EP0974788A1 - Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine Download PDF

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EP0974788A1
EP0974788A1 EP98810714A EP98810714A EP0974788A1 EP 0974788 A1 EP0974788 A1 EP 0974788A1 EP 98810714 A EP98810714 A EP 98810714A EP 98810714 A EP98810714 A EP 98810714A EP 0974788 A1 EP0974788 A1 EP 0974788A1
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EP
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helmholtz resonator
combustion chamber
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fuel
flow channel
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Jakob Prof. Dr. Keller
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ABB Alstom Power Switzerland Ltd
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a device for targeted sound attenuation within a turbomachine with a combustion chamber, into which a compressible medium, preferably air, is fed via a flow channel, in which the compressible medium is flammable with the addition of fuel, and a Helmholtz resonator volume, which is connected to the flow channel in the flow direction before entering the combustion chamber.
  • a compressible medium preferably air
  • a Helmholtz resonator volume which is connected to the flow channel in the flow direction before entering the combustion chamber.
  • Precautions for sound attenuation of the aforementioned type are for the operation of gas turbine plants with a view to improving the combustion process vital within the combustion chamber. So occur when operating gas turbine systems in certain areas of the supply air and Fuel gas flow as well as acoustic within the combustion chamber Vibration phenomena, which change depending on the load conditions, under which the gas turbine is operated, train more or less strongly. For Suppression of such acoustic vibrations became measures on the design and undertake the design of such thermodynamic machines, but the effects achieved with it were of little success, in particular, it was not possible to have thermoacoustically induced instabilities within of gas flow completely suppressing, causing oscillations that significantly impair the operation of gas turbine plants.
  • Oscillations occurring in the flow of gas turbines are not only capable permanently influence the combustion process of the air-gas mixture, but transmit the pressure waves propagating in the gaseous medium also refer to the housing parts immediately surrounding the flow paths the gas turbine plant, which due to temperature and pressure loads the mechanical oscillating vibrations another, significant Material fatigue criteria are subject, which last but not least the service life a gas turbine plant is decisively influenced.
  • Helmholtz resonators have become known as sound-absorbing elements, which are used within the inflow of gas turbines.
  • the use of Helmholtz resonators in gas turbines is in a contribution by J. J. Keller and E. Zauner, "On the Use of Helmholtz-Resonators as Sound Attentuators ", Z. Appl. Math. Phys., 46 (1995), pages 297 to 326.
  • Helmholtz resonators are characterized in particular by the fact that they have a so-called Have Helmholtz resonator volume through which the flow flow passes through.
  • the Helmholtz resonator volume also has at least a flow inlet and an outlet channel, the flow channel diameter are dimensioned smaller than the flow cross section within the Helmholtz resonator volume.
  • Helmholtz resonators be carried out in the respective flow systems, but the well-known Helmholtz resonator systems offer due to their unique specified size and design only limited possibilities individual Frequency adjustments to set a desired low resonance frequency, typically less than 100 Hz.
  • the invention has for its object a device for targeted sound attenuation according to a turbomachine with a combustion chamber the preamble of claim 1 using a Helmholtz resonator to further develop in such a way that measures for noise reduction are avoided of thermoacoustic oscillations within the flow flow with the simplest possible means can be further improved. Furthermore, these should Measures are associated with the lowest possible investment.
  • soundproofing is intended to offer expanded options, desired Resonance frequency shifts of the damper elements in a large Range to small frequencies and also the size the Helmholtz resonators as small as possible.
  • a first inventive concept for sound attenuation within a Vibration machine with a combustion chamber sees an injector assembly within the Helmholtz resonator volume before entering the flow channel before the Helmholtz resonator volume connects to the combustion chamber. From the injector assembly becomes liquid, preferably water, in the direction of the flow channel atomized into the finest liquid droplets to the combustion chamber, so that before entry forms a liquid-air mixture in the combustion chamber.
  • This device is based on the idea of the speed of sound within the flow channel by targeted introduction of a To change the liquid-air mixture in order to change the resonance behavior of the to influence the entire sound system in a targeted manner.
  • the injector assembly is formed such that the liquid droplet size by appropriate nozzle variation and the degree of atomization regulated in the desired manner can be. Thanks to the injection nozzle arrangement, which can be adjusted over a wide range it is possible through the targeted introduction of an additional mass flow in the form of liquid drops the sound propagation behavior within to influence the flow channel and individually to the existing flow geometries to adapt so that the occurrence of thermoacoustic Oscillations can be effectively countered. So it succeeds the Tuning silencers also to very low vibration frequencies
  • Another advantage is the targeted introduction of a liquid-gas mixture connected within the Helmholtz resonator volume protection of the Helmholtz resonator against overheating caused by heat radiation from the combustion chamber through the flow channel towards the Helmholtz resonator volume could result. So it is from cooling technology View with the previous use of Helmholtz resonators required that a certain minimum throughput of cooling air flow through the Helmholtz resonator prevails. In the case of the atomization of liquid drops according to the invention within the Helmholtz resonator volume in front of the flow channel leading to the Combustion chamber leads, but is no additional air flow for cooling purposes required.
