DE19948674A1

DE19948674A1 - Verbrennungseinrichtung, insbesondere für den Antrieb von Gasturbinen

Info

Publication number: DE19948674A1
Application number: DE19948674A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Polifke; Alexander Ni; Franz Joos
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: DE19948674B4; GB0024572D0; US6490864B1; GB2356246B; GB2356246A

Abstract

Bei einer Verbrennungseinrichtung (10), insbesondere für den Antrieb von Gasturbinen, bei welcher Verbrennungseinrichtung (10) ein gasförmiger Brennstoff in einem Brenner (11) durch mehrere separate Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) in einen Verbrennungsluft enthaltenden Gasstrom eingedüst wird und das entstehende Gemisch zur Verbrennung in die Brennkammer (12) einströmt und dort verbrennt, wird zur Vermeidung von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten die akustische Impedanz bzw. Steifigkeit der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) unterschiedlich gewählt.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Verbrennungseinrichtung, insbesondere für den Antrieb von Gas turbinen, bei welcher Verbrennungseinrichtung ein gasförmiger Brennstoff in ei nem Brenner durch mehrere separate Brennstoffeinspritzvorrichtungen in einen Verbrennungsluft enthaltenden Gasstrom eingedüst wird, und das entstehende Gemisch zur Verbrennung in die Brennkammer einströmt und dort verbrennt.

Eine solche Verbrennungseinrichtung, die insbesondere auf einem sogenannten Doppelkegelbrenner basiert, ist z. B. aus der US-A-4,932,861 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten können einen sicheren und verläss lichen Betrieb moderner Gasturbinen mit Vormischung ernsthaft behindern. Einer der für diese Instabilitäten verantwortlichen Mechanismen basiert auf einer Rück kopplungsschleife, welche die Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen bei der Brennstoffeinspritzung, die durch Strömung transportierten (konvektiven) Brenn stoffinhomogenitäten und die Wärmefreisetzungsrate einbezieht.

Ein fundamentales Stabilitätskriterium für das Auftreten von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten ist das Rayleigh-Kriterium, das wie folgt formuliert wer den kann:

Sobald eine Flamme in einem akustischen Resonator eingeschlossen ist, können thermoakustische selbsterregte Schwingungen auftreten, wenn gilt

Hierbei ist Q' die augenblickliche Abweichung der integralen Wärmefreisetzungs rate von ihrem mittleren (stationären) Wert, p' bezeichnet die Druckschwankun gen, und T bezeichnet die Periodendauer der Schwingungen (1/T = f ist die Fre quenz der Schwingungen). Bei der Formel (1) ist angenommen, die räumliche Ausdehnung der Wärmefreisetzungszone hinreichend klein ist, um mit integralen Werten von Q' und p' zu arbeiten. Eine Erweiterung auf die allgemeinere Situation mit einer verteilten Wärmefreisetzung Q'(x) und einer kleinen akustischen Wellen länge ergibt sich unmittelbar und führt zu einem sogenannten Rayleigh-Index. Das Rayleigh-Kriterium (1) besagt, dass eine Instabilität nur auftreten kann, wenn Schwankungen der Wärmefreisetzung und des Druckes wenigstens bis zu einem gewissen Grade miteinander in Phase sind.

In einer Verbrennungseinrichtung mit Vormischung hängt die augenblickliche Wärmefreisetzungsrate unter anderem von der augenblicklichen Brennstoffkon zentration in der vorgemischten Brennstoff-Luft-Mischung ab, welche in die Ver brennungszone eintritt. Die Brennstoffkonzentration ihrerseits kann durch (akusti sche) Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen in der Nähe der Brennstoffein spritzvorrichtung beeinflusst werden, vorausgesetzt, dass die Luftzuführung und die Brennstoffeinspritzvorrichtung nicht akustisch steif sind. Diese letztgenannte Bedingung ist üblicherweise erfüllt, d. h., der Druckabfall der Luftströmung entlang der Brennstoffeinspritzregion des Brenners ist üblicherweise ziemlich gering, und selbst der Druckabfall entlang der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist im allgemei nen nicht gross genug, um die Brennstoffzuleitung von der Akustik in der Verbren nungseinrichtung abzukoppeln. Die Beziehung zwischen der Akustik an der Brennstoffeinspritzvorrichtung und der Wärmefreisetzung in der Strömung kann mit den einfachsten Ausdrücken wie folgt formuliert werden:

