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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein industrielle Turbinenkraftmaschinen
und spezieller Brennkammern darin.
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Industrielle
Energieerzeugungs-Gasturbinenkraftmaschinen umfassen einen Kompressor
zum Komprimieren von Luft, die mit Brennstoff gemischt wird und
in einer Brennkammer gezündet
wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen zu einer
Turbine, die Energie gewinnt, um eine Welle anzutreiben, um den
Kompressor mit Energie zu versorgen, und eine Ausgangsleistung erzeugt,
um z.B. einen elektrischen Generator mit Energie zu versorgen. Die
Turbine wird typischerweise für
langandauernde Zeitspannen bei einer verhältnismäßig hohen Grundlast betrieben,
um den Generator mit Energie zu versorgen, um elektrische Energie
für z.B.
ein Energieversorgungsverbundnetz zu erzeugen. Abgasemissionen von
den Verbrennungsgasen sind deshalb eine wichtige Angelegenheit und
sind vorgeschriebenen Grenzen unterworfen.
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Spezieller
umfassen industrielle Gasturbinenkraftmaschinen typischerweise eine
Brennkammerkonstruktion für
einen abgasemissionsarmen Betrieb und insbesondere für einen
NOx-armen Betrieb. NOx-arme Brennkammern
liegen typischerweise in der Form einer Mehrzahl von Einzelbrennkammern
vor, die um den Umfang der Kraftmaschine aneinander angrenzend in
Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei jeder Brenner eine Mehrzahl
von Vormischern aufweisen kann, die mit dem stromaufwärts gelegenen
Ende verbunden sind. Zusätzlich
können
die Brennkammern eine ringförmige
Anordnung umfassen.
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NOx-arme Sparvorgemisch-Brennkammern sind für Verbrennungsinstabilitäten anfälliger,
wie sie durch dynamische Druckoszillationen in der Verbrennungskammer
dargestellt werden. Die Druckoszillationen können, wenn sie angeregt sind,
unerwünscht
großen
akustischen Lärm
und einen beschleunigten Hochfrequenzschwingungsermüdungsfehler
an der Brennkammer verursachen. Die Druckoszillationen können bei verschiedenen
Grundschwingungsfrequenzen oder vorherrschenden Resonanzfrequenzen
oder anderen Oberwellen höherer
Ordnung auftreten.
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Solche
Verbrennungsinstabilitäten
können
verringert werden, indem eine Asymmetrie in der Wärmefreisetzung
eingeführt
wird oder z.B. indem die Wärmefreisetzung
axial verteilt oder ausgebreitet wird. Ein gegenwärtiges Verfahren,
das üblicherweise
verwendet wird, um eine Asymmetrie einzuführen, um Verbrennungsoszillationen
zu verringern, besteht darin, Brennstoff zu einem oder mehreren
Brennern vorzubelasten, was eine örtlichere Wärmefreisetzung erzeugt. Obwohl
gezeigt worden ist, dass dieses Brennstoffvorbelastungsverfahren
Verbrennungsinstabilitäten
verringert, werden NOx-Emissionen durch
die höheren
Temperaturen, die erzeugt werden, wesentlich erhöht. Eine axiale Verteilung
der Flamme ist erreicht worden, indem einer oder mehrere Brennstoffeinspritzeinrichtungen
in der Verbrennungskammer körperlich
versetzt wurden. Ein Nachteil dieses Versatzlösungsansatzes besteht jedoch
darin, dass die ausgedehnte Oberfläche, die den stromabwärts gelegenen
Einspritzeinrichtungen zugeordnet ist, aktiv gekühlt werden muss, um gegen die stromaufwärts gelegene
Flamme geschützt
zu werden. Diese zusätzliche
Kühlluft
weist entsprechende NOx-Emissionsnachteile
für das
System auf.
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Die
US-A-5,373,693 beschreibt einen Brenner für eine Gasturbinenkraftmaschine
mit einem axial einstellbaren Drallkörper. Die US-A-5,685,157 beschreibt
eine Gasturbinenbrennkammer, die Einrichtungen zum Unterdrücken von
Schalldruckoszillationen umfasst.
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Deshalb
ist es aus dem Obigen ersichtlich, dass es im Stand der Technik
einen Bedarf an Verbesserungen bei der Brennkammerdynamik gibt.
