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EP1605209A1 - Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen - Google Patents

Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen Download PDF

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EP1605209A1
EP1605209A1 EP04013404A EP04013404A EP1605209A1 EP 1605209 A1 EP1605209 A1 EP 1605209A1 EP 04013404 A EP04013404 A EP 04013404A EP 04013404 A EP04013404 A EP 04013404A EP 1605209 A1 EP1605209 A1 EP 1605209A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
resonator
combustion
chamber according
helmholtz resonator
Prior art date
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Granted
Application number
EP04013404A
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English (en)
French (fr)
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EP1605209B1 (de
Inventor
Sven Dr. Bethke
Tobias Dr. Buchal
Michael Dr. Huth
Harald Nimptsch
Bernd Dr. Prade
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to EP04013404A priority patent/EP1605209B1/de
Publication of EP1605209A1 publication Critical patent/EP1605209A1/de
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Publication of EP1605209B1 publication Critical patent/EP1605209B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03041—Effusion cooled combustion chamber walls or domes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber with a Damping device for damping thermoacoustic Vibrations, especially for a gas turbine, and a Gas turbine with such a combustion chamber.
  • a gas turbine plant comprises e.g. a compressor, one Combustion chamber and a turbine.
  • the compressor is compressed sucked air, which subsequently a fuel is added.
  • the combustion chamber is the mixture burned, with the combustion exhaust gases supplied to the turbine become. From the turbine, the combustion exhaust gases become thermal Deprived of energy and converted into mechanical energy.
  • the cooling air also serves to block openings, for example, gaps between two adjoining heat shield elements a combustion chamber, i. to prevent that hot gas from the combustion chamber enters the opening. Thereby the air supply to the burner is reduced and the emission Pollutants, such as nitrogen oxides, are increasing.
  • thermoacoustic vibrations can increase. It can to a swelling interaction between thermal and acoustic interference come, the high loads the combustion chamber and in turn cause rising emissions can.
  • a Helmholtz resonator Usually includes a volume with air in it or another gas. The volume is followed Tube, the so-called. Resonatorrohr, in which also air or gas and that opens into the combustion chamber.
  • the air or the gas in the volume and in the resonator tube form a spring-mass system, wherein the air or the gas in the volume Spring and the air or the gas in the resonator tube the mass forms.
  • thermo-acoustic vibrations which essentially standing waves can be so for frequencies that correspond to the resonant frequency of the Helmholtz resonator or in their vicinity, are effectively suppressed.
  • the first object is achieved by a combustion chamber solved according to claim 1, the second object by a gas turbine according to claim 13.
  • the dependent claims contain advantageous developments of the invention.
  • a combustion chamber according to the invention comprises at least one cooling combustion chamber element and at least one damping device for damping thermoacoustic vibrations with a mouth open to the combustion chamber. It stands out characterized in that the mouth into the combustion chamber element to be cooled is integrated.
  • the mouth in the inventive the combustion chamber associated with a blocking air supply be. This then serves as a cooling air supply for the cooling of the combustion chamber element to be cooled.
  • a Be assigned fuel supply such that the sealing air Fuel is added. The addition of fuel to the blocking air leads to a lowering of the combustion temperature in the main burner and thus to a reduction of Pollutant content of the combustion gases.
  • the combustion chamber a combustion chamber wall, which is a combustion chamber shell and a means of cooling to be cooled fasteners on the combustion chamber shell fastened combustion chamber lining, on.
  • the combustion chamber lining may, for example, be a heat shield, in particular a ceramic or metallic heat shield.
  • the mouth of the at least one damping device is in this embodiment in a fastener for fastening the combustion chamber lining integrated on the combustion chamber shell.
  • that is to be cooled combustion chamber element as a fastener for Attach the combustion chamber lining formed.
  • the fasteners anyway there are and a cooling require integrating the muzzle into a fastener only a redesign of the fastener, For example, by fastening screws with an axial Bore or other axial passage opening be provided so that they serve as the mouth of the damping element can serve. Further transformations of the interior of the Combustion chamber are not necessary in this embodiment.
  • the fastener can also as a fastening element, which at least one sliding seat device includes, be configured.
  • a sliding seat device is often located, for example, at the transition from the so-called "Basket” to the so-called “Transitionpiece” in a silo-burning chamber.
  • the damping device can also at the transition from the Combustion chamber be arranged to the first Leitschauffel #2. As a rule, quite high blocking air flows are needed there. This applies to ring combustion chambers and also for silo separation chambers.
  • the damping element be configured in particular such that the to be cooled Combustor element part of the damping device forms.