Hierbei bezeichnen x_I den Ort der Brennstoffeinspritzung und u(x) und u'(x) die Strömungsgeschwindigkeit bzw. deren momentane zeitliche Änderung, während die Zeitverzögerung ist, die den Tatbestand ausdrückt, dass Brennstoffinhomo genitäten, die an der Brennstoffeinspritzvorrichtung entstehen, von der Flamme nicht sofort gespürt werden, sondern erst, nachdem sie von der mittleren Strö mung vom Einspritzort zur Flammenfront transportiert worden sind. In einer selbstzündenden Verbrennungseinrichtung wird t durch die Kinetik der chemi schen Reaktionen bestimmt, welche den Ort der Flamme bestimmt. In einer her kömmlichen Verbrennungseinrichtung mit Vormischung dagegen wird die Flamme mit einem Flammenhalter ("flame holder") verankert, der unterschiedliche Ausge staltungen ("bluff body", "V-gutter", Rezirkulationszone oder dgl.) annehmen kann. Die Zeitverzögerung hängt in diesem Fall von der mittleren Strömungsgeschwin digkeit und dem Abstand zwischen Einspritzort und dem Flammenhalter ab. In jedem Fall kann die Zeitverzögerung näherungsweise beschrieben werden durch

wobei I den Abstand zwischen dem Einspritzort und der Flammenfront bezeichnet, während U(x) die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Vormischzone des Brenners ist, mit der die Brennstoffinhomogenitäten in der Strömung von der Ein spritzvorrichtung zur Flamme transportiert werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Gleichung (2) den Umstand ausdrückt, dass ein augenblicklicher Zuwachs in der Geschwindigkeit der an der Brennstoffeinspritzvorrichtung vorbeiströmenden Luft (erster Term auf der rechten Seite der Gleichung) zu einer Verdünnung der Brennstoff-Luft-Mischung und einer entsprechenden Reduzierung der Wärmefreisetzung führt, während ein Druckzu wachs an der Brennstoffeinspritzvorrichtung (zweiter Term auf der rechten Seite der Gleichung) den augenblicklichen Brennstoffmassenfluss reduziert und damit ebenfalls die Wärmefreisetzungsrate herabsetzt. Es sei darauf hingewiesen, dass - selbst wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung akustisch "steif" ist (d. h. Δp → ∞) - Brennstoffinhomogenitäten an der Einspritzvorrichtung erzeugt werden können.

Was die thermoakustische Stabilität anbelangt, ermöglicht eine Zeitverzögerung wie sie in Gleichung (2) auftritt, im allgemeinen eine resonante Rückkopplung und eine Verstärkung von infinitesimalen Störungen. Natürlich hängen die exakten Be dingungen und Frequenzen, bei denen selbsterregte Schwingungen auftreten, auch von den mittleren Strömungsbedingungen ab, und zwar insbesondere den Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen, sowie von der Akustik der Ver brennungseinrichtung, wie z. B. den Randbedingungen, Eigenfrequenzen, Dämp fungsmechanismen, etc.. Nichtsdestoweniger stellt die Beziehung zwischen den akustischen Eigenschaften und den Schwankungen in der Wärmefreisetzung, wie sie in Gleichung (2) beschrieben ist, eine ernstzunehmende Bedrohung der ther moakustischen Stabilität der Verbrennungseinrichtung dar. Es sollte daher ein Weg gefunden werden, um diesen Mechanismus von allem Anfang an zu unter drücken.

Grundsätzlich ist es im Rahmen der o. g. Überlegungen denkbar, eine Unter drückung von thermoakustischen Instabilitäten durch eine Verteilung von unter schiedlichen Zeitverzögerungen auf der Zeitachse herbeizuführen. Der einge spritzte Brennstoff wird dabei in zwei oder mehr einzelne Ströme oder "Parzellen" aufgeteilt, die alle im Bezug aufeinander unterschiedliche Zeitverzögerungen und entsprechend unterschiedliche Phasen aufweisen. Idealerweise hätte eine solche Aufteilung in verschiedene Brennstoffströme Schwankungen in der Wärmefreiset zung Q'_i (i = 1, 2, . . .) zur Folge, derart, dass

gelten würde. Dadurch wäre sichergestellt, dass das Rayleigh-Kriterium (1) nicht erfüllt werden kann. In der Praxis ist eine solch exakte Auslöschung weder mög lich noch notwendig; es reicht aus, die Stärke der resonanten Rückkopplung so weit herabzusetzen, dass die dissipativen Effekte innerhalb des Systems stärker sind als die Verstärkungsmechanismen.

