EP0971172A1 - Brennkammer für eine Gasturbine mit schalldämpfender Wandstruktur - Google Patents

Brennkammer für eine Gasturbine mit schalldämpfender Wandstruktur Download PDF

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EP0971172A1
EP0971172A1 EP98810656A EP98810656A EP0971172A1 EP 0971172 A1 EP0971172 A1 EP 0971172A1 EP 98810656 A EP98810656 A EP 98810656A EP 98810656 A EP98810656 A EP 98810656A EP 0971172 A1 EP0971172 A1 EP 0971172A1
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combustion
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ABB Alstom Power Switzerland Ltd
ABB Asea Brown Boveri Ltd
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It affects a combustion chamber for a gas turbine, in which combustion chamber the hot combustion gases a combustion zone are enclosed by inner walls, which are cooled by cooling air supplied outside the inner walls.
  • Such a combustion chamber is in the form of a secondary combustion chamber e.g. from the Document EP-A1 0 669 500 of the applicant is known.
  • Gas turbines can cause pressure vibrations during operation under certain conditions or acoustic vibrations that occur in terms of frequency Range of several kHz, e.g. 1.8 kHz or around 5 kHz. Such Vibrations prove to be disruptive to the operation and are therefore undesirable.
  • a way to dampen or suppress such vibrations consists in providing fluidic means in the combustion chamber, which influence the flow of hot gases in that the acoustic vibrations are not excited or only to a small extent.
  • Helmholtz resonators on the combustion chamber attach to the vibrations as damping elements couple and dampen the vibrations or disappear completely bring.
  • a gas turbine combustor is described in US Pat. No. 5,644,918, in the case of the cooling air leading within the combustion chamber Double jacket and on the front of the combustion chamber in the area of the burner by pulling in additional dividing walls Helmholtz resonators 48 and 56 are formed, the constrictions 50 and 58 in connection with the combustion chamber stand, but are otherwise completely completed, so that a Flow of cooling air through the resonator rooms does not take place.
  • the task is thereby in a combustion chamber of the type mentioned solved that at least in a partial area on the outside of the inner walls one spaced from the inner walls, substantially parallel to the inner walls extending perforated plate is arranged, which together with the associated Inner wall forms a closed damping volume that the inner walls in the region of the damping volume, a plurality of distributed ones has first openings through which the damping volume with the
  • the combustion zone of the combustion chamber communicates with the perforated plate has a plurality of distributed second openings through which Cooling air flows into the damping volume from the outside and acts like a Impact cooling between the first openings on the opposite outside the inner wall hits, and that the distance between the perforated plate and the inner wall and the geometric dimensions of the first openings so are chosen so that the first openings together with the damping volume form a plurality of interconnected Helmholtz resonators and as a silencer for acoustic vibrations in the combustion chamber Act.
  • the essence of the invention is a plurality of interconnected Helmholtz resonators by arranging two parallel ones To create perforated plates.
  • the one perforated plate, the relatively large openings At the same time, the damping tubes of the individual resonators form the inner wall of the Combustion chamber itself.
  • the other, outside perforated plate bounds together with the inner wall the intervening, interconnected damping volumes of the individual resonators.
  • the relatively small openings on the outside Perforated plate is flowed through by cooling air, which on the one hand the resonators stabilized thermally and frequency and on the other hand by impact highly effective impingement cooling of the inner wall on the outside of the inner wall enables.
  • the additional effort to create the resonators exists in doing so - when the large openings in the Inner wall already exist - just from attaching the outer one Perforated plate.
  • a first preferred embodiment of the combustion chamber according to the invention is characterized in that the geometric dimensions of each first openings and the periodic intervals between the first openings are chosen essentially the same.
  • the individual partial resonators are in this case, all tuned to the same damping frequency, so that for the damping arrangement overall a high damping in a relative results in a narrow frequency range.
  • a second preferred embodiment of the combustion chamber according to the invention is characterized in that the geometric dimensions of each first openings and / or the distance between the perforated plate and the inner wall in the Area of the individual first openings and / or the periodic spacing of the individual first openings with each other to produce a widened Damping frequency band selected differently within a range of values become.
  • the distribution of values for the individual partial resonators means that the overall arrangement of the frequency range in which a noticeable attenuation takes place, significantly broadened, which is advantageous when the combustion chamber vibrations scatter more in frequency.
