DE19849300A1 - Acoustic energy reduction method for gas turbine plant - Google Patents
Acoustic energy reduction method for gas turbine plantInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Brennquellen in Verbrennungsanlagen.The invention relates to a method and arrangements for Reduction of the acoustic energy of neighboring fire sources in incinerators.
In Verbrennungsanlagen, wie z. B. Kessel, Öfen oder Gasturbi nen, treten beim Verbrennungsvorgang Instabilitäten auf, die in Verbindung mit niederfrequenten Schwingungen zu mechani schen Schwingungen in der Brennkammer führen. Der mechanische Zusammenhalt der Bauteile wird gefährdet und die Lebensdauer der Anlage wird drastisch gemindert. In Gasturbinen sind diese Niederfrequentphänomene als "Brummen", "Rumpeln" und "Summen" bekannt.In incinerators, such as. B. boiler, stoves or gas turbine NEN, instabilities occur during the combustion process that in connection with low-frequency vibrations to mechani vibrations in the combustion chamber. The mechanical Cohesion of the components is endangered and the service life the plant is drastically reduced. Are in gas turbines these low frequency phenomena as "humming", "rumbling" and Known "buzz".
Ursache für diese Phänomene sind thermoakustische Zusammen hänge, die sich als Rückkopplungsschleife zwischen den durch Verbrennung hervorgerufenen Geräuschen der Brennquelle (Brenner) und der Akustik der Brennkammer akustisch be schreiben lassen.These phenomena are caused by thermoacoustic interactions depending on the feedback loop between the Combustion-induced noise from the combustion source (Burner) and the acoustics of the combustion chamber let write.
Die Druckwellen in der Brennkammer verändern wichtige Strömungsmerkmale, zum Beispiel die Wirbelbildung und Wirbel wechselwirkung, und Details der Verbrennung, zum Beispiel die Flammenstreckung, periodisches Verlöschen/Wiederent zünden, wodurch wiederum die Druck-/Entropiefluktuationen verändert werden, die bei der (Turbulenz)-Verbrennung erzeugt werden. Die Reflektion der durch die Verbrennung erzeugten Druckfluktuationen durch die Kammerakustik vervollständigt die Rückkopplung, wobei die durch die Verbrennung freige setzte Energie die Systemleistung liefert.The pressure waves in the combustion chamber change important ones Flow characteristics, for example vortex formation and vortex interaction, and details of combustion, for example the Flame extension, periodic extinction / re-ignition ignite, which in turn causes the pressure / entropy fluctuations be changed, which is generated during (turbulence) combustion become. The reflection of those generated by the combustion Pressure fluctuations completed by the chamber acoustics the feedback, which is released by the combustion put energy that delivers system performance.
Da die Rückkopplungsschleife vom Gesamtsystem geschaffen wird und die Kopplung mit der Kammerakustik eine entscheidende Rolle bei der Rückkopplung spielt, kann ein in verschiedenen Kammern installierter Brenner stark unterschiedliche Verhal tensweisen zeigen. Deshalb müssen die Brennquellen und deren Umgebung gemeinsam berücksichtigt werden. Da die Effizienz und die Energiedichte von Verbrennungssystemen künftig weiter zunehmen werden, sind thermoakustische Überlegungen einwich tiger Aspekt bei der Konstruktion von Verbrennungssystemen.Because the feedback loop is created by the overall system and the coupling with the chamber acoustics is a crucial one Role in feedback can be played in different ways Chambers of installed burners have very different behavior show at least. Therefore the burning sources and their Environment are considered together. Because the efficiency and the energy density of combustion systems will continue in the future thermoacoustic considerations are soaking aspect in the design of combustion systems.
Anhand der Akustikgleichungen kann gezeigt werden, daß, wenn zwei Schallquellen ähnlicher Frequenz nahe beieinander ange ordnet werden, ihre gesamte Schallenergie die Summe der Ein zelenergien übersteigt. Wenn die Schallquellen jedoch entge gengesetzte Phasen aufweisen, wird durch die Wechselwirkung die Gesamtenergie verringert.The acoustic equations can be used to show that if two sound sources of similar frequency close together be classified, their total sound energy is the sum of one cell energies. However, if the sound sources have opposite phases, is due to the interaction the total energy is reduced.