  • a Helmholtz resonator volume that has at least one feed and discharge, can be introduced or removed from the liquid into the Helmholtz resonator volume this can be derived.
  • a liquid into the interior of the Helmholtz resonator volume, it is possible for the flow volume or the Flow cross section for the one flowing through the Helmholtz resonator volume Supply air can be varied continuously and according to the currently prevailing acoustic conditions adapt.
  • the Helmholtz resonator volume By filling the Helmholtz resonator volume with Liquid is the sound-absorbing behavior of the Helmholtz resonator in terms of to those arising within the flow area of the gas turbine system individually adjust disturbing oscillations.
  • the fill the sound-absorbing resonator structure with liquid in such a way that the resonance frequency depending on the degree of filling of the resonator is just that Frequency of the oscillations due to the thermoacoustic vibrations corresponds.
  • the operation of a Helmholtz resonator the is provided with the injection nozzle arrangement described above.
  • the different resonance behavior of the resonator due to the mass flow the droplet and the degree of atomization are adjustable.
  • Another advantageous aspect of filling the Helmholtz resonator volume connected to water affects the cooling of the resonator.
  • Water is due to the prevailing temperature conditions due to the proximity of the combustion chamber, kept in the boiling state - typical Combustion pressures of 20 bar and temperatures around 250 ° C - so that for cooling purposes on an additional air supply within the resonator area can be dispensed with.
  • a third, alternative solution to noise reduction within a turbomachine with a combustion chamber sees an injector assembly for the fuel within the flow channel that connects the Helmholtz resonator volume to the combustion chamber.
  • the injector assembly atomizes fuel toward the combustion chamber.
  • the fuel feed line faces in the fuel feed direction Injection nozzle arrangement also has a Helmholtz resonator volume the gaseous fuel supplied has a certain resonant natural frequency is imposed. Which is between the disturbing oscillation within the combustion chamber forming vibration and the vibration of the The phase oscillation which sets the fuel oscillation is to be selected such that at the so-called Rayleigh criterion for each operating state of the gas turbine system is not met.
  • the Rayleigh criterion for fanning or damping thermoacoustic Vibrations is satisfied when the phase difference between reaction rate fluctuations and pressure fluctuations is less than ⁇ / 2.
  • a fourth and last alternative solution for vibration damping or sound damping inside a turbomachine with a combustion chamber sees a Helmholtz resonator volume before, which is designed as a Fluidix switch.
  • the "Helmholtz Resonator Fluidix switch” is connected to the fuel gas stream and at the same time with a connecting channel that opens directly into the combustion chamber.
  • the Combination "Helmholtz resonator fluidix switch” has the task of the fuel mass flow in opposition to any combustion chamber vibration that may occur to modulate and thus dampen the vibration. So one can Vibration are always damped when the reaction, for example in Form of an increase in volume, increasing with decreasing pressure.
  • Figure 1 shows a sound damping device for a turbomachine, for example Gas turbine plant with a combustion chamber 1, into which a flow channel 2 pre-compressed air is introduced with the addition of fuel.
  • a turbomachine for example Gas turbine plant with a combustion chamber 1 into which a flow channel 2 pre-compressed air is introduced with the addition of fuel.
  • the representation according to FIG. 1 shows a related one Fuel supply line does not open.
  • thermoacoustic occur within the combustion chamber 1 Vibrations, which apply with the device shown in Figure 1 to dampen. So is in the flow direction in front of the flow channel 2 Helmholtz resonator volume 3 is provided, which has an air supply line 4.
  • the Helmholtz resonator volume is capable 3 only a certain, limited damping effect to the thermoacoustic that is developing inside the combustion chamber 1 To exert vibrations, but it is only through the provision of an injector assembly 5 possible within the Helmholtz resonator volume 3, the Sound damping effect individually on those developing within the combustion chamber adapt thermoacoustic vibrations.
  • the injector arrangement 5 which in front of the flow channel 2 in the flow direction in the Combustion chamber entering incoming air is arranged, preferably a liquid Water atomized into the finest drops of liquid, so that within the Flow channel 2 forms a liquid-air mixture 5 ', which preferably the entire flow channel 2 fills.
  • the injection nozzle arrangement 5 is preferred arranged concentrically within the air supply line 4, so that sufficient a lot of supply air (see arrows) is introduced into the interior of the Helmholtz resonator 3 becomes.
  • Liquid changes the prevailing within the liquid-gas mixture
  • Speed of sound which has a targeted influence on the resonance behavior of the Helmholtz resonator volume 3 can be taken. With increasing The proportion of liquid in the liquid-gas mixture decreases the speed of sound significantly.
  • the high variability of the is particularly advantageous due to a suitable choice of liquid droplet size and degree of atomization Influence on the resonance behavior of the Helmholtz resonator volume without the need to use a large volume of the Helmholtz resonator Training construction, as is the case with the prior art.
  • the mass flow of the atomized liquid must be regulated individually.