  • the first openings For common frequency values of combustion chamber vibrations in the range of several kHz are the first openings as through holes with a length of a few millimeters and a diameter of a few millimeters.
  • the periodic distance between adjacent first openings is a few millimeters, and the distance of the perforated plate from the inner wall is also a few millimeters.
  • the length of the first openings is about 5 mm, the Diameter of the first openings about 4.3 mm, the periodic spacing of the first openings between each other about 10 mm, and the distance between the Perforated plate and the inner wall about 5 mm.
  • the second openings are chosen so small that there is sufficient Pressure drop for the cooling air flowing through results.
  • the diameter is preferred the second openings are smaller than 1 mm, in particular approximately 0.7 mm.
  • the damping behavior is particularly advantageous if according to another Embodiment the combustion chamber is designed as a secondary combustion chamber, if the combustion chamber is in the combustion zone and an upstream Inflow zone is divided when the inflow zone is in a step-like manner Transition to the combustion zone expanded when the combustion zone in the Area of the step-like transition delimited by a radial inner wall and when the perforated plate is arranged on the outside of the radial inner wall is.
  • a secondary combustion chamber is shown in a simplified longitudinal section, which is known from EP-A1 0 669 500, and which is preferred for implementation the invention is suitable.
  • the combustion chamber 10 includes a combustion zone 23, which of an inner wall extending in the axial direction 12 and a radial inner wall 17 is limited.
  • the inflow zone 20 is delimited by an inner wall 15. Protrudes into the inflow zone 20 a fuel lance 18 from the side, a nozzle at the front end 19 for fuel injection.
  • the inner walls 12, 15 and 17 are from an outer wall 11 extending in the axial direction.
  • a cooling air duct 14 remains free, through what cooling air against the flow direction of the hot gases in between the inner wall 15 and the outer wall 11 formed extended space 16 streams.
  • the inner wall 12 is convectively cooled by the cooling air.
  • the cooling air flows from the space 16 through openings 21 in the inner wall 15 in the inflow zone 20, and through openings 22 in the inner wall 17 into the combustion zone 23, and thereby effects effusion cooling.
  • a Helmholtz resonator arrangement can be integrated, which is simultaneously an effective Cooling of the inner wall 17 ensured.
  • On the outside of the radial inner wall 17 is a perforated plate according to FIG. 2 at a distance (A in FIG. 3) 24 arranged in parallel, which together with the radial inner wall 17 Includes (annular) damping volume 26.
  • the inner wall 17 has one A plurality of more or less regularly distributed openings 27 on the identical to the openings 22 for the effusion cooling in the combustion chamber 1 can be, but also different geometric dimensions can have.
  • openings 27 each act as a damping tube of a Helmholtz partial resonator, which consists of the respective opening 27 and the underlying partial volume of the damping volume 26 is formed.
  • the total damping volume 26 and the entirety of the openings 27 can be understood as individual Helmholtz resonators, their individual damping volumes are interconnected to form the damping volume 26.
  • the perforated plate 24 has two more besides the limitation of the damping volume important tasks.
  • the openings 25 provided in the perforated plate 24 allow cooling air to flow into the damping volume 26 from the space 16.
  • the incoming cooling air cools the Helmholtz resonator arrangement.
  • the openings 25 are relative to the openings 27 offset or arranged "on gap". This hits the damping volume 26 incoming cooling air to the openings 25 opposite Outside of the inner wall 17, which leads to effective impingement cooling of the inner wall 17 leads.
  • the diameter D2 of the openings 25 (FIG. 3) is opposite the diameter D1 is comparatively small. This ensures that the cooling air flowing through suffers a sufficient pressure drop.
  • the resonance frequency of the resonator arrangement or the partial resonators is in the essentially by the distance A, the thickness B of the inner wall 17 or the length of the openings 27, the diameter of the openings 27 and the periodic Distance L (Fig. 3) of the openings 27 determined.
  • the openings 27 are through holes with a length B of a few millimeters and a diameter D1 of a few Millimeters trained.
  • the periodic distance L between neighboring ones Openings 27 is a few millimeters, and the distance A of the perforated plate 24 of the inner wall 17 is also a few millimeters.
  • FIGS. 4 and 5 The damping behavior of the individual for the values from the table Partial resonators is shown in FIGS. 4 and 5.
  • Fig. 4 shows the relative attenuation power over frequency.