Die Rückkopplung der Verbrennungsinstabilität läßt sich mit
tels des Rayleigh-Kriteriums (Lord Rayleigh: "On the Theory
of Sound", sect.322g-j, 1878) als Formel wie folgt darstel
len:
The feedback of the combustion instability can be represented using the Rayleigh criterion (Lord Rayleigh: "On the Theory of Sound", sect.322g-j, 1878) as a formula:
Bei positivem R verlaufen die Druckfluktuationen p und die
Wärmefreisetzungsfluktuationen q' phasengleich, es liegt eine
positive Rückkopplung vor, und das System ist instabil. Die
ses Ergebnis kann direkt auf das Schallenergiegleichgewicht
bezogen werden (Candel SM: "Combustion Instabilities Coupled
by Pressure Waves and Their Active Control", 24th Symposium
(International) on Combustion, The Combustion Institute,
1277-1296, 1992; Pierce AD: "Acoustics: An Introduction to its
Physical Principles and Applications", Acoustical Society of
America, 1989):
If R is positive, the pressure fluctuations p and the heat release fluctuations q 'are in phase, there is positive feedback, and the system is unstable. This result can be directly related to the sound energy balance (Candel SM: "Combustion Instabilities Coupled by Pressure Waves and Their Active Control", 24 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 1277-1296, 1992; Pierce AD: " Acoustics: An Introduction to its Physical Principles and Applications ", Acoustical Society of America, 1989):
Die Wärmefreisetzungsfluktuationen q' ntsprechen der Menge hkwk (wobei hk und wk die spezielle Enthalpie bzw. die Forma tionsrate repräsentieren) im Quellausdruck S der Schallener gie. Die Dissipation D ergibt sich aus der Viskosität und der Wärmeleitung, wobei die Absorption an Oberflächen, die in den Grenzbedingungen sichtbar wird, ebenfalls zur Ableitung (Dissipation) der Schallenergie beiträgt.The heat release fluctuations correspond to the quantity h k w k (where h k and w k represent the specific enthalpy or the formation rate) in the source expression S of the Schallen energy. The dissipation D results from the viscosity and the heat conduction, whereby the absorption on surfaces, which becomes visible in the boundary conditions, also contributes to the dissipation of the sound energy.
Ausgehend von der obigen Gleichung, doch unter Vernachlässi gung der Dissipation, haben verschiedene Fachleute analyti sche Modelle des thermoakustischen Verhaltens für relativ einfache Geometrien entwickelt, zum Beispiel für einen Ramm düsen-Kippbrenner (Abouseif GE et al. "Ramjet Rumble: The Low- Frequency Instability Mechanism in Coaxial Dump Combustors", Comb.Sci.Tech. 36: 83-108, 1984; Award E et al. "On the Existence and Stabilityf Limit Cycles for Longitudinal Acoustic Modes in a Combustion Chamber", Comb.Sci.Tech. 46: 195-222, 1986; Yang V et al. "Analysis of Low Frequency Combustion Instabilities in a Laboratory Ramjet Combustor", Comb.Sci.Tech. 45: 1-25, 1986).Starting from the equation above, but with neglect dissipation, various experts have analyti cal models of thermoacoustic behavior for relative developed simple geometries, for example for a ram nozzle tilting burner (Abouseif GE et al. "Ramjet Rumble: The Low- Frequency Instability Mechanism in Coaxial Dump Combustors ", Comb.Sci.Tech. 36: 83-108, 1984; Award E et al. "On the Existence and Stabilityf Limit Cycles for Longitudinal Acoustic Modes in a Combustion Chamber ", Comb.Sci.Tech. 46: 195-222, 1986; Yang V et al. "Analysis of Low Frequency Combustion Instabilities in a Laboratory Ramjet Combustor ", Comb.Sci.Tech. 45: 1-25, 1986).
