EP0892216A1

EP0892216A1 - Schwingungsdämpfende Brennkammerwandstruktur

Info

Publication number: EP0892216A1
Application number: EP97810489A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr. Döbbeling; Christian Oliver Dr.-Ing. Paschereit; Wolfgang Dr. Polifke
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 1999-01-20
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: ATE232287T1; DE59709276D1; EP0892216B1

Abstract

In einer Gasturbinenbrennkammer mit einer ringförmigen Brennkammer (10) erstreckt sich vom Brennkammereintritt (12) bis zur Turbine (20) dessen Brennkammerwand (18). An einem Frontpanel (36) sind Brenner (16) befestigt, wobei im Bereich der Brennkammer (10) Helmholtzdämpfer (42) angeordnet sind. Zur Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen sind die Helmholtzdämpfer (42) Elemente einer vielzelligen Struktur, wobei die vielzellige Struktur zumindest in Teilbereichen an der Brennkammerwand (18) und/oder am Frontpanel (36) angeordnet ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer deren Brennkammerwand zumindest teilweise effusions- oder filmgekühlt ist und sich vom Brennkammereintritt bis zur Turbine erstreckt, und bei der an einem Frontpanel Brenner befestigt sind, wobei im Bereich der Brennkammer Helmholtzdämpfer angeordnet sind.

Stand der Technik

In Brennkammern von Gasturbinen treten häufig unerwünschte thermoakustische Schwingungen auf. Dabei werden mit thermoakustischen Schwingungen sich gegenseitig aufschaukelnde thermische und akustische Störungen bezeichnet. Es können dabei hohe Schwingungsamplituden auftreten, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa einer hohen mechanischen Belastung der Brennkammer, erhöhten NO_x-Emissionen durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme führen können.

Die in die Brennkammer einströmende Kühlluft hat bei herkömmlichen Brennkammern eine bedeutende Funktion, da der Kühlluftfilm an der Brennkammerwand schalldampfend wirkt und damit zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen beiträgt. Um niedrige NO_X-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet, der Kühlluftstrom also reduziert. Durch die damit einhergehende geringere Schalldämpfung treten die eingangs angesprochenen, mit den unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme in solchen modernen Brennkammern demnach verstärkt auf.

Eine Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln von Helmholtz-Dämpfern in der Brennkammerhaube oder im Bereich der Kühlluftzuführung, wie etwa in der Druckschrift xxx beschrieben. Bei engen Platzverhältnissen wie sie für moderne, kompakt gebaute Brennkammern typisch ist, kann die Unterbringung solcher Dämpfer jedoch Schwierigkeiten bereiten.

Bei großvolumigen Helmholtzdämpfern wie sie etwa in der EP-A1 0 597 138 beschrieben werden, müssen um von außen zu den Helmholtzdämpfern zu gelangen, die in der Regel gekühlten Wandungen des Verbrennungsraums mit einem Mannloch versehen sein. Ein solcher Zugang ist mit einem großen konstruktiven Aufwand verbunden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Unterdrücken thermoakustischer Brennkammerschwingungen bereitzustellen, die mit einen möglichst geringen Platzbedarf auskommt und sich auch in engen Geometrien einsetzen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in effusionsgekühlten Brennkammern die Brennkammerwände mit einer vielzelligen Helmholtzdämpferstruktur ausgestattet werden. Dabei können die Brennkammerwände selbst eine vielzellige Struktur aufweisen, oder die Brennkammerwände werden mit vielzelligen Matten versehen.

Eine vielzellige Struktur bedeutet dabei eine Struktur, die aus vielen benachbarten, jedoch voneinander getrennten Zellen aufgebaut ist. Die einzelnen Zellen können dabei eine beliebige Form aufweisen, bevorzugt sind die Zellen jedoch durch eine Grundfläche und eine darauf senkrechte Höhe gekennzeichnet. Die Grundfläche kann dabei dreieckig, rechteckig, sechseckig, allgemein vieleckig oder irregulär geformt sein. Bevorzugt sind rechteckige und sechseckige Zellen, die einfachen aneinandergereiht werden können und eine stabile Struktur ergeben. In der Richtung der Höhe der Zellen sind die Strukturen bevorzugt nur eine Zelle dick, es können jedoch auch mehrere Zellen übereinander gestapelt sein. Die Ausdehnung der vielzelligen Struktur ist in der Richtung der Höhe der Zellen jedoch stets viel kleiner also senkrecht dazu, in der lateralen Ebene der Grundflächen der Zellen.