  • the to be cooled Combustor element part of the damping device forms can be a fixing screw with axial Through hole the resonator tube of a Helmholtz resonator form.
  • the damping device as a Helmholtz resonator, in particular as a Helmholtz resonator implemented with variable resonance frequency.
  • the variability of the resonance frequency thereby be achieved that the volume of the Helmholtz resonator is designed changeable.
  • a volume change can e.g. achieved via an adjustable rear wall of the resonator become.
  • the Helmholtz resonator may also include multiple orifices, each integrated into a combustion chamber element to be cooled are.
  • multiple orifices each integrated into a combustion chamber element to be cooled are.
  • the Damping device as ⁇ / 4 pipe, so as a pipe with a quarter of the wavelength of the vibration to be damped formed.
  • a gas turbine according to the invention comprises at least one inventive Combustion chamber.
  • Fig. 1 shows a detail as a first embodiment from the combustion chamber wall of an inventive Combustion chamber in a highly schematic representation.
  • Fig. 2 shows a view of the combustion chamber wall of a second Embodiment of the invention of the combustion chamber inside seen here.
  • FIG. 3 shows a side view of that shown in FIG. 2 Combustion chamber wall.
  • FIG. 1 is as a first embodiment of the invention a combustion chamber of a gas turbine according to the invention shown.
  • the figure shows a section of the combustion chamber wall 1, which is a combustion chamber shell 3 and a metallic Heat shield 4 includes.
  • the metallic heat shield 4 is composed of a number of heat shield elements 2, each by means of a screw 7 as a fastener fixed to a connection point 5 on the combustion chamber shell 3 are. Set the screws 7 like the heat shield elements 2 by means of cooling air to be cooled combustion chamber elements.
  • At least one damping device for damping of acoustic vibrations in the combustion chamber this is with at least one damping device, which in the present embodiment as opening into the combustion chamber Helmholtz resonator 6 is formed, equipped.
  • the Helmholtz resonator 6 is in the region of a connection point 5 attached to the combustion chamber wall 1. He is using a fastener or more fasteners (not shown) on the combustion chamber wall. 1 held.
  • the Helmholtz resonator 6 by means of the screw 7 at the combustion chamber wall 1 to keep. In this case, the serves Screw 7 then both for holding the heat shield element. 2 as well as for holding the Helmholtz resonator 6, so that a additional fastening element for holding the Helmholtz resonator 6 is not necessary.
  • the Helmholtz resonator 6 comprises a resonator 15 and a resonator tube, also called resonator neck.
  • the resonator tube is in the present embodiment of the screw 7 formed, which for this purpose a through hole. 8 having.
  • One end 9 of the through hole 8 opens into the Resonator space 15.
  • the other end 10 of the through hole. 8 opens into the combustion chamber and forms the mouth of the Helmholtz resonator 6 in the combustion chamber.
  • the damping effect Helmholtz resonator 6 is based on the fact that the in the resonator 15 and in the resonator tube 8 located air how a spring-mass system behaves.
  • the resonator 6 in Substantially cylindrically symmetric to the screw 7 executed.
  • the resonant frequency of the Helmholtz resonator 6 can be adjusted. For example, leads to an increase in the volume V of the resonator cavity 15 or the length L of the screw 7 to a reduced Resonance frequency. An enlargement of the cross-sectional area F of Through hole 8, however, leads to an increased resonant frequency.
  • the rear wall 17 of the Helmholtz resonator 6 adjustable be educated. On the cylindrical side wall 12 of the Helmholtz resonator 6 is then, for example, a thread 16 present, in which a matching mating thread of the rear wall 17th intervenes.
  • the volume V of the resonator 15 and thus the Resonator frequency can be changed in the desired manner. But it is also possible, the volume by replacing the resonator 15 against a resonator 15 with another volume to change.
  • the length L of Screw and / or the cross-sectional area F of the through hole 8 are changed.
  • a screw 7 are used, whose Bore 8 has a larger cross-sectional area F than previously used screw 7 has. It can be for the same purpose but also a screw 7 with a shorter length L used become.
  • the resonance frequency of Helmholtz resonator 6 can be influenced.
  • the resonator 15 on the cold side i. facing away from the combustion chamber Outside the combustion chamber shell 3 mounted and protrudes into the Compressor plenum 20 into it.
  • To provide an air supply for a To allow impingement cooling of the heat shield elements 2 are between the resonator chamber 15 and the outside of the combustion chamber shell 3 locally mounted spacers 19, the one Distance between the combustion chamber shell 3 and the resonator chamber 15, thus ensuring a flow from the pressurized Cooling air between the combustion chamber shell 3 and the Resonatorraum 15 allow.
