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Technisches
Gebiet
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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.
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Stand der
Technik
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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 und
erhöhten
NOX-Emissionen
durch eine inhomogene Verbrennung 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.
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Um 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.
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Aus der
EP 0 918 152 A1 ist es bekannt, dass
thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen sind, indem
die sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch
angeregt wird.
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Aus der
EP 0 985 810 A1 ist es bekannt, dass
thermoakustische Schwingungen dadurch zu beeinflussen sind, indem
eine Eindüsung
von flüssigem
oder gasförmigem
Brennstoff moduliert erfolgt.
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Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind
jeweils zur Beeinflussung einer bestimmten Störfrequenz der thermoakustischen
Schwingungen abgestimmt. Es besteht weiterer Bedarf, die Störwirkung
der thermoakustischen Schwingungssysteme noch stärker zu reduzieren.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken,
die grundsätzlich
bekannte akustische Anregung der Gasströmung mit der grundsätzlich bekannten
modulierten Eindüsung
des Brennstoffs zur Beeinflussung derselben Störfrequenz der thermoakustischen
Schwingungen miteinander zu kombinieren. Versuche haben gezeigt,
dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Kombination eine überraschend
hohe Unterdrückungswirkung
oder Dämpfungswirkung
für die
jeweilige Störfrequenz
zeigt, die deutlich über
die Dämpfungswirkung
der bekannten akustischen Gasströmungsanregung
für sich
genommen und über
die Dämpfungswirkung
der bekannten modulierten Brennstoffeindüsung für sich genommen sowie über die
für eine
Kombination dieser beiden Beeinflussungs-Methoden erwartete Dämpfungswirkung
hinausgeht. Die unerwartet starke Verbesserung der Dämpfungswirkung
wird dabei auf überraschend
auftretende, noch nicht erklärte
Synergieeffekte zurückgeführt.
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Entsprechend einer vorteilhaften
Weiterbildung können
die momentane akustische Gasströmungsanregung
und die momentane modulierte Brennstoffeindüsung mit demselben, im Verbrennungssystem
gemessenen, mit den thermoakustischen Schwingungen korrelierenden
Signal phasengekoppelt werden. Hierdurch wird erreicht, dass die beiden
Beeinflussungs-Methoden nicht unabhängig voneinander arbeiten,
sondern phasengekoppelt zusammenwirken.
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Die Phasen beziehen sich dabei auf
dem Amplitudenverlauf der bevorzugt zu beeinflussenden Störfrequenz
innerhalb der thermoakustischen Schwingungen.
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Das besagte gemessene Signal wird
zur Realisierung der akustischen Gasströmungsanregung einer ersten
Phasenverschiebung unterzogen, während
es zur Realisierung der modulierten Brennstoffeindüsung einer
zweiten Phasenverschiebung unterzogen wird. Dabei kann es zweckmäßig sein,
der ersten Phasenverschiebung einen anderen Wert zu geben als der
zweiten Phasenverschiebung. Durch das separate Einstellen der Phasenverschiebungen können die
synergetischen Wechselwirkungen der beiden kombinierten Beeinflussungs-Methoden
zur Verbesserung der Dämpfungswirkung
optimiert werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und
aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend 1 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 sowie wenigstens ein
Steuerventil 4 einer Brennstoffversorgungseinrichtung 5.
Die Brennstoffversorgungseinrichtung 5 ist mit einem Verbrennungssystem 6 gekoppelt,
das üblicherweise
wenigstens einen Brenner 7 sowie wenigstens eine Brennkammer 8 aufweist.
Zur Vereinfachung sind hier Brenner 7 und Brennkammer 8 durch
ein gemeinsames Rechteck symbolisiert. Dem Verbrennungssystem 6 ist
außerdem
eine Gasversorgungseinrichtung 9 zugeordnet. Während mit
dem Steuerventil 4 die dem Verbrennungssystem 6 zugeführte Menge
an flüssigem
oder gasförmigen
Brennstoff steuerbar ist, kann mit der akustischen Quelle 3 eine
sich im Verbrennungssystem 6 ausbildende Gasströmung beeinflusst
werden. Dabei kann die akustische Quelle 3 – wie hier – indirekt über die
Gasversorgungseinrichtung 9 oder direkt auf das Verbrennungssystem 6 einwirken.
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Die Vorrichtung 1 ist dem
Verbrennungssystem 6 zugeordnet und dient zur Beeinflussung
thermoakustischer Schwingungen, die im Verbrennungssystem 6 auftreten
können.
Zu diesem Zweck enthält die
Steuerung 2 einen ersten Steuerpfad 10 und einen
zweiten Steuerpfad 11, die eingangsseitig ein erstes Zeitverzögerungsglied 12 bzw.
ein zweites Zeitverzögerungsglied 13 enthalten.
Des weiteren enthalten die Steuerpfade 10, 11 ausgangsseitig
einen ersten Verstärker 14 bzw.
einen zweiten Verstärker 15.
Außerdem
enthält
der zweite Steuerpfad 11 zwischen zweitem Zeitverzögerungsglied 13 und zweitem
Verstärker 15 ein
Hochpassfilter 16. Während
der erste Steuerpfad 10 ausgangsseitig an die akustische
Quelle 3 angeschlossen ist, ist der zweite Steuerpfad 11 ausgangsseitig
mit dem Steuerventil 4 verbunden.
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Des Weiteren enthält die Steuerung 2 einen Steueralgorithmus 17,
der in Abhängigkeit
eingehender Signale entsprechende Signale an die Eingangsseiten
der insoweit parallel geschalteten Steuerpfade 10, 11 abgibt.
