Verfahren und Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft in einer Brennkammer, welcher durch zu¬ mindest einen Lufteinlaß die Luft und durch mehrere Brenner der Brennstoff zugeführt werden, wobei ;jeder Brenner eine zu- gehörige Verzugszeit hat, welche einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls in der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Bren¬ ner zugefuhrten Brennstoffes hervorruft. Die Erfindung be¬ trifft auch eine entsprechende Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft.

Ein solches Verfahren und eine solche Einrichtung gehen her¬ vor aus der WO 93/10401 AI.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zum Einsatz m einer Gasturbine, wobei eine Gasturbine ein Verbund aus einem Verdichter für Luft, einer Verbrennungseinrichtung umfassend zumindest eine Brennkammer zur Verbrennung eines Brennstoffes in der Luft unter Bildung eines Rauchgases sowie einer Tur¬ bine im eigentlichen Sinne zur Entspannung des Rauchgases ist. Die Turbine kann mehrteilig sein, also mehrere hinter- emandergeschaltete Teilturbmen umfassen; gleiches gilt für den Verdichter. Der Verdichter ist insbesondere ein Turbover- dichter. Im Rahmen der geläufigen Praxis treibt die Turbine den Verdichter an.

Die Erfindung knüpft an an die Aufgabe der Dampfung oder Ver¬ meidung akustischer Schwingungen in einer Brennkammer, welche Schwingungen von der Verbrennung induziert werden und als „Verbrennungsschwingungen" bekannt sind.

In vielen Brennkammern, und zwar sowohl in Brennkammern in Gasturbinen, als auch in Brennkammern von Kesselfeuerungen, Industrieofen oder anderen Anlagen, treten unter bestimmten, durch die einschlagigen thermodynamischen Betriebsparameter, wie Luftzahl und thermische Leistung, eindeutig definierten Bedingungen instabile Betriebszustande auf, die gekennzeich¬ net sind durch korrelierte Fluktuationen der Warmeproduktion bei der Verbrennung und des statischen Druckes m der Brenn¬ kammer und/oder in dieser vor- und nachgeschalteten Anlagen- teilen. Diese Fluktuationen äußern sich dadurch, daß m der Brennkammer selbsterregte akustische Schwingungen auftreten. Diese akustischen Schwingungen verursachen neben einer erhöh¬ ten Larmbelastung der Umgebung der betroffenen Anlage ver¬ stärkte mechanische und thermische Beanspruchungen der Brenn- kam er und anderer Teile der Anlage die durchaus m kurzer Zeit zum vollständigen oder teilweisen Versagen führen kön¬ nen.

Der mit steigenden Forderungen im Hinblick auf eine möglichst schadstoffarme Verbrennung einhergehende verstärkte Einsatz von Vormischbrennern m entsprechenden Brennkammern fuhrt aufgrund der mit einem Vormischbrenner erreichten höheren Re¬ aktionsdichte, der von der chemischen Zusammensetzung des zur Verbrennung anstehenden Gemisches starker als in einem Diffu- sionsbrenner abhangigen Zündung sowie der gegenüber einem

Diffusionsbrenner verringerten konvektiven Verzugszeit inner¬ halb der gebildeten Flamme zu einer erhöhten Neigung zum Aus¬ bilden von Verbrennungsschwingungen.

Eine Verbrennungsschwingung beruht im allgemeinen auf einer

Wechselwirkung zwischen der Strömung der aus dem eingesetzten Brenner austretenden Reaktionspartner und dem Energieumsatz bei der Verbrennung, wobei die Wechselwirkung in Verbindung mit einer m der Brennkammer und daran angeschlossenen Anla- genteilen auftretenden akustischen Resonanz eine stabile aku¬ stische Schwingung erzeugt und unterhalt. Dabei liegt ein ge¬ schlossener Wirkungskreis m einem aus dem Brenner nebst Zu-

leitungen, der Flamme selbst und der Brennkammer bzw. einem mit dieser gebildeten, akustisch schwmgungsfahigen System vor. Die zur Ausbildung und Aufrechterhaltung der akustischen Schwingung erforderliche Energie wird dabei aus dem Verbren- nungsprozeß selbst geliefert.

