EP0985882A1 - Vibration damping in combustors - Google Patents
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- 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 devices and methods for damping acoustic and / or thermoacoustic vibrations in combustion chambers, in particular in combustion chambers of Gas turbines.
- combustion chambers are nowadays predominantly from the point of view of the lowest possible pollutant formation and thus the lowest possible pollutant emissions in the operation of the combustion chamber.
- nitrogen oxides are generated during combustion, which, depending on the atmospheric level at which they are emitted, in particular cause a breakdown or an increase in the ozone.
- Nitrogen oxides (NO x ) are formed at very high temperatures. Such high temperatures occur during combustion, in particular when there is a low excess of air and thus a rich combustion. Such conditions exist, for example, in the case of insufficient atomization and gasification of a liquid fuel in the immediate vicinity of fuel droplets.
- combustion chambers are now mostly designed as premix combustion chambers.
- the fuel which is mostly gaseous in stationary gas turbines, is first mixed with air in a premixing device before the actual combustion.
- the premixing device often consists of one or more burners, as are described, for example, in the publication DE 43 04213 A1.
- the air supplied to the combustion therefore flows completely or almost completely through one or more burners at the entrance to the combustion chamber.
- a fuel / air mixture that is as homogeneous as possible is formed in the combustion chamber. Local over-greasing of the fuel / air mixture can thus be largely avoided.
- nitrogen oxide formation is significantly reduced.
- the combustion chamber in turn had a high damping property with regard to acoustic and / or thermoacoustic vibrations of the combustion chamber, which were dampened dissipatively.
- Acoustic and / or thermoacoustic vibrations occur in combustion chambers as a result of different causes. For example, non-uniformities in the temperature distribution of the combustion flow when passing through the turbine lead to non-uniformities in the pressure due to a spatially or temporarily non-uniform enthalpy conversion and thus to thermoacoustic vibrations. These vibrations cannot be prevented in principle.
- Helmholtz resonators are mostly connected to the combustion chamber on the inlet side. However, Helmholtz resonators only work in a narrow one Frequency band around a fundamental frequency, so there is no broadband damping of different oscillation frequencies.
- the invention is therefore based on the object, acoustic and / or thermoacoustic Vibrations in a combustion chamber of a turbomachine, in particular a gas turbine, to effectively attenuate over the largest possible frequency range.
- the combustion chamber at least one Fluid supply device and a combustion chamber and further comprises the combustion chamber
- At least one attenuation of acoustic and / or thermoacoustic vibrations Has recirculation opening.
- the recirculation opening creates for acoustic and / or thermoacoustic vibrations a local pressure equalization, so that there is a destructive interference comes from acoustic waves and their reflections.
- a perfect pressure equalization would of course require that the flow rate just disappear.
- the Recirculation opening usefully opens into the inflow of the fluid to the Combustion chamber, thus expediently in the fluid supply device. Furthermore, the Recirculation opening also open into another volume.
- the fluid flowing out of the combustion chamber flows into the fluid inflow with the fluid flow flowing into the combustion chamber is transported further. This is what happens a re-inflow into the combustion chamber and consequently a recirculation of the fluid flowing out of the combustion chamber. But it can also, if appropriate Pressure conditions, fluid from the fluid inflow through the recirculation opening in the Flow into the combustion chamber. Without restricting both possible directions of flow through In the following, however, the recirculation opening is usually only the outflow viewed from fluid in the Brerm space.
- At least part of the fluid supply device advantageously runs directly adjacent the outside of the combustion chamber wall. Simultaneously with the supply of a fluid, mostly air, the combustion chamber of the combustion chamber is due to this arrangement
- the combustion chamber wall is convectively cooled on the outside of the combustion chamber.
- the fluid in the In this case, the fluid supply device therefore flows in the opposite direction Flow in the combustion chamber.
- the fluid supply device advantageously opens into a Antechamber and from this into the combustion chamber. The aim here is that this Pre-chamber forms a flow state of the fluid that is as homogeneous as possible.
- the Flow state of the fluid relates to the static pressure, the temperature and the Flow velocity of the fluid.
- the prechamber can also be omitted.
- the fluid expediently flows completely or almost completely on the inlet side, preferably to the combustion chamber via a front panel arranged on the inlet side. Often it is The combustion chamber is cylindrical or circular, with the front panel the combustion chamber limited on the entry side. Due to the complete or almost complete supply of the Fluids to the combustion chamber via the front panel are those running in the combustion chamber Combustion from the outset for a low pollutant combustion process sufficient amount of fluid available.
- the combustion chamber is also advantageous as a premix combustion chamber with a Premixing device executed.
- a premixing takes place in the premixing device of the mostly gaseous fuel with air instead.
- the one that is preferably designed as a burner Premixing device is expediently arranged in front of the combustion chamber and preferably opens out in the level of the front panel in the combustion chamber.
- the recirculation opening is preferably arranged in the front area of the combustion chamber on the combustion chamber wall and / or the front panel.
- the arrangement of the recirculation opening in the front area of the combustion chamber has the effect that the acoustic oscillation has a pressure node in the area of a main combustion zone.
- the combustion chamber thus represents an at least partially open vibration chamber in the front area.
- the recirculation opening is with the Fluid supply device and / or the pre-chamber connected. Occurs as a result of an acoustic and / or thermoacoustic vibration fluid through the recirculation opening from the Combustion chamber, this fluid thus opens into the fluid supply device and / or Antechamber. From there, the fluid flowing out of the combustion chamber flows back into the Combustion chamber. The fluid exiting the combustion chamber consequently recirculates.
- the recirculation opening is expediently designed as a nozzle, the nozzle advantageously being in the fluid supply device and / or the pre-chamber opens.
- the nozzle preferably has a constant cross-section so that the fluid flowing out of the combustion chamber is neither significantly accelerated or decelerated. This can be done from the combustion chamber using the nozzle outflowing fluid targeted the flow in the fluid supply device and / or Antechamber to be fed. In particular the direction of flow from the combustion chamber outflowing fluids and the location of the junction are freely selectable.
- the recirculation opening first opens into a volume and only indirectly through it Volume in the fluid supply device and / or the prechamber, in general, unless specifically differentiated, the confluence of the intermediate volume in the fluid supply device and / or the antechamber as well as the mouth of the To consider recirculation opening in the fluid supply device and / or the prechamber.
- the recirculation opening is preferably designed such that the narrowest cross section of the Recirculation opening compared to the narrowest cross section of a corresponding one Helmholtz resonator is significantly larger.
- a corresponding Helmholtz resonator is through the natural acoustic frequency of the combustion chamber and thus the design frequency of the Helmholtz resonators and the required damping performance determined.
- the narrowest cross section of the recirculation opening preferably has a cross-sectional area on, which is about ten times the cross-sectional area of the narrowest cross-section of the corresponding Helmholtz resonator corresponds.
- This larger cross-sectional area of the Recirculation opening compared to a Helmholtz resonator is mainly below that Aspect of the widest possible effective range in relation to those to be damped Vibration frequencies and vibration amplitudes advantageous.
- the muffler proposed here does not lead to a resonant Sound absorption. Therefore the open damper cross section must be the same Damping performance can be about an order of magnitude larger.
- the flow of real fluid through the combustion chamber is fundamentally lossy.
- the fluid flowing in the combustion chamber thus has a lower total pressure than that Fluid in the fluid supply device or in the prechamber. Is it due to a static pressure drop for fluid to flow out through the recirculation opening the combustion chamber into the fluid supply device and / or the pre-chamber, this indicates fluid flowing out of the combustion chamber thus has a lower total pressure than the fluid in the fluid supply device and / or the prechamber.
- This causes the middle one Total pressure in the fluid supply device and / or the antechamber downstream of the junction the recirculation opening in the event of fluid flowing out of the combustion chamber.
- At least one injector is arranged in the combustion chamber so that it is in a Area downstream of the recirculation opening into the fluid supply device and / or the Antechamber opens.
- the injector's job is to adjust the total pressure drop Flow over the burner, thus the total pressure gradient of the flow between the Junction of the recirculation opening in the fluid supply device and / or Antechamber and the corresponding level in the combustion chamber, at least to compensate.
- the fluid additionally supplied by means of the injector is advantageously supplied with a the flow direction adapted to the surrounding fluid flow is introduced into the flow.
- the injector is expediently designed as a nozzle with a tapering cross section.
- the mean total pressure of the fluid in increases the fluid supply device and / or the antechamber, in particular downstream of the junction of the injector. This results in a stable pressure rise in the suction branch of the injector just compensated for the pressure drop across the burner.
- Both the fluid supply device and the injector are particularly expedient and fed the same fluid reservoir.
- the respective free ends of the Fluid supply device and the injector connected to this fluid reservoir.
- the combustion chamber advantageously has the largest possible damping volume.
- the damping volume can be designed, for example, as a damping chamber.
- the damping volume is arranged such that at least part of the fluid flowing out of the combustion chamber through the recirculation opening flows into the damping volume.
- the damping volume is expediently connected to the fluid supply device and / or the prechamber.
- the damping volume preferably has an approximately equal or greater volume than the primary zone of the combustion chamber.
- the primary zone is the area of the combustion chamber in which the primary combustion takes place. It has been found that the combination of a recirculation opening with a damping volume in the form of a buffer volume leads to particularly effective vibration damping, in particular in the case of a compressible fluid.
- the damping volume in particular the inflow and outflow to the damping volume, is preferably designed such that the fluid in the damping volume has a balanced static pressure in comparison with the fluid in the combustion chamber at base load and a slightly lower static pressure at full load. With base load, this results in no or only a very small flow through the recirculation openings into the damping volume. At full load, the slight excess pressure in the combustion chamber leads to a continuous outflow of fluid from the combustion chamber through the recirculation opening. Such a design ensures that no fluid flows through the recirculation opening into the combustion chamber at full load. An inflow of fluid through the recirculation opening into the combustion chamber would result in a higher pollutant emission from the combustion chamber.
- colder fluid expediently flows, for example from the fluid supply device and / or the antechamber, into the damping volume. This avoids excessive temperatures in the damping volume.
- the volume of the damping volume can be changed. This allows the damping characteristics of the damping volume to be changed and optimized in a simple manner.
- the narrowest cross section of the Venturi nozzle is preferred in the immediate area of the mouth of the recirculation opening arranged.
- the venturi nozzle is advantageous in the area of the confluence of the damping volume Fluid supply device arranged and the narrowest cross section of the Venturi nozzle is preferably in the immediate area of the confluence of the damping volume in the Fluid supply device.
- FIG. 1 an embodiment of the invention is shown in a longitudinal section through a combustion chamber.
- the combustion chamber consists of a fluid supply device 110, a pre-chamber 111 and a combustion chamber 112. Furthermore, the combustion chamber shown is designed as a pre-mixing combustion chamber with a pre-mixing device 114.
- the premixing device 114 is arranged on the front on the front panel 115 of the combustion chamber 112.
- the combustion chamber shown can be designed both as a tubular combustion chamber with a cylindrical cross section or as an annular combustion chamber with a hole circle cross section concentric about the machine axis. The latter embodiment is often preferred in modern turbomachinery, which are usually very compact.
- the fluid 100 is supplied to the combustion chamber 112 with the aid of the fluid supply device 110.
- the fluid supply device 110 can consist of individual pipelines which either open into the prechamber 111 or directly into the combustion chamber 112. In the case of annular combustion chambers, in particular, an embodiment of the fluid supply device 110 in the form of one or more circular flow channels is preferred. This ensures that the flow to the combustion chamber is as uniform as possible over the circumference of the combustion chamber.
- the fluid flows through the fluid supply device 110 in the illustration from right to left and thus in the counterflow direction to the actual flow through the combustion chamber 112. According to the illustration, the fluid flows out of the fluid supply device 110 into the prechamber 111. On the one hand, the fluid in the prechamber 111 flows into the opposite one Directed flow direction.
- the pre-mixing device 114 which is designed in the form of a plurality of burners distributed around the circumference, is also arranged in the prechamber 111.
- the premixing device 114 serves for premixing the mostly gaseous fuel with a portion of the supplied fluid 100, mostly air. As a result of the high flow rate in the premixing device 114, no combustion occurs here.
- the aim of the premixing device 114 is to produce a uniform fuel-fluid mixture.
- the fluid flows through the front panel 115 of the combustion chamber into the combustion chamber 112.
- the combustion 101 of the fuel-fluid mixture takes place in the combustion chamber 112.
- fluid is no longer fed to combustion chamber 112 via additional openings in the hub-side and housing-side wall 113 of the combustion chamber.
- this additional fluid was mainly used to cool the combustion chamber wall.
- the hub-side and housing-side combustion chamber wall 113 shown in FIG. 1 is closed. Fluid is no longer mixed along the combustion chamber 112 of the internal combustion chamber flow. This results in a reduced generation of nitrogen oxides during combustion.
- the equally reduced damping property of the combustion chamber has a disadvantageous effect on acoustic or thermoacoustic vibrations of the fluid flow in the combustion chamber.
- Such vibrations arise as a result of various causes in combustion chambers, some of which have been described above. Firing up or damping only takes place depending on the acoustic behavior of the combustion chamber. In many cases, this leads to excessive pressure amplitudes of the vibration.
- the disadvantageous consequences are, in particular, an increase in pollutant emissions due to uneven combustion and an increased mechanical load on the components due to the pressure change amplitudes that arise. In the worst case, the flame may even go out or even flash back. This is where the invention comes in. In the section of the combustion chamber shown in FIG.
- a recirculation opening 120, 120 ' was arranged on both the housing-side and the hub-side wall of the combustion chamber 112 in the front region of the combustion chamber.
- the recirculation openings 120, 120 ′ are designed here as nozzles each with a constant cross section and open into the fluid supply device 110.
- the nozzles are advantageously curved such that the confluence of the fluid 121 emerging from the combustion chamber 112 into the fluid supply device 110 is adapted to the flow of the fluid 100 in the fluid supply device 110.
- the invention can also be carried out by arranging only one recirculation opening.
- a distribution of the recirculation openings 120, 120 ′ that is as symmetrical and uniform as possible is advantageous.
