EP1423645A1 - Dämpfungsanordnung zur reduzierung von brennkammerpulsationen in einer gasturbinenanlage - Google Patents

Dämpfungsanordnung zur reduzierung von brennkammerpulsationen in einer gasturbinenanlage

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Publication number
EP1423645A1
EP1423645A1 EP02758740A EP02758740A EP1423645A1 EP 1423645 A1 EP1423645 A1 EP 1423645A1 EP 02758740 A EP02758740 A EP 02758740A EP 02758740 A EP02758740 A EP 02758740A EP 1423645 A1 EP1423645 A1 EP 1423645A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
damping arrangement
wall
arrangement according
gas
Prior art date
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Granted
Application number
EP02758740A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1423645B1 (de
Inventor
Urs Benz
Jaan Hellat
Franz Joos
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1423645A1 publication Critical patent/EP1423645A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1423645B1 publication Critical patent/EP1423645B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • 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
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a damping arrangement for reducing resonant vibrations in a combustion chamber with a double-walled combustion chamber wall, which gas-tightly encloses an intermediate space with an outer wall surface part and an inner wall surface part facing the combustion chamber, into which cooling air can be fed for the purposes of convective cooling of the combustion chamber wall.
  • a combustion chamber with a double-walled combustion chamber wall mentioned above can be seen, for example, from EP 0 669 500 B1.
  • the double-walled combustion chamber wall, which surrounds the combustion zone, is flowed through in its enclosed space for cooling purposes with compressed combustion air, the double-walled combustion chamber wall being cooled by means of convective cooling. Further details on the design of such a combustion chamber can be found in detail in the aforementioned European patent, the disclosure content of which is referred to here.
  • Combustion chambers designed in this way are used primarily for the operation of gas turbines, but they are also generally used in heat-generating systems, for example for firing boilers.
  • thermoacoustic vibrations occur in these combustion chambers, which show quite pronounced resonance phenomena in the frequency range between 20 and 400 Hz.
  • Vibrations also known as combustion chamber pulsations can assume amplitudes and the associated pressure fluctuations, as a result of which the combustion chamber itself is exposed to strong mechanical loads which can decisively reduce the service life of the combustion chamber and, in the worst case, can even destroy the combustion chamber.
  • acoustic damping elements such as Helmholtz dampers or ⁇ / 4 pipes.
  • Such acoustic damping elements generally consist of a bottle neck and a larger volume connected to the bottle neck, which is in each case adapted to the frequency to be damped.
  • large damping volumes are required, which cannot be integrated into every combustion chamber from a design point of view.
  • Active countermeasures are also known for specifically combating combustion chamber pulsations, with which, for example, anti-noise fields are coupled into the combustion chamber in order to specifically suppress or destroy the resonant pressure fluctuations. All of the measures mentioned at the outset for the targeted damping of combustion chamber pulsations occurring in combustion chambers are individually adapted to the corresponding circumstances of the individual combustion chambers and cannot readily be transferred to other combustion chamber types.
  • the combustion chamber with convective cooling described at the beginning within the double-walled combustion chamber wall has been optimized in the light of low-pollution combustion.
  • damping measures with which an effective damping of combustion chamber pulsations which form within a combustion chamber of the type described above is possible without impairing the properties of the combustion chamber which are optimized for combustion.
  • damping measures whose structural requirements are as small as possible in order to be able to integrate them in a space-saving manner in combustion chamber systems of the type mentioned above. In particular, this is intended to keep the possibility open of integrating the combustion chamber in systems which only have limited space.
  • a damping arrangement for reducing resonant vibrations in a combustion chamber with a double-walled combustion chamber wall which gas-tightly encloses an intermediate space with an outer wall surface part and an inner wall surface part facing the combustion chamber the cooling air can be fed in for the purpose of convective cooling of the combustion chamber wall, in such a way that at least a third wall flat part is provided which encloses a gas-tight volume with the outer wall flat part and the gas-tight volume is connected gas-tight to the combustion chamber via at least one connecting line.
  • the third wall panel part supplements the combustion chamber wall, which is in any case double-walled, at least locally or in sections to form a three-walled wall structure, the volume enclosed by the outer wall panel part of the double-walled combustion chamber wall and the third wall panel part serving as resonance or absorber volume, i.e. is designed in shape and size in such a way that an acoustically effective coupling of the absorber volume to the combustion chamber is created via the connection line, which is designed as a connecting tube, between the resonance or absorber volume - hereinafter only referred to as the absorber volume - and the combustion chamber, so that a damping of itself combustion chamber pulsation forming within the combustion chamber with a certain frequency is effectively possible.