Die akustischen Verhaltnisse m einer Brennkammer nebst ange¬ schlossenen Systemen sind eingehend erläutert in dem Buch „Combustion-Driven-Oscillations m Industry" von A.A. Putnam, American Elsevier Publishing Company, Inc., New York 1971, Seite 2. Auch ist hinzuweisen auf die Dissertation „Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Entste¬ hungsmechanismen selbsterregter Druckschwingungen m techni¬ schen Vormisch-Verbrennungssystemen" von H. Buchner, Univer- sitat Karlsruhe 1992, Seiten 4 u. 5. Vorgestellt und erläu¬ tert wird jeweils eine als „Rayleigh-Kriterium" bekannte Be¬ dingung, welche erfüllt sein muß, damit eine stabile Verbren- nungsschwmgung auftreten kann.

Aus dem Rayleigh-Kriterium ableitbar ist auch ein Kriterium, welches die Periodendauer einer akustischen Schwingung, für die die Möglichkeit ihres Auftretens erörtert wird, in Bezie¬ hung setzt zu einer einen Brenner und seinen Betrieb wesent¬ lich charakterisierenden „Verzugszeit". Diese Verzugszeit ist eine Zeitdauer, nach welcher ein akustischer Impuls in der Brennkammer, an die der Brenner angeschlossen ist, einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über den Brenner zugefuhrten Brennstoffs hervorruft. Bezogen auf eine in der Brennkammer vorliegende stabile Schwingung und eine von die- ser über den Brenner bewirkten thermischen Schwingung, also einer periodischen Schwankung des Energieumsatzes bei der durch den Brenner bewirkten Verbrennung, entspricht die Ver¬ zugszeit einer Phasendifferenz zwischen der akustischen und der thermischen Schwingung. Hierzu ist besonders hinzuweisen auf die Dissertation von Buchner, S. 26-29, sowie den Bericht „Untersuchung der Anregungsmechanismen selbsterregter Ver¬ brennungsschwingungen an einem Verbrennungssystem für Flus-

sigkraftstoff" von J. Herrmann, P. Zangl, S. Gleis und D. Vortmeyer, VDI-Berichte Nr. 1193 (1995), S. 251-260.

Die Verzugszeit eines Brenners m einer Brennkammer setzt sich zusammen aus verschiedenen Summanden, die jeweils auf einzelne Komponenten des Systems aus Brenner, Brennkammer und riamme zuruckfuhrbar sind. Die auf den Brenner und die Brenn¬ kammer beziehbaren Summanden bestimmen sich hauptsächlich durch die Geometrie von Brenner und Brennkammer; ein auf die Flamme selbst zuruckfuhrbarer Summand ist wesentlich durch die Eigenschaften der Verbrennung selbst bestimmt. Der Sum¬ mand selbst laßt sich weiter zerlegen in eine „konvektive Verzugszeit", die eine Transportzeit für den Transport der Reaktionspartner zur Flammenfront, wo die Verbrennung em- setzt, charakterisiert, eine „Aufheizungszeit", welche die

Zeit für die Aufheizung der Reaktionspartner auf die zur Zün¬ dung erforderliche Temperatur angibt, sowie eine „reaktionskinetische Verzugszeit", welche durch den Ablauf der Verbrennung selbst bestimmt ist. In der Regel überwiegt die konvektive Verzugszeit die beiden anderen Summanden deut¬ lich.

Herkömmliche Mittel zur Unterdrückung einer Verbrennungs¬ schwingung in einer Brennkammer beruhen entweder darauf, daß mehr oder weniger empirisch passive akustische Mittel wie

Drosselstellen, Resonatoren und/oder Schalldampfer zum Ein¬ satz kommen, siehe das erwähnte Buch von Putnam, S. 156-175, oder daß die Zufuhrung des Brennstoffes einer aktiven Modula¬ tion mit dem Ziel der Entkopplung der Energiefreisetzung von akustischen Schwingungen in der Brennkammer vorgenommen wird. Eine solche Maßnahme wird als „aktive Instabilitatskontrolle" bezeichnet; zur Erläuterung siehe den Aufsatz „Die ^aktive Instabilitatskontrolle' als Untersuchungsmethode für selbsterregte Verbrennungsmstabilitaten" von S. Gleis und D. Vortmeyer, VDI-Berichte Nr. 765 (1989), S. 645-656. In der

DE 42 41 729 AI ist ein Aktuator beschrieben, durch den einem unter Druck stehenden Flussigkeitsstrom eine Massenstrom-

oder Druckschwankung aufpragbar ist. Der Aktuator wird für eine Verwendung zur aktiven Regelung von Verbrennungsinstabi- litaten bei Flussigtreibstoff-Brennern sowie bei Geraten zur Zerstäubung von Flüssigkeiten vorgeschlagen.

