DE102004009226A1

DE102004009226A1 - Brennraum, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, sowie Verfahren zum Betrieb

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Publication number: DE102004009226A1
Application number: DE200410009226
Authority: DE
Inventors: Valter Bellucci; Klaus Dr. Döbbeling; Christian Oliver Prof. Dr. Paschereit
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennraum, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit zumindest einem Vormischbrenner (1), der einen Brenneraustritt für die Zufuhr eines Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches in den Brennraum (2) aufweist, und zumindest einem gasdurchlässigen, perforiert ausgebildeten Abschnitt (7, 8) in einer Wandung (11) des Brennraums (2) und/oder einer Frontplatte des Vormischbrenners (1), der mit einem Mittel (5) zur Zuführung eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zum Brennraum (2) in Fluidverbindung steht. Der gasdurchlässige Abschnitt (7, 8) ist beim vorliegenden Brennraum doppelwandig mit einer inneren (8), dem Brennraum (2) zugewandten und einer äußeren, dem Brennraum (2) abgewandten Wandung (7) ausgebildet, zwischen denen ein definierter Abstand vorliegt, und die Größe des Abstandes, die Porosität der Perforation der inneren Wandung (8) und die Dicke der inneren Wandung (8) sind so aufeinander abgestimmt, dass die komplexe Schallimpedanz des gasdurchlässigen Abschnittes für im Betrieb auftretende Pulsation des Brennraums zumindest annähernd den Wert rho È c annimmt. DOLLAR A Mit dem vorliegenden Brennraum lässt sich in vorteilhafter Weise ein Pilotbrenner realisieren, der gleichzeitig akustische Schwingungen im Brennraum dämpft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennraum, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit zumindest einem Vormischbrenner, der einen Brenneraustritt für die Zufuhr eines Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches in den Brennraum aufweist, und zumindest einem gasdurchlässigen, perforiert ausgebildeten Abschnitt in einer Wandung des Brennraums und/oder einer Frontplatte des Vormischbrenners, der mit einem Mittel zur Zuführung eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zum Brennraum in Fluidverbindung steht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb des Brennraums. Der vorliegende Brennraum eignet sich besonders zur Verwendung als Brennkammer einer Gasturbinen-Anlage.
In der modernen Gasturbinentechnik werden überwiegend sog. magere Vormischbrenner eingesetzt. Unterschiedlichste Bauarten von mageren Vormischbrennern sind bspw. aus der US 4,781,030 , der EP 321 809 , der EP 780 629 , der WO 93/17279, der EP 945 677 oder der WO 00/12936 bekannt. Diese Brenner arbeiten im Wesentlichen nach dem Prinzip, Brennstoff in einen stark verdrallten Luftstrom einzubringen, in dem dieser eine homogene Mischung mit der Verbrennungsluft bildet. Die Zündung und Flammenstabilisierung erfolgen durch Aufplatzen der Drallströmung am Brenneraustritt, d. h. an der Brennermündung zur Brennkammer. Bevorzugt werden diese Brenner mit unterstöchiometrischem Brennstoff-Luftverhältnis betrieben, typischerweise mit Luftzahlen um 2. Die Ausbildung stöchiometrischer Zonen mit heißen Stellen in der Flamme, in denen eine starke Stickoxidproduktion stattfindet, wird so vermieden, und durch die gute Vormischung wird gewöhnlich auch ein guter Ausbrand erzielt. Dabei sind diese Vormischbrenner häufig für einen Betrieb im Bereich der mageren Löschgrenze ausgelegt, wodurch der Betriebsbereich eingeschränkt wird. Für den Betrieb mit unterhalb der für einen stabilen Vormischbetrieb notwendigen Brennstoffmenge werden daher sog. Pilotstufen oder Pilotbrenner eingesetzt, über die in bestimmten Betriebsbereichen zusätzlich Brennstoff in den Brennraum eingebracht wird. Dies kann über externe Pilotbrenner, wie sie aus der US 5,558,515 bekannt sind, oder über interne Pilotstufen erfolgen, wie sie bspw. in der US 4,781,030 , der EP 321 809 oder der EP 945 677 vorgeschlagen werden.