  • the specific choice of shape and size also applies to the connecting tube itself, which must have a certain length and a certain cross-section in order to attenuate a desired frequency.
  • the connecting line designed as a connecting tube locally passes through the space of the double-walled combustion chamber through which cooling air flows and is at the same time effectively cooled by cooling air flowing around it.
  • This has the advantage that air does not have to be passed through the connecting tube separately for cooling purposes.
  • a heating or overheating of the absorber volume from the side of the combustion chamber through the connecting tube can also be ruled out, especially since, as mentioned above, this undergoes effective cooling. If the cooling effect of the cooling air flowing around the connecting tube on the connecting tube is not sufficient, a targeted flow through the binding tube with cooling air ensure the lack of cooling effect.
  • This additional cooling effect can be brought about either with the cooling air from the intermediate space and / or from outside the combustion chamber, for example from the plenum, through an opening in the third part of the wall surface.
  • a cooling air flow directed through the connecting tube should have a flow velocity of less than 10 m / s.
  • a large number of connecting tubes connected to corresponding absorber volumes are provided along the double-walled combustion chamber wall, preferably at those locations where antinodes form within the combustion chamber.
  • the number of such damping arrangements, each consisting of the absorber volume and a connecting tube, as well as their spatial configuration in terms of shape and size, is basically determined by the respective acoustic conditions of the combustion chamber pulsations that form within the combustion chamber, which are also referred to as thermoacoustic vibrations.
  • the resonance frequency f to be damped is calculated as a function of the absorber volume A to be provided:
  • an acoustically effective volume within the absorber volume can be adjusted, for example in the form of a stamp which variably reduces or enlarges the acoustically effective volume.
  • acoustically effective volume is understood to mean that part of the absorber volume which is freely accessible to the connecting tube. If the actuating means designed as a stamp divides the absorber volume into two spatial areas, that is to say into a spatial area in front of and one behind the stamp surface in relation to the connecting tube, the volume fraction behind the stamp surface does not contribute to acoustic absorption or damping.
  • the third wall surface part delimiting the absorber volume elastic in order to further improve the degree of damping of the arrangement.
  • the double-walled combustion chamber wall is composed of two wall surface parts, both of which can be produced by means of a casting process.
  • the inner wall surface part provides so-called longitudinal ribs as spacing elements and holding ribs as fastening webs, by means of which the two wall surface parts can be firmly connected to one another while maintaining an exact spacing.
  • the connecting lines designed as connecting tubes are provided along an already provided holding rib, so that the connecting tube and the holding rib can be produced as a one-piece structural unit together with the inner wall flat part in a single casting step. This measure also considerably facilitates the casting-related production of the inner wall surface part with an exactly predeterminable wall surface thickness, whereby large parts of the wall surface can also be realized with a predefinable constant dimensioning without deviations in thickness.
  • FIGS. 2a, b, c are sectional views showing an embodiment in a plurality of individual absorber units arranged side by side
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an absorber volume with a stamp arrangement
  • Fig. 4 shows a schematic representation of the arrangement of absorber units along a combustion chamber.
  • Fig. 1 shows a partial cross-sectional view of a damping arrangement for reducing resonant vibrations in a combustion chamber 1, which is surrounded by a double-walled combustion chamber wall 2, which gas-tightly encloses an intermediate space 3 with an outer wall surface part 22 and an inner wall surface part 21, in the cooling air for convective purposes Cooling of the combustion chamber wall 2, in particular the inner wall surface part 21, can be fed.
  • a third wall surface part 4 is provided, which together with the outer wall surface part 22 forms a gas-tight volume, the so-called resonance or absorber volume 5. closes.
  • the absorber volume 5 is connected directly to the combustion chamber 1 via a connecting line 6, in the form of a connecting tube and at the same time establishes an acoustic operative connection between the combustion chamber 1 and the absorber volume 5.
  • the inner and outer wall panel parts 21 and 22 are manufactured by casting, the wall panel part 21 having longitudinal ribs 7 which serve as spacer elements and ensure a predetermined exact distance between the outer wall panel part 22 and the inner wall panel part 21. Furthermore, the inner wall panel part 21 usually provides holding ribs 8, which are longer than the longitudinal ribs 7 and, in the assembled state, protrude through a corresponding opening 9 within the outer wall panel part 22 and are firmly connected to the wall panel part 22 by means of a gas-tight weld connection 10.
