Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschine

Abstract

 Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschnine mit einem Brenner (1), in dem ein Brennstoff-/Luftgemisch zur Zündung gebracht wird und Heissgase gebildet werden, die den Brenner am Brenneraustritt (3) verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung der Heißgase nachfolgende Brennkammer (2) einmünden.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass den Heissgasen unmittelbar am Ort des Brenneraustritts ein Massenstrom beigemischt wird.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschnine mit einem Brenner, in dem ein Brennstoff-/Luftgemisch zur Zündung gebracht wird und Heissgase gebildet werden, die den Brenner am Brenneraustritt verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung der Heißgase nachfolgende Brennkammer einmünden.

Stand der Technik

[0002] Beim Betrieb von Strömungskraftmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinenanlagen, treten in den Brennkammern häufig unerwünschte, so genannte thermoakustische Schwingungen auf, die am Brenner als strömungsmechanische Instabilitätswellen entstehen und zu Strömungswirbeln führen, die den gesamten Verbrennungsvorgang stark beeinflussen und zu unerwünschten periodischen Wärmefreisetzungen innerhalb der Brennkammer führen, die mit starken Druckschwankungen verbunden sind. Mit den hohen Druckschwankungen sind hohe Schwingungsamplituden verknüpft, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung des Brennkammergehäuses, einer erhöhten NO_x-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme innerhalb der Brennkammer führen können.

[0003] Thermoakustische Schwingungen beruhen zumindest teilweise auf Strömungsinstabilitäten der Brennerströmung, die sich in kohärenten Strömungsstrukturen äußern, und die die Mischungsvorgänge zwischen Luft und Brennstoff beeinflussen. Bei herkömmlichen Brennkammern wird Kühlluft in Art eines Kühlluftfilm über die Brennkammerwände geleitet. Neben dem Kühleffekt wirkt der Kühlluftfilm auch schalldämpfend und trägt zur Verminderung von thermoakustischen Schwingungen bei. In modernen Gasturbinenbrennkammern mit hohen Wirkungsgraden, niedrigen Emissionen und einer konstanten Temperaturverteilung am Turbineneintritt ist der Kühlluftstrom in die Brennkammer deutlich reduziert und die gesamte Luft wird durch den Brenner geleitet. Jedoch reduziert sich zugleich auch der schalldämpfende Kühlluftfilm, wodurch die schalldämpfende Wirkung herabgesetzt wird und die mit den unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme wieder verstärkt auftreten.

[0004] Eine weitere Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln so genannter Helmholtz-Dämpfern im Bereich der Brennkammer oder der Kühlluftzufuhr. Jedoch ist bei modernen Brennkammerkonstruktionen das Vorsehen derartiger HelmholtzDämpfer auf Grund enger Platzverhältnisse mit großen Schwierigkeiten verbunden.

[0005] Daneben ist bekannt, dass den im Brenner auftretenden strömungsmechanischen Instabilitäten und den damit verbundenen Druckschwankungen dadurch entgegengetreten werden kann, indem die Brennstoffflamme durch zusätzliche Eindüsung von Brennstoff stabilisiert werden kann. Eine derartige Eindüsung von zusätzlichem Brennstoff erfolgt über die Kopfstufe des Brenners, in der eine auf der Brennerachse liegende Düse für die Pilot-Brennstoffgaszuführung vorgesehen ist, was jedoch zu einer Anfettung der zentralen Flammstabilisierungszone führt. Diese Methode der Verminderung von thermoakustischen Schwingungsamplituden ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die Eindüsung von Brennstoff an der Kopfstufe mit einer Erhöhung der Emission von NO_x einhergehen kann.

[0006] Nähere Untersuchungen zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen haben gezeigt, dass derartig unerwünschte kohärente Strukturen bei Mischvorgängen entstehen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die sich zwischen zwei mischenden Strömungen ausbildenden Scherschichten, innerhalb der kohärente Strukturen gebildet werden. Nähere Ausführungen hierzu sind folgenden Druckschriften zu entnehmen: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid mechanics, Vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, "Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 283, 365-407).