Die herkömmlichen passiven Maßnahmen zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen zielen darauf ab, den Betrieb der Anlage durch Verschiebung der akustischen Eigenschaften von Teilsystemen so zu stabilisieren, daß über den gesamten ge- wünschten Betriebsbereich keine Verbrennungsschwingungen mehr auftreten. Diese Maßnahmen erfordern Mittel, die im Einzel¬ fall an die jeweilige Anlage angepaßt werden müssen und stet die Gefahr in sich bergen, daß zwar bekannte instabile Be¬ triebspunkte stabilisiert, jedoch neue Instabilitäten unter anderen Betriebsbedingungen hervorgerufen werden.

In der DE 43 36 096 AI ist eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen m Brennkammern angegeben. Hierin sind in Stro- mungsπchtung vor der Brennkammer mehrere Brenner angeordnet, wobei benachbarte Brenner jeweils m Stromungsrichtung um ei¬ nen vorgegebenen Abstand verschoben zueinander angeordnet sind. Dieser vorgegebene Abstand ist hierbei so gewählt, daß bei einem Betrieb der Brenner die sich in Stromungsrichtung ausbreitenden Temperaturschwankungen benachbarter Brenner ge- rade entgegengesetzt sind. In einem Querschnitt zur Stro- mungsrichtung liegen somit Verbrennungszonen mit einer posi¬ tiven und einer negativen Abweichung von einer mittleren Tem¬ peratur nebeneinander, wobei eine Vermischung dieser Bereiche m Stromungsrichtung stattfindet und somit eine Vergleichma- ßigung der Temperatur auftritt. Dies soll eine Verbrennungs¬ schwingung induziert durch Temperaturschwankungen und damit aufgrund unterschiedlicher Dichten auch Druckschwankungen un¬ terbinden.

Aktive Maßnahmen zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingun¬ gen sind in industriellen Anlagen nur mit hohem Aufwand zu realisieren, insbesondere dann, wenn ein gasformiger Brenn-

stoff eingesetzt werden soll, und außerdem störanfällig und wartungsbedürftig. Sie fuhren darüber hinaus lediglich zu ei¬ ner Dampfung der jeweils vorliegenden Instabilitäten und sind in ihrer Wirksamkeit stark von den im jeweiligen Einzelfall maßgeblichen baulichen Gegebenheiten der Anlage einge¬ schränkt.

Dementsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, neue pas¬ sive Maßnahmen an einer Brennkammer mit mehreren Brennern an- zugeben, welche zu einer zuverlässigen Unterdrückung von Ver¬ brennungsschwingungen geeignet sind. Die Maßnahmen sollen so¬ wohl für flussige als auch für gasformige Brennstoffe unab¬ hängig von apparativen und unktionellen Einzelheiten der Brennkammer anwendbar sein. Es sollen keine bewegten Teile oder anderweitig aktive Komponenten verwendet werden. Die Er¬ findung soll sowohl ein entsprechendes Verfahren als auch eine entsprechende Einrichtung angeben.

Im Hinblick auf ein Verfahren wird zur Losung dieser Aufgabe erfmdungsgemaß angegeben ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft m einer Brennkammer, welcher durch zu¬ mindest einen Lufteinlaß die Luft und durch mehrere Brenner der Brennstoff zugeführt werden, wobei jeder Brenner eine zu¬ gehörige Verzugszeit hat, welche einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akustischer Impuls m der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Bren¬ ner zugefuhrten Brennstoffes hervorruft, und wobei die Zufuh¬ rung des Brennstoffes über die Brenner und die Zufuhrung der Luft über den Lufteinlaß derart gesteuert werden, daß die Verzugszeiten der Brenner wesentlich verschieden untereinan¬ der sind.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß es m einer Brennkammer, wie sie üblicherweise m einer Gasturbine emge- setzt wird und die in der Regel mehrere gleichartige Brenner aufweist, durch Zusammenwirken der Brenner zu einer verstärk¬ ten Anregung von Verbrennungsschwingungen kommen kann. Bilden

sich zunächst bei nur einem Brenner thermische Schwingungen m Wechselwirkung mit akustischen Schwingungen m der Brenn¬ kammer aus, so regt dieser eine Brenner jeden anderen Brenner m der Brennkammer ebenfalls zum Schwingen an. Dieser Effekt äußert sich beispielsweise darin, daß es m einer Brennkammer mit mehreren, gleichartigen Brennern jeweils scharfe Über¬ gänge zwischen Betriebszustanden mit bzw. ohne Verbrennungs¬ schwingungen gibt. Da auftretende Verbrennungsschwingungen stets von mehreren Brennern ausgehen, werden bei solchen Ver- brennungsschwmgungen auch sehr hohe Amplituden beobachtet.