  • connection line 6 provided for the acoustic coupling of the absorber volume 5 to the volume of the combustion chamber 1 is integrated in one piece with the retaining rib 8, which, like the longitudinal rib 7, is connected in one piece with the inner wall surface part 21 and is produced in a single casting process can.
  • FIG. 2a to c show partial representations of a preferred implementation of the damping arrangement according to the invention.
  • FIG. 2a shows the top view of the outer wall surface part 22 of a combustion chamber with absorber volumes 5 applied locally, which are each delimited by a third wall surface part 4.
  • FIG. 2b shows a sectional view along the section line AA in FIG. 2a, along the double-walled combustion chamber wall 2 and the third wall surface parts 4, which are each firmly connected to the outer wall surface part 22 in a gastight manner.
  • Each individual absorber volume 5 projects above a connecting line 6, which tically effective connection between the absorber volume 5 and the combustion chamber 1.
  • FIG. 2 c shows a sectional illustration along section line BB in FIG. 2 b, which shows a cross section through the combustion chamber wall 2.
  • a stamp-like adjusting means 11 is provided within the absorber volume 5, through which the acoustically effective volume 5 ′ passes corresponding linear movement (see double arrow display) can be varied continuously.
  • the acoustically effective volume 5 ' is connected to the combustion chamber 1 via two connecting lines 6 and in this way is able to selectively vaporize certain combustion chamber pulsations which form within the combustion chamber 1 according to the frequency.
  • a plurality of connecting lines are preferably provided along the combustion chamber within the double-walled combustion chamber wall.
  • the connecting lines are preferably to be provided precisely at those points in the combustion chamber at which antinodes are formed.
  • the corresponding connecting lines 6, which are introduced within the combustion chamber wall 2 are provided in the longitudinal axis x of the combustion chamber at those points at which combustion chamber vibrations with have different frequencies f1, f2 amplitude maxima.
  • one or more connecting lines 6 can be combined in a common absorber volume 5.
  • FIG. 4 also shows that only a certain frequency can be effectively attenuated per absorber volume.
  • two differently designed absorber volumes are therefore required.
  • the absorber volumes which each dampen vibrations of a frequency, are preferably arranged axially one behind the other on the combustion chamber housing. The absorber volumes are thus distributed to damp different frequencies in the circumferential direction of the combustion chamber housing.

Landscapes

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Abstract

Beschrieben wird eine Dämpfungsanordnung zur Reduzierung resonanter Schwingungen in einer Brennkammer (1) mit einer doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand (2), die mit einem äusseren Wandflächenteil (22) und einem der Brennkammer (1) zugewandten inneren Wandflächenteil (21) einen Zwischenraum (3) gasdicht umschliesst, in den Kühlluft zu Zwecken konvektiver Kühlung der Brennkammerwand (2) einspeisbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein drittes Wandflächenteil (4) vorgesehen ist, das mit dem äusseren Wandflächenteil (22) ein gasdichtes Volumen (5) einschliesst, und dass das gasdichte Volumen (5) mit der Brennkammer (1) über wenigstens eine Verbindungsleitung (6) gasdicht verbunden ist.

Description

Dämpfungsanordnung zur Reduzierung von Brennkammerpulsationen in einer
Gasturbinenanlage
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dämpfungsanordnung zur Reduzierung resonanter Schwingungen in einer Brennkammer mit einer doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand, die mit einem äußeren Wandflachenteil und einem inneren, der Brennkammer zugewandten Wandflachenteil einen Zwischenraum gasdicht umschließt, in den Kühlluft zu Zwecken konvektiver Kühlung der Brennkammerwand einspeisbar ist.
Stand der Technik
Eine Brennkammer mit einer vorstehend erwähnten doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand geht beispielsweise aus der EP 0 669 500 B1 hervor. Die doppelwandig ausgebildete Brennkammerwand, die die Verbrennungszone umgibt, wird in ihrem eingeschlossenen Zwischenraum zu Kühlzwecken mit komprimierter Verbrennungszuluft durchströmt, wobei die doppelwandig ausgebildete Brennkammerwand im Wege der Konvektivkühlung gekühlt wird. Nähere Einzelheiten über die Ausgestaltung einer derartigen Brennkammer sind der vorstehend genannten europäischen Patentschrift im einzelnen zu entnehmen, auf deren Offenbarungsgehalt an dieser Stelle hingewiesen wird.