In der Vergangenheit ist nun bereits vorgeschlagen worden (DE 198 09 364 A1) innerhalb eines Brenners oder in mehreren parallel in eine Brennkammer arbei tenden Brennern Brennstoff axial abgestuft in unterschiedlichen axialen Abstän den zum Ort der Wärmefreisetzung einzuspritzen, um den Brennstoff von der Ver brennung zu entkoppeln und die dynamische Druckamplitude der Verbrennungs flamme zu verkleinern. Ein solche Lösung hat jedoch den Nachteil, dass die Brennstoffeinspritzung aufgrund der axialen Abstufung apparativ vergleichsweise aufwendig gestaltet ist: Wird nämlich innerhalb eines Brenners axial abgestuft ein gespritzt, ist eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten separaten Ein spritzöffnungen notwendig. Werden dagegen mehrere parallele Brenner mit unter schiedlichen axialen Einspritzorten eingesetzt, müssen die Brenner aufgrund ihrer unterschiedlichen Konfiguration einzeln angefertigt werden, was die Herstellung und Lagerhaltung erheblich verteuert.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, welche den Ort der Einspritzung unverändert lässt, und die erforderliche Verteilung der Verzögerungszeiten auf eine andere einfach zu verwirklichende Weise herbeiführt.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, für die verschiedenen Brennstoffeinspritz vorrichtungen eine unterschiedliche akustische Impedanz bzw. Steifigkeit vorzu sehen, die im Bezug auf das akustische Signal ausserhalb der Eindüsungsvor richtungen eine unterschiedliche Phase der Fluktuationen im Brennstoffmassen fluss ergibt. In diesem Fall sind die quasistationären Annahmen, die durch den zweiten Term auf der rechten Seite von Gleichung (2) ausgedrückt werden, nicht mehr angebracht. Vielmehr ist eine detailliertere Beschreibung des akustischen Systems der Brennstoffversorgung notwendig, um eine hinreichend genaue Be schreibung der dynamischen Eigenschaften zu erhalten. Gleichwohl ist das Prinzip klar: Wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung akustisch ausreichend "weich" ist und die Frequenz der Anregung, d. h. das Drucksignal p'(x_I), nahe bei der Eigen frequenz des Brennstoffeinlasses liegt, entwickelt sich eine Phasenverschiebung zwischen der Anregung und der Antwort. Besonders interessant ist dabei der Fall, wenn die Eigenfrequenz einer Brennstoffeinspritzvorrichtung oberhalb der Anre gungsfrequenz liegt, und die Eigenfrequenz einer anderen Brennstoffeinspritzvor richtung unterhalb dieser Eigenfrequenz. Die Schwankungen in der Brennstoffein düsung würden in diesem Fall exakt gegenphasig sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung nach der Erfin dung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungen je weils einen vorgegebenen Druckabfall des Brennstoffes aufweisen, und dass zur Verwirklichung der unterschiedlichen akustischen Impedanz der Brennstoffein spritzvorrichtungen der Druckabfall unterschiedlich gewählt ist. Diese Ausfüh rungsform hat den Vorteil, dass im den Brennstoffeinspritzvorrichtungen vorgela gerten Brennstoffverteilsystem keine Änderungen nötig sind.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungen jeweils durch eine eigene Brennstoffverteilleitung mit Brennstoff versorgt werden, und dass in den Brennstoffverteilleitungen zusätz liche Mittel vorgesehen sind, durch welche die akustische Impedanz der Brenn stoffeinspritzvorrichtungen verändert bzw. eingestellt wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Eindüsungsvorrichtungen an sich unverändert bleiben können, weil die notwendigen Änderungen im vorgelagerten Brennstoffverteilsy stem vorgenommen werden. Die zusätzlichen Mittel zur Veränderung der akusti schen Impedanz können dabei insbesondere Resonanzhohlräume umfassen, wel che in den Brennstoffverteilleitungen angeordnet sind, wobei entweder in allen Brennstoffverteilleitungen Resonanzhohlräume derselben Art angeordnet sind, und die unterschiedliche akustische Impedanz durch eine unterschiedliche Entfer nung der Resonanzhohlräume von den Brennstoffeinspritzvorrichtungen einge stellt wird, oder eine unterschiedliche akustische Impedanz dadurch erzeugt wird, dass nur in ausgewählten Brennstoffverteilleitungen Resonanzhohlräume ange ordnet sind. Als Brenner kommt insbesondere ein sogenannter Doppelkegelbren ner in Betracht, wie er von der Anmelderin entwickelt und mit Erfolg eingesetzt worden ist, und wie er in der US-A-4,932,861 ausführlich beschrieben ist.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in einer schematisierten Längsschnitt-Darstellung eine erstes be vorzugtes Ausführungsbeispiel einer Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung mit Doppelkegelbrenner und Resonanzhohl räumen in jeder der Brennstoffverteilleitungen; und