Dagegen sieht die Erfindung vor, Brenner mit unterschiedli¬ chen akustischen Eigenschaften, d. h. vor allem unterschied¬ lichen Verzugszeiten, vorzusehen. Dadurch können sich die Brenner nicht untereinander anregen, und es kann außerdem stets ein Dampfungseffekt ausgehend jeweils von einem stabil arbeitenden Brenner, ausgenutzt werden.

Vorzugsweise wird das Verfahren in einem Fall, in dem jedem Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, durch wel¬ chen zugehörigen Lufteinlaß die Luft in einem zugehörigen Strom der Brennkammer zugeführt wird, so ausgestaltet, daß die zugehörigen Strome der Brenner wesentlich verschieden un¬ tereinander sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die den je- welligen Betrieb der Brenner charakterisierenden thermodyna- ischen Verhaltnisse sicher verschieden voneinander sind und die Verschiedenheit der Verzugszeiten der Brenner untereinan¬ der gewährleistet ist.

Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens, wobei jedem

Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, durch wel¬ chen die Luft in einem zugehörigen Strom der Brennkammer zu¬ geführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner im wesentlichen gleich untereinander gestaltet sind, und an e- dem außer einem zugehörigen Lufteinlaß der zugehörige Strom gedrosselt wird, so daß alle zugehörigen Strome wesentlich verschieden untereinander sind. Alternativ wird an jedem zu-

gehörigen Lufteinlaß der zugehörige Strom gedrosselt; dies kann erwünscht sein, um dem Strom gewisse erwünschte Eigen¬ schaften zu geben, z.B. ihn zu homogenisieren. Diese Ausge¬ staltungen erlauben die Verwendung von Brennern, die im we- sentlichen gleich untereinander sind, und stellt die notwen¬ dige Verschiedenheit der Verzugszeiten sicher durch eine ein¬ fache und billige zusatzliche Maßnahme.

Eine weitere zusätzliche Ausgestaltung des Verfahrens für den Fall, daß jedem Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, durch welchen die Luft in einen zugehörigen Strom m die Brennkammer gefuhrt wird, und wöbe- die zugehörigen Strome untereinander geometrisch ähnlich sind, ist dadurch charakte¬ risiert, daß die Brenner untereinander geometrisch ahnlich, jedoch verschieden groß sind. Diese Ausgestaltung ist auch im Hinblick auf eine entsprechende Einrichtung von Interesse, da diese Ausgestaltung es immerhin erlaubt, für die Brenner eine einzige Form vorzusehen und diese für die Herstellung der un¬ terschiedlichen Brenner lediglich unterschiedlich zu skalie- ren. Die Verschiedenheit der Verzugszeiten bleibt gewährlei¬ stet, da die Verzugszeit eines Brenners nicht allein durch seine Geometrie bestimmt und somit nicht skalenmvariant ist.

Alle beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens können der- art weitergebildet werden, daß jedem Brenner der Brennstoff so zugeführt wird, daß ein für alle Brenner vorgegebenes Mi¬ schungsverhältnis zwischen einer Rate des zugefuhrten Brenn¬ stoffs und einer Rate der durch den zugehörigen Lufteinlaß zugefuhrten Luft eingehalten wird. Diese Ausgestaltung ist von besonderem Interesse deshalb, weil sie es gestattet, je¬ den Brenner im Hinblick auf die von der Verbrennung insgesamt gewünschten thermischen Leistung optimal hinsichtlich einer stets unerwünschten Produktion von Stickoxiden zu betreiben. Die Ausgestaltung erfordert allerdings eine entsprechend er- tuchtigte Brennstoffzufuhr.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß jedem Brenner der Brennstoff mit einer für alle Brenner vorgegebenen Rate zuge¬ führt wird. Dies bedeutet zwar, daß einzelne Brenner unter Umstanden nicht optimal hinsichtlich der Produktion von Stickoxiden betrieben werden, was aber im Hinblick auf die einfache Brennstoffzufuhr unter Umstanden annehmbar ist.