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Eine
längenvariable
Vormischeranordnung umfasst ein stromaufwärts gelegenes Ende zur Aufnahme von
komprimierter Luft von einem Kompressor und ein stromabwärts gelegenes
Ende, das in Strömungsverbindung
mit einer Brennkammer angeordnet ist. Die Vormischeranordnung umfasst
eine stromaufwärts
gelegene Haltevorrichtung, eine Drallkörperanordnung mit einer Mehrzahl
von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Schaufeln, die benachbart
zu dem stromaufwärts
gelegenen Ende angeordnet sind, um komprimierte Luft zu verwirbeln,
die dadurch kanalisiert wird. Ein langgestreckter Mittenkörper weist
ein erstes Ende auf, das mit dem Drallkörper verbunden ist und sich
durch diesen erstreckt, und ein zweites Ende, das stromabwärts davon
angeordnet ist. Eine stromabwärts
gelegene Brennstoffdüsenabdeckung
weist einen Auslass in Strömungsverbindung
mit der Brennkammer auf. Zusätzlich
ist mindestens ein entfernbar angeordneter Brennstoffdüsenabstandshalter
alternativ zwischen einer ersten Position zwischen der stromaufwärts gelegenen
vorderen Haltevorrichtung und der Drallkörperanordnung und einer zweiten
Position zwischen der Drallkörperanordnung
und der stromabwärts
gelegenen Brennstoffdüse
angeordnet, um die Relativposition der Drallkörperanordnung zu ändern und
die akustischen Vormischeranordnungsresonanzeigenschaften zu ändern.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
als Beispiel beschrieben.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften industriellen
Turbinenkraftmaschine mit einer Brennkammer, die in Strömungsverbindung
mit einem Kompressor und einer Turbine verbunden ist;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Vormischers und einer Brennkammer
zur Definition von Eigenfrequenz;
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3 ist
eine grafische Darstellung der Wechselwirkung zwischen einem akustischen
Hohlraummode und einer Vormischereigenfrequenz;
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4 ist
eine andere grafische Darstellung der Wechselwirkung zwischen einem
akustischen Hohlraummode und einer Vormischereigenfrequenz;
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5 ist
eine schematische Querschnittsseitenaufrissansicht einer längenvariablen
Vormischeranordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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6 ist
eine schematische Querschnittsseitenaufrissansicht einer aktiv gesteuerten
längenvariablen Vormischeranordnung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
industrielle Turbinenkraftmaschine 10 mit einem mehrstufigen
axialen Kompressor 12, der in aufeinanderfolgender Strömungsverbindung
mit einer NOx-armen Brennkammer 14 und einer
ein- oder mehrstufigen Turbine 16 angeordnet ist, ist in 1 dargestellt.
Die Turbine 16 ist mit dem Kompressor 12 durch
eine Antriebswelle 18 gekoppelt, wobei sich ein Teil der
Antriebswelle 18 davon erstreckt, um z.B. einen elektrischen
Generator (nicht dargestellt) zur Erzeugung von elektrischer Energie
mit Energie zu versorgen. Der Kompressor 12 lädt komprimierte
Luft 20 in die Brennkammer 14, in der die komprimierte
Luft 20 mit Brennstoff 22 gemischt wird und gezündet wird,
um Verbrennungsgase oder eine Verbrennungsflamme 24 zu
erzeugen, wovon durch die Turbine 16 Energie gewonnen wird,
um die Welle 18 zu drehen, um den Kompressor 12 mit Energie
zu versorgen, sowie eine Ausgangsleistung zu erzeugen, um den Generator
oder eine andere externe Last zu treiben.
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Um
eine geeignete dynamische Stabilität der Brennkammer 14 während eines
Betriebs aufrechtzuerhalten, sollten die verschiedenen Druckoszillationsfrequenzen
bei verhältnismäßig niedrigen
Druckamplituden bleiben, um eine Resonanz bei ungeeignet großen Druckamplituden
zu vermeiden, die zu einer Brennkammerinstabilität führen, was sich in einem hohen
akustischen Lärmpegel
oder einem Hochfrequenzschwingungsermüdungsfehler oder beidem äußert. Eine
Brennkammerstabilität
wird herkömmlicherweise
bewerkstelligt, indem eine Dämpfung
unter Verwendung eines durchlöcherten
Verbrennungsflammrohrs hinzugefügt
wird, um die Schallenergie zu absorbieren. Dieses Verfahren ist
jedoch bei einer emissionsarmen Brennkammer unerwünscht, da
die Durchlochungen Filmkühlluft
hindurchleiten, die die Verbrennungsgase örtlich abschreckt, wodurch
die CO-Niveaus erhöht
werden. Außerdem
ist es vorzuziehen, die Menge an Luft, die den Vormischer erreicht,
für verringerte
NOx-Emissionen zu maximieren.
