DE2235893A1 - Schalldaempfer fuer abgas mit stroemungsumkehr - Google Patents

Description

Schalldämpfer for Abgas mit Strömungsumkehr

Die Erfindung betrifft allgemein die Geräuschverminderung in Gasturbinen und insbesondere einen kompakten Abgasschalldämpfer für Gasturbinen mit in sich umkehrendem Strömungsweg,

Die Eesorgnls der Öffentlichkeit und der Gesetzgebung bezüglich der Umweltverschmutzung richtete sich bisher hauptsächlich gegen die unzulässige Verschmutzung der Luft und des Wassers. Die Industrie als verantwortlicher Teil des Gemeinwesens versucht,bisher angenommene Methoden sauberer zu gestalten, und widmet bedeutende Anstrengungen der Entwicklung neuer Methoden, welche nicht in nachteiliger Weise die Umgebungsbedingungen schädlich beeinflussen,

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In letzter 7eit wurde auch der Schall- oder das Geräusch als öffentliches Ärgernis bezeichnet. Diese Erfindung befaßt sich mit der Beherrschung des Schalls, v/elcher am Auslaß von Gasturbinen austritt.

Schall wird erzeugt durch Störungen von Luftmassen. Jede Luftbewegung (beispielsweise von Gebläsen, Verdichtern oder rotierenden Einrichtungen) erzeugt Schall, übermäßig laute und unerwünschte Töne definieren das Geräusch oder den Lärm. Fin zur Verminderung der Schallmenge verwendetes Mittel besteht darin, 1n den Abgasstr^mungsweg von Gasturbinenmaschinen schallabsorbierende Einrichtungen einzufügen. Dieses Verfahren zur Schallverminderung führt jedoch gewöhnlich zu einer Beschränkung des Gasausstoßes. Wenn ein Abgasstr^mungsweg eingeengt wird, baut sich ein unerwünschter Rückstaudruck auf und macht es erforderlich, daß aur Aufrechterhaltung der gleichen Ausgangsleistung die Turbomaschine mehr Arbeit aufbringen muß. Dies bedeutet natürlich, daß der Wirkungsgrad verringert wird.

Die Anforderungen an die Konstruktion eines Schalldämpfers schreiben daher vor, daß ein maximaler akustischer Str^mungsweg vorhanden sein muß, durch den ein Mindestmaß an Druckverlust bewirkt wird. Zusätzlich dazu müssen die Abmessungen des Schalldämpfers begrenzt sein, um gewissen Faumanforderungen gerecht zu werden, welche durch die Umgebung aufgezwungen werden.

Es ist daher eine Aufgabe der Erf indungj einen Abgasschalldämpfer für eine Gasturbine zu schaffen, welcher ein Maximum an Schalldämpfung bei einem Minimum an Druckverlust ergibt.

Eb ist eine weitere Aufgabe der Erfindungjeinen Abgasschalldämpfer für eine Gasturbine zu erhalten, welcher getrennt in der Fabrik vorbereitete Module zum leichteren Transport und zur leichteren Errichtung an der Baustelle besitzen kann.

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Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung;einen Schalldämpfer für eine Gasturbine zu schaffen mit einem Finimum der Gesamtabmessungen.

Es ist eine weitere. Aufgabe der Erfindung^einen Abgasschalldämpfer für eine Gasturbine zu erhalten, der sowohl thermisch als auch akustisch isoliert 1st.

Weitere Aufgaben, Vorteile und Ferkmale der Erfindung sind ersichtlich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung einer Ausführungsform im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 zeigt eine auseinandergezogene teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung eines Schalldämpfers für eine Gasturbine und veranschaulicht den Fodulaufbau.

Fig. 2 enthält eine schematische Darstellung der Strömung des Abgases durch den Schalldämpfer.

Flg. 3 gibt einen Schnitt eines Teils der akustischen Isolierung. Fig. ty ist eine Ansicht eines Teils der akustischen Isolierung.

Fig., 5 ist eine Draufsicht im Schnitt und zeigt eine Möglichkeit der Befestigung der akustischen Isolierung in der Schalldämpfereinrichtung.

