DE102004010620A1

DE102004010620A1 - Verfahren zur wirksamen Nutzung von Kühlung zur akustischen Dämpfung von Brennkammerpulsationen sowie Brennkammer

Info

Publication number: DE102004010620A1
Application number: DE102004010620A
Authority: DE
Inventors: Valter Bellucci; Jonas Hurter; Jörg Dr. Pross
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: DE102004010620B4; US7065971B2; GB0305025D0; US20040172948A1

Abstract

Durch Verbrennung verursachte Druckpulsationen können den Bereich der Betriebsbedingungen, unter denen eine moderne Gasturbine mit geringer Emission und einem hohen Leistungswirkungsgrad arbeiten kann, einschränken. Die Steuerung akustischer Schwingungen ist folglich für die Gasturbinenauslegung, ihre Entwicklung und Wartung in zunehmendem Maße eine Frage, der große Bedeutung zukommt. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kühlluftleckage durch die Spalte (7) von Combustorauskleidungssegmenten (3; 4) zu nutzen, um eine akustische Dämpfung von Verbrennungspulsationen zu erreichen. Das Hauptbauteil der Konstruktion ist die Abdichtungseinrichtung (8), die den Spalt (7) zwischen den beiden Auskleidungssegmenten (3) und (4) abdeckt. Die Abdichtungseinrichtung (8) sammel im Plenum (9) einen Teil der zwischen dem Außengehäuse (1) und der inneren Auskleidungskonstruktion (2) strömenden Kühlluft (6). Zu diesem Zweck ist die Abdichtungseinrichtung (8) mit Öffnungen (12) entlang den Seitenwänden (10) ausgestattet, die es der Kühlluft (6) ermöglichen, in das Plenum (9) einzutreten. Im Plenum (9) wird die Kühlluft (6) entlang dem Spalt (7) verteilt und durch Austrittsöffnungen (13) ausgetragen, die entlang der Oberseite (11) der Abdichtungseinrichtung (8) verteilt sind. Die durch die Austrittsöffnungen (13) ausgetragenen Strahlen (18) erzielen die zusätzliche Wirkung einer Dämpfung akustischer Pulsationen in der Brennkammer (17).