  • impingement cooling holes 14 Cooling air can then from the Kompressplplenum 20 out along the Flow paths 13 facing away from the combustion chamber interior Side, the so-called.
  • Cold side of the heat shield elements 2 passed be where they are for an impingement air cooling of the heat shield elements 2 cares.
  • the impingement air flows after hitting the cold sides along the flow paths 23 through gaps between adjacent heat shield elements 2 in the combustion chamber a, whereby the column against penetration of hot Gas of the combustion chamber locks.
  • the cooling of the screw 7 takes place together with the lock the mouth 10 of the Helmholtz resonator 6 against ingress of hot gas.
  • the air first flows out of the compressor plenum 20 through the openings 18 (which the sealing air supply form) in the rear wall 17 of the resonator 15 in the resonator 15 and then through the through hole 8 of the Screw 7 in the combustion chamber (flow path 11).
  • the cooling of Helmholtz resonator 6 and screw 7 with the same cooling air, the proportion of cooling air, the passed the burner, opposite a separate Cooling of Helmholtz resonator 6 and screw 7 as needed would be if the screw 7 is not at the same time as a resonator tube served, be reduced.
  • FIGS. 2 and 3 a second embodiment is strong shown schematically. Same or similar components for simplicity and better comparability with the same reference numerals as in the first embodiment Mistake.
  • Fig. 2 shows, seen from the combustion chamber interior, a Section of a combustion chamber 1, with metallic Heat shield plates 21, 22 lined as heat shield elements is.
  • Fig. 3 shows a section through the combustion chamber wall 1 along the line A - A.
  • the heat shield plates 21, 22 are at connection points 5 screwed by screws 7 with the combustion chamber shell 3.
  • Helmholtz resonators 6 are arranged at the connection points 5, the means of screws 7 on the combustion chamber wall 1 are fixed.
  • a through hole or through hole 8 in the screws 7 serves as in the first embodiment as a resonator tube of the respective Helmholtz resonator 6. For the sake of simplicity, only one is shown in FIG the Helmholtz resonators 6 shown.
  • a resonator 15 over several Screws 7 expands.
  • all screws 7, over which the resonator 15 extends, with through holes be provided and thus form resonator tubes.
  • only a few or even only one only one of the screws 7, over which the resonator 15 extends to be provided with a through hole 8.
  • the remaining Screws 7 then serve only as mounting screws for the heat shield plates or for the heat shield plates 21, 22 and the Helmholtz resonator.
  • a controller (not shown) is provided by means of of which the adjustment of the resonator volume are controlled can.
  • an automatic adjustment or regulation is possible. It can, for example, an electric motor, a hydraulic Adjusting device or a pneumatic adjusting device used become. Through a controlled automatic adjustment is the effort for subsequent adjustment of the resonator frequency kept very low. The scheme can done online during operation. With a fully automatic Regulation can be continuous or in certain Time intervals adjustment to the strongest vibration frequency respectively.
  • an altered fuel composition reacts and a Adjustment of the resonant frequency can be performed.
  • the simple one Adjustability is particularly advantageous in the Prototype testing and also during the commissioning of a gas turbine.
  • a significant advantage of easy adjustability does not just result from the operation with different ones Fuels, but also in widely different Operating conditions, caused e.g. through significant changes the ambient temperature.
  • a Helmholtz resonator 6 by replacing the screw with through hole switched off against a screw without through hole become.
  • the resonator 6 also completely be removed.
  • the invention is particularly suitable for use in Ring combustion chambers with metallic heat shields or at the so-called inlet shells of the combustion chambers with ceramic Heat shields ("stones").

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Abstract

In einer erfindungsgemäße Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbine, mit mindestens einem zu kühlenden Brennkammerelement (7) und wenigstens einer Dämpfungseinrichtung (6) zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen mit einer zur Brennkammer hin offenen Mündung (10) ist die Mündung (10) in das zu kühlende Brennkammerelement (7) integriert. <IMAGE>

Description

Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, insbesondere für eine Gasturbine, sowie eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer.
Eine Gasturbinenanlage umfasst z.B. einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Im Verdichter erfolgt ein Verdichten von angesaugter Luft, welcher anschließend ein Brennstoff beigemischt wird. In der Brennkammer wird das Gemisch verbrannt, wobei die Verbrennungsabgase der Turbine zugeführt werden. Von der Turbine wird den Verbrennungsabgasen thermische Energie entzogen und in mechanische Energie umgesetzt.