  • Fig. 5 shows the displacement amplitude in the damping tube (Opening 27) above the frequency. one can see that both curves are pronounced Have maximum at the desired frequency of 5500 Hz.
  • the resonator arrangement according to FIGS. 2 and 3 requires a cooling air flow that is large enough to withstand a heat-related deviation of the resonance frequency from the prevent constructively determined value. Such a cooling air flow is in everyone Case sufficient for cooling the inner wall 17.
  • the damping capacity of the individual opening 27 is large enough to dampen the overall arrangement to extend to a wider frequency range. This can be done by a certain Scattering range for the values A, B, D1 and L can be chosen to be different Realize resonance frequencies of the individual partial resonators.
  • the length of the Openings 25 are not as important as the pressure drop across them Openings are sufficiently large.
  • the invention results in a combustion chamber which, with good acoustic Damping ensures efficient cooling of the inner walls and at the same time can be made compact. It goes without saying that the Helmholtz resonator arrangement in the context of the invention also on others Place of the inner walls can be arranged.

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Abstract

Bei einer Brennkammer (10) für eine Gasturbine, in welcher Brennkammer (10) die heissen Verbrennungsgase einer Verbrennungszone (23) durch Innenwände (12, 17) umschlossen werden, welche durch ausserhalb der Innenwände (12, 17) herangeführte Kühlluft gekühlt werden, wird eine gleichzeitige effiziente akustische Dämpfung und Kühlung dadurch erreicht, dass zumindest in einem Teilbereich an der Aussenseite der Innenwände (12, 17) eine von den Innenwänden (12, 17) beabstandete, im wesentlichen parallel zu den Innenwänden (12, 17) verlaufende Lochplatte (24) angeordnet ist, welche zusammen mit der zugehörigen Innenwand (17) ein geschlossenes Dämpfungsvolumen (26) bildet, dass die Innenwände (17) im Bereich des Dämpfungsvolumens (26) eine Mehrzahl von verteilt angeordneten ersten Oeffnungen (27) aufweist, durch welche das Dämpfungsvolumen (26) mit der Verbrennungszone (23) der Brennkammer (10) in Verbindung steht, dass die Lochplatte (24) eine Mehrzahl von verteilt angeordneten zweiten Oeffnungen (25) aufweist, durch welche Kühlluft von aussen in das Dämpfungsvolumen (26) einströmt und nach Art einer Prallkühlung zwischen den ersten Oeffnungen (27) auf die gegenüberliegende Aussenseite der Innenwand (17) trifft, und dass der Abstand zwischen der Lochplatte (24) und der Innenwand (12) und die geometrischen Abmessungen der ersten Oeffnungen (27) so gewählt sind, dass die ersten Oeffnungen (27) zusammen mit den Dämpfungsvolumen (26) eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Helmholtzresonatoren bilden und als Schalldämpfer für in der Brennkammer entstehende akustische Schwingungen wirken. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine, in welcher Brennkammer die heissen Verbrennungsgase einer Verbrennungszone durch Innenwände umschlossen werden, welche durch ausserhalb der Innenwände herangeführte Kühlluft gekühlt werden.
Eine solche Brennkammer ist in Form einer Sekundärbrennkammer z.B. aus der Druckschrift EP-A1 0 669 500 der Anmelderin bekannt.
STAND DER TECHNIK
In den Brennkammern, insbesondere den Sekundärbrennkammern, herkömmlicher Gasturbinen kann es im Betrieb unter bestimmten Bedingungen zu Druckschwingungen bzw. akustischen Schwingungen kommen, die frequenzmässig im Bereich von mehreren kHz, z.B. 1,8 kHz oder um 5 kHz herum liegen. Derartige Schwingungen erweisen sich als störend für den Betrieb und sind daher unerwünscht. Eine Möglichkeit zur Dämpfung oder Unterdrückung derartiger Schwingungen besteht darin, strömungstechnische Mittel in der Brennkammer vorzusehen, welche die Strömung der heissen Gase dahingehend beeinflussen, dass die akustischen Schwingungen nicht oder nur in geringem Masse angeregt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, an der Brennkammer sogenannte Helmholtzresonatoren anzubringen, die als Dämpfungselemente an die Schwingungen ankoppeln und die Schwingungen dämpfen oder vollständig zum Verschwinden bringen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beispiele für den Einsatz von Helmholtzresonatoren bekannt. In der Druckschrift US-A 5,373,695 wird eine Ringbrennkammer für eine Gasturbine beschrieben, bei welcher an der Stirnseite neben den Brennern einzelne, mit Kühlluft gespülte Helmholtzresonatoren angeordnet sind, die jeweils ein aussenliegendes Dämpfungsvolumen umfassen, das über ein Dämpfungsrohr mit der Brennkammer in Verbindung steht und zur Verhinderung einer hitzebedingten frequenzmässigen Verstimmung über ein dünnes Versorgungsrohr von aussen mit Kühlluft beaufschlagt wird.