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Brennkammer zur wirksamen Nutzung der Kühlluftleckage durch die Spalte von Brennkammerauskleidungssegmenten, um eine akustische Dämpfung von Verbrennungspulsationen zu erzielen.
Stand der Technik
In den Brennkammern von Gasturbinen moderner Bauart. kann es im Betrieb zu Druckschwingungen bzw. akustischen Schwingungen kommen. Derartige Schwingungen erweisen sich im Betrieb als störend und können sogar zur Zerstörung von Bauteilen führen. Ein wirksamer Dämpfungsmechanismus ist daher für die Betriebsfähigkeit der Brennkammer und die Unversehrtheit der Bauteile vorteilhaft. Eine Möglichkeit zur Dämpfung oder Unterdrückung derartiger Schwingungen besteht darin, an der Brennkammer sogenannte Helmholtzresonatoren anzubringen, die als Dämpfungselemente an die Schwingungen ankoppeln und sie dämpfen oder vollständig zum Verschwinden bringen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beispiele für den Einsatz von Helmholtzresonatoren bekannt. In der Druckschrift US 5373695 wird eine Ringbrennkammer für eine Gasturbine beschrieben, bei welcher an der Stirnseite neben den Brennern einzelne, mit Kühlluft gespülte Helmholtzresonatoren angeordnet sind, die jeweils ein aussenliegendes Dämpfungsvolumen umfassen, das über ein Dämpfungsrohr mit der Brennkammer in Verbindung steht und zur Verhinderung einer hitzebedingten frequenzmässigen Verstimmung über ein dünnes Versorgungsrohr von aussen mit Kühlluft beaufschlagt wird.
In der Druckschrift US 5644918 wird eine Gasturbinenbrennkammer beschrieben, bei der innerhalb des die Brennkammer umgebenden Kühlluft führenden Doppelmantels und an der Stirnseite der Brennkammer im Bereich der Brenner durch Einziehen zusätzlicher Trennwände Helmholtzresonatoren gebildet werden, die über Verengungen mit der Brennkammer in Verbindung stehen, im übrigen aber vollkommen abgeschlossen sind, so dass ein Durchfluss von Kühlluft durch die Resonatorräume nicht stattfindet.
Die bekannten, mit Helmholtzresonatoren arbeitenden Lösungen sind aufwendig in der Konstruktion, lassen sich bei vorhandenen Gasturbinen nur schwer nachrüsten, nehmen, wenn sie in einer Mehrzahl eingesetzt werden, erheblichen Platz ein und sind nicht kompatibel mit Kühlkonzepten, bei denen die Innenwand der Brennkammer durch von aussen herangeführte Kühlluft gekühlt wird. Zusätzlich weisen Lösungen mit Helmholtzresonatoren meist den Nachteil auf, dass ihr Schallabsorptionsprofil im Frequenzbereich ziemlich schmalbandig ist.
Eine andere Lösung zur akustischen Dämpfung ist in der Druckschrift EP 0990891 wiedergegeben. Die Innenwand der Brennkammer ist zumindest in einem Teilbereich aus wenigstens zwei, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Lochplatten gebildet, wobei eine erste Lochplatte unmittelbar an die Kühlluftkanäle grenzt und mit einer Mehrzahl von ersten Öffnungen versehen ist, durch welche Kühlluft aus den Kühlluftkanälen in ein hinter der ersten Lochplatte liegendes erstes Zwischenvolumen strömt, hinter der ersten Lochplatte, in Richtung der Verbrennungszone, eine weitere Lochplatte angeordnet ist, welche mit einer Mehrzahl von weiteren Öffnungen versehen ist, der Abstand zwischen der ersten Lochplatte und der weiteren Lochplatte und die geometrischen Abmessungen der weiteren Öffnungen so gewählt sind, dass die Öffnungen zusammen mit zwischen den Lochplatten vorhandenen Zwischenvolumen eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Helmholtzresonatoren bilden und als Schalldämpfer für in der Brennkammer entstehende akustische Schwingungen wirken. Eine derartige Anordnung führt bei geringem Platzbedarf zu einer breiten Schallabsorptionscharakteristik.
Das akustische Verhalten solcher perforierten Wände ist mittels seiner Impedanz Z=R+iX definiert, das heisst, das Verhältnis zwischen dem akustischen Druck und der Geschwindigkeit senkrecht zur Wand ist im Frequenzbereich definiert. Der reale Teil R der Impedanz ist der Widerstand, und der imaginäre teil X ist die Reaktanz. Der Widerstand R der perforierten Wand betrifft Dissipationsprozesse, die in den Wandlöchern stattfinden. Die Hauptdissipationswirkung besteht darin, dass akustische energie in eine Ablösung des in den Rändern der Wandlöcher erzeugten Wirbelvektors umgewandelt wird, dass nachgeschaltet eine Konvektion und anschliessend durch Turbulenz eine Dissipation zu Wärme erfolgt. Die Reaktanz X stellt die Trägheit des in den Löchern und im hinteren Hohlraum unter der Wirkung des akustischen Felds stossweise fliessenden Fluids dar. Um spezifische akustische Moden zu dämpfen, sind die perforierten Wände so ausgelegt, dass sie einen nahe bei ρc liegenden R-Wert aufweisen (wobei ρ die Fluiddichte und c die Fluidschallgeschwindigkeit sind), und X << ρc in dem Frequenzbereich liegt, in dem solche Moden stattfinden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Bedingungen R=ρc und X=0 der reflexionsfreien Bedingung enstsprechen, das heisst der vollständigen Absorption der akustischen Energie einer Welle mit senkrechter Einfallebene. Der Wirkungsgrad solcher Akustikschirme hängt weitgehend vom abgedeckten Oberflächenbereich ab.
Die Aussenkonstruktion moderner Gasturbinen ist üblicherweise aus einem Material wie Stahlguß hergestellt, welches zum Schutz vor den Heissgasen mit einer Auskleidung oder einer Schale aus einem hochtemperaturbeständigen Material (Legierung auf Ni-Basis oder sogar Baukeramik) ausgekleidet ist, die von der Rückseite aus gekühlt wird. Vom Konstruktionsstandpunkt aus ist es vorteilhaft, für die Innenauskleidung Mehrfachsegmente anstelle eines einteiligen Stücks zu verwenden, weil dadurch die Montage vereinfacht wird und die thermischen Beanspruchungen in der Auskleidung niedriger gehalten werden. Ein Nachteil der segmentierten Auskleidung besteht darin, daß sich immer Spalte endlicher Breite zwischen den einzelnen Segmenten befinden. Als Folge davon besteht ein Risiko, daß Heißgase in die Spalte eindringen, wodurch es auf lange Sicht zu einer Beschädigung der Gehäusekonstruktion kommen würde. Aus diesem Grunde werden die Spalte durch eine gesteuerte Kühlluftleckage gespült.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zusätzlichen Vorteil aus der notwendigen Kühlluftleckage durch die Auskleidungssegmente zu erreichen, dergestalt, dass sie zur akustischen Dämpfung von Verbrennungspulsationen herangezogen wird.