Um bei den während des Verbrennungsprozesses vorherrschenden hohen Temperaturen die Funktionssicherheit der Brennkammer dauerhaft zu gewährleisten, wird eine Anzahl von Elementen der Brennkammer mit einem Kühlmassenstrom aus Kühlluft gekühlt. Die Kühlluft dient auch zum Sperren von Öffnungen, bspw. von Spalten zwischen zwei aneinandergrenzenden Hitzeschildelementen einer Brennkammer, d.h. zum Verhindern, dass heißes Gas aus der Brennkammer in die Öffnung eindringt. Dadurch wird die Luftzufuhr zum Brenner reduziert und die Emission von Schadstoffen, wie Stickoxiden, nimmt zu.
Um die Schadstoffemissionen von Gasturbinen zu verringern, wird in modernen Anlagen der Kühlmassenstrom verringert. Dadurch wird auch die akustische Dämpfung verringert, so dass thermoakustische Schwingungen zunehmen können. Dabei kann es zu einer sich aufschaukelnden Wechselwirkung zwischen thermischen und akustischen Störungen kommen, die hohe Belastungen der Brennkammer und wiederum steigende Emissionen verursachen können.
Außerdem führen Schwankungen in der Brennstoffqualität und sonstige thermische oder akustische Störungen zu Schwankungen in der freigesetzten Wärmemenge und damit der thermodynamischen Leistung der Anlage. Dabei liegt eine Wechselwirkung von akustischen und thermischen Störungen vor, die sich aufschwingen können. Derartige thermoakustische Schwingungen in den Brennkammern von Gasturbinen - oder auch Strömungsmaschinen im allgemeinen - stellen ein Problem bei dem Entwurf und bei dem Betrieb von neuen Brennkammern, Brennkammerteilen und Brennern für derartige Gasturbinen dar.
Zum Verringern von thermoakustischen Schwingungen werden deshalb im Stand der Technik z.B. Helmholtz-Resonatoren zur Dämpfung der Schwingungen eingesetzt. Ein Helmholtz-Resonator umfasst In der Regel ein Volumen mit darin befindlicher Luft oder einem anderen Gas. An das Volumen schließt sich ein Rohr, das sog. Resonatorrohr an, in dem sich ebenfalls Luft bzw. Gas befindet und das in die Brennkammer mündet. Die Luft bzw. das Gas im Volumen und im Resonatorrohr bilden ein Feder-Masse-System, wobei die Luft bzw. das Gas im Volumen die Feder und die Luft bzw. das Gas im Resonatorrohr die Masse bildet. Wenn das Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch das Volumen, die Querschnittsfläche des Resonatorrohres und die Länge des Resonatorrohres bestimmt ist, verhält sich der Helmholtz-Resonator wie eine Öffnung mit unendlicher Länge, die verhindert dass sich eine stehende Welle mit der Resonanzfrequenz ausbilden kann. Das Entstehen von thermoakustischen Schwingungen, welche im Wesentlichen stehende Wellen sind, kann so für Frequenzen, die der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators entsprechen oder in deren Nähe liegen, wirksam unterdrückt werden.
Die zur Brennkammer hin offenen Mündungen der Helmholtz-Resonatoren erfordern jedoch zusätzliche Sperrluft, wodurch die Verbrennungstemperatur wieder erhöht wird. Als Folge dieser Erhöhung steigt der Anteil der Stickoxide in den Verbrennungsabgasen an.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung, insbesondere für eine Gasturbine, zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe durch eine Brennkammer nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Gasturbine nach Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Brennkammer umfasst mindestens ein zu kühlendes Brennkammerelement und wenigstens eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen mit einer zur Brennkammer hin offenen Mündung. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Mündung in das zu kühlende Brennkammerelement integriert ist.
Dadurch, dass die Dämpfungseinrichtung in ein zu kühlendes Brennkammerelement integriert ist, erhöht sich die in die Brennkammer eintretende Luftmenge aufgrund des Vorhandenseins des Dämpfungselementes wenn überhaupt, nur geringfügig. Dies resultiert daraus, dass zum Kühlen des Brennkammerelementes alleine sowieso ein Kühlluftstrom nötig ist, der nun gleichzeitig auch zum Sperren der Mündung der Dämpfungseinrichtung dient. Die Verbrennungstemperatur - und damit die Schadstoffbelastung der Verbrennungsabgase - wird daher nicht oder nur geringfügig gesteigert.