  • FIG. 2 shows a damping arrangement with a Helmholtz resonator volume 3 shown, which in addition to an air supply line 4 and the flow channel 2 towards Combustion chamber 1 has a water inlet or outlet channel 6 through which depending on the level within the Helmholtz resonator volume, add 3 water can be dissipated.
  • a water inlet or outlet channel 6 through which depending on the level within the Helmholtz resonator volume, add 3 water can be dissipated.
  • the total resonance behavior is within the Helmholtz resonator volume 3 of the Helmholtz resonator can be set individually, comparable to the arrangement described in Figure 1 by varying the mass flow through the injector assembly.
  • stepless adjustable water level within the resonator volume 3 carries that in the resonator volume 3 water, which is at about 250 ° C and 20 bar prevailing pressure is in the boiling state, for cooling the resonator arrangement even at, so that additional cooling air supply can be dispensed with can.
  • FIG. 3 shows a further alternative sound attenuation system for suppression represented by thermoacoustic vibrations within the combustion chamber 1.
  • the Helmholtz resonator volume 3 is supplied with supply air via an air supply line 4, which are forwarded via a flow channel 2 in the direction of combustion chamber 1 becomes.
  • the Helmholtz resonator volume 3 as well as partially Passing through flow channel 2, a fuel feed line 7 for gaseous Provided fuel that provides a nozzle outlet 8 at the outlet end by which a conical fuel cloud 9 emerges and into the interior of the combustion chamber 1 occurs.
  • the Fuel supply line 7 also a Helmholtz resonator volume 10 before that a certain gaseous fuel flowing out of the nozzle outlet 8 Forces resonance frequency.
  • thermoacoustic vibrations occur within the fuel chamber 1 in relation to the resonance frequency of the from the nozzle outlet 8 outflowing gaseous fuel.
  • Helmholtz resonator volume 10 within the fuel supply line 7 can a certain phase difference between the fuel vibration and the thermoacoustic vibrations within the combustion chamber 1 set in this way be that the Rayleigh criterion for the stimulation of thermoacoustic vibrations is not met.
  • FIG. 1 Another concept for sound absorption within a turbomachine a combustion chamber 1 is shown in FIG.
  • Essential components of this Arrangement consist of a Helmholtz resonator volume 3 whose inner Volume size can be changed with a movable piston 11.
  • a flip-flop damping channel 12 is provided within the volume 3.
  • Such an arrangement is also known as "Helmholtz resonator fluidix switch” known.
  • This arrangement is via an opening with the fuel feed line 7 connected in the same way via a connecting channel 13 is connected to the combustion chamber 1.
  • the fuel feed line 7 opens into the shown Fall into the air supply line 4 through which the fuel supplied by the flow channel 2 is introduced into the combustion chamber 1.
  • the idea behind the construction is the use of a "Fluidix switch", its vibration behavior due to the inside of the combustion chamber 1 forming thermoacoustic vibrations via the connecting channel 13 being affected.
  • the aim is to match the resonance behavior of the Fluidix switch Frequency of the thermoacoustic vibrations within the combustion chamber 1 adapt.
  • the adjustment can be done with the help of the movable piston 11 or as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 with a corresponding one Degree of filling of the resonator volume 3 with a liquid.

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer, in die über einen Strömungskanal ein komprimierbares Medium, vorzugsweise Luft, zugeführt wird, in der das komprimierbare Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, und einem Helmholtz-Resonator-Volumen, das mit dem Strömungskanal in Strömungsrichtung vor Eintritt in die Brennkammer verbunden ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens vor Eintritt in den Strömungskanal eine Einspritzdüsenanordnung vorgesehen ist, durch die Flüssigkeit in Richtung des Strömungskanals in feinste Flüssigkeitstropfen in Form eines Flüssigkeits/Luft-Gemisches zerstäubbar ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer, in die über einen Strömungskanal ein komprimierbares Medium, vorzugsweise Luft, zugeführt wird, in der das komprimierbare Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, und
einem Helmholtz-Resonator-Volumen, das mit dem Strömungskanal in Strömungsrichtung vor Eintritt in die Brennkammer verbunden ist.
Stand der Technik
Vorkehrungen zur Schalldämpfung der vorstehend genannten Gattung sind für den Betrieb von Gasturbinenanlagen hinsichtlich der Verbesserung des Verbrennungsprozesses innerhalb der Brennkammer von entscheidender Bedeutung. So treten beim Betrieb von Gasturbinenanlagen in bestimmten Bereichen der Zuluftsowie Brennstoffgasströmung als auch innerhalb der Brennkammer akustische Schwingungserscheinungen auf, die sich in Abhängigkeit der Lastbedingungen, unter der die Gasturbine betrieben wird, mehr oder minder stark ausbilden. Zur Unterdrückung derartiger akustischer Schwingungen wurde Maßnahmen am Design und an der Auslegung derartiger thermodynamischer Maschinen unternommen, doch waren die damit erreichten Auswirkungen nur von geringem Erfolg, insbesondere war es nicht möglich thermoakustisch induzierte Instabilitäten innerhalb von Gasströmung vollständig zu unterdrücken, wodurch Oszillationen hervorgerufen werden, die den Betrieb von Gasturbinenanlagen erheblich beeinträchtigen.
