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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine und umfasst eine den Heißgaspfad der Brennkammer umgebende Brennkammerwand. Die Brennkammerwand ist mindestens bereichsweise mit einer Anzahl von an der Brennkammerwand befestigten Hitzeschildelementen ausgekleidet.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Detektieren eines Verlustes eines Hitzeschildelementes in einer derartigen Brennkammer.
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Zum Schutz vor den Heißgasen ist die Brennkammerwand mindestens bereichsweise mit einem Hitzeschild ausgekleidet. Derartige Hitzeschilde bestehen aus einer Anzahl von Hitzeschildelementen, die unter Belassung von Dehnspalten an einer Tragstruktur der Brennkammerwand befestigt sind. Die Hitzeschildelemente können aus einem keramischen Material bestehen. Übliche Befestigungsarten für keramische Hitzeschildelemente sind beispielsweise federnde Steinhalter, die mit einem Befestigungsabschnitt an der Tragstruktur angeordnet sind und mit einem Halteabschnitt in eine seitliche Eingriffseinrichtung der keramischen Hitzeschildelemente eingreifen. Beispielsweise kann ein derartiges keramisches Hitzeschildelement von vier, paarweise gegenüberliegend angeordneten Steinhaltern gehalten werden. Bei der Tragstruktur der Brennkammerwand kann es sich beispielsweise um Befestigungsnuten handeln, welche in die Brennkammerwand eingebracht sind und in denen die Befestigungsabschnitte der Steinhalter gehalten werden. Für das Verhalten der Brennkammer ist eine federnde Halterung der Hitzeschildelemente vorteilhaft. Diese lösbare Verbindung der Hitzeschildelemente an der Brennkammerwand birgt allerdings auch die Gefahr, dass die Hitzeschildelemente bei einem Auftreten von sogenannten Verbrennungsschwingungen (die auch mit thermoakustischen Druckschwankungen bezeichnet werden können) in der Brennkammer zu Schwingungen angeregt werden, welches im Falle starker Verbrennungsschwingungen zu einem Verlust einer oder mehrerer Hitzeschildelemente führen können. Die Hitzeschildelemente bleiben in diesem Fall im Allgemeinen als Bruchstücke vor dem Turbineneintritt liegen. Dies führt allerdings dazu, dass die umlaufenden Turbinenschaufeln durch unterschiedliche Temperaturschatten wandern, wodurch die Turbinenschaufeln zu Schwingungen angeregt werden. Dadurch kommt es durch ein Abfallen von Hitzeschildelementen von der Brennkammerwand nach etwa 1–2 Stunden zu einem Bruch der zu Schwingungen angeregten Turbinenschaufeln im Fuß und zu einem schweren Turbinenschaden.
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Aus der
EP 1 473 517 A ist eine Überwachungssystem bekannt, bei dem Temperatursensoren in der Brennkammerwandung hinter den Hitzeschildelementen angeordnet werden. Fällt ein Hitzeschild aus seiner Verankerung kommt es schlagartig zu einem Anstieg der Temperatur auf der Brennkammerwand. Diese kann mit geeigneten Temperatursensoren erkannt werden. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, dass die elektrische Verkabelung in dem unvermindert hoch temperaturbelasteten Bereich der Brennkammerwand nicht unproblematisch ist und nicht auszuschließende Defekte in der Verkabelung eine Schadenserkennung verhindern.
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Weiterhin ist aus der
GB 0 801 250 A ein Brandmelder bekannt, welcher eine mit einem schmelzbaren Metall verschlossene Pfeife aufweist.
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Zur Vermeidung eines Turbinenschadens in Folge eines Hitzeschildelement-Verlustes ist aus dem Stand der Technik eine Überwachungs-Vorrichtung bekannt, die aus der Geräuschkulisse im Betrieb der Gasturbine das kurzzeitig auftretende Geräusch eines fallenden Hitzeschildelementes beim Aufprall auf die Brennkammerwand herausfiltert. Die bekannte Überwachungs-Vorrichtung kann keine 100%ige Detektions-Sicherheit gewährleisten. Hierzu offenbart die
US 7,853,433 B2 eine Gasturbine mit einem Überwachungssystem basieren auf Druck- und Schallsensoren zur Erkennung von Störungen im Betrieb der Gasturbine.