In der WO 00/12936 wird eine zentrale Pilotstufe mit einer am Umfang der Brennermündung angeordneten Pilotstufe kombiniert. Durch den Einsatz der Pilotstufen werden bei niedriger Brennerlast, also bei sehr hohen Brenner-Gesamtluftzahlen, bei welchen ein stabiler Vormischbetrieb nicht mehr zu gewährleisten ist, brennstoffreiche Zonen geschaffen, die in der Lage sind, die Verbrennung zu stabilisieren. Die deutlich erhöhten Emissionen im Pilotbetrieb werden im Interesse der Betriebssicherheit und des erweiterten Betriebsbereiches der Brenner in Kauf genommen. Die als Diffusionsbrenner ausgeführten Pilotstufen erzeugen allerdings Zonen lokal sehr hoher thermischer Leistungsdichte. Insbesondere bei interner, aber auch bei externer Pilotierung muss daher auf die thermische Belastung der Strukturen geachtet werden. Bei der WO 00/12936 wird die weitere Pilotstufe durch eine Anordnung einer Mehrzahl von Auslassöffnungen um den zentralen Brenneraustritt gebildet, die in Fluidverbindung mit einem Mittel zur Zuführung von Brennstoff bzw. einem Brennstoff-Luft-Gemisch stehen. Diese Fluidverbindung wird über einen umlaufenden Ringkanal gebildet, der mit der Brennstoffzuleitung verbunden ist. In der bevorzugten Ausgestaltung ist dieser umlaufende Ringkanal in einen unteren Ringkanal und einen oberen Ringkanal unterteilt, welche über eine Drosselstelle miteinander verbunden sind. Der obere Ringkanal steht hierbei mit der Brennstoffzuleitung in Verbindung und der untere Ringkanal mit den Auslassöffnungen. In dieser Ausgestaltung wirkt der untere Ringkanal wie eine Resonanzkammer, so dass die an den Auslassöffnungen ausströmende Brennstoffmenge vom Außendruck beeinflusst wird, was bei geeigneter Auslegung und Dimensionierung dieses unteren Ringkanals auf Druckschwingungen, wie sie durch Brennkammerpulsationen verursacht werden können, stark dämpfend wirkt.
Die Neigung zur Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen im Brennraum ist allen bekannten Vormischbrennern gemein. Diese unerwünschten Schwingungen können einerseits durch eine entsprechende Steuerung der Brennstoffzufuhr und der Brennstoffverteilung, andererseits durch Dämpfungsmaßnahmen innerhalb der Brennkammer vermindert werden. So ist bspw. aus der US 5,685,157 ein akustischer Dämpfer für eine Brennkammer bekannt, der durch mehrere Resonanzrohre gebildet wird, die über eine perforierte Platte mit der Brennkammer in Verbindung stehen. Diese Resonanzrohre dienen als Helmholtz-Resonatoren, die je nach Größe des Resonanzvolumens einzelne thermoakustische Schwingungen dämpfen. Auch die US 5,431,018 zeigt den Einsatz von Helmholtz-Resonatoren an einer Brennkammer. Bei dieser Druckschrift ist um die Zufuhrleitung für Brennstoff zu einer Brennkammer ein ringförmiger Luftkanal für die Zufuhr von Kühl- und Verbrennungsluft in den Brennraum ausgebildet, der mit einem Resonatorvolumen in Verbindung steht. Aus der US 6,164,058 ist eine Anordnung zur Dämpfung akustischer Schwingungen in einem Brennraum bekannt, bei dem an der Brennraumwand ausgebildete Kühlkanäle in ihrer Länge derart angepasst werden, dass sie am Eintritt der Kühlluft in den Brenner eine minimale akustische Impedanz aufweisen. Ein Teil dieser Kühlluft wird dann im Brenner mit dem Brennstoff vermischt und gelangt am Brenneraustritt in den Brennraum zur Verbrennung. Mit Helmholtz-Resonatoren können zwar sehr hohe Dämpfungen erreicht werden, dies jedoch nur in einem sehr engen Frequenzbereich, auf den das Resonanzvolumen abgestimmt ist. Sie sind insbesondere für die Dämpfung einzelner Schwingungen im niederfrequenten Bereich geeignet, in dem der Frequenzabstand zwischen den unerwünschten Schwingungen relativ groß ist.