Im Strömungsfluß von Gasturbinen auftretende Oszillationen vermögen nicht nur den Verbrennungsprozeß des Luft-Gasgemisches nachhaltig zu beeinflussen, sondern die sich im gasförmigen Medium ausbreitenden Druckwellen übertragen sich überdies auf die, die Strömungswege unmittelbar umgebenden Gehäuseteile der Gasturbinenanlage, die neben Temperatur- und Druckbelastungen aufgrund der mechanischen oszillierenden Erschütterungen einem weiteren, bedeutsamen Kriterium zur Materialermüdung unterliegen, wodurch nicht zuletzt die Lebensdauer einer Gasturbinenanlage entscheidend mitbeeinflußt wird.
Als schalldämpfende Elemente sind Helmholtz-Resonatoren bekannt geworden, die innerhalb des Strömungszuflusses von Gasturbinenanlagen eingesetzt werden. Der Einsatz von Helmholtz-Resonatoren in Gasturbinen ist in einem Beitrag von J. J. Keller und E. Zauner, "On the Use of Helmholtz-Resonators as Sound Attentuators", Z. angew. Math. Phys., 46 (1995), Seite 297 bis 326, beschrieben. Helmholtz-Resonatoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sie ein sogenanntes Helmholtz-Resonator-Volumen aufweisen, durch das der Strömungsfluß hindurchtritt. Das Helmholtz-Resonator-Volumen weist überdies wenigstens einen Strömungseinlaß- und einen -auslaßkanal auf, deren Strömungskanaldurchmesser kleiner bemessen sind als der Strömungsquerschnitt innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens. Durch die von der Strömung durchsetzte Abfolge von Strömungskanalabschnitten mit unterschiedlichen Strömungsdurchmessers wird der Strömung eine resonante Oszillation aufgezwungen, die durch die periodische Umwandlung von potentieller Energie innerhalb komprimierter Strömungsvolumenbereiche in kinetische Energie herrührt.
Zwar können unter Verwendung von Helmholtz-Resonatoren deutliche Schwingungsdämpfungen in den jeweiligen Strömungssystemen vorgenommen werden, doch bieten die bekannten Helmholtz-Resonator-Systeme aufgrund ihrer einmaligen festgelegten Größe und Ausgestaltung nur beschränkte Möglichkeiten individuelle Frequenzanpassungen zur Einstellung einer gewünschten niedrigen Resonanzfrequenz, typischerweise kleiner 100 Hz vorzunehmen. Der Einsatz von Helmholtz-Resonatoren zur gezielten Schalldämpfung bei Gasturbinenanlagen führt oftmals zu sehr groß dimensionierten Volumenbereiche, um gewünschte Resonanzfrequenzen kleiner 100 Hz erzielen zu können.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 unter Verwendung eines Helmholtz-Resonators derart weiterzubilden, daß die Maßnahmen zur Schalldämpfung für die Vermeidung von thermoakustischen Oszillationen innerhalb des Strömungsflusses mit möglichst einfachen Mitteln weiter verbessert werden kann. Ferner sollen diese Maßnahmen mit einem möglichst geringen Investitionsaufwand verbunden sein. Insbesondere soll die Schalldämpfung erweiterte Möglichkeiten bieten, gewünschte Resonanzfrequenzverschiebungen der Dämpferelemente in einem großen Bereich zu kleinen Frequenzen hin vorzunehmen, und überdies die Baugröße der Helmholtz-Resonatoren möglichst zu verkleinern.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1, 5, 6 und 9 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erstes erfindungsgemäßes Konzept zur Schalldämpfung innerhalb einer Schwingungsmaschine mit einer Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sieht eine Einspritzdüsenanordnung innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens vor Eintritt in den Strömungskanal vor, der das Helmholtz-Resonator-Volumen mit der Brennkammer verbindet. Aus der Einspritzdüsenanordnung wird Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, in Richtung des Strömungskanals hin zur Brennkammer in feinste Flüssigkeitstropfen zerstäubt, so daß sich vor Eintritt in die Brennkammer ein Flüssigkeits-Luft-Gemisch bildet.
Dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Idee zugrunde, die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Strömungskanals durch gezieltes Einbringen eines Flüssigkeits-Luft-Gemisches zu verändern, um somit das Resonanzverhalten des gesamten Schallsystems gezielt zu beeinflussen. Die Einspritzdüsenanordnung ist derart ausgebildet, daß durch entsprechende Düsen-Variation die Flüssigkeitströpfchengröße sowie der Zerstäubungsgrad in gewünschter Weise geregelt werden können. Durch die in einem großen Bereich einstellbare Einspritzdüsenanordnung ist es möglich, durch gezielte Einbringung eines zusätzlichen Massenstroms in Form von Flüssigkeitstropfen das Schallausbreitungsverhalten innerhalb des Strömungskanals zu beeinflussen und individuell an die vorhandene Strömungsgeometrien derart anzupassen, so daß dem Auftreten thermoakustischer Oszillationen effektiv entgegengetreten werden kann. Damit gelingt es, den Schalldämpfer auch auf sehr niedrige Schwingungsfrequenzen abzustimmen
Ein weiterer Vorteil, der mit dem gezielten Einbringen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens verbunden ist, betrifft den Schutz des Helmholtz-Resonators vor Überhitzung, die sich durch die Hitzestrahlung aus der Brennkammer durch den Strömungskanal in Richtung des Helmholtz-Resonator-Volumens ergeben könnte. So ist es aus kühltechnischer Sicht beim bisherigen Einsatz von Helmholtz-Resonatoren erforderlich, daß ein gewisser Mindestdurchsatz an Kühlluftströmung durch den Helmholtz-Resonator vorherrscht. Im Falle der erfindungsgemäßen Zerstäubung von Flüssigkeitstropfen innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens vor dem Strömungskanal, der zur Brennkammer hin führt, ist jedoch kein zusätzlicher Luftstrom zu Kühlzwecken erforderlich.
Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer sieht ein Helmholtz-Resonator-Volumen vor, das wenigstens über eine Zu- und Ableitung verfügt, durch die Flüssigkeit in das Helmholtz-Resonator-Volumen einbringbar bzw. aus diesem ableitbar ist. Durch gezieltes Einbringen einer Flüssigkeit in das Innere des Helmholtz-Resonator-Volumens ist es möglich das Strömungsvolumen bzw. den Strömungsquerschnitt für die das Helmholtz-Resonator-Volumen durchströmende Zuluft stufenlos zu variieren und an aktuell vorherrschende akustische Gegebenheiten anzupassen.
Je nach Befüllungsgrad des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Flüssigkeit ist das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators individuell an unterschiedliche Lastzustände der in Betrieb befindlichen Gasturbine anpaßbar.
So treten bei Gasturbinenanlagen während der Anlaufphase innerhalb des Strömungskreislaufes störende Niedrigfrequenzoszillationen auf deren Frequenzspektrum sich zu mittleren und höheren Frequenzen hin verschiebt, während die Gasturbine auf ihren normalen Lastzustand gefahren wird. Bei Erreichen einer bestimmten Grundlast treten üblicherweise störende Oszillationen im Strömungskreislauf mit relativen hohen Frequenzen auf.
Durch die erfindungsgemäße Befüllung des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Flüssigkeit ist das schalldämpfende Verhalten des Helmholtz-Resonators im Hinblick auf die innerhalb des Strömungsbereiches der Gasturbinenanlage entstehenden störenden Oszillationen individuell einzustellen. In jeder Situation, in der sich die Gasturbinenanlage unter sich ändernden Lastverhältnissen steht, ist der schalldämpfende Resonatoraufbau jeweils derart mit Flüssigkeit zu befüllen, daß die vom Füllgrad des Resonators abhängende Resonanzfrequenz gerade der Frequenz der Oszillationen bedingt durch die thermoakustischen Schwingungen entspricht. Das gleiche gilt auch für den Betrieb eines Helmholtz-Resonators, der mit der vorstehend beschriebenen Einspritzdüsenanordnung versehen ist. Hierbei ist das unterschiedliche Resonanzverhalten des Resonators durch den Massenstrom der Tröpfchen und den Zerstäubungsgrad einstellbar.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt, der mit der Befüllung des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Wasser verbunden ist, betrifft die Kühlung des Resonators. Durch eine ständige, wenigstens Teilbefüllung des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Wasser wird dieses aufgrund der vorherrschenden Temperaturbedingungen, bedingt durch die Nähe der Brennkammer, im kochenden Zustand gehalten - typische Verbrennungsdrucke von 20 bar und Temperaturen um ca. 250°C -, so daß zu Kühlzwecken auf eine zusätzliche Luftzuleitung innerhalb des Resonatorbereiches verzichtet werden kann.
Eine dritte, alternative Lösungsvariante zur Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sieht eine Einspritzdüsenanordnung für den Brennstoff innerhalb des Strömungskanals vor, der das Helmholtz-Resonator-Volumen mit der Brennkammer verbindet. Die Einspritzdüsenanordnung zerstäubt Brennstoff in Richtung der Brennkammer. Ferner weist die Brennstoffzuleitung in Brennstoffzulaufrichtung vor der Einspritzdüsenanordnung ebenfalls ein Helmholtz-Resonator-Volumen auf, durch das dem zugeführten, gasförmigen Brennstoff eine bestimmte resonante Eigenfrequenz aufgezwungen wird. Die sich zwischen der störenden Oszillation innerhalb der Brennkammer ausbildenden Schwingung und der Schwingung der Brennstoffoszillation einstellende Phasendifferenz ist derart zu wählen, daß bei jedem Betriebszustand der Gasturbinenanlage das sogenannte Rayleigh-Kriterium nicht erfüllt wird. Das Rayleigh-Kriterium für Anfachung oder Dämpfung thermoakustischer Schwingungen ist dann erfüllt, wenn die Phasendifferenz zwischen Reaktionsratenschwankungen und Druckschwankungen kleiner ist als □/2.