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In der
US 3,885,436 A wird ein Messsystem mit einer in einem Gasstrom angeordneten Pfeife und einem Schallmesser, wobei in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche Frequenzen in der Pfeife angeregt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs genannten Art, eine Gasturbine mit mindestens einer derartigen Brennkammer und ein Verfahren zur Detektion eines Hitzeschildelement-Verlustes anzugeben, mit welcher sich ein Turbinenschaden in Folge des Verlustes eines Hitzeschildelementes besonders sicher vermeiden lässt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im Bereich der Brennkammerwand radial hinter mindestens einem Hitzeschildelement eine Pfeife angeordnet ist, welche von einem Schmelzstopfen verschlossen ist. Die Schmelztemperatur des den Schmelzstopfen bildenden Materials ist höher als eine betriebsbedingte Temperatur zwischen dem Hitzeschildelement und der Brennkammerwand und geringer als eine betriebsbedingte Temperatur radial vor dem Hitzeschildelement im Inneren der Brennkammer, wobei die Pfeife derart angeordnet ist, dass sie im Betrieb der Brennkammer bei geschmolzenem Schmelzstopfen ein akustischen Signal, wie zum Beispiel ein pfeifen erzeugbar ist.
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Insbesondere kann radial hinter allen oder im Wesentlichen allen Hitzeschildelementen der Brennkammer, eine derartige Pfeife angeordnet sein. Beispielsweise hinter allen oder im Wesentlichen allen keramischen Hitzeschildelementen. Es kann aber auch nur hinter den keramischen Hitzeschildelementen eine Pfeife angeordnet werden, welche im Betrieb der Gasturbine verloren gehen können. Erfindungsgemäß ist die Pfeife durch einen Schmelzstopfen verschlossen, welcher bei einem Verlust des der Pfeife vorgelagerten Hitzeschildelementes schmilzt.
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Der Schmelzstopfen kann beispielsweise direkt im Strömungspfad der Pfeife angeordnet sein oder den Zugang zu diesem blockieren. Die Pfeife ist derart im Bereich der Brennkammerwand angeordnet, dass sie im Betrieb der Gasturbine und bei geschmolzenem Schmelzstopfen passiv – also durch die betriebsbedingten Umgebungsbedingungen – angetrieben wird. Beispielsweise kann die Pfeife derart angeordnet sein, dass sie passiv von einem zwischen dem die Brennkammer umgebenden Brennerplenum und dem Inneren der Brennkammer herrschenden Druckunterschied zu einem Dauerpfeifton angetrieben wird. Die Pfeife kann aber auch derart angeordnet sein, dass die vorbeiströmenden Heißgase die Pfeife zu einem Dauerpfeifton antreiben, sobald der Schmelzstopfen aufgrund des abgefallenen Hitzeschildelementes schmilzt und den Strömungspfad der Pfeife freigibt.
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Die erfindungsgemäße Brennkammer erzeugt somit kurz nach dem Abfallen des Hitzeschildelementes einen Dauerpfeifton, welcher eine besonders sichere Detektion des Hitzeschildelement-Verlustes ermöglicht. Der Dauerpfeifton lässt sich als Schadenssignal wesentlich sicherer detektieren als das im Stand der Technik verwendete kurzzeitig auftretende akustische Signal beim Aufprall eines Hitzeschildelementes.
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Auch ist die Detektion eines Dauertones, dessen Frequenz zudem bekannt ist, mittels einer einfachen und preiswerten Überwachungs-Vorrichtung möglich. Dies senkt die Herstellungskosten einer mit einer derartigen Brennkammer ausgestatteten Gasturbine.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
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Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Pfeife derart in der Brennkammerwand angeordnet ist, dass der Strömungskanal der Pfeife durch die Brennkammerwand hindurch verläuft, wobei eine Eingangsöffnung der Pfeife in ein die Brennkammer umgebendes Plenum mündet und die Pfeife bei geschmolzenem Schmelzstopfen mittels eines Druckunterschieds zwischen dem Plenum und dem Brennkammerinneren antreibbar ist.
