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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,
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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,
wobei insbesondere die Beeinflussung thermoakustischer Schwingungen
mit zwei oder mehr Störfrequenzen
ermöglicht
werden soll.
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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,
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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und
aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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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,
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1 bis 3 jeweils eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend den 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.
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele
unterscheiden sich im wesentlichen dadurch voneinander, dass bei
der Variante gemäß 1 die Steuerung 2 zwei
separate akustische Quellen 3 ansteuert, während sie
bei der Variante gemäß 2 zwei separate Steuerventile 4 ansteuert
und bei der Variante gemäß 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, 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.
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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 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.
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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 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 Brennstoff zufuhr kann die
in großräumigen Wirbeln
umgesetzte Brennstoffmenge kontrolliert werden. Hierdurch kann die
Ausbildung der kohärenten
Wärmefreisetzungen
und somit die Entstehung thermoakustischer Instabilitäten beeinflusst werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß 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 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.
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- 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