EP1213538A2 - Abgassystem mit Helmholtz-Resonator - Google Patents

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EP1213538A2
EP1213538A2 EP01811076A EP01811076A EP1213538A2 EP 1213538 A2 EP1213538 A2 EP 1213538A2 EP 01811076 A EP01811076 A EP 01811076A EP 01811076 A EP01811076 A EP 01811076A EP 1213538 A2 EP1213538 A2 EP 1213538A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust system
helmholtz resonator
helmholtz
chimney
exhaust
Prior art date
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Granted
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EP01811076A
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English (en)
French (fr)
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EP1213538A3 (de
EP1213538B1 (de
Inventor
Günter Kudernatsch
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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Publication date
Application filed by ABB Turbo Systems AG filed Critical ABB Turbo Systems AG
Publication of EP1213538A2 publication Critical patent/EP1213538A2/de
Publication of EP1213538A3 publication Critical patent/EP1213538A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J13/00—Fittings for chimneys or flues 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/30—Exhaust heads, chambers, or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2900/00—Special arrangements for conducting or purifying combustion fumes; Treatment of fumes or ashes
    • F23J2900/13003—Means for reducing the noise in smoke conducing ducts or systems

Definitions

  • the invention relates to an exhaust system for industrial gas turbines with an exhaust pipe and an adjoining fireplace, according to the preamble of the claim 1.
  • the object of the invention is therefore to create an exhaust system of the type mentioned at the outset, in which low-frequency noise emissions are efficiently reduced without sacrificing performance the system is significantly impaired and it is also simple and economical to install and Watung is.
  • an exhaust pipe and an adjoining one form Chimney together a continuous flow channel.
  • a Helmholtz resonator is arranged acoustically coupled on the flow channel.
  • the Helmholtz resonator is precisely tuned to the low frequency that is to be damped. It takes up less space than an absorption silencer.
  • the assembly a Helmholtz resonator is very simple and its durability at high flow speeds much higher in relation to absorption silencers. Also is The use of Helmholtz resonators does not reduce the performance of the system. The For these reasons, the exhaust system can be assembled and serviced more easily and the whole Plant operated more economically.
  • the Helmholtz resonator with its inlet opening is in the region of a pressure maximum an acoustic mode arranged in the exhaust system, so its efficiency is greatest
  • the Helmholtz resonator in the transition area between the exhaust duct and fireplace is very advantageous for the Helmholtz resonator in the transition area between the exhaust duct and fireplace to arrange, since there are usually hardly any space problems. Especially It is favorable to have the Helmholtz resonator on the exhaust duct in the direction of flow Providing the rear wall of the fireplace, as this is a particularly simple assembly allowed.
  • the dimensions of the exhaust duct and the Chimneys are chosen so that a pressure maximum of acoustic mode in the transition areas occurs between the flue and the chimney. In this way, the Helmholtz resonator, as described above, can be installed very easily and is also extremely efficient.
  • the Helmholtz resonator has a neck that is in its length and / or its The cross section is adjustable so the Helmholtz resonator can better adapt to the absorption Frequencies can be set.
  • the Helmholtz resonator has an adjustable one Volume on. This also provides an easy way to adapt to absorbing frequencies.
  • the adjustable volume can be realized very easily, by making the height of the side walls adjustable by means of a sliding floor.
  • the temperature of the Helmholtz resonator is adjustable, it can be switched on particularly easily the frequency to be absorbed is adjusted.
  • the adjustability of the Temperature for example, by attaching heating elements to the outer walls of the Helmholtz resonator.
  • Another inexpensive way is to make the Helmholtz resonator flowable, so that either for temperature regulation hot exhaust gases branched off from the exhaust system and around the outer walls of the Helmholtz resonators are routed or cold air flows around them.
  • the Helmholtz resonator is acoustically transparent is shielded from the flow in the flow channel. This allows a better one Sound absorption of the Helmholtz resonator.
  • a first hole cover is part of a flow channel boundary Wall. This first cover covers the flow channel Flow-resistant fabric and side facing away from the hole cover a layer of damping material on this follows on the side facing away from the flow channel Side of a second hole cover.
  • the absorption silencer is on the side of side walls includes. Such an absorption silencer is adjacent to a flow channel good resilience with high flow velocities.
  • Helmholtz resonators in the exhaust system. These can then be arranged at different locations in the exhaust system, e.g. each where maxima of sound modes occur. You can also tune to different, low frequencies be coordinated and thus to an even more effective reduction of the low-frequency Contribute to noise. You can do this at different locations in the exhaust system or also be arranged close together. In order to ensure good sound absorption the Helmholtz resonators must be separated from one another in a gastight manner.