In der Druckschrift US-A 5,644,918 wird eine Gasturbinen-Brennkammer beschrieben, bei der innerhalb des die Brennkammer umgebenden Kühlluft führenden Doppelmantels und an der Stirnseite der Brennkammer im Bereich der Brenner durch Einziehen zusätzlicher Trennwände Helmholtzresonatoren 48 und 56 gebildet werden, die über Verengungen 50 bzw. 58 mit der Brennkammer in Verbindung stehen, im übrigen aber vollkommen abgeschlossen sind, so dass ein Durchfluss von Kühlluft durch die Resonatorräume nicht stattfindet.
Eine andere Lösung, die sich speziell auf eine Sekundärbrennkammer bezieht, ist in der Druckschrift US-A 5, 431,018 dargestellt. Ein mit Kühlluft gespülter Helmholtzresonator umgibt hier konzentrisch die radial in die Brennkammer einmündende Brennstoffleitung, durch welche der Brennstoff für die Nachverbrennung in die Brennkammer eingedüst wird.
Die bekannten, mit Helmholtzresonatoren arbeitenden Lösungen sind aufwendig in der Konstruktion, lassen sich bei vorhandenen Gasturbinen nur schwer nachrüsten, nehmen, wenn sie in einer Mehrzahl eingesetzt werden, erheblichen Platz ein, und sind nicht kompatibel mit Kühlkonzepten, bei denen die Innenwand der Brennkammer durch von aussen herangeführte Kühlluft gekühlt wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine durch Helmholtzresonatoren akustisch bedämpfte Brennkammer für Gasturbinen zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet und sich insbesondere durch einen geringem zusätzlichen Aufwand und Platzbedarf für die integrierten Resonatoren auszeichnet, und zugleich eine effektive Kühlung der Innenwände der Brennkammer erlaubt.
Die Aufgabe wird bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zumindest in einem Teilbereich an der Aussenseite der Innenwände eine von den Innenwänden beabstandete, im wesentlichen parallel zu den Innenwänden verlaufende Lochplatte angeordnet ist, welche zusammen mit der zugehörigen Innenwand ein geschlossenes Dämpfungsvolumen bildet, dass die Innenwände im Bereich des Dämpfungsvolumens eine Mehrzahl von verteilt angeordneten ersten Oeffnungen aufweist, durch welche das Dämpfungsvolumen mit der Verbrennungszone der Brennkammer in Verbindung steht, dass die Lochplatte eine Mehrzahl von verteilt angeordneten zweiten Oeffnungen aufweist, durch welche Kühlluft von aussen in das Dämpfungsvolumen einströmt und nach Art einer Prallkühlung zwischen den ersten Oeffnungen auf die gegenüberliegende Aussenseite der Innenwand trifft, und dass der Abstand zwischen der Lochplatte und der Innenwand und die geometrischen Abmessungen der ersten Oeffnungen so gewählt sind, dass die ersten Oeffnungen zusammen mit den Dämpfungsvolumen eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Helmholtzresonatoren bilden und als Schalldämpfer für in der Brennkammer entstehende akustische Schwingungen wirken. Der Kern der Erfindung besteht darin, eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Helmholtzresonatoren durch die Anordnung zweier parallel verlaufenden Lochplatten zu schaffen. Die eine Lochplatte, deren relativ grosse Oeffnungen zugleich die Dämpfungsrohre der Einzelresonatoren bilden, ist die Innenwand der Brennkammer selbst. Die andere, aussenliegende Lochplatte begrenzt zusammen mit der Innenwand die dazwischenliegenden, untereinander verbundenen Dämpfungsvolumina der Einzelresonatoren. Die relativ kleinen Oeffnungen der aussenliegenden Lochplatte werden von Kühlluft durchströmt, die einerseits die Resonatoren thermisch und frequenzmässig stabilisiert und andererseits durch Auftreffen auf die Aussenseite der Innenwand eine hochwirksame Prallkühlung der Innenwand ermöglicht. Der zusätzliche Aufwand zur Schaffung der Resonatoren besteht dabei - wenn bei vorhandener Effusionskühlung die grossen Oeffnungen in der Innenwand bereits vorhanden sind - lediglich aus dem Anbringen der äusseren Lochplatte.