EP1476699A1 - Brennkammer und dämpferanordnung zur reduzierung von brennkammerpulsationen in einer gasturbinenanlage - Google Patents

Brennkammer und dämpferanordnung zur reduzierung von brennkammerpulsationen in einer gasturbinenanlage

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EP1476699A1
EP1476699A1 EP02782607A EP02782607A EP1476699A1 EP 1476699 A1 EP1476699 A1 EP 1476699A1 EP 02782607 A EP02782607 A EP 02782607A EP 02782607 A EP02782607 A EP 02782607A EP 1476699 A1 EP1476699 A1 EP 1476699A1
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combustion chamber
damping
helmholtz
damping volume
volume
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Stefan Tschirren
Helmar Wunderle
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • 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 present invention relates to the field of gas turbine technology. It relates to a combustion chamber for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Such a combustion chamber is e.g. B. from EP-A1-0 597 138 or US-A-5,373,695 known.
  • thermoacoustic vibrations occurring in a combustion chamber are influenced in frequency and amplitude by the most varied geometrical and operating parameters of the combustion chamber, the vibrations to be expected in a new combustion chamber can only be predicted very inadequately. It may therefore be the case that the Helmholtz steamers used on the combustion chamber are not optimally matched to the vibrations actually occurring in the combustion chamber.
  • the object is achieved by the entirety of the features of claim 1.
  • the essence of the invention is that the Helmholtz steamer is designed such that its damping frequency is adjustable, in particular continuously adjustable. As a result, the damping can be easily adapted to the thermoacoustic behavior of the combustion chamber and optimized accordingly. An exchange of parts or entire dampers is not necessary, so that correspondingly large access options can be dispensed with.
  • the adjustability of the Helmholtz steamer eliminates the need to manufacture and keep differently configured dampers or damper parts for different resonance frequencies.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the damping volume of the Helmholtz damper can be changed continuously. This type of adjustability of the damping frequency can be implemented particularly simply and effectively.
  • Damping volume and a variable damping volume is divided and the damping volume is changed by changing the variable damping volume.
  • variable damping volume is preferably achieved in that the variable damping volume is limited on one side by a displaceable piston.
  • This configuration can be implemented very easily from the mechanical point of view and is reliable in operation and easy to operate.
  • a proven type of actuation is characterized in that an adjusting element, in particular in the form of a threaded rod, is arranged on the Helmholtz steamer, by means of which the piston can be displaced. Since the combustion chamber is arranged within a turbine housing, it is particularly advantageous for the actuation of the Helmholtz damper if the adjusting element can be operated through a closable access opening in the turbine housing.
  • the adjusting element can easily be designed so that only a small opening is required for its actuation, which does not require any significant changes on the turbine housing.
  • the damping effect of the Helmholtz damper is particularly high if, in the case of a combustion chamber which has a plurality of burners on its inlet side and which open into the combustion chamber, the at least one Helmholtz steamer is arranged on the inlet side in the immediate vicinity of the burners. If the combustion chamber is annular and the burners are arranged in concentric rings, the at least one Helmholtz steamer is preferably arranged between the rings.
  • FIG. 1 shows a detail in cross section of the inlet side of a gas turbine combustion chamber with two rings of double-cone burners and an adjustable Helmholtz steamer arranged between them according to a preferred exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged sectional view of the Helmholtz steamer from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a section in cross section of the inlet side of the combustion chamber of a gas turbine with two rings of double-cone burners and an adjustable Helmholtz steamer arranged between them, in accordance with a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the gas turbine 10 is enclosed by a gas turbine housing 11, within which there is a plenum 12 filled with compressed air.
  • the plenum 12 surrounds the combustion chamber 16, which is separated from the plenum 12 by a combustion chamber housing 13.
  • the arrangement of the combustion chamber 16 within the gas turbine 10 is essentially the same as that described in the document EP-A1-0 597 138 mentioned at the beginning.
  • the combustion chamber 16 is delimited on the inlet side by a front cover 26.
  • the combustion chamber 16 is of annular design and is equipped with burners 14, 15, which are designed in a known manner as double-cone burners and are arranged in rings around the axis of the gas turbine, as is disclosed in EP-A1-0 597 138.
  • the burners 14, 15 are arranged in corresponding openings in the front cover 26 and open into the combustion chamber 16.