- the distribution of the recirculation openings on the circumference of the combustion chamber is not shown in FIG.
- Recirculation openings are preferably arranged on the circumference of the annular combustion chamber at a plurality of positions, expediently at equal distances from one another.
- the design of the recirculation openings 120, 120 'and the fluid supply device 110 at the locations of the openings of the recirculation openings 120, 120' takes place with the aspect that the fluid in the region of the openings of the recirculation openings 120, 120 'compared to the fluid in the combustion chamber 112 has a balanced static pressure at base load and a slightly lower static pressure at full load. This ensures that during normal operation of the combustion chamber between base load and full load, no or only a very small fluid mass flow flows through the recirculation openings 120, 120 'into the combustion chamber 112. In most cases, fluid flows out of combustion chamber 112 to a small extent.
- the flow velocities in the confluence areas of the recirculation openings 120, 120 ' can be freely selected as design parameters for this by the structural design of the flow cross sections of the fluid supply device 110 in these areas.
- pressure compensation takes place via the recirculation openings 120, 120 ′ between the fluid flow in the combustion chamber 112 and the fluid flow in the fluid supply device 110 and thus also in the prechamber 111.
- Fluid 121 emerging from the combustion chamber 112 into the fluid supply device 110 is fed back into the combustion chamber 112 through the prechamber 111 and consequently recirculates.
- the vibration is damped due to dissipative losses of the recirculating fluid 121.
- the forced pressure equalization in the primary zone of the combustion chamber leads to destructive interference of the sound waves and therefore to small pressure oscillation amplitudes in the area of the main combustion zone. If the flow cross sections of the recirculation openings 120, 120 'are dimensioned sufficiently large and there is a sufficient pressure drop in the recirculation range, vibrations over the entire frequency range are thus damped or even completely damped out.
- the viscosity of the fluid total pressure loss of the fluid due to friction occurs when it flows through the combustion chamber. This means that the fluid in the combustion chamber 112 has a lower total pressure than the fluid in the fluid supply device 110 or the prechamber 111.
- two injectors 125, 125 'are arranged according to the invention in addition to the recirculation openings 120, 120' in the embodiment of the invention shown in FIG .
- These injectors 125, 125 'are arranged such that they open into the fluid supply device 110 in a region downstream of the recirculation openings 120, 120'.
- the injectors 125, 125 'are designed here as nozzles with a tapering flow cross section. In the embodiment of the invention shown in Figure 1, two injectors 125, 125 'are arranged.
- the injectors 125, 125 ' are preferably fed from the same fluid reservoir as the fluid supply device 110.
- the feeding of the injectors 125, 125' is not shown in FIG. 1.
- a supply from a reservoir can be implemented in a simple manner by means of a bypass channel.
- This bypass duct branches off at the outlet of the compressor preceding the combustion chamber. While part of the fluid coming from the compressor flows through the fluid supply device 110 with a relatively large total pressure loss, the remaining part of the fluid coming from the compressor is supplied to the combustion chamber via the bypass channel.
- the fluid 126 supplied to the combustion chamber flow by means of the injectors 125, 125 ′ leads to an increase in the mean total pressure of the flow downstream of the injection and thus to a sufficient pressure drop across the burner or burners.
- the stable operating range of the combustion chamber in the embodiment with the recirculation device according to the invention is expanded by the arrangement of the injectors 125, 125 '.
- the effectiveness of the injectors 125, 125 ' is heavily dependent on the density ratio of the injected fluid to the surrounding fluid.
- the surrounding fluid that is to say the fluid emerging from the recirculation openings 120, 120 ′ mixed with the fluid supplied in the fluid supply device 110
- the effectiveness of the injectors decreases. This leads to the fact that the recirculation openings 120, 120 'in combination with the injection via the injectors 125, 125' constitute an inherently stable control loop.
- FIG. 2 shows a second embodiment of the invention in a section through a further combustion chamber.
- the combustion chamber shown here is constructed similarly to the combustion chamber shown in FIG. 1. This similarity in the design of the combustion chambers according to FIGS. 1 and 2 does not limit the general scope of the invention in connection with other types of combustion chamber.
- the combustion chamber essentially consists of a fluid supply device 210, a pre-chamber 211, a pre-mixing device 214 and a combustion chamber 212 with a front panel delimiting the combustion chamber.
- the mode of operation corresponds to the mode of operation of the combustion chamber shown in FIG. 1.
- the combustion chamber shown in FIG. 2 has recirculation openings 220, 220 '.
- the recirculation openings 220, 220 ′ are embodied here in the form of nozzles, the nozzles being at a 90 ° angle and opening into the fluid supply device 210.
- the combustion chamber shown in FIG. 2 has damping volumes 230, 230 'arranged on the hub side and on the housing side.
- the damping volumes 230, 230 ' which advantageously each extend over the entire circumference of the combustion chamber, are here arranged on the outer sides of the combustion chamber in such a way that the fluid emerging from the recirculation openings 220, 220' at least partially flows into the damping volumes 230, 230 ' .
- the damping volumes 230, 230 ′ are each connected to the fluid supply device 210 by means of an opening. Depending on the pressure conditions, fluid can thus flow in and out of the fluid supply device 210 into the damping volumes 230, 230 ′ and in the opposite direction.
- the damping volumes 230, 230 ' will have approximately the same static pressure as in the fluid supply device 210.
- the structural design of the fluid supply device 210 is moreover advantageously selected such that a balanced static pressure is obtained at base load and a slightly lower static pressure at full load Sets pressure in the damping volumes 230, 230 'in comparison to the fluid in the combustion chamber 212.
- the damping volumes 230, 230 ' are each designed approximately with the same volume as the primary zone of the combustion chamber. Fluid flowing out of the combustion chamber 212 as a result of acoustic and / or thermoacoustic vibrations flows at least partially into the damping volumes 230, 230 '.
- This proportion of cooler fluid ensures a lower average temperature of the fluid in the damping volumes 230, 230 'compared to the temperature of the fluid in the combustion chamber 212.
- the fluid in the damping volumes 230, 230' is in turn successively introduced into the flow through the opening of the fluid supply device 210.
- FIGS. 3, 4 and 5 The results of a computational simulation of a combustion chamber corresponding to FIG. 2 are shown in FIGS. 3, 4 and 5.
- a total pressure of 16 bar at the end of the fluid supply device, a fluid density of 7.7 kg / m 3 at the end of the fluid supply device, and a density of the air blown in via the injectors of 8.3 kg / were used as input parameters for the simulation.
- m 3 and a diffuser efficiency of 0.7 are used.
- the channel widening of the fluid supply device in front of the prechamber is considered to be the diffuser.
- the results shown in the figures apply to optimized cross sections of the recirculation openings and the injectors.
- FIG. 1 The results shown in the figures apply to optimized cross sections of the recirculation openings and the injectors.
- FIG 3 shows the pressure loss of the fluid supply device arranged for cooling the combustion chamber wall and the combustion chamber above the pressure loss of the entire combustion chamber. It should be taken into account here that, according to the specifications, the fluid supplied via the injectors compensates for the pressure loss of the burners. This pressure loss of the burner as the pressure loss between the prechamber and the recirculation openings remains unchangeable over the entire abscissa area. In contrast, the pressure loss of the fluid supply device increases continuously and at the same time determines the pressure loss across the entire combustion chamber.
- the associated percentage fluid mass flow which is supplied to the combustion chamber via the fluid supply device, is plotted against the pressure loss of the combustion chamber. In the area of low pressure loss in the combustion chamber, the percentage fluid mass flow is also very low.
- FIG. 5 shows the ratio of the cross-sectional area of the injectors (A2) assigned to the respective pressure loss of the combustion chamber to the total cross-sectional area (A1 + A2) of the injectors and the fluid supply device.
- the cross-sectional area of the injectors thus decreases with an increasing pressure loss in the combustion chamber.
- the low fluid mass flow shown in FIG. 4 through the fluid supply device is supplied to the combustion chamber in some cases, especially when used for Cooling of the combustion chamber wall, not sufficient. In such cases, the increase of the fluid mass flow, the invention is advantageously carried out with a further feature become.
- a lower mass flow must the injectors 325, 325 'are supplied. This leads to a larger fluid mass flow through the fluid delivery device 310 compared to the embodiments of the invention corresponding to Figures 1 and 2.
- the combustion chamber shown is again as Premix combustion chamber with a fluid supply device 310, a pre-chamber 311, one Premixing device 314 and a combustion chamber 312 with a front end Front panel executed.
- the combustion chamber also has two in the front Recirculation openings 320, 320 'arranged in part of the combustion chamber.
- the Recirculation openings 320, 320 ' are designed here so that at least part of the fluid exiting the combustion chamber flows into a damping volume 330, 330 'and is forwarded from there into the fluid supply device 310.
- the Fluid supply device 310 in the region of the opening 335 of the damping volumes 330, 330 ', or the recirculation openings 320, 320', each as a Venturi nozzle 340, 340 ' executed.
- the fluid mass flow that goes through the injectors 325, 325 'is fed to the combustion chamber, can thus have smaller flow cross sections of the injectors can be reduced. Accordingly, the mass flow, which is the Combustion chamber is supplied by the fluid supply device 310 and for cooling the Contributes to the combustion chamber wall, increases.
- FIG. 7 shows a further embodiment of the invention.
- the combustion chamber shown is there from a fluid supply device 410, a pre-chamber 411, a premixing device 414 and a combustion chamber 412, which is closed at the front by means of a front panel.
- the Recirculation openings 420, 420 'designed according to the invention are on the front panel arranged. At least part of the fluid 421 emerging from the combustion chamber 412 flows into the damping volumes 430, 430 ', which adjoin the combustion chamber 412 on the end face are arranged and extend spatially into the prechamber 411.
- the Flow channels between the damping volumes 430, 430 'and the Combustion chamber outer wall, which are to be regarded as part of the fluid supply device 410, are expediently designed here as Venturi nozzles.
- the narrowest cross sections 441, 441 'of Venturi nozzles are located slightly downstream of the orifices 435, 435 'of the Damping volumes 430, 430 ', or the recirculation openings 420, 420', in the fluid supply device 410.
- the each according to the narrowest cross sections 441, 441 ' of the Venturi nozzles adjoining diffusers 442, 442 'of the Venturi nozzles are respectively executed in two parts.
- a first part of the diffusers lies in the area between the narrowest Cross section 441, 441 'of the Venturi nozzles and injectors 425, 425'.
- the second part of the Diffusers 442, 442 ' are each arranged downstream of the injectors 425, 425'.
- the mode of action the embodiment of the invention shown in FIG. 7 is equivalent to the mode of operation of the device shown in FIG Figure 6 illustrated embodiment of the invention. Differences between the two versions of the Invention arise in particular in the designs and thus the Combustion chamber dimensions.
- FIGS. 8, 9 and 10 The results of a computational simulation of an embodiment of the invention corresponding to FIG. 7 are shown in FIGS. 8, 9 and 10.
- a total pressure of 16 bar at the end of the fluid supply device, a fluid density of 8 kg / m 3 at the end of the fluid supply device, and a density of the air blown in via the injectors of 8.3 kg / m 3 were used as input parameters for the simulation , a diffuser efficiency of the first part of the diffuser of 0.8 and the second part of the diffuser of 0.5, a flow velocity in the venturi nozzles of 87 m / s and an increase in total pressure of 3 per thousand as a result of the injection by means of the injectors placed.
- FIG. 8 shows in the same representation as FIG.
- FIG. 9 shows the percentage mass flow that is supplied to the combustion chamber as cooling air through the fluid supply device.
- FIG. 10 shows the ratio of the cross-sectional areas of the injectors (A2) assigned to the respective pressure loss to the total cross-sectional area (A1 + A2) of the injectors and the fluid supply device.
- Figure 11 shows an embodiment of the invention, which is also particularly suitable for the optimal volume of the damping volume 530 for effective acoustic damping and / or thermoacoustic vibrations depending on the combustion chamber and the to determine the respective operating point.
- the combustion chamber shown here consists of a fluid supply device 510, a pre-chamber 511, a premixing device 514 and a combustion chamber 512, which is separated from the prechamber 511 by a front panel 515 is delimited.
- the fluid delivery device 510 is not here as in the previous ones Representations for cooling the combustion chamber wall adjacent to the combustion chamber arranged. For damping acoustic and / or thermoacoustic vibrations there was also a recirculation opening 520 in the combustion chamber wall arranged.
- the recirculation opening 520 opens into a damping volume 530 Volume of the damping volume 530 can be via a sliding boundary wall to be changed. As a result, the damping power over the frequency range vary.
- the fluid 521 entering the damping volume 530 from the combustion chamber 512 recirculates back into the combustion chamber 512 via the recirculation opening 520.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Dämpfung akustischer und/oder thermoakustischer Schwingungen in Brennkammern, insbesondere in Brennkammern von Gasturbinen.The invention relates to devices and methods for damping acoustic and / or thermoacoustic vibrations in combustion chambers, in particular in combustion chambers of Gas turbines.
