Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Gene- ratoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotati- onsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftver- dichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkam- mer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter ho- hem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbi- neneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.

Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wir- kungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgra- des lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätz- lich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab-und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1300 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.

Um bei den dazu erforderlichen, vergleichsweise hohen Ver- brennungstemperaturen die Stickoxidemissionen der Gasturbine auch bei kompakter Bauweise besonders gering zu halten, wer- den moderne Gasturbinen üblicherweise im so genannten Vor- mischmodus betrieben. Dabei wird der Brennstoff über eine Vielzahl von Injektionsdüsen zugeführt und anschließend in einer Vormischpassage mit Verdichterluft vorgemischt. Zur Be- reitstellung der geforderten hohen thermischen Leistungen

werden zudem üblicherweise mehrere Brenner, in denen Brenn- stoff zugemischt und der Brennstoff mit Luft vorgemischt wird, parallel geschaltet, wobei insbesondere bei der so ge- nannten Ringbrennkammer-Bauweise mehrere Brenner auf einer gemeinsamen, ringförmig ausgestalteten Brennkammer angeordnet sein können.

Aufgrund der hohen Leistungsdichten und der hohen Verbren- nungstemperaturen sind derartige Gasturbinen gerade bei kom- pakter Bauweise möglicherweise störanfällig. Aus Gründen der betrieblichen Sicherheit und des mit dem Betrieb der Gastur- bine verbundenen Aufwands ist eine hohe Störfallsicherheit von Gasturbinen jedoch wünschenswert.

Der Erfindung liegt daher Aufgabe zugrunde, eine Brennerein- heit für eine Gasturbine der oben genannten Art anzugeben, mit der die betriebliche Sicherheit und Stabilität der Gas- turbine in besonderem Maße gefördert wird. Des Weiteren soll eine Gasturbine angegeben werden, die mit besonders hoher be- trieblicher Sicherheit betreibbar ist.

Bezüglich der Brennereinheit für die Gasturbine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem an der Brennkammer eine Mehrzahl von Brennerstufen angeordnet ist, die sich voneinan- der hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzu- leitung, der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage und/oder der Flammenverzugszeit oder der Injektionsverzugszeit unter- scheiden.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Brennereinheit in besonderem Maße zur betrieblichen Stabili- tät und Sicherheit der Gasturbine beitragen kann, indem mög- liche Störfallquellen konsequent vermieden sind. Wie sich herausgestellt hat, können gerade bei für hohe Leistungsdich- ten und Verbrennungstemperaturen ausgelegten Gasturbinen in kompakter Bauweise als eine mögliche Störfallquelle thermo- akustisch induzierte Verbrennungsinstabilitäten auftreten,

die durch externe Dämpfungsmechanismen nicht hinreichend be- grenzt werden können. Um derartige thermoakustisch induzierte Verbrennungsinstabilitäten konsequent zu unterdrücken, sollte die die Brennkammer umfassende Brennereinheit im Hinblick auf ihre akustischen Eigenschaften geeignet ausgelegt sein. Als Auslegungsziel kann dabei insbesondere berücksichtigt sein, eine Kopplung zwischen den thermoakustischen Antwortzeiten der Brennerflammen und den akustischen Eigenfrequenzen des Verbrennungssystems, die zur Anregung thermoakustisch indu- zierter Verbrennungsinstabilitäten führen könnte, zu unter- drücken. Um dies zu ermöglichen und insbesondere um eine aus- reichende Anzahl beeinflussbarer Parameter bereitzustellen, sollte die Brennereinheit hinsichtlich der eingesetzten Bren- ner mehrstufig ausgeführt sein. Dabei sind eine Mehrzahl von Brennerstufen vorgesehen, von denen jede in der Art eines herkömmlichen Brenners über eine Brenngaszufuhr, eine Luftzu- fuhr, gegebenenfalls eine Vormischkammer und einen Brenner- austritt verfügt.