  • Helmholtz steamers 17 are provided between the rings with the burners 14, 15.
  • the Helmholtz steamers 17 each have a damping volume 20, 21 that is composed of a fixed cylindrical damping volume 20 and a variable cylindrical damping volume 21.
  • the damping volume 20, 21 is connected to the combustion chamber 16 via a comparatively narrow connecting channel 18.
  • the arrangement of the connecting channel 18 and the damping volume 20, 21 forms a damping resonator, the resonance frequency of which is determined, among other things, by the size of the damping volume 20, 21.
  • the fixed damping volume 20 is selected such that the damping frequency which can be achieved thereby is close to the frequency of one of those in the combustion chamber 16. waiting thermoacoustic vibrations, and that with the addition of the variable damping volume 21, the possible range of variation of this frequency is covered. In this way, it is possible to tune the Helmholtz steamers 17 in a gas turbine which is to be put into operation exactly to the occurring, previously not exactly known vibration frequencies and thus to obtain optimal damping with the least possible means. It goes without saying that differently dimensioned Helmholtz steamers 17 can also be used in combination for damping different vibration frequencies.
  • variable damping volume 21 can in principle be achieved in different ways.
  • the configuration shown in FIGS. 1 and 2 in which the variable damping volume can be changed continuously by means of a piston 22 which is displaceable in volume, is particularly favorable for the adjustability.
  • the piston 22 is displaced in a particularly simple and safe manner via an adjusting element 23 in the form of a threaded rod which is rotatably mounted in a threaded hole 25 in the cover 24 and which closes off the variable volume 21 from the outside.
  • the piston 22 can also be fixedly connected to the adjusting element 23.
  • the setting is made by a thread in the cover 24, in which the adjusting element 23 is guided.
  • a slot can be provided on the outer end face of the adjusting element 23, in which the blade of a screwdriver can engage.
  • a comparatively small access opening 19 is provided for operating the adjusting element 23 on the turbine housing 11, aligned with the axis of rotation, which comprises a screwed-in, closable connecting piece.
  • adjusting element e.g. threaded rod

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Abstract

An einer Brennkammer (16) für eine Gasturbine (10) ist zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen wenigstens ein Helmholtzdämpfer (17) angeordnet, dessen Dämpfungsvolumen (20, 21) mit der Brennkammer (16) über einen Verbindungskanal (18) in Verbindung steht. Eine optimale Dämpfung wird auf einfache Weise dadurch erreicht, dass der Helmholtzdämpfer (17) derart ausgebildet ist, dass seine Dämpfungsfrequenz verstellbar ist, wobei das Dämpfungsvolumen (20, 21) in ein festes Dämpfungsvolumen (20) und ein variables Dämpfungsvolumen (21) unterteilt ist und wobei das Dämpfungsvolumen durch die Änderung des variablen Dämpfungsvolumens (21) verändert wird.

Description

BRENNKAMMER UND DAEMPFERANORDNUNG ZUR REDUZIERUNG VON BRENNKAMMERPULSATIONEN IN EINER GASTURBINENANLAGE
0
BESCHREIBUNG
5
TECHNISCHES GEBIET
0 Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbinen. Sie betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
5 STAND DER TECHNIK
Eine solche Brennkammer ist z. B. aus der EP-A1-0 597 138 bzw. US-A- 5,373,695 bekannt.
0 Wie in der Einleitung der o.g. Druckschriften erläutert wird, gewinnt das Problem der thermoakustischen Schwingungen in modernen Low-NOx-Brennkammem von Gasturbinen zunehmen an Bedeutung. Es ist deshalb im Stand der Technik ver- schiedentlich vorgeschlagen worden, an der Brennkammer einer Gasturbine sogenannte Helmholtzdampfer anzuordnen, die aufgrund ihrer Konfiguration, bei der ein Dämpfungsvolumen über einen dünnen Verbindungskanal mit der Brennkammer in Verbindung steht, in der Lage sind, bestimmte Schwingungsfrequenzen in der Brennkammer effektiv zu dämpfen.
Da die in einer Brennkammer auftretenden thermoakustischen Schwingungen in Frequenz und Amplitude von den unterschiedlichsten geometrischen und Betriebsparametern der Brennkammer beeinflusst werden, können bei einer neuen Brennkammer die zu erwartenden Schwingungen nur sehr unzulänglich vorausgesagt werden. Es kann daher sein, dass die an der Brennkammer eingesetzten Helmholtzdampfer nicht optimal auf die tatsächlich auftretenden Schwingungen in der Brennkammer abgestimmt sind.