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Brennkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen der einzelnen ersten Oeffnungen und die periodischen Abstände der ersten Oeffnungen untereinander im wesentlichen gleich gewählt sind. Die einzelnen Teilresonatoren sind in diesem Fall alle auf dieselbe Dämpfungsfrequenz abgestimmt, so dass sich für die Dämpfungsanordnung insgesamt eine hohe Dämpfung in einem relativ schmalen Frequenzbereich ergibt.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Brennkammer nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die geometrischen Abmessungen der einzelnen ersten Oeffnungen und/oder der Abstand zwischen Lochplatte und Innenwand im Bereich der einzelnen ersten Oeffnungen und/oder der periodische Abstand der einzelnen ersten Oeffnungen untereinander zur Erzeugung eines verbreiterten Dämpfungsfrequenzbandes innerhalb eines Wertebereiches unterschiedlich gewählt werden. Durch die Wertestreuung für die einzelnen Teilresonatoren wird für die Gesamtanordnung der Frequenzbereich, in welchem eine merkliche Dämpfung stattfindet, deutlich verbreitert, was vorteilhaft ist, wenn die Brennkammerschwingungen in der Frequenz stärker streuen.
Für übliche Frequenzwerte der Brennkammerschwingungen im Bereich von mehreren kHz sind die ersten Oeffnungen als Durchgangsbohrungen mit einer Länge von wenigen Millimetern und einem Durchmesser von wenigen Millimetern ausgebildet. Der periodische Abstand zwischen benachbarten ersten Oeffnungen beträgt wenige Millimeter, und der Abstand der Lochplatte von der Innenwand beträgt ebenfalls wenige Millimeter. Insbesondere betragen zur Dämpfung von Frequenzen von etwa 5500 Hz die Länge der ersten Oeffnungen etwa 5 mm, der Durchmesser der ersten Oeffnungen etwa 4,3 mm, der periodische Abstand der ersten Oeffnungen untereinander etwa 10 mm, und der Abstand zwischen der Lochplatte und der Innenwand etwa 5 mm.
Die zweiten Oeffnungen werden so klein gewählt, dass sich ein ausreichender Druckabfall für die durchströmende Kühlluft ergibt. Bevorzugt ist der Durchmesser der zweiten Oeffnungen kleiner als 1 mm, insbesondere etwa 0,7 mm.
Besonders vorteilhaft ist das Dämpfungsverhalten, wenn gemäss einer weiteren Ausführungsform die Brennkammer als Sekundärbrennkammer ausgebildet ist, wenn die Brennkammer in die Verbrennungszone und eine stromaufwärts angeordnete Zuströmzone unterteilt ist, wenn die Zuströmzone sich in einem stufenartigen Uebergang zur Verbrennungszone erweitert, wenn die Verbrennungszone im Bereich des stufenartigen Uebergangs durch eine radiale Innenwand begrenzt wird, und wenn die Lochplatte an der Aussenseite der radialen Innenwand angeordnet ist.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1
im vereinfachten Längsschnitt eine Sekundärbrennkammer, wie sie aus dem Stand der Technik, insbesondere der EP-A1 0 669 500, bekannt ist;
Fig. 2
einen vergrösserten Ausschnitt der Brennkammer nach Fig. 1 im Bereich des stufenartigen Uebergangs zwischen Zuströmzone und Verbrennungszone mit einer integrierten Helmholtzresonator-Anordnung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3
in einer perspektivischen, vergrösserten Darstellung die Helmholtzresonator-Anordnung aus Fig. 2 mit den beiden parallelen Lochplatten;
Fig. 4
eine beispielhafte Dämpfungskurve für einen der Teilresonatoren aus der Anordnung nach Fig. 3; und
Fig. 5