Die Anzahl der Zellen der gesamten Struktur liegt in der vorliegenden Erfindung zwischen 1.000 und etwa 200.000, bevorzugt zwischen 5000 und 50.000, besonders bevorzugt zwischen 10.000 und 30.000. Eine geringere oder höhere Anzahl von Zellen in einer Struktur ist auch sinnvoll, da sich die Anzahl der Zellen in erster Linie an dem zu dämpfenden Frequenzspektrum und der entsprechend erforderlichen Dämpfleistung orientiert.

In der vorliegenden Erfindung weist jede Zelle mindestens eine Öffnung auf, bevorzugt sind zwei, einander gegenüberliegende Öffnungen. In der Struktur, die nur eine Zelle dick ist, befinden sich die beiden Öffnungen beispielsweise auf der Oberseite und Unterseite der Struktur, so daß die Struktur und die Zellen von der Kühlluft durchströmt werden kann.

Die Zellwände, in denen sich die Öffnungen befinden haben dabei eine nicht zu vernachlässigende Dicke. Dabei kann eine Öffnung auch unter einem gewissen Winkel durch die Zellwand stoßen, so daß die effektive Länge der Öffnung größer als die Zellwandstärke ist. Jede Öffnung ist also durch einen Durchmesser und eine Länge gekennzeichnet. Die Öffnungen werden daher im folgenden auch als Rohre bezeichnet.

Die Zellen der gesamten Struktur müssen nicht alle die gleiche Form, Größe, Zahl der Öffnungen (Rohre), Länge und Durchmesser der Rohre etc. haben. Zellen mit verschiedenen Eigenschaften (etwa Größe) können verschiedenen Zwecken dienen, etwa daß sie verschiedene Frequenzen bedämpfen.

Durch die mindestens eine Öffnung bildet jede Zelle einen (bei zwei Öffnungen durchspülten) Helmholtz-Resonator. Die Resonanzfrequenz eines solchen Helmholtz-Resonators ist durch die Fläche und Länge der Eintrittsöffnungen und das Volumen der Zelle gegeben. Durchspülte Helmholtzresonatoren bieten den Vorteil, daß sie von der durchströmenden Kühlluft gekühlt werden. Da die Resonanzfrequenz eines Helmholtzresonatoren von der Gastemperatur abhängt, wird dadurch diese Resonanzfrequenz stabil gehalten.

Erfindungsgemäß werden nun die Zellvolumina und die Fläche und Länge der Eintrittsöffnungen so gewählt, daß ihre Resonanzfrequenz mit bestimmten, zu dämpfenden Frequenzen der Brennkammer übereinstimmen. Wie bekannt, wirkt ein Helmholtz-Resonator in der Gegend seiner Resonanzfrequenz als Dämpfer da dort die Ankoppelung der zu dämpfenden Schwingung an das Resonatorvolumen besonders gut ist.

Die zu dämpfenden Frequenzen sind dabei gerade die Frequenzen, bei denen man die Schwingungen der Brennkammer dämpfen möchte, etwa weil die Brennkammer bei diesen Frequenzen zu starken (thermo-)akustischen Schwingungen neigt. Eine selbsterhaltende thermoakustische Schwingung entsteht, wenn die Brenner bei einer der Eigenfrequenzen der Brennkammer mit Fluktuationen der Wärmefreisetzung reagieren. Die Frequenz der sich einstellenden Schwingung liegt erfahrungsgemäß nahe einer der Eigenfrequenzen der Brennkammer. Für typische Brennkammern liegen diese im allgemeinen zwischen 40 Hz und 3 kHz. Die niedrigste dieser Eigenfrequenzen dabei ist erfahrungsgemäß von besonderer Bedeutung. Es ist jedoch oft auch die Dämpfung höherer Eigenmoden der Brennkammer wichtig.