Die Auslegung von Brennkammern erfolgt heutzutage vorwiegend unter dem Gesichtspunkt einer möglichst geringen Schadstoffbildung und somit eines möglichst geringen Schadstoffausstoßes im Betrieb der Brennkammer. Als ein wesentlicher Schadstoff entstehen während der Verbrennung Stickoxide, die in Abhängigkeit der atmosphärischen Höhe, in der sie ausgestoßen werden, insbesondere einen Abbau oder eine Zunahme des Ozons verursachen. Stickoxide (NOx) bilden sich bei sehr hohen Temperaturen. Derart hohe Temperaturen treten bei der Verbrennung insbesondere bei einem niedrigen Luftüberschuß und somit einer fetten Verbrennung auf Solche Bedingungen liegen beispielsweise bei ungenügender Zerstäubung und Vergasung eines flüssigen Brennstoffs in unmittelbarer Umgebung von Brennstofftröpfchen vor. Um eine Stickoxid-Bildung zu vermeiden, werden Brennkammern heutzutage zumeist als Vormischbrennkammern ausgelegt. Der in stationären Gasturbinen zumeist gasförmige Brennstoff wird hier vor der eigentlichen Verbrennung zunächst in einer Vormischvorrichtung mit Luft vermischt. Die Vormischvorrichtung besteht oftmals aus einem oder mehreren Brennern, wie sie beispielsweise in der Druckschrift DE 43 04213 A1 ausgeführt sind. Darüber hinaus findet in modernen Brennkammern keine oder nahezu keine Zumischung von Sekundärluft während des Verbrennungsprozesses mehr statt. Die der Verbrennung zugeführte Luft strömt somit vollständig oder nahezu vollständig durch einen oder mehrere Brenner am Eintritt des Brennraums in diesen ein. Hierdurch bildet sich ein möglichst homogenes Brennstoff/Luft-Gemisch im Brennraum. Eine lokale Überfettung des Brennstoff/Luft-Gemischs kann somit weitgehend vermieden werden. Die Stickoxid-Bildung wird infolgedessen deutlich reduziert. The design of combustion chambers is nowadays predominantly from the point of view of the lowest possible pollutant formation and thus the lowest possible pollutant emissions in the operation of the combustion chamber. As a major pollutant, nitrogen oxides are generated during combustion, which, depending on the atmospheric level at which they are emitted, in particular cause a breakdown or an increase in the ozone. Nitrogen oxides (NO x ) are formed at very high temperatures. Such high temperatures occur during combustion, in particular when there is a low excess of air and thus a rich combustion. Such conditions exist, for example, in the case of insufficient atomization and gasification of a liquid fuel in the immediate vicinity of fuel droplets. To avoid nitrogen oxide formation, combustion chambers are now mostly designed as premix combustion chambers. The fuel, which is mostly gaseous in stationary gas turbines, is first mixed with air in a premixing device before the actual combustion. The premixing device often consists of one or more burners, as are described, for example, in the publication DE 43 04213 A1. In addition, in modern combustion chambers there is no or almost no admixture of secondary air during the combustion process. The air supplied to the combustion therefore flows completely or almost completely through one or more burners at the entrance to the combustion chamber. As a result, a fuel / air mixture that is as homogeneous as possible is formed in the combustion chamber. Local over-greasing of the fuel / air mixture can thus be largely avoided. As a result, nitrogen oxide formation is significantly reduced.
Der konstruktive Aufbau einer derartigen sogenannten Low-NOx-Brennkammer unterscheidet
sich von herkömmlichen Brennkammern insbesondere in der Luftführung. Wie bereits oben
erwahnt, wird der Innenströmung des Brennraums keine oder nahezu keine Sekundärluft
stromab des Brennraumeintritts mehr zugemischt. In herkömmlichen Brennkammern wurde
insbesondere zur Kühlung des Wandgehäuses der Brennrauminnenströmung Sekundärluft
über Bohrungen in der Brennraumwand zugeführt. Die in den Brennraum einströmende
Sekundärluft führte darüber hinaus zu einer Stabilisierung der Verbrennungsströmung. Neben
einer aerodynamischen Stabilisierung der Flamme erzeugte die einströmende Sekundärluft
eine starke Schalldämpfung innerhalb der Brennkammer. Wanddruckschwankungen in der
Brennkammer werden durch die eintretende Sekundärluftströmung besonders stark gedämpft,
wenn der Sekundärluftmassenstrom groß und die Eintrittsgeschwindigkeit klein ist. Aufgrund
dieses hohen Schalldruckpegels wies die Brennkammer wiederum eine hohe
Dämpfungseigenschaft in Bezug aufakustische und/oder thermoakustische Schwingungen der
Brennkammer auf, die dissipativ ausgedämpft wurden. Das Fehlen der Zuführung von
Sekundärluft in die Verbrennungsströmung bei modernen Brennkammern führt hingegen zu
einer geringen akustischen Dämpfung der Brennkammern. Akustische und/oder
thermoakustische Schwingungen treten in Brennkammern als Folge unterschiedlicher
Ursachen auf. So führen beispielsweise Ungleichförmigkeiten in der Temperaturverteilung
der Verbrennungsströmung beim Durchgang durch die Turbine aufgrund eines räumlich oder
temporär ungleichförmigen Enthalpieumsatzes zu Ungleichförmigkeiten des Druckes und
somit zu thermoakustischen Schwingungen. Diese Schwingungen lassen sich nicht
grundsätzlich verhindern. Bei zu geringer Dämpfung und in Abhängigkeit des akustischen
Verhaltens der Brennkammer, beispielsweise der Eigenfrequenzen, können diese
Schwingungen jedoch zu unerwünscht hohen Druckamplituden führen. Neben einer hohen
mechanischen Belastung der Brennkammer infolge der Druckwechselamplituden resultiert
hieraus ein Anstieg der Schadstoffemissionen infolge inhomogener Verbrennung sowie im
Extremfall ein Verlöschen der Flamme.
Um derartige akustische und/oder thermoakustische Schwingungen zu dämpfen, wurden
bisher Helmholtz-Resonatoren, wie in der Druckschrift von Keller J. J. und Zauner E. On the
use of Helmholtz resonators as sound attenuators", Z angew Math Phys 46, 1995, S. 297-327
beschrieben, eingesetzt. Diese Helmholtz-Resonatoren sind hierbei zumeist eintrittsseitig mit
dem Brennraum verbunden. Helmholtz-Resonatoren wirken jedoch nur in einem schmalen
Frequenzband um eine Grundfrequenz. Es erfolgt somit keine breitbandige Dämpfung
unterschiedlicher Schwingungsfrequenzen.The design of such a so-called low-NO x combustion chamber differs from conventional combustion chambers, particularly in terms of the air flow. As already mentioned above, the internal flow of the combustion chamber is no longer mixed with almost no secondary air downstream of the combustion chamber inlet. In conventional combustion chambers, secondary air was supplied via bores in the combustion chamber wall, in particular for cooling the wall housing of the internal combustion chamber flow. The secondary air flowing into the combustion chamber also stabilized the combustion flow. In addition to an aerodynamic stabilization of the flame, the inflowing secondary air created a strong sound insulation within the combustion chamber. Fluctuations in the wall pressure in the combustion chamber are particularly strongly dampened by the secondary air flow when the secondary air mass flow is high and the entry speed is low. Because of this high sound pressure level, the combustion chamber in turn had a high damping property with regard to acoustic and / or thermoacoustic vibrations of the combustion chamber, which were dampened dissipatively. The absence of the supply of secondary air into the combustion flow in modern combustion chambers, however, leads to a low acoustic damping of the combustion chambers. Acoustic and / or thermoacoustic vibrations occur in combustion chambers as a result of different causes. For example, non-uniformities in the temperature distribution of the combustion flow when passing through the turbine lead to non-uniformities in the pressure due to a spatially or temporarily non-uniform enthalpy conversion and thus to thermoacoustic vibrations. These vibrations cannot be prevented in principle. If the damping is too low and depending on the acoustic behavior of the combustion chamber, for example the natural frequencies, these vibrations can lead to undesirably high pressure amplitudes. In addition to a high mechanical load on the combustion chamber as a result of the pressure change amplitudes, this also results in an increase in pollutant emissions due to inhomogeneous combustion and, in extreme cases, an extinguishing of the flame.
In order to dampen such acoustic and / or thermoacoustic vibrations, Helmholtz resonators have previously been used, as in the publication by Keller JJ and Zauner E. On the use of Helmholtz resonators as sound attenuators ", Z applied Math Phys 46, 1995, pp. 297-327. These Helmholtz resonators are mostly connected to the combustion chamber on the inlet side. However, Helmholtz resonators only work in a narrow one Frequency band around a fundamental frequency, so there is no broadband damping of different oscillation frequencies.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, akustische und/oder thermoakustische Schwingungen in einer Brennkammer einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, über einen möglichst großen Frequenzbereich effektiv zu dämpfen.The invention is therefore based on the object, acoustic and / or thermoacoustic Vibrations in a combustion chamber of a turbomachine, in particular a gas turbine, to effectively attenuate over the largest possible frequency range.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennkammer zumindest eine Fluidzuführvorrichtung und einen Brennraum umfaßt und ferner der Brennraum zur Dämpfung akustischer und/oder thermoakustischer Schwingungen zumindest eine Rezirkulationsöffnung aufweist. Die Rezirkulationsöffnung erzeugt für akustische und/oder thermoakustische Schwingungen einen lokalen Druckausgleich, so daß es zu einer destruktiven Interferenz von akustischen Wellen und ihren Reflexionen kommt. In Abhängigkeit der Druckverhältnisse vor und hinter der Rezirkulationsöffnung kommt es bei akustischen und/oder thermoakustischen Schwingungen zu einem Ausströmen oder auch einem Einströmen von Fluid durch die Rezirkulationsöffnung. Ein perfekter Druckausgleich würde natürlich erfordern, daß die Strömungsgeschwindigkeit gerade verschwindet. Die Rezirkulationsöffnung mündet zweckmäßig in die Zuströmung des Fluides zu dem Brennraum, somit zweckmäßig in die Fluidzuführvorrichtung. Ferner kann die Rezirkulationsöffnung aber auch in ein weiteres Volumen einmünden. Im Falle des Einmündens in die Fluidzuströmung wird das aus dem Brennraum ausströmende Fluid mit der dem Brennraum zuströmenden Fluidströmung weitertransportiert. Hierdurch kommt es zu einem Wiedereinströmen in den Brennraum und infolgedessen zu einer Rezirkulation des aus dem Brennraum ausströmenden Fluides. Ebenso kann aber auch, bei entsprechenden Druckverhältnissen, Fluid aus der Fluidzuströmung durch die Rezirkulationsöffnung in den Brennraum einströmen. Ohne Einschränkung beider möglicher Strömungsrichtungen durch die Rezirkulationsöffnung wird im Folgenden aber in der Regel jeweils nur das Ausströmen von Fluid aus dem Brermraum betrachtet. Bei einer geeigneten und zu bevorzugenden Auslegung der Brennkammer kommt es zweckmäßig überwiegend zu einem sehr geringen Ausströmen von Fluid durch die Rezirkulationsöffnung aus dem Brennraum. Ebenso wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit vereinfachend somit auch nur die Rezirkulation des Fluides betrachtet. Es wurde gefunden, daß akustische und/oder thermoakustische Schwingungen der Brennkammer infolge des Druckausgleichs in der Umgebung der Rezirkulationsöffnungen nachhaltig gedämpft werden.This object is achieved in that the combustion chamber at least one Fluid supply device and a combustion chamber and further comprises the combustion chamber At least one attenuation of acoustic and / or thermoacoustic vibrations Has recirculation opening. The recirculation opening creates for acoustic and / or thermoacoustic vibrations a local pressure equalization, so that there is a destructive interference comes from acoustic waves and their reflections. In It depends on the pressure conditions in front of and behind the recirculation opening acoustic and / or thermoacoustic vibrations to an outflow or an inflow of fluid through the recirculation opening. A perfect pressure equalization would of course require that the flow rate just disappear. The Recirculation opening usefully opens into the inflow of the fluid to the Combustion chamber, thus expediently in the fluid supply device. Furthermore, the Recirculation opening also open into another volume. In the case of The fluid flowing out of the combustion chamber flows into the fluid inflow with the fluid flow flowing into the combustion chamber is transported further. This is what happens a re-inflow into the combustion chamber and consequently a recirculation of the fluid flowing out of the combustion chamber. But it can also, if appropriate Pressure conditions, fluid from the fluid inflow through the recirculation opening in the Flow into the combustion chamber. Without restricting both possible directions of flow through In the following, however, the recirculation opening is usually only the outflow viewed from fluid in the Brerm space. With a suitable and preferred The design of the combustion chamber expediently results in a very small majority Fluid flows out of the combustion chamber through the recirculation opening. Likewise, without restricting the generality, thus only simplifying the recirculation of the Considered fluids. It has been found that acoustic and / or thermoacoustic Vibrations of the combustion chamber due to the pressure equalization in the vicinity of the Recirculation openings are sustainably dampened.
Zumindest ein Teil der Fluidzuführvorrichtung verläuft vorteilhaft unmittelbar angrenzend an die Außenseite der Brennraumwandung. Gleichzeitig mit der Zuführung eines Fluides, zumeist Luft, zum Brennraum der Brennkammer wird aufgrund dieser Anordnung die Brennraumwandung auf der Außenseite des Brennraums konvektiv gekühlt. Das Fluid in der Fluidzuführvorrichtung strömt in diesem Fall somit in entgegengesetzter Richtung zur Strömung im Brennraum. Die Fluidzuführvorrichtung mündet zweckmäßig in eine Vorkammer und von dieser in den Brennraum. Es ist hierbei angestrebt, daß sich in dieser Vorkammer ein möglichst homogener Strömungszustand des Fluides ausbildet. Der Strömungszustand des Fluides bezieht sich aufden statischen Druck, die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides. Eine Ungleichförmigkeit des Strömungszustandes würde zu einer inhomogenen Zuströmung zu dem Brennraum der Brennkammer und letztlich zu einer Ungleichförmigkeit der in dem Brennraum ablaufenden Verbrennung führen. In einer einfachen Ausführung der Brennkammer kann die Vorkammer aber auch entfallen. Zweckmäßig strömt das Fluid vollständig oder nahezu vollständig eintrittsseitig, bevorzugt über ein eintrittsseitig angeordnetes Frontpanel, dem Brennraum zu. Oftmals ist der Brennraum zylindrisch oder ringkreisförmig ausgeführt, wobei das Frontpanel den Brennraum eintrittsseitig begrenzt. Aufgrund der vollständigen oder nahezu vollständigen Zuführung des Fluides zu dem Brennraum über das Frontpanel steht der in dem Brennraum ablaufenden Verbrennung von Anbeginn an eine für einen schadstoffarmen Verbrennungsprozeß ausreichende Fluidmenge zur Verfügung. Zum Zwecke einer schadstoffarmen Verbrennung ist die Brennkammer zusätzlich vorteilhaft als Vormischbrennkammer mit einer Vormischvorrichtung ausgeführt. In der Vormischvorrichtung findet eine Vorvermischung des zumeist gasförmigen Brennstoffs mit Luft statt. Die bevorzugt als Brenner ausgeführte Vormischvorrichtung ist zweckmäßig vor dem Brennraum angeordnet und mündet bevorzugt in der Ebene des Frontpanels in den Brennraum.At least part of the fluid supply device advantageously runs directly adjacent the outside of the combustion chamber wall. Simultaneously with the supply of a fluid, mostly air, the combustion chamber of the combustion chamber is due to this arrangement The combustion chamber wall is convectively cooled on the outside of the combustion chamber. The fluid in the In this case, the fluid supply device therefore flows in the opposite direction Flow in the combustion chamber. The fluid supply device advantageously opens into a Antechamber and from this into the combustion chamber. The aim here is that this Pre-chamber forms a flow state of the fluid that is as homogeneous as possible. The Flow state of the fluid relates to the static pressure, the temperature and the Flow velocity of the fluid. An irregularity in the flow state would lead to an inhomogeneous inflow to the combustion chamber of the combustion chamber and ultimately lead to non-uniformity of the combustion taking place in the combustion chamber. In a simple design of the combustion chamber, the prechamber can also be omitted. The fluid expediently flows completely or almost completely on the inlet side, preferably to the combustion chamber via a front panel arranged on the inlet side. Often it is The combustion chamber is cylindrical or circular, with the front panel the combustion chamber limited on the entry side. Due to the complete or almost complete supply of the Fluids to the combustion chamber via the front panel are those running in the combustion chamber Combustion from the outset for a low pollutant combustion process sufficient amount of fluid available. For the purpose of low-emission combustion the combustion chamber is also advantageous as a premix combustion chamber with a Premixing device executed. A premixing takes place in the premixing device of the mostly gaseous fuel with air instead. The one that is preferably designed as a burner Premixing device is expediently arranged in front of the combustion chamber and preferably opens out in the level of the front panel in the combustion chamber.
