DE102012006329A1

DE102012006329A1 - Gasturbine und Ansaugkrümmer

Info

Publication number: DE102012006329A1
Application number: DE102012006329A
Authority: DE
Inventors: Armin Busekros; Thomas Kramer; Jochem Fischer; Jürgen Hoffmann
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-10-04
Also published as: CH704823A1; US20120247109A1; US9181875B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine (10), welche zum Ansaugen von Verbrennungsluft für einen Verdichter einen Lufteinlass (12) aufweist, welchem die zu verdichtende Luft über einen Ansaugkrümmer (13) zugeführt wird, der zur Abgrenzung gegen die Umgebung eine Mehrzahl von Wänden (14) aufweist. Die Erfindung betrifft ausserdem einen derartigen Ansaugkrümmer (13). Eine Verbesserung wird auf einfache Weise dadurch erreicht, dass zur Verringerung des im Betrieb der Gasturbine im Lufteinlassbereich entstehenden bzw. abgegebenen Lärms Mittel (27, 28) zur steuerbaren Veränderung der mechanischen Steifigkeit der Wände (14) vorgesehen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 8 sowie einen Ansaugkrümmer für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
In Gasturbinen entstehen aufgrund der Drehbewegung des Rotors und der Schaufeln im Zusammenhang mit strömungstechnischen Effekten Geräusche, die beispielsweise über das Turbinengehäuse nach aussen abgegeben werden. Als besonders kräftige Geräuschquelle tritt der Lufteinlassbereich der Gasturbine in Erscheinung, weil dort Vorrichtungen wie der Ansaugkrümmer (siehe z. B. die US 7,246,480 B2 ) vorgesehen sind, die grosse Luftströme in den Einlassbereich des Verdichters der Gasturbine einleiten, und die mit grossflächigen, in der Regel aus Metallblechen aufgebauten, Wänden ausgestattet sind, die den im Inneren entstandenen Schall leicht und effektiv nach aussen abstrahlen.
1 zeigt einen beispielhaften Lufteinlassbereich einer Gasturbine 10, die einen (nur angedeuteten) Generator 11 antreibt. Die Gasturbine 10 hat eine Maschinenachse 16, um die der (nicht gezeigte) Rotor eines Verdichters dreht. Der Verdichter hat einen Lufteinlass 12 in Form einer ringförmigen Einlaufdüse („bell mouth”), in die mittels eines Ansaugkrümmers 13 Luft 15 eingeleitet wird, die vorher noch aufbereitet, z. B. gefiltert oder mit einem Sprühnebel versehen werden kann.
Der Ansaugkrümmer 13 ist nach aussen durch grossflächige Wände 14 begrenzt, die üblicherweise aus Metallblechen aufgebaut und mit einer Rahmenkonstruktion und ggf. versteifenden Verstrebungen versehen sind. Insbesondere können die Wände 14 doppelwandig ausgebildet sein. Die grossflächigen Metallbleche wirken dabei wie Lautsprechermembranen und geben den sich im Inneren des Lufteinlassbereichs ausbreitenden Schall weitgehend ungedämpft nach aussen ab.
Aus der Druckschrift EP 1 717 433 A2 ist ein aktiver Ansaugschalldämpfer für einen Luftansaugkanal eines Verbrennungsmotors bekannt, mit einer Sensorik, welche mit einer einen Wandler ansteuernden Kontrolleinheit verbunden ist. Es ist eine spezielle hitze- und feuchtigkeitsbeständige Membran vorgesehen, die mit dem Ansaugluftstrom in dem Luftansaugkanal akustisch gekoppelt ist, wobei die dem Ansaugluftstrom zugewandte Oberfläche der Membran durch den Wandler in Biegeschwingungen versetzbar ist, zur Erzeugung von auf den Ansaugluftschall abgestimmten Körperschall. Eine solche Anordnung ist nur für kleine Strömungsquerschnitte geeignet und benötigt eine spezielle, zusätzlich eingebaute Membran.
Die GB 2 204 916 A schlägt für den Einlass oder Auslass einer Gasturbine zur Geräuschminderung eine Kombination aus einem passiven Schalldämpfer und einem mit Lautsprechern arbeitenden aktiven Schalldämpfer vor. Nachteilig ist dabei der hohe apparative Aufwand und der strömungstechnische Einfluss der Anordnung.