Eine vierte und letzte Lösungsalternative zur Schwingungsdämpfung bzw. Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit Brennkammer sieht ein Helmholtz-Resonator-Volumen vor, das als Fluidixschalter ausgebildet ist. Der "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" ist mit dem Brennstoffgasstrom verbunden und zugleich mit einem Verbindungskanal, der direkt in die Brennkammer mündet. Die Kombination "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" hat die Aufgabe, den Brennstoffmassenstrom im Gegentakt zu einer allfällig auftretenden Brennkammerschwingung zu modulieren und damit die Schwingung zu dämpfen. So kann eine Schwingung stets dann gedämpft werden, wenn die Reaktion, beispielsweise in Form einer Volumenvergrößerung, mit abnehmenden Druck zunimmt. Man spricht hierbei auch vom Rayleigh-Kriterium für Anfachung oder Dämpfung thermoakustischer Schwingungen. Die gewünschte Phasenkopplung zwischen der Resonanzfrequenz des "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" und der sich in der Brennkammer ausbildenden Oszillation wird mit Hilfe des Verbindungskanals, durch den ein Druckausgleich zwischen Brennkammerinnenraum und Brennstoffgasstrom erfolgt, erzwungen, wodurch der Fluidixschalter innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens gesteuert wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
Helmholtz-Resonator-Volumen mit Einspritzdüsenanordnung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Luft-Gemisches vor Eintritt in den Strömungskanal,
Fig. 2
Helmholtz-Resonator-Volumen mit variabler Flüssigkeitszufuhr zur Veränderung des Gasvolumens innerhalb Helmholtz-Resonators,
Fig. 3
Brennstoffzuleitung für gasförmigen Brennstoff mit Helmholtz-Resonator-Volumen mit Einspritzdüsenanordnung, sowie
Fig. 4
Helmholtz-Resonator-Volumen mit Fluidixschalter.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt eine Schalldämpfungsvorrichtung für eine Strömungsmaschine, beispielsweise Gasturbinenanlage mit einer Brennkammer 1, in die über einen Strömungskanal 2 vorverdichtete Luft unter Zugabe von Brennstoff eingebracht wird. Die Darstellung gemäß Figur 1 weist aus Gründen der Übersichtlichkeit eine diesbezügliche Brennstoffzuleitung nicht auf.
Beim Betrieb der Gasturbinenanlage treten innerhalb der Brennkammer 1 thermoakustische Schwingungen auf, die es gilt mit der in der Figur 1 dargestellten Vorrichtung zu dämpfen. So ist in Strömungsrichtung vor dem Strömungskanal 2 ein Helmholtz-Resonator-Volumen 3 vorgesehen, das über eine Luftzuleitung 4 verfügt.
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung dargelegt vermag zwar das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 allein nur eine gewisse, beschränkte Dämpfungswirkung auf die im Inneren der Brennkammer 1 sich ausbildenden thermoakustischen Schwingungen auszuüben, doch ist es erst durch das Vorsehen einer Einspritzdüsenanordnung 5 innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 möglich, die Schalldämpfungswirkung individuell auf die sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden thermoakustischen Schwingungen anzupassen. Durch die Einspritzdüsenanordnung 5, die vor dem Strömungskanal 2 in Strömungsrichtung der in die Brennkammer eintretenden Zuluft angeordnet ist, wird eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser in feinste Flüssigkeitstropfen zerstäubt, so daß sich innerhalb des Strömungskanals 2 ein Flüssigkeits-Luft-Gemisch 5' bildet, das vorzugsweise den gesamten Strömungskanal 2 ausfüllt. Die Einspritzdüsenanordnung 5, ist vorzugsweise konzentrisch innerhalb der Luftzuleitung 4 angeordnet, so daß ausreichend viel Zuluft (siehe Pfeile) in das Innere des Helmholtz-Resonators 3 eingeleitet wird. Je nach Massenstrom der zerstäubten Flüssigkeitströpfchen sowie des durch die Einspritzdüsenanordnung 5 erzeugten Zerstäubungsgrad der zugeführten Flüssigkeit ändert die sich innerhalb des Flüssigkeits-Gas-Gemisches vorherrschende Schallgeschwindigkeit, wodurch ein gezielter Einfluß auf das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 genommen werden kann. Mit zunehmenden Anteil von Flüssigkeit im Flüssigkeits-Gas-Gemisch nimmt die Schallgeschwindigkeit deutlich ab. Von besonderem Vorteil ist die hohe Variabilität der durch geeignete Wahl von Flüssigkeitströpfchengröße und Zerstäubungsgrad bedingte Einfluß auf das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonator-Volumens ohne die Notwendigkeit, das Helmholtz-Resonator-Volumen mit einer großen Bauweise auszubilden, wie es der Fall beim Stand der Technik ist.