In modernen Gasturbinenanlagen, die mit Vormischbrennern arbeiten, können jedoch in einem breiten Frequenzbereich auch höherfrequente und eng benachbarte Schwingungen durch so genannte Brennkammerpulsationen auftreten, die die Qualität des Verbrennungsprozesses und auch die strukturelle Integrität der Anlagen gefährden. Helmholtz-Resonatoren sind zur Dämpfung derartiger breitbandiger Schwingungen kaum geeignet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Brennraum der eingangs genannten Art anzugeben, welcher die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine effiziente Pilotierung der Vormischverbrennung unter Vermeidung punktuell exzessiver thermischer Struktubeanspruchung bei gleichzeitiger Dämpfung thermoakustischer Schwingungen ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Brennraum gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 14 betrifft ein Wandelement, Patentanspruch 22 ein Verfahren zum Betrieb des Brennraums. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennraums, des Wandelements sowie des Betriebsverfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Der vorliegende Brennraum, der insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage geeignet ist, weist in bekannter Weise zumindest einen Vormischbrenner mit einem Brenneraustritt für die Zufuhr eines Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches in den Brennraum auf. Weiterhin ist zumindest ein gasdurchlässiger, perforiert ausgebildeter Abschnitt in einer Wandung des Brennraums und/oder einer Frontplatte des Vormisch brenners ausgebildet, der mit einem Mittel zur Zuführung eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zum Brennraum in Fluidverbindung steht. Der gasdurchlässige Abschnitt ist beim vorliegenden Brennraum doppelwandig mit einer inneren, dem Brennraum zugewandten und einer äußeren, dem Brennraum abgewandten Wandung ausgebildet, zwischen denen ein definierter Abstand vorliegt, durch den ein Zwischenraum gebildet wird. Die Größe L des Abstandes, die Porosität σ der Perforation der inneren Wandung und die Dicke der inneren Wandung sind beim vorliegenden Brennraum so aufeinander abgestimmt, dass die komplexe Schallimpedanz Z = R + iX des gasdurchlässigen Abschnittes beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennraums für dabei auftretende Pulsationsfrequenzen zumindest annähernd den Wert ρ·c annimmt, wobei ρ die Dichte eines durch das brennbare Gas oder Gasgemisch gebildeten Fluids und c die Schallgeschwindigkeit im Fluid darstellen.

Durch die vorliegende Ausbildung des perforierten Abschnittes, insbesondere benachbart zum Vormischbrenner, werden Brennkammerdruckschwankungen beim Auftreffen auf den doppelwandig ausgebildeten Abschnitt nicht unmittelbar vollständig reflektiert, sondern teilweise absorbiert und somit gedämpft. Der perforierte Abschnitt wirkt damit als akustisches Dämpfungselement. Dabei wird ein geringer Massenstrom durch die Perforationsöffnungen der inneren Wandung in den Zwischenraum und wieder heraus gezwungen, wobei Schwingungsenergie dissipiert und die thermoakustische Schwingung gedämpft wird. Durch die fluidische Verbindung eines derartigen Dämpfungselementes mit Mitteln zur Zufuhr eines brennbaren Gases oder Gasgemisches kann dieses Dämpfungselement gleichzeitig als Pilotbrenner Verwendung finden. Der Vorteil des vorliegenden Brennraums erschöpft sich jedoch nicht alleine in der Kombination eines Pilotbrenners mit einem Dämpfungselement. Durch die Aufrechterhaltung eines Durchflusses an brennbarem Gas mit ausreichender Geschwindigkeit durch den doppelwandigen Abschnitt lässt sich vielmehr die dämpfende Wirkung gegenüber Dämpfungselementen, die keinen derartigen Durchfluss aufweisen, deutlich verbessern.

Bei der Dimensionierung des perforierten Abschnittes wird im vorliegenden Fall die reflexionsfreie Bedingung für die Schallimpedanz Z = R + iX = ρ·c zumindest annähernd eingehalten. Der Realteil R der komplexen Schallimedanz Z wird dabei als Resistanz, der Imaginärteil X als Reaktanz bezeichnet. Die absorbierende akustische Wand mit R = ρ·c wird hierbei durch die innere Wandung des perforierten Abschnittes gebildet. Durch die Aufrechterhaltung eines Gasflusses durch den perforierten Abschnitt während des Betriebs des Pilotbrenners ergeben sich andere Bedingungen als ohne einen derartigen Gasfluss. Ohne einen Gasfluss wäre die Resistanz R aufgrund der Abhängigkeit von der Konvektion und Dissipation der akustisch erzeugten Wirbel nichtlinear, so dass sie sich nur sehr schwer tunen ließe. Im vorliegenden Fall führt der Durchfluss des brennbaren Gases durch die Perforationslöcher jedoch zu einem linearen Beitrag zur Resistanz R aufgrund der durch diesen Durchfluss verursachten Konvektion der Wirbel. Dieser lineare Effekt überwiegt den nichtlinearen Effekt, wenn die Durchflussgeschwindigkeit größer als die akustische Geschwindigkeit in den Perforationslöchern ist. In diesem Falle wird die Resistanz R durch folgende Gleichung beschrieben: R = ρ·ζ·U/σ (1)wobei ζ der Druckverlustkoeffizienz der Löcher, U die Durchflussgeschwindigkeit des brennbaren Gases und σ die Porosität der Perforation, d.h. den Anteil der Fläche der Lochquerschnitte an der Gesamtfläche der Wandung, beschreiben. Daher muss für eine optimale Dämpfungsbedingung (R = ρ·c) der Wert M = σ/ζ (2)sein, wobei M = U/c die Machzahl des Durchflusses des brennbaren Gases ist.