Der Steueralgorithmus 17 erhält seine Eingangssignale von
einer hier nicht gezeigten Sensorik, die zur Messung thermoakustischer
Schwingungen im Verbrennungssystem 6 ausgebildet ist. Die
von dieser Sensorik ermittelten Signale korrelieren dabei mit den
thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 6.
Die gemessenen Signale können
dabei Drucksignale sein, wobei die Sensorik dann Drucksensoren,
vorzugsweise Mikrofone, insbesondere wassergekühlte Mikrofone und/oder Mikrofone
mit piezoelektrischen Druckaufnehmern, umfasst. 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.
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Das beispielsweise in der Brennkammer 8 gemessene
Druck- oder Lumineszenssignal wird vom Steueralgorithmus 7 entsprechend
aufbereitet und den Zeitverzögerungsgliedern 12, 13 parallel
zugeführt.
In den Zeitverzögerungsgliedern 12, 13 erfolgen
dann die für
den jeweiligen Steuerpfad 10, 11 vorgesehenen
Phasenverschiebungen des eingehenden Signals. Im zweiten Steuerpfad 11 hält das Hochpassfilter 16 unerwünschte,
niederfrequente Störungen
zurück,
so dass nur die erwünschten, hochfrequenten,
phasenverschobenen Signale zum zweiten Verstärker 15 gelangen.
Mit Hilfe der Verstärker 14, 15 erfolgt
dann eine Signalverstärkung.
Vorzugsweise sind die von den Zeitverzögerungsgliedern 12, 13 erzielten
Phasenverschiebungen verschieden groß gewählt. Insbesondere ist eine
Ausführungsform
möglich,
bei der die Steuerung 2, insbesondere über ihren Steueralgorithmus 17 die Phasenverschiebungen
der Zeitverzögerungsglieder 12, 13 unabhängig voneinander
einstellen kann. Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass die
Steuerung 2, z.B. über
den Steueralgorithmus 17, die Verstärker 14, 15 zur
Erzeugung unterschiedlicher Signalamplituden unabhängig voneinander
ansteuert. In entsprechender Weise kann auch der Hochpassfilter 16 einstellbar
ausgestaltet sein.
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Mit Hilfe der Verstärker 14, 15 werden
an den Steuerpfaden 10, 11 ausgangsseitig Treibersignale erzeugt,
die zur Ansteuerung oder Betätigung
der akustischen Quelle 3 bzw. des Steuerventils 4 nutzbar
sind. Hierdurch kann die gewünschte
Beeinflussung der thermoakustischen Schwingungen im Verbrennungssystem 6 erzielt
werden.
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Die Steuerung 2, insbesondere
deren Steueralgorithmus 17, kann in Abhängigkeit der momentanen Druck-
oder Lumineszens-Signale die Zeitverzögerungsglieder 12, 13 und/oder
die Verstärker 14, 15 und/oder
den Hochpassfilter 16 betätigen. Hierdurch kann der Einfluss
des jeweiligen Steuerpfads 10, 11 auf die zu bedämpfende
Störfrequenz
variiert bzw. nachgeführt
werden. Insoweit ergeben sich hier für beide Steuerpfade 10, 11 geschlossene
Regelkreise.
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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.
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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.
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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.
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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, kann die akustische
Quelle 3 durch einen akustischen Treiber, wie etwa ein
oder mehrere Lautsprecher, gebildet sein, der auf die Gasströmung ausgerichtet
ist. Alternativ können
eine oder mehrere Kammerwände
mechanisch zu Schwingungen bei der jeweils gewünschten Frequenz angeregt werden.
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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.
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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 Zeitverzögerungsglied 12 eingestellt
und berücksichtigt,
dass in der Regel durch die Anordnung der Messsensoren und akustischen
Treiber oder Quellen 3 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.
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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 die hier gezeigte Ausführungsform, bei der die Eindüsung mit
einem im Verbrennungssystem 6 gemessenen Signal phasengekoppelt
ist, das mit den thermoakustischen Schwingungen korreliert ist.
Die Modulation der Brennstoffeindüsung erfolgt durch ein entsprechendes Öffnen und
Schließen
des oder der Steuerventile 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
Wärmefreisetzung
und somit die Entstehung thermoakustischer Instabilitäten beeinflusst werden.
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Bei der hier gewählten Anordnung erfolgt die akustische
Anregung der Gasströmung
stromauf der modulierten Eindüsung
des Brennstoffs. Diese Anordnung kann von besonderem Vorteil sein
und das Zusammenwirken der beiden unterschiedlichen Beeinflussungs-Methoden
verstärken.
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Die modulierte Eindüsung des
Brennstoffs erfolgt vorzugsweise in die bereits oben erwähnte Scherschicht
innerhalb des Brenners 7. Dabei kann es ausreichend sein,
nur einen relativ kleinen Anteil der eingedüsten Brennstoffmenge zu modulieren. Insbesondere
kann es zweckmäßig sein,
weniger als 20% der insgesamt eingedüsten Brennstoffmenge moduliert
einzudüsen.
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Über
den Steueralgorithmus 17 kann es insbesondere möglich sein,
die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu
beeinflussende Störfrequenz
der thermoakustischen Schwingungen zu variieren. Beispielsweise
kann die Hauptstörfrequenz vom
jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungssystems 6 abhängen.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Steuerung
- 3
- akustische
Quelle
- 4
- Steuerventil
- 5
- Brennstoffversorgungseinrichtung
- 6
- Verbrennungssystem
- 7
- Brenner
- 8
- Brennkammer
- 9
- Gasversorgungseinrichtung
- 10
- erster
Steuerpfad
- 11
- zweiter
Steuerpfad
- 12
- erstes
Zeitverzögerungsglied
- 13
- zweites
Zeitverzögerungsglied
- 14
- erster
Verstärker
- 15
- zweiter
Verstärker
- 16
- Hochpassfilter
- 17
- Steueralgorithmus