Die Anordnung der Rezirkulationsöffnung erfolgt bevorzugt im vorderen Bereich des
Brennraums an der Brennraumwandung und/oder dem Frontpanel. Die Anordnung der
Rezirkulationsöffnung im vorderen Bereich des Brennraums bewirkt, daß die akustische
Schwingung im Bereich einer Hauptverbrennungszone einen Druckknoten aufweist. Weil
aber die Druckschwingungsamplitude in der Hauptverbrennungszone nahe bei Null gehalten
wird, kann nach dem
In einer vorteilhaften Anordnung ist die Rezirkulationsöffnung mit der Fluidzuführvorrichtung und/oder der Vorkammer verbunden. Tritt infolge einer akustischen und/oder thermoakustischen Schwingung Fluid durch die Rezirkulationsöffnung aus dem Brennraum aus, so mündet dieses Fluid somit in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer. Von dort strömt das aus dem Brennraum ausströmende Fluid wieder in den Brennraum. Das aus dem Brennraum ausgetretene Fluid rezirkuliert infolgedessen.In an advantageous arrangement, the recirculation opening is with the Fluid supply device and / or the pre-chamber connected. Occurs as a result of an acoustic and / or thermoacoustic vibration fluid through the recirculation opening from the Combustion chamber, this fluid thus opens into the fluid supply device and / or Antechamber. From there, the fluid flowing out of the combustion chamber flows back into the Combustion chamber. The fluid exiting the combustion chamber consequently recirculates.
Die Rezirkulationsöffnung ist zweckmäßig als Düse ausgeführt, wobei die Düse vorteilhaft in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer einmündet. Die Düse weist bevorzugt einen konstanten Querschnitt auf, so daß das aus dem Brennraum ausströmende Fluid weder maßgebend beschleunigt noch verzögert wird. Mittels der Düse kann das aus dem Brennraum ausströmende Fluid gezielt der Strömung in der Fluidzuführvorrichtung und/oder der Vorkammer zugeführt werden. Insbesondere die Zuströmrichtung des aus dem Brennraum ausströmenden Fluides als auch der Ort der Einmündung sind somit frei wählbar. Mündet die Rezirkulationsöffnung zunächst in ein Volumen und erst mittelbar über dieses Volumen in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer, so ist im allgemeinen, sofern nicht eigens unterschieden wird, die Einmündung des zwischengeschalteten Volumens in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer ebenso auch als Einmündung der Rezirkulationsöffnung in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer zu betrachten.The recirculation opening is expediently designed as a nozzle, the nozzle advantageously being in the fluid supply device and / or the pre-chamber opens. The nozzle preferably has a constant cross-section so that the fluid flowing out of the combustion chamber is neither significantly accelerated or decelerated. This can be done from the combustion chamber using the nozzle outflowing fluid targeted the flow in the fluid supply device and / or Antechamber to be fed. In particular the direction of flow from the combustion chamber outflowing fluids and the location of the junction are freely selectable. If the recirculation opening first opens into a volume and only indirectly through it Volume in the fluid supply device and / or the prechamber, in general, unless specifically differentiated, the confluence of the intermediate volume in the fluid supply device and / or the antechamber as well as the mouth of the To consider recirculation opening in the fluid supply device and / or the prechamber.
Bevorzugt ist die Rezirkulationsöffnung so ausgelegt, daß der engste Querschnitt der Rezirkulationsöffnung im Vergleich zu dem engsten Querschnitt eines entsprechenden Helmholtz-Resonators deutlich größer ist. Ein entsprechender Helmholtz-Resonator ist durch die akustische Eigenfrequenz der Brennkammer und somit die Auslegungsfrequenz des Helmholtz-Resonators sowie die erforderliche Dämpfungsleistung bestimmt. Besonders bevorzugt weist der engste Querschnitt der Rezirkulationsöffnung eine Querschnittsfläche auf, die etwa der zehnfachen Querschnittsfläche des engsten Querschnitts des entsprechenden Helmholtz-Resonators entspricht. Diese größere Querschnittsfläche der Rezirkulationsöffnung im Vergleich zu einem Helmholtz-Resonator ist vor allem unter dem Aspekt eines möglichst breiten Wirkbereichs in Bezug auf die zu dämpfenden Schwingungsfrequenzen und Schwingungsamplituden vorteilhaft. Im Gegensatz zu einem Helmholtz-Resonator führt der hier vorgeschlagene Schalldämpfer nicht zu einer resonanten Schalldämpfung. Deshalb muß der offene Dämpferquerschnitt bei gleicher Dämpfungsleistung um etwa eine Größenordnung größer sein.The recirculation opening is preferably designed such that the narrowest cross section of the Recirculation opening compared to the narrowest cross section of a corresponding one Helmholtz resonator is significantly larger. A corresponding Helmholtz resonator is through the natural acoustic frequency of the combustion chamber and thus the design frequency of the Helmholtz resonators and the required damping performance determined. Especially the narrowest cross section of the recirculation opening preferably has a cross-sectional area on, which is about ten times the cross-sectional area of the narrowest cross-section of the corresponding Helmholtz resonator corresponds. This larger cross-sectional area of the Recirculation opening compared to a Helmholtz resonator is mainly below that Aspect of the widest possible effective range in relation to those to be damped Vibration frequencies and vibration amplitudes advantageous. In contrast to one Helmholtz resonator, the muffler proposed here does not lead to a resonant Sound absorption. Therefore the open damper cross section must be the same Damping performance can be about an order of magnitude larger.
Die Strömung eines realen Fluides durch die Brennkammer ist grundsätzlich verlustbehaftet. Das in dem Brennraum strömende Fluid weist somit einen geringeren Totaldruck auf als das Fluid in der Fluidzuführvorrichtung oder auch in der Vorkammer. Kommt es aufgrund eines statischen Druckgefälles zu einem Ausströmen von Fluid durch die Rezirkulationsöffnung aus dem Brennraum in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer, so weist das aus dem Brennraum ausströmende Fluid somit einen geringeren Totaldruck auf als das Fluid in der Fluidzuführvorrichtung und/oder der Vorkammer. Dies führt dazu, daß der mittlere Totaldruck in der Fluidzuführvorrichtung und/oder der Vorkammer stromab der Einmündung der Rezirkulationsöffnung im Falle des Ausströmens von Fluid aus dem Brennraum absinkt. Zweckmäßig ist in der Brennkammer zumindest ein Injektor so angeordnet, daß er in einem Bereich stromab der Rezirkulationsöffnung in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer einmündet. Mittels dieses Injektors kann der Strömung zusätzliches Fluid zugeführt werden. Die Aufgabe des Injektors besteht darin, das Totaldruckgefälle der Strömung über dem Brenner, somit das Totaldruckgefälle der Strömung zwischen der Einmündung der Rezirkulationsöffnung in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer und der korrespondierenden Ebene im Brennraum, wenigstens zu kompensieren. Darüber hinaus wird das mittels des Injektors zusätzlich zugeführte Fluid vorteilhaft mit einer der umgebenden Fluidströmung angepaßten Strömungsrichtung in die Strömung eingebracht. Zweckmäßig ist der Injektor als Düse mit einem sich verjüngenden Querschnitt ausgeführt. Als Folge des zusätzlich zugeführten Fluids erhöht sich der mittlere Totaldruck des Fluids in der Fluidzuführvorrichtung und/oder der Vorkammer insbesondere stromab der Einmündung des Injektors. Damit stellt sich im Saugzweig des Injektors ein stabiler Druckanstieg ein, der gerade das Druckgefälle über den Brenner kompensiert. The flow of real fluid through the combustion chamber is fundamentally lossy. The fluid flowing in the combustion chamber thus has a lower total pressure than that Fluid in the fluid supply device or in the prechamber. Is it due to a static pressure drop for fluid to flow out through the recirculation opening the combustion chamber into the fluid supply device and / or the pre-chamber, this indicates fluid flowing out of the combustion chamber thus has a lower total pressure than the fluid in the fluid supply device and / or the prechamber. This causes the middle one Total pressure in the fluid supply device and / or the antechamber downstream of the junction the recirculation opening in the event of fluid flowing out of the combustion chamber. Appropriately, at least one injector is arranged in the combustion chamber so that it is in a Area downstream of the recirculation opening into the fluid supply device and / or the Antechamber opens. By means of this injector, the flow can receive additional fluid be fed. The injector's job is to adjust the total pressure drop Flow over the burner, thus the total pressure gradient of the flow between the Junction of the recirculation opening in the fluid supply device and / or Antechamber and the corresponding level in the combustion chamber, at least to compensate. In addition, the fluid additionally supplied by means of the injector is advantageously supplied with a the flow direction adapted to the surrounding fluid flow is introduced into the flow. The injector is expediently designed as a nozzle with a tapering cross section. As a result of the additionally supplied fluid, the mean total pressure of the fluid in increases the fluid supply device and / or the antechamber, in particular downstream of the junction of the injector. This results in a stable pressure rise in the suction branch of the injector just compensated for the pressure drop across the burner.
Besonders zweckmäßig wird sowohl die Fluidzuführvorrichtung als auch der Injektor aus ein und demselben Fluidreservoir gespeist. Bevorzugt sind hierzu die jeweils freien Enden der Fluidzuführvorrichtung und des Injektors mit diesem Fluidreservoir verbunden.Both the fluid supply device and the injector are particularly expedient and fed the same fluid reservoir. For this purpose, the respective free ends of the Fluid supply device and the injector connected to this fluid reservoir.
Weiterhin weist die Brennkammer vorteilhaft ein möglichst großes Dämpfungsvolumen auf.
Das Dämpfungsvolumen kann hierbei beispielsweise als Dämpfungskammer ausgeführt sein.
Das Dämpfungsvolumen ist so angeordnet, daß zumindest ein Teil des durch die
Rezirkulationsöffnung aus dem Brennraum ausströmenden Fluides in das Dämpfungsvolumen
einströmt. Ferner ist das Dämpfungsvolumen zweckmäßig mit der Fluidzuführvorrichtung
und/oder der Vorkammer verbunden. Das Dämpfungsvolumen weist im Vergleich zur
Primärzone der Brennkammer bevorzugt ein näherungsweise gleich großes oder größeres
Volumen auf Die Primärzone ist hierbei der Bereich des Brennraums, in dem die
Primärverbrennung stattfindet. Es wurde gefunden, daß die Kombination einer
Rezirkulationsöffnung mit einem Dämpfungsvolumen in Form eines Puffervolumens
insbesondere bei einem kompressiblen Fluid zu einer besonders effektiven
Schwingungsdämpfung führt.
Das Dämpfüngsvolumen, insbesondere die Zuströmung und Abströmung zum
Dämpfungsvolumen, ist bevorzugt so ausgelegt, daß das Fluid in dem Dämpfungsvolumen im
Vergleich zu dem Fluid in dem Brennraum bei Grundlast einen ausgeglichenen statischen
Druck und bei Vollast einen geringfügig niedrigeren statischen Druck aufweist. Bei Grundlast
resultiert hieraus keine oder eine nur sehr geringe Strömung durch die
Rezirkulationsöffnungen in das Dämpfungsvolumen. Bei Vollast führt der geringfügige
Überdruck in dem Brennraum zu einem kontinuierlichen Ausfluß von Fluid aus dem
Brennraum durch die Rezirkulationsöffnung. Mittels einer derartigen Auslegung ist
sichergestellt, daß bei Vollast kein Fluid durch die Rezirkulationsöffnung in den Brennraum
einströmt. Ein Einströmen von Fluid durch die Rezirkulationsöffnung in den Brennraum
würde eine höhere Schadstoffemission der Brennkammer zur Folge haben. Ist kein
Dämpfungsvolumen angeordnet, so ist es zweckmäßig, den Bereich der Einmündung der
Rezirkulationsöffnung in die Fluidzuführvorrichtung und/oder die Vorkammer so auszulegen,
daß das Fluid im Bereich der Einmündung im Vergleich zu dem Fluid in dem Brennraum bei
Grundlast einen ausgeglichenen statischen Druck und bei Vollast einen geringfügig
niedrigeren statischen Druck aufweist. Furthermore, the combustion chamber advantageously has the largest possible damping volume. The damping volume can be designed, for example, as a damping chamber. The damping volume is arranged such that at least part of the fluid flowing out of the combustion chamber through the recirculation opening flows into the damping volume. Furthermore, the damping volume is expediently connected to the fluid supply device and / or the prechamber. The damping volume preferably has an approximately equal or greater volume than the primary zone of the combustion chamber. The primary zone is the area of the combustion chamber in which the primary combustion takes place. It has been found that the combination of a recirculation opening with a damping volume in the form of a buffer volume leads to particularly effective vibration damping, in particular in the case of a compressible fluid.