Zur Sicherstellung der auslegungsgemäß vorgesehenen akusti- schen Entkopplung oder Verstimmung"dieser Untersysteme von- einander sollten die Brennerstufen hinsichtlich ihrer Dimen- sionierung und der Wahl ihrer charakteristischen Parameter geeignet ausgelegt sein. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Brennerstufen voneinander in mindestens einem der Merkmale unterscheiden, die die jeweiligen akustischen Antwortzeiten der Brennerstufen auf eine Druckschwankung in der Brennkammer charakterisieren, nämlich die thermoakustischen Eigenschaften der Brennstoffzufuhr, charakterisiert durch die akustische Impedanz der Brennstoffzuleitung, die thermoakustischen Ei- genschaften der Luftzufuhr, charakterisiert durch die akusti- sche Impedanz der Luftpassage, und die Verzugszeit der Flam- me, charakterisiert durch die Zeit, die ein Fluidelement be- nötigt vom Brenneraustritt bis zur Flammenfront, auch als "Flammenverzugszeit"bezeichnet, oder durch die Zeit, die ein mit Brennstoff angereichertes Fluidelement von der Injekti-

onsstelle benötigt bis zur Flammenfront, auch als"Injekti- onsverzugszeit"bezeichnet.

Die Impedanz drückt dabei im Allgemeinen das Verhältnis zwi- schen einer Kraftanregung und einer daraus resultierenden Be- wegung, also beispielsweise in der Wechselstromtechnik zwi- schen elektrischem Feld und daraus resultierender Stromdich- te, aus. In der Akustik gibt die akustische Impedanz somit das Verhältnis aus einer Druckschwankung zur daraus resultie- renden Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums wieder. Zwi- schen einer Druckschwankung und einer daraus resultierenden Schwankung in der Strömungsgeschwindigkeit besteht einerseits ein Amplitudenverhältnis und andererseits eine Phasendiffe- renz. Die Phasendifferenz drückt dabei aus, inwieweit die Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit der sie verursachen- den Druckschwankung voraus-oder hinterhereilt, so dass die akustische Impedanz unter anderem ein geeignetes Maß für die Zeitspanne zwischen einer akustischen Anregung, also bei- spielsweise einer akustischen Wechseldruckschwankung, und der Antwort der jeweiligen Brennerstufe hierauf, also eine Schwankung der Austrittsgeschwindigkeit an der jeweiligen Brenneraustrittsebene, ist.

Die mehrstufige Ausgestaltung der Brennereinheit ist auf be- sonders günstige Weise umsetzbar, indem die Brennerstufen vorteilhafterweise bezüglich der Längsrichtung der Gasturbine hintereinander angeordnet sind.

Eine im Hinblick auf die erreichbare Leistungsdichte beson- ders günstige und kompakte Bauweise ist erreichbar, indem die Brennkammer der Brennereinheit vorteilhafterweise als Ring- brennkammer ausgebildet ist. Durch die Bauweise als Ring- brennkammer ist zudem aufgrund von deren Rotationssymmetrie eine in Umfangsrichtung gesehen vergleichsweise homogene Tem- peratur-und Strömungsverteilung erreichbar.

Die gezielte Einstellung der akustischen Eigenschaften der Brennerstufen kann durch geeignete Dimensionierung und Para- meterwahl insbesondere hinsichtlich der Länge der Brennstoff- und/oder Luftpassage, also der Strecke zwischen der Brenngas- eindüsung und dem Brenneraustritt, und/oder hinsichtlich der Länge der Strömungspassagen und Volumengrößen stromauf der Brennstoff-Injektion eingestellt werden. Um darüber hinaus aber noch weitere Freiheitsgrade zur auslegungsgemäßen aku- stischen Entkopplung der Brennerstufen voneinander bereitzu- stellen, sind die Brennerstufen vorteilhafterweise jeweils mit einer Anzahl von Drosseleinrichtungen und/oder mit einer Anzahl von Resonatoreinheiten versehen. Die Drosseleinrich- tungen können dabei insbesondere zur gezielten Erzeugung von Druckverlusten in Innenräumen der Brennerstufen, beispiels- weise in deren Vormischkammern, ausgelegt sein, wobei als Drosseleinrichtung beispielsweise Lochbleche mit geeignet di- mensionierten Bohrungsdurchmessern vorgesehen sein können.