  • FIG. 1 shows the sketch of an exhaust system 10 for a gas turbine system (not shown) with an exhaust duct 12 and a chimney 14.
  • Form the exhaust duct 12 and chimney 14 together a flow channel 16.
  • the direction of flow of the exhaust gas 18 in the flow channel 16 is indicated by arrows S.
  • exhaust duct 12 In a transition area 20 between Exhaust duct 12 and chimney 14 is exhaust duct 12 through a rear wall 22 of chimney 14 limited in its flow direction S.
  • a Helmholtz resonator 24 is arranged in the transition area 20 in the transition area 20 there is 22 on the rear wall of the chimney 14 .
  • the Helmholtz resonator 24 is through a hole cover 26 which forms part of the rear wall 22 of the chimney 14, and through an arrangement arranged behind the perforated cover 26 as seen from the flow channel 16, acoustically transparent fabric 28 shielded from the flow in the flow channel 16.
  • the exhaust duct 12 and the chimney 14 are dimensioned such that a pressure maximum of one Sound mode in the transition area 20 or in the entry area 30 of the Helmholtz resonator 24 lies.
  • the Helmholtz resonator 24 is thermally insulated from the outside, so that during the Operation assumes an approximately constant temperature, in addition to the Helmholtz resonator 24 are in the exhaust system 10 in a known manner absorption mufflers 32 arranged to absorb sound in the high and medium frequencies.
  • the Helmholtz resonator 24 As indicated by dashed lines in Fig. 1, it is possible for the Helmholtz resonator 24 also at other locations of the exhaust system 10 or also several Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 ", ... to be arranged at different locations of the exhaust system 10. To ensure a good one The Helmholtz resonators should achieve efficiency in sound absorption 24, 24 ', 24 ", ... can be arranged in the exhaust system 10 where a pressure maximum is a sound mode.
  • an exhaust system 10 is shown in different views, in the transition area 20 between the exhaust duct 12 and the chimney 14 on the rear wall 22 of the chimney 14 three Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 "are arranged side by side.
  • the dimensions of the exhaust duct 12 and the chimney 14 are in turn such that that the pressure maximum of a sound mode in the transition area 20 or in the entry area 30 of the Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 "lies.
  • the three Helmholtz resonators 24, 24', 24" are formed in a cylindrical hollow body 34. Is against the flow channel 16 the hollow cylinder 34 is shielded by an upstream absorption silencer 36.
  • a space 44 Spaced from this absorption muffler 36 is an intermediate wall in the hollow cylinder 34 38 arranged together with the absorption muffler 36 a space 44 includes.
  • the Hollow cylinder 34 sealed gas-tight to the outside by a base 40.
  • the whole Hollow cylinder 34 and the bottom 40 are thermally insulated from the outside, so that the During operation, hollow cylinder 34 assumes approximately the temperature that is in flow channel 16 prevails.
  • the absorption silencer 36 has essentially the usual structure: against the Flow channel 16 is the absorption muffler 36 through a hole cover 26, the forms part of the rear wall 22 of the chimney 14.
  • the hole cover 26 is backed with a flow-resistant and wear-resistant fabric 28, but acoustically is transparent, such as a metal mesh.
  • a layer of damping material 46 that is adapted to the one to be absorbed Frequency range can be constructed in one or more layers.
  • the material and the thickness of the Damping material 46 are determined depending on the requirement.
  • a further hole cover 48 is arranged in the space 44.
  • the coat of the Hollow cylinder 34 also forms the side walls for the absorption silencer 36.
  • the cavity of the hollow cylinder remaining between the intermediate wall 38 and the base 40 34 is divided into three sectors by means of walls 42, which contain the volumes 25, 25 ', 25 "of the three Helmholtz resonators 24, 24 ', 24" form.
  • the walls 42 close the Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 "gas-tight against one another.
  • Each Helmholtz resonator 24, 24 ', 24 " is through a tubular neck 47 which is guided through the intermediate wall 38, acoustically with that between the upstream absorption silencer 36 and the intermediate wall 38 lying space 44 connected. Low-frequency sound from the absorption silencer 36 is not absorbed, is in the space 44 and further in the three Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 ".
  • Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 " can be changed as required. So one can Helmholtz resonator 24, two, three, four or more resonators 24, 24 ', 24 ", ... side by side be arranged.
  • the shape can also vary as desired. There can be several Cylinders can be arranged side by side instead of the cylinder sectors or any other Polygon shapes. In addition, one or several Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 ", ... can be arranged side by side.