Für kompliziertere Verbrennungssysteme, die mehrere Brenn quellen enthalten oder kompliziertere Geometrien aufweisen, ist die analytische Erweiterung der Modelle noch nicht abseh bar. Der Aufwand für die Anpassung von komplizierten Systemen der Praxis an diese Modelle läßt es effektiver erscheinen, Vorschläge zur Veränderung der Erzeugung und Dissipation von Schallenergie zu entwickeln, als weiter zu versuchen, die Vorgänge theoretisch zu beschreiben.For more complex combustion systems that have multiple burners contain sources or have more complicated geometries, the analytical expansion of the models is not yet in sight bar. The effort to adapt complicated systems in practice on these models it seems more effective Proposals to change the generation and dissipation of To develop sound energy than to continue trying that To describe processes theoretically.
Schallweiterleitungsmechanismen lassen sich durch Verände rungen der Geometrie und/oder des Materials zur Änderung der Halleigenschaften der Kammer, d. h. Minderung des Echoeffekts, oder durch Veränderungen der Strömungsgeometrie zur Störung der Homogenität und Unterdrückung der Ausbreitung von Druckfluktuationen, zum Beispiel durch schalldämmende Ein bauten in Auspuffanlagen, verbessern. Die Verstärkung der In homogenität direkt in der Brennkammer, zur Unterdrückung der Ausbreitung von Druckfluktuationen, gerät in Konflikt mit der für die Aufrechterhaltung günstiger Verbrennungseigenschaften erforderlichen guten Homogenität. Radikale Veränderungen der Kammergeometrie sind aufwendig, unsicher und werden durch die Verbrennungsanforderungen, zum Beispiel niedriger NOx-Gehalt, sowie durch die Strömungsanforderungen, zum Beispiel Druckabfall, beschränkt.Sound transmission mechanisms can be changed Geometry and / or material to change the Hall properties of the chamber, d. H. Reduction of the echo effect, or by changing the flow geometry to the disturbance the homogeneity and suppression of the spread of Pressure fluctuations, for example due to soundproofing on built in exhaust systems, improve. The reinforcement of the In homogeneity directly in the combustion chamber, to suppress the Spread of pressure fluctuations, comes into conflict with the for the maintenance of favorable combustion properties required good homogeneity. Radical changes in the Chamber geometries are complex, unsafe and are caused by Combustion requirements, for example low NOx content, as well as by the flow requirements, for example Pressure drop, limited.
Die Verbrennung wirkt als Volumenausdehnung, wobei die unter schiedliche Wärmefreisetzung Schall erzeugt. Die Verbrennung entspricht einer eigenständigen Schallquelle, so daß in die sem Sinne anstelle von "Brennquelle" der Begriff "Schallquelle" verwendet werden kann.The combustion acts as a volume expansion, with the under different heat releases sound. The combustion corresponds to an independent sound source, so that in the sem sense instead of "source of fire" the term "Sound source" can be used.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und Anordnungen zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik durch die Ausnutzung der bestehenden Wechselwirkungen zwischen benachbart angeordneten Brennern beim Verbrennungsvorgang, insbesondere in Gasturbinen, ver mieden und eine zuverlässige Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Schallquellen und damit eine effektive Lärmreduzierung für ausgewählte Frequenzen gewährleistet wer den. The object of the invention is a generic method and to develop arrangements with which the disadvantages of the State of the art by taking advantage of existing ones Interactions between adjacent burners during the combustion process, especially in gas turbines, ver avoided and a reliable reduction in acoustic Energy from neighboring sound sources and thus an effective one Noise reduction is guaranteed for selected frequencies the.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 6 und 9 gelöst.The object is achieved with the features of claims 1, 6 and 9 solved.
Die als Schallquellen wirkenden benachbarten Brenner einer Verbrennungsanlage werden akustisch entkoppelt, indem die Brenner so ausgestaltet und zueinander angeordnet werden, daß der effektive akustische Abstand zwischen den Schallquellen erhöht und der gesamte Schallausstoß der Schallquellen ver ringert wird oder die benachbarten Brenner werden akustisch destruktiv gekoppelt, indem die Brenner so ausgestaltet wer den, daß die akustische Wechselwirkung zwischen benachbarten Brennern (Schallquellen) zu einer Abschwächung der gesamten Schallenergie führt.The neighboring burners acting as sound sources Incinerators are acoustically decoupled by the Burner designed and arranged to each other that the effective acoustic distance between the sound sources increases and the total sound output of the sound sources ver is reduced or the neighboring burners become audible destructively coupled by designing the burners that the acoustic interaction between neighboring Burners (sound sources) to weaken the entire Sound energy leads.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden Brenner mit un terschiedlichen akustischen Eigenschaften zueinander gestaf felt angeordnet, so daß der effektive akustische Abstand zwischen den Schallquellen sich erhöht und der gesamte Schallausstoß der Schallquellen verringert ist.According to a preferred embodiment, burners with un different acoustic properties staggered felt arranged so that the effective acoustic distance between the sound sources increases and the whole Sound emission of the sound sources is reduced.