In den eingangs genannten Druckschriften ist daher vorgeschlagen worden, die Helmholtzdampfer ganz oder teilweise austauschbar auszubilden, um nachträgliche Veränderungen in der Resonanzfrequenz vornehmen zu können. Hierzu ist im Turbinengehäuse ein Mannloch vorgesehen, durch welches der Austausch der Helmholtzdampfer erfolgen kann.
Nachteilig ist hierbei, dass einerseits die Abstimmung auf eine Resonanzfrequenz nur in Stufen erfolgen kann, dass der Austausch von Dämpferteilen oder ganzen Dämpfern sehr aufwendig ist, und dass für den Austausch ein erheblicher konstruktiver Aufwand am Turbinengehäuse und der Brennkammer getrieben werden muss.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer für eine Gasturbine mit Helmholtzdampfer zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Brennkammern vermeidet und sich insbesondere durch eine stark vereinfachte Anpassung an die zu dämpfenden Frequenzen auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Helmholtzdampfer derart ausgebildet ist, dass seine Dämpfungsfrequenz verstellbar, insbesondere kontinuierlich verstellbar, ist. Hierdurch kann die Dämpfung auf einfache Weise dem thermoakustischen Verhalten der Brennkammer angepasst und entsprechend optimiert werden. Ein Austausch von Teilen oder ganzen Dämpfern ist dabei nicht erforderlich, so dass auf entsprechende gross dimensionierte Zugangsmöglichkeiten verzichtet werden kann. Gleichzeitig entfällt durch die Verstellbarkeit der Helmholtzdampfer die Notwendigkeit, für unterschiedliche Resonanzfrequenzen unterschiedlich konfigurierte Dämpfer oder Dämpferteile herzustellen und bereitzuhalten.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Dämpfungsvolumen des Helmholtzdämpfers kontinuierlich veränderbar ist. Diese Art der Verstellbarkeit der Dämpfungsfrequenz lässt sich besonders einfach und wirkungsvoll realisieren.
Besonders günstig ist es dabei, wenn das Dämpfungsvolumen in ein festes
Dämpfungsvolumen und ein variables Dämpfungsvolumen unterteilt ist und das Dämpfungsvolumen durch die Änderung des variablen Dämpfungsvolumens verändert wird.
Bevorzugt wird die Änderbarkeit des Volumens dadurch erreicht, dass das variable Dämpfungsvolumen an einer Seite durch einen verschiebbaren Kolben begrenzt ist. Diese Ausgestaltung lässt sich von der Mechanik her sehr einfach realisieren und ist im Betrieb funktionssicher und einfach zu betätigen.
Eine bewährte Art der Betätigung ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem Helmholtzdampfer ein Verstellelement, insbesondere in Form einer Gewindestange, angeordnet ist, mittels dessen der Kolben verschoben werden kann. Da die Brennkammer innerhalb eines Turbinengehäuses angeordnet ist, ist es für die Betätigung des Helmholtzdämpfers von besonderem Vorteil, wenn das Verstellelement durch eine verschliessbare Zugangsöffnung im Turbinengehäuse be- dienbar ist. Das Verstellelement kann dabei leicht so ausgebildet werden, dass für seine Betätigung nur eine kleine Öffnung notwendig ist, die am Turbinengehäuse keine wesentlichen Änderungen erfordert.