[0007] Wie aus den vorstehenden Artikeln hervorgeht, ist es möglich, die sich innerhalb der Scherschichten ausbildenden kohärenten Strukturen durch gezieltes Einbringen einer akustischen Anregung derart zu beeinflussen, dass Ihre Entstehung verhindert wird. Eine weitere Methode ist das Einbringen eines akustischen Gegenschallfeldes, sodass das vorhandene unerwünschte Schallfeld durch ein gezielt eingebrachtes, phasenverschobenes Schallfeld regelrecht ausgelöscht wird. Die Antischall-Technik, wie sie auch beschrieben wird, benötigt jedoch verhältnismäßig viel Energie, die entweder extern dem Brennersystem zur Verfügung gestellt werden muss oder die dem gesamten System an einer anderen Stelle abzuzweigen ist, was jedoch zu einer, wenn auch geringen, aber dennoch vorhandenen Wirkungsgradeinbuße führt.

Darstellung der Erfindung

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brenner, in dem ein Brennstoff-/Luftgemisch zur Zündung gebracht wird und Heißgase gebildet werden, die den Brenner am Brenneraustritt verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung der Heißgase nachfolgende Brennkammer einmünden, derart weiterzubilden, dass die unerwünschten Strömungswirbel, die sich als kohärente Druckschwankungsstrukturen ausbilden, effizient und ohne großen zusätzlichen Energieaufwand ausgelöscht werden sollen. Die hierzu notwendigen Maßnahmen sollen einen geringen konstruktiven Aufwand verursachen und kostengünstig in ihrer Realisierung sein.

[0009] Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 15 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

[0010] Erfindungsgemäß sieht das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine gezielte Beimischung eines Massenstromes in die im Inneren des Brenners entstehenden Heißgase unmittelbar am Ort des Brenneraustritts vor.

[0011] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Ort der Entstehung der kohärenten Strukturen die Grenz- bzw. Scherschicht unmittelbar am Brenneraustritt ist. Anders als das Prinzip des Antischalls, bei dem ein vorhandenes Schallfeld durch Einbringen eines phasenverschobenen Schallfeldes gleicher Energie ausgelöscht wird, basiert der Erfindungsgedanke auf der unmittelbaren Beeinflussung der Scherschicht selbst, in der sich die thermoakustischen Schwingungen auszubilden beginnen. Durch die direkte Einflussnahme, in Form einer gezielten Injektion eines Massenstromes, vorzugsweise eines gasförmigen Massenstromes, wie Luft, Stickstoff oder Erdgas, auf die Scherschicht selbst können die, in der Scherschicht wirkenden Druckschwankungen verstärkenden Mechanismen genutzt werden, um gezielt die unerwünschten Druckschwankungen auszulöschen. So werden bereits kleinste, von außen in die Scherschicht eingebrachte Störungen, in Form von einer gezielten Massenstromzuführung, selbst verstärkt, durch die die sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden unerwünschten thermoakustischen Schwingungen ausgelöscht werden können. Auf diese Weise ist man in der Lage, mit kleinen von extern induzierten Störsignalen die thermoakustischen Schwingungen gänzlich zu unterdrücken. Zusätzliche Energiequellen, wie sie von der Antischalltechnik her bekannt sind, sind beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.

[0012] So erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine direkte Anregung der Scherschicht am Ort ihrer Entstehung, d.h. am Brenneraustritt.

[0013] Typischerweise weist der Brenner mindestens zwei hohle, in Strömungsrichtung der Heißgase ineinander geschachtelte Teilkörper auf, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, sodass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine Brennstoffdüse aufweist. Derartige, auch als Kegelbrenner bezeichnete Brennertypen, weisen an ihrem Brenneraustritt eine kreisrund ausgebildete Abrisskante auf, an der Brennerseitig unmittelbar angrenzend ein Austrittskanal vorgesehen ist, durch den der Massenstrom in die, sich an der Abrisskante ausbildende Scherschicht injiziert werden kann. Vorzugsweise ist der Austrittskanal an der Innenseite des Brenneraustritts unmittelbar an seiner Abrisskante vorgesehen.

[0014] Neben der Verwendung eines gasförmigen Massenstromes, wie vorstehend aufgezeigt, ist es auch möglich, einen flüssigen Massenstrom den Heißgasen beizumischen, beispielsweise in Form flüssigen Brennstoffs.

[0015] Um gezielt die sich innerhalb der Scherschicht am Brenneraustritt ausbildenden thermoakustischen Schwingungen zu unterdrücken, ist der Massenstromzufluss konstant oder vorzugsweise gepulst in die Scherschicht einzubringen, um sich nachfolgend mit den Heißgasen zu vermischen. Für optimale Ergebnisse in der Schwingungsdämpfung ist die Pulsationsfrequenz des Massenstromes auf das Ausbildungsverhalten der sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden, unerwünschten Strömungswirbel bzw. thermoakustischen Schwingungen abzustimmen. Erfahrungswerte zeigen, dass eine effektive Unterdrückung der unerwünschten Strömungswirbel bei Pulsationsfrequenzen zwischen 1 und 5 kHz, vorzugsweise zwischen 50 und 300 Hz liegen.