Von besonderer Bedeutung ist das Verfahren zur Anwendung in Zusammenhang mit einer Brennkammer, die resonant ist für eine akustische Schwingung mit einer bestimmten Periodendauer, wo¬ bei die zugehörige Verzugszeit jedes Brenners zwischen einem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganzzah- ligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt. Dies entspricht der Einhaltung des von Herrmann et al sowie Buchner aus dem Rayleigh-Kriterium abgeleiteten Kriterium zwischen der Verzugszeit und der Periodendauer der in Be¬ tracht genommenen akustischen Schwingung. Der Begriff „ganzzahliges Vielfaches" schließt dabei auch Null ein. Es versteht sich, daß die Verzugszeit defmitionsgemaß keine ne- gativen Werte annehmen kann. Das Merkmal, daß die Brennkammer für eine bestimmte akustische Schwingung resonant sei, soll nicht als Einschränkung dahingehend aufgefaßt werden, daß für diese Resonanz nur die Brennkammer allein bestimmend sein dürfe; es versteht sich, daß die Brennkammer im Regelfall Teil eines mehr oder weniger komplexen akustischen Gesamtsy¬ stems ist, wobei die Resonanz mit allen wesentlichen Parame¬ tern durch das akustische Gesamtsystem definiert wird.

Von besonderem Interesse ist auch eine Ausgestaltung des Ver- fahrens dahingehend, daß in jedem Brenner der Brennstoff mit der Luft vermischt wird, bevor er in der Brennkammer ver¬ brannt wird. Im Rahmen dieser Ausgestaltung kommt somit die einschlagig bekannte „Vormischverbrennung" zum Einsatz. Die Vormisc verbrennung ist von besonderem Interesse deshalb, weil sie bei niedrigeren Temperaturen als die mit einfacheren Mitteln zu bewirkende Diffusionsverbrennung ablauft und daher bedeutend weniger als die Diffusionsverbrennung zur Produk-

tion von Stickoxiden neigt. Von Bedeutung in diesem Zusammen¬ hang ist, daß die Erfindung auch einen Ausgleich schafft für die eingangs erwähnten thermodynamisch-akustischen Probleme der Vormischverbrennung.

Das Verfahren jedweder Ausgestaltung ist besonders ausge¬ zeichnet zur Anwendung an einer Gasturbine, wobei die Luft aus einem Verdichter bereitgestellt wird und Rauchgas, wel¬ ches m der Brennkammer entsteht, indem der Brennstoff m der Luft verbrannt wird, einer Turbine zugeführt wird.

Zur Losung der Aufgabe, soweit diese sich auf eine Einrich¬ tung bezieht, angegeben wird erfmdungsgemaß eine Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft umfassend: eine Brennkammer, in der Brennstoff mit Luft verbrannt wird; zumindest einen Lufteinlaß zur Zufuhrung von Luft in die Brennkammer; mehrere Brenner zur Zufuhrung von Brennstoff in die Brennkam¬ mer, wobei jeder Brenner eine zugehörige Verzugszeit hat, welcher einer Zeitdauer entspricht, nach welcher ein akusti¬ scher Impuls in der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner geführten Brennstof¬ fes hervorruft; und eine Brennstoffzufuhr zur Zufuhr des Brennstoffes zu den Brennern; dadurch gekennzeichnet, daß die Verzugszeiten der Brenner we¬ sentlich verschieden untereinander sind.

Wesentliche Vorzuge dieser Einrichtung erschließen sich aus den Vorzügen des erfmdungsgemaßen Verfahrens und seiner Aus¬ gestaltungen, worauf hiermit verwiesen wird. Das Verfahren und seine Ausgestaltungen erfordern unter Umstanden bestimmte emrichtungsmaßige Merkmale, welche als Merkmale von Ausge¬ staltungen der erfmdungsgemaßen Einrichtung ansehbar sind. Gleiches gilt für verfahrensmaßige Merkmale, die sich aus der Einrichtung und ihren Ausgestaltungen erschließen und analog

als Merkmale von Ausgestaltungen des Verfahrens aufzufassen sind.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Brenner untereinander geometrisch ver¬ schieden sind.

Alternativ sind die Brenner in der Einrichtung geometrisch gleich untereinander, und die Brennstoffzufuhr ist eingerich- tet zur Zufuhrung des Brennstoffes zu den Brennern mit jewei¬ ligen Raten, welche Raten wesentlich verschieden untereinan¬ der sind.