  • the three Helmholtz resonators 24, 24 ', 24 " are included With the help of necks 47 which are adjustable in length and / or in cross section, and with the help of a adjustable volume 25, 25 ', 25 "set to slightly different, low frequencies, which preferably also depends on the frequency which is damped in the intermediate space 44, differ. In this way, the low-frequency noise can be reduced with high efficiency become.
  • FIG. 4 The principle of an adaptable Helmholtz resonator 24a is shown in section in FIG. 4.
  • the neck 47a has two tubes 50, 52 inserted into one another. It any other cross-sectional shapes can also be selected.
  • the outer tube 50 with the larger diameter is firmly anchored in the intermediate wall 30. For example, it can be welded to the intermediate wall 30.
  • the outer tube 50 has on it Inside, in its two end areas each lying on circular disks, radially projections 54 extending inwards. There is a seal between the projections 54 56 arranged, which includes the inner tube 52 gas-tight with the slightly smaller diameter.
  • the inner tube 52 is concentric in the outer tube 50 and against the resistance the seal 56 slidably mounted.
  • the inner tube 52 points radially outwards Ends 53, which are brought into abutment with the projections 54, prevent the inner tube 52 can be pulled too far out of the outer tube 50.
  • the neck 47a of the Helmholtz resonator 24a adjustable in length.
  • the neck diameter can be adjusted, for example can be erected by forming the neck with a polygonal cross section and the side walls of the polygon can be moved relative to one another by means of joints.
  • the volume 25a of the Helmholtz resonator 24a is adjustable in height Side walls 58 adjustable.
  • the height of the side walls 58 is adjustable by means of a Floor 60 changeable.
  • the displaceable bottom 60 is cup-shaped and comprises a base plate 62 and base walls 64 projecting approximately perpendicularly therefrom, which laterally encompass the side walls 58 of the Helmholtz resonator 24a.
  • the Bottom plates 62 opposite end 66 the bottom walls 64 are bent radially inwards. Spaced from the bent ends 66 is a on the bottom walls 64 collar 68 extending radially inward is provided.
  • a bottom seal 70 is arranged, the comprises the side walls 58 of the Helmholtz resonator 24a in a gas-tight manner.
  • the sidewalls 58 have on their side facing the bottom 60 radially outwardly bent edges 72, which can be brought into abutment with the collar 68, and thus prevent the floor is removable from the side walls 58 of the Helmholtz resonator 24a.
  • the volume 25a of the Helmholtz resonator 24a is thus within the scope of the displacement of the bottom 60 Stop of the bottom plate 62 on the edges 72 of the side walls 58 until the stop Edges 72 of the side walls 58 are adjustable with the collar 68 of the bottom walls 64. Consequently can the Helmholtz resonator 24a through the adjustable neck 47a and the adjustable Volume 25a can be adjusted very precisely to the frequency to be damped.
  • the distance between the two tubes 54, 56 and the bottom walls 64 and the side walls 58 of the Helmholtz resonator 24a are exaggerated in FIG. 4 for the sake of clarity shown large.

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Abstract

Zur Dämpfung der tiefen Frequenzen in einem Abgassystem (10) für Industriegasturbinen mit einer Abgasleitung (12) und einem daran anschliessenden Kamin (14), welche zusammen einen durchgängigen Strömungskanal (16) bilden, wird ein Helmholtz-Resonator (24, 24', 24", 24a) mittels eines Absorptionsschalldämpfers (36) von der Strömung (S) akustisch transparent abgeschirmt am Strömungskanal (16) angeordnet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgassystem für Industriegasturbinen mit einer Abgasleitung und einem daran anschliessenden Kamin, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Siedlungszonen und Anlagen, die mit Gasturbinen betrieben werden, wie beispielsweise Wärmekraftwerke, rücken immer näher zusammen. Um die Lärmbelästigung der Bevölkerung gering zu halten, sind in den letzten Jahren die Grenzwerte für Lärmemissionen immer weiter verschärft worden. Zu den bestehenden Grenzwerten für hohe und mittlere Frequenzen sind vielerorts zusätzliche Grenzwerte für den tieffrequenten Lärm eingeführt worden. Die Lärmemissionen einer Gasturbinenanlage erfolgt vornehmlich über ihr Abgassystem. Die Entstehung des schwer zu beherrschenden tieffrequenten Lärmes hat vielfältige Ursachen und ist unter anderem auf Pulsationen im Brennraum zurückzuführen.