Erfindungsgemäss wird dies durch ein Verfahren und eine Brennkammer der in den unabhängigen Ansprüchen bezeichneten Art erreicht. Vorteilhafte Ausführungsarten sind dabei den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Austrag an Kühlluftleckage in die Brennkammer durch Einsatz einer zweckentsprechenden Gestaltung der Spalte zwischen den Auskleidungssegmenten in Gestalt einer Mehrzahl individueller Luftstrahlen zu bewirken, anstelle eines diffusen und ziemlich ungesteuerten Leckagestroms. Diese individuellen Strahlen bewirken eine akustische Dämpfung. Unter der Bedingung Z=ρc wird die gesamte Energie einer Welle mit senkrechter Einfallebene absorbiert. Der lineare Beitrag R ist gegenüber dem nicht linearen Beitrag X vorherrschend (akustische Geschwindigkeitskonvektion des Wirbelvektors), wenn die Strömungsgeschwindigkeit größer als die Schallgeschwin digkeit im Loch ist. In diesem Fall hängt R lediglich von der Frequenz ab und kann, unabhängig vom akustischen Feld, durch Einwirken auf die Strömungsgeschwindigkeit und die Porosität abgestimmt werden. Stromaufwärts zu den Austrittsöffnungen wird ein Plenum verwendet, um die Kühlluft zu verteilen und die Reaktanz X entsprechend der zu dämpfenden Frequenz auf Null abzustimmen. Dadurch ist es möglich, die dem Akustikschirm vor- und nachgeschalteten akustischen Bereiche abzukoppeln.