Zum Zuführen der Sperrluft kann der Mündung in der erfindungsgemäßen der Brennkammer eine Sperrluftzufuhr zugeordnet sein. Diese dient dann gleichzeitig als Kühlluftzufuhr für das Kühlen des zu kühlenden Brennkammerelementes. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Mündung außerdem eine Brennstoffzufuhr derart zugeordnet sein, dass der Sperrluft Brennstoff beigemischt wird. Das Beimischen von Brennstoff zur Sperrluft führt zu einer Absenkung der Verbrennungstemperatur im Hauptbrenner und somit zu einer Verringerung des Schadstoffanteils der Verbrennungsabgase.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkammer eine Brennkammerwandung, welche eine Brennkammerschale und eine mittels zu kühlenden Befestigungselementen an der Brennkammerschale befestigte Brennkammerauskleidung umfasst, auf. Die Brennkammerauskleidung kann bspw. ein Hitzeschild sein, insbesondere ein keramischer oder metallischer Hitzeschild. Die Mündung der mindestens einen Dämpfungseinrichtung ist in dieser Ausgestaltung in ein Befestigungselement zum Befestigen der Brennkammerauskleidung an der Brennkammerschale integriert. Mit anderen Worten, in dieser Ausgestaltung ist das zu kühlende Brennkammerelement als Befestigungselement zum Befestigen der Brennkammerauskleidung ausgebildet. Da die Befestigungselemente sowieso vorhanden sind und einer Kühlung bedürfen, erfordert das Integrieren der Mündung in ein Befestigungselement lediglich eine Umgestaltung des Befestigungselementes, bspw. indem Befestigungsschrauben mit einer axialen Bohrung oder einer sonstigen axialen Durchgangsöffnung versehen werden, so dass sie als Mündung des Dämpfungselementes dienen können. Weitere Umgestaltungen des Inneren der Brennkammer sind in dieser Ausgestaltung nicht nötig. Außer als Befestigungsschraube kann das Befestigungselement auch als ein Befestigungselement, welches wenigstens eine Schiebesitzeinrichtung umfasst, ausgestaltet sein. Eine Schiebesitzeinrichtung befindet sich häufig bspw. am Übergang vom sogenannten "Basket" zum sog. "Transitionpiece" in einer Silobrennkammer. Außer am Übergang vom "Basket" zum "Transitionpiece" kann die Dämpfungseinrichtung auch am Übergang von der Brennkammer zur ersten Leitschauffelreihe angeordnet sein. Dort werden in der Regel recht hohe Sperrluftströme benötigt. Das gilt für Ringbrennkammern und auch für Silobrennkammern.
In der erfindungsgemäßen Brennkammer kann das Dämpfungselement insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das zu kühlende Brennkammerelement einen Teil der Dämpfungseinrichtung bildet. Bspw. kann eine Befestigungsschraube mit axialer Durchgangsbohrung das Resonatorrohr eines Helmholtz-Resonators bilden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Dämpfungseinrichtung als Helmholtz-Resonator, insbesondere als Helmholtz-Resonator mit veränderbarer Resonanzfrequenz ausgeführt. Beispielsweise kann die Veränderbarkeit der Resonanzfrequenz dadurch erreicht werden, dass das Volumen des Helmholtz-Resonators veränderbar ausgestaltet ist. Eine Volumenänderung kann z.B. über eine verstellbare Rückwand des Resonators erzielt werden.
Der Helmholtz-Resonator kann auch mehrere Mündungen umfassen, die jeweils in ein zu kühlendes Brennkammerelement integriert sind. Bspw. können mehrere Resonatorrohre desselben Helmholtz-Resonators in verschiedene Befestigungsschrauben integriert sein.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Dämpfungseinrichtung als λ/4-Rohr, also als Rohr mit einem viertel der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingung, ausgebildet.
Eine erfindungsgemäße Gasturbine umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Brennkammer.
Obwohl die Erfindung hier insgesamt mit Bezug auf Brennkammern von Gasturbinen beschrieben wird, ist der Einsatz nicht auf Gasturbinen beschränkt. Es ist ebenso möglich, die Erfindung bei anderen Turbinen und Strömungsmaschinen bzw. bei Brennkammern im Allgemeinen einzusetzen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt aus der Brennkammerwandung einer erfindungsgemäßen Brennkammer in einer stark schematischen Darstellung.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Brennkammerwandung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung von der Brennkammerinnenseite her gesehen.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 2 dargestellten Brennkammerwandung.