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Ein
dynamisches Entkoppeln durch eine axiale Brennstoffstufentrennung
kann besser verstanden werden, indem die offenbare Theorie einer
Brennkammerbetriebsdynamik verstanden wird, wie in der mitanhängigen gemeinsam übertragenen
Anmeldung Serial No. 08/812,894 (Zeichen No. RD-25,529), mit dem
Titel "Dynamically
Uncoupled Low NOx Combustor",
eingereicht am 10. März
1997, erörtert.
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Es
ist gezeigt worden, dass Kriterien von Ralleigh erfüllt sein
müssen,
damit starke Oszillationen in einem Vormischungsverbrennungssystem
anwachsen. Diese Kriterien legen nahe, dass Instabilitäten anwachsen,
wenn Fluktuationen in der Wärmefreisetzung
in Phase mit dem fluktuierenden Schalldruck sind. Demgemäß können Verbrennungsinstabilitäten verringert
werden, wenn die Wärmefreisetzung
in Bezug zu den Schalldrücken
gesteuert wird.
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Der
enge Kanalauslass eines Vormischers in Kombination mit einer gedrosselten
Turbinendüse
am Ende einer Brennkammer 26 nähert eine Schallkammer an.
Diese Schallkammer weist viele Schallfrequenzen auf. Die Oberwellenmoden
niedrigster Ordnung sind am leichtesten anzuregen, aber die Moden,
die eine Resonanz erzielen, werden durch die Verstärkungen
im System bestimmt. Eine starke Quelle von Verstärkung im System ist die Brennstoff-Luft-Welle,
die aufgrund einer Phasenverschiebung zwischen dem Massenstrom des Brennstoffs
und der Luft gebildet wird. Wenn die Brennstoff-Luft-Welle die dominierende
Verstärkung
im System ist, dann wird die Dynamik des Systems durch die Konvektionszeit
der Brennstoff-Luft-Welle gesteuert. Die Konvektionszeit ist die
Zeit, die für
den Brennstoff benötigt
wird, um sich von einem Brennstoffeinspritzpunkt zu der Zone von
mittlerer Wärmefreisetzung
in der Flamme zu bewegen, wie schematisch in 2 dargestellt.
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Die
Eigenfrequenz des Vormischers ist das Inverse der Konvektionszeit.
Eine Gleichung, die die Eigenfrequenz des Vormischers f
pm definiert,
ist nachstehend angegeben:
wobei L
1 die
Vormischerlänge
ist und L
2 der Abstand zur Flamme
24 ist.
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Unter
Verwendung dieser Gleichung kann ein Vergleich der Verbrennungsfrequenzdynamik,
die in mehreren Sparvorgemisch-Brennkammern beobachtet wird, und
der Eigenfrequenz des Vormischers vorgenommen werden.
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Wie
in Tabelle 1 dargestellt, gibt es eine starke Korrelation zwischen
der berechneten Konvektionsfrequenz und der beobachteten Frequenz.
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In
einem Sparvorgemischsystem hängt
die Amplitude der dynamischen Oszillationen bis zu einem gewissen
Grade von der Nähe
der Konvektionsfrequenz zu einer Resonanzfrequenz im Hohlraum ab.
Wie in 3 dargestellt, treten, wenn sich die maximale
Verstärkung
der Brennstoff-Luft-Welle mit der Resonanzfrequenz des Hohlraums überlappt,
starke Druckoszillationen auf. Wie in 4 dargestellt,
treten, wenn sich die minimale Verstärkung der Brennstoff-Luft-Welle
mit der Resonanzfrequenz des Hohlraums überlappt, nur geringfügige Druckoszillationen
auf. Ein wichtiger Punkt besteht darin, dass die Verbrennungsfrequenzdynamik in
der Nähe
der Eigenfrequenz des Vormischers auftritt und nicht in der Nähe der Frequenz
des Hohlraumsmodes.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine längenvariable Vormischeranordnung 100 in 5 dargestellt.
Die längenvariable
Vormischeranordnung 100 umfasst ein stromaufwärts gelegenes
Ende 102 zur Aufnahme von komprimierter Luft vom Kompressor 12 (1)
und ein stromabwärts
gelegenes Ende 104 (5), das
in Strömungsverbindung
mit der Brennkammer 14 angeordnet ist (1).
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Die
längevariable
Vormischeranordnung 100 umfasst eine stromaufwärts gelegene vordere
Haltevorrichtung 106, eine Drallkörperanordnung 108,
eine stromabwärts
gelegene Brennstoffdüsenabdeckung 110 und
mindestens einen Brennstoffdüsenabstandshalter,
der sich entfernbar anordnen lässt, 112.