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Die Pfeife kann gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung eine radial hinter dem Hitzeschildelement angeordnete, speziell als Pfeife ausgeformte Bohrung in der Brennkammerwand sein, die mit einem Schmelzstopfen verschlossen wird. Bei einem Verlust des Hitzeschildelementes gibt der Schmelzstopfen aufgrund der erhöhten Temperaturen die Bohrung frei, so dass durch den Druckunterschied zwischen Plenum und Brennkammerinnerem die Pfeife passiv angetrieben wird und einen andauernden Pfeifton erzeugt, welcher den Verlust des Hitzeschildelementes anzeigt.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass das Resonanzvolumen der Pfeife in der Brennkammerwand angeordnet ist und eine Eingangsöffnung der Pfeife radial hinter dem Hitzeschildelement in das Brennkammerinnere mündet und derart entgegen einer Strömungsrichtung der Brennkammer weist, dass die bei einem Abfallen des Hitzeschildelementes freigelegte Pfeife bei geschmolzenem Schmelzstopfen durch vorbeiströmendes Heißgas antreibbar ist.
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Diese Ausgestaltung der Pfeife kann beispielsweise durch eine speziell als Pfeife ausgeformte Ausnehmung in der Brennkammerwand realisiert werden, welche durch den Schmelzstopfen verschlossen wird.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass das Material des Schmelzstopfens eine Schmelztemperatur höher als 500 Grad Celsius, insbesondere von 600–750 Grad Celsius, aufweist.
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Im Betrieb der Gasturbine herrschen zwischen den Hitzeschildelementen und der Brennkammerwand Temperaturen unter 500 Grad Celsius. Nach dem Verlust eines keramischen Hitzeschildelementes kann der freiliegende Brennkammerwandbereich beispielsweise Temperaturen zwischen 700–800 Grad Celsius ausgesetzt sein. Insbesondere eine Schmelztemperatur des Schmelzstopfens von 600–750 Grad Celsius ermöglicht bei einem Verlust des Hitzeschildelementes ein sicheres Wegschmelzen des Stopfens. Auch besteht in diesem Bereich der Schmelztemperatur nicht das Risiko eines Fehlalarmes, wenn die Temperaturen unterhalb des keramischen Hitzeschildes aufgrund von Heißgaseinzug nahe an 500 Grad heran steigen.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass das Material des Schmelzstopfens aus Blei oder Zink oder einer Blei und Zink umfassenden Legierung besteht.
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Blei hat eine Schmelztemperatur im Bereich von 600 Grad Celsius. Zink hat eine Schmelztemperatur im Bereich von 690 Grad Celsius. Aus diesem Grund eignen sich diese Materialien für die Herstellung des Schmelzstopfens. Insbesondere lässt sich durch eine Legierung aus den beiden Materialien die Schmelztemperatur des Schmelzstopfens vorteilhaft einstellen.
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Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass bei mindestens einer Pfeife zur Erzeugung eines Pfeiftones der Strömungskanal der Pfeife stromab der Eingangsöffnung einen verengten Bereich aufweist, wobei ein Resonanzvolumen der Pfeife stromab des verengten Bereiches angeordnet ist.
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Beispielsweise kann die Pfeife zur Erzeugung des Pfeiftones unmittelbar stromab des verengten Bereiches noch eine im Strömungspfad angeordnete Kante aufweist, welche an einer Öffnung zu dem Resonanzvolumen der Pfeife angeordnet ist. Dieser Mechanismus zum Anregen eines Pfeiftones ist beispielsweise von Blockflöten bekannt. Zur Erzeugung des Pfeiftones wird der die Pfeife durchströmende Luftstrom durch eine den Strömungskanal verengende Öffnung geleitet (beispielsweise einen Spalt im Strömungskanal), wobei er aus dem Spalt austretend auf eine Kante strömt, die eine Öffnung zu einem Resonanzvolumen begrenzt. Die an der Kante erzeugten Wirbel regen das Resonanzvolumen zu Eigenschwingungen an.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass bei mindestens einer Pfeife zur Erzeugung eines Pfeiftones der Strömungskanal stromab der Eingangsöffnung eine von einer federnden Zunge fast verdeckte Öffnung umfasst, wobei stromab der Öffnung ein Resonanzvolumen der Pfeife angeordnet ist.