In Figur 1 ist als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine erfindungsgemäße Brennkammer einer Gasturbine dargestellt. Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus der Brennkammerwandung 1, welche eine Brennkammerschale 3 und einen metallischen Hitzeschild 4 umfasst. Der metallische Hitzeschild 4 ist aus einer Anzahl von Hitzeschildelementen 2 aufgebaut, die jeweils mittels einer Schraube 7 als Befestigungselement an einer Verbindungsstelle 5 an der Brennkammerschale 3 fixiert sind. Die Schrauben 7 stellen wie die Hitzeschildelemente 2 mittels Kühlluft zu kühlende Brennkammerelemente dar.
Zur Dämpfung von akustischen Schwingungen in der Brennkammer ist diese mit mindestens einer Dämpfungseinrichtung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als in die Brennkammer mündender Helmholtz-Resonator 6 ausgebildet ist, ausgestattet. Der Helmholtz-Resonator 6 ist im Bereich einer Verbindungsstelle 5 an der Brennkammerwandung 1 angebracht. Er wird mittels eines Befestigungselementes oder mehrerer Befestigungselemente (nicht dargestellt) an der Brennkammerwandung 1 gehalten. In einer alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, den Helmholtz-Resonator 6 mittels der Schraube 7 an der Brennkammerwandung 1 zu halten. In diesem Fall dient die Schraube 7 dann sowohl zum Halten des Hitzeschildelementes 2 als auch zum Halten des Helmholtz-Resonators 6, so dass ein zusätzliches Befestigungselement zum Halten des Helmholtz-Resonators 6 nicht nötig ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können auch weitere an Verbindungsstellen 5 angebrachte Dämpfungseinrichtungen vorhanden sein.
Der Helmholtz-Resonator 6 umfasst einen Resonatorraum 15 und ein Resonatorrohr, auch Resonatorhals genannt. Das Resonatorrohr wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Schraube 7 gebildet, die zu diesem Zweck eine Durchgangsbohrung 8 aufweist. Ein Ende 9 der Durchgangsbohrung 8 mündet in den Resonatorraum 15. Das andere Ende 10 der Durchgangsbohrung 8 mündet in die Brennkammer und stellt die Mündung des Helmholtz-Resonators 6 in die Brennkammer dar. Die Dämpfungswirkung des Helmholtz-Resonators 6 beruht darauf, dass sich die im Resonatorraum 15 und im Resonatorrohr 8 befindliche Luft wie ein Feder-Masse-System verhält. Dabei stellt die im Resonatorraum 15 befindliche Luft die Feder und die im Resonatorrohr 8 befindliche Luft die Masse dieses Systems dar. Wenn dieses Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch das Volumen V des Resonatorraumes 15, die Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8, und durch die Länge L der Durchgangsbohrung 8 (also der Schraube 7) bestimmt ist, verhält sich der Helmholtz-Resonator 6 wie eine Öffnung mit unendlicher Länge, so dass sich keine stehende Welle mit der Resonanzfrequenz ausbilden kann. Das entstehen von thermoakustischen Schwingungen, welche im Wesentlichen stehende Wellen sind, kann so für Frequenzen, die der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators entsprechen oder in deren Nähe liegen, wirksam unterdrückt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Resonator 6 im Wesentlichen zylindersymmetrisch zur Schraube 7 ausgeführt.
Es sind aber auch Ausgestaltungen möglich, die keine Symmetrie aufweisen.
Durch Anpassen der Länge L der Schraube 7 und der Höhe H, mit der die Schraube 7 in den Resonatorraum 15 hinein ragt, und/oder der Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8 und/oder des Volumens V des Resonatorraumes 15 kann die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 6 eingestellt werden. Z.B. führt ein Vergrößern des Volumens V des Resonatorraumes 15 oder der Länge L des der Schraube 7 zu einer verringerten Resonanzfrequenz. Ein Vergrößern der Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8 führt dagegen zu einer vergrößerten Resonanzfrequenz.
Um die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators einzustellen, sind verschiedene Vorgehensweisen möglich.
Zum Verändern des Volumens V des Resonatorraumes 15 kann bspw. die Rückwand 17 des Helmholtz-Resonators 6 verstellbar ausgebildet sein. An der zylindrischen Seitenwand 12 des Helmholtz-Resonators 6 ist dann bspw. ein Gewinde 16 vorhanden, in welches ein passendes Gegengewinde der Rückwand 17 eingreift. Durch Verdrehen der Rückwand 17, was auch automatisch über einen nicht dargestellten Elektromotor erfolgen kann, kann das Volumen V des Resonatorraumes 15 und damit die Resonatorfrequenz in gewünschter Weise verändert werden. Es ist aber auch möglich, das Volumen durch Austausch des Resonatorraumes 15 gegen einen Resonatorraum 15 mit anderem Volumen zu verändern.
