DE19851636A1 - Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen für einen Brenner - Google Patents
Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen für einen BrennerInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen für einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise zum Antrieb einer Gasturbogruppe, mit einem Mischbereich, in dem eine Luft- und Brennstoffströmung zu einem Brennstoff-/Luft-Gemisch miteinander vermischt werden, und einer Brennkammer, die in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luft-Gemisches dem Mischbereich nachgeordnet ist, in der das Brennstoff-/Luft-Gemisch entzündbar ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Helmholtz-Resonator (4) derart unmittelbar mit dem Mischbereich (2) des Brenners verbunden ist, daß die sich im Brenner ausbildenden akustischen Wellen im Helmholtz-Resonator unterdrückt und nicht in den Brenner zurückreflektiert werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dämpfungsvorrichtung gemäß dem Oberbe
griff der Ansprüche 1 und 10.
Bei der Verbrennung von Brennstoff in Brennkammern, die beispielsweise in
Flugtriebwerken oder in Brennern zum Betrieb von Wärmekraftwerken, vorzugs
weise bei Gasturbinenanlagen, eingesetzt werden, ist das Auftreten sogenannter
Brennkammernpulsationen, die sich in Form akustischer Wellen ausbilden, be
kannt und wird versucht mit geeigneten konstruktiven Maßnahmen gezielt zu un
terdrücken. Beispielsweise bei Nachbrennersystemen in Flugtriebwerken werden
sogenannte hinterspülte Lochblenden als Wandungen eingesetzt, die sowohl zur
Kühlung der Wand als auch zur Dämpfung der ungewollt auftretenden akustischen
Wellen dienen.
Derartige hinterspülte Lochblenden finden ebenso Einsatz in konventionellen Gas
turbinenbrennkammern, die in diesen grundsätzlich dieselbe Aufgabe erfüllen,
nämlich eine Kühlung der Brennkammerwand sowie eine gezielte Unterdrückung
von sich ausbildenden akustischen Schwingungen innerhalb der Brennkammer.
Im Zuge der optimierten Auslegung von Brennkammern hinsichtlich der Reduzie
rung des Schadstoffausstoßes werden die Brennkammern selbst zunehmend oh
ne Kühlluftzuführungen in die Brennkammer ausgelegt, da die gesamte Luft für die
schadstoffarme Verbrennung benötigt wird. Diese Ausführung bewirkt durch die
reflektierende Wände eine sehr geringe akustische Dämpfung, so dass derartige
Brennkammern oft mit zusätzlichen Dämpfungselementen versehen werden.
Die Dämpfungselemente arbeiten in der Regel nach dem Prinzip des sogenannten
Helmholtz-Resonators. Helmholtz-Resonatoren sind grundsätzlich Volumenele
mente, deren Resonanzverhalten derart eingestellt werden können, so daß sie
mechanische bzw. akustische Wellen mit bestimmten Frequenzen, die sie durch
laufen, gezielt dämpfen.
Es sind Ansätze bekannt, mit denen unter Verwendung von Helmholtz-
Resonatoren die Unterdrückung von akustischen Wellen innerhalb von Brenn
kammern versucht worden sind. Hierbei wurden Helmholtz-Resonatoren im soge
nannten Brennkammerdom neben dem eigentlichen Brenner angeordnet, wodurch
einerseits die Amplitude der akustischen Welle abgeschwächt werden kann, je
doch ist es nicht möglich den unmittelbaren Einfluß des Brenners auf die Entste
hung akustischer Wellen auf diese Weise vollständig zu reduzieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dämpfungsvorrichtung zur
Reduzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen für einen Brenner
zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise zum Antrieb einer Gastur
bogruppe, der üblicherweise einen Mischbereich vorsieht in dem eine Luft- und
Brennstoffströmung zu einem Brennstoff-/Luft-Gemisch miteinander vermischt
werden sowie eine Brennkammer vorsieht, die in Strömungsrichtung des Brenn
stoff-/Luft-Gemisches dem Mischbereich nachgeordnet ist, in der das Brennstoff-/Luft-
Gemisch entzündbar ist, derart weiterzubilden, daß jegliche innerhalb des
Brenners auftretenden akustischen Schwingungen nahezu weitgehend unterdrückt
werden sollen. Die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung soll Möglichkeiten
eines nachträglichen Einbaus bei bestehenden Brennkraftmaschinen bieten und
eine leichte Abstimmbarkeit des Resonanzverhaltens auf den jeweiligen Brenner
ermöglichen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 an
gegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Ge
genstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwin
gungsamplitude akustischer Wellen für einen Brenner zum Betrieb einer Brenn
kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch weitergebildet,
daß ein Helmholtz-Resonator derart unmittelbar mit dem Mischbereich des Bren
ners verbunden ist, daß die sich im Brenner ausbildenden akustischen Wellen im
Helmholtz-Resonator unterdrückt und nicht in den Brenner zurückreflektiert wer
den.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist die unmittelbare Integration eines
Helmholtz-Resonators in den Brenner selbst, so daß die innerhalb des Brenners
entstehenden akustischen Wellen durch den Helmholtz-Resonator der über den
Mischbereich unmittelbar mit der Brennkammer selbst verbunden ist vollständig
geschluckt werden können. Auf diese Weise werden die im Inneren des Brenners
auftretenden akustischen Wellen nicht mehr reflektiert, da der Brenner, bedingt
durch das integriert in den Brenner vorgesehene Helmholtz-Resonator-Volumen
eine akustische angepaßte Rückwand aufweist, an der die akustischen Wellen
nicht mehr zurückreflektiert werden können. Diese Anpassung kann auch mittels
eines Lambda/4-Volumens erzielt werden, wie dies weiter unten noch näher zur
Erläuterung kommt wird.