Fig. 2 ein zu Fig. 1 vergleichbares Ausführungsbeispiel, bei dem nur in ausgewählten Brennstoffverteilleitungen Resonanzhohlräume an geordnet sind.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die akustische Steifigkeit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung wird vorrangig durch den Druckabfall bestimmt. So ist beispielsweise die Änderung m' des Massen flusses m für vorgegeben Druckschwankungen p' umgekehrt proportional zum Druckabfall Δp in der Brennstoffeinspritzvorrichtung

Daraus folgt, dass ein starker Druckabfall Δp stets das Brennstoffeindüsungssy stem akustisch von den akustischen Eigenschaften des Brenners bzw. der Brenn kammer entkoppelt.

Der Druckabfall Δp in der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist jedoch prinzipiell be grenzt, so dass es nicht immer möglich ist, die Akustik der Brennstoffversorgung zu entkoppeln. In diesem Fall kann man die Impedanz (die akustische Steifigkeit) der Brennstoffeinspritzvorrichtung dadurch verändern, dass man in die zu den ein zelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen führenden Brennstoffverteilleitungen Re sonanzhohlräume einbaut. Diese Hohlräume bewirken einen akustischen Ab schluss der Brennstoffverteilleitungen, so dass die Entfernung zwischen dem Re sonanzhohlraum und der Eindüsungsöffnung für den Brennstoff jeweils für eine vorgegebene Frequenz die Impedanz der Brennstoffeinspritzvorrichtung bestimmt.

Eine unterschiedliche akustische Steifigkeit und damit eine unterschiedliche Ver zögerungszeit in der Wärmefreisetzung lässt sich nun dadurch erreichen, dass entweder

1. der Druckabfall Δp von einer Brennstoffeinspritzvorrichtung zur nächsten verändert wird, oder
2. Resonanzhohlräume in alle zu den Brennstoffeinspritzvorrichtungen führen den Brennstoffverteilleitungen eingebaut und die Abstände zwischen den Eindüsungsöffnungen und den Resonanzhohlräumen jeweils anders gewählt werden (Fig. 1), oder
3. Resonanzhohlräume nur in einige der zu den Brennstoffeinspritzvorrichtun gen führenden Brennstoffverteilleitungen eingebaut werden (Fig. 2).

Ein unterschiedlicher Druckabfall gemäss Variante (1) kann auf die unterschied lichste Weise, z. B. durch unterschiedliche Wahl der Düsendurchmesser, realisiert werden, wobei die konkreten Massnahmen an den Brennstoffeinspritzvorrichtun gen sehr stark von der Konstruktion der jeweiligen Vorrichtung abhängen. Es wird daher darauf verzichtet, für diese Variante ein Ausführungsbeispiel anzugeben.