Derartig ausgebildete Brennkammern dienen vornehmlich für den Betrieb von Gasturbinen, sie finden jedoch auch allgemeine Verwendung in wärmeerzeugenden Anlagen, wie beispielsweise zur Befeuerung von Kesseln.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen treten in diesen Brennkammern Geräusche in Form thermoakustischer Schwingungen auf, die im Frequenzbereich zwischen 20 und 400 Hz durchaus stark ausgeprägte Resonanzerscheinungen zeigen. Derartige auch als Brennkammerpulsationen bekannte Schwingungen können Amplituden sowie damit verbundene Druckschwankungen annehmen, wodurch die Brennkammer selbst starken mechanischen Belastungen ausgesetzt wird, die die Lebensdauer der Brennkammer entscheidend zu reduzieren vermögen, im schlimmsten Fall sogar zur Zerstörung der Brennkammer führen können.
Da die Ausbildung derartiger Brennkammerpulsationen von einer Vielzahl von Randbedingungen abhängt, ist es schwierig bzw. unmöglich, das Auftreten derartiger Pulsationen genau vorauszubestimmen. Vielmehr ist man darauf angewiesen, während des Betriebes der Brennkammer in Fällen resonanter Schwingungsüberhöhungen entsprechend zu reagieren, beispielsweise indem Brennkammerbetriebspunkte, an denen hohe Pulsationsamplituden auftreten, bewusst gemieden werden. Eine derartige Maßnahme kann jedoch nicht immer realisiert werden, zumal beispielsweise bei einer Inbetriebnahme einer Gasturbinenanlage eine Vielzahl bestimmter Betriebs- zustände durchfahren werden muss, um einen entsprechenden, für die Gasturbine optimalen Nennbetriebsbereich erreichen zu können.
Andererseits sind vorrichtungstechnische Maßnahmen zur gezielten Dämpfung derartiger resonanter Brennkammerpulsationen bekannt, beispielsweise unter Verwendung geeigneter akustischer Dämpfungselemente wie Helmholtz-Dämpfer oder Λ/4 Rohre. Derartige akustische Dämpfungselemente bestehen in aller Regel aus einem Flaschenhals und einem mit dem Flaschenhals verbundenen größeren Volumen, das jeweils an die zu dämpfende Frequenz angepasst ist. Insbesondere beim gezielten Dämpfen tiefer Frequenzen bedarf es großer Dämpfungsvolumen, die aus konstruktiven Gesichtspunkten nicht in jeder Brennkammer integriert werden können.
Auch sind zur gezielten Bekämpfung von Brennkammerpulsationen aktive Gegen- massnahmen bekannt, mit denen z.B. Antischallfelder in die Brennkammer zur gezielten Unterdrückung bzw. Vernichtung der resonanten Druckschwankungen eingekoppelt werden. Alle eingangs genannten Maßnahmen zur gezielten Dämpfung von in Brennkammern auftretenden Brennkammerpulsationen sind individuell an die entsprechenden Gegebenheiten der einzelnen Brennkammern angepasst und können nicht ohne weiteres auf andere Brennkammertypen übertragen werden.
Die eingangs beschriebene Brennkammer mit Konvektivkühlung innerhalb der doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand ist im Lichte einer schadstoffarmen Verbrennung optimiert worden. Überdies ist es mit einer derartigen Brennkammer möglich, unter Verwendung eines verhältnismäßig hohen Luftanteils eine sehr magere Verbrennung zu erzielen.
Darstellung der Erfindung
Im einzelnen gilt es, nach Dämpfungsmaßnahmen zu suchen, mit denen eine wirkungsvolle Bedämpfung von sich innerhalb einer Brennkammer des vorstehend bezeichneten Typs ausbildenden Brennkammerpulsationen möglich ist, ohne dabei die für die Verbrennung optimierten Eigenschaften der Brennkammer nachhaltig zu beeinträchtigen. Im besonderen gilt es, Dämpfungsmaßnahmen zu finden, deren konstruktive Erfordernisse möglichst klein bauen, um sie platzsparend in Brennkammersystemen der vorstehend genannten Art integrieren zu können. Dies soll insbesondere die Möglichkeit offenhalten, die Brennkammer in Systemen zu integrieren, die nur über beengte Raumverhältnisse verfügen.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgegenstand vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Dämpfungsanordnung zur Reduzierung resonanter Schwingungen in einer Brennkammer mit einer doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand, die mit einem äußeren Wandflachenteil und einem inneren, der Brennkammer zugewandten Wandflachenteil einen Zwischenraum gasdicht umschließt, in den Kühlluft zu Zwecken konvektiver Kühlung der Brennkammerwand einspeisbar ist, derart ausgebildet, dass wenigstens ein drittes Wandflachenteil vorgesehen ist, das mit dem äußeren Wandflachenteil ein gasdichtes Volumen einschließt und das gasdichte Volumen mit der Brennkammer über wenigstens eine Verbindungsleitung gasdicht verbunden ist.