Benachbart zum Auslaßende einer Gasturbine ist ein Abgasschalldämpfer vorgesehen^ Der Schalldämpfer ist durchgehend akustisch und thermisch isoliert· Die heißen Abgase von der Gasturbine treten in den Schalldämpfer durch ein Übergangsstück ein und werden nach oben in eine erste Biegung umgelenkt, Diese Biegung kehrt die Str"mungsrichtung des Gases um etwa IbO⁰ um. Die Biegung besteht aus einem Nasenteil und einem Strömungsaufteiler. , Danach werden die Abgase durch einen zweiten Übergang in eine

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zweite Biegung geleitet, wo der Gasstrom erneut um IbO⁰ in die entgegengesetzte Richtung umgelenkt wird. Danach wird das heiße Abgas durch einen Piffusorkanal in die Atmosphäre abgegeben.

Der Abgasschalldämpfer für eine Gasturbine ist am besten ersichtlich aus der Figur 1 im Zusammenhang mit der schematischen Darstellung nach Figur 2. Der Schalldämpfer ist eine kastenförmige Struktur 11 und besitzt einen Abgaseinlaß und einen Abgasauslaß gemäß den Bezeichnungen in der Abbildung. Der Aufbau deö Schalldämpfers ist so, daß eine ^vielzahl von Flanschträgern 15 die Strukturteile 17 und die Verstrebungsteile 19 tragen, um einen äußeren Rahmen für den Schalldämpfer zu bilden. Das Innere des Schalldämpfers 1st akustisch und thermisch isoliert durch Verkleidungsabschnitte 21. Diese Verkleidungsabschnitte 21 bilden die Wände des Schalldämpfers, da sie durch die Strukturteile und Verstrebungsteile gehalten werden. Weiterhin bilden diese Verkleidungsabschnitte den inneren Strömungsweg des Schalldämpfers.

Der !Vodulaufbau der Einrichtung ist veranschaulicht in der Figur 1, in der drei Modulabschnitte gezeigt sind. V/enn die Verwendung eines I^odulaufbaus erwünscht ist, wird Jedes getrennte ^odul bereits mit in der Fabrik vorbereiteten akustischen und thermischen Isolierungen zu der Eaustelle verschickt. Danach werden die Module einfach an ihren entsprechenden Strükturteilen zusammengeschraubt .

Der Strftmungsweg der heißen Abgase ist am besten aus Figur 2 ersichtlich. Die heißen Abgase durchsetzen den Abgaseinlaßabschnitt, welcher einen abgerundeten oberen Teil 31 besitzt. Dieser abgerundete obere Teil 31 vermindert die Druckverluste am Abgaseinlaß und erteilt weiterhin dem Gasstrom eine Wendung nach oben. Das Gas strömt nach oben durch den übergang A, welcher den Abgaseinlaß mit einer ersten Piegung B verbindet.

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Die erste Biegung B besteht aus einem Nasenteil 33 und einer Strömungsauftellungsleitschaufel 35» Die Biegung B lenkt die Gasströmung um etwa 180°um. Der Nasenteil 33 besitzt große Bedeutung bei der Verminderung von Druckverlusten durch die Biegung,, da die Energieverteilung des.Gasstroms zu·dem Nasenteil verschoben worden ist wegen der Wendung nach oben, welche das eintretende Heißgas mit dem Eintritt in den Abgaseinlaß machen muß. Das Nasenteil 33 ist selbstverständlich akustisch und thermisch isoliert. Es besitzt eine sehr große akustische Bedeutung, da es die Schallwellen zwingt, einen langen Weg durch die Kanäle in der Biegung zu durchlaufen anstatt durch einen viel kürzeren Weg kurzgeschlossen zu werden, mit viel weniger schallabsorbierenden Peflektionen an den Wanden, wie es bei einem einfachen kegelstumpf förmigen Wandteil der Fall wäre.

Die Strömungsteilerleitscbaufel 35 besitzt akustische Bedeutung dadurch, daß sie zu beiden Seiten der Laufschaufel zusätzliche Absorptionsoberflächen für die Schallenergie bietet und die Schallwellen zwingt, diese ein oder mehrmals zu durchsetzen, und damit eine relativ große akustisch absorbierende Fläche mit einem vergleichsweise geringen Raumbedarf ergibt. Mit anderen Worten werden hierdurch die Gesamtabmessungen des Schalldämpfers nicht besonders vergrößert und trotzdem wird eine maximale Schallschwächung geschaffen.