Für die Einhaltung der reflexionsfreien Bedingung ist es weiterhin erforderlich, dass der Imaginärteil der Schallimpedanz, die sog. Reaktanz X, annähernd 0 ist. Der Zwischenraum zwischen der inneren und der äußeren Wandung wird zur Einstellung der Reaktanz X bezüglich der zu dämpfenden Frequenzen benutzt. Die äußere Wandung dient hierbei als voll reflektierende Wandung (ohne Dämpfung) für die akustischen Druckschwingungen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Druckabfall zwischen der inneren und der äußeren Wandung aufgespalten wird, so dass die akustischen Bereiche stromauf und stromab der äußeren Wandung voneinander entkoppelt sind. Die Reaktanz lässt sich in diesem Fall ausdrücken als X = ρ·ω[(t + λ)/σ – c/ω·cot(ωL/c)] (3) wobei ω = 2πf, f die Frequenz der zu dämpfenden Frequenz, t die Länge der Löcher, λ ein Endkorrekturwert – hauptsächlich abhängig vom Lochdurchmesser – und L der Abstand zwischen der inneren und äußeren Wandung sind. Die Länge der Löcher wird über die Dicke der inneren Wandung festgelegt. Der Druckabfall durch die innere Wandung legt die Durchflussgeschwindigkeit fest, die in Gleichung (2) für die Machzahl eingesetzt wird, um die Porosität σ zu erhalten. Durch geeignete Wahl der Werte des Lochdurchmessers, der Lochlänge bzw. Wanddicke, sowie des Abstandes zwischen der inneren und äußeren Wandung bei der Dimensionierung des perforierten Abschnittes kann die Reaktanz X in Gleichung (3) bezüglich der zu dämpfenden Frequenz annähernd zu 0 gemacht werden.

Die äußere Wandung dient im vorliegenden Fall gleichzeitig der gleichmäßigen Verteilung des zugeführten brennbaren Gases auf die innere Wandung und somit den entsprechenden Teil des Brennraums.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Brennraums umfasst die innere Wandung zusätzlich eine brennraumseitig aufgebrachte poröse Schicht, die die gleiche Perforation wie der darunter liegende Wandungsteil aufweist. In diesem Fall gelten für die obigen Gleichungen als Länge der Löcher die Dicke dieses Wandungsteils zzgl. der Dicke der Schicht wobei der Druckabfall in erster Linie durch die poröse Schicht verursacht wird. Vorzugsweise wird diese poröse Schicht durch eine Metallfaserschicht gebildet, wie sie beispielsweise aus der WO 93/18342 bekannt ist.

Die WO 93/18342 beschreibt eine Brennermembran aus einer porösen Metallfaserplatte, über die eine Oberflächenverbrennung realisiert werden kann. Wenn ein vorgemischtes Brennstoff-Luftgemisch durch diese Membran geführt und nahe der Membranoberfläche gezündet wird, bildet sich eine Flamme an der Oberfläche aus, die einen hohen Anteil von Strahlungswärme liefert. In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, diese poröse Metallfaserplatte zusätzlich zu perforieren, um den Druckabfall über die Membran zu reduzieren und die Brennerleistung zu steigern. Die Metallfaserplatte ist vor einer weiteren perforierten Platte zur homogenen Verteilung des Brennstoffes angeordnet, die gleichzeitig zur Unterdrückung möglicher Schallresonanzen im Gaszufluss dienen kann. Eine Anwendung einer derartigen Brennermembran in einem Brennraum mit einem Vormischbrenner, bei der die Membran Teil eines Pilotbrenners ist und die Perforation der Metallfaserplatte derart ausgebildet ist, dass akustische Brennkammerpulsationen gedämpft werden, ist in dieser Druckschrift jedoch nicht offenbart.