der zu Fig. 4 gehörende Frequenzgang der Verschiebungsamplitude im Dämpfungsrohr (Oeffnung 27) eines Teilresonators aus Fig. 3.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist im vereinfachten Längsschnitt eine Sekundärbrennkammer wiedergegeben, die aus der EP-A1 0 669 500, bekannt ist, und die sich bevorzugt zur Verwirklichung der Erfindung eignet. Die Brennkammer 10 umfasst eine Verbrennungszone 23, welche von einer sich in axialer Richtung erstreckenden Innenwand 12 und einer radialen Innenwand 17 begrenzt ist. In die Verbrennungszone 23 treten die heissen Gase einer vorgeschalteten Verbrennungsstufe durch eine Zuströmzone 20 ein und durch einen Heissgasauslass 13 wieder aus. Die Zuströmzone 20 ist durch eine Innenwand 15 begrenzt. In die Zuströmzone 20 ragt von der Seite her eine Brennstofflanze 18 hinein, die am vorderen Ende eine Düse 19 zum Eindüsen von Brennstoff aufweist. Die Innenwände 12, 15 und 17 sind von einer sich in axialer Richtung erstreckenden Aussenwand 11 umgeben. Zwischen der Innenwand 12 und der Aussenwand 11 bleibt ein Kühlluftkanal 14 frei, durch welchen Kühlluft entgegen der Strömungsrichtung der heissen Gase in einen zwischen der Innenwand 15 und der Aussenwand 11 gebildeten erweiterten Zwischenraum 16 strömt. Die Innenwand 12 wird dabei von der Kühlluft konvektiv gekühlt. Vom Zwischenraum 16 strömt die Kühlluft durch Oeffnungen 21 in der Innenwand 15 in die Zuströmzone 20, und durch Oeffnungen 22 in der Innenwand 17 in die Verbrennungszone 23 ein, und bewirkt dabei eine Effusionskühlung.
An der radialen Innenwand 17, d.h., der stufenartigen Erweiterung zwischen Zuströmzone 20 und Verbrennungszone 23 kann nun gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, eine Helmholtzresonator-Anordnung integriert werden, die gleichzeitig eine effektive Kühlung der Innenwand 17 gewährleistet. Auf der Aussenseite der radialen Innenwand 17 wird dazu gemäss Fig. 2 in einem Abstand (A in Fig. 3) eine Lochplatte 24 parallel angeordnet, die zusammen mit der radialen Innenwand 17 ein (ringförmiges) Dämpfungsvolumen 26 einschliesst. Die Innenwand 17 weist eine Mehrzahl von mehr oder weniger regelmässig verteilten Oeffnungen 27 auf, die identisch mit den Oeffnungen 22 für die Effusionskühlung in der Brennkammer nach Fig. 1 sein können, aber auch abweichende geometrische Abmessungen haben können. Die als Durchgangsbohrungen mit einer Durchmesser D1 und einer Länge B (Fig. 3) ausgebildeten Oeffnungen 27 wirken jede für sich als Dämpfungsrohr eines Helmholtz-Teilresonators, der aus der jeweiligen Oeffnung 27 und dem dahinterliegenden Teilvolumen des Dämpfungsvolumens 26 gebildet wird. Das Dämpfungsvolumen 26 insgesamt und die Gesamtheit der Oeffnungen 27 lassen sich als einzelne Helmholtzresonatoren auffassen, deren einzelne Dämpfungsvolumen untereinander zum Dämpfungsvolumen 26 verbunden sind.
Die Lochplatte 24 hat neben der Begrenzung des Dämpfungsvolumens zwei weitere wichtige Aufgaben. Die in der Lochplatte 24 vorgesehenen Oeffnungen 25 lassen aus dem Zwischenraum 16 Kühlluft in das Dämpfungsvolumen 26 einströmen. Die einströmende Kühlluft kühlt einerseits die Helmholtzresonator-Anordnung. Dadurch wird die Geometrie und damit die Dämpfungsfrequenz der Anordnung stabil gehalten. Andererseits sind die Oeffnungen 25 relativ zu den Oeffnungen 27 versetzt bzw. "auf Lücke" angeordnet. Dadurch trifft die in das Dämpfungsvolumen 26 einströmende Kühlluft auf die den Oeffnungen 25 gegenüberliegende Aussenseite der Innenwand 17, was zu einer effektiven Prallkühlung der Innenwand 17 führt. Der Durchmesser D2 der Oeffnungen 25 (Fig. 3) ist gegenüber dem Durchmesser D1 vergleichsweise klein. Dadurch ist gewährleistet, dass die durchströmende Kühlluft einen ausreichenden Druckabfall erleidet.