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Dieser Mechanismus zum Anregen eines Pfeiftones in einer Pfeife ist ebenfalls bekannt. Derartige Pfeifen werden als Zungenpfeifen bezeichnet. Der verengte Bereich besteht hier zwischen der Öffnung und der die Öffnung fast verdeckenden Zunge. Die federnde Zunge wird von der vorbeiströmenden Luft zu Schwingungen angeregt, welche sich auf die Luftsäule im Resonanzvolumen übertragen.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Pfeife für einen Pfeifton ausgelegt ist, dessen Frequenz verschieden ist von der mindestens einen, in mindestens einem Betriebszustand der Brennkammer anregbaren Resonanzfrequenz der Brennkammer.
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Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine bessere Unterscheidbarkeit zwischen der Frequenz des Pfeiftons und den im Betrieb der Gasturbine auftretenden thermoakustischen Druckschwankungen (die auch mit Brummen der Gasturbine bezeichnet werden können), die bei den Resonanzfrequenzen der Brennkammer auftreten. Die Resonanzfrequenzen der Brennkammer werden auch mit Eigenmoden der Brennkammer oder mit Vorzugsfrequenzen der Brennkammer bezeichnet.
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Allgemein kann es sich bei der erfindungsgemäßen Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auch um eine mit mindestens einer Pfeife nachgerüstete Brennkammer handeln. Hierbei wird radial hinter mindestens einem Hitzeschildelement der Brennkammer im Bereich der Brennkammerwand eine Pfeife nachträglich realisiert. Beispielsweise durch Einbringen einer als Pfeife speziell ausgebildeten Bohrung in der Brennkammerwand oder durch Anordnen einer separat gefertigten Pfeife oder eines einen Pfeifmechanismus umfassenden Bestandteils einer Pfeife in einer in der Brennkammerwand verlaufenden Bohrung, so dass eine Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 realisiert ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich einerseits für die Nachrüstung bereits bestehender Brennkammern aber auch alternativ für neue Brennkammern, bei denen die Pfeife bzw. der Pfeifmechanismus in der Pfeife separat hergestellt werden soll, so dass der Pfeifmechanismus nicht beim Einbringen einer Bohrung in die Brennkammerwand durch eine spezielle Ausgestaltung dieser Bohrung realisiert werden muss. Die separat gefertigte Pfeife bzw. der Bestandteil der Pfeife ist dann als Bestandteil der Brennkammer verwendbar, wenn insbesondere das Material derart ist, dass es den im Bereich der Brennkammerwand herrschenden Betriebstemperaturen stand hält.
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Soll die Pfeife bzw. der Pfeifmechanismus der Pfeife separat hergestellt werden, kann vorteilhafterweise die Pfeife bzw. der Pfeifmechanismus aus einem Material bestehen, welches dem Material der Brennkammerwand entspricht und/oder Haynes 230 Stahl ist und/oder Hastelloy X Stahl ist und/oder ein hochtemperaturfestes Material ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher sich ein Turbinenschaden in Folge des Verlustes eines Hitzeschildelementes besonders sicher vermeiden lässt.
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Hierzu ist mindestens eine Brennkammer der Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet.
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Zur Detektion des bei einem Verlust eines Hitzeschildelementes durch die Brennkammer erzeugten Pfeiftones kann im Bereich der Brennkammer mindestens ein Sensor zur Detektion des von der mindestens einen Pfeife erzeugbaren Pfeiftones angeordnet sein, wobei der Sensor elektrisch an eine Verarbeitungseinheit angeschlossen ist, welche derart ausgebildet ist, dass bei einer Aufnahme des Pfeiftones durch den Sensor die Verarbeitungseinheit ein Signal ausgibt.
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Das Signal kann ein Warnsignal sein, welches beispielsweise an eine Leitwarte übermittelt wird. Das Signal kann auch ein Steuersignal zum kontrollierten Herunterfahren der Gasturbine sein. Die Verarbeitungseinheit kann eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung sein, welche bei einer Aufnahme des Pfeiftones ein Herunterfahren der Gasturbine einleitet. Die Verarbeitungseinheit kann aber auch dazu ausgebildet sein, dass Signal an eine entsprechende Steuer- und/oder Regelvorrichtung weiterzuleiten. Die erfindungsgemäße Verarbeitungseinheit kann auch ein Bestandteil einer derartigen Steuer- und/oder Regelvorrichtung sein. Bei dem Sensor kann es sich um einen standardmäßig in der Gasturbine vorhandenen Wechseldruckaufnehmer handeln, welcher Teil eines Systems zur Detektion von thermoakustischen Druckschwankungen ist. Mittels eines oder mehrerer dieser Wechseldruckaufnehmer kann ebenfalls der Pfeifton detektiert werden. Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise in dieses System integriert sein oder lediglich die Messdaten der Wechseldruckaufnehmer mit nutzen.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der Sensor ein Mikrofon ist.