Der vorliegende Brennraum kann in unterschiedlicher Geometrie ausgebildet sein, bspw. als Ringbrennkammer, an deren Stirnwand mehrere Vormischbrenner in bekannter Weise angeordnet sind. In diesem Falle befinden sich die perforierten Abschnitte, die die Pilotbrenner bilden, vorzugsweise in Zwischenräumen an den Frontplatten der einzelnen Vormischbrenner. Selbstverständlich können die Pilotbrenner jedoch auch an der Seitenwandung des Brennraums angeordnet sein. Weiterhin ist selbstverständlich der vorliegende Brennraum nicht auf eine Ringform beschränkt und kann bspw. auch in Silo-Form ausgebildet sein. Als Vormischbrenner lassen sich beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Vormischbrenner einsetzen, wie sie beispielsweise im einleitenden Teil der vorliegenden Beschreibung angeführt sind.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Wandelemente für den Brennraum haben vorzugsweise eine sechseckige oder kreisringabschnittsförmige Außenkontur, damit sie, je nach Geometrie des Brennraums, direkt aneinander gesetzt werden können.

Beim Betrieb des vorliegenden Brennraums mit den ein oder mehreren Vormischbrennern sowie den zugehörigen Pilotbrennern wird in einem ersten Betriebszustand durch die Pilotbrenner, d. h. durch die perforierten Abschnitte, ein Gasfluss aufrechterhalten, dessen Geschwindigkeit größer als die akustische Geschwindigkeit der verursachten Brennkammerdruckschwankungen in den Perforationen ist. Auf diese Weise kann eine optimale Dämpfung der Druckschwingungen erreicht werden. In einem zweiten Betriebszustand, der sich unmittelbar an den Pilotbetrieb anschließt und/oder diesem unmittelbar vorausgeht, wird ein nicht brennbares Gas oder Gasgemisch mit einem Durchfluss über den gasdurchlässigen Abschnitt in den Brennraum eingebracht, bei dem die komplexe Schallimpedanz Z = R + iX des gasdurchlässigen Abschnittes für im Betrieb auftretende Pulsationsfrequenzen ebenfalls zumindest annähernd den Wert p·c annimmt. Ruf diese Weise läßt sich die dämpfende Wirkung auch in den Betriebs zuständen aufrechterhalten, in denen keine Pilotierung erfolgt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennraums schematisch in Querschnittsansicht;
2 ein Beispiel für eine mit dem perforierten Abschnitt erreichte Absorption von akustischen Druckschwingungen;
3 ein Beispiel für eine Ausgestaltung eines Vormischbrenners am vorliegenden Brennraum; und
4 zwei Beispiele für eine Ausgestaltung der Frontplatten von Wandelementen, wie sie beim vorliegenden Brennraum einsetzbar sind.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch in Querschnittsansicht einen Ausschnitt aus einem Brennraum bzw. einer Brennkammer, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. In der Figur ist die Brennkammerwandung 11 zu erkennen, die die Brennkammer 2 axial umschließt. An der Brennkammer 2 ist ein Vormischbrenner 1 angebracht, über den ein Brennstoff- Oxidationsmittelgemisch, insbesondere ein vorgemischtes Brennstoff-Luftgemisch, mittels einer Drallströmung 3 in die Brennkammer eintritt und dort zündet. Durch die Drallströmung 3 mit Rückfluss im Kern bildet sich eine drallstabilisierte Flamme 4 in der Brennkammer 2 aus. Im vorliegenden Beispiel ist die Frontplatte 8 des Vormischbrenners 1 perforiert ausgebildet und mit einer zusätzlichen Metallfaserschicht 9 beschichtet, die in gleicher Weise perforiert ist. Beabstandet von der Frontplatte ist eine weitere perforierte Platte 7 angeordnet, so dass zwischen Frontplatte 8 und perforierter Platte 7 ein definierter Zwischenraum ausgebildet ist. Diesem Zwischenraum wird über eine von der Brennstoffzuführung zum Vormischbrenner 1 unabhängige Brennstoffzuführung 5 ein Brennstoff-Luftgemisch zugeführt. Dieses tritt in einen Verteilungsraum 6 ein, bevor es durch die perforierte Platte 7, die auch als Verteilerplatte für eine homogene Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemisches auf die Frontplatte 8 dient, in den Zwischenraum eintritt. Der Druckabfall über die perforierte Platte 7 ist über die Perforation so eingestellt, dass diese Platte eine akustisch voll reflektierende Wand bildet. Das Brennstoff-Luft-Gemisch tritt aus dem Zwischenraum dann durch die Frontplatte 8 und die Metallfaserschicht 9 in die Brennkammer 2 ein. Dies ist durch die Pfeile des Gasflusses 10 in der Figur angedeutet. Das Brennstoff-Luft-Gemisch des Gasflusses 10 zündet an dieser Stelle und dient als Pilotstufe für die Gasturbinen-Anlage, in der der vorliegende Brennraum zur Anwendung kommt.