Ein umfassenderes Verständnis der Erfindung und vieler der damit verbundenen Vorteile ergibt sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen; dabei sind:
1a und 1b Darstellungen eines Konstruktionsprinzips für Brennkammern mit Auskleidungssegmenten und Kühlluftleckage durch Segmentspalte;
2 eine Darstellung einer Abdichtungseinrichtung zwischen Auskleidungssegmenten;
3 eine Darstellung eines Beispiels einer Akustikschirmabsorption durch Kühlluftleckage.
Es sind nur diejenigen Elemente dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung unbedingt erforderlich sind. Nicht dargestellt sind beispielsweise der Kompressor, die Turbine, das dem Brenner vorgeschaltete Plenum und das Brennstoffsystem.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die 1a und 1b, auf die nunmehr Bezug genommen wird, zeigen ein Konstruktionsprinzip für Brennkammern, das speziell in großen Industriegasturbinen weitgehende Anwendung findet. Das Gehäuse (1) ist die Außenkonstruktion des Verbrennungssystems, das durch den Brenner (15) und die Brennkammer (17) gebildet ist, in der die Heißgase (16) strömen. Die innere Oberfläche des Brennkammergehäuses (1) ist mit Auskleidungssegmenten (3; 4) abgedeckt, die auf der Rückseite durch einen Kühlstrom (6) gekühlt werden. Durch die Spalte (7) zwischen den Auskleidungssegmenten (3; 4) strömt die Kühlluftleckage (14) aus. In 1b ist ein Querschnitt einer ringförmigen Brennkammer beispielhaft dargestellt. Das gleiche Konstruktionsprinzip kann auch für andere Brennkammerausführungen, wie beispielsweise eine Silobrennkammer, angewendet werden.
2 zeigt ein Konstruktionsprinzip einer Abdichtungseinrichtung (8) zwischen den Auskleidungssegmenten (3; 4). Die Abdichtungseinrichtung (8) deckt den Spalt (7) zwischen den beiden Auskleidungssegmenten (3; 4) ab. Die Abdichtungseinrichtung (8) sammelt im Plenum (9) einen Teil der Kühlluft (6), die zwischen dem Gehäuse (1) und den Auskleidungssegmenten (3; 4) strömt. Zu diesem Zweck ist die Abdichtungseinrichtung (8) mit Einlaßöffnungen (12) entlang den Seitenwänden (10) ausgestattet, die es der Kühlluft (6) ermöglichen, in das Plenum (9) einzutreten. Die Form, Anzahl und Größe dieser Öffnungen (12) bestimmen den Druckabfall und die Teilmenge des gesamten Kühlluftmassenstroms, der in das Plenum (9) eintritt. Im einfachsten Fall können die Öffnungen (12) als einfache zylindrische Bohrungen ausgeführt sein, können aber auch eine beliebige andere zweckentsprechende Form aufweisen. Im Plenum (9) wird die Kühlluft (6) entlang dem Spalt (7) zwischen den Auskleidungssegmenten (3; 4) verteilt und durch die Austrittsöffnungen (13) ausgetragen, die entlang der Oberseite (11) der Abdichtungseinrichtung (8) verteilt sind. Die Gesamtfläche dieser Kühlluftaustrittsöffnungen (13) ist üblicherweise etwas kleiner als die Öffnungen (12) für den eintretenden Kühlluftstrom entlang den Seitenwänden (10), so daß immer ein positiver Druckabfall sichergestellt ist und verhindert wird, daß heißes Gas unterhalb der Abdichtungseinrichtung (8) in das Plenum (9) eintritt. Auch hier entspricht die einfachste Form dieser Öffnungen (12) und (13) derjenigen einer zylindrischen Bohrung, aber andere Formen sind auch möglich. Die durch die Austrittsöffnungen (13) austretenden Strahlen (18) erzielen die Wirkung einer Dämpfung akustischer Pulsationen in der Brennkammer (17)
Es ist natürlich möglich, die Erfindung in anderen spezifischen Ausführungsformen als in der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform zu realisieren. Dies kann erfolgen, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Die bevorzugte Ausführungsform dient lediglich der Veranschaulichung und stellt in keiner Weise eine Beschränkung dar.
Um die akustische Dämpfung einschätzen zu können, muß das durch die gelochte Oberseite (11) der Abdichtungseinrichtung (8) gebildete Akustikschirm in Betracht gezogen werden. Der Strom durch die gesamten Austritts öffnungen (13), die über die Abdichtungseinrichtung (8) verteilt sind, ist für die akustische Dämpfung verantwortlich, wobei die Porosität und die Strömungsgeschwindigkeit die gewünschte Bedingung für den Widerstand R realisieren können. Das den Austrittsöffnungen (13) vorgeschaltete Plenum (9) bildet den akustischen hinteren Hohlraum, der für eine Nullreaktanz ausgelegt ist, d.h. X=0.
3 zeigt ein Beispiel einer numerischen Vorhersage einer Akustiksiebdämpfung, ausgedrückt als Größenordnung des Absorptionskoeffizienten 1-|r²|, mit dem Reflexionskoeffizienten r=(Z+ρc)/(Z-ρc). Die aufgetragene Größenordnung zeigt die maximale Absorption der Resonanzfrequenz an, die auch durch einen typischen Phasensprung gekennzeichnet ist. Absorptionskurven für unterschiedliche Frequenzen können durch Veränderung der Auslegungsparameter erhalten werden. Die maximale Dämpfungsfrequenz hängt von folgenden Faktoren ab: Austrittsöffnungsdurchmesser, -länge, Schallgeschwindigkeit, Distanz zwischen den Austrittsöffnungen (13), Dicke des hinteren Hohlraums. Der Wert der maximalen Dämpfung hängt hauptsächlich von der Strahlgeschwindigkeit ab. Somit bietet die Konstruktion eine Variabilität von Parametern, die verwendet werden können, um die Dämpfungseigenschaften des Systems zu steuern. Es ist auch möglich, selbst die Dämpfungskurve durch Verwendung unterschiedlicher Parameter in unterschiedlichen Spalten (7) unterschiedlicher Brennkammerbereiche zu verbreitern.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf eine besondere Ausführung einer Brennkammer oder ein spezielles Abdichtungskonzept beschränkt ist.