Außerdem kann durch Austausch der Schraube 7 die Länge L der Schraube und/oder die Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8 verändert werden. So kann z.B., um die Resonanzfrequenz zu erhöhen, eine Schraube 7 eingesetzt werden, deren Bohrung 8 eine größere Querschnittsfläche F als die zuvor eingesetzte Schraube 7 aufweist. Es kann zum gleichen Zweck aber auch eine Schraube 7 mit geringerer Länge L eingesetzt werden. Auch durch Einstellen der Höhe H, mit der die Schraube 7 in den Resonatorraum 15 hinein ragt, mittels der Wahl einer geeigneten Schraube 7 kann die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 6 beeinflusst werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Resonatorraum 15 an der kalten Seite, d.h. an der der Brennkammer abgewandten Außenseite der Brennkammerschale 3 angebracht und ragt in das Kompressorplenum 20 hinein. Um eine Luftzufuhr für eine Prallkühlung der Hitzeschildelemente 2 zu ermöglichen, sind zwischen dem Resonatorraum 15 und der Außenseite der Brennkammerschale 3 lokal Abstandshalter 19 angebracht, die einen Abstand zwischen der Brennkammerschale 3 und dem Resonatorraum 15 sicherstellen und so ein Strömen vom unter Druck stehender Kühlluft zwischen der Brennkammerschale 3 und dem Resonatorraum 15 ermöglichen. Durch Prallkühlungsbohrungen 14 kann Kühlluft dann vom Kompressorplenum 20 aus entlang der Strömungswege 13 an die dem Brennkammerinneren abgewandte Seite, die sog. Kaltseite der Hitzeschildelemente 2 geleitet werden, wo sie für eine Prallluftkühlung der Hitzeschildelemente 2 sorgt. Die Prallluft strömt nach dem Auftreffen auf die Kaltseiten entlang der Strömungspfade 23 durch Spalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 2 in die Brennkammer ein, wobei sie die Spalte gegen ein Eindringen von heißem Gas der Brennkammer sperrt.
Die Kühlung der Schraube 7 erfolgt zusammen mit dem Sperren der Mündung 10 des Helmholtz-Resonators 6 gegen ein Eindringen von heißem Gas. Die Luft strömt zuerst aus dem Kompressorplenum 20 durch die Öffnungen 18 (die die Sperrluftzufuhr bilden) in der Rückwand 17 des Resonatorraumes 15 in den Resonatorraum 15 und dann durch die Durchgangsbohrung 8 der Schraube 7 in die Brennkammer ein (Strömungspfad 11). Dadurch dass die Kühlung von Helmholtz-Resonator 6 und Schraube 7 mit derselben Kühlluft erfolgt, kann der Anteil an Kühlluft, die am Brenner vorbei geführt wird, gegenüber einer getrennten Kühlung von Helmholtz-Resonator 6 und Schraube 7, wie sie nötig wäre, wenn die Schraube 7 nicht gleichzeitig als Resonatorrohr diente, verringert werden.
In Figuren 2 und 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel stark schematisch dargestellt. Gleiche oder ähnliche Komponenten werden der Einfachheit und der besseren Vergleichbarkeit halber mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.
In Fig. 2 zeigt, vom Brennkammerinneren aus gesehen, einen Ausschnitt aus einer Brennkammerwandung 1, die mit metallischen Hitzeschildplatten 21, 22 als Hitzeschildelementen ausgekleidet ist. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Brennkammerwandung 1 entlang der Linie A - A.
Die Hitzeschildplatten 21, 22 sind an Verbindungsstellen 5 mittels Schrauben 7 mit der Brennkammerschale 3 verschraubt. An den Verbindungsstellen 5 sind Helmholtz-Resonatoren 6 angeordnet, die mittels der Schrauben 7 an der Brennkammerwandung 1 fixiert sind. Eine Durchgangsöffnung bzw. Durchgangsbohrung 8 in den Schrauben 7 dient wie im ersten Ausführungsbeispiel als Resonatorrohr des jeweiligen Helmholtz-Resonators 6. Der Einfachheit halber ist in Figur 3 lediglich einer der Helmholtz-Resonatoren 6 dargestellt.