Das dritte Wandflachenteil ergänzt die ohnehin doppelwandig ausgebildete Brennkammerwand zumindest lokal oder abschnittsweise zu einem dreiwandigen Wandaufbau, wobei das durch das äußere Wandflachenteil der doppelwandigen Brennkammerwand und das dritte Wandflachenteil gasdicht eingeschlossene Volumen als Resonanz- oder Absorbervolumen dient, d.h. in Form und Größe derart ausgebildet ist, dass über die als Verbindungsröhrchen ausgebildete Verbindungsleitung zwischen dem Resonanz- oder Absorbervolumen - im folgenden nur als Absorbervolumen bezeichnet - und der Brennkammer eine akustisch wirksame Ankopplung des Absorbervolumens an die Brennkammer geschaffen wird, so dass eine Bedämpfung einer sich innerhalb der Brennkammer ausbildende Brennkammerpulsation mit einer bestimmten Frequenz wirkungsvoll möglich wird. Die bestimmte Form- und Größenwahl gilt auch für das Verbindungsröhrchen selbst, das zur Dämpfung einer gewünschten Frequenz eine bestimmte Länge sowie einen bestimmten Querschnitt aufweisen muss.
Zur akustischen Ankopplung des von dem dritten Wandflachenteil eingegrenzten Absorbervolumens an das Innere der Brennkammer durchragt die als Verbindungsröhrchen ausgebildete Verbindungsleitung lokal den mit Kühlluft durchströmten Zwischenraum der doppelwandig ausgebildeten Brennkammer und wird zugleich durch das Umströmen mit Kühlluft effektiv gekühlt. Dies hat den Vorteil, dass das Verbindungsröhrchen nicht separat zu Kühlzwecken mit Luft durchströmt werden muss. Auch kann eine Erwärmung bzw. Überhitzung des Absorbervolumens von Seiten der Brennkammer durch das Verbindungsröhrchen hindurch ausgeschlossen werden, zumal dieses, wie vorstehend erwähnt, eine wirksame Kühlung erfährt. Sollte dennoch die Kühlwirkung der das Verbindungsröhrchen umspülenden Kühlluft auf das Verbindungsröhrchen nicht ausreichen, so kann ein gezieltes Durchströmen des Ver- bindungsröhrchens mit Kühlluft für die fehlende Kühlwirkung sorgen. Diese zusätzliche Kühlwirkung kann entweder mit der Kühlluft aus dem Zwischenraum und/oder von außerhalb der Brennkammer, bspw. aus dem Plenum durch eine Öffnung innerhalb des dritten Wandflächenteils bewerkstelligt werden. Ein derartiger durch das Verbindungsröhrchen gerichteter Kühlluftstrom sollte jedoch eine Strömungsgeschwindigkeit von kleiner 10 m/s aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Vielzahl mit entsprechenden Absorbervolumen verbundene Verbindungsröhrchen längs der doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand vorgesehen, vorzugsweise an jenen Stellen, an denen sich innerhalb der Brennkammer Schwingungsbäuche ausbilden. Die Anzahl derartiger Dämpfungsanordnungen, jeweils bestehend aus dem Absorbervolumen und einem Verbindungsröhrchen, sowie deren räumliche Ausgestaltung in Form und Größe bestimmt sich grundsätzlich nach den jeweiligen akustischen Gegebenheiten der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Brennkammerpulsationen, die auch als thermoakustische Schwingungen bezeichnet werden. Grundsätzlich berechnet sich die zu dämpfende Resonanzfrequenz f in Abhängigkeit des vorzusehenden Absorbervolumens A in folgender Weise:
mit co Schallgeschwindigkeit
A offene Fläche des Verbindungsröhrchens
V Volumen pro Röhrchen auf der kalten Seite
L Bohrungslänge des Röhrchens
ΔL Mündungskorrektur am Röhrchen
Vorstehender Formelzusammenhang dient jedoch lediglich als grobes Richtmaß, zumal weder die Mündungskorrektur ΔL noch die Schallgeschwindigkeit c0 unter Betriebsbedingungen einer Brennkammer genau bekannt sind. Vielmehr muss die durch den Absorber festzulegende, zu bedämpfende Eigenfrequenz experimentell bestimmt werden. Auch die Anordnung einer Vielzahl von einzelnen Dämpfungselementen sowohl längs der Brennkammer als auch in Umfangsrichtung der Brennkammer muss individuell abgestimmt werden.