Die Resonanzfrequenz der Resonatoranordnung bzw. der Teilresonatoren wird im wesentlichen durch den Abstand A, die Dicke B der Innenwand 17 bzw. die Länge der Oeffnungen 27, den Durchmesser der Oeffnungen 27 und den periodischen Abstand L (Fig. 3) der Oeffnungen 27 bestimmt. Zur Dämpfung von Frequenzen im Bereich von mehreren kHz sind die Oeffnungen 27 als Durchgangsbohrungen mit einer Länge B von wenigen Millimetern und einem Durchmesser D1 von wenigen Millimetern ausgebildet. Der periodische Abstand L zwischen benachbarten Oeffnungen 27 beträgt wenige Millimeter, und der Abstand A der Lochplatte 24 von der Innenwand 17 beträgt ebenfalls wenige Millimeter.
Für die Dämpfung höherer Frequenzen um 5,5 kHz können die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten beispielhaften Werte angegeben werden:
Kühlluft
Druck 16,6 bar
Temperatur 770 K
Dichte 7,51 kg/m3
Schallgeschwindigkeit 556,22 m/s
kinematische Viskosität 4,71.10-6 m2/s
Heissgas in der Brennkammer
Temperatur 1740 K
Dichte 3,32 kg/m3
Schallgeschwindigkeit 836,14 m/s
Brennkammer
Druckschwingungsamplitude 100 mbar
Querschnittsfläche 0,0863 m2
akustische Leistung der Wanderwelle 388 W
Dämpfer
Resonanzfrequenz 5500 Hz
Volumen eines Teilresonators 0,0005 Liter
Länge (B) des Dämpfungsrohres 27 0,005 m
Strömungsgeschwindigkeit im Rohr 27 4 m/s
Länge der Oeffnung 25 0,005 m
Durchmesser D2 der Oeffnung 25 0,7 mm
Durchmesser D1 des Dämpfungsrohres27 4,32 mm
periodischer Lochabstand L 10 mm
Das sich für die Werte aus der Tabelle ergebende Dämpfungsverhalten der einzelnen Teilresonatoren ist in den Fig. 4 und 5 wiedergegeben. Fig. 4 zeigt dabei die relative Dämpfung (relative attenuation power) über der Frequenz. Fig. 5 zeigt die Verschiebungsamplitude (displacement amplitude) in dem Dämpfungsrohr (Oeffnung 27) über der Frequenz. man erkennt, dass beide Kurven ein ausgeprägtes Maximum bei der gewünschten Frequenz von 5500 Hz aufweisen.
Die Resonatoranordnung gemäss Fig. 2 und 3 benötigt einen Kühlluftstrom, der gross genug ist, um eine wärmebedingte Abweichung der Resonanzfrequenz vom konstruktiv festgelegten Wert zu verhindern. Ein solcher Kühlluftstrom ist in jedem Fall ausreichend für die Kühlung der Innenwand 17. Das Dämpfungsvermögen der einzelnen Oeffnung 27 ist gross genug, um die Dämpfung der Gesamtanordnung auf einen breiteren Frequenzbereich auszudehnen. Dazu kann ein gewisser Streubereich für die Werte A, B, D1 und L gewählt werden, um unterschiedliche Resonanzfrequenzen der einzelnen Teilresonatoren zu realisieren. Die Länge der Oeffnungen 25 ist solange nicht von Bedeutung, wie der Druckabfall über diese Oeffnungen hinreichend gross ist.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brennkammer, die bei guter akustischer Dämpfung eine effiziente Kühlung der Innenwände gewährleistet und zugleich kompakt ausgeführt werden kann. Es versteht sich dabei von selbst, dass die Helmholtzresonator-Anordnung im Rahmen der Erfindung auch an anderer Stelle der Innenwände angeordnet werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
Sekundärbrennkammer
11
Aussenwand
12
Innenwand (Verbrennungszone)
13
Heissgasauslass
14
Kühlluftkanal
15
Innenwand (Zuströmzone)
16
Zwischenraum
17
radiale Innenwand
18
Brennstofflanze
19
Düse (Brennstofflanze)
20
Zuströmzone
21
Oeffnung (Wand 15)
22,27
Oeffnung (Wand 17)
23
Verbrennungazone
24
Lochplatte
25
Einlassöffnung
26
Dämpfungsvolumen
A
Abstand
B
Dicke (Innenwand)
D1,D2
Durchmesser
L
periodischer Lochabstand

Claims (7)

