DE102011081962A1

DE102011081962A1 - Brennkammer für eine Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102011081962A1
Application number: DE102011081962A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prade; Jaap Van Kampen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-07
Also published as: CN103765105A; WO2013029981A1; EP2732214A1; US20140345283A1; RU2014112332A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (1) für eine Gasturbinenanlage, mit einer Brennkammerwandung (10), welche von Verbrennungsgasen in Richtung einer nachgeschalteten Entspannungsturbine durchströmt wird, wobei die Brennkammerwandung (10) eine Dämpfungseinrichtung (20) zum Dämpfen von, durch die Verbrennungsgase bewirkten, thermoakustischen Schwingungen aufweist, und wobei die Dämpfungseinrichtung (20) zumindest einen Helmholtz-Resonator umfasst, der so ausgebildet ist, dass sein Resonatorvolumen (21) auf der einer Brennkammerinnenwand (10’) abgewandten Seite der Brennkammerwandung (10) zum Liegen kommt und zumindest eine mit dem Resonatorvolumen (21) zusammenwirkende Resonatorröhre (22) aufweist, die mit ihrer dem Resonatorvolumen (21) gegenüberliegenden Resonatorröhrenmündung (M) in der Brennkammerinnenwand (10’) in die Brennkammer (1) mündet, und wobei zumindest eine Zuführöffnung (23, 23’, 23’’) vorgesehen ist, mit der Sperrluft zum Sperren der Resonatorröhrenmündung (M) aus einem die Brennkammer umgebenden Verdichterplenum (2) eines vorschaltbaren Verdichters in die Brennkammer (1) eingebracht wird, und wobei die zumindest eine erste Zuführöffnung (23’, 23’’) in einem Bereich der Brennkammerwandung (10) nahe der Resonatorröhrenmündung (M) der zumindest einen Resonatorröhre (22) vorgesehen ist und so ausgerichtet ist, dass die durch die Zuführöffnung (23’, 23’’) strömende Sperrluft (S) die Resonatormündung (M) überströmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine entsprechend ausgebildete Gasturbinenanlage gemäß Anspruch 7.
Gasturbinenanlagen bestehen im Wesentlichen aus einem Verdichter, einer Brennkammer mit Brenner und einer Entspannungsturbine. Im Verdichter wird angesaugte Luft verdichtet, bevor sie im nachgeschalteten und im Verdichterplenum angeordneten Brenner in der Brennkammer mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch verbrannt wird. Die der Brennkammer nachgeschaltete Entspannungsturbine entzieht dann den im Brenner entstandenen Verbrennungsabgasen thermische Energie und wandelt diese in mechanische Energie um. Ein mit der Entspannungsturbine koppelbarer Generator kann diese mechanische Energie zur Stromerzeugung in elektrische Energie umwandeln.
Heute müssen Gasturbinenanlagen, wie andere stromerzeugende Anlagen auch, in allen Lastbereichen möglichst geringe Schadstoffemissionen bei maximalem Wirkungsgrad aufweisen. Haupteinflussgrößen sind dabei die in der Brennkammer des Brenners eingestellten Massenströme des Brennstoffs, der verdichteten Luft sowie der zugeführten Kühlluft zur Kühlung der Brennerbauteile. Die Begrenzung von Schadstoffemissionen, insbesondere von NOx und unverbranntem Brennstoff meist in Form von CO, kann dabei aber zu einer Minimierung von Kühl- bzw. Leckageluftmenge in der Brennkammer und damit zu akustisch dämpfend wirkenden Parasitärströmungen führen. Darüber hinaus ist unter der Randbedingung der Begrenzung der Emissionen in der Regel mit einer Steigerung des Wirkungsgrades auch eine Steigerung der volumetrischen Wärmefreisetzungsdichte in der Brennkammer verbunden. Beides zusammen, das heißt Reduzierung der akustischen Dämpfung und Steigerung der Wärmefreisetzungsdichte in der Brennkammer, führt zu einem erhöhten Risiko, dass thermoakustisch induzierte Schwingungen einsetzen.
Derartige thermoakustische Schwingungen in der Brennkammer stellen aber ein Problem beim Entwurf und insbesondere im Betrieb von Gasturbinenanlagen dar.