[0016] Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Massenstromeinspeisung als Antwortsignal auf die sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen erfolgt. Dies setzt voraus, dass das Ausbildungsverhalten der Strömungswirbel innerhalb der Scherschicht erfasst wird und dass in Abhängigkeit davon ein entsprechendes Antwort- bzw. Anregungssignal generiert wird. Dies erfolgt vorzugsweise innerhalb eines geschlossenen Regelkreises, dem ein für die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen charakteristisches Signal zugeführt wird, und der in Abhängigkeit davon ein Anregungssignal generiert, durch das der in die Grenzschicht einzubringende Massenstrom moduliert wird. Mit an sich bekannten Techniken ist es möglich, das für die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Grenzschicht charakteristische Signal zu erfassen, entsprechend zu filtern und phasengedreht und verstärkt einer weiteren Regeleinheit, die nach Maßgabe des vorstehend geschilderten geschlossenen Regelkreises arbeitet, zuzuführen.

[0017] Demgegenüber kann aus Gründen geringen Aufwandes das die Massenstromeinspeisung bestimmende Anregungssignal auch von einer Steuereinheit geliefert werden, das in keiner bestimmten Phasenbeziehung zu den sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen steht. Dennoch kann auf diese Weise eine höchst effiziente Schwingungsunterdrückung erzielt werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0018] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:

Fig. 1

schematische Darstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Anregungsvorrichtung, sowie

Fig. 2

Diagrammdarstellung zur Unterdrückungseffizienz mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0019] In Fig. 1 ist eine schematisierte Vorrichtung dargestellt zur gezielten Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen innerhalb eines Brennersystems. Stark schematisiert ist ein Kegelbrenner 1 dargestellt, mit einer in Strömungsrichtung unmittelbar anschließenden Brennkammer 2. Der Kegelbrenner 1 weist einen kreisförmig ausgebildeten Brenneraustritt 3 auf, der insbesondere als scharfe Abrisskante ausgebildet ist. An der Innenseite des Brenneraustritts 2 mündet, die Abrisskante zirkular umlaufend, ein Austrittskanal 4, durch den ein Massenstrom, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, gezielt ausgebracht werden kann (siehe Pfeile). Unmittelbar in Strömungsrichtung am Brenneraustritt 3 anschließend, bildet sich eine Grenz- bzw. Scherschicht 5 aus, innerhalb der die unerwünschten thermoakustischen Schwingungen entstehen. Um diese effizient zu unterdrücken, erfolgt durch den Austrittskanal 4 eine gezielte Massenstrominjektion in die Scherschicht 5, innerhalb der Strömungswirbel verstärkende Mechanismen wirken, und infolge dessen auch die durch den Massenstrom in die Scherschicht induzierten Störungen entsprechend verstärken. Ein ansteuerbares Ventil 6 sorgt dafür, dass der Massenstrom sowohl kontinuierlich als auch pulsweise in die Scherschicht 5 eingespeist werden kann.

[0020] Grundsätzlich ist es möglich, eine fest vorgegebene Pulsfrequenz zu wählen, die in keinem festen Phasenbezug zu den sich innerhalb der Scherschicht 5 ausbildenden thermoakustischen Schwingungen steht. Jedoch kann das Ventil 6 im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises eine Pulsfrequenz vorgeben, die in einem bestimmten Verhältnis zum Ausbildungsverhalten der thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Scherschicht 5 steht. So kann durch geeignete Wahl einer korrekten Phasendifferenz zwischen der Pulsation des Massenstromes sowie eines gemessenen Anregungssignals, das die thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Scherschicht charakterisiert, die Kohärenz der sich entwickelnden Instabilitätswellen gestört werden, wodurch die Pulsationsamplituden entscheidend verringert werden können. Im Gegensatz zur akustischen Anregung unter Verwendung der Antischalltechnik sind an dem erfindungsgemäßen Anregungsmechanismus keine hohen Anforderungen zu stellen, zumal auch thermische Rahmenbedingungen die Funktionalität des Dämpfungsmechanismus nicht wesentlich beeinträchtigt.