Die Druckschrift US 5,423,658 schlägt für ein Flugzeug-Triebwerk ein aktives Schalldämpfungssystem vor, bei welchem die Resonanzfrequenz der Schall abstrahlenden Struktur so abgestimmt wird, dass über einen grossen Frequenzbereich der Schall optimal ausgelöscht werden kann. Zur Abstimmung der Resonanzfrequenz ist eine Mehrzahl von Aktuatoren vorgesehen, welche die Resonanzfrequenz der Gehäusebleche in der gewünschten Weise abstimmen. Die Bleche werden dann durch aufgesetzte Schwingungsgeber in Schwingungen versetzt, um den notwendigen kompensierenden Gegenschall zu erzeugen. Nachteilig ist der vergleichsweise hohe apparative und steuerungstechnische Aufwand durch die Aktuatoren und Schwingungsgeber.
Aus der Druckschrift US 5,702,223 A ist eine aktiv gesteuerte Akustikwand bekannt, die für Gehäuse von Gasturbinen vorgesehen ist. Die Wand besteht aus einer Rückwand, die aus einer planaren Matrix von nebeneinander angeordneten, einzeln steuerbaren Elementen besteht, die jeweils einen Geber in einer wabenförmigen Kammer umfassen, sowie einer aufgesetzten Vorderwand. Eine solche Akustikwand ist wegen ihres kleinteiligen, komplizierten Aufbaus extrem aufwändig in der Herstellung, insbesondere, wenn es um grössere Flächen geht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine (insbesondere stationäre) Gasturbine sowie einen Ansaugkrümmer für eine Gasturbine anzugeben, bei welcher der im Lufteinlassbereich entstehende Schall auf besonders einfache und wirkungsvolle Weise gedämpft wird.
Diese und andere Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale des Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einer Gasturbine, welche zum Ansaugen von Verbrennungsluft für einen Verdichter einen Lufteinlass aufweist, weichem die zu verdichtende Luft über einen Ansaugkrümmer zugeführt wird, der zur Abgrenzung gegen die Umgebung eine Mehrzahl von Wänden aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Verringerung des im Betrieb der Gasturbine im Lufteinlassbereich entstehenden bzw. abgegebenen Lärms Mittel zur steuerbaren Veränderung der mechanischen Steifigkeit der Wände vorgesehen sind. Anders als dem Stand der Technik werden dabei nur die akusto-mechanischen Eigenschaften der Gehäusekonstruktion gezielt verändert, um die akustische Anregung der Wände durch den im Innenraum vorhandenen Schall zu dämpfen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur steuerbaren Veränderung der mechanischen Steifigkeit der Wände Piezoelemente umfassen, welche an eine Steuerung angeschlossen sind.
Insbesondere umfassen die Wände Wandplatten, welche mit Hilfe von Rahmen und/oder Versteifungsträgern mechanisch versteift sind, wobei die Piezoelemente an vorgegebenen Stellen zwischen den Wandplatten und den Rahmen bzw. Versteifungsträgern derart angeordnet sind, dass durch ihre Ansteuerung die mechanische Steifigkeit der Wandplatten veränderbar ist.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass im Lufteinlassbereich der Gasturbine wenigstens ein Schallsensor angeordnet ist, und dass der Schallsensor mit der Steuerung verbunden ist.
Insbesondere ist die Steuerung so ausgelegt, dass sie durch Ansteuerung der Piezoelemente nach Massgabe des gemessenen Schalls im Lufteinlassbereich in die Steifigkeit der Wände so beeinflusst, dass der Schall im Lufteinlassbereich reduziert wird.
Es ist aber insbesondere denkbar, dass die Piezoelemente auf die Wandplatten eine senkrecht zur Plattenebene gerichtete Kraft ausüben.