Bevorzugt wird der Abstand der benachbarten Brenner jeweils entsprechend der niedrigsten relevanten Frequenz gewählt, mindestens in einem Abstand von einem Sechstel der für die Schallintensität verantwortlichen Wellenlänge.The distance between the adjacent burners is preferred in each case chosen according to the lowest relevant frequency, at least at a distance of one sixth of that for the Sound intensity responsible wavelength.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die be nachbarten Brenner zueinander phasenverschoben betrieben, in dem die Brenner in einem solchen Abstand voneinander angeord net werden, daß eine Phasenkopplung zwischen den Schallquel len erreicht wird und ihre Wechselwirkung die gesamte Schal lenergie abschwächt. Dieser "Phasenverknüpfungsmechanismus" kann mit aktiven oder mit halbpassiven Mitteln realisiert werden.In a further preferred embodiment, the be neighboring burners operated out of phase with each other, in which the burners are arranged at such a distance from each other be net that a phase coupling between the sound sources len is achieved and their interaction the entire scarf lenergy weakens. This "phase link mechanism" can be realized with active or with semi-passive means become.
Weitere zweckmäßige Ausführungsformen des Verfahrens und der Anordnungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further expedient embodiments of the method and Arrangements are described in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen bei Gasturbinen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to a drawing in two Exemplary embodiments in gas turbines explained in more detail. It demonstrate:
Fig. 1 die grafische Darstellung von akustisch entkoppelten Brennern durch Trennung der Brenner, Fig. 1 shows the graphical representation of acoustically decoupled burners by separation of the burner,
Fig. 2 die grafische Darstellung von akustisch entkoppelten Brennern durch gestaffelte Anordnung der Brenner und Fig. 2 shows the graphical representation of acoustically decoupled burners by staggered arrangement of the burners and
Fig. 3 die grafische Darstellung von phasenverschoben be triebenen Brennern. Fig. 3 shows the graphical representation of phase-shifted burners.
Die Wechselwirkung zwischen Schallquellen wird in der Theorie der Akustik wie folgt beschrieben:The interaction between sound sources is in theory the acoustics as follows:
"Wenn die Schallquellen die gleiche Frequenz besitzen und nahe beieinander angeordnet sind, treten sie miteinander in Wechselwirkung, und die beiden Quellen können mehr Schall energie erzeugen, als wenn sie weit voneinander entfernt wären." (Skudrzyk, E.: "The Foundations of Acoustics: Basic Mathematics and Basic Acoustics", Kapitel 18.17, Springer- Verlag, 1971)."If the sound sources have the same frequency and arranged close to each other, they come in together Interaction, and the two sources can be more sound generate energy as if they were far apart would be. "(Skudrzyk, E .:" The Foundations of Acoustics: Basic Mathematics and Basic Acoustics ", Chapter 18.17, Springer- Verlag, 1971).