Ein weiterer akustischer Gesichtspunkt der Biegung besteht darin_s daß sie einen geraden Laufweg für die Schallenergie beseitigt» Einfach ausgedrückt pflanzt sich der Schall in geraden Linien fort und die gekrümmte Biegung dämpft den Schall dadurch, daß sie ihn durch einen gewundenen Laufweg zwingt.

Fin weiterer übergang C verbindet die Biegung B mit einer zweiten '-iegung D, Die Seitenwände des Übergangs sind gegenüber der Vei°- -.·Skalen geneigt, um d3e vertikale Gesamthfihe des Schalldämpfers beizubehalten, Dieser übergang C Ist ebenfalls aus akustischen

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Verkleidungen gebildet und bewirkt daher eine weitere Geräuschverminderung.

Die Biegung D lenn beispielsweise nur ein Nasenteil 37 enthalten. Zur weiteren Schallabschw^chung kann ,ledocb auch noch ein Strömungsteiler vorgesehen sein. Die Biegung D wird benutzt, um erneut den Strömungsweg für das Abgas um 18O° umzukehren.

Die Übergänge E und P werden verwendet um den Gasstrom in die Atmosphäre zu richten. Der letzte F-übergang besitzt dabei eine divergierende Seitenwand, um die Druckverluste am Abgasauslaß zu vermindern.

Der gestrichelte Teil kl der Figur 1 zeigt eine Aussparung, die verwendet werden kann für die Wärmerückgewinnung, indem ein wahlweiser Kanal zu einem Dampfgenerator für Wärmerückgewinnung; zur Verfügung steht und die übergänge E und P dann als Abzweigkanal verwendet werden.(Bypass). In diesem Falle kehrt die zweite Biegung den Gasstrom nicht vollständig um l8o° um, sondern lenkt ihn um einen Winkel von etwa 90° ab.

Die Isolierung muß sowohl akustisch absorbierend als auch wärmebeständig sein. Der Aufbau der akustischen Verkleidung ist im einzelnen in den Figuren 3 und k dargestellt. Alle inneren Oberflächen des Schalldämpfers sind mit akustischer Verkleidung gebildet, einschließlich des Strffmungsweges und der Wandstruktur.

Die akustische Verkleidung 21 ist mit einer Schicht 51 aus Kohlenstoffstahl gebildet. Diese Schicht kann eine Dicke in der Grttssenordnung von 6 mm (IM Zoll)besltzen und bildet den äußeren oder rückwärtigen Teil der akustischen Verkleidung.

Benachbart zur Schicht 51 aus Kohlenstoffstahl ist eine erste Isolierschicht 53 aus relativ billigem faserfßrmigem Material aufgelegt. Diese Schicht kann eine Dicke in der Größenordnung

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von 7,5 cm (3 Zoll) besitzen und kann entweder aus -Mineralwolle oder aus Glasfaser bestehen, wobei das letzere Material bevorzugt wird.

Angrenzend an diese erste Isolierschicht 53 1st eine zweite Isolierschicht 55» die aus einer Isolierung für sehr hohe Temperaturen besteht, beispielsweise aus einem langfaserigen Keramlkfiliz. Diese Schicht kann eine Dicke von etwa 6 mm (lMZoll) besitzen. Diese Schicht ergibt nicht nur eine akustische und thermische Isolierung, sondern widersteht auch den hohen Temperaturen der Abgase und zeigt gleichzeitig gute Pilzeigenschaften bei dieser Temperatur und verhindert den Verlust kostspieliger Isolierung infolge hoher Geschwindigkeit und Beanspruchung durch.den Gasstrom.