[0021] Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb von Strömungskraftmaschinen ist auch aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 zu entnehmen. Zur Gegenüberstellung eines nichtgedämpften Strömungsfalls (siehe hierzu die gestrichelte Linie) gegenüber eines gedämpften Strömungsfalles (siehe hierzu durchgezogenen Linienzug) soll das Diagramm gemäß Fig. 2 dienen, das bei einer Unterdrückung einer Druckschwingung im 100 Hz-Bereich aufgenommen worden ist. Die Anregung des Massenstromes erfolgt antisymmetrisch zu den sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen. Als Massenstrom wurde Stickstoff verwandt.

Bezugszeichenliste

[0022] 

1

Brenner

2

Brennkammer

3

Brenneraustritt

4

Austrittskanal

5

Scherschicht

6

Ventil

Ansprüche

1. Verfahren zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschnine mit einem Brenner (1), in dem ein Brennstoff-/Luftgemisch zur Zündung gebracht wird und Heissgase gebildet werden, die den Brenner am Brenneraustritt (3) verlassen und in eine, dem Brenner (1) in Strömungsrichtung der Heißgase nachfolgende Brennkammer (2) einmünden,
dadurch gekennzeichnet, dass den Heissgasen unmittelbar am Ort des Brenneraustritts (3) ein Massenstrom beigemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Heißgase ein Brenner (1) verwendet wird, der aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung der Heissgase ineinandergeschachtelten Teilkörpern besteht, deren Mittelachsen zueinander versetzt laufen, dergestalt, dass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine Brennstoffdüse aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom an der Innenseite des Brenneraustritts (3) in den Heissgasstrom beigemischt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass als Massenstrom ein Gasstrom, vorzugsweise Luft, Stickstoff oder Erdgas verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heißgase am Brenneraustritt (3) innerhalb einer Scherschicht (5) vom Brenner (1) ablösen, innerhalb der gezielt der Massenstrom eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass über wenigstens einen Teil des Brenneraustritts (3) der Massenstrom in das Brennstoff/Luft Gemisch gelangt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom kontinuierlich in das Brennstoff/Luft Gemisch beigemischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom gepulst in das Brennstoff/Luft Gemisch beigemischt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsation des Massenstromes mit einer Pulsationsfrequenz erfolgt, die mit dem Ausbildungsverhalten der Strömungswirbel abgestimmt wird, sodass die Ausbildung der Strömungswirbel verringert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beimischung des Massenstroms mittels einer Steuereinheit (6) erfolgt, die gezielt angesteuert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom mit einer Pulsationsfrequenz in die Heißgase beigemischt wird, die zwischen 1 und 5 kHz liegt, bevorzugt zwischen 50 und 300 Hz.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) mit einem offenen oder einem geschlossenen Regelkreis betrieben wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der offene Regelkreis ein Anregungssignal erzeugt, das in keiner bestimmten Phasenbeziehung zu einem gemessenen Signal steht, das die, sich innerhalb der Strömungskraftmaschnine entstehenden Strömungswirbel charakterisiert.

14. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass dem geschlossenen Regelkreis ein Signal zugeführt wird, das durch die, in der Strömungskraftmaschiene entstehenden Strömungswirbel charakterisiert ist, und als Anregungssignal für den gepulsten Massenstrom verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das dem geschlossenen Regelkreis zugeführte Signal gemessen, gefiltert, phasengedreht und verstärkt wird.

16. Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschnine mit einem Brenner (1), in dem ein Brennstoff-/Luftgemisch zur Zündung gebracht wird und Heissgase gebildet werden, die den Brenner (1) am Brenneraustritt (3) verlassen und in eine, dem Brenner (1) in Strömungsrichtung der Heißgase nachfolgende Brennkammer (2) einmünden,
dadurch gekennzeichnet, dass am Brenneraustritt (3) wenigstens ein Austrittskanal (4) mündet, über ein Massenstrom in die, den Brenner (1) verlassenden Heissgase einbringbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) ein Kegelbrenner ist, dessen Brenneraustritt (3) eine weitgehend kreisringförmige Kontur aufweist, entlang der wenigsten teilweise der Austrittskanal (4) mündet.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal am Brenneraustritt derart angebracht ist, dass der Massenstrom weitgehend senkrecht zur Strömungsrichtung der, den Brenner verlassenden Heissgasen gerichtet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass im Zuleitungsbereich des Austrittskanals eine Regeleinheit vorgesehen ist, über die der Massenstrom pulsweise den Heissgasen beimischbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit ein Ventil ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskraftmaschine eine Gasturbinenanlage, ein Boiler oder eine Heizung ist.

Zeichnung