Zusätzlich oder alternativ können Resonatoren eingesetzt sein, vorzugsweise in Strömungspassagen stromauf oder stromab der Brenngaseindüsung, vorteilhafterweise derart, dass sie in die Luftpassage und/oder in die Brennstoffpassage der jewei- ligen Brennerstufe münden.

Für eine zuverlässige akustische Entkopplung oder Verstimmung der Brennerstufen voneinander sind diese vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass sich die Summe aus der so genannten akustischen Zeitspanne jeder Brennerstufe, also die durch die akustischen Impedanzen der jeweiligen Brennerstufe gegebene Zeitspanne zwischen der akustischen Anregung und der Antwort der jeweiligen Brennerstufe, und der so genannten Verzugs- zeit, also derjenigen Zeitspanne, die ein Fluidelement für die Strecke zwischen der Austrittsebene der jeweiligen Bren- nerstufe und der Flammenfront benötigt, voneinander unter- scheiden. Die Flammenverzugszeit ist dabei vorteilhafterweise über die Vorgabe einer geeignet gewählten Austrittsgeschwin- digkeit am jeweiligen Brenneraustritt und/oder über integ- rierte Drallerzeugungsmittel eingestellt, wobei insbesondere

das Verhältnis aus der Größe der Umfangsgeschwindigkeitskom- ponente zur meridionalen Geschwindigkeitskomponente des aus der jeweiligen Brennerstufe abströmenden Strömungsmediums he- rangezogen ist.

Bezüglich der Gasturbine wird die genannte Aufgabe gelöst, indem deren Brennereinheit als Brennereinheit der vorgenann- ten Art ausgestaltet ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, dass durch die mehrstufige Ausgestaltung der Bren- nereinheit mit Brennerstufen, die sich hinsichtlich ihrer thermoakustischen Eigenschaften geeignet voneinander unter- scheiden, eine konsequente akustische Entkopplung der einzel- nen Brennerstufen voneinander erreichbar ist. Dadurch kann die mögliche Anregung thermoakustisch induzierter Verbren- nungsinstabilitäten im Verbrennungssystem der Gasturbine be- sonders gering gehalten werden. Eine derartig ausgestaltete Brennereinheit ist somit besonders stabil gegenüber Druck- schwankungen in der Brennkammer, so dass eine Gasturbine mit einer derartigen Brennereinheit eine besonders hohe betrieb- liche Stabilität aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen : FIG 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine, und FIG 2 im Längsschnitt eine Brennereinheit der Gasturbine nach FIG 1.

Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszei- chen versehen.

Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennereinheit 3 mit einer Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und ei-

nes nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinen- welle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Ar- beitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist.

Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs be- stückt. Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher dargestellten Hitzeschildelementen versehen.

Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschau- feln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiter- hin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leit- schaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 be- festigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gese- hen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschau- felkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.

Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß 19 be- zeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandele- ment angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Be- grenzung eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströ- mende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in a-

naloger Weise über einen auch als Plattform 18 bezeichneten Schaufelfuß 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt, wobei der Schaufelfuß 19 jeweils ein entlang einer Schaufelachse er- strecktes profiliertes Schaufelblatt 20 trägt.

Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelrei- hen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungs- rings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durch- strömenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Rich- tung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Lauf- schaufel 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen be- nachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innen- wand 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende hei- ße Arbeitsmedium M schützt.

Zur Gewährleistung einer hohen betrieblichen Sicherheit und insbesondere zur Vermeidung thermoakustisch induzierter Ver- brennungsinstabilitäten ist die Brennereinheit 3, die in FIG 2 im Längsschnitt dargestellt ist, mehrstufig ausgeführt, wobei an der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen hinterein- ander eine Mehrzahl von Brennerstufen 30 angeordnet ist. Jede Brennerstufe 30 ist dabei jeweils an eine schematisch ange- deutete Luftzufuhr oder Luftpassage 32 und an eine nicht nä- her dargestellte, jeweils in einer Anzahl von Einströmöffnun- gen 34 mündende Brennstoffzuleitung angeschlossen. Ausgehend von der Brenneraustrittsebene 36 jeder Brennerstufe 30 bildet sich beim Betrieb der Gasturbine 1 im Innenraum der Brennkam- mer 4 eine der jeweiligen Brennerstufe 30 zugeordnete Flam- menfront 38. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 2 sind drei Brennerstufen 30 dargestellt ; es können aber auch lediglich zwei oder auch vier oder mehr Brennerstufen 30 vorgesehen sein.

Zur Sicherstellung der thermoakustischen Entkopplung oder Verstimmung der Brennerstufen 30 voneinander, die die Vermei- dung der Anregung thermoakustisch induzierter Verbrennungsin- stabilitäten gewährleisten soll, sind die Brennerstufen 30 hinsichtlich der akustischen Impedanz ihrer Brennstoffzulei- tung, der akustischen Impedanz ihrer Luftpassage 32 und/oder ihrer Flammenverzugszeit unterschiedlich voneinander ausge- staltet. Aus den akustischen Impedanzen der Brennstoffzulei- tung und der Luftpassage 32 lassen sich dabei jeweils Zeit- konstanten herleiten, die die Zeitspanne zwischen einer im Innenraum der Brennkammer 4 auftretenden Druckschwankung und der darauf folgenden Reaktion der jeweiligen Brennerstufe 30, also einer Schwankung der Austrittsgeschwindigkeit beim Aus- tritt des Strömungsmediums aus der jeweiligen Austrittsebene 36, Wiedergeben. Nach der Addition der so genannten Flammen- verzugszeit, also derjenigen Zeitspanne, die ein Fluidelement im Auslegungsgemäßen Betriebszustand der Gasturbine 1 benö- tigt, um von der Austrittsebene 36 der jeweiligen Brennerstu- fe 30 zur diese zugeordneten Flammenfront 38 zu gelangen, zu dieser Zeitkonstanten ergibt sich die insgesamt für die aku- stische Auslegung der jeweiligen Brennerstufe 30 zu berück- sichtigende Zeitspanne. Die Brennerstufen 30 sind dabei der- art ausgelegt, dass sie sich hinsichtlich dieser charakteris- tischen Zeitspanne voneinander unterscheiden.

Um diese Unterschiede in der Auslegung der Brennerstufen 30 zueinander zu erzeugen, sind bei der Dimensionierung und Pa- rametrierung der Brennerstufen 30 insbesondere die Parameter, Länge der Brennstoff-und/oder Luftpassage, Länge der Strö- mungspassagen und Volumengrößen stromauf der Brennstoff-In- jektion, Druckverluste in den Zuleitungen, Austrittsgeschwin- digkeit in der Brenneraustrittsebene 36, Stabilisierungsart (Drall stabilisiert oder Staukörper stabilisiert) und/oder Verhältnis der Größe der Umfangsgeschwindigkeitskomponente zur Größe der meridionalen Geschwindigkeitskomponente in der aus der jeweiligen Brennerstufe 30 austretenden Strömung ge-

eignet gewählt. Weiterhin ist im Ausführungsbeispiel die in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen erste Brenner- stufe 30 mit einer integrierten Drosseleinrichtung 40, im Ausführungsbeispiel ein Lochblech, sowie mit in den Strö- mungspassagen stromauf und stromab der Brenngaseindüsung an- geordneten, nicht näher dargestellten Resonatoren bestückt.