Derartige Maßnahmen zur Abstimmung zu vereinfachen, ist Ziel einer bevorzugten Ausführungsform, bei der ein innerhalb des Absorbervolumens das akustisch wirksame Volumen variabel einstellbares Stellmittel vorgesehen ist, beispielsweise in Form eines Stempels, der das akustisch wirksame Volumen variabel verkleinert oder vergrößert. Unter dem Begriff des akustisch wirksamen Volumens ist jener Teil des Absorbervolumens zu verstehen, der dem Verbindungsröhrchen frei zugänglich ist. Teilt das als Stempel ausgebildete Stellmittel das Absorbervolumen in zwei Raumbereiche auf, also in einen Raumbereich vor und einen hinter der Stempelfläche in Bezug auf das Verbindungsröhrchen, so trägt der Volumenanteil hinter der Stempelfläche nichts zur akustischen Absorption bzw. Dämpfung bei.
Auch ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, den das Absorbervolumen eingrenzenden dritten Wandflachenteil elastisch auszubilden, um den Dämpfungsgrad der Anordnung weiter zu verbessern.
In an sich bekannter Weise wird die doppelwandige Brennkammerwand aus zwei Wandflächenteilen zusammengesetzt, die beide im Wege eines Gießverfahrens herstellbar sind. Zur exakten gegenseitigen Beabstandung beider Wandflächenteile sieht das innere Wandflachenteil sogenannte Längsrippen als Abstandselemente sowie Halterippen als Befestigungsstege vor, durch die beide Wandflächenteile unter Einhaltung eines exakten Abstandes fest miteinander verbunden werden können. Um das Gießverfahren nicht weiter zu verkomplizieren und darüber hinaus sogar zu vereinfachen, werden die als Verbindungsröhrchen ausgebildeten Verbindungsleitungen längs einer ohnehin vorgesehenen Halterippe vorgesehen, so dass das Verbindungsröhrchen und die Halterippe als einstückige Baueinheit zusammen mit dem inneren Wandflachenteil in einem einzigen Gießschritt hergestellt werden können. Diese Maßnahme erleichtert darüber hinaus die gießtechnische Herstellung des inneren Wandflächenteils mit einer exakt vorgebbaren Wandflächendicke erheblich, wodurch sich auch großflächige Wandflächenteile mit einer vorgebbaren konstanten Bemas- sung ohne Dickenabweichungen realisieren lassen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Querschnittsdarstellung durch eine doppelwandige Brennkammerwand mit zusätzlichem Resonanzabsorber,
Fig. 2a,b,c Schnittdarstellungen zur Darstellung einer Ausführungsform in einer Vielzahl einzelner nebeneinander angeordneter Absorbereinheiten,
Fig. 3 schematisierte Darstellung eines Absorbervolumens mit Stempelanordnung, sowie
Fig. 4 schematisierte Darstellung zur Anordnung von Absorbereinheiten längs einer Brennkammer.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsteildarstellung einer Dämpfungsanordnung zur Reduzierung resonanter Schwingungen in einer Brennkammer 1 , die von einer doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand 2 umgeben ist, die mit einem äußeren Wandflachenteil 22 und einem inneren Wandflachenteil 21 einen Zwischenraum 3 gasdicht umschließt, in dem Kühlluft zu Zwecken konvektiver Kühlung der Brennkammerwand 2, insbesondere des inneren Wandflächenteils 21 einspeisbar ist.
Auf der der Brennkammer 1 abgewandten Seite des äußeren Wandflächenteils 22 ist ein drittes Wandflachenteil 4 vorgesehen, das mit dem äußeren Wandflachenteil 22 ein gasdichtes Volumen, das sogenannte Resonanz- oder Absorbervolumen 5 ein- schließt. Über eine Verbindungsleitung 6, in Form eines Verbindungsröhrchens, ist das Absorbervolumen 5 direkt mit der Brennkammer 1 verbunden und stellt zugleich eine akustische Wirkverbindung zwischen der Brennkammer 1 und dem Absorbervolumen 5 her.
Zur akustisch wirkungsvollen Bedämpfung von Brennkammerpulsationen, die bei bestimmten Frequenzen innerhalb der Brennkammer 1 auftreten, sind die geometrischen Größen der Verbindungsleitung 6 sowie des Absorbervolumen 5 individuell anzupassen.