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Diese Art Sensor ist preiswert. An die Verarbeitungseinheit können ein oder mehrerer dieser Mikrofone angeschlossen sein. Das Mikrofon kann beispielsweise im Bereich des Plenums oder an einem Brennerflansch oder im Bereich der Brennkammerwand oder im Bereich einer in die Brennkammer einmündenden Brenneranordnung angeordnet sein. Wesentlich hierbei ist nur, dass bei jeder der an der Brennkammerwand angeordneten Pfeifen die Erzeugung eines Pfeiftones von mindestens einem der Mikrofone detektierbar ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Detektieren eines Verlustes eines Hitzeschildelementes in einer Brennkammer für eine Gasturbine anzugeben, mit welchem sich ein Turbinenschaden in Folge des Verlustes des Hitzeschildelementes besonders sicher vermeiden lässt.
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Hierzu ist radial hinter dem Hitzeschildelement im Bereich einer Brennkammerwand eine mit einem Schmelzpfropfen verschlossene Pfeife angeordnet, wobei bei einem Verlust des Hitzeschildelementes während des Betriebes der Gasturbine der Schmelzstopfen schmilzt und einen Strömungskanal der Pfeife freigibt, wobei die Pfeife von einem Druckunterschied zwischen einem die Brennkammer umgebenden Brennerplenum und dem Brennkammerinneren oder durch einen Staudruck der die Brennkammer durchströmenden Heißgase zur Erzeugung eines Dauertones als akustisches Signal angetrieben wird, und das durch die Pfeife erzeugte akustische Signal detektiert wird.
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Für das Verfahren gelten analog die gleichen Erläuterungen wie für die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
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Dabei zeigt die
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1 schematisch einen Längsschnitt durch eine Gasturbine nach dem Stand der Technik,
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2 schematisch einen Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 schematisch den in 2 mit dem Bezugszeichen gekennzeichneten Ausschnittbereich an einer Ringbrennkammer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 schematisch den Ausschnitt der 3 bei geschmolzenem Schmelzstopfen,
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5 schematisch eine Pfeife gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt, und
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6 schematisch eine Pfeife gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt.
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Die 1 zeigt eine Schnittansicht einer Gasturbine 1 nach dem Stand der Technik in schematisch vereinfachter Darstellung. Die Gasturbine 1 weist in ihrem Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer Anzahl an Brennkammern 10, die jeweils eine Brenneranordnung 11 mit mindestens einem Brenner, ein Brennstoffversorgungssystem für die Brenner (nicht dargestellt) und eine Brennkammerwand 12 umfassen, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15. Die Brennkammern 10 können beispielsweise ringförmig an dem Turbineneintritt angeordnet sind. Die Brennkamer 10 kann aber auch eine Ringbrennkammer sein, deren um die Welle 4 herumlaufende Ringraumpassage in einem Längsschnitt dargestellt ist. Die Gasturbine kann auch mehrere stromab aneinander anschließende Ringbrennkammern umfassen.
