Technisches Gebiet
[0001] 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
[0002] 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 NO
x-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.
[0003] Um niedrige NO
x-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 NO
x-Emissionen die Schalldämpfung reduziert.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
Darstellung der Erfindung
[0007] 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.
[0008] Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] Die Phasen beziehen sich dabei auf dem Amplitudenverlauf der bevorzugt zu beeinflussenden
Störfrequenz innerhalb der thermoakustischen Schwingungen.
[0012] 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.
[0013] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0014] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
[0015] Die einzige Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0016] Entsprechend Fig. 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] 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.
Bezugszeichenliste
[0032]
- 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
1. Verfahren zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem
(6) mit wenigstens einem Brenner (7) und wenigstens einer Brennkammer (8),
- wobei eine sich im Bereich des Brenners (7) ausbildende Gasströmung akustisch angeregt
wird,
- wobei eine Eindüsung von Brennstoff moduliert erfolgt,
- wobei die akustische Anregung der Gasströmung und die modulierte Eindüsung des Brennstoffs
zur Beeinflussung derselben Störfrequenz der thermoakustischen Schwingungen abgestimmt
sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die momentane akustische Anregung der Gasströmung und die momentane modulierte Eindüsung
des Brennstoffs mit demselben im Verbrennungssystem gemessenen, mit den thermoakustischen
Schwingungen korrelierenden Signal phasengekoppelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das gemessene Signal einer ersten Phasenverschiebung unterzogen und zur Erzeugung
eines ersten Treibersignals verwendet wird, das wenigstens eine akustische Quelle
(3) zur Erzeugung der momentanen akustischen Anregung der Gasströmung ansteuert,
- dass das gemessene Signal einer zweiten Phasenverschiebung unterzogen und zur Erzeugung
eines zweiten Treibersignals verwendet wird, das wenigstens ein Steuerventil (4) zur
Erzeugung der momentanen modulierten Eindüsung des Brennstoffs ansteuert.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Phasenverschiebung einen anderen Wert besitzt als die zweite Phasenverschiebung.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die akustische Anregung der Gasströmung stromauf der modulierten Eindüsung des Brennstoffs
erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in eine sich in der Gasströmung ausbildende
Scherschicht erfolgt.
7. Vorrichtung zur Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem
(6) mit wenigstens einem Brenner (7) und wenigstens einer Brennkammer (8),
- wobei im Bereich des Brenners (7) wenigstens eine akustische Quelle (3) zur Erzeugung
einer akustischen Anregung einer sich im Bereich des Brenners (7) ausbildenden Gasströmung
angeordnet ist,
- wobei der Brenner (7) wenigstens eine Brennstoffversorgungseinrichtung (5) mit wenigstens
einem Steuerventil (4) zur Erzeugung einer modulierten Eindüsung des Brennstoffs aufweist,
- wobei eine Steuerung (2) vorgesehen ist, welche die wenigstens eine akustische Quelle
(3) und das wenigstens eine Steuerventil (4) zur Beeinflussung derselben Störfrequenz
der thermoakustischen Schwingungen ansteuert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Steuerung (2) für die akustische Anregung der Gasströmung einen ersten Steuerpfad
(10) und für die modulierte Eindüsung des Brennstoffs einen zweiten Steuerpfad (11)
aufweist,
- dass den beiden Steuerpfaden (10, 11) eingangsseitig parallel dasselbe, mit den thermoakustischen
Schwingungen korrelierende Signal zugeführt wird,
- dass die beiden Steuerpfade (10, 11) jeweils ein Zeitverzögerungsglied (12, 13) zur Erzeugung
einer Phasenverschiebung enthalten,
- dass der erste Steuerpfad (10) ausgangsseitig ein erstes Treibersignal an die akustische
Quelle (3) leitet,
- dass der zweite Steuerpfad (11) ausgangsseitig ein zweites Treibersignal an das Steuerventil
(4) leitet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Zeitverzögerungsglied (12) eine andere Phasenverschiebung erzeugt als das
zweite Zeitverzögerungsglied (13)
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine akustische Quelle (3) stromauf der Stelle angeordnet ist, an
der die modulierte Eindüsung des Brennstoffs erfolgt.