Zur Verringerung solcher thermoakustischen Schwingungen werden heute Helmholtz-Resonatoren, die aus zumindest einer Resonatorröhre und einem Resonatorvolumen bestehen, zur Dämpfung eingesetzt. Derartige Helmholtz-Resonatoren dämpfen in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche und Länge der Resonatorröhre und vom Resonatorvolumen in bestimmten Frequenzbereichen die Amplitude von Schwingungen mit der Helmholtzfrequenz. Helmholtz-Resonatoren als Dämpfungseinrichtungen zur Begrenzung thermoakustischer Schwingungen in Brennkammern sind beispielsweise aus der EP 1 605 209 A1 oder der US 2007/0125089 A1 bekannt.
1 zeigt zum Beispiel die aus der US 2007/0125089 A1 bekannte Anordnung von Helmholtz-Resonatoren 20 auf einem Ring der Brennkammerwandung 10 quer zur Strömungsrichtung. Die Brennkammerwandung 10 ist dabei rohrförmig ausgebildet und trennt die Brennkammer 1 vom umgebenden Verdichterplenum 2. Die Durchbrüche 22 in der Brennkammerwandung 10 zwischen Resonatorvolumen 21 und Brennkammer 1 bilden die Resonatorröhren der Helmholtz-Resonatoren. Jeder Helmholtz-Resonator kann dabei – wie in 1 dargestellt – mehrere Resonatorröhren oder aber auch nur eine einzige Resonatorröhe aufweisen. Damit es zu keinem Eintrag der heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer 1 in die Helmholtz-Resonatoren 20 kommt, sind zusätzliche Öffnungen zur Zuführung von Sperrluft vorgesehen. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Zuführöffnungen 23 auf der den Resonatorröhren 22 gegenüberliegenden Wandung des Resonatorvolumens 21 angeordnet. Diese Öffnungen 23 ermöglichen, dass komprimierte Luft S aus dem die Brennkammer umgebenden Verdichterplenum 2 in das Resonatorvolumen 21 und von dort über die Resonatorröhren 22 in die Brennkammer 1 einströmen kann und so das Eindringen von heißen Verbrennungsgasen in die Resonatorröhren 22 sperrt.
Helmholtz-Resonatoren mit Sperrluftzuführungen über den Volumenkörper haben aber den Nachteil, dass diese, den Helmholtz-Resonator durchströmende Sperrluft dessen Dämpfungseigenschaften so vermindern kann, dass es im Betrieb des Brenners zu Instabilitäten kommen kann. Insbesondere wurde bei solchen Systemen bereits eine deutliche Reduktion der Dämpfungseigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit der die Resonatorröhren durchströmenden Sperrluft festgestellt. Eine bestimmte Sperrluftgeschwindigkeit in den Resonatorröhren ist aber notwendig, um eine sichere Sperrwirkung gegenüber den aus der Brennkammer in den Resonator eintretenden Verbrennungsgasen zu bewirken. Zudem erfordert diese Art der Sperrluftzufuhr eine Einleitung eines großen Anteils an Luft aus dem Verdichterplenum, welche dann aber nicht mehr der eigentlichen Verbrennung zur Reduzierung der Flammentemperatur zur Verfügung steht. Dies wiederum kann bei Gasturbinenanlagen, die zur maximalen NOx Reduktion an ihren Leistungsgrenzen betrieben werden, einen Anstieg an schädlichen NOx-Schadstoffen bewirken, was es aber gerade zu vermeiden gilt. Zudem kann die kühlere Sperrluft aus den Resonatoren dazu führen, dass es zu lokalen Instabilitäten in der Verbrennung kommt, was wiederum zu einer erhöhten CO-Schadstoffemission führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustellen, die die zuvor beschriebenen Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird mit der Brennkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass eine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Brennkammer mit zumindest einem Helmholtz-Resonator zumindest eine Zuführöffnung aufweist, die in einem Bereich der Brennkammerwandung nahe der Resonatorröhrenmündung der zumindest einen Resonatorröhre vorgesehen ist und so ausgerichtet ist, dass die durch die Zuführöffnung strömende Sperrluft die Resonatormündung überströmt, kann auf die aus dem Stand der Technik bekannte Eindüsung von Sperrluft durch den Helmholtz-Resonator verzichtet werden. Dessen Dämpfungseigenschaften werden somit nicht mehr durch die durchströmende Sperrluft beeinflusst, wodurch eine sichere Dämpfung thermoakustischer Schwingungen erreicht wird, was damit letztendlich die Lebensdauer der Brennerkammer und damit der gesamten Gasturbinenanlage erhöht. Zudem wird bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Sperrluftzufuhr im Vergleich zu den bekannten Ausführungen weniger Luft aus dem Verdichterplenum benötigt, so dass insgesamt auch der NOx- und CO-Schadstoffausstoß der Gasturbinenanlage geringer ausfallen wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Wesentlich bei allen Brennkammerausführungen ist, dass mit Hilfe geeignet ausgebildeter Zuführöffnungen brennkammerseitig vor den Resonatorröhrenmündungen ein Sperrfilm aufgebaut wird und so Sperrluft effektiver als sichere Sperre gegen ein Einströmen von heißen Verbrennungsgasen aus der Brennkammer in die Helmholtz-Resonatoren eingesetzt werden kann und gleichzeitig die Dämpfungseigenschaften der Helmholtz-Resonatoren durch die Sperrluft nicht beeinflusst werden. Mit solchen Brennkammern ausgestattete Gasturbinenanlagen können somit in allen Lastbereichen möglichst geringe Schadstoffemissionen bei maximalem Wirkungsgrad aufweisen.
Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Dämpfungseinrichtung,
2 schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung,
3 schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung,
4 schematisch eine dritte erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung,
5 schematisch eine vierte erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung.
Abweichend von der in 1 dargestellten bekannten Ausführungsform wird erfindungsgemäß die Sperrluft S nicht durch die Dämpfungseinrichtung 20 geführt, sondern Zuführöffnungen 23’ und/oder 23’’ so in der Brennkammerwandung 10 vorgesehen und ausgerichtet, dass die durch die Zuführöffnungen 23’, 23’’ strömende Sperrluft S die Resonatorröhrenmündung M im Bereich der Brennkammerinnenwand quasi ähnlich wie eine Filmkühlung überströmt.
2 zeigt eine erste Ausführungsform, bei der in der Brennkammerwandung 10 die Resonatorröhrenmündungen M gegenüber der Brennkammerinnenwand 10’ in einer definierten Fläche 10’’ weg vom Brennkammerinnenraum zurückversetzt ist, und die Zuführöffnung 23’ so ausgerichtet ist, dass die Sperrluft S nahezu parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsgase G in den Raum zwischen der Fläche 10’’ und der Brennkammerinnenwand 10’ so eingedüst wird, dass sie die zurückversetzten Resonatorröhrenmündungen M der Resonatorröhren 22 vollständig überströmt. In diesem Raum vor diesen Resonatorröhrenmündungen M (hier nur für zwei der sechs Respnatorröhren gezeigt) bildet sich so ein Sperrluftfilm, der sehr effektiv bereits mit einem geringen Sperrluftmassenstrom das Eindringen heißer Verbrennungsgase in den Helmholtz-Resonator 20 verhindert. Erfolgt die Eindüsung der Sperrluft, wie in 2 angedeutet, durch eine rohrförmige Öffnung 23’ in der stromaufwärts liegenden Seitenwand in Richtung stromabwärts der Verbrennungsgase, wird die eingedüste Sperrluft vom Verbrennungsabgasstrom mitgerissen und es kommt so zu einem besonders effektiven Sperrfilm.
Da die axiale Wirkstrecke von Filmkühlbohrungen begrenzt ist, kann wie in 3 andeutet eine zweite, der ersten Zuführöffnung 23’ gegenüberliegende Zuführöffnung 23’’ vorgesehen werden, die so ausgerichtet ist, dass die Sperrluft S nahezu parallel zur und entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsabgase G eingedüst wird, so dass auch Resonatoren mit einer in Strömungsrichtung größeren Erstreckung noch wirkungsvoll gesperrt werden können.
Weist, wie in 4 angedeutet, die Brennkammerwandung 10 an der zurückversetzten Fläche 10’’ auf der Höhe der Brennkammerinnenwand 10’ eine Überlappung L mit der zurückversetzten Flächen 10’’ auf, kann ebenfalls die Erstreckung der Resonatoren vergrößert werden, ohne dass eine zusätzliche, gegenüberliegende Reihe Sperrluftbohrungen erforderlich ist.
Von Vorteil ist es, wenn wie in 5 die Zuführöffnung 23’ oder auch andere Zuführöffnungen wie beispielsweise die in 3 gezeigte Zuführöffnung 23’’ in der Brennkammerwand 10 so angeordnet ist, dass ihrer Achse A hin zur Resonatorröhrenmündung M geneigt ist. Dadurch wird neben der Sperrung eine zusätzliche Prallkühlung der Resonatorwand erreicht, was insbesondere in Bereichen der Brennkammer mit besonders hohem Wärmeeintrag in die Brennkammerwand sinnvoll sein kann.