Mit Hilfe des unmittelbar im Brenner vorgesehenen Helmholtz-Resonators können
gezielt akustische Rückkopplungen vermieden werden, wodurch eine ungewollte
Rückkopplung einer sich ausbildenden akustischen Welle beispielsweise in den
Bereich, in dem sich das Brennstoff-Luftgemisch entzündet wird und der für den
Energieumsetzung von entscheidender Bedeutung ist, vollständig vermieden wer
den kann. Gerade derartige Rückkopplungen führen bei konventionell ausgebil
deten Brennkammersystemen zu ungewollten Brennkammerpulsationen, die zu
einer erheblichen Verschlechterung des gesamten Verbrennungswirkungsgrades
führen.
So haben sich zur Befeuerung von Gasturbinenanlagen Brenner etabliert, die über
einen kegelförmigen Mischbereich verfügen, der unmittelbar an der Brennkammer,
innerhalb der sich das Brennstoff-Luftgemisch entzündet, anschließt. Ein derarti
ger Brenner geht beispielsweise aus der EP 0 321 809 B1 hervor und wird mit
großem Erfolg zur Befeuerung von Gasturbinenanlagen eingesetzt, wobei diese
Druckschrift einen integrierenden Bestandteil vorliegender beschreibung bildet.
Bevorzugterweise wird das Dämpfungselement in Form eines Helmholtz-
Resonators unmittelbar an der Spitze des kegelförmigen Brenners angeordnet.
Der Helmholtz-Resonator kann entweder einseitig geschlossen oder für den
Durchtritt von Zuluft und/oder Brennstoff ausgebildet sein.
Um mögliche störende Einflüsse auf das akustische Schwingungsverhalten des
gesamten Brenners zu erfassen, die von zusätzlichen Brennstoff- bzw. Zuluft-
Zuleitungen in das Brennersystem herrühren können, sind derartige Zuleitungen
vorzugsweise zwischen dem Helmholtz-Resonator und dem Brenner, bzw. dem
Mischbereich anzuordnen.
Beispielsweise ist eine Brennstoffzuleitung, die insbesondere für die Startphase
des Brenners vorgesehen ist und üblicherweise als Pilotgasleitung bezeichnet
wird, zwischen dem Brenner und dem Helmholtz-Resonator angebracht. Durch die
unmittelbare Nähe zwischen Helmholtz-Resonator und Pilotgaseinspeisung in den
Luft- bzw. Brennstoffströmungsfluß des Brenners selbst, wirkt sich das dämpfende
Verhalten des Helmholtz-Resonators auch unmittelbar auf das Ereignis der zu
sätzlichen Pilotgaseinspeisung aus.
Um das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators auf den Brenner individuell
abstimmen zu können ist vorgesehen, daß der Helmholtz-Resonator relativ zum
Brenner längsbeweglich verschiebbar ist. Dies kann beispielsweise über eine tele
skopartig ausgebildete Verbindungsleitung zum Brenner oder im einfachsten Fall
über ein Schraubgewinde erfolgen, durch das eine individuelle Beabstandung zwi
schen Helmholtz-Resonator und Brennereintritt möglich ist.
In geeigneter Weise kann der Helmholtz-Resonator selbst, das Volumen des
Helmholtz-Resonators verändernde Stellelemente vorsehen, durch die ebenfalls
das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators individuell angepaßt werden
kann.