Schließlich ist ein Blech 57 aus äußerst dünnem (mikrodünnem) perforiertem rostfreiem Stahl angrenzend an die zweite Isolierschicht 55 angebracht. Dies.es Blech 57 besitzt eine Dicke von etwa 0,57 m (0,03 Zoll) und die Perforierung 59 besteht aus Löchern mit einem Durchmesser von etwa 1,2 ram (0,045 Zoll). Diese Bohrungen sind so angeordnet, daß etwa 20$ des Materials entfernt ist. Dieser offene Bereich von etwa 20?? genügt, um das perforierte Blech für Schall durchlässig zu machen, und gestattet damit dem Schall den Durchtritt zur Isolierung, wo er absorbiert wird. Diese Bohrungen sind .jedoch klein genug, um einen Verlust der Isolierung durch sie hindurch zu verhindern. Weiterhin gestattet die dünne Ausführung des perforierten Metalls ein örtliches Verwölben, welches Temperaturgradienten von innen nach außen aufnimmt. Die Verkleidung wird zusammengehalten mit Hilfe eines Abstandsrohres um einen an der Kohlenstoffstahl-Schicht 51 verankerten Bolzen 63.« welcher die Dicke der Verkleidung bei Druckbelastung aufrecht erhält j sowie durch einen Kanalabschnitt 65»' welcher das Auseinanderziehen der Verkleidung verhindert und durch Federklammern 67, welche die Kanalteile an den Bolzen 63 verriegeln. Die Bolzen können mit Mittenabständen.·von etwa 45 cm (18 Zoll) angeordnet werden.

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-B-

Ein Gesichtpunkt des Schalldämpfers gemäß der Erfindung ist in Figur 5 als Teil der Biegung B gezeigt. Diese Konstruktion kann jedoch gewünschtenfalls auch für die übrigen Teile verwendet werden. An den Wänden des Schalldämpfers sind Leisten 71 (slats) befestigt und verlaufen so, daß sie eine Schiene bilden, In der die akustische Verkleidung verschiebbar eingesetzt werden kann. Eine solche Konstruktion gestattet eine thermische Ausdehnung der akustischen Verkleidung und gitit gleichzeitig ein einfaches und sicheres Befestigungssystem. Aus der Figur 5 ist auch ersichtlich, daß die beiden Flächen der Leitschaufel 3S für die Strömungsaufteilung mit einer Schicht aus einem dünnen perforierten Metallblech ausgestattet sind. Hierdurch wird wie bereits erwähnt, die doppelte schallabsorbierende Fläche für den Strömungsaufteiler ermöglicht.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, aus welchem Grunde diese Schalldämpfereinrichtung als ümkehrschalldämpfer bezeichnet werden kann. Ih einer Konstruktion mit begrenzten Gesamtabmessungen ist ein Maximum an schall absorbierender Fläche geschaffen und gleichzeitig werden Druckverluste vermieden. Der Strömungsweg der Heißgase wird zweimal um IbO⁰ umgekehrt, so daß außerdem eine Fortpflanzung des Schalls längs einer geraden Linie vermieden ist.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   (1,/Schalldämpfer für eine Gasturbine mit einer äußeren Kästenstruktur und einem akustisch und thermisch isolierten Innenteilj gekennzeichnet durch die Kombination:

   eines Einlasses für Turbinenabgase, eine erste Biegung (B) zur Umkehrung der Strömungsrichtung dieser Abgase, einer zweiten Biegung (D) zur erneuten Umkehrung der Strömungsrichtung der Abgase, eine akustische Strfimungsaufteilereinrichtung (35), welche dieser ersten Biegung (B) zugeordnet ist, .eines Aus- lasses zum Ausstoß der Abgase und einer Einrichtung zur Richtung der Strömung der Gase vom Einlaß' durch die erste Biegung, die zweite Biegung und zum Auslaß,

   2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß einen gekrümmten oberen Teil (3D besitzt zur Verminderung des Druckabfalls durch den Einlaß,

   3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Strömungsaufteilungseinrichtung eine gekrümmte Leitschaufel (35) ist, die zur Aufteilung des Stroms der Abgase durch die erste Biegung (B) angeordnet ist,

   H, Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 3, 'dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Richtung des Abgasstroms aus akustischen Verkleidungen (21) besteht, die zur Schaffung eines strömungsmäßig in Reihe liegenden Strömungsweges im Innern der Struktur befestigt sind,

   ^f:>r Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis ^, dadurch gekennzei chnet«, daß die erste und zweite Biegung (B, D) akustisch verkleidete Nasenteile (33_S 37) besitzen.

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   6. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß einen divergierenden Vfandteil zur Verminderung der Druckverluste durch den Auslaß aufweist.

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