Stand der Technik
Um die Grenzwerte für tieffrequente Lärmemissionen einhalten zu können, hat man Absorptionsschalldämpfer in das Abgassystem der Gasturbinenanlagen eingebaut, wie dies beispielsweise in der DE-A1-44 19 604 und DE-A1-40 09 072 erwähnt ist. Damit soll der tieffrequente Lärm, an dem Ort an dem seine Abstrahlung in die Umgebung stattfindet, reduziert werden. Während aber Schall im hohen und mittleren Frequenzbereich relativ gut mit Absorptionsschalldämpfern absorbiert werden kann, ist tieffrequenter Lärm schwer zu beherrschen, da konventionelle Schalldämpfer bei tiefen Frequenzen nur eine geringe Schalldämpfung zeigen. Um den tieffrequenten Lärm reduzieren zu können, müssen daher grosse Absorptionsschalldämpfer mit Dämmmatten von bis zu 800mm Dicke in das Abgassystem der Anlagen eingebaut werden. Dies erhöht den Platzbedarf der Abgasanlage, reduziert unter Umständen deren Leistung aufgrund von Druckabfall im System und ist zudem sehr aufwendig in der Montage und Wartung. Das Abgassystem wird dadurch sehr teuer.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Abgassystem der eingangs genannten Art zu schaffen, in dem tieffrequente Lärmemissionen effizient reduziert werden, ohne dass die Leistung der Anlage wesentlich beeinträchtigt wird und das zudem einfach und wirtschaftlich in Montage und Watung ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Abgassystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
In einem Abgassystem für Industriegasturbinen bilden eine Abgasleitung und ein daran anschliessender Kamin zusammen einen durchgängigen Strömungskanal. In dem Abgassystem ist ein Helmholtz-Resonator akustisch gekoppelt am Strömungskanal angeordnet. Der Helmholtz-Resonator ist genau auf die tiefen Frequenz, die gedämpft werden soll, abgestimmt. Er beansprucht dabei weniger Raum als ein Absorptionsschalldämpfer. Die Montage eines Helmholtz-Resonators ist sehr einfach und seine Dauerhaftigkeit bei grossen Strömungsgeschwindigkeit im Verhältnis zu Absorptionsschalldämpfern viel höher. Ausserdem ist bewirkt der Einsatz von Helmholtz-Resonatoren keine Leistungsminderung der Anlage. Das Abgassystem kann aus diesen Gründen einfacher montiert und gewartet und die gesamte Anlage wirtschaftlicher betrieben werden.
Wird der Helmholtz-Resonator mit seiner Eintrittsöffnung im Bereich eines Druckmaximums einer akustischen Mode im Abgassystem angeordnet, so ist seine Effizienz am grössten
Sehr vorteilhaft ist es den Helmholtz-Resonator im Übergangsbereich zwischen Abgaskanal und Kamin anzuordnen, da hier in der Regel kaum Platzprobleme vorhanden sind. Besonders günstig ist es, den Helmholtz-Resonator an der den Abgaskanal in Strömungsrichtung begrenzenden Rückwand des Kamins vorzusehen, da dies eine besonders einfache Montage erlaubt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Dimensionen des Abgaskanals und des Kamins so gewählt sind, dass ein Druckmaximum der akustischen Mode im Übergangsbereiche zwischen Abgaskanal und Kamin auftritt. Auf diese Weise kann der Helmholtz-Resonator, wie oben beschrieben, sehr einfach montiert werden und ist noch dazu äusserst effizient.
Eine Hitzeisolierung des Helmholtz-Resonators gegen aussen gewährleistet eine etwa konstante Temperatur des Helmholtz-Resonators und damit eine Frequenzstabilität seiner Absorptionseigenschaften.
Weist der Helmholtz-Resonator einen Hals aufweist, der in seiner Länge und/oder seinem Querschnitt verstellbar ist so kann der Helmholtz-Resonator besser auf die zu absorbierenden Frequenzen eingestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Helmholtz-Resonator ein verstellbares Volumen auf. Auch dies verschafft eine einfachen Anpassungsmöglichkeit an die zu absorbierenden Frequenzen. Sehr einfach lässt sich das verstellbare Volumen realisieren, indem man mittels eines verschiebbaren Bodens die Höhe der Seitenwände verstellbar gestaltet.