Durch die perforierte Ausgestaltung der Frontplatte 8 und der Metallfaserschicht 9 wird neben der Zufuhrmöglichkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches zur Brennkammer 2 auch eine akustische Dämpfung von Brennkammerdruckschwingungen erreicht. Der Durchfluss 10 durch diese Anordnung ermöglicht die akustische Dämpfung, da durch geeignete Einstellung der Perforation unter Berücksichtigung der bestimmungsgemäßen Durchflussgeschwindigkeit die erforderliche Bedingung für die Resistanz dieses Wandungselementes R = ρ·c erreicht werden kann (vgl. Gleichung (2) der vorangehenden Beschreibung). Der Zwischenraum zwischen der Verteilungsplatte 7 und der Frontplatte 8 ist gemäß Gleichung (3) der vorangehenden Beschreibung so gewählt, dass die Reaktanz X annähernd 0 ist.
2 zeigt beispielhaft die dämpfende Wirkung eines derartigen Pilotbrenners anhand eines berechneten Absorptionskoeffizienten 1 – |r²|, wobei r = (Z + ρ·c) /(Z – ρ·c) den Reflektionskoeffizienten darstellt. Das Diagramm zeigt die Größe des Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz von Druckschwingungen in der Brennkammer. Bei diesem Beispiel wurde der Pilotbrenner so dimensioniert, dass Pulsationen bei 350 Hz in einer 20 hPa Gasturbinenbrennkammer optimal gedämpft werden. Hierbei wurde ein Druckabfall von 3·10² Pa über die Metallfaserschicht 9 angenommen, der zu einer spezifischen Leistung von 3500 kW/m² führt. Die zugehörige Geschwindigkeit des Durchflusses 10 wurde mit 8 m/s, die Porosität mit 2%, der Lochdurchmesser mit 1,5 mm und die Lochlänge mit 8 mm – 6 mm Dicke der Frontplatte 8 und 2 mm Dicke der Metallfaserschicht 9 – angenommen. Durch Veränderung der geometrischen Parameter lassen sich auf diese Weise auch Pilotbrenner mit anderen absorbierenden Eigenschaften erzeugen. Aus der Figur ist sehr gut die hohe Absorption im beabsichtigten Frequenzbereich zu erkennen. Durch eine derartige Ausgestaltung lassen sich aufgrund des flachen Verlaufs der Kurve jedoch auch Frequenzen in einem größeren Frequenzbereich gut dämpfen.
3 zeigt beispielhaft einen Vormischbrenner, wie er im vorliegenden Brennraum eingesetzt werden kann. Ein derartiger Vormischbrenner ist bspw. aus der US 4,781,030 oder der US 4,932,861 bekannt. Hierbei handelt es sich um einen Vormischbrenner mit einem Drallerzeuger aus mehreren kegelabschnittsförmigen Teilschalen, in dem durch entsprechende Längsschlitze zwischen den Teilschalen Verbrennungsluft tangential eintritt. Durch eine zentrale Brennerlanze 12 wird bspw. flüssiger Brennstoff eingedüst, während durch seitliche Brennstoffzuführungen 13 mit entsprechenden Austrittsöffnungen 14 zusätzlich gasförmiger Brennstoff in die erzeugte Drallströmung der Verbrennungsluft eingebracht werden kann. Durch die Drallströmung wird der Brennstoff mit der Verbrennungsluft homogen vermischt und bildet am Brenneraustritt eine drallstabilisierte Flamme mit Rückfluss im Kern aus. In dieser Abbildung ist ebenfalls ein Teil der Frontplatte 8 dieses Vormischbrenners zu erkennen. Selbstverständlich ist diese Art Vormischbrenner lediglich beispielhaft zu verstehen, da in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beliebige Vormischbrenner zum Einsatz kommen können.