Die dämpfende Wirkung des Helmholtzdämpfers ist besonders hoch, wenn bei einer Brennkammer, die an ihrer Eintrittsseite eine Mehrzahl von Brennern aufweist, die in die Brennkammer münden, der wenigstens eine Helmholtzdampfer an der Eintrittsseite in unmittelbarer Nähe der Brenner angeordnet ist. Wenn die Brennkammer ringförmig ist und die Brenner in konzentrischen Ringen angeordnet sind, ist der wenigstens eine Helmholtzdampfer vorzugsweise zwischen den Rin- gen angeordnet.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einem Ausschnitt im Querschnitt die Eintrittsseite einer Gasturbinen-Brennkammer mit zwei Ringen von Doppelkegelbrenner und dazwischen angeordnetem, verstellbaren Helmholtzdampfer ge- mäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 in einer vergrösserten Schnittdarstellung den Helmholtzdampfer aus Fig. 1. WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist in einem Ausschnitt im Querschnitt die Eintrittsseite der Brennkammer einer Gasturbine mit zwei Ringen von Doppelkegelbrenner und dazwischen ange- ordnetem, verstellbaren Helmholtzdampfer gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Gasturbine 10 ist von einem Gasturbinengehäuse 11 umschlossen, innerhalb dessen sich ein mit komprimierter Luft gefülltes Plenum 12 befindet. Das Plenum 12 umgibt die Brennkammer 16, die von dem Plenum 12 durch ein Brennkammergehäuse 13 getrennt ist. Die An- Ordnung der Brennkammer 16 innerhalb der Gasturbine 10 ist im wesentlichen dieselbe wie in der eingangs genannten Druckschrift EP-A1-0 597 138 beschrieben. Innerhalb des Brennkammergehäuses 13 ist die Brennkammer 16 eintritts- seitig durch eine Frontabdeckung 26 begrenzt. Die Brennkammer 16 ist ringförmig ausgebildet und ist mit Brennern 14, 15 bestückt, die in bekannter Art als Doppel- kegelbrenner ausgebildet und in Ringen um die Achse der Gasturbine angeordnet sind, wie dies in der EP-A1-0 597 138 offenbart ist.
Die Brenner 14, 15 sind in entsprechenden Öffnungen in der Frontabdeckung 26 angeordnet und münden in die Brennkammer 16. Zur Dämpfung der in der Brenn- kammer 16 beim Verbrennungsvorgang angeregten thermoakustischen Schwingungen sind zwischen den Ringen mit den Brennern 14, 15 Helmholtzdampfer 17 vorgesehen. Die Helmholtzdampfer 17 weisen gemäss Fig. 2 jeweils ein Dämpfungsvolumen 20, 21 auf, dass sich aus einem festen zylindrischen Dämpfungsvolumen 20 und einem variablen zylindrischen Dämpfungsvolumen 21 zusam- mensetzt. Das Dämpfungsvolumen 20, 21 ist mit der Brennkammer 16 über einen vergleichsweise engen Verbindungskanal 18 verbunden. Die Anordnung aus Verbindungskanal 18 und Dämpfungsvolumen 20, 21 bildet einen dämpfenden Resonator, dessen Resonanzfrequenz unter anderem von der Grosse des Dämpfungsvolumens 20, 21 bestimmt wird.
Das feste Dämpfungsvolumen 20 ist so gewählt, dass die damit erzielbare Dämpfungsfrequenz in der Nähe der Frequenz einer der in der Brennkammer 16 zu er- wartenden thermoakustischen Schwingungen liegt, und dass unter Hinzunahme des variablen Dämpfungsvolumens 21 der mögliche Variationsbereich dieser Frequenz abgedeckt wird. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer neu in Betrieb zu nehmenden Gasturbine die Helmholtzdampfer 17 genau auf die auftretenden, vorher nicht genau bekannten Schwingungsfrequenzen abzustimmen und so mit geringsten Mitteln eine optimale Dämpfung zu erhalten. Es versteht sich dabei von selbst, dass zur Dämpfung unterschiedlicher Schwingungsfrequenzen auch unterschiedlich dimensionierte Helmholtzdampfer 17 in Kombination eingesetzt werden können.
Die Veränderung des variablen Dämpfungsvolumens 21 kann grundsätzlich auf unterschiedliche Weise erreicht werden. So ist es beispielsweise denkbar, das variable Dämpfungsvolumen aus mehreren Teilvolumen zusammenzusetzen, die nacheinander zuschaltbar ausgebildet sind. Besonders günstig für die Einstellbar- keit ist jedoch die in Fig. 1 und 2 gezeigte Ausgestaltung, bei der das variable Dämpfungsvolumen durch einen im Volumen verschiebbar angebrachten Kolben 22 kontinuierlich verändert werden kann. Die Verschiebung des Kolbens 22 erfolgt auf besonders einfache und sichere Weise über ein Verstellelement 23 in Form einer Gewindestange, die in einem Gewindeloch 25 im Deckel 24 drehbar gelagert ist, der das variable Volumen 21 nach aussen hin abschliesst. Alternativ dazu kann auch der Kolben 22 