Vorzugsweise befindet sich der Helmholtz-Resonator möglichst nahe am bzw. so
gar im Brenner selbst. Um etwaige Irritationen der Strömung hinsichtlich der Ver
brennungszuluft im Mischbereich des Brenners zu vermeiden, ist es vorteilhaft,
daß der Helmholtz-Resonator außerhalb einer den Brenner umgebenden Bren
nerhaube angebracht ist. Ebenso können Vorkehrungen getroffen werden, daß
der Helmholtz-Resonator auch in einer integrierten Bauweise innerhalb des Bren
nergehäuses angebracht ist, ohne dabei den Verbrennungszuluftstrom zu beein
trächtigen.
Grundsätzlich ist das Vorsehen eines Helmholtz-Resonators zum Dämpfen von
akkustischen Schwingungen innerhalb eines Brenners nicht auf Brennertypen be
schränkt, die einen in der beschriebenen Weise ausgebildeten Mischbereich vor
sehen; auch können Brennertypen mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungsele
ment ausgestattet werden, die keinen drallerzeugenden Zentralkörper innerhalb
des Brenners aufweisen.
In diesem Kontext lässt sich aufgabengemäss auch, wie oben bereits erwähnt, ein
Lambda/4-Wellendämpfer einbauen, wobei dieser Dämpfer auf einer eindimensio
nalen stehenden Welle aufbaut.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungs
gedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich
nung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Kombination eines Brenners mit kegelförmig ausgestalteten Misch
bereich und einem Helmholtz-Resonators,
Fig. 2 Kombination eines Brenners mit kegelförmig ausgestaltetem Zentral
körper und einem Helmholtz-Resonator, sowie
Fig. 3 Kombination eines Brenners mit einem längsverschieblichen relativ
zum Mischbereich angeordneten Helmholtz-Resonator.
Aus Fig. 1 geht eine stark schematisierte Querschnittsdarstellung durch einen
Brenner hervor, der beispielsweise in der EP 0 321 809 B1 detailliert beschrieben
ist.
Unmittelbar an die Brennkammer 1 schließt ein kegelförmig ausgestalteter Misch
bereich 2 an, auf dessen inneren Aufbau und Wirkungsweise an dieser Stelle nicht
eingegangen wird, für weitere Einzelheiten wird auf die vorstehend genannte eu
ropäische Druckschrift verwiesen. An der Spitze des kegelförmig ausgebildeten
Mischbereichs 2 ist über eine Zuleitung 3 unmittelbar ein Helmholtz-Resonator 4
vorgesehen, der über ein offenes Volumen mit dem Mischbereich 2 sowie der
Brennkammer 1 verbunden ist. Die im inneren der Brennkammer 1 bzw. des
Mischbereichs 2 entstehenden akustischen Wellen können mit Hilfe eines geeig
net auf das Resonanzverhalten des Brenners abgeglichenen Helmholtz-
Resonators 4 gezielt gedämpft werden. Eine Reflexion von akustischen Wellen,
die in der dargestellten Brennerform gemäß Fig. 1 von links nach rechts in das
Innere des Helmholtz-Resonators 4 einlaufen werden dort gezielt gedämpft und
nicht wieder in das Innere des Brenners zurückreflektiert.
Im dargestellten Fall gemäß Fig. 1 weist der Helmholtz-Resonator 4 zwei gegen
überliegende Öffnungen auf, so daß dieser von einer Massenströmung, beispiels
weise Luft- oder Brennstoffströmung durchsetzt werden kann.
Optional kann der Brenner mit Hilfe einer Pilotgaszuleitung 5 ausgestattet sein, die
vorzugsweise zwischen Helmholtz-Resonator 4 und Mischbereich 2 angeordnet
ist.
Im Unterschied zur Brennerform gemäß Fig. 1 weist der in Fig. 2 dargestellte
Brenner einen V-förmig ausgebildeten Zentralkörper 6 auf, der ebenfalls wie der
kegelförmige Mischbereich 2 dem gezielten Vermischen von Verbrennungsluft 8
und Brennstoff dient. Auch im Falle des Brenners gemäß Fig. 2 ist unmittelbar
vor dem Zentralkörper 6 über eine Zuleitung 3 ein Helmholtz-Resonator 4 zur ge
zielten Dämpfung akustischer Wellen vorgesehen. Optional, auch in diesem Fall,
kann eine zusätzliche Pilotgaszuleitung 5 vorgesehen werden.