Ist die Temperatur des Helmholtz-Resonators einstellbar, so kann er besonders einfach an die zu absorbierende Frequenz angepasst werden. Einfach lässt sich die Einstellbarkeit der Temperatur beispielsweise durch das Anbringen von Heizelementen an den Aussenwänden des Helmholtz-Resonator realisieren. Eine andere kostengünstige Möglichkeit besteht darin, den Helmholtz-Resonator umströmbar zu gestalten, so dass zur Temperaturregulierung entweder heisse Abgase aus dem Abgassystem abgezweigt und um die Aussenwände des Helmholtz-Resonators geleitet werden oder derselbe mit kalter Luft umströmt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Helmholtz-Resonator akustisch transparent von der Strömung im Strömungskanal abgeschirmt ist. Dies erlaubt eine bessere Schallabsorption des Helmholtz-Resonators. Sehr einfach und zweckdienlich lässt sich eine solche Abschirmung durch einen zwischen der Eintrittsöffnung des Helmholtz-Resonators und der Strömung angeordneten Absorptionsschalldämpfer realisieren.
Besonders vorteilhaft ist es einen Absorptionsschalldämpfer zu verwenden, der ungefähr den folgenden Aufbau hat: Eine erste Lochabdeckung ist Teil einer den Strömungskanal begrenzenden Wand. An diese erste Lochabdeckung schliesst ein auf der dem Strömungskanal abgewandten Seite der Lochabdeckung angeordnetes strömungsresistentes Gewebe und eine Schicht Dämpfungsmaterial an Dieser folgt auf der dem Strömungskanal abgewandten Seite eine zweite Lochabdeckung. Seitlich wird der Absorptionsschalldämpfer von Seitenwänden umfasst. Ein solcher Absorptionsschalldämpfer weist angrenzend an einen Strömungskanal mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine gute Belastbarkeit auf.
Ist zwischen dem Absorptionsschalldämpfer und der Eintrittsöffnung des Helmholtz-Resonators ein Hohlraum angeordnet ist, so wirkt sich dies positiv auf das Schwingverhalten des Helmholtz-Resonators und damit auf seine Absorptionsfähigkeit aus.
Sehr vorteilhaft ist es, mehrere Helmholtz-Resonatoren in dem Abgassystem vorzusehen. Diese können dann an verschiedenen Orten im Abgassystem angeordnet sein, z.B. jeweils dort wo Maxima der Schallmoden auftreten. Sie können auch auf unterschiedliche, tiefe Frequenzen abgestimmt sein und so zu einer noch wirksameren Reduzierung des tieffrequenten Lärms beitragen. Dazu können sie an unterschiedlichen Orten des Abgassystems oder auch dicht beieinander angeordnet sein. Um eine gute Schallabsorption zu gewährleisten sollten die Helmholtz-Resonatoren aber gasdicht voneinander getrennt sein.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer abhängigen Patentansprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen rein schematisch:
Fig. 1
ein erfindungsgemässes Abgassystem mit Helmholtz-Resonator;
Fig. 2
in einem schematischen Schnitt entlang der Längsachse des Strömungskanals einen Teil eines erfindungsgemässen Abgassystems mit nebeneinander angeordneten Helmholtz-Resonatoren;
Fig.3
eine Ansicht der nebeneinander angeordneten Helmholtz-Resonator aus Fig. 2 gemäss dem Schnitt III-III in Fig. 2; und
Fig. 4
in einem schematischen Schnitt einen Helmholtz-Resonator mit Längenverstellbarem Hals und verstellbarem Volumen.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt die Skizze eines Abgassystems 10 für eine Gasturbinenanlage (nicht dargestellt) mit einem Abgaskanal 12 und einem Kamin 14. Abgaskanal 12 und Kamin 14 bilden zusammen einen Strömungskanal 16. Die Strömungsrichtung des Abgases 18 im Strömungskanal 16 ist durch Pfeile S gekennzeichnet. In einem Übergangsbereich 20 zwischen Abgaskanal 12 und Kamin 14 ist der Abgaskanal 12 durch eine Rückwand 22 des Kamins 14 in seiner Strömungsrichtung S begrenzt. Im Übergangsbereich 20 ist an der Rückwand 22 des Kamins 14 ein Helmholtz-Resonator 24 angeordnet. Der Helmholtz-Resonator 24 ist durch eine Lochabdeckung 26, das einen Teil der Rückwand 22 des Kamins 14 bildet, und durch ein vom Strömungskanal 16 aus gesehen hinter der Lochabdeckung 26 angeordneten, akustisch transparenten Gewebe 28 von der Strömung im Strömungskanal 16 abgeschirmt.