Erfindungsgemäß wird nun jeweils ein Satz von Zellen mit ihren Eigenschaften (Form, Volumen, Länge und Durchmesser der Rohre) auf jede der zu dämpfenden Frequenzen abgestimmt. Erfindungsgemäß sind die einzelnen Zellen im allgemeinen relativ klein, die Dämpfleistung einer einzelnen Zelle also relativ niedrig. Dies wird jedoch durch die große Zahl an Zellen ausgeglichen, da in erster Näherung die Dämpfleistung proportional zur Zahl der dämpfenden Zellen ist.

Als Brennkammerwände stehen beispielsweise in einer Ringbrennkammer die Außenschale, die Innenschale und das Frontpanel (d.h. die Fläche, an der die Brenner befestigt sind) zur Verfügung. In der Erfindung muß nicht die gesamte Fläche der Brennkammerwände mit Helmholtzdämpfern ausgestattet werden.

Vielmehr ergibt sich die benötigte Fläche aus der zu erreichenden Dämpfleistung. Soll beispielsweise nur eine Frequenz der Brennkammer bedämpft werden, so kann es genügen, nur das Frontpanel mit vielzelligen Helmholtzdämpfern auszustatten und die Außen- und Innenschale unverändert zu lassen.

Wegen der geringen Höhe der vielzelligen Struktur und ihrer Integration in die Brennkammerwände weist die vorliegende Erfindung einen sehr geringen Platzbedarf auf. Als vielzellige Struktur können beispielsweise wabenförmige Matten verwendet werden, die in einer Vielzahl von verschiedenen Formen und Materialien erhältlich sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: in schematisierter Darstellung einen Teillängsschnitt einer Ringbrennkammer;
Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel der Gestaltung der Brennkammerwand mit einer vielzelligen Struktur von Helmholtz-Dämpfern;
Fig. 3: die relative Dämpfleistung eines auf 116 Hz ausgelegten Helmholtzdämpfelements;

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht gezeigt sind beispielsweise das Abgasgehäuse der Gasturbine mit Abgasrohr und Kamin, der Verdichter und Sammelraum der Turbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist als Beispiel ein Teillängsschnitt einer Ringbrennkammer dargestellt. Obwohl sich die folgenden Ausführungsbeispiel auf eine solche Ringbrennkammer beziehen, ist die Erfindung nicht auf Ringbrennkammern beschränkt, sondern allgemein für effusionsgekühlte Brennkammern anwendbar.

Die Anlage, von der in Fig. 1 nur der oberhalb der Maschinenachse 30 liegende Teil dargestellt ist, ist rotationssymmetrisch um die Maschinenachse 30 aufgebaut. Auf der Seite der Gasturbine 20 besteht die Anlage im wesentlichen aus dem mit Laufschaufeln 24 beschaufelten Rotor 22 und dem mit Leitschaufeln 28 bestücktem Schaufelträger 26. Der Schaufelträger 26 ist über entsprechende Aufnahmen im (nicht gezeigten) Turbinengehäuse eingehängt.

Verdichtete Luft 38 strömt vom Verdichter her in den Sammelraum 39. Der Hauptanteil der Luft strömt durch die Bypass-Öffnungen 31 und insbesondere die Kühlkanäle 30 und 32 in die Brennkammerhaube 34 und von dort durch die Brenner 16 in die Brennkammer 10. Ein kleinerer Teil der Luft fließt als Kühlluft von den Kühlkanälen 30 und 32 durch eine Vielzahl von Öffnungen in den Wandteilen 18 in die Brennkammer 10 (Effusionskühlung). Das Bezugszeichen 14 markiert den Austritt zur Turbine 20. Die Wandteile 18 und das Frontpanel 36 werden nun erfindungsgemäß mindestens zum Teil als vielzellige Helmholtzdämpfer-Struktur ausgebildet.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Brennkammerwand im Detail. In dieser Ausführungsform ist die eigentliche Brennkammerwand 40 mit einer vielzelligen Matte von Helmholtzdämpfern 42 versehen. Die Kühlluft fließt dabei durch die Eintrittsöffnungen (oder Eintrittsrohr) 46 in das Zellenvolumen 48 und fließt dann durch die Austrittsöffnungen 44 in die Brennkammer 10. Da die Austrittsöffnung 44 die Dämpfeigenschaften des Dämpfelements wesentlich beeinflussen, wird sie im folgenden auch als Dämpfrohr 44 bezeichnet.