Für die Variante (2) sei auf die Darstellung der Fig. 1 verwiesen. In dieser Figur ist eine Verbrennungseinrichtung 10 wiedergegeben, die (stark vereinfacht) einen in eine Brennkammer 12 arbeitenden Doppelkegelbrenner 11 umfasst, wie er im Detail z. B. in der US-A-4,932,861 beschrieben ist. Beim Doppelkegelbrenner 11 tritt von aussen Verbrennungsluft durch zwei tangentiale Lufteinlassschlitze 13 und 14 in das Innere des konischen Brennerteils ein und bildet dort einen Wirbel. Im Bereich der Lufteinlassschlitze 13 und 14 wird jeweils durch eine Brennstoff einspritzvorrichtung 15 bzw. 16 gasförmiger Brennstoff in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile in den durch die Lufteinlassschlitze 13 und 14 eintretenden Luftstrom eingedüst. Die sich im Wirbel ausbildende Luft-Brennstoffmischung tritt dann in die angrenzende Brennkammer 12 aus, wo sie zündet und mit einer Flamme verbrennt. Jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15, 16 wird über eine eigene Brennstoffverteilleitung 17 bzw. 18 aus einer gemeinsamen Brenn stoffzuführung 19 mit Brennstoff versorgt. In jeder der Brennstoffverteilleitungen 17, 18 ist jeweils ein Resonanzhohlraum 20 bzw. 21 angeordnet, der eine unter schiedliche Entfernung zum Doppelkegelbrenner 11 bzw. den im Brenner ange ordneten Eindüsungsöffnungen aufweist. Im Beispiel der Fig. 1 ist der obere Re sonanzhohlraum 20 vom Brenner weiter entfernt als der untere Resonanzhohl raum 21. Wie oben beschrieben ergibt sich durch die unterschiedliche Entfernung eine unterschiedliche akustische Impedanz des jeweiligen Eindüsungssystems, die den gewünschten Effekt auf die thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten hat. Am Doppelkegelbrenner 11 selbst braucht dabei nichts geändert zu werden.

Bei der in Fig. 2 beispielhaft dargestellten Variante (3) ergibt sich ein zu Fig. 1 vergleichbarer Aufbau, weshalb weitgehend dieselben Bezugszeichen Verwen dung finden. Unterschiedlich ist dagegen, dass nur einige Brennstoffverteilleitun gen - in diesem Fall die untere Brennstoffverteilleitung 18 - mit einem Impedanz bestimmenden Resonanzhohlraum 22 ausgerüstet sind. Auch hierdurch lassen sich die gewünschten unterschiedlichen Impedanzen realisieren, wobei durch den Verzicht auf einen Teil der Resonanzhohlräume Vereinfachungen und Einsparun gen möglich sind.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Möglichkeit, durch minimale Ände rungen im Brennstoffeindüsungssystem thermoakustische Instabilitäten bei der Verbrennung wirksam zu unterdrücken.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

,

10

' Verbrennungseinrichtung

11

Doppelkegelbrenner

12

Brennkammer

13

,

14

Lufteinlassschlitz

15

,

16

Brennstoffeinspritzvorrichtung

17

,

18

Brennstoffverteilleitung

19

Brennstoffzuführung

20

, . . .,

22

Resonanzhohlraum

Claims

1. Verbrennungseinrichtung (10, 10'), insbesondere für den Antrieb von Gasturbi nen, bei welcher Verbrennungseinrichtung (10, 10') ein gasförmiger Brennstoff in einem Brenner (11) durch mehrere separate Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) in einen Verbrennungsluft enthaltenden Gasstrom eingedüst wird und das ent stehende Gemisch zur Verbrennung in eine Brennkammer (12) einströmt und dort verbrennt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten die akustische Impedanz der Brennstoffeinspritzvor richtungen (15, 16) unterschiedlich gewählt ist.

2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) jeweils einen vorgegebenen Druckabfall des Brennstoffes aufweisen, und dass zur Verwirklichung der unter schiedlichen akustischen Impedanz der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) der Druckabfall unterschiedlich gewählt ist.

3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) jeweils durch eine eigene Brennstoffverteilleitung (17, 18) mit Brennstoff versorgt werden, und dass in den Brennstoffverteilleitungen (17, 18) zusätzliche Mittei (20, . . ., 22) vorgesehen sind, durch welche die akustische Impedanz der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) verändert bzw. eingestellt wird.

4. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel zur Veränderung der akustischen Impedanz Reso nanzhohlräume (20, . . ., 22) umfassen, welche in den Brennstoffverteilleitungen (17, 18) angeordnet sind.

5. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Brennstoffverteilleitungen (17, 18) Resonanzhohlräume (20, 21) derselben Art angeordnet sind, und dass die unterschiedliche akustische Impedanz durch eine unterschiedliche Entfernung der Resonanzhohlräume (20, 21) von den Brennstoffeinspritzvorrichtungen (15, 16) eingestellt wird.

6. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine unterschiedliche akustische impedanz dadurch erzeugt wird, dass nur in ausgewählten Brennstoffverteilleitungen (17) Resonanzhohlräume (22) angeord net sind.

7. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner als sogenannter Doppelkegelbrenner (11) aus gebildet ist.