In an sich bekannter Weise werden das innere und äußere Wandflachenteil 21 und 22 gießtechnisch gefertigt, wobei das Wandflachenteil 21 Längsrippen 7 aufweist, die als Distanzelemente dienen und für einen vorgegebenen exakten Abstand zwischen dem äußeren Wandflachenteil 22 und dem inneren Wandflachenteil 21 sorgen. Ferner sieht das innere Wandflachenteil 21 für gewöhnlich Halterippen 8 vor, die länger ausgebildet sind als die Längsrippen 7 und im montierten Zustand durch eine entsprechende Öffnung 9 innerhalb des äußeren Wandflächenteils 22 hindurchragen und mittels einer gasdichten Schweissverbindung 10 mit dem Wandflachenteil 22 fest verbunden sind. In vorteilhafter Weise ist die für die akustische Ankopplung des Absorbervoiumens 5 an das Volumen der Brennkammer 1 vorgesehene Verbindungsleitung 6 einstückig mit der Halterippe 8 vereint, die gleichsam wie die Längsrippe 7 einstückig mit dem inneren Wandflachenteil 21 verbunden ist und im Rahmen eines einzigen Gießverfahrens hergestellt werden kann.
In den Fig. 2a bis c sind Teildarstellungen einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Dämpfungsanordnung dargestellt. Fig. 2a zeigt die Draufsicht auf das äußere Wandflachenteil 22 einer Brennkammer mit lokal darauf aufgebrachten Absorbervolumen 5, die jeweils von einem dritten Wandflachenteil 4 begrenzt sind.
Fig. 2b zeigt eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie AA in Fig. 2a, längs der doppelwandigen Brennkammerwand 2 sowie den dritten Wandflächenteilen 4, die jeweils mit dem äußeren Wandflachenteil 22 gasdicht fest verbunden sind. Jedes einzelne Absorbervolumen 5 überragt dabei eine Verbindungsleitung 6, die eine aku- stisch wirksame Verbindung zwischen dem Absorbervolumen 5 und der Brennkammer 1 herstellt.
Fig. 2c zeigt eine Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie BB in Fig. 2b, die einen Querschnitt durch die Brennkammerwand 2 zeigt. Deutlich zu erkennen sind die einzelnen vom dritten Wandflachenteil 4 eingegrenzten Absorbervolumen 5, die jeweils einzeln eine Verbindungsleitung 6 gasdicht überragen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, beide unmittelbar benachbarten Verbindungsleitungen 6 nur mittels eines einzigen dritten Wandflächenteils 4 zu überragen, so dass zwei oder mehr Verbindungsleitungen 6 in ein und das gleiche Absorbervolumen 5 hineinragen. Eine derartige Maßnahme kann je nach akustischen Bedingungen gewählt werden.
Um eine leichtere individuelle Anpassung des akustischen Dämpfungsverhaltens der erfindungsgemäß ausgebildeten Dämpfungsanordnung an die jeweils auftretenden Brennkammerpulsationen durchführen zu können, ist in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 3 innerhalb des Absorbervolumens 5 ein stempelartig ausgebildetes Stellmittel 11 vorgesehen, durch das das akustisch wirksame Volumen 5' durch entsprechende Linearbewegung (siehe Doppelpfeildarstellung) stufenlos variiert werden kann. Das akustisch wirksame Volumen 5' ist mit der Brennkammer 1 über zwei Verbindungsleitungen 6 verbunden und vermag auf diese Weise bestimmte, sich innerhalb der Brennkammer 1 ausbildende Brennkammerpulsationen selektiv nach der Frequenz zu bedampfen.
Zur Erhöhung der Dämpfungsleistung sind vorzugsweise eine Vielzahl von Verbindungsleitungen längs der Brennkammer innerhalb der doppelwandigen Brennkammerwand vorgesehen. Vorzugsweise sind die Verbindungsleitungen eben gerade an jenen Stellen der Brennkammer vorzusehen, an denen sich Schwingungsbäuche ausbilden. In Fig. 4 sind hierzu die entsprechenden, innerhalb der Brennkammerwand 2 eingebrachten Verbindungsleitungen 6 in Brennkammerlängsachse x an jenen Stellen vorgesehen, an denen Brennkammerschwingungen mit jeweils unter- schiedlichen Frequenzen f1 , f2 Amplitudenmaxima aufweisen. Je nach akustischem Dämpfungsvermögen können eine oder mehrere Verbindungsleitungen 6 in einem gemeinsamen Absorbervolumen 5 vereint werden.