Im folgenden werden exemplarisch zwei konkrete Auslegungsbeispiele für eine typische Ringbrennkammer beschreiben. Die Erfindung ist natürlich nicht auf diese konkreten Beispiele beschränkt.

In der beispielhaften Brennkammer beträgt der Gesamtdruck p etwa 30 bar. Der Druckverlust Δp durch die Effusionskühlung soll etwa 2%, also rund 60.000 Pa betragen. Der gesamte Massenstrom der Luft in die Brennkammer beträgt 135 kg/s, der Kühlluftstrom soll etwa 1% davon, hier 1.5 kg/s betragen. Die Temperatur der Kühlluft beträgt etwa 720 K, die Schallgeschwindigkeit c bei dieser Temperatur etwa 550 m/s.

Mit diesen Angaben kann die benötige Fläche für die Kühlluftöffnungen abgeschätzt werden. Über ρ=p/RT, mit der Gaskonstante R (R_Luft ≈ 290 J/kg K), erhält man die Dichte der Kühlluft ρ ≈ 15 kg/m³. Die Geschwindigkeit der Kühlluft erhält man über die Beziehung Δp = 0.5*u2*(1+ζ) mit dem Verlustbeiwert ζ. Wird der gesamte Druckverlust über die Eintrittsöffnungen erbracht, und ist der Verlustbeiwert dieser Öffnungen ζ ≈ 1,8, so ergibt sich eine Kühlluftgeschwindigkeit u ≈ 50 m/s. Für einen Kühlluftstrom wie oben angegeben ist dann eine Gesamtfläche der Eintrittsöffnungen von etwa 2x10^-3 m² notwendig.

Aufgrund der akustischen Eigenschaften der Brennkammer soll mit den Helmholtzdämpfern eine Frequenz von 116 Hz bedämpft werden. Wie bekannt, ist die Resonanzfrequenz eines undurchströmten Helmholtzresonators mit einer Öffnung gegeben durch f = ω/2π = c/2π √(Ad/(V*ld)) mit der Schallgeschwindigkeit c, dem Volumen des Resonators V, der Querschnittfläche des Dämpfrohrs A_d und der Länge des Dämpfrohrs l_d.

In einem ersten Ausführungsbeispiel soll fast der gesamte Druckverlust Δp an den Eintrittsöffnungen erbracht werden. Entsprechend wird der Durchmesser der Eintrittsöffnungen zu 0.35 mm und der Durchmesser des Dämpfrohrs zu 0.8 mm gewählt. Um die zu dämpfende Frequenz von f=116 Hz als Resonanzfrequenz zu erhalten, wird weiterhin die Länge des Dämpfrohrs l_d zu 15 mm, die Höhe einer Resonatorzelle 62 zu 9 cm und die Grundfläche einer Resonatorzelle zu 2,11 cm² gewählt. Das Volumen V eines Helmholtzdämpfers 62 beträgt dann 19 ml (1.9 x 10^-5 m³), so daß sich gerade die geforderte Resonanz- und damit Dämpffrequenz ergibt.

Die Dämpfrohre werden auf eine Länge von 15 mm ausgelegt. Die Brennkammerwand des Ausführungsbeispiels weist jedoch nur eine Dicke von 7,5 mm auf. Die notwendige Länge wird dann nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das Dämpfrohr 64 einen Winkel von α=30° mit der Brennkammerwand einschließt.