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Das Verbrennungssystem 9 mündet am Turbineneintritt in einen ringförmigen Heißgaskanal der Turbine, durch den das heiße Arbeitsgas des Verbrennungssystems auf die hintereinander geschalteten Turbinenstufen der Turbine 14 strömt. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung des Arbeitsgases gesehen folgt im Heißkanal der Turbine einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
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Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte Verdichterluft L'' wird entlang eines Brennerplenums 7 zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort in die Brenneranordnung 11 geleitet und in den Brennern der Brenneranordnung mit Brennstoff vermischt und/oder im Austrittsbereich der Brenner mit Brennstoff angereichert. Brennstoffzuführsysteme versorgen die Brenner hierbei mit Brennstoff. Das Gemisch bzw. die Verdichterluft L'' und der Brennstoff werden von den Brennern in die Brennkammer 10 eingeleitet und verbrennen unter Bildung eines heißen Arbeitsgasstromes in einer Verbrennungszone innerhalb der Brennkammer und strömen als heißes Arbeitsgas durch die Brennkammer (wobei das Innere der Brennkammer auch als Heißgaspfad der Brennkammer bezeichnet werden kann) zum ringförmigen Turbineneintritt und entlang des Heißgaspfads der Turbine an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
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Die 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer 22 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist nur eine Hälfte der Ringbrennkammer 22, welche rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 2 ausgebildet ist. Die Ringbrennkammer 22 weist an einem Kopfende 23 der Brennkammer eine Brenneranordnung 11 auf und erstreckt sich bis zu einem an einem Turbineneintritt 24 angeordneten Brennkammerausgang. Der Heißgaspfad der Ringbrennkammer ist als eine Ringraumpassage ausgebildet, die von einer Brennkammerwand 25 umgeben ist. Die Brennkammerwand 25 umfasst einen radial außen angeordneten Bereich, der auch mit Außenschale 25a bezeichnet wird, und einen zur Rotationsachse 2 weisenden Bereich, der auch mit Nabe 25b bezeichnet wird. Zum Schutz vor Heißgasen ist die Brennkammerwand 25 mit einem Hitzeschild 26 ausgekleidet. Der Hitzeschild 26 besteht aus einer Anzahl von Hitzeschildelementen 27, die unter Belassung von Dehnspalten 28 flächendeckend an der Brennkammerwand angeordnet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Hitzeschild 26 in umlaufenden Reihen angeordnete keramische Hitzeschildelemente 27a. Lediglich eine Abschlussreihe 29 ist mit metallischen Hitzeschildelementen 27b ausgestattet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Bereich der Brennkammerwand 25 radial hinter jedem keramischen Hitzeschildelement 27a eine Pfeife 30 angeordnet. Die Pfeifen 30 sind als speziell ausgebildete Bohrungen in der Brennkammerwand 25 ausgebildet, so dass der Strömungskanal der Pfeifen 30 durch die Brennkammerwand 25 hindurch verläuft, wobei jeweils eine Eingangsöffnung der Pfeife in ein die Ringbrennkammer 22 umgebendes Plenum 7 mündet. Die Pfeifen sind durch einen Schmelzstopfen verschlossen, dessen Schmelztemperatur so gewählt ist, dass erst bei einem Verlust des vorgelagerten Hitzeschildelementes 27a während des Betriebs der Gasturbine dieser schmilzt. Der Strömungskanal der Pfeife ist dann frei, so dass die Pfeife passiv durch den Druckunterschied zwischen dem Plenum 7 und dem Inneren der Brennkammer zu einem Pfeifton angetrieben wird. Im Bereich der Ringbrennkammer 22 ist ein Sensor 32 zur Detektion des von der mindestens einen Pfeife 30 erzeugbaren Pfeiftones angeordnet. Bei dem Sensor kann es sich um ein Mikrofon handeln. Der Sensor 32 ist elektrisch an eine Verarbeitungseinheit 33 angeschlossen, welche derart ausgebildet ist, dass bei Detektion des Pfeiftones die Verarbeitungseinheit 33 ein Warnsignal ausgibt. Das Warnsignal kann beispielsweise an eine Leitwarte (nicht dargestellt) übermittelt werden oder zum kontrollierten Herunterfahren der Gasturbine an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (nicht dargestellt) ausgegeben werden. Die Anordnung der Verarbeitungseinheit 33 ist schematisch dargestellt. Die Verarbeitungseinheit 33 kann sich außerhalb des Plenums 7 und eines das Plenum 7 umgebenden äußeren Gehäuses (nicht dargestellt) befinden. Für eine genauere Beschreibung der Pfeifen 30 ist beispielhaft der Bereich 31 in der nachfolgenden Figur vergrößert dargestellt.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt der in 2 dargestellten Ringbrennkammer 22 im Bereich der Brennkammerwand 25. An der Brennkammerwand ist ein keramisches Hitzeschildelemente 27a angeordnet. Radial hinter dem Hitzeschildelement 27a verläuft durch die Brennkammerwand 25 eine speziell als Pfeife ausgebildete Bohrung 40. Die Bohrung 40 umfasst einen Strömungskanal 34, der eine in das Plenum 7 mündende Eingangsöffnung 35 aufweist. Zur Erzeugung eines Pfeiftones weist der Strömungskanal 34 einen verengten Bereich 36 und ein sich stromab daran anschließendes Resonanzvolumen 37 auf. Der Pfeifmechanismus der als Pfeife ausgebildeten Bohrung 40 kann zusätzliche Komponenten aufweisen, die in der schematischen Darstellung nicht dargestellt sind. Die Pfeife ist durch einen Schmelzstopfen 38 verschlossen, wobei die Schmelztemperatur des Schmelzstopfens 38 höher ist als eine betriebsbedingte Temperatur im Bereich 42 zwischen dem Hitzeschildelement und der Brennkammerwand und geringer ist als eine betriebsbedingte Temperatur radial vor dem Hitzeschildelement im Inneren der Brennkammer im Heißgaspfad 21.