Der Abgaskanal 12 und der Kamin 14 sind so dimensioniert, dass ein Druckmaximum einer Schallmode im Übergangsbereich 20 bzw. im Eintrittbereich 30 des Helmholtz-Resonators 24 liegt. Der Helmholtz-Resonator 24 ist gegen aussen wärmeisoliert, so dass er während des Betriebes eine etwa konstante Temperatur annimmt, Zusätzlich zu dem Helmholtz-Resonator 24 sind in dem Abgassystem 10 in bekannter Art und Weise Absorptionsschalldämpfer 32 angeordnet, um Schall im Bereich der hohen und mittleren Frequenzen zu absorbieren.
Wie durch gestrichelte Linien in Fig. 1 angedeutet, ist es möglich den Helmholtz-Resonator 24 auch an anderen Orten des Abgassystems 10 oder auch mehrere Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24", ... an verschiedenen Orten des Abgassystems 10 anzuordnen. Um einen guten Wirkungsgrad bei der Schallabsorption zu erreichen, sollten der oder die Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24", ... im Abgassystem 10 dort angeordnet sein, wo ein Druckmaximum einer Schallmode liegt.
In den Fig. 2 und 3 ist in verschiedenen Ansichten ein Teil eines Abgassystems 10 gezeigt, bei dem im Übergangsbereich 20 zwischen Abgaskanal 12 und Kamin 14 an der Rückwand 22 des Kamins 14 drei Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" nebeneinander angeordnet sind. Der Abgaskanal 12 und der Kamin 14 sind in ihren Dimensionen wiederum so ausgelegt, dass das Druckmaximum einer Schallmode im Übergangsbereich 20 bzw. im Eintrittsbereich 30 der Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" liegt. Die drei Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" sind in einem zylindrischen Hohlkörper 34 ausgebildet. Gegen den Strömungskanal 16 ist der Hohlzylinder 34 durch einen vorgeschalteten Absorptionsschalldämpfer 36, abgeschirmt.
Beabstandet zu diesem Absorptionsschalldämpfer 36 ist im Hohlzylinder 34 eine Zwischenwand 38 angeordnet, die zusammen mit dem Absorptionsschalldämpfer 36 einen Zwischenraum 44 einschliesst. Auf der der Zwischenwand 38 gegenüberliegenden Seite ist der Hohlzylinder 34 durch einen Boden 40 gegen aussen gasdicht abgeschlossen. Der gesamte Hohlzylinder 34 und auch der Boden 40 sind gegen aussen wärmeisoliert, so dass der Hohlzylinder 34 im Betrieb etwa die Temperatur annimmt, die im Strömungskanal 16 herrscht.
Der Absorptionsschalldämpfer 36 hat im wesentlichen den üblichen Aufbau: Gegen den Strömungskanal 16 ist der Absorptionsschalldämpfer 36 durch eine Lochabdeckung 26, das einen Teil der Rückwand 22 des Kamins 14 bildet abgegrenzt. Die Lochabdeckung 26 ist hinterlegt mit einem strömungsresistenten und verschleissfesten Gewebe 28, das aber akustisch transparent ist, wie beispielsweise ein Metallgewebe. Auf das Gewebe 28 folgt im Schichtaufbau eine Schicht Dämpfungsmaterial 46, die angepasst an den zu absorbierenden Frequenzbereich ein- oder mehrlagig aufgebaut sein kann. Das Material und die Dicke des Dämpfungsmaterials 46 bestimmen sich je nach Anforderung. Abschliessend gegen den Zwischenraum 44 hin ist eine weitere Lochabdeckung 48 angeordnet. Der Mantel des Hohlzylinders 34 bildet zugleich die Seitenwände für den Absorptionsschalldämpfer 36.
Der zwischen der Zwischenwand 38 und dem Boden 40 verbleibende Hohlraum des Hohlzylinders 34 ist mit Hilfe von Wänden 42 in drei Sektoren unterteilt, welche die Volumen 25, 25', 25" der drei Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" bilden. Die Wände 42 schliessen die Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" gasdicht gegeneinander ab. Jeder Helmholtz-Resonator 24, 24', 24" ist durch einen rohrförmigen Hals 47, der durch die Zwischenwand 38 geführt ist, akustisch mit dem zwischen dem vorgeschalteten Absorptionsschalldämpfer 36 und der Zwischenwand 38 liegenden Zwischenraum 44 verbunden. Tieffrequenter Schall der vom Absorptionsschalldämpfer 36 nicht absorbiert wird, wird in den Zwischenraum 44 und weiter in die drei Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" geleitet. Die hier gezeigte Anzahl und Form der Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" kann nach Bedarf geändert werden. Es können also ein Helmholtz-Resonator 24, zwei, drei, vier oder auch mehr Resonatoren 24, 24', 24", ... nebeneinander angeordnet sein. Auch die Form kann beliebig variieren. Es können meherer Zylinder nebeneinander angeordnet sein statt der Zylindersektoren oder aber auch beliebige Polygonformen. Zusätzlich können auch an anderen Orten des Abgassystems 10 ein oder mehrere Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24", ... nebeneinander angeordnet sein.