Im folgenden wurde nun von einer Druckschwankung in der Brennkammer mit einer Amplitude von 100 mbar ausgegangen. Die Leistung einer Pulsation dieser Stärke bezogen auf eine Brennkammerfläche von 1.2 m² beträgt dann 2984 W. Die Dämpfleistung W_d eines Helmholtzdämpfers läßt sich mit folgender Formel abschätzen: Wd = ½ Ad ud pd mit der Querschnittsfläche des Dämpfrohrs A_d, der Amplitude der Geschwindigkeitsschwankung im Dämpfrohr u_d und der Amplitude der Druckschwankung im Dämpfrohr p_d. Die Beziehung (2) schätzt die Dämpfleistung wegen der Vernachlässigung einiger Effekte, wie der Bildung einer Stokes-Wandgrenzschicht im Dämpfrohr, im allgemeinen nach unten ab. Eine Auslegung der Dämpferelemente mit Beziehung (2) ist daher auf jeden Fall ausreichend, da die tatsächliche Dämpfleistung etwas höher als mit (2) berechnet, auffällt.

Im ersten Auslegungsbeispiel ist u_d = 53 m/s und p_d = 100 mbar. Damit ergibt sich eine Dämpfleistung einer Dämpferzelle von etwa 0.13 W, oder eine relative Dämpfung von rund 4.5 x 10^-5. In Fig. 3 ist die relative Dämpfung als Funktion der Frequenz gezeigt. Die relative Dämpfung ist bei der Auslegungsfrequenz von 116 Hz maximal. In diesem Auslegungbeispiel wurden 20.000 Dämpferzellen verwendet. Dadurch wird die Ausgangsdruckschwankung von 100 mbar auf eine gedämpfte Druckschwankung von rund 30 mbar reduziert.

Im ersten Auslegungsbeispiel wurde fast der gesamte Druckverlust über die Einlaßöffnungen erbracht. Ist dies nicht erwünscht, können die Einlaßöffnungen größer gestaltet werden. Im zweiten Auslegungsbeispiel wird entsprechend der Durchmesser der Eintrittsöffnungen zu 0.7 mm und der Durchmesser des Dämpfrohrs zu 0.8 mm gewählt. Wegen des größeren Einlaßdurchmessers ist die Dämpfung in diesem Beispiel etwas geringer. Bei gleicher Wahl der restlichen Parameter wie in Beispiel 1, wird in diesem Beispiel bei 20.000 Dämpfern eine Ausgangsdruckschwankung von 100 mbar auf eine gedämpfte Druckschwankung von rund 40 mbar reduziert.

Bezugszeichenliste

10: Brennkammer
12: Brennkammereintritt
14: Brennkammeraustritt
16: Brenner
18: Brennkammerwand
20: Turbine
22: Rotor
24: Turbinenlaufreihe
26: Schaufelträger
28: Turbinenleitreihe
30: innerer Kühlkanal
31: Bypass-Öffnungen
32: äußerer Kühlkanal
34: Haube
36: Frontpanel
38: verdichtete Luft
39: Sammelraum
40: Brennkammerwand
42: Helmholtzdämpfer
44: Austrittsöffnung, Dämpfrohr
46: Eintrittsöffnung, Eintrittsrohr
48: Zellvolumen

Claims

Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennkammer (10) deren Brennkammerwand (18) sich vom Brennkammereintritt (12) bis zur Turbine (20) erstreckt, und bei der an einem Frontpanel (36) Brenner (16) befestigt sind, wobei im Bereich der Brennkammer (10) Helmholtzdämpfer (42) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Helmholtzdämpfer (42) Elemente einer vielzelligen Struktur sind, wobei die vielzellige Struktur zumindest in Teilbereichen an der Brennkammerwand (18) und/oder am Frontpanel (36) angeordnet ist.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der vielzelligen Struktur Matten verwendet werden.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der vielzelligen Struktur unterschiedliche Matten verwendet werden.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (18) und/oder das Frontpanel (36) in Teilbereichen als vielzellige Struktur ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vielzellige Struktur Helmholtzdämpfer (42) unterschiedlicher Größe aufweist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zellen der vielzellige Struktur zwischen 1.000 und etwa 200.000 liegt, bevorzugt zwischen 5.000 und 50.000 und besonders bevorzugt zwischen 10.000 und 30.000 liegt.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Helmholtzdämpfer (42) der vielzelligen Struktur von Kühlluft durchströmt wird, vorzugsweise, dass alle Helmholtzdämpfer (42) der vielzelligen Struktur von Kühlluft durchströmt werden.