The damping volume, in particular the inflow and outflow to the damping volume, is preferably designed such that the fluid in the damping volume has a balanced static pressure in comparison with the fluid in the combustion chamber at base load and a slightly lower static pressure at full load. With base load, this results in no or only a very small flow through the recirculation openings into the damping volume. At full load, the slight excess pressure in the combustion chamber leads to a continuous outflow of fluid from the combustion chamber through the recirculation opening. Such a design ensures that no fluid flows through the recirculation opening into the combustion chamber at full load. An inflow of fluid through the recirculation opening into the combustion chamber would result in a higher pollutant emission from the combustion chamber. If no damping volume is arranged, it is expedient to design the area of the opening of the recirculation opening in the fluid supply device and / or the prechamber such that the fluid in the area of the opening compared to the fluid in the combustion chamber has a balanced static pressure and at base load Full load has a slightly lower static pressure.
Ferner strömt zweckmäßig zusätzlich kälteres Fluid, beispielsweise aus der
Fluidzuführvorrichtung und/oder der Vorkammer, in das Dämpfungsvolumen. Hierdurch
werden zu hohe Temperaturen in dem Dämpfungsvolumen vermieden.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführung ist das Dämpfungsvolumen in der
Volumengröße veränderbar. Hiermit läßt sich die Dämpfungscharakteristik des
Dämpfungsvolumens in einfacher Weise verändern und optimieren.Furthermore, colder fluid expediently flows, for example from the fluid supply device and / or the antechamber, into the damping volume. This avoids excessive temperatures in the damping volume.
In a particularly expedient version, the volume of the damping volume can be changed. This allows the damping characteristics of the damping volume to be changed and optimized in a simple manner.
Vorteilhaft ist die Fluidzuführvorrichtung im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsöffnung als Venturi-Düse ausgeführt. Der engste Querschnitt der Venturi-Düse ist bevorzugt im unmittelbaren Bereich der Einmündung der Rezirkulationsöffnung angeordnet. Im Falle der Anordnung eines Dämpfungsvolumens ist die Venturi-Düse vorteilhaft im Bereich der Einmündung des Dämpfungsvolumens in die Fluidzuführvorrichtung angeordnet und der engste Querschnitt der Venturi-Düse liegt bevorzugt im unmittelbaren Bereich der Einmündung des Dämpfungsvolumens in die Fluidzuführvorrichtung. Mit Hilfe der Anordnung einer Venturi-Düse kann insbesondere der Anteil des Fluidmassenstroms durch die Fluidzuführvorrichtung im Verhältnis zu dem Fluidmassenstrom durch den Injektor erhöht werden. Diese Verminderung des Fluidmasssenstroms durch den Injektor wird in einfacher Weise zweckmäßig durch eine Verringerung des Strömungsquerschnitts des Injektors erzielt. Als Folge der Anordnung der Venturi-Düse tritt im Bereich des engsten Querschnitts der Venturi-Düse ein deutlich verminderter statischer Druck der Fluidströmung in der Fluidzuführvorrichtung auf. Bei der bevorzugten Anordnung des engsten Querschnitts der Venturi-Düse im unmittelbaren Bereich der Einmündung der Rezirkulationsöffnung oder des Dämpfungsvolumens in die Fluidzuführvorrichtung ist der sich Her einstellende statische Druck näherungsweise auch gleich dem statischen Druck im Brennraum. Da gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides im Brennraum deutlich niedriger ist, resultiert Heraus folglich ein deutlich niedrigerer Totaldruck des Fluides im Brennraum als in der Fluidzuführvorrichtung und/oder der Vorkammer. Infolge dieses Totaldruckgefälles der Strömung über die Brennkammer ist somit auch ohne oder mit nur geringfügig über einen Injektor zusätzlich zugeführtem Fluid weitestgehend eine stabile und gerichtete Strömung des Fluides in der Brennkammer sichergestellt. Desweiteren stellt sich infolge der Anordnung der Venturi-Düse ein erhöhter Druckverlust der Brennkammer ein. The fluid supply device in the region of the junction of the Recirculation opening designed as a Venturi nozzle. The narrowest cross section of the Venturi nozzle is preferred in the immediate area of the mouth of the recirculation opening arranged. In the case of a damping volume arrangement, the venturi nozzle is advantageous in the area of the confluence of the damping volume Fluid supply device arranged and the narrowest cross section of the Venturi nozzle is preferably in the immediate area of the confluence of the damping volume in the Fluid supply device. With the help of the arrangement of a Venturi nozzle, the Proportion of the fluid mass flow through the fluid supply device in relation to the Fluid mass flow through the injector can be increased. This reduction in Fluid mass flow through the injector is expediently carried out in a simple manner Reduction of the flow cross section of the injector achieved. As a result of the arrangement of the Venturi nozzle occurs clearly in the area of the narrowest cross section of the Venturi nozzle reduced static pressure of the fluid flow in the fluid supply device. In the preferred arrangement of the narrowest cross section of the Venturi nozzle in the immediate area the confluence of the recirculation opening or the damping volume in the Fluid supply device is approximately also the static pressure produced equal to the static pressure in the combustion chamber. Because at the same time the flow rate of the fluid in the combustion chamber is significantly lower, consequently, a result will result in a clearly lower total pressure of the fluid in the combustion chamber than in the fluid supply device and / or the antechamber. As a result of this total pressure gradient the flow across the combustion chamber is thus also without or with only slightly additional fluid supplied via an injector largely stable and directed flow of the fluid in the combustion chamber ensured. Furthermore, due to the arrangement of the venturi nozzle, there is an increased Pressure drop in the combustion chamber.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Schnitt durch eine Breunkammer mit einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Rezirkulationsöffnung und eines Injektor
- Fig. 2
- einen Schnitt durch eine Brennkammer mit einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Rezirkulationsöffnung, eines Injektors und eines Dämpfungsvolumens
- Fig. 3
- für eine Brennkammer mit Rezirkulationsöffnung und einem optimierten Injektor graphisch aufgetragen den Druckverlust in der Fluidzuführvorrichtung und im Brennraum jeweils in Abhängigkeit des Druckverlustes der Brennkammer
- Fig. 4
- für die
Brennkammer nach Figur 3 in graphischer Auftragung den prozentualen, durch die Fluidzuführvorrichtung der Brennkammer zugeführten Fluidmassendurchsatz in Abhängigkeit des Druckverlustes der Brennkammer - Fig. 5
- für die
Brennkammer nach Figur 3 graphisch aufgetragen die relative Querschnittsfläche des optimierten Injektors in Abhängigkeit des Druckverlustes der Brennkammer - Fig. 6
- einen Schnitt durch eine Brennkammer mit einer Rezirkulationsöffnung, einem Dämpfungsvolumen und einem Injektor, wobei die Fluidzuführvorrichtung im Bereich der Einmündung des Dämpfungsvolumens als Venturi-Düse ausgeführt ist.
- Fig. 7
- einen Schnitt durch eine weitere Brennkammer mit einer in dem Frontpanel angeordneten Rezirkulationsöffnung, einem Dämpfungsvolumen und einem Injektor, wobei die Fluidzuführvorrichtung im Bereich der Einmündung des Dämpfungsvolumens als Venturi-Düse ausgeführt ist.
- Fig. 8
- in einer graphischen Auftragung den Druckverlust in der Fluidzuführvorrichtung und im Brennraum jeweils in Abhängigkeit des Druckverlustes der Brennkammer für eine Brennkammer mit einer Rezirkulationsöffnung, einem optimierten Injektor und einer als Venturi-Düse ausgeführten Fluidzuführvorrichtung
- Fig. 9
- für die
Brennkammer nach Figur 8 graphisch dargestellt den prozentualen, durch die Fluidzuführvorrichtung der Brennkammer zugeführten Fluidmassendurchsatz in Abhängigkeit des Druckverlustes der Brennkammer - Fig. 10
- für die
Brennkammer nach Figur 8 graphisch dargestellt die relative Querschnittsfläche des optimierten Injektors in Abhängigkeit des Druckverlustes der Brennkammer
- Fig. 1
- a section through a brown chamber with an inventive arrangement of a recirculation opening and an injector
- Fig. 2
- a section through a combustion chamber with an inventive arrangement of a recirculation opening, an injector and a damping volume
- Fig. 3
- For a combustion chamber with a recirculation opening and an optimized injector, the pressure loss in the fluid supply device and in the combustion chamber are graphically plotted as a function of the pressure loss in the combustion chamber
- Fig. 4
- for the combustion chamber according to FIG. 3, in graphical form, the percentage fluid mass flow rate supplied by the fluid supply device to the combustion chamber as a function of the pressure loss in the combustion chamber
- Fig. 5
- for the combustion chamber according to FIG. 3, the relative cross-sectional area of the optimized injector is plotted as a function of the pressure loss of the combustion chamber
- Fig. 6
- a section through a combustion chamber with a recirculation opening, a damping volume and an injector, the fluid supply device in the region of the mouth of the damping volume being designed as a venturi nozzle.
- Fig. 7
- a section through a further combustion chamber with a recirculation opening arranged in the front panel, a damping volume and an injector, the fluid supply device being designed as a venturi nozzle in the region of the mouth of the damping volume.
- Fig. 8
- in a graphic plot the pressure loss in the fluid supply device and in the combustion chamber depending on the pressure loss of the combustion chamber for a combustion chamber with a recirculation opening, an optimized injector and a fluid supply device designed as a venturi nozzle
- Fig. 9
- For the combustion chamber according to FIG. 8, the percentage fluid mass flow rate supplied by the fluid supply device to the combustion chamber is shown graphically as a function of the pressure loss in the combustion chamber
- Fig. 10
- for the combustion chamber according to FIG. 8, the relative cross-sectional area of the optimized injector is shown graphically as a function of the pressure loss of the combustion chamber
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt durch eine
Brennkammer dargestellt. Die Brennkammer besteht aus einer Fluidzuführvorrichtung 110,
einer Vorkammer 111 und einem Brennraum 112. Ferner ist die dargestellte Brennkammer als
Vormischbrennkammer mit einer Vormischvorrichtung 114 ausgeführt. Die
Vormischvorrichtung 114 ist frontseitig an dem Frontpanel 115 des Brennraums 112
angeordnet. Die dargestellte Brennkammer kann sowohl als Rohrbrennkammer mit einem
zylindrischen Querschnitt oder auch als Ringbrennkammer mit einem um die Maschinenachse
konzentrischen Lochkreisquerschnitt ausgeführt sein. In modernen Turbomaschinen, die
zumeist sehr kompakt aufgebaut sind, wird häufig die letztere Ausführungsform bevorzugt.
Ohne Einschränkung der Anwendung der Erfindung in Bezug auf den Einsatz in einer
bevorzugten Brennkammerbauart wird im Folgenden davon ausgegangen, daß die in den
Figuren dargestellten Brennkammern als Ringbrennkammern ausgeführt sind. In den
Darstellungen ist somit entsprechend jeweils nur der Ausschnitt oberhalb der Maschinenachse
wiedergegeben.
Die Zuführung des Fluides 100 zum Brennraum 112 erfolgt mit Hilfe der
Fluidzuführvorrichtung 110. Die Fluidzuführvorrichtung 110 kann aus einzelnen
Rohrleitungen bestehen, die entweder in die Vorkammer 111 oder direkt in den Brennraum
112 einmünden. Insbesondere bei Ringbrennkammern ist aber eine Ausführung der
Fluidzuführvorrichtung 110 in Form eines oder mehrerer ringkreisförmiger Strömungskanäle
zu bevorzugen. Hierdurch wird eine über den Umfang der Brennkammer möglichst
gleichmäßige Zuströmung zum Brennraum sichergestellt. Die in Figur 1 dargestellte
Fluidzuführvorrichtung 110 besteht aus zwei Strömungskanälen, die konzentrisch auf der
Oberseite (gehäuseseitig) und der Unterseite (nabenseitig) der Brennkammer, unmittelbar an
die Außenwand des Brennraums 112 angrenzend, angeordnet sind. Neben einer Zuführung
des Fluides wird somit gleichzeitig eine Kühlung der Wandung des Brennraums 112 infolge
des Wärmeübergangs von der Brennraumwandung auf das Fluid erzielt. Das Fluid
durchströmt die Fluidzuführvorrichtung 110 in der Darstellung von rechts nach links und
somit in Gegenstromrichtung zur eigentlichen Durchströmung des Brennraums 112. Der
Darstellung entsprechend strömt das Fluid aus der Fluidzuführvorrichtung 110 in die
Vorkammer 111. Einerseits wird das Fluid in der Vorkammer 111 in die entgegengesetzte
Strömungsrichtung umgelenkt. Andererseits werden in der Vorkammer 111
Druckunterschiede zwischen der Oberseite und der Unterseite der Fluidzuführvorrichtung 110
ausgeglichen. Hieraus resultiert eine möglichst gleichmäßige Zuströmung zum Brennraum
112. In der Vorkammer 111 ist darüber hinaus die in Form mehrerer, am Umfang verteilter
Brenner ausgeführte Vormischvorrichtung 114 angeordnet. Die Vormischvorrichtung 114
dient der Vorvermischung des zumeist gasförmigen Brennstoffs mit einem Anteil des
zugeführten Fluides 100, zumeist Luft. Infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeit in der
Vormischvorrichtung 114 tritt hier noch keine Verbrennung auf. Ziel der
Vormischvorrichtung 114 ist es ein gleichmäßiges Brennstoff-Fluid-Gemisch zu erzeugen.