  1. Brennkammer (10) für eine Gasturbine, in welcher Brennkammer (10) die heissen Verbrennungsgase einer Verbrennungszone (23) durch Innenwände (12, 17) umschlossen werden, welche durch ausserhalb der Innenwände (12, 17) herangeführte Kühlluft gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Teilbereich an der Aussenseite der Innenwände (12, 17) eine von den Innenwänden (12, 17) beabstandete, im wesentlichen parallel zu den Innenwänden (12, 17) verlaufende Lochplatte (24) angeordnet ist, welche zusammen mit der zugehörigen Innenwand (17) ein geschlossenes Dämpfungsvolumen (26) bildet, dass die Innenwände (17) im Bereich des Dämpfungsvolumens (26) eine Mehrzahl von verteilt angeordneten ersten Oeffnungen (27) aufweist, durch welche das Dämpfungsvolumen (26) mit der Verbrennungszone (23) der Brennkammer (10) in Verbindung steht, dass die Lochplatte (24) eine Mehrzahl von verteilt angeordneten zweiten Oeffnungen (25) aufweist, durch welche Kühlluft von aussen in das Dämpfungsvolumen (26) einströmt und nach Art einer Prallkühlung zwischen den ersten Oeffnungen (27) auf die gegenüberliegende Aussenseite der Innenwand (17) trifft, und dass der Abstand (A) zwischen der Lochplatte (24) und der Innenwand (12) und die geometrischen Abmessungen (B, D1, L) der ersten Oeffnungen (27) so gewählt sind, dass die ersten Oeffnungen (27) zusammen mit den Dämpfungsvolumen (26) eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Helmholtzresonatoren bilden und als Schalldämpfer für in der Brennkammer entstehende akustische Schwingungen wirken.
  2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen (B, D1) der einzelnen ersten Oeffnungen (27) und die Abstände (L) der ersten Oeffnungen (27) untereinander im wesentlichen gleich gewählt sind.
  3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen (B, D1) der einzelnen ersten Oeffnungen (27) und/oder der Abstand zwischen Lochplatte (24) und Innenwand (17) im Bereich der einzelnen ersten Oeffnungen (27) und/oder der periodische Abstand (L) der einzelnen ersten Oeffnungen (27) untereinander zur Erzeugung eines verbreiterten Dämpfungsfrequenzbandes innerhalb eines Wertebereiches unterschiedlich gewählt werden.
  4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung von Frequenzen im Bereich von mehreren kHz die ersten Oeffnungen (27) als Durchgangsbohrungen mit einer Länge (B) von wenigen Millimetern und einem Durchmesser (D1) von wenigen Millimetern ausgebildet sind, dass der periodische Abstand (L) zwischen benachbarten ersten Oeffnungen (27) wenige Millimeter beträgt, und dass der Abstand (A) der Lochplatte (24) von der Innenwand (17) ebenfalls wenige Millimeter beträgt.
  5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung von Frequenzen von etwa 5500 Hz die Länge (B) der ersten Oeffnungen (27) etwa 5 mm, der Durchmesser (D1) der ersten Oeffnungen (27) etwa 4,3 mm, der periodische Abstand (L) der ersten Oeffnungen (27) untereinander etwa 10 mm, und der Abstand (A) zwischen der Lochplatte (24) und der Innenwand (17) etwa 5 mm betragen.
  6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D2) der zweiten Oeffnungen kleiner als 1 mm, insbesondere etwa 0,7 mm, ist.
  7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (10) als Sekundärbrennkammer ausgebildet ist, dass die Brennkammer (10) in die Verbrennungszone (23) und eine stromaufwärts angeordnete Zuströmzone (20) unterteilt ist, dass die Zuströmzone (20) sich in einem stufenartigen Uebergang zur Verbrennungszone (23) erweitert, dass die Verbrennungszone (23) im Bereich des stufenartigen Uebergangs durch eine radiale Innenwand (17) begrenzt wird, und dass die Lochplatte (24) an der Aussenseite der radialen Innenwand (17) angeordnet ist.
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