Eine andere Alternative ist dadurch charakterisiert, daß je- dem Brenner ein zugehöriger Lufteinlaß zugeordnet ist, und an jedem außer einem, oder an jedem, Brenner eine Drossel zur Drosselung eines den zugehörigen Lufteinlaß durchströmenden Stromes der Luft vorgesehen ist. Eine solche Drossel kann beispielsweise eine dem Brenner vorgeschaltete Blende sein.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Einrichtung dahingehend, daß die Brennkammer resonant ist für eine aku¬ stische Schwingung mit einer bestimmten Periodendauer, und daß für jeden Brenner die zugehörige Verzugszeit zwischen ei- nem ganzzahligen Vielfachen minus einem Viertel und dem ganz¬ zahligen Vielfachen plus einem Viertel der Periodendauer liegt. Diese Ausgestaltung korrespondiert zu einer bereits erläuterten Ausgestaltung des erf dungsgemaßen Verfahrens, und alle dazu gemachten Ausfuhrungen gelten analog für die Ausgestaltung der Einrichtung.

Besonders bevorzugt ist die Einrichtung zur Verwendung an ei¬ ner Gasturbine, wobei die Brennkammer zwischen einem Verdich¬ ter und einer Turbine der Gasturbine angeordnet ist.

Zur Anordnung der mehreren Brenner in der Brennkammer sei an¬ gemerkt, daß eine nach Möglichkeit unsymmetrische Anordnung

der Brenner bevorzugt wird. Wie die unsymmetrische Anordnung im Einzelfall aussehen kann, und nach welchem Kriterium eine „ausreichende Unsy metrie" feststellbar ist, bleibt für jeden Einzelfall dem Ermessen der einschlagig bewanderten und tati- gen Person überlassen. Der dabei hauptsächlich zu beachtende Grundsatz lauft darauf hinaus, daß eine akustische Schwingung im Regelfall gekennzeichnet ist durch eine mehr oder weniger symmetrische Anordnung stehender akustischer Wellen in dem schwingenden Gesamtsystem. Als Beispiel sei hingewiesen auf eine an einer ringförmigen Brennkammer beobachtete Verbren¬ nungsschwingung, welche gekennzeichnet war durch akustische Wellen, die die ringförmige Brennkammer geschlossen umliefen. Die Wellenlange der akustischen Schwingungen entsprach dabei einem halben mittleren Umfang der ringförmigen Brennkammer. Zur Unterdrückung einer solchen Schwingung wäre es von Vor¬ teil, bei der Anordnung der Brenner zweizahlige oder vierzah- lige Symmetrien zu vermeiden.

Die Erfindung fordert nicht, daß es der Brennkammer keine zwei Brenner mit identischen Eigenschaften geben dürfe; dem Zweck der Erfindung kann durchaus gedient werden mit einer Brennkammer, an welche von mehreren Typen von Brennern je¬ weils mehrere Brenner angeschlossen sind. In diesem Zusammen¬ hang wurde an einer Gasturbinen mit zwei Silobrennkammern herkömmlichen Typs, deren ede sechs untereinander gleiche Brenner zur Verbrennung von Heizöl aufwies, beim Betrieb un¬ ter 80 l der für die Auslegung maßgeblichen Nennlast akusti¬ sche Schwingungen mit Amplituden von 100 mbar beobachtet. Diese akustischen Schwingungen konnten beseitigt werden, m- dem in jeder Silobrennkammer zwei der sechs Brenner gegen leicht modifizierte Brenner ausgetauscht wurden. Die modifi¬ zierten Brenner waren so ausgelegt, daß sie bei Nennlast etwa 8 o weniger Brennstoff erhielten als die unveränderten Bren¬ ner. Die modifizierten Brenner wurden so eingesetzt, daß sie jeweils einen unveränderten Brenner zwischen sich einschlös¬ sen. Die modifizierte Konfiguration der Brenner erlaubte es, die Gasturbine bis zu 100 ° ihrer Nennlast zu betreiben,

ohne daß akustische Schwingungen in merklicher Hohe auftra¬ ten.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist teilweise schemati¬ siert ausgeführt und nicht als Wiedergabe konkret ausgeführ¬ ter Anlagen oder Anlagenkomponenten aufzufassen. Zur Ergän¬ zung der anhand der Zeichnung gegebenen Hinweise sei verwie¬ sen auf die vorstehende Erläuterung eines tatsachlich durch- geführten Versuchs, die zitierten Dokumente des Standes der Technik sowie das Wissen einer einschlagig bewanderten und tatigen Person. Im einzelnen zeigen:

FIG 1 eine Gasturbine und eine Einrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffes mit Luft;

FIG 2 eine Draufsicht auf eine Brennkammer mit mehreren Bren¬ nern; FIG 3 einen schematisierten Querschnitt durch eine Brennkam¬ mer mit mehreren Brennern.