In einer besonderen Ausführungsform sind die drei Helmholtz-Resonatoren 24, 24', 24" mit Hilfe von in Länge und/oder im Querschnitt anpassbaren Hälsen 47 sowie mit Hilfe eines verstellbaren Volumens 25, 25', 25" auf leicht unterschiedliche, tiefe Frequenzen eingestellt, die sich vorzugsweise auch von der Frequenz, welche im Zwischenraum 44 gedämpft wird, unterscheiden. Auf diese Weise kann der tieffrequente Lärm mit hohem Wirkungsgrad reduziert werden.
In Fig. 4 ist das Prinzip eines anpassbaren Helmholtz-Resonators 24a im Schnitt gezeigt. Wie aus Fig. 4 erkennbar, weist der Hals 47a zwei ineinander gesteckte Rohre 50, 52 auf. Es können aber auch beliebige andere Querschnittsformen gewählt werden. Das äussere Rohr 50 mit dem grösseren Durchmesser ist fest in der Zwischenwand 30 verankert. Es kann beispielsweise mit der Zwischenwand 30 verschweisst sein. Das äussere Rohr 50 weist auf seiner Innenseite, in seinen beiden Endbereichen jeweils auf Kreisscheiben liegende, sich radial nach innen erstreckende Vorsprünge 54 auf. Zwischen den Vorsprüngen 54 ist eine Dichtung 56 angeordnet, die das innere Rohr 52 mit dem etwas kleineren Durchmesser gasdicht umfasst. Das innere Rohr 52 ist im äusseren Rohr 50 konzentrisch und gegen den Widerstand der Dichtung 56 verschiebbar gelagert. Das innere Rohr 52 weist radial gegen aussen umgebogene Enden 53 auf, die mit den Vorsprüngen 54 in Anschlag gebracht, verhindern, dass das innere Rohr 52 zu weit aus dem äusseren Rohr 50 herausziehbar ist. Durch verschieben des inneren Rohres 52 im äusseren Rohr 50 ist der Hals 47a des Helmholtz-Resonators 24a in seiner Länge verschiebbar. Eine Verstellbarkeit des Halsdurchmessers kann beispielsweise dadurch erricht werden, dass der Hals mit einem polygonen Querschnitt ausgebildet ist und die Seitenwände des Polygons mittels Gelenken gegeneinander bewegbar sind.
Das Volumen 25a des Helmholtz-Resonators 24a ist mit Hilfe von in ihrer Höhe verstellbaren Seitenwänden 58 einstellbar. Die Höhe der Seitenwände 58 ist mit Hilfe eines verschiebbaren Bodens 60 veränderbar. Der verschiebbare Boden 60 ist topfförmig ausgebildet und umfasst eine Bodenplatte 62 und von dieser etwa senkrecht abstehende Bodenwände 64, welche die Seitenwände 58 des Helmholtz-Resonators 24a seitlich umgreifen. An Ihrem der Bodenplatte 62 entgegengesetzten Ende 66 sind die Bodenwände 64 radial nach innen umgebogen. Beabstandet von den umgebogenen Enden 66 ist an den Bodenwänden 64 ein sich radial nach innen erstreckender Kragen 68 vorgesehen. Zwischen dem Kragen 68 und den umgebogenen Enden 66 der Bodenwände 64 ist eine Bodendichtung 70 angeordnet, die die Seitenwände 58 des Helmholtz-Resonators 24a gasdicht umfasst. Die Seitenwände 58 weisen auf ihrer dem Boden 60 zugewandten Seite radial nach aussen umgebogene Ränder 72 auf, die mit dem Kragen 68 in Anschlag bringbar sind, und so verhindern, dass der Boden von den Seitenwänden 58 des Helmholtz-Resonators 24a abziehbar ist. Das Volumen 25a des Helmholtz-Resonators 24a ist damit im Rahmen der Verschiebung des Bodens 60 vom Anschlag der Bodenplatte 62 an die Ränder 72 der Seitenwände 58 bis zu Anschlag der Ränder 72 der Seitenwände 58 mit dem Kragen 68 der Bodenwände 64 verstellbar. Somit kann der Helmholtz-Resonator 24a durch den verstellbaren Hals 47a und das verstellbare Volumen 25a sehr genau auf die zu dämpfende Frequenz eingestellt werden.