Diese Wechselwirkung zwischen Schallquellen erklärt sich da
durch, daß jede Quelle gegen ihren eigenen Schalldruck
(Reaktion des Mediums auf dessen Bewegung) sowie gegen den
von der nahebei befindlichen Quelle erzeugten Schalldruck
wirken muß. Da die grundlegenden Schallfeldgleichungen linear
sind, ist der resultierende Druck gleich einer Überlagerung
der Drücke. Da die gesamte Schallenergie jedoch durch die
Integration des Quadrates des Druckes über eine kugelförmige
Oberfläche mit ausreichend großem Radius erhalten wird,
stellt die Schallenergie keine bloße Überlagerung dar, son
dern schließt auch die Wechselwirkung zwischen beiden Schall
quellen mit ein:
This interaction between sound sources can be explained by the fact that each source must act against its own sound pressure (reaction of the medium to its movement) and against the sound pressure generated by the nearby source. Since the basic sound field equations are linear, the resulting pressure equals a superposition of the pressures. However, since the total sound energy is obtained by integrating the square of the pressure over a spherical surface with a sufficiently large radius, the sound energy is not a mere superposition, but also includes the interaction between the two sound sources:
Um das Ausmaß der Wechselwirkung zwischen unabhängigen
Schallquellen zu bestimmen, ist die Wellengleichung für das
Geschwindigkeitspotential Φ in sphärischen Koordinaten auf
zustellen:
To determine the extent of the interaction between independent sound sources, the wave equation for the speed potential Φ must be set up in spherical coordinates:
wobei die komplexe periodische Lösung lautet:
where the complex periodic solution is:
wobei k = ω/c, k = 2π/λ ist. Die Zurückhaltung lediglich der
divergierenden Welle ergibt für Druck, Geschwindigkeit und
akustische Impedanz:
where k = ω / c, k = 2π / λ. The reluctance of only the divergent wave results in pressure, speed and acoustic impedance:
Die Konstante Q wurde strategisch so gewählt,daß sie bei
kr < 1 dem mit der Quelle verbundenen Volumenstrom ent
spricht:
The constant Q was strategically chosen so that it corresponds to the volume flow connected to the source at kr <1:
wobei die Erweiterung
being the extension
verwendet wurde.was used.
Die Energie einer Schallquelle ergibt sich aus dem Produkt
der Oberfläche, der Geschwindigkeit und des Druckes, der mit
der Geschwindigkeit phasengleich ist:
The energy of a sound source results from the product of the surface, the speed and the pressure, which is in phase with the speed:
Die akustische Energie zur Überwindung des Druckes einer an
deren Kraftquelle Qj = aij-Qi bei einem Abstand dis und einer
Phase ϕij wird angegeben durch:
The acoustic energy for overcoming the pressure of another force source Q j = a ij -Q i at a distance dis and a phase ϕij is given by:
Die zu einer Quelle gehörende Gesamtenergie wird angegeben
durch:
The total energy associated with a source is given by:
wobei laut Definition aii = 1 und ϕii = 0 sind. Die Eigenener
gie einer Quelle (kdii < 1) wird definiert durch:
where by definition a ii = 1 and ϕ ii = 0. The own energy of a source (kd ii <1) is defined by:
und die mit der Wechselwirkung einer anderen Quelle gleicher
Stärke und Phase, die sich im Abstand d befindet, wird defi
niert durch:
and that with the interaction of another source of the same strength and phase, which is at a distance d, is defined by:
Somit wird die Gesamtenergie von zwei nahe beieinander ange
ordneten Quellen angegeben durch:
Thus, the total energy from two closely spaced sources is given by:
wobei das Vorzeichen bei phasengleichen Quellen positiv und
bei phasenverschobenen Quellen negativ ist. Wenn die Quellen
nahe beieinander angeordnet sind (kdii < 1)oder räumlich ge
trennt sind (d < λ/2it), gilt:
the sign is positive for in-phase sources and negative for in-phase sources. If the sources are arranged close to each other (kd ii <1) or spatially separated (d <λ / 2it), the following applies:
und
and
N = 2N11[1±1] N = 2N 11 [1 ± 1]
Die Gesamtkraft phasengleicher Quellen ist somit doppelt so groß wie die Summe der Einzelelemente, während die Gesamt kraft bei phasenverschobenen Quellen Null beträgt.The total power of in-phase sources is thus twice as high large as the sum of the individual elements, while the total force is zero for phase-shifted sources.
Diese Wechselwirkung ist in der Fig. 1 für unterschiedliche Frequenzen grafisch dargestellt.This interaction is shown graphically in FIG. 1 for different frequencies.