Aus der Vorkammer 111 strömt das Fluid durch das Frontpanel 115 des Brennraums in den
Brennraum 112. In dem Brennraum 112 findet die Verbrennung 101 des Brennstoff-Fluid-Gemisches
statt. Im Gegensatz zu früheren Brennkammern wird dem Brennraum 112 kein
Fluid mehr über zusätzliche Öffnungen in der nabenseitigen und der gehäuseseitigen
Wandung 113 des Brennraums zugeführt. Dieses zusätzlich zugeführte Fluid diente früher
hauptsächlich zur Kühlung der Brennraumwandung. Die in Figur 1 dargestellte nabenseitige
und gehäuseseitige Brennraumwandung 113 ist hingegen geschlossen. Es wird kein Fluid
mehr längs des Brennraumes 112 der Brennrauminnenströmung zugemischt. Hieraus
resultiert eine verminderte Erzeugung von Stickoxiden bei der Verbrennung. Nachteilig wirkt
sich jedoch die ebenso verminderte Dämpfungseigenschaft der Brennkammer auf akustische
oder thermoakustische Schwingungen der Fluidströmung in der Brennkammer aus. Derartige
Schwingungen entstehen als Folge vielerlei Ursachen in Brennkammern, die zum Teil oben
beschrieben wurden. Eine Anfachung oder Dämpfung findet nur in Abhängigkeit des
akustischen Verhaltens der Brennkammer statt. Dies führt in vielen Fällen zu übermäßigen
Druckamplituden der Schwingung. Als nachteilige Folgen ergeben sich insbesondere eine
Erhöhung der Schadstoffemission durch eine ungleichmäßige Verbrennung und eine erhöhte
mechanische Belastung der Bauteile aufgrund der entstehenden Druckwechselamplituden. Im
schlimmsten Fall kann es sogar zu einem Erlöschen der Flamme oder sogar zu einem
Flammenrückschlag kommen.
Hier setzt die Erfindung an. In dem in Figur 1 dargestellten Ausschnitt der Brennkammer
wurde erfindungsgemäß sowohl an der gehäuseseitigen als auch an der nabenseitigen
Wandung des Brennraums 112 im vorderen Bereich des Brennraums je eine
Rezirkulationsöffnung 120, 120' angeordnet. Die Rezirkulationsöffnungen 120, 120' sind hier
als Düsen mit jeweils konstantem Querschnitt ausgeführt und münden in die
Fluidzuführvorrichtung 110. Die Düsen sind vorteilhaft so gebogen, daß die Einmündung des
aus dem Brennraum 112 austretenden Fluids 121 in die Fluidzuführvorrichtung 110 angepaßt
zur Strömung des Fluides 100 in der Fluidzuführvorrichtung 110 erfolgt. Grundsätzlich kann
die Erfindung auch über die Anordnung nur einer Rezirkulationsöffnung ausgeführt werden.
Um eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung im Brennraum 112 der Brennkammer zu
erhalten, ist jedoch eine möglichst symmetrische und gleichmäßige Verteilung der
Rezirkulationsöffnungen 120, 120' vorteilhaft. In Figur 1 nicht dargestellt ist die Verteilung
der Rezirkulationsöffnungen am Umfang der Brennkammer. Vorzugsweise sind am Umfang
der Ringbrennkammer an mehreren Positionen, zweckmäßig jeweils in gleichen Abständen
zueinander Rezirkulationsöffnungen angeordnet. Die konstruktive Ausgestaltung der
Rezirkulationsöffnungen 120, 120' und der Fluidzuführvorrichtung 110 an den Stellen der
Einmündungen der Rezirkulationsöffnungen 120, 120' erfolgt unter dem Aspekt, daß das
Fluid im Bereich der Einmündungen der Rezirkulationsöffnungen 120, 120' im Vergleich zu
dem Fluid im Brennraum 112 bei Grundlast einen ausgeglichenen statischen Druck und bei
Vollast einen geringfügig niedrigeren statischen Druck aufweist. Somit ist sichergestellt, daß
im regulären Betrieb der Brennkammer zwischen Grundlast und Vollast kein oder ein nur
sehr geringer Fluidmassenstrom durch die Rezirkulationsöffnungen 120, 120' in den
Brennraum 112 einströmt. Zumeist strömt Fluid in geringfügigem Umfang aus dem
Brennraum 112 aus. Als Auslegungsparameter können hierzu insbesondere die
Strömungsgeschwindigkeiten in den Einmündungsbereichen der Rezirkulationsöffnungen
120, 120' durch die konstruktive Gestaltung der Strömungsquerschnitte der
Fluidzuführvorrichtung 110 in diesen Bereichen frei gewählt werden.
Im Falle akustischer und/oder thermoakustischer Schwingungen des Fluides im Brennraum
112 findet über die Rezirkulationsöffnungen 120, 120' ein Druckausgleich zwischen der
Fluidströmung im Brennraum 112 und der Fluidströmung in der Fluidzuführvorrichtung 110
und somit auch in der Vorkammer 111 statt. Aus dem Brennraum 112 in die
Fluidzuführvorrichtung 110 austretendes Fluid 121 wird durch die Vorkammer 111 wieder
dem Brennraum 112 zugeführt und rezirkuliert infolgedessen. Aufgrund dissipativer Verluste
des rezirkulierenden Fluides 121 wird die Schwingung gedämpft. Der erzwungene
Druckausgleich in der Primärzone der Brennkammer führt dort zu destruktiver Interferenz der
Schallwellen und deshalb zu kleinen Druckschwingungsamplituden im Bereich der
Hauptverbrennungszone. Bei ausreichend großer Dimensionierung der Strömungsquerschnitte
der Rezirkulationsöffnungen 120, 120' und einem ausreichenden Druckabfall im
Rezirkulationsbereich werden somit Schwingungen über den gesamten Frequenzbereich
gedämpft oder sogar vollständig ausgedämpft.
Infolge der Viskosität des Fluides treten bei der Durchströmung der Brennkammer
reibungsbedingte Totaldruckverluste des Fluides auf. Dies bedeutet, daß das im Brennraum
112 befindliche Fluid einen geringeren Totaldruck aufweist als das Fluid in der
Fluidzuführvorrichtung 110 oder der Vorkammer 111. Die Ausbildung einer Strömung durch
die Rezirkulationsöffnungen 120, 120' hingegen ist jedoch von dem statischen Druck in
Brennraum 112 sowie im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsöffnung 120, 120' in
die Fluidzuführvorrichtung 110 abhängig. Somit ist es möglich, daß trotz des niedrigeren
Totaldrucks Fluid aus dem Brennraum 112 in die Strömung in der Fluidzuführvorrichtung
110 ausströmt und somit rezirkuliert. Aufgrund des niedrigeren Totaldrucks ist dies jedoch
nur in einem beschränkten Umfang möglich. Um der Fluidströmung in der Brennkammer
auch im Falle der Rezirkulation eines Teils des Fluides in der gesamten Brennkammer ein
eindeutiges Druckgefälle aufzuprägen, sind in der in Figur 1 dargestellten Ausführung der
Erfindung zusätzlich zu den Rezirkulationsöffnungen 120, 120' erfindungsgemäß zwei
Injektoren 125, 125' angeordnet. Diese Injektoren 125, 125' sind so angeordnet, daß sie in
einem Bereich stromab der Rezirkulationsöffnungen 120, 120' in die Fluidzuführvorrichtung
110 einmünden. Die Injektoren 125, 125' sind hier als Düsen mit einem sich jeweils
verjüngenden Strömungsquerschnitt ausgeführt. In der in Figur 1 dargestellten Ausführung
der Erfindung sind zwei Injektoren 125, 125' angeordnet. Im Rahmen der Erfindung ist es
gleichermaßen möglich, nur einen einzelnen Injektor anzuordnen. Um eine möglichst
gleichmäßige Druck- und somit Strömungsverteilung sowohl am Umfang der Brennkammer
als auch in radialer Erstreckung zu erzielen, ist jedoch zumeist eine Mehrstellenanordnung zu
bevorzugen. In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel der Erfindung sind aus diesem Grund
zwei Injektoren 125, 125' an der nabenseitigen und an der gehäuseseitigen Außenwand
angeordnet. Darüber hinaus ist eine Mehrstelleneinblasung am Umfang der Brennkammer
von Vorteil. Mit Hilfe dieser Injektoren 125, 125' wird der Brennkammer zusätzliches Fluid
126 zugeführt. Das zugeführte Fluid 126 weist hierbei zweckmäßig einen höheren Totaldruck
auf als das Fluid 121, das aus dem Brennraum 112 rezirkuliert. Vorzugsweise werden die
Injektoren 125, 125' aus dem gleichen Fluidreservoir gespeist wie die Fluidzuführvorrichtung
110. Die Speisung der Injektoren 125, 125' ist in Figur 1 nicht dargestellt. In einer
Turbomaschine ist eine derartige Speisung aus einem Reservoir in einfacher Weise mittels
eines Bypass-Kanals realisierbar. Dieser Bypass-Kanal zweigt am Austritt des der
Brennkammer vorangehenden Verdichters ab. Während ein Teil des aus dem Verdichter
kommenden Fluides mit einem relativ großen Totaldruckverlust durch die
Fluidzuführvorrichtung 110 strömt, wird der übrige Teil des aus dem Verdichter kommenden
Fluides über den Bypass-Kanal der Brennkammer zugeführt. Das mittels der Injektoren 125,
125' der Brennkammerströmung zugeführte Fluid 126 führt zu einer Zunahme des mittleren
Totaldrucks der Strömung stromab der Einblasung und somit zu einem ausreichenden
Druckgefälle über den oder die Brenner. Infolgedessen wird der stabile Betriebsbereich der
Brennkammer in der Ausführung mit der erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung
durch die Anordnung der Injektoren 125, 125' erweitert. Die Effektivität der Injektoren 125,
125' ist hierbei stark von dem Dichteverhältnis des eingeblasenen Fluides zu dem
umgebenden Fluid abhängig. Weist das umgebende Fluid, somit also das aus den
Rezirkulationsöffnungen 120, 120' ausgetretene Fluid vermischt mit dem in der
Fluidzuführvorrichtung 110 zugeführten Fluid, eine hohe Temperatur und somit geringe
Dichte des Fluides auf, so sinkt die Effektivität der Injektoren. Dies führt dazu, daß die
Rezirkulationsöffnungen 120, 120' in Kombination mit der Einblasung über die Injektoren
125, 125' einen eigenstabilen Regelkreis darstellen.In Figure 1, an embodiment of the invention is shown in a longitudinal section through a combustion chamber. The combustion chamber consists of a
The fluid 100 is supplied to the
This is where the invention comes in. In the section of the combustion chamber shown in FIG. 1, according to the invention, a
In the case of acoustic and / or thermoacoustic vibrations of the fluid in the
As a result of the viscosity of the fluid, total pressure loss of the fluid due to friction occurs when it flows through the combustion chamber. This means that the fluid in the
In Figur 2 ist eine zweite Ausführung der Erfindung in einem Schnitt durch eine weitere
Brennkammer wiedergegeben. Die hier dargestellte Brennkammer ist ähnlich der in Figur 1
abgebildeten Brennkammer aufgebaut. Diese Ähnlichkeit im Aufbau der Brennkammern
entsprechend den Figuren 1 und 2 schränkt hierbei den allgemeinen Anwendungsbereich der
Erfindung im Zusammenhang mit anderen Brennkammerbauarten nicht ein. Im Wesentlichen
besteht die Brennkammer aus einer Fluidzuführvorrichtung 210, einer Vorkammer 211, einer
Vormischvorrichtung 214 und einem Brennraum 212 mit einem den Brennraum
begrenzenden Frontpanel. Die Funktionsweise entspricht hierbei der Funktionsweise der in
Figur 1 dargestellten Brennkammer. Erfindungsgemäß weist die in Figur 2 dargestellte
Brennkammer Rezirkulationsöffnungen 220, 220' auf. Diese Rezirkulationsöffnungen 220,
220' sind stirnseitig an dem Frontpanel, vorzugsweise am Umfang verteilt, angeordnet. Die
Rezirkulationsöffnungen 220, 220' sind hier in Form von Düsen ausgeführt, wobei die Düsen
einen 90°-Winkel aufweisen und in die Fluidzuführvorrichtung 210 einmünden. Stromauf der
Einmündung der Rezirkulationsöffnungen 220, 220' in die Fluidzuführvorrichtung 210 sind
ferner erfindungsgemäß zwei Injektoren 225, 225' angeordnet. Mittels dieser Injektoren 225,
225' wird höher verdichtetes Fluid in die Fluidzuführvorrichtung 210 und somit auch in die
Vorkammer 211 eingeblasen. Hierdurch ist die Ausbildung eines eindeutigen Druckgefälles
über die Brenner hinweg sichergestellt. Darüber hinaus weist die in Figur 2 dargestellte
Brennkammer erfindungsgemäß nabenseitig und gehäuseseitig angeordnete
Dämpfungsvolumina 230, 230' auf. Die Dämpfungsvolumina 230, 230', die sich vorteilhaft
jeweils über den gesamten Umfang der Brennkammer erstrecken, sind hier auf den
Außenseiten der Brennkammer so angeordnet, daß das aus den Rezirkulationsöffnungen 220,
220' austretende Fluid zumindest teilweise in die Dämpfungsvolumina 230, 230' einströmt.
Die Dämpfungsvolumina 230, 230' sind hierzu jeweils mittels einer Öffnung mit der
Fluidzuführvorrichtung 210 verbunden. In Abhängigkeit der Druckverhältnisse kann somit
Fluid aus der Fluidzuführvorrichtung 210 in die Dämpfungsvolumina 230, 230' und in
umgekehrter Richtung ein- und ausströmen. Grundsätzlich wird sich in den
Dämpfungsvolumina 230, 230' ein näherungsweise gleicher statischer Druck einstellen wie in
der Fluidzuführvorrichtung 210. Die konstruktive Auslegung der Fluidzuführvorrichtung 210
ist darüber hinaus vorteilhaft so gewählt, daß sich bei Grundlast ein ausgeglichener statischer
Druck und bei Vollast ein geringfügig niedrigerer statischer Druck in den
Dämpfungsvolumina 230, 230' im Vergleich zu dem Fluid im Brennraum 212 einstellt. Die
Dämpfungsvolumina 230, 230' sind jeweils näherungsweise mit einem gleich großen
Volumen ausgeführt wie die Primärzone der Brennkammer.