Es ist aber ebenso gut auch denkbar, dass die Piezoelemente auf die Wandplatten eine parallel zur Plattenebene gerichtete Kraft ausüben. Weiter ist es denkbar, das die Wandplatten in Plattenebene vorgespannt sind und die Vorspannung durch die Piezoelemente reduziert wird oder sogar durch die Piezoelemente eine Druckspannung in Plattenebene aufgebracht wird.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen ansaugseitigen Ausschnitt aus einer stationären Gasturbine mit Ansaugkrümmer gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2–5 in der Draufsicht senkrecht zur Wandebene verschiedene Ausführungsbeispiele von Wandelementen gemäss der Erfindung, die zur gesteuerten Veränderung des mechanischen Verhaltens mit Piezoelementen ausgestattet sind und bei denen die Piezoelemente eine senkrecht zur Wandebene stehende Kraft ausüben;
6 im Schnitt zwei Ausführungsbeispiele von Wandelementen gemäss der Erfindung, bei denen die Piezoelemente zwischen Wand und Versteifungsträger angeordnet sind; und
7–9 verschiedene Ausführungsbeispiele für Wände nach der Erfindung, die zur gesteuerten Veränderung des mechanischen Verhaltens mit Piezoelementen ausgestattet sind und bei denen die Piezoelemente eine parallel zur Wandebene wirkende Kraft ausüben.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen ansaugseitigen Ausschnitt aus einer stationären Gasturbine 10 mit einem Ansaugkrümmer 13 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Ansaugkrümmer 13 wird nach aussen hin von Wänden 14 begrenzt, deren mechanische Eigenschaften durch eingebaute Piezoelemente, die in der 1 nicht explizit eingezeichnet sind, steuerbar verändert werden können. Dazu ist eine Steuerung 27 vorgesehen, die Eingangssignale von wenigstens einem Schallsensor 28 erhält, der an geeigneter Stelle am Ansaugkrümmer 13 angebracht ist, um den dort auftretenden Schall aufzunehmen und in entsprechender Signalform an die Steuerung 27 weiterzugeben. Die Steuerung 27 gibt nach Massgabe der eingespeisten Schallsignale an einem Ausgang Steuersignale ab, die zur Ansteuerung der (nicht gezeigten) Piezoelemente in bzw. an den Wänden 14 dienen. Zweck dieser Steuerung ist es, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die mechanische Steifigkeit, der Wände in Abhängigkeit vom gemessenen Schall so zu beeinflussen, dass die Schallabgabe nach aussen verringert oder minimiert wird.
In den 2–5 sind in der Draufsicht senkrecht zur Wandebene verschiedene Ausführungsbeispiele von Wandelementen gemäss der Erfindung dargestellt, die zur gesteuerten Veränderung des mechanischen Verhaltens mit Piezoelementen ausgestattet sind. Die Wandelemente 14a–d sind Teil der Wände 14 des in 1 gezeigten Ansaugkrümmers 13. Sie umfassen jeweils eine Wandplatte 18, vorzugsweise aus einem Metallblech, die mit einem stabilen Rahmen 17 bzw. 17' verbunden ist und so insgesamt eine stabile mechanische Struktur bildet. Der Rahmen 17 ist in den Fällen der 2–4 rechteckig; im Falle der 5 ist der Rahmen 17' dreieckig. Der Rahmen 17 bzw. 17' kann beispielsweise aus einem üblichen Vierkantprofil aufgebaut sein.
Während die Wandelemente 14c und 14d ausser dem Rahmen 17 bzw. 17' keine weiteren Verstärkungselemente aufweisen, ist beim Wandelement 14a der 2 eine Verstärkung in Form von zwei diagonal verlaufenden, sich im Zentrum kreuzenden Versteifungsträgern 20 und 21 vorgesehen. Im Fall des Wandelements 14b aus 3 ist demgegenüber lediglich ein diagonales Verstärkungselemente in Form eines Versteifungsträgers 20 vorgesehen.
In den Beispielen der 2–5 sind Piezoelemente 19 bzw. 19a–d als punktierte Kreise eingezeichnet. Ort und Anzahl der Piezoelemente 19 bzw. 19a–d sind dabei lediglich Beispiele. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung zusätzliche (oder auch weniger) Piezoelemente an anderen ausgewählten Stellen der Wandelemente angebracht sein.
Wie anhand der 6 deutlich wird, sind die Piezoelemente 19 bzw. 19a, b zwischen den Wandplatten 18 und den Verstärkungselementen (im Fall der 6 L-förmig abgewinkelte Versteifungsträger 20a, b) so angeordnet, dass sie bei Beaufschlagung mit einem Steuerungssignal in einer Richtung senkrecht zur Plattenebene Kräfte auf die Wandplatten 18 ausüben. Wenn die Wandplatten 18 an anderen Stellen unverrückbar mit dem Rahmen 17 bzw. 17' verbunden sind, wird durch Ausübung dieser Kräfte die mechanische Spannung innerhalb der Wandplatten 18 und damit ihre mechanische Steifigkeit und Eigenfrequenz verändert. Durch die Steuerung 27 mit dem Schallsensor 28 erfolgt diese Veränderung so, dass damit eine Dämpfung des über die Wandplatten 18 abgegebenen Schalls erzielt wird.