Wenn die Frequenzen der Schallquellen ausreichend unter schiedlich sind oder die Schallquellen physikalisch weit ge nug auseinanderliegen, ist die Wechselwirkung zwischen beiden Quellen ebenso häufig positiv wie negativ, so daß die be schriebene Wechselwirkung zwischen Schallquellen nicht mehr stattfindet.If the frequencies of the sound sources are sufficiently below are different or the sound sources are physically wide are not enough apart, is the interaction between the two Sources as positive as negative as often, so that the be written interaction between sound sources no longer takes place.
Wenn andererseits im Falle benachbarter Schallquellen beide
Quellen mit gleicher Frequenz, aber phasenverschoben betrie
ben werden, verringert sich die gesamte Wechselwirkung, Es
gibt somit drei mögliche Verfahren zur Reduzierung der aku
stischen Energie benachbarter Schallquellen:
If, on the other hand, in the case of adjacent sound sources, both sources are operated with the same frequency but out of phase, the overall interaction is reduced. There are therefore three possible methods for reducing the acoustic energy of adjacent sound sources:
- - räumliche Trennung- spatial separation
- - Frequenztrennung- frequency separation
- - Phasenverschiebung- phase shift
Die physikalische (räumliche) Trennung der Schallquellen ist bei Verbrennungsanlagen wie Gasturbinen in der Regel nicht möglich, da u. a. Kraftdichten- und Emissionsanforderungen und die vorhandene Gestaltung des Brennsystems entgegenstehen. Es bleiben zur Reduzierung der akustischen Energie die Frequenztrennung und die Phasenverschiebung der Schallquellen übrig.The physical (spatial) separation of the sound sources is usually not in combustion plants such as gas turbines possible because u. a. Force density and emission requirements and conflict with the existing design of the firing system. There remain the to reduce the acoustic energy Frequency separation and the phase shift of the sound sources left.
Die bei einem Verbrennungsprozeß auftretenden Geräusche set zen sich aus einer Vielzahl von Frequenzen und Phasen zusam men. Ungeachtet dessen bedeutet der Linearcharakter der Aku stikgleichungen, daß es zu einer Überlagerung kommt und jede einzelne Frequenz bzw. jedes Frequenzband eigenständig be trachtet werden kann. The noises occurring during a combustion process set zen are composed of a variety of frequencies and phases men. Regardless, the linear character of the Aku means mathematical equations that there is an overlay and each individual frequency or each frequency band independently can be sought.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfin dung sieht die akustische Entkopplung der benachbart in einer Verbrennungsanlage wie Gasturbine angeordneten Brennquellen entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 vor.A first exemplary embodiment of the method according to the invention provides for the acoustic decoupling of the combustion sources arranged adjacent to one another in a combustion system such as a gas turbine, as shown in FIG. 1.
Bei den akustischen Wechselwirkungen zwischen benachbarten Schallquellen (Brenner) werden die niedrigen Frequenzen be vorzugt. Der zu beachtende effektive akustische Abstand ent spricht in der Fig. 1 der niedrigsten interessierenden Fre quenz.The low frequencies are preferred for the acoustic interactions between neighboring sound sources (burners). The effective acoustic distance to be observed corresponds to the lowest frequency of interest in FIG. 1.
In der Fig. 2 ist gezeigt, wie die Staffelung der Brennquel len a,b,c, deren akustische Wechselwirkung zur Vermeidung einer akustischen Resonanz minimiert werden soll, vorgenommen werden kann. Die Brennquellen a,b,c sollten in den interes sierenden Frequenzbereichen f1, f2 unterschiedliche akusti sche Eigenschaften aufweisen. FIG. 2 shows how the staging of the firing sources len a, b, c, whose acoustic interaction is to be minimized to avoid acoustic resonance, can be carried out. The combustion sources a, b, c should have different acoustic properties in the interesting frequency ranges f1, f2.