4 zeigt schließlich zwei Beispiele für die Ausgestaltung der Frontplatte 8 von Wandelementen mit einem Vormischbrenner wie dem der 3 in Draufsicht. Bei der mit dem Bezugszeichen 15 bezeichneten Ausgestaltung hat die Frontplatte 8 eine sechseckige Außenkontur, wie sie bei sog. Silo-Brennkammern zum Einsatz kommt. Hierbei sind mehrere dieser Wandelemente auf einer größeren Fläche aneinander gereiht. Die Ausgestaltung, die mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist, stellt wiederum die Frontplatte 8 eines Wandelementes für eine Ringbrennkammer dar, bei der mehrere dieser Wandelemente mit den enthaltenen Vormischbrennern so aneinander gesetzt werden, dass sie die Ringform der Ringbrennkammer wiedergeben. In beiden Fällen ist deutlich die perforierte Ausgestaltung der Frontplatte 8 zu erkennen, durch die die akustische Dämpfung erreicht und zusätzlich Pilotbrenner realisiert werden.

1: Vormischbrenner
2: Brennraum/Brennkammer
3: Drallströmung
4: drallstabilisierte Flamme
5: weitere Brennstoffzuführung
6: Verteilungskammer
7: perforierte Verteilungsplatte
8: perforierte Frontplatte
9: Metallfaserschicht
10: Durchfluss des brennbaren Gases
11: Wandung des Brennraums
12: Brennstofflanze
13: weitere Brennstoffzuführung
14: Brennstoffaustrittsöffnungen
15: erste geometrische Ausgestaltung eines
: Wandelementes
16: zweite geometrische Ausgestaltung eines
: Wandelementes
α: Absorptionskoeffizient
f: Frequenz

Claims

Brennraum, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit zumindest einem Vormischbrenner (1), der einen Brenneraustritt für die Zufuhr eines Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches in den Brennraum (2) aufweist, und zumindest einem gasdurchlässigen, perforiert ausgebildeten Abschnitt (7, 8) in einer Wandung (11) des Brennraums (2) und/oder einer Frontplatte des Vormischbrenners (1), der mit einem Mittel (5) zur Zuführung eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zum Brennraum (2) in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdurchlässige Abschnitt (7, 8) doppelwandig mit einer inneren (8), dem Brennraum (2) zugewandten und einer äußeren, dem Brennraum (2) abgewandten Wandung (7) ausgebildet ist, zwischen denen ein definierter Abstand vorliegt, und die Größe L des Abstandes, die Porosität σ der Perforation der inneren Wandung (8) und die Dicke der inneren Wandung (8) so aufeinander abgestimmt sind, dass die komplexe Schallimpedanz Z = R + iX des gasdurchlässigen Abschnittes beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennraums für dabei auftretende Pulsationsfrequenzen zumindest annähernd den Wert ρ·c annimmt, wobei ρ die Dichte eines durch das brennbare Gas oder Gasgemisch gebildeten Fluids und c die Schallgeschwindigkeit im Fluid darstellen.
Brennraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe L des Abstandes, die Porosität σ der Perforation der inneren Wandung (8) und die Dicke der inneren Wandung (8) so aufeinander abgestimmt sind, dass M = σ/ζund X = ρ·ω[(t + λ)/σ – c/ω·cot(ωL/c)] = 0,wobei M die Machzahl des Durchflusses des brennbaren Gases oder Gasgemisches, ζ der Druckverlustkoeffizienz von Löchern der Perforation der inneren Wandung (8), ω = 2πf, f eine der zu dämpfenden Pulsationsfrequenzen, t die Länge der Löcher der Perforation der inneren Wandung (8) und λ ein Endkorrekturwert sind.
Brennraum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandung (8) eine dem Brennraum (2) zugewandte Schicht (9) aus einem porösen Werkstoff umfasst.
Brennraum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandung (7) durch eine Schicht aus einem porösen Werkstoff gebildet ist.
Brennraum nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem porösen Werkstoff eine Metallfaserschicht (9) ist.
Brennraum nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem porösen Werkstoff aus einem porös gesinterten Werkstoff besteht.
Brennraum nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Porosität von 60% bis 95%, insbesondere 78% bis 88%, aufweist.
Brennraum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandung (8) eine dem Brennraum (2) zugewandte Schicht (9) aus einem Fasergewebe umfasst.