Gemäss 6 kann die Wandplatte 18 gleichzeitig die Aussenwand des Ansaugkrümmers 13 sein. Bei einfacher Ausführung der Wand ergibt sich dann ein Querschnitt gemäss 6a. In 6b ist die gleiche Konfiguration in einer Richtung quer zu den Versteifungsträgern gesehen dargestellt. Hier ist gezeigt, dass zwischen voneinander beabstandeten Piezoelementen 19a und 19c unterhalb des Versteifungsträgers 20a zusätzlich ein Versteifungsblock 19d angeordnet werden kann, um die erzeugten Verspannungen zu verstärken. Ist die Wand doppelt ausgebildet (6c), ist parallel zur Wandplatte beziehungsweise Aussenwand 18 noch eine Innenwand 22 vorgesehen.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in 7–9 in der Draufsicht (a) und im Querschnitt (b) wiedergegeben. In den dort dargestellten Fällen sind die eingesetzten Piezoelemente 26 relativ zu den Wandplatten 25 so angeordnet, dass sie auf die Wandplatten 25 plattenparallele Kräfte (siehe die eingezeichneten Pfeile) ausüben. Die Wandplatten 25 sind jeweils zwischen gegenüberliegenden Rahmen 23 eingespannt, wobei die Rahmen 23 jeweils aus zwei U-Profilen 23a und 23b zusammengesetzt sind. Bei der Wand 24a der 7 sind die Wandplatten 25 in der Mitte zwischen den Rahmen 23 gelagert und werden durch die in den Rahmen 23 an den Rändern der Wandplatten angeordneten Piezoelemente 26 mit in der Plattenebene liegenden Kräften beaufschlagt und dadurch in ihrer mechanischen Steifigkeit bzw. Eigenfrequenz verändert. Bei der Wand 24b der 8 sind die Wandplatten 25 zur einen Seite der Rahmen 23 verlagert und bilden die Innenwand des Ansaugkrümmers 13. Die Piezoelemente 26 haben dabei im Wesentlichen denselben Platz zwischen Wandelement 25 und Rahmen 23. Bei der Wand 24c der 9 ergibt sich gegenüber der Wand 24b aus 8 insofern eine Veränderung, dass nunmehr die Piezoelemente 26 jeweils zwischen der Wandplatte 25 und den Rahmen 23 angeordnet sind.
Es ist aber auch der (nicht dargestellte) Fall möglich, dass die Piezoelemente in den Wandplatten selbst untergebracht sind.
Die gezeigte Lösung hat die folgenden Vorteile:

• der Aufbau ist einfach;
• die strömungstechnische Auslegung des Ansaugkrümmers muss praktisch nicht geändert werden;
• die Führung der notwendigen Kabel ist einfach und robust;
• die Schalldämpfungsmittel sind leicht von aussen zugänglich und lassen sich einfach warten;
• die Mittel sind darüber hinaus leicht modifiziert und können so schnell an die jeweiligen Verhältnisse angepasst werden.

Bezugszeichenliste

10: Gasturbine
11: Generator
12: Lufteinlass
13: Ansaugkrümmer
14: Wand
14a–f: Wandelement
15: Luft
16: Maschinenachse
17, 17: Rahmen
18: Wandplatte
19, 19a–c: Piezoelement
19d: Versteifungsblock
20, 21: Versteifungsträger
20a, b: Versteifungsträger
22: Innenwand
23: Rahmen
23a, b: U-Profil
24a–c: Wand
25: Wandplatte (z. B. Blech)
26: Piezoelement
27: Steuerung
28: Schallsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7246480 B2 [0002]
EP 1717433 A2 [0005]
GB 2204916 A [0006]
US 5423658 [0007]
US 5702223 A [0008]

Claims

Ansaugkrümmer (13) zum Ansaugen von Verbrennungsluft für einen Verdichter einer Gasturbine (10), der zur Abgrenzung gegen die Umgebung eine Mehrzahl von Wänden (14; 14a–f; 24a–c) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des im Betrieb der Gasturbine im Lufteinlassbereich entstehenden bzw. abgegebenen Lärms Mittel (19; 19a, b; 26; 27, 28) zur steuerbaren Veränderung der mechanischen Steifigkeit der Wände (14; 14a–f; 24a–c) vorgesehen sind.