In der Praxis ist eine gestaffelte Anordnung unterschied licher Brennertypen oder mit unterschiedlich eingestellten Brennern zu wählen. Oder die Brenner werden in unterschied licher Betriebsweise wie Diffusion und Vormischung betrieben. In der Fig. 2 ist die gestaffelte Anordnung von Brennquellen a,b,c, für die für eine bestimmte Frequenz f1, f2 der effek tive akustische Nachbar weiter entfernt ist, um die Wechsel wirkung zwischen den Quellen a,b,c und damit die akustische Energie zu verringern, dargestellt. Als Kriterium für den Trennabstand zwischen ausreichend auseinanderliegende Quellen a,b,c wurde ein Sechstel der Wellenlänge (entspricht kd < 1) herangezogen. Die Brennquellen (Schallquellen) a,b,c in der Fig. 2 weisen für die interessierenden Frequenzen jeweils un terschiedliche akustische Merkmale auf. Dabei weisen Schall quellen gleicher Bezeichnung auch gleiche akustische Eigen schaften auf. Das bedeutet zum Beispiel in der Fig. 2, daß die zwei Quellen a für die Frequenz f1 zueinander einen Trennabstand von λ/3 haben, während der Trennabstand zwischen den Quellen a und b λ/6 beträgt.In practice, a staggered arrangement of different burner types or with differently set burners should be selected. Or the burners are operated in different modes of operation, such as diffusion and premixing. In Fig. 2 is the staggered arrangement of combustion sources a, b, c, for which the effective acoustic neighbor is farther away for a certain frequency f1, f2, the interaction between the sources a, b, c and thus the to reduce acoustic energy. A sixth of the wavelength (corresponds to kd <1) was used as the criterion for the separation distance between sources a, b, c that are sufficiently apart. The combustion sources (sound sources) a, b, c in FIG. 2 each have different acoustic characteristics for the frequencies of interest. Sound sources of the same name also have the same acoustic properties. This means, for example, in FIG. 2 that the two sources a for the frequency f1 have a separation distance of λ / 3 from one another, while the separation distance between the sources a and b is λ / 6.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist die destruktive akustische Kopplung zwischen Schallquel len in einer Ringbrennkammer einer Gasturbine.A second embodiment of the method according to the invention is the destructive acoustic coupling between sound sources len in an annular combustion chamber of a gas turbine.
In der Fig. 3 ist der phasenverschobene Betrieb benachbarter Schallquellen a,b dargestellt, wobei eine ringförmige Brenn kammer mit dem Durchmesser D mit einer geraden Anzahl von Brennern (Schallquellen) a,b angenommen wird. Die Schallquel len a,b sind dabei paarweise zu betrachten.In FIG. 3, the phase-shifted operation of adjacent sound sources a, b shown, an annular combustion chamber of diameter D having an even number of burners (sound sources) a, b is adopted. The sound sources len a, b are to be considered in pairs.
Die akustische Wechselwirkung zwischen benachbarten Brennern kann dahingehend ausgenutzt werden, daß sie phasenverschoben arbeiten. Beim phasenverschobenen Betrieb benachbarter Bren ner senkt die Wechselwirkung zwischen ihnen die gesamte aku stische Energie unter die Summe der Energien der einzelnen Quellen. Im Falle zweier nahe benachbarter Schallquellen (kd < 1), die um 180° phasenverschoben betrieben werden, nähert sich der gesamte Schallausstoß dem Wert Null. Bei weiter von einander entfernten Quellen ist die Kopplung weniger stark, doch der kombinierte Schallausstoß der Quellen bleibt weit geringer, als wenn die Quellen völlig isoliert wären.The acoustic interaction between neighboring burners can be used to the effect that they are out of phase work. When operating neighboring brenes out of phase the interaction between them lowers the entire acu energy under the sum of the energies of the individual Swell. In the case of two nearby sound sources (kd <1), which are operated out of phase by 180 °, approaches the total sound emission is zero. At further from distant sources the coupling is less strong, but the combined sound output of the sources remains wide less than if the sources were completely isolated.