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Die 4 zeigt den in 3 dargestellten Ausschnitt der Brennkammerwand 25 bei einem Verlust des der Pfeife 30 vorgelagerten Hitzeschildelementes 27a. Durch den Verlust des Hitzeschildelementes sieht die Brennkammerwand 25 im Bereich der Pfeife 30 die im Heißgaspfad 21 herrschenden höheren Temperaturen, so dass der Schmelzstopfen den Strömungskanal 34 der Pfeife 30 freigibt. Aufgrund der Anordnung der Pfeife 30 durch die Brennkammerwand 25 hindurch, pfeift die Pfeife 30 bei geschmolzenem Schmelzstopfen 38 im Betrieb der Brennkammer passiv aufgrund der betriebsbedingten Umgebungsbedingungen der Pfeife 30 – hier aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Plenum 7 und dem Brennkammerinneren 39. Der durch den Verlust des Hitzeschildelementes 27a ausgelöste Dauerpfeifton ist besonders sicher detektierbar.
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Die 5 und 6 zeigen zwei Pfeifen 30 mit alternativ ausgebildetem Pfeifmechanismus, welche erfindungsgemäß aus einem Material bestehen, welches für die betriebsbedingten Temperaturen im Bereich der Brennkammerwand geeignet ist. Die 5 zeigt eine Lippenpfeife. Der Pfeifmechanismus der Pfeife umfasst einen Strömungskanal 34 mit einem verengten Bereich 36, auf den unmittelbar stromab eine Kante 43 im Strömungspfad folgt. Die Kante 43 begrenzt eine Öffnung zu dem Resonanzvolumen 37. Strömt Luft durch die Eingangsöffnung 35 in den Strömungskanal 34 und durch den verengten Bereich 36, bildet die auf die Kante 43 strömende Luft Wirbel, welche teilweise in den Nebenpfad 44 und in das Resonanzvolumen 37 gelangen, wobei die Luftsäule im Resonanzvolumen 37 zu Schwingungen angeregt wird. Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Brennkammer kann beispielsweise eine derartige Pfeife 30 separat – beispielsweise aus demselben Material wie die Brennkammerwand – gefertigt werden, mit einem Schmelzstopfen verschlossen werden und anschließend radial hinter einem keramischen Hitzeschildelement in einer durch die Brennkammerwand verlaufenden Bohrung der erfindungsgemäßen Brennkammer angeordnet werden.
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Die 6 zeigt eine sogenannte Zungenpfeife, welche erfindungsgemäß aus einem Material besteht, welches für die betriebsbedingten Temperaturen im Bereich der Brennkammerwand geeignet ist. Der Pfeifmechanismus der Pfeife 30 umfasst stromab der Eingangsöffnung 35 eine Öffnung im Strömungspfad 34, welche von einer federnd angeordneten Zunge 45 fast verdeckt wird. Strömt Luft durch den Strömungspfad, gerät die Zunge 45 in Schwingungen, so dass die Luftsäule im Resonanzvolumen 37 ebenfalls zu Schwingungen angeregt wird. Die Pfeife 30 – verschlossen mit einem Schmelzstopfen – eignet sich ebenfalls zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Brennkammer. Hierbei wird die Pfeife radial hinter einem Hitzeschildelement als separat gefertigtes Bauteil in einer durch die Brennkammerwand verlaufenden Bohrung angeordnet. Die Zunge kann aus einem hochtemperaturfesten Edelstahl oder Nickelbasismaterial bestehen.