Ansaugkrümmer (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19; 19a, b; 26; 27, 28) zur steuerbaren Veränderung der mechanischen Steifigkeit der Wände (14; 14a–f; 24a–c) Piezoelemente (19, 19a, b; 26) umfassen, welche an eine Steuerung (27) angeschlossen sind.
Ansaugkrümmer (13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (14; 14a–f; 24a–c) Wandplatten (18, 25) umfassen, welche mit Hilfe von Rahmen (17, 17') und/oder Versteifungsträgern (20, 20a, b, 21) mechanisch versteift sind, und dass die Piezoelemente (19, 19a, b; 26) an vorgegebenen Stellen zwischen den Wandplatten (18, 25) und den Rahmen (17, 17') bzw. Versteifungsträgern (20, 20a, b, 21) derart angeordnet sind, dass durch ihre Ansteuerung die mechanische Steifigkeit der Wandplatten (18, 25) veränderbar ist.
Ansaugkrümmer (13) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Lufteinlassbereich der Gasturbine (10) wenigstens ein Schallsensor (28) angeordnet ist, und dass der Schallsensor (28) mit der Steuerung (27) verbunden ist.
Ansaugkrümmer (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (27) so ausgelegt ist, dass sie durch Ansteuerung der Piezoelemente (19, 19a, b; 26) nach Massgabe des gemessenen Schalls im Lufteinlassbereich in die Steifigkeit der Wände (14; 14a–f; 24a–c) so beeinflusst, dass der Schall im Lufteinlassbereich reduziert wird.
Ansaugkrümmer (13) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (19a, b) auf die Wandplatten (18) eine senkrecht zur Plattenebene gerichtete Kraft ausüben.
Ansaugkrümmer (13) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (36) auf die Wandplatten (25) eine parallel zur Plattenebene gerichtete Kraft ausüben.
Gasturbine (10), welche zum Ansaugen von Verbrennungsluft für einen Verdichter einen Lufteinlass (12) aufweist, welchem die zu verdichtende Luft über einen Ansaugkrümmer (13) zugeführt wird, der zur Abgrenzung gegen die Umgebung eine Mehrzahl von Wänden (14; 14a–f; 24a–c) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des im Betrieb der Gasturbine im Lufteinlassbereich entstehenden bzw. abgegebenen Lärms Mittel (19; 19a, b; 26; 27, 28) zur steuerbaren Veränderung der mechanischen Steifigkeit der Wände (14; 14a–f; 24a–c) vorgesehen sind.
Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19; 19a, b; 26; 27, 28) zur steuerbaren Veränderung der mechanischen Steifigkeit der Wände (14; 14a–f; 24a–c) Piezoelemente (19, 19a, b; 26) umfassen, welche an eine Steuerung (27) angeschlossen sind.
Gasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (14; 14a–f; 24a–c) Wandplatten (18, 25) umfassen, welche mit Hilfe von Rahmen (17, 17') und/oder Versteifungsträgern (20, 20a, b, 21) mechanisch versteift sind, und dass die Piezoelemente (19, 19a, b; 26) an vorgegebenen Stellen zwischen den Wandplatten (18, 25) und den Rahmen (17, 17') bzw. Versteifungsträgern (20, 20a, b, 21) derart angeordnet sind, dass durch ihre Ansteuerung die mechanische Steifigkeit der Wandplatten (18, 25) veränderbar ist.
Gasturbine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Lufteinlassbereich der Gasturbine (10) wenigstens ein Schallsensor (28) angeordnet ist, und dass der Schallsensor (28) mit der Steuerung (27) verbunden ist.
Gasturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (27) so ausgelegt ist, dass sie durch Ansteuerung der Piezoelemente (19, 19a, b; 26) nach Massgabe des gemessenen Schalls im Lufteinlassbereich in die Steifigkeit der Wände (14; 14a–f; 24a–c) so beeinflusst, dass der Schall im Lufteinlassbereich reduziert wird.
Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (19a, b) auf die Wandplatten (18) eine senkrecht zur Plattenebene gerichtete Kraft ausüben.
Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (36) auf die Wandplatten (25) eine parallel zur Plattenebene gerichtete Kraft ausüben.