Zum individuellen Abgleich des Resonanzverhaltens des Helmholtz-Resonators 4
relativ zum Brenner sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 einen Hohl
raumresonator 4 vor, der längs verschieblich innerhalb der Zuleitung 3 gegenüber
dem Mischbereich 2 verschiebbar ist. Auf diese Weise kann ohne großen zusätz
lichen Aufwand ein gezielter Resonanzabgleich durchgeführt werden. Zusätzlich
zur Längsverschiebbarkeit, die entweder mittels zwei ineinander gleitender Tuben
bzw. im einfachsten Fall mit Hilfe eines Gewindes realisiert werden kann, weist der
Helmholtz-Resonator 4 nicht weiter im einzelnen dargestellte Stellelemente auf,
durch die das Resonatorvolumen des Helmholtz-Resonators 4 verändert werden
kann.
Im Gegensatz zu den vorstehend gezeigten Ausführungsformen gemäß der Fig. 1
und 2, bei denen der Helmholtz-Resonator 4 innerhalb eines den gesamten
Brenner umgebenden Gehäuses angeordnet ist, sieht das Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 3 die Anordnung des Helmholtz-Resonators 4 außerhalb des Ge
häuses 7 vor. Eine derartige äußerliche Anordnung des Helmholtz-Resonators 4
relativ zum Gehäuse 7 dient insbesondere einer ungestörten Verbrennungszuluft
strömung innerhalb des Mischbereiches 2 innerhalb des Gehäuses 7, wenngleich
das akustische Dämpfungsverhalten im wesentlichen durch den Helmholtz-
Resonator 4 bestimmt wird.
1
Brennkammer
2
kegelförmig ausgebildeter Mischbereich
3
Verbindungsleitung
4
Helmholtz-Resonator
5
Pilotgaszuleitung
6
doppel-kegelartig ausgebildeter Zentralkörper
7
Brennergehäuse
8
Verbrennungsluftstrom
Claims (10)
1. Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akusti
scher Wellen für einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, vorzugs
weise zum Antrieb einer Gasturbogruppe, mit einem Mischbereich (2), in dem eine
Luft- und Brennstoffströmung zu einem Brennstoff-/Luft-Gemisch miteinander
vermischt werden, und einer Brennkammer (1), die in Strömungsrichtung des
Brennstoff-/Luft-Gemisch dem Mischbereich (2) nachgeordnet ist, in der das
Brennstoff-/Luft-Gemisch entzündbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Helmholtz-Resonator (4) derart unmittelbar mit dem Mischbereich (2) des Bren
ners verbunden ist, daß die sich im Brenner ausbildenden akustischen Wellen im
Helmholtz-Resonator (4) unterdrückt und nicht in den Brenner zurückreflektiert
werden.
2. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Helmholtz-Resonator (4) in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luft-
Gemisches vor dem Mischbereich (2) angeordnet ist.
3. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner einen kegelförmig ausgebildeten Mischbereich (2) vorsieht, an
dessen größten Durchmesser die Brennkammer (1) anschließt und an dessen
Spitze der Helmholtz-Resonator (4) angebracht ist.
4. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Helmholtz-Resonator (4) und Mischbereich (2) eine Brennstoffzuleitung
(5) und/oder Öldüsen vorgesehen ist.
5. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennstoffzuleitung (5) für das Einspeisen von Pilotgas vorgesehen ist.
6. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (4) relativ zum Mischbereich (2) ver
schiebbar angeordnet ist, um eine Frequenzabstimmung bei geschlossenem Vo
lumen des Helmholtz-Resonators (4) zu ermöglichen.
7. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß den Brenner ein Gehäuse (7) umgibt.
8. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Helmholtz-Resonator (4) innerhalb oder außerhalb des Gehäuses (7) ange
ordnet ist.
9. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Mischbereich (2) als Drallerzeuger ausgebildet ist, inner
halb dem sich ein um eine Achse wirbelndes Brennstoff-/Luft-Gemisch ausbildet.
10. Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akusti
scher Wellen für einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, vorzugs
weise zum Antrieb einer Gasturbogruppe, mit einem Mischbereich (2), in dem eine
Luft- und Brennstoffströmung zu einem Brennstoff-/Luft-Gemisch miteinander
vermischt werden, und einer Brennkammer (1), die in Strömungsrichtung des
Brennstoff-/Luft-Gemisch dem Mischbereich (2) nachgeordnet ist, in der das
Brennstoff-/Luft-Gemisch entzündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Re
duzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen ein Lambda/4-
Wellenrohr einsetzbar ist.
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