Der Abstand der beiden Rohre 54, 56 sowie der Bodenwände 64 und der Seitenwände 58 des Helmholtz-Resonators 24a sind in Fig. 4 zwecks grösserer Anschaulichkeit übertrieben gross dargestellt.
Bezugszeichenliste
10
Abgassystems
12
Abgaskanal
14
Kamin
16
Strömungskanal
18
Abgas
20
Übergangsbereich
22
Rückwand
24, 24', 24"
Helmholtz-Resonator
25, 25', 25"
Volumen
26
Lochabdeckung
28
Gewebe
30
Eintrittbereich
32
Absorptionsschalldämpfer
34
Hohlzylinder
36
vorgeschalteter Absorptionsschalldämpfer
38
Zwischenwand
40
Boden
42
Wände
44
Zwischenraum
46
Dämpfungsmaterial
48
weitere Lochabdeckung
50
Rohr aussen
52
Rohr innen
54
Vorsprung
56
Dichtung
58
Seitenwände
60
verschiebbarer Boden
62
Bodenplatte
64
Bodenwände
66
umgebogene Enden
68
Kragen
70
Bodendichtung
72
umgebogene Ränder

Claims (11)

  1. Abgassystem für Industriegasturbinen mit einer Abgasleitung (12) und einem daran anschliessenden Kamin (14), welche zusammen einen durchgängigen Strömungskanal (16) bilden, und mit einer Einrichtung zur Lärmminderung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung der tiefen Frequenzen des Lärms ein Helmholtz-Resonator (24, 24', 24", 24a) vorgesehen ist, der mit seinem Eintrittsbereich (30) im Bereich eines Druckmaximums einer akustischen Mode angeordnet ist.
  2. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen des Abgaskanals (12) und des Kamins (14) so gewählt sind, dass das Druckmaximum der akustischen Mode im Übergangsbereich (20) zwischen Abgaskanal (12) und Kamin (14) auftritt.
  3. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (24, 24', 24", 24a) im Übergangsbereich (20) zwischen Abgaskanal (12) und Kamin (14) angeordnet ist, und zwar vorzugsweise an der den Abgaskanal (12) in Strömungsrichtung (s) begrenzenden Rückwand (22) des Kamins (14).
  4. Abgassystem nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (24, 24', 24", 24a) gegen aussen hitzeisoliert ist.
  5. Abgassystem nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (24, 24', 24", 24a) einen Hals (47, 47a) aufweist, der in seiner Länge und/oder seinem Querschnitt verstellbar ist und/oder dass der Helmholtz-Resonator (24, 24', 24", 24a) ein Volumen (25, 25', 25,", 25a) aufweist, das verstellbar ist, und zwar vorzugsweise indem die Höhe seiner Seitenwände (58) mittels eines verschiebbaren Bodens (40, 60) verstellbar ist.
  6. Abgassystem nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Helmholtz-Resonators (24) einstellbar ist.
  7. Abgassystem nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittbereich (30) des Helmholtz-Resonators (24, 24', 24", 24a) akustisch transparent von der Strömung im Strömungskanal (16) abgeschirmt ist, und zwar vorzugsweise mittels eines zwischen dem Hals (47, 47a) des Helmholtz-Resonators (24, 24', 24", 24a) und der Strömung (S) angeordneten Absorptionsschalldämpfers (36).
  8. Abgassystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsschalldämpfer (36) eine erste Lochabdeckung (26) aufweist, die vorzugsweise einen Teil einer den Strömungskanal (16) begrenzenden Wand (22) bildet, und dass er ein auf der dem Strömungskanal (16) abgewandten Seite der Lochabdeckung (26) angeordnetes, strömungsresistentes Gewebe (28), eine dem Gewebe (28) benachbarte Schicht Dämpfungsmaterial (46) und ein der ersten Lochabdeckung (26) gegenüberliegende zweite Lochabdeckung (48) sowie Seitenwände umfasst.
  9. Abgassystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absorptionsschalldämpfer (36) und dem Hals (47, 47a) des Helmholtz-Resonators (24, 24', 24", 24a) ein Zwischenraum (44) angeordnet ist.
  10. Abgassystem nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Helmholtz-Resonatoren (24, 24', 24", 24a) vorgesehen sind, die vorzugsweise auf unterschiedliche Frequenzen bzw. Moden abgestimmt sind.
  11. Abgassystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Helmholtz-Resonatoren (24, 24', 24", 24a) gasdicht voneinander getrennt sind.
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