1: Außengehäuse
2: Auskleidung
3: Auskleidungssegment
4: Auskleidungssegment
5: Kühlluftkanal
6: Kühlluftstrom
7: Spalt
8: Abdichtungseinrichtung
9: Plenum
10: Seitenwände von (8)
11: obere Wand von (8)
12: Einlaßöffnungen
13: Austrittsöffnungen
14: Kühlluftleckage
15: Brenner
16: heißes Gas
17: Brennkammer
18: Luftstrahlen

Claims

Verfahren zur Dämpfung von durch Verbrennung verursachten Pulsationen in einer Brennkammer für eine Gasturbine, bei dem die Brennkammer mindestens ein die Außenkonstruktion der Brennkammer (17) bildendes Gehäuse (1), eine Auskleidung (2), die vom Gehäuse (1) aus radial nach innen beabstandet ist und die innere Oberfläche des Brennkammergehäuses (1) bildet, sowie einen zwischen dem Gehäuse (1) und der Auskleidung (2) verbleibenden Kühlluftkanal (5) umfaßt, wobei das Verfahren das Sammeln von mindestens einem Teil der zwischen dem Außengehäuse (1) und der inneren Auskleidungskonstruktion (2) strömenden Kühlluft (6) in mindestens einem Plenum (9), das Bilden mehrerer individueller Strahlen (18) der Kühlluft (6) sowie das Austragen dieser individuellen Luftstrahlen (18) in die Brennkammer (17) hinein umfaßt, so daß dadurch eine akustische Dämpfung erzielt wird.
Brennkammer für eine Gasturbine, wobei die Brennkammer mindestens folgendes umfaßt: ein die Außenkonstruktion der Brennkammer (17) bildendes Gehäuse (1); eine Auskleidung (2), die vom Gehäuse (1) aus radial nach innen beabstandet ist und die innere Oberfläche des Brennkammergehäuses (1) bildet; wobei die Auskleidung (2) aus mehreren Segmenten (3; 4) besteht; einen zwischen dem Gehäuse (1) und den Auskleidungssegmenten (3; 4) verbleibenden Kühlluftkanal (5); und eine Abdichtungseinrichtung (8) im Spalt (7) zwischen angrenzenden Segmenten (3; 4) mit mehreren Austrittsöffnungen (13), um Strahlen (18) von Kühlluft in die Brennkammer (17) hinein auszutragen.
Brennkammer nach Anspruch 2, bei der die Abdichtungseinrichtung (8) mindestens folgendes umfaßt: eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand (10), die beide in der Fläche des Kühlluftkanals (5) vorgesehen sind; eine dritte Wand (11) an der Oberseite, die den Spalt (7) überbrückt; ein durch die Seitenwände (10) und die obere Wand (11) gebildetes Plenum (9); Einlaßöffnungen (12) entlang den Seitenwänden (10); und Austrittsöffnungen (13) entlang der Oberseite in der Fläche des Spalts (7).
Brennkammer nach Anspruch 3, bei der die Abdichtungseinrichtung (8) an den inneren Segmenten (3; 4) vorgesehen ist.
Brennkammer nach Anspruch 3, bei der die Abdichtungseinrichtung (8) an den äußeren Segmenten (3; 4) vorgesehen ist.
Brennkammer nach Anspruch 3, bei der die Abdichtungseinrichtung (8) gleichzeitig an den inneren Segmenten und an den äußeren Segmenten vorgesehen ist.
Brennkammer nach Anspruch 3, bei der die Gesamtfläche der Austrittsöffnungen (13) kleiner als die Gesamtfläche der Einlaßöffnungen (12) ist.
Brennkammer nach Anspruch 3, bei der sowohl die Austrittsöffnungen (13) als auch die Einlaßöffnungen (12) zylindrische Bohrungen sind.
Brennkammer nach Anspruch 2, bei der es sich um eine Silobrennkammer für eine Gasturbine handelt.
Brennkammer nach Anspruch 2, bei der es sich um eine ringförmige Brennkammer für eine Gasturbine handelt.