Als Folge akustischer und/oder thermoakustischer Schwingungen aus dem Brennraum 212
ausströmendes Fluid strömt zumindest teilweise in die Dämpfungsvolumina 230, 230' ein.
Infolge der großen Volumina der Dämpfungsvolumina 230, 230' werden die
Druckschwankungen hier deutlich gedämpft. Eine Druckwelle, die in ein Dämpfungsvolumen
230 oder 230' eintritt, wird hierbei größtenteils ausgedämpft und somit nicht weitergeleitet
oder reflektiert. Bei einer ausreichenden Dimensionierung sowohl der Strömungsquerschnitte
der Rezirkulationsöffnungen 220, 220' als auch der Dämpfungsvolumina 230, 230' werden
akustische Schwingungen über den gesamten Frequenzbereich ausgedämpft.
Gleichzeitig mit dem aus dem Brennraum in die Dämpfungsvolumina 230, 230'
einströmenden Fluid strömt in der dargestellten Ausführung der Erfindung auch Fluid aus der
Fluidzuführvorrichtung 210 in die Dämpfungsvolumina 230, 230' ein. Dieser Anteil an
kühlerem Fluid sorgt für eine niedrigere mittlere Temperatur des Fluides in den
Dämpfungsvolumina 230, 230' im Vergleich zu der Temperatur des Fluides im Brennraum
212. Das Fluid in den Dämpfungsvolumina 230, 230' wird über die Öffnung wiederum
sukzessive in die Strömung in der Fluidzuführvorrichtung 210 abgegeben.FIG. 2 shows a second embodiment of the invention in a section through a further combustion chamber. The combustion chamber shown here is constructed similarly to the combustion chamber shown in FIG. 1. This similarity in the design of the combustion chambers according to FIGS. 1 and 2 does not limit the general scope of the invention in connection with other types of combustion chamber. The combustion chamber essentially consists of a
Fluid flowing out of the
Simultaneously with the fluid flowing into the damping
Die Ergebnisse einer rechnerischen Simulation einer Figur 2 entsprechenden Brennkammer
sind in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellt. Als Eingangsparameter der Simulation wurde bei
Verwendung von Luft als Fluid ein Totaldruck von 16 bar am Ende der
Fluidzuführvorrichtung, eine Fluiddichte von 7,7 kg/m3 am Ende der Fluidzuführvorrichtung,
eine Dichte der über die Injektoren eingeblasenen Luft von 8,3 kg/m3 und ein
Diffusorwirkungsgrad von 0,7 zugrunde gelegt. Als Diffusor gilt hierbei die Kanalaufweitung
der Fluidzuführvorrichtung vor der Vorkammer. Die in den Figuren dargestellten Ergebnisse
gelten hierbei für optimierte Querschnitte der Rezirkulationsöffnungen und der Injektoren. In
Figur 3 ist der Druckverlust der zur Kühlung der Brennraumwandung angeordneten
Fluidzuführvorrichtung und des Brennraums über dem Druckverlust der gesamten
Brennkammer dargestellt. Zu berücksichtigen ist hierbei, daß gemäß den Vorgaben das über
die Injektoren zugeführte Fluid gerade den Druckverlust der Brenner ausgleicht. Dieser
Druckverlust der Brenner als der Druckverlust zwischen der Vorkammer und den
Rezirkulationsöffnungen bleibt über den gesamten Abszissenbereich unveränderlich.
Demgegenüber steigt der Druckverlust der Fluidzuführvorrichtung kontinuierlich an und
bestimmt gleichzeitig den Druckverlust über die gesamte Brennkammer.
In Figur 4 ist der dazugehörige prozentuale Fluidmassenstrom, der über die
Fluidzuführvorrichtung der Brennkammer zugeführt wird, über dem Druckverlust der
Brennkammer aufgetragen. Im Bereich niedrigen Druckverlustes der Brennkammer ist auch
der prozentuale Fluidmassenstrom sehr niedrig. Da eine ausreichende Kühlung der
Brennraumwandung einen gewissen Fluidmassendurchsatz durch die Fluidzuführvorrichtung
erforderlich macht, kann die Brennkammer hier somit erst in einem Bereich höheren
Druckverlustes der Brennkammer betrieben werden.
Figur 5 gibt das Verhältnis der dem jeweiligen Druckverlust der Brennkammer zugeordneten
Querschnittsfläche der Injektoren (A2) zu der Gesamtquerschnittsfläche (A1+A2) der
Injektoren und der Fluidzuführvorrichtung an. Die Querschnittsfläche der Injektoren sinkt
somit mit einem zunehmenden Druckverlust der Brennkammer.The results of a computational simulation of a combustion chamber corresponding to FIG. 2 are shown in FIGS. 3, 4 and 5. When using air as the fluid, a total pressure of 16 bar at the end of the fluid supply device, a fluid density of 7.7 kg / m 3 at the end of the fluid supply device, and a density of the air blown in via the injectors of 8.3 kg / were used as input parameters for the simulation. m 3 and a diffuser efficiency of 0.7 are used. The channel widening of the fluid supply device in front of the prechamber is considered to be the diffuser. The results shown in the figures apply to optimized cross sections of the recirculation openings and the injectors. FIG. 3 shows the pressure loss of the fluid supply device arranged for cooling the combustion chamber wall and the combustion chamber above the pressure loss of the entire combustion chamber. It should be taken into account here that, according to the specifications, the fluid supplied via the injectors compensates for the pressure loss of the burners. This pressure loss of the burner as the pressure loss between the prechamber and the recirculation openings remains unchangeable over the entire abscissa area. In contrast, the pressure loss of the fluid supply device increases continuously and at the same time determines the pressure loss across the entire combustion chamber.
In Figure 4, the associated percentage fluid mass flow, which is supplied to the combustion chamber via the fluid supply device, is plotted against the pressure loss of the combustion chamber. In the area of low pressure loss in the combustion chamber, the percentage fluid mass flow is also very low. Since sufficient cooling of the combustion chamber wall requires a certain fluid mass throughput by the fluid supply device, the combustion chamber can thus only be operated in a region of higher pressure loss in the combustion chamber.
FIG. 5 shows the ratio of the cross-sectional area of the injectors (A2) assigned to the respective pressure loss of the combustion chamber to the total cross-sectional area (A1 + A2) of the injectors and the fluid supply device. The cross-sectional area of the injectors thus decreases with an increasing pressure loss in the combustion chamber.
Der in Figur 4 dargestellte, geringe Fluidmassenstrom, der durch die Fluidzuführvorrichtung
dem Brennraum zugeführt wird, ist in einigen Fällen, insbesondere bei Verwendung zur
Kühlung der Brennraumwandung, nicht ausreichend. In solchen Fällen kann zur Erhöhung
des Fluidmassenstroms die Erfindung vorteilhaft mit einem weiteren Merkmal ausgeführt
werden. In der in Figur 6 dargestellten Brennkammer muß ein geringerer Massenstrom über
die Injektoren 325, 325' zugeführt werden. Dies führt zu einem größeren Fluidmassenstrom
durch die Fluidzuführvorrichtung 310 im Vergleich zu den Ausführungen der Erfindung
entsprechend den Figuren 1 und 2. Die dargestellte Brennkammer ist wiederum als
Vormischbrennkammer mit einer Fluidzuführvorrichtung 310, einer Vorkammer 311, einer
Vormischvorrichtung 314 und einem Brennraum 312 mit frontseitig abschließendem
Frontpanel ausgeführt. Ferner weist die Brennkammer erfindungsgemäß zwei im vorderen
Teil des Brennraums angeordnete Rezirkulationsöffnungen 320, 320' auf. Die
Rezirkulationsöffnungen 320, 320' sind hier so ausgeführt, daß zumindest ein Teil des aus
dem Brennraum austretenden Fluides in je ein Dämpfungsvolumen 330, 330' einströmt und
von dort in die Fluidzuführvorrichtung 310 weitergeleitet wird. Weiterhin sind stromauf der
Rezirkulationsöffnungen 320, 320' Injektoren 325, 325' in der Fluidzuführvorrichtung 310
angeordnet, durch die der Strömung zusätzliches und höher verdichtetes Fluid zugeführt wird.
Zur Erhöhung des Fluidmassenstroms durch die Fluidzuführvorrichtung 310 ist die
Fluidzuführvorrichtung 310 im Bereich der Einmündung 335 der Dämpfungsvolumina 330,
330', bzw. der Rezirkulationsöffnungen 320, 320', jeweils als Venturi-Düse 340, 340'
ausgeführt. Die engsten Querschnitte der Venturi-Düsen 340, 340' sind hier jeweils im
Bereich der Einmündungen 335 der Dämpfungsvolumina 330, 330' in die
Fluidzuführvorrichtung 310, geringfügig stromab der Einmündungen 335, angeordnet. Die
Bereiche der Fluidzuführvorrichtung 310 stromab der engsten Querschnitte der Venturi-Düsen
340, 340' sind als Diffusoren der Venturi-Düsen mit einem sich jeweils erweiternden
Querschnitt ausgeformt. Infolge der Anordnung der Venturi-Düsen 340, 340' kommt es zu
einer Absenkung des statischen Druckes in der Fluidzuführvorrichtung 310 in dem
Einmündungsbereich 335 der Dämpfungsvolumina 330, 330'. Infolgedessen stellt sich, eine
sinnvolle Auslegung der Strömungsquerschnitte vorausgesetzt, in dem Dämpfungsvolumen
330, 330' und somit auch im Brennraum 312 der näherungsweise gleiche statische Druck wie
in den engsten Querschnitten der Venturi-Düsen 340, 340' ein. Der infolge der
Querschnittserweiterung und der damit einhergehenden Geschwindigkeitsverminderung der
Strömung stromab der engsten Querschnitte der Venturi-Düsen 340, 340' sich einstellende
statische Druck in der Vorkammer ist ausreichend, um ein stabiles und eindeutiges
Druckgefälle über die Brenner sicherzustellen. Der Fluidmassenstrom, der über die Injektoren
325, 325' der Brennkammer zugeführt wird, kann somit über kleinere Strömungsquerschnitte
der Injektoren verringert werden. Entsprechend wird hierdurch der Massenstrom, der der
Brennkammer durch die Fluidzuführvorrichtung 310 zugeführt wird und zur Kühlung der
Brennraumwandung beiträgt, erhöht.The low fluid mass flow shown in FIG. 4 through the fluid supply device
is supplied to the combustion chamber in some cases, especially when used for
Cooling of the combustion chamber wall, not sufficient. In such cases, the increase
of the fluid mass flow, the invention is advantageously carried out with a further feature
become. In the combustion chamber shown in Figure 6, a lower mass flow must
the
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung. Die dargestellte Brennkammer besteht
aus einer Fluidzuführvorrichtung 410, einer Vorkammer 411, einer Vormischvorrichtung 414
und einem Brennraum 412, der frontseitig mittels eines Frontpanel abgeschlossen wird. Die
erfindungsgemäß ausgeführten Rezirkulationsöffnungen 420, 420' sind an dem Frontpanel
angeordnet. Zumindest ein Teil des aus dem Brennraum 412 austretenden Fluides 421 strömt
in die Dämpfungsvolumina 430, 430', die stirnseitig an den Brennraum 412 angrenzend
angeordnet sind und sich räumlich in die Vorkammer 411 hinein erstrecken. Die
Strömungskanäle zwischen den Dämpfungsvolumina 430, 430' und der
Brennkammeraußenwand, die als Teil der Fluidzuführvorrichtung 410 zu betrachten sind,
sind hier zweckmäßig als Venturi-Düsen ausgeformt. Die engsten Querschnitte 441, 441' der
Venturi-Düsen liegen jeweils geringfügig stromab der Einmündungen 435, 435' der
Dämpfungsvolumina 430, 430', beziehungsweise der Rezirkulationsöffnungen 420, 420', in
die Fluidzuführvorrichtung 410. Die sich jeweils nach dem engsten Querschnitten 441, 441'
der Venturi-Düsen anschließenden Diffusoren 442, 442' der Venturi-Düsen sind jeweils
zweiteilig ausgeführt. Ein erster Teil der Diffusoren liegt im Bereich zwischen dem engsten
Querschnitt 441, 441' der Venturi-Düsen und den Injektoren 425, 425'. Der zweite Teil der
Diffusoren 442, 442' ist jeweils stromab der Injektoren 425, 425' angeordnet. Die Wirkweise
der in Figur 7 dargestellten Ausführung der Erfindung ist äquivalent zu der Wirkweise der in
Figur 6 dargestellten Ausführung der Erfindung. Unterschiede der beiden Ausführungen der
Erfindung ergeben sich insbesondere in den Bauformen und somit den
Brennkammerabmessungen.Figure 7 shows a further embodiment of the invention. The combustion chamber shown is there
from a
Die Ergebnisse einer rechnerischen Simulation einer der Figur 7 entsprechenden Ausführung der Erfindung sind in den Figuren 8, 9, und 10 dargestellt. Als Eingangsparameter der Simulation wurde bei Verwendung von Luft als Fluid ein Totaldruck von 16 bar am Ende der Fluidzuführvorrichtung, eine Fluiddichte von 8 kg/m3 am Ende der Fluidzuführvorrichtung, eine Dichte der über die Injektoren eingablasenen Luft von 8,3 kg/m3, einen Diffusorwirkungsgrad des ersten Teils des Diffusors von 0,8 und des zweiten Teils des Diffusors von 0,5, eine Strömungsgeschwindigkeit in den Venturi-Düsen von 87 m/s und eine Erhöhung des Totaldruckes um 3 Promille infolge der Einblasung mittels der Injektoren zugrunde gelegt. Figur 8 zeigt in gleicher Darstellung wie Figur 3 die Aufteilung der Druckverluste innerhalb der Fluidzuführvorrichtung sowie dem Brennraum über dem Druckverlust der gesamten Brennkammer. In Figur 9 ist der prozentuale Massenstromanteil dargestellt, der der Brennkammer als Kühlluft durch die Fluidzuführvorrichtung zugeführt wird. Im Vergleich zu Figur 4 läßt sich eine deutliche Erhöhung des Anteils des über die Fluidzuführvorrichtung dem Brennraum zugeführten Fluidmassenstroms erkennen. In Figur 10 ist in Korrespondenz zu Figur 5 das Verhältnis der dem jeweiligen Druckverlust zugeordneten Querschnittsflächen der Injektoren (A2) zu der Gesamtquerschnittsfläche (A1+A2) der Injektoren und der Fluidzuführvorrichtung aufgetragen.The results of a computational simulation of an embodiment of the invention corresponding to FIG. 7 are shown in FIGS. 8, 9 and 10. When using air as the fluid, a total pressure of 16 bar at the end of the fluid supply device, a fluid density of 8 kg / m 3 at the end of the fluid supply device, and a density of the air blown in via the injectors of 8.3 kg / m 3 were used as input parameters for the simulation , a diffuser efficiency of the first part of the diffuser of 0.8 and the second part of the diffuser of 0.5, a flow velocity in the venturi nozzles of 87 m / s and an increase in total pressure of 3 per thousand as a result of the injection by means of the injectors placed. FIG. 8 shows in the same representation as FIG. 3 the distribution of the pressure losses within the fluid supply device and the combustion chamber over the pressure loss of the entire combustion chamber. FIG. 9 shows the percentage mass flow that is supplied to the combustion chamber as cooling air through the fluid supply device. In comparison to FIG. 4, a significant increase in the proportion of the fluid mass flow supplied to the combustion chamber via the fluid supply device can be seen. Corresponding to FIG. 5, FIG. 10 shows the ratio of the cross-sectional areas of the injectors (A2) assigned to the respective pressure loss to the total cross-sectional area (A1 + A2) of the injectors and the fluid supply device.