In der Zeichnung tragen einander entsprechende Komponenten jeweils dasselbe Bezugszeichen.

FIG 1 zeigt eine Gasturbine mit einem Verdichter 1 und einer Turbine 2, welche über eine Welle 3 den Verdichter 1 an¬ treibt. Aus dem Verdichter 1 gelangt verdichtete Luft über eine Luftleitung 4 zu der Brennkammer 5 und tritt diese durch Lufteinlasse 6, deren jeder einem Brenner 7 zugeordnet ist, wobei jeder Brenner 7 m einer Ruckwand 8 der Brennkam- mer 5 angeordnet ist, in die Brennkammer 5 ein. Die Brenner 7 werden aus einem Tank 9 über eine Pumpe 10 und eine Brenn- stoffleitung 11, welche sich vor den Brennern 7 verzweigt, mit Brennstoff versorgt. Dieser Brennstoff verbrennt m der Brennkammer 5 mit der über die Luftleitung 4 zugefuhrten Luft.

Die Brennkammer 5 ist ein zu akustischen Schwingungen fähiges Gebilde und kann, gegebenenfalls als Bestandteil eines zu akustischen Schwingungen fähigen Gesamtsystems, welches bei¬ spielsweise die Brennkammer 5, eine von dieser zur Turbine 2 fuhrende Rauchgasleitung 13 sowie gegebenenfalls die Luftlei¬ tung 4 und die Brennstoffleitung 11 umfaßt angesehen werden. Akustische Schwingungen der Brennkammer 5, welche alle oder als Bestandteil eines solchen Gesamtsystems schwingt, können durch Fluktuationen bei der Verbrennung des Brennstof- fes angeregt und aufrechterhalten werden; einem solchen Fall spricht man von Verbrennungsschwingungen. Solche Ver¬ brennungsschwingungen können so stark werden, daß die Brenn¬ kammer 5 und andere Teile der Gasturbine beschädigt werden können.

Um solchen Verbrennungsschwingungen vorzubeugen und insbeson¬ dere auszuschließen, daß mehrere der Brenner 7 zur Anregung einer solchen Verbrennungsschwingung zusammenwirken, sind die Brenner 7 untereinander verschieden gestaltet. Dies fuhrt dazu, daß nicht alle Brenner 7 dieselben relevanten Eigen¬ schaften aufweisen, und daß insbesondere die den jeweiligen Verbrennungsprozeß charakterisierenden Verzugszeiten ver¬ schieden voneinander sind. Auf diese Weise ist es bei der Konfiguration gemäß FIG 1 jedenfalls ausgeschlossen, daß die Brenner 7 kollektiv eine Verbrennungsschwingung anregen.

Hinweise zu bevorzugten Betriebsweisen der Brenner 7 sind be¬ reits gegeben worden; alle diese Hinweise sind für das anhand der FIG 1 skizzierte Ausfuhrungsbeispiel von Interesse. Ins- besondere ist es möglich, den Brennstoff nach gewissen bevor¬ zugten Vorgaben auf die Brenner 7 zu verteilen; dabei kann insbesondere darauf hingewirkt werden, daß jeder Brenner 7 so arbeitet, daß eine Rate der durch seinen zugehörigen Lufte - laß 6 zugefuhrten Luft zur Rate des durch seine zugehörige Düse 12 geführten Brennstoffs einem für alle Brenner 7 vorgegebenen Verhältnis steht. Eine solche Betriebsweise wird

bevorzugt, um die Produktion von Stickoxiden in der Brennkam¬ mer 5 so gering wie möglich zu halten.

Die Brenner 7 FIG 1 sind dargestellt als sogenannte Diffu- sionsbrenner, da sie den Brennstoff unmittelbar in die Brenn¬ kammer 5 einspritzen. Dabei kann sich der Brennstoff erst der Brennkammer 5 mit der zugefuhrten Luft vermischen, was erfahrungsgemäß durch Diffusion erfolgt. Diffusionsbrenner sind einfach aufgebaut und relativ unkompliziert betreibbar, aber sie sind hinsichtlich der Produktion von Stickoxiden den komplizierteren Vormischbrennern, die noch anhand der FIG 2 erläutert werden, unterlegen.