Brennraum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandung (7) durch eine Schicht aus einem Fasergewebe gebildet ist.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder zumindest ein weiterer gasdurchlässiger Abschnitt (7, 8), der mit einem Mittel (5) zur Zuführung eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zum Brennraum (2) in Fluidverbindung steht, im Bereich des Brenneraustritts in einem seitlichen Bereich der Wandung (11) des Brennraums (2) ausgebildet ist.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zum Vormischbrenner (1) mehrere voneinander getrennte und unabhängig voneinander mit brennbarem Gas oder Gasgemisch beaufschlagbare gasdurchlässige Abschnitte (7, 8) angeordnet sind, die jeweils mit einem Mittel (5) zur Zuführung eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zum Brennraum (2) in Fluidverbindung stehen.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die gasdurchlässigen Abschnitte (7, 8) zusätzlich mit einem Mittel zur Zufuhr eines nichtbrennbaren Gases, insbesondere Luft, in Fluidverbindung stehen.
Brennraum nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zufuhr des nichtbrennbaren und des brennbaren Gases zur Einstellung des Durchflusses unabhängig voneinander steuerbar sind.
Wandelement für einen Brennraum nach einem der Patentansprüche 1 – 13, bestehend aus einem Vormischbrenner (1) mit einer Frontplatte, die einen gasdurchlässigen, perforiert ausgebildeten Abschnitt (7, 8) aufweist, der mit einem Mittel (5) zur Zuführung eines brennbaren Gases oder Gasgemisches zum Brennraum (2) in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdurchlässige Abschnitt (7, 8) doppelwandig mit einer inneren (8), dem Brennraum (2) zugewandten und einer äußeren, dem Brennraum (2) abgewandten Wandung (7) ausgebildet ist, zwischen denen ein definierter Abstand vorliegt, und die Größe L des Abstandes, die Porosität σ der Perforation der inneren Wandung (8) und die Dicke der inneren Wandung (8) so aufeinander abgestimmt sind, dass die komplexe Schallimpedanz Z = R + iX des gasdurchlässigen Abschnittes beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennraums für dabei auftretende Pulsationsfrequenzen zumindest annähernd den Wert ρ·c annimmt, wobei ρ die Dichte eines durch das brennbare Gas oder Gasgemisch gebildeten Fluids und c die Schallgeschwindigkeit im Fluid darstellen.
Wandelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontplatte eine sechseckige Außenkontur aufweist.
Wandelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontplatte eine kreisringabschnittsförmige Außenkontur aufweist.
Wandelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandung (8) eine dem Brennraum (2) zugewandte Schicht (9) aus einem porösen Werkstoff oder einem Fasergewebe umfasst.
Wandelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandung (7) durch eine Schicht aus einem porösen Werkstoff oder einem Fasergewebe gebildet ist.
Wandelement nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem porösen Werkstoff eine Metallfaserschicht (9) ist.
Wandelement nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Porosität von 60% bis 95%, insbesondere 78% bis 88%, aufweist.
Verwendung eines Brennraums nach einem der Patentansprüche 1 – 13 als Brennkammer einer Gasturbine.
Verfahren zum Betrieb eines Brennraums nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem in einem ersten Betriebszustand ein brennbares Gas oder Gasgemisch für einen Pilotbetrieb und in einem zweiten sich an den Pilotbetrieb anschließenden und/oder diesem vorausgehenden Betriebszustand ein nicht brennbares Gas oder Gasgemisch mit einem Durchfluss über den gasdurchlässigen Abschnitt (7, 8) in den Brennraum (2) eingebracht werden, bei dem die komplexe Schallimpedanz Z = R + iX des gasdurchlässigen Abschnittes für im Betrieb auftretende Pulsationsfrequenzen zumindest annähernd den Wert ρ·c annimmt.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Größe L des Abstandes, der Porosität σ der Perforation der inneren Wandung (8) und der Dicke der inneren Wandung (8) des gasdurchlässigen Abschnittes (7, 8) der Durchfluss so eingestellt wird, dass M = σ/ζund X = ρ·ω[(t + λ)/σ – c/ω·cot(ωL/c)] = 0,wobei M die Machzahl des Durchflusses des brennbaren oder nicht brennbaren Gases oder Gasgemisches, ζ der Druckverlustkoeffizienz der Löcher der Perforation der inneren Wandung (8), ω = 2πf, f eine der zu dämpfenden Pulsationsfrequenzen, t die Länge der Löcher der Perforation der inneren Wandung (8) und λ ein Endkorrekturwert sind.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand Luft als nicht brennbares Gasgemisch eingebracht wird.