In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, dass sich ein Resonatorraum 15 über mehrere Schrauben 7 ausdehnt. In diesem Fall können alle Schrauben 7, über die sich der Resonatorraum 15 erstreckt, mit Durchgangsbohrungen versehen sein und somit Resonatorrohre bilden. Alternativ ist es auch möglich, nur einige oder gar nur eine einzige der Schrauben 7, über die sich der Resonatorraum 15 erstreckt, mit einer Durchgangsbohrung 8 zu versehen. Die übrigen Schrauben 7 dienen dann lediglich als Befestigungsschrauben für den die Hitzeschildplatten oder für die Hitzeschildplatten 21, 22 und den Helmholtz-Resonator.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Einstellen des Resonatorvolumens innerhalb von Betriebspausen mittels eines geeigneten Werkzeuges von Hand oder auch während des Betriebes erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Steuerung (nicht dargestellt) vorgesehen, mittels derer das Verstellen des Resonatorvolumens gesteuert werden kann. Auch eine automatische Einstellung oder Regelung ist möglich. Es können bspw. ein Elektromotor, eine hydraulische Stelleinrichtung oder eine pneumatische Stelleinrichtung eingesetzt werden. Durch eine gesteuerte automatische Verstellung wird der Aufwand zur nachträglichen Einstellung der Resonatorfrequenz besonders gering gehalten. Die Regelung kann online während des Betriebes erfolgen. Mit einer vollautomatischen Regelung kann eine kontinuierliche oder in gewissen Zeitabständen erfolgende Justage auf die stärkste Schwingungsfrequenz erfolgen. Durch eine entsprechende Anpassung des Resonators 6 kann auf veränderte Bedingungen, wie z.B. eine veränderte Brennstoffzusammensetzung, reagiert und eine Anpassung der Resonanzfrequenz durchgeführt werden. Die einfache Verstellbarkeit ist insbesondere vorteilhaft bei der Prototyperprobung und auch bei der Inbetriebnahme einer Gasturbine. Ein erheblicher Vorteil der einfachen Einstellbarkeit ergibt sich nicht nur durch den Betrieb mit unterschiedlichen Brennstoffen, sondern auch bei stark unterschiedlichen Betriebsbedingungen, hervorgerufen z.B. durch erhebliche Änderungen der Umgebungstemperatur.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein Helmholtz-Resonator 6 durch Austausch der Schraube mit Durchgangsbohrung gegen eine Schraube ohne Durchgangsbohrung abgeschaltet werden. Alternativ kann der Resonator 6 auch ganz entfernt werden.
Statt der beschriebenen Helmholtz-Resonatoren können auch andere Dämpfungseinrichtungen, bspw. λ/4-Rohre Verwendung finden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung bei Ringbrennkammern mit metallischen Hitzeschilden bzw. bei den sogenannten Einlaufschalen der Brennkammern mit keramischen Hitzeschilden ("Steinen").

Claims (13)

  1. Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbine, mit mindestens einem zu kühlenden Brennkammerelement (7) und wenigstens einer Dämpfungseinrichtung (6) zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen mit einer zur Brennkainnier hin offenen Mündung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (10) in das zu kühlende Brennkammerelement (7) integriert ist.
  2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündung (10) eine Sperrluftzufuhr (18) zum Zuführen von die Mündung (10) gegen den Eintritt von heißem Gas aus der Brennkammer sperrenden Sperrluft zugeordnet ist.
  3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündung (10) außerdem eine Brennstoffzufuhr derart zugeordnet ist, dass der Sperrluft Brennstoff beigemischt wird.
  4. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Brennkammerwandung (1), welche eine Brennkammerschale (3) und eine mittels zu kühlenden Befestigungselementen (7) an der Brennkammerschale (3) befestigte Brennkammerauskleidung (4) umfasst, und dass die Mündung (10) der mindestens einen Dämpfungseinrichtung (6) in ein Befestigungselement (7) zum Befestigen der Brennkammerauskleidung (4) an der Brennkammerschale (3) integriert ist.
  5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement eine Befestigungsschraube (7) ist.
  6. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement wenigstens eine Schiebesitzeinrichtung umfasst.
  7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerauskleidung ein Hitzeschild (4) ist.
  8. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Brennkammerelement (7) einen Teil der Dämpfungseinrichtung (6) bildet.
  9. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung als Helmholtz-Resonator (6) ausgeführt ist.
  10. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (6) als Helmholtz-Resonator mit veränderbarer Resonanzfrequenz ausgestaltet ist.
  11. Brennkammer nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, der Helmholtz-Resonator (6) mehrere Mündungen (10) zur Brennkammer hin umfasst, welche jeweils in ein zu kühlendes Brennkammerelement (7) integriert sind.
  12. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Dämpfungseinrichtung als λ/4-Rohr ausgebildet ist.
  13. Gasturbine mit wenigstens einer Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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