zu beeinflussende Störfrequenz einen Steuerpfad (8, 9) aufweist, der eingangsseitig ein auf die jeweilige Störfrequenz abgestimmtes Frequenzband-Pass-Filter (10, 10') enthält und ausgangsseitig an die jeweilige akustische Quelle (3, 3') oder an das jeweilige Steuerventil (4, 4') angeschlossen ist, wobei jeder Steuerpfad (8, 9) ein Zeitverzögerungsglied (11, 11') enthält.
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