Figur 11 zeigt eine Ausführung der Erfindung, die insbesondere auch geeignet ist, um das
optimale Volumen des Dämpfungsvolumens 530 zur effektiven Dämpfung akustischer
und/oder thermoakustischer Schwingungen in Abhängigkeit der Brennkammer und des
jeweiligen Betriebspunktes zu bestimmen. Die hier dargestellte Brennkammer besteht aus
einer Fluidzuführvorrichtung 510, einer Vorkammer 511, einer Vormischvorrichtung 514 und
einem Brennraum 512, der stirnseitig durch ein Frontpanel 515 von der Vorkammer 511
abgegrenzt ist. Die Fluidzuführvorrichtung 510 ist hier nicht, wie in den vorhergehenden
Darstellungen, zur Kühlung der Brennraumwandung angrenzend an den Brennraum
angeordnet. Zur Dämpfung von akustischen und/oder thermoakustischen Schwingungen
wurde hier zusätzlich eine Rezirkulationsöffnung 520 in der Brennkammerwandung
angeordnet. Die Rezirkulationsöffnung 520 mündet in ein Dämpfungsvolumen 530. Das
Volumen des Dämpfungsvolumens 530 kann über eine verschiebbare Begrenzungswand
verändert werden. Hierdurch läßt sich die Dämpfungsleistung über den Frequenzbereich
variieren. Das aus dem Brennraum 512 in das Dämpfungsvolumen 530 eintretende Fluid 521
rezirkuliert über die Rezirkulationsöffnung 520 wieder zurück in den Brennraum 512. Figure 11 shows an embodiment of the invention, which is also particularly suitable for the
optimal volume of the damping
- 100,200,300,400,500100,200,300,400,500
- Strömungsrichtung des FluidesFlow direction of the fluid
- 101,201,301101,201,301
- Verbrennungcombustion
- 110,210,310,410,510110,210,310,410,510
- FluidzuführvorrichtungFluid supply device
- 111,211,311,411,511111,211,311,411,511
- VorkammerAntechamber
- 112,212,312,412,512112,212,312,412,512
- BrennraumCombustion chamber
- 113113
- Wandung des BrennraumsWall of the combustion chamber
- 114,214,314,414,514114,214,314,414,514
- VormischvorrichtungPremixing device
- 115,515115.515
- FrontpanelFront panel
- 120,120',220,220',320,120.120 ', 220.220', 320,
- 420,420',520420,420 ', 520
- RezirkulationsöffnungRecirculation opening
- 121,421,521121,421,521
- rezirkulierendes Fluidrecirculating fluid
- 125,125',225,225',125.125 ', 225.225',
- 325,325',425,425'325.325 ', 425.425'
- InjektorInjector
- 126126
- mittels Injektor zugeführtes Fluidfluid supplied by injector
- 230,230',330,330',230.230 ', 330.330',
- 430,530430,530
- DämpfungsvolumenDamping volume
- 335,435,435'335,435,435 '
- EinmündungConfluence
- 340,340'340.340 '
- Venturi-DüseVenturi nozzle
- 441,441'441,441 '
- engster Querschnitt der Venturi-Düsenarrowest cross section of the Venturi nozzle
- 442,442'442,442 '
- Diffusor der Venturi-DüseVenturi nozzle diffuser
Claims (24)
dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennraum (212) zur Dämpfung akustischer und/oder thermoakustischer Schwingungen zumindest eine Rezirkulationsöffnung (220) aufweist.Combustion chamber of a turbomachine, in particular a gas turbine, comprising a fluid supply device (210) and a combustion chamber (212),
characterized in that
the combustion chamber (212) has at least one recirculation opening (220) for damping acoustic and / or thermoacoustic vibrations.
bei der der Brennraum (112) auf der einen Seite von einem Frontpanel (115) begrenzt wird, wobei das Fluid vollständig oder nahen vollständig dem Brennraum über das Frontpanel (115) zugeführt wird.Combustion chamber according to claim 1,
in which the combustion chamber (112) is delimited on one side by a front panel (115), the fluid being supplied completely or almost completely to the combustion chamber via the front panel (115).
bei der die Brennkammer zusätzlich eine Vorkammer (211) umfaßt, die zwischen der Fluidzuführvorrichtung (210) und dem Brennraum (212) angeordnet ist.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
wherein the combustion chamber additionally comprises a prechamber (211) which is arranged between the fluid supply device (210) and the combustion chamber (212).
bei der die Brennkammer als Vormischbrennkammer ausgeführt ist und eine Vormischvorrichtung (214) aufweist.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which the combustion chamber is designed as a premixing combustion chamber and has a premixing device (214).
bei der zumindest ein Teil der Fluidzuführvorrichtung (110) zur Kühlung der Brennraumwandung (113) in Gegenstromanordnung zur Brennraumdurchströmung unmittelbar an die Brennraumwandung angrenzend angeordnet ist.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which at least part of the fluid supply device (110) for cooling the combustion chamber wall (113) is arranged in a counterflow arrangement for flow through the combustion chamber directly adjacent to the combustion chamber wall.
bei der die Rezirkulationsöffnung (220) mit der Fluidzuführvorrichtung (210) und/oder der Vorkammer (211) verbunden ist.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which the recirculation opening (220) is connected to the fluid supply device (210) and / or the prechamber (211).
bei der die Rezirkulationsöffnung (220) als Düse ausgeführt ist, wobei die Düse bevorzugt einen konstanten Querschnitt aufweist. Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which the recirculation opening (220) is designed as a nozzle, the nozzle preferably having a constant cross section.
bei der die Rezirkulationsöffnung (220) im vorderen Bereich des Brennraums (212) angeordnet ist.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which the recirculation opening (220) is arranged in the front region of the combustion chamber (212).
bei der der engste Querschnitt der Rezirkulationsöffnung (220) im Vergleich zu dem engsten Querschnitt eines entsprechenden Helmholtz-Resonators deutlich größer ausgeführt ist und bevorzugt wnigstens der zehnfachen Querschnittsfläche des engsten Querschnitts des Helmholtz-Resonators gleicher Schälldämpfungsleistung entspricht.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which the narrowest cross-section of the recirculation opening (220) is designed to be significantly larger than the narrowest cross-section of a corresponding Helmholtz resonator and preferably corresponds to at least ten times the cross-sectional area of the narrowest cross-section of the Helmholtz resonator with the same sound attenuation performance.
bei der das Fluid (200) im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsöffnung (220) im Vergleich zu dem Fluid in dem Brennraum (212) bei Grundlast einen ausgeglichenen statischen Druck und bei Vollast einen geringfügig niedrigeren statischen Druck aufweist.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which the fluid (200) in the region of the mouth of the recirculation opening (220) has a balanced static pressure in comparison with the fluid in the combustion chamber (212) at base load and a slightly lower static pressure at full load.
bei der ein Injektor (225) so angeordnet ist, daß er in einem Bereich stromab der Rezirkulationsöffnung (220) in die Fluidzuführvorrichtung (210) und/oder die Vorkammer (211) einmündet.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which an injector (225) is arranged in such a way that it opens into the fluid supply device (210) and / or the prechamber (211) in a region downstream of the recirculation opening (220).
bei der der Injektor (225) als Düse ausgebildet ist.Combustion chamber according to claim 11,
in which the injector (225) is designed as a nozzle.
bei der sowohl die Fluidzuführvorrichtung (210) als auch der Injektor (225) an ihren freien Enden mit demselben Fluidreservoir verbunden sind.Combustion chamber according to claim 11 or 12,
in which both the fluid supply device (210) and the injector (225) are connected at their free ends to the same fluid reservoir.
bei der weiterhin ein Dämpfungsvolumen (230) angeordnet ist,
wobei das Dämpfungsvolumen (230) so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil des durch die Rezirkulationsöffnung (220) aus dem Brennraum ausströmenden Fluides in das Dämpfungsvolumen (230) einströmt.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which a damping volume (230) is also arranged,
wherein the damping volume (230) is arranged such that at least a portion of the fluid flowing out of the combustion chamber through the recirculation opening (220) flows into the damping volume (230).
bei der das Dämpfungsvolumen (230) in die Fluidzuführvorrichtung (210) und/oder die Vorkammer (211) einmündet.Combustion chamber according to claim 14,
at which the damping volume (230) opens into the fluid supply device (210) and / or the prechamber (211).
bei der das Dämpfungsvolumen (230) ein näherungsweise gleich großes Volumen aufweist wie die Primärzone der Brennkammer.Combustion chamber according to one of claims 14 or 15,
in which the damping volume (230) has an approximately the same volume as the primary zone of the combustion chamber.
bei der das Volumen des Dämpfungsvolumens (530) veränderbar ist.Combustion chamber according to one of claims 14 to 16,
in which the volume of the damping volume (530) can be changed.
bei der die Fluidzuführvorrichtung (410) im Bereich der Einmündung (435) der Rezirkulationsöffnung (420) als Venturi-Düse ausgeführt ist, wobei der engste Querschnitt (441) der Venturi-Düse bevorzugt im unmittelbaren Bereich der Einmündung (435) der Rezirkulationsöffnung (420) angeordnet ist.Combustion chamber according to one of the preceding claims,
in which the fluid supply device (410) in the area of the mouth (435) of the recirculation opening (420) is designed as a venturi nozzle, the narrowest cross-section (441) of the venturi nozzle preferably in the immediate area of the mouth (435) of the recirculation opening (420 ) is arranged.
bei der die Fluidzuführvorrichtung (310) im Bereich der Einmündung (335) des Dämpfungsvolumens (330) als Venturi-Düse (340) ausgeführt ist, wobei der engste Querschnitt der Venturi-Düse (340) bevorzugt im unmittelbaren Bereich der Einmündung (335) des Dämpfungsvolumens (330) angeordnet ist.Combustion chamber according to one of claims 14 to 17,
in which the fluid supply device (310) in the region of the mouth (335) of the damping volume (330) is designed as a Venturi nozzle (340), the narrowest cross section of the Venturi nozzle (340) preferably in the immediate region of the mouth (335) of the Damping volume (330) is arranged.
wobei die Brennkammer zumindest eine Fluidzuführvorrichtung (210) und einen Brennraum (212) umfaßt,
bei dem die akustischen und/oder thermoakustischen Schwingungen durch Rezirkulation eines Teils des durch die Brennkammer strömenden Fluides (200) gedämpft werden.Method for damping acoustic and / or thermoacoustic vibrations of the flow of a fluid in a combustion chamber of a turbomachine,
the combustion chamber comprising at least one fluid supply device (210) and a combustion chamber (212),
in which the acoustic and / or thermoacoustic vibrations are dampened by recirculation of part of the fluid (200) flowing through the combustion chamber.
bei dem zumindest ein Teil des aus dem Brennraum (212) durch eine Rezirkulationsöffnung (220) ausströmenden Fluids zunächst in ein Dämpfungsvolumen (230) und anschließend in die Fluidzuführvorrichtung (210) und/oder die Vorkammer (211) der Brennkammer geführt wird.A method according to claim 20,
in which at least part of the fluid flowing out of the combustion chamber (212) through a recirculation opening (220) is first led into a damping volume (230) and then into the fluid supply device (210) and / or the prechamber (211) of the combustion chamber.
bei dem der Strömung (200) zur Erzeugung eines eindeutigen Druckgefälles über die Brenner mittels eines Injektors (225), der stromab der Rezirkulationsöffnung (220) in die Fluidzuführvorrichtung (210) und/oder die Vorkammer (211) einmündet, Fluid zugeführt wird.Method according to one of claims 20 or 21,
in which fluid is supplied to the flow (200) to generate a clear pressure drop across the burners by means of an injector (225) which opens into the fluid supply device (210) and / or the prechamber (211) downstream of the recirculation opening (220).
bei dem mittels einer Venturi-Düse (340), die im Bereich der Einmündung (335) der Rezirkulationsöffnung und/oder der Einmündung des Dämpfungsvolumens in der Fluidzuführvorrichtung (310) angeordnet ist, ein eindeutiges Druckgefälle über die Brenner erzeugt wird.Method according to one of claims 20 to 22,
in which a clear pressure drop across the burners is generated by means of a venturi nozzle (340) which is arranged in the region of the opening (335) of the recirculation opening and / or the opening of the damping volume in the fluid supply device (310).
bei dem über die Anordnung der Venturi-Düse (340) der Druckverlust der Brennkammer erhöht wird.The method of claim 23
in which the pressure loss of the combustion chamber is increased via the arrangement of the venturi nozzle (340).
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