Aus der Figur 4 geht ebenso hervor, dass pro Absorbervolumen lediglich eine bestimmte Frequenz wirkungsvoll gedämpft werden kann. Zur Dämpfung zweier unterschiedlicher Frequenzen f1 und f2 sind daher jeweils zwei unterschiedlich ausgebildete Absorbervolumen erforderlich. Vorzugsweise sind die Absorbervolumen, die jeweils Schwingungen einer Frequenz dämpfen, am Brennkammergehäuse axial hintereinander angeordnet. Somit verteilen sich die Absorbervolumen zu Dämpfung jeweils unterschiedlicher Frequenzen in Umfangsrichtung des Brennkammergehäuses.
Bezugszeichenliste
1 Brennkammer
2 Doppelwandige Brennkammerwand
21 Inneres Wandflachenteil
22 Äußeres Wandflachenteil
3 Kühlluftkanal, Zwischenraum
4 Drittes Wandflachenteil
5 Gasdichtes Volumen, Resonanz- oder Absorbervolumen 5' Akustisch wirksames Volumen
6 Verbindungsleitung, Verbindungsröhrchen
7 Längsrippe
8 Halterippe
9 Öffnung
10 Schweissverbindung 11 Stellmittel x Brennkammerlängsachse f1 , f2 Frequenz der Brennkammerschwingung

Claims

Patentansprüche
1. Dämpfungsanordnung zur Reduzierung resonanter Schwingungen in einer Brennkammer (1) mit einer doppelwandig ausgebildeten Brennkammerwand (2), die mit einem äußeren Wandflachenteil (22) und einem der Brennkammer (1) zugewandten inneren Wandflachenteil (21) einen Zwischenraum (3) gasdicht umschließt, in den Kühlluft zu Zwecken konvektiver Kühlung der Brennkammerwand (2) einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein drittes Wandflachenteil (4) vorgesehen ist, das mit dem äußeren Wandflachenteil (22) ein gasdichtes Volumen (5) einschließt, und dass das gasdichte Volumen (5) mit der Brennkammer (1) über wenigstens eine Verbindungsleitung (6) gasdicht verbunden ist.
2. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Wandflachenteil (4) an der der Brennkammer (1 ) abgewandten Seite des äußeren Wandflächenteils (22) vorgesehen ist und mit diesem das gasdichte Volumen (5) einschließt.
3. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Wandflachenteil (4) mittelbar über wenigstens ein Distanzelement oder unmittelbar mit dem äußeren Wandflachenteil (22) verbunden ist.
4. Dämpfungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelwandige Brennkammerwand (2) Längs- (7) und/oder Halterippen (8) zur exakten Beabstandung und/oder gegenseitigen Befestigung des inneren und äußeren Wandflächenteils (21 , 22) aufweist, und dass die Verbindungsleitung (6) an der Stelle der Längs- (7) und/oder Halterippe (8) vorgesehen ist und mit dieser als eine Baueinheit ausgebildet ist.
5. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs- (7) und/oder Halterippen (8) einstückig mit der inneren Brennkammerwand (21) verbunden sind, die im Wege eines Gießverfahrens herstellbar ist.
6. Dämpfungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (6) als Verbindungsröhrchen ausgebildet ist, den Zwischenraum (3) durchragt und von Kühlluft umspülbar ist.
7. Dämpfungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdichte Volumen (5) als Helmholtzresonator ausgebildet ist, dessen akustisch wirksame Volumengröße (51) unter Massgabe der akustischen Dämpfung einer innerhalb der Brennkammer (1) auftretenden Schwingung mit einer Resonanzfrequenz f erfolgt.
8. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des gasdichten Volumens (5) ein die akustisch wirksame Volumengröße variabel verstellbares Stellmittel (11) vorgesehen ist.
9. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (11 ) in Art eines Stempels ausgebildet ist, der innerhalb des gasdichten Volumens (5) beweglich angeordnet ist.
10. Dämpfungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Wandflachenteil (4) elastisch ausgebildet ist.
11. Dämpfungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (6) relativ zur Brennkammer (1) an jener Stelle angeordnet ist, an der eine zu dämpfende akustische Schwingung einen Schwingungsbauch besitzt.
12. Dämpfungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) in einer Wärme- oder Energieerzeugeranlage integriert ist.
13. Dämpfungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) eine Gasturbinenbrennkammer ist.
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