Typischerweise herrschen im Strömungskanal 2 Druckverhältnisse von etwa 20 bar und Temperaturen von 250°C vor, bei denen sich typische Tröpfchendurchmesser von 20 µm als besonders gut zur Schalldämpfung eignen. Bei einer derart feinen Wasserzerstäubung ist überdies der Wasserverbrauch relativ gering, so daß sich zur Zerstäubung auch handelsübliche, regelbare Sprühdüsen eignen.
Je nach Lastbedingungen der Gasturbine, die von der Startphase bis zum normalen Lastbetrieb reichen und damit verbunden störende thermoakustische Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Brennkammer erzeugen, ist der Massenstrom der zerstäubten Flüssigkeit individuell zu regeln.
In Figur 2 ist eine Dämpfungsanordnung mit einem Helmholtz-Resonator-Volumen 3 dargestellt, die neben einer Luftzuleitung 4 und dem Strömungskanal 2 hin zur Brennkammer 1 einen Wassereinlaß- bzw. auslaßkanal 6 aufweist, durch den je nach Füllstand innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 Wasser zu- bzw. abgeführt werden kann. Durch den Flüssigkeitsspiegel, vorzugsweise Wasserspiegel innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 ist das gesamte Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators individuell einzustellen, vergleichbar mit der in Figur 1 beschriebenen Anordnung durch Variation des Massenstromes durch die Einspritzdüsenanordnung.
Neben der gezielten Schalldämpfungseigenschaft, bedingt durch den stufenlos einstellbaren Wasserspiegel innerhalb des Resonator-Volumens 3 trägt das in dem Resonator-Volumen 3 befindliche Wasser, das sich bei etwa 250°C und 20 bar herrschenden Druck in kochendem Zustand befindet, zur Kühlung der Resonatoranordnung selbst bei, so daß auf zusätzliche Kühlluftzufuhr verzichtet werden kann.
In Figur 3 ist ein weiteres alternatives Schalldämpfungssystem zur Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennkammer 1 dargestellt. Über eine Luftzuleitung 4 wird das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 mit Zuluft versorgt, die über einen Strömungskanal 2 in Richtung Brennkammer 1 weitergeleitet wird. Zusätzlich ist, das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 sowie teilweise den Strömungskanal 2 durchsetzend, eine Brennstoffzuleitung 7 für gasförmigen Brennstoff vorgesehen, die am Austrittsende einen Düsenauslaß 8 vorsieht, durch den eine kegelförmige Brennstoffwolke 9 austritt und in das Innere der Brennkammer 1 eintritt. Außerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 sieht die Brennstoffzuleitung 7 ebenso ein Helmholtz-Resonator-Volumen 10 vor, das dem aus dem Düsenauslaß 8 ausströmenden gasförmigen Brennstoff eine bestimmte Resonanzfrequenz aufzwingt.
Durch die offene Ausgestaltung des Düsenauslasses 8, durch den sich eine unmittelbare Wechselwirkung mit den Druckverhältnisses innerhalb der Brennkammer 1 einstellt, treten die thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennstoffkammer 1 in Wechselbeziehung zur Resonanzfrequenz des aus dem Düsenauslaß 8 ausströmenden gasförmigen Brennstoffes. Durch geeignete Ausbildung des Helmholtz-Resonator-Volumens 10 innerhalb der Brennstoffzuleitung 7 kann eine bestimmte Phasendifferenz zwischen der Brennstoffschwingung und den thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennkammer 1 derart eingestellt werden, daß das Rayleigh-Kriterium zur Anfachung thermoakustischer Schwingungen nicht erfüllt wird.
Überdies besteht die Möglichkeit, bei geeigneter Ausbildung der Brennstoffzufuhr sowie des Strömungskanals 2, die durch den Zuleitungskanal 4 in das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 eintretende Zuluft nicht für den Verbrennungsvorgang innerhalb der Brennkammer 1 zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Konzept zur Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer 1 ist in Figur 4 abgebildet. Wesentliche Komponenten dieser Anordnung bestehen aus einem Helmholtz-Resonator-Volumen 3 dessen innere Volumengröße mit einem beweglichen Kolben 11 verändert werden kann. Zusätzlich ist innerhalb des Volumens 3 ein Flip-Flop-Dämpfungskanal 12 vorgesehen. Eine derartige Anordnung ist auch unter der Bezeichnung "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" bekannt. Diese Anordnung ist über eine Öffnung mit der Brennstoffzuleitung 7 verbunden, die in gleicher Weise über einen Verbindungskanal 13 mit der Brennkammer 1 verbunden ist. Die Brennstoffzuleitung 7 mündet im gezeigten Fall in die Luftzuleitung 4 ein, durch die der zugeführte Brennstoff durch den Strömungskanal 2 in die Brennkammer 1 eingebracht wird.