Der Mechanismus zur Schaffung einer phasenverschobenen Kopp lung zwischen benachbarten Brennern wird deutlich, wenn eine externe Modulation aufgeprägt werden kann, ähnlich wie es bei einem aktiven Steuerungssystem erfolgen könnte. Es ist jedoch auch möglich, ein passives Mittel einzusetzen, zum Beispiel Akustikelemente zwischen den Brennereinlässen zur Erzeugung der Phasenverschiebung anzuordnen. Durch die Störung eines sensitiven Parameters, wie es anhand von Pilotgasstörungen in Vormischbrennern demonstriert wurde (Seume JR et al: "Application of Active Combustion Instability Control to a Heavy Duty Gas Turbine", ASME-97-AA-119, 1997), ist es mög lich, dem Verbrennungsprozeß eine bestimmte Frequenz/Phase aufzuprägen. The mechanism to create a phase-shifted kopp between adjacent burners becomes clear when a external modulation can be imprinted, similar to it at an active control system. However, it is also possible to use a passive agent, for example Acoustic elements between the burner inlets for generation to arrange the phase shift. By disturbing one sensitive parameters, as it is based on pilot gas disturbances in Premix burners has been demonstrated (Seume JR et al: "Application of Active Combustion Instability Control to a Heavy Duty Gas Turbine ", ASME-97-AA-119, 1997), it is possible Lich, the combustion process a certain frequency / phase to impress.
Die Azimutresonanzwellenlängen einer derartigen Kammer sind durch λ πD/n bestimmt. Die akustische Trennung zwischen N in gleichen Abständen zueinander angeordneten Brennern ist kd = 2πn/N. Wenn kd < 1 als Kriterium für ausreichen nahe beieinander angeordnete Schallquellen herangezogen wird, würde die Wirksamkeit der Schallbeseitigung bei Azimut frequenzen größer als n < N/2π abnehmen.The azimuth resonance wavelengths of such a chamber are determined by λ πD / n. The acoustic separation between N burners arranged at equal distances from one another kd = 2πn / N. If kd <1 as a criterion for sufficient close arranged sound sources are used, would reduce the effectiveness of sound removal at azimuth decrease frequencies greater than n <N / 2π.
Beim phasenverschobenen Betrieb benachbarter Brenner besteht die Möglichkeit, den Modus gemäß λ = 2πD/N zu erregen. Da es jedoch wegen der Beeinflussung der wichtigeren Strömungs merkmale eine Frequenzgrenze gibt, wird bei diesem höheren Modus nicht der gleiche Grad an thermoakustischen Wechsel wirkungen auftreten wie bei der ursprünglichen niedrigeren Frequenz. Außerdem werden die Akustikeigenschaften der Brenn kammer, nämlich die Ausbreitung der Frequenzen über die quer verlaufende Resonanzfrequenz, die Ebenenausbreitung behindern (Skudryk 1971; Pierce 1989).There is a phase-shifted operation of adjacent burners the possibility to excite the mode according to λ = 2πD / N. Because it however, because of influencing the more important flow features a frequency limit, is higher at this Mode is not the same degree of thermoacoustic change effects occur as with the original lower Frequency. In addition, the acoustic properties of the Brenn chamber, namely the spread of the frequencies across running resonance frequency, which hinder plane propagation (Skudryk 1971; Pierce 1989).
Ein System, bei dem die benachbarten Brenner phasenverschoben betrieben werden, ist mit einer Frequenz oder einem Frequenz band zu betreiben, für die eine Lärmreduzierung erforderlich ist. Der Zweck des Betriebs eines derartigen Systems besteht in der effektiven Beseitigung des Verbrennungslärms für aus gewählte Frequenzen. D. h. es sind Brennerkonstellationen zu schaffen, die bei bestimmten Frequenzen lautlos arbeiten, oder es ist die Schallzufuhr bei einer Frequenz zeitweilig zu beseitigen, um Zeit für die im System vorhandene Dissipation zur erneuten Stabilisierung des Systems zu schaffen.A system in which the neighboring burners are out of phase is operated with one frequency or one frequency band to operate, for which noise reduction is required is. The purpose of operating such a system is in effectively eliminating combustion noise for out selected frequencies. That is, there are burner constellations too create that work silently at certain frequencies, or the supply of sound at a frequency is temporarily too eliminate to time for the dissipation present in the system to re-stabilize the system.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombina tion und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale wei tere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to those shown here Embodiments. Rather, it is possible through Kombina tion and modification of the means and features mentioned Realize other design variants without the scope of Leaving invention.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP1255074A1 (en) * | 2001-05-01 | 2002-11-06 | ABB Schweiz AG | Oscillation reduction in a combustion chamber |
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| CN110140011A (en) * | 2017-01-11 | 2019-08-16 | A.O.史密斯公司 | Resonate reduced burner |
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1998
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