2 bis 5 zeigen jeweils verschiedene vorteilhafte Ausprägungen, die einzeln oder auch in Kombination den erfindungsgemäßen Gedanken lösen, nämlich ohne die Durchleitung von Sperrluft über die Dämpfungseinrichtung eine effiziente und sichere Sperre gegen das Eindringen von heißen Gasen aus der Brennkammer in die Dämpfungseinrichtungen zu gewährleisten. Von der Erfindung mit umfasst, sind zudem auch Ausführungsformen, bei denen die Sperrluftzuführungen, abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen, so nahe an den Resonatorröhrenmündungen liegen, dass sie einen direkten Bestandteil jeder der Resonatorröhrenmündungen bilden und so quasi in jede Resonatorröhrenmündung integriert sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1605209 A1 [0005]
US 2007/0125089 A1 [0005, 0006]

Claims

Brennkammer (1) für eine Gasturbinenanlage mit einer Brennkammerwandung (10), welche von Verbrennungsgasen in Richtung einer nachgeschalteten Entspannungsturbine durchströmt wird, wobei die Brennkammerwandung (10) eine Dämpfungseinrichtung (20) zum Dämpfen von, durch die Verbrennungsgase bewirkten, thermoakustischen Schwingungen aufweist, und wobei die Dämpfungseinrichtung (20) zumindest einen Helmholtz-Resonator umfasst, der so ausgebildet ist, dass sein Resonatorvolumen (21) auf der einer Brennkammerinnenwand (10’) abgewandten Seite der Brennkammerwandung (10) zum Liegen kommt und zumindest eine mit dem Resonatorvolumen (21) zusammenwirkende Resonatorröhre (22) aufweist, die mit ihrer dem Resonatorvolumen (21) gegenüberliegenden Resonatorröhrenmündung (M) in der Brennkammerinnenwand (10’) in die Brennkammer (1) mündet, und wobei zumindest eine Zuführöffnung (23, 23’, 23’’) vorgesehen ist, mit der Sperrluft zum Sperren der Resonatorröhrenmündung (M) aus einem die Brennkammer umgebenden Verdichterplenum (2) eines vorschaltbaren Verdichters in die Brennkammer (1) eingebracht wird dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Zuführöffnung (23’, 23’’) in einem Bereich der Brennkammerwandung (10) nahe der Resonatorröhrenmündung (M) der zumindest einen Resonatorröhre (22) vorgesehen ist und so ausgerichtet ist, dass die durch die Zuführöffnung (23’, 23’’) strömende Sperrluft (S) die Resonatorröhrenmündung (M) überströmt.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammerwandung die Resonatorröhrenmündung (M) gegenüber der Brennkammerinnenwand (10’) in eine Fläche (10’’) weg von der Brennkammer zurückversetzt ist und die Zuführöffnung (23’) so ausgerichtet ist, dass die Sperrluft nahezu parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsgase (G) eingedüst wird und die zurückversetzte Resonatorröhrenmündung (M) überströmt.
Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrluft (S) die zurückversetzten Resonatorröhrenmündungen (M) mehrerer Resonatorröhren (22) eines Helmholtz-Resonators (20) überströmt.
Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite (23’’), der ersten (23’) Zuführöffnung gegenüberliegende Zuführöffnung vorgesehen ist, wobei die zweite Zuführöffnung (23’’) so ausgerichtet ist, dass die Sperrluft (S) nahezu parallel zur und entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase (G) eingedüst wird und die zurückversetzten Resonatorröhrenmündungen (M) überströmt.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführöffnung (23’, 23’’) in der Brennkammerwand (10) so angeordnet ist, dass ihrer Achse (A) hin zur Resonatorröhrenmündung (M) geneigt ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerinnenwandung (10’) im Bereich der zurückversetzten Flächen (10’’) Überlappungen (L) mit den zurückversetzten Flächen (10’’) aufweist.
Gasturbinenanlage mit einem Verdichter zum Verdichten von angesaugter Luft, einer dem Verdichter nachgeschalteten Brennkammer mit Brenner zum Beimischen von Brennstoff und zum Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs und einer dem Brenner nachgeschalteten Entspannungsturbine, die die Verbrennungsabgase des verbrannten Brennstoff-Luft-Gemischs in mechanische Energie umsetzt, wobei die Brennkammer zur Vermeidung thermoakustischer Schwingungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.