Die dem Aufbau zugrunde liegende Idee ist die Verwendung eines "Fluidixschalters", dessen Schwingungsverhalten durch die sich im Inneren der Brennkammer 1 ausbildenden thermoakustischen Schwingungen über den Verbindungskanal 13 beeinflußt wird. Ziel ist es, das Resonanzverhalten des Fluidixschalters an die Frequenz der thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennkammer 1 anzupassen. Die Anpassung kann einerseits mit Hilfe des beweglichen Kolbens 11 erfolgen oder wie im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 mit einem entsprechenden Füllgrad des Resonator-Volumens 3 mit einer Flüssigkeit.
Wenn die Resonanzfrequenz des "Helmholtz-Resonators-Fluidixschalters" auf die Frequenz einer Brennkammerschwingung abgetimmt worden ist, so lenkt der Fluidixschalter jeweils einen Tei des Brennstoffmassenstromes ins Resonatorvolumen um, sobald der Verbindungskanal 13 einen Überdruckpuls registriert. In diesem Fall entsteht im Strömungskanal 2 ein relativ mageres Gemisch und die nachfolgende Verbrennung führt zu einer relativ schwachen Volumenzunahme der Gase. Im umgekehrten Fall registriert der Verbindungskanal 13 einen Unterdruck in der Brennkammer. Dies veranlaßt den Fluidixschalter zu einem Ausströmvorgang aus dem Resonatorvolumen. Der Brennstoffmassenstrom wird in diesem Fall um den aus den Resonatorvolumen zuströmenden Brennstoffmassenstrom vergrößert. Als Folge entsteht imStrömungskanal 2 ein momentan fettes Gemisch und die nachfolgende Verbrennung führt zu einer relativ großen Volumenfreisetzung. In diesem Fall findet nach dem Rayleigh-Kriterium gerade Schalldämpfung statt, falls die Phasenverschiebung der beschriebenen Reaktionskette genügend klein bleiben.
Bezugszeichenliste
1
Brennkammer
2
Strömungskanal
3
Helmholtz-Resonator-Volumen
4
Luftzuleitung
5
Einspritzdüsenanordnung
5'
Flüssigkeits-/Luft-Gemisch
6
Zu- bzw. Ableitung für Flüssigkeit
7
Brennstoffzuleitung
8
Düsenauslaß
9
kegelförmige Brennstoffwolke
10
Helmholtz-Resonator-Volumen innerhalb der Brennstoffzuleitung
11
beweglicher Kolben
12
Flip-Flop-Dämpfungskanal
13
Verbindungskanal

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer (1), in die über einen Strömungskanal (2) ein komprimierbares Medium, vorzugsweise Luft, zugeführt wird, in der das komprimierbare Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, und
    einem Helmholtz-Resonator-Volumen (3), das mit dem Strömungskanal (2) in Strömungsrichtung vor Eintritt in die Brennkammer (1) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens (3) vor Eintritt in den Strömungskanal (2) eine Einspritzdüsenanordnung (5) vorgesehen ist, durch die Flüssigkeit in Richtung des Strömungskanals (2) in feinste Flüssigkeitstropfen in Form eines Flüssigkeits/Luft-Gemisches (5') zerstäubbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsmassenstrom sowie der Zerstäubungsgrad aktiv regelbar sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsenanordnung (5) eine Sprühdüse vorsieht, welche die Flüssigkeitstropfen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 20 µm erzeugt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsenanordnung (5) derart dimensioniert und positioniert ist, daß der Strömungskanal (2) vollständig mit dem Flüssigkeits/Luft-Gemisch (5') erfüllt ist.
  5. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Zu- und Ableitung (6) vorgesehen ist, durch die Flüssigkeit in das Helmholtz-Resonator-Volumen (3) einbringbar bzw. ableitbar ist, so daß das das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonator-Volumen (3) gezielt änderbar ist.
  6. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Strömungskanals (2) eine Einspritzdüsenanordnung (5) vorgesehen ist, durch die Brennstoff in Richtung der Brennkammer (1) zerstäubbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdüsenanordnung (5) in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor Düsenaulaß (8) ein weiteres Helmholtz-Resonator-Volumen (10) vorgesehen ist, durch das der Brennstoff zugeführt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff gasförmig ist.
  9. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Helmholtz-Resonator-Volumen (3) mit der Brennkammer (1) über einen Verbindungskanal (13) sowie mit einem Volumenbereich der Brennstoffzuführung verbunden ist, und
    daß der Helmholtz-Resonator (3) als Fluidixschalter ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidixschalter einen Flip-Flop-Dämpfungskanal (12) sowie einen beweglichen Kolben (11) zur Volumenänderung des Helmholtz-Resonator-Volumens (3) vorsieht.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Helmholtz-Resonator-Volumen (3) einen Lufteinlass- und einen Luftaustrittsbereich vorsieht, wobei der Durchmesser des Luftaustrittsbereiches größer ist als der des Lufteinlassbereiches, und daß sich zwischen dem Luftaustrittsbereich und der Brennkammer (1) der Strömungskanal (2) befindet.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Gasturbine ist.
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