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Die
Drallkörperanordnung 108 umfasst
eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Schaufeln 114,
die benachbart zum stromaufwärts
gelegenen Ende 102 angeordnet sind, um komprimierte Luft
zu verwirbeln, die dadurch kanalisiert ist, und einen langgestreckten
Mittenkörper 116 mit
einem ersten Ende 118, das mit der Drallkörperanordnung 108 verbunden
ist und sich dadurch erstreckt, und einem zweiten Ende 120,
das stromabwärts
davon angeordnet ist.
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Die
stromabwärts
gelegene Brennstoffdüsenabdeckung 110 umfasst
einen Auslass 122 in Strömungsverbindung mit der Brennkammer
(1).
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Brennstoffdüsenabstandshalter 112 alternativ
zwischen einer ersten Position zwischen der stromaufwärts gelegenen
vorderen Haltevorrichtung 106 und der Drallkörperanordnung 108 und
einer zweiten Position zwischen der Drallkörperanordnung 108 und
der stromabwärts
gelegenen Brennstoffdüsenabdeckung 110 bewegbar,
um die Relativposition der Drallkörperanordnung 108 zu ändern und
die akustischen Resonanzeigenschaften der Vormischeranordnung 100 zu ändern.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens ein Brennstoffdüsenabstandshalter,
der sich entfernbar anordnen lässt, 112 zwei
Brennstoffdüsenabstandshalter 112,
wie in 5 dargestellt. Das Paar von Brennstoffdüsenabstandshalter 112 ist
alternativ zu drei unterschiedlichen Positionen bewegbar. In einer
Anordnung sind beide Brennstoffdüsenabstandshalter 112 zwischen
der stromaufwärts
gelegenen vorderen Haltevorrichtung 106 und der Drallkörperanordnung 108 angeordnet.
In einer zweiten Anordnung sind beide Brennstoffdüsenabstandshalter 112 zwischen
der Drallkörperanordnung 108 und der
stromabwärts
gelegenen Brennstoffdüsenabdeckung 110 angeordnet.
In einer dritten Anordnung ist ein Abstandshalter 112 zwischen
der stromaufwärts
gelegenen vorderen Haltevorrichtung 106 und der Drallkörperanordnung 108 angeordnet,
und ein Abstandshalter ist zwischen der Drallkörperanordnung 108 und
der stromabwärts
gelegenen Brennstoffdüsenabdeckung 110 angeordnet.
Die mehreren Kombinationen ändern die
Relativposition der Drallkörperanordnung 108 und ändern die
akustische Resonanzeigenschaft der Vormischeranordnung 100.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine aktiv gesteuerte längenvariable Vormischeranordnung 200 in 6 dargestellt.
Die aktiv gesteuerte längenvariable
Vormischeranordnung 200 umfasst ein stromaufwärts gelegenes
Ende 202 zur Aufnahme von komprimierter Luft von dem Kompressor 12 (1)
und ein stromabwärts
gelegenes Ende 204 (6), das
in Strömungsverbindung
mit der Brennkammer 14 (1) angeordnet
ist.
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Die
Vormischeranordnung 200 umfasst eine Drallkörperanordnung 208 mit
einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Schaufeln 214,
die benachbart zum stromabwärts
gelegenen Ende 202 angeordnet sind, um komprimierte Luft,
die dadurch kanalisiert ist, zu verwirbeln, einen langgestreckten Mittenkörper 216 mit
einem ersten Ende 218, das mit der Drallkörperanordnung 208 verbunden
ist und sich dadurch erstreckt, und ein zweites Ende 220,
das stromabwärts
davon angeordnet ist.
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Ein
Aktuator 222 ist mit der Vormischeranordnung 200 gekoppelt,
was ermöglicht,
dass die Vormischeranordnung 200 zwischen einer ganz hinten
befindlichen Position, die durch den Bezugsbuchstaben A identifiziert
ist, und einer ganz vorne befindlichen Position, die durch den Bezugsbuchstaben
B identifiziert ist, im Allgemeinen entlang dem Pfad von Pfeil 224 bewegbar
ist. Die Bewegung der Vormischeranordnung 200 zwischen
der Position "A" und der Position "B" ändert
die Relativposition der Vormischeranordnung 200 und ändert die
akustische Resonanzeigenschaft der Vormischeranordnung 200.
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Ein
Controller 226 ist mit einem Sensor 228 und mit
einem Aktuator 222 gekoppelt, um das Positionieren der
Vormischeranordnung 200 aktiv zu steuern, um Druckoszillationen
zu minimieren. Diese aktive Steuerung entspricht einem "Abstimmen" der Brennkammer
auf Grundlage der Signale, die durch den Sensor 228 erzeugt
werden.