FIG 2 zeigt eine Draufsicht auf die Ruckwand 8 einer Brenn- kammer 5, gesehen derjenigen Richtung, welcher die Luft zur Brennkammer 5 strömt. In die Ruckwand 8 eingefügt sind fünf Brenner 7, welche alle im wesentlichen gleich unterein¬ ander gestaltet sind. Jeder Brenner 7 hat eine Anzahl von Drallschaufeln 14, welche der Luft, die ihn durchsetzt, einen Drall aufprägen. Ein solcher Drall ist von Vorteil für die Verbrennung selbst und für die innige Vermischung des Brenn¬ stoffes mit der Luft. In den Drallschaufeln 14 vorgesehen sind die Düsen 12, aus denen der Brennstoff in die Luft ge¬ langt, bevor diese die Brennkammer 5 einströmt und der Brennstoff sich entzünden kann. Demgemäß sind die in FIG 2 dargestellten Brenner 7 sogenannte „Vormischbrenner". Diese sind naturgemäß komplizierter aufgebaut als Diffusionsbrenner und auch hinsichtlich ihres Betriebs deutlich aufwendiger als ene, haben aber im Hinblick auf die Stickoxidproduktion im Vergleich zu jenen wesentliche Vorteile. Ein Vormischbrenner bringt ein Gemisch aus Brennstoff und Luft mit definierter Zusammensetzung zur Verbrennung, so daß eine wesentlich fein¬ fühligere Steuerung der Verbrennung als bei einem Diffusions¬ brenner, wo der Vorgang der Mischung von Brennstoff und Luft praktisch nicht steuerbar ist, möglich ist. Auch lauft die

Verbrennung bei einem Vormischbrenner bei bedeutend geringe¬ ren Maximaltemperaturen als bei einem Diffusionsbrenner ab.

was zur Vermeidung der Produktion von Stickoxiden vorteilhaft ist. Bei jedem Brenner 7 umringen die Schaufeln 14 eine Nabe 15; diese Nabe 15 kann dazu dienen, Brennstoff zu den Düsen 12 zu fuhren.

Im Ausfuhrungsbeispiel gemäß FIG 2 sind vor vier der fünf Brenner 7 Blenden 16 angebracht, deren jede die entsprechen¬ den Drallschaufeln 14 teilweise abdeckt und somit als Drossel für den in den Brenner 7 eintretenden Luftstrom wirkt. Dies bewirkt, daß die maßgeblichen Betriebsparameter aller Brenner 7 verschieden voneinander sind, so daß ein Zusammenwirken der Brenner 7 zur Anregung von Verbrennungsschwingungen in der Brennkammer 5 ausgeschlossen ist. Auch für das Ausfuhrungs¬ beispiel gemäß FIG 2 gelten die zu bevorzugten Ausgestaltun- gen der Erfindung gemachten Ausfuhrungen.

FIG 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennkammer 5 nebst ihrer Ruckwand 8 sowie zwei Brennern 7. Die Brenner 7 sind wiederum als Vormischbrenner ausgestaltet. Jeder Brenner 7 zeigt drei Düsen 12 zur Zufuhrung von Brennstoff, die alle an der Nabe 15 angeordnet sind. Aus zweien dieser Düsen gelangt der Brennstoff zwischen die Drallschaufeln 14, so daß er mit der durchströmenden Luft vermischt wird. Eine Düse 12 ist un¬ mittelbar dem Inneren der Brennkammer 5 zugewandt. Diese Düse 12 bildet eine sogenannte „Pilotflamme" aus, in welcher eine Verbrennung nach Art eines Diffusionsbrenners stattfindet; diese Pilotflamme dient dazu, die Verbrennung des zwischen den Drallschaufeln 14 erzeugten und üblicherweise einen deut¬ lichen Überschuß von Sauerstoff aufweisenden Gemisches aus Luft und Brennstoff zu stabilisieren. Dies erlaubt es, die

Produktion von Warme durch den Brenner 7 in weiten Grenzen zu regeln.

Die beiden Vormischbrenner sind einander geometrisch ähnlich, d. h. daß sie sich nur in ihrer Große, nicht aber m ihren

Proportionen unterscheiden. Auch daraus resultiert eine Ver¬ schiedenheit der einschlagigen Betriebsparameter, die zum

Ausschluß eines Zusammenwirkens dieser Brenner 7 bei der An¬ regung einer Verbrennungsschwingung m der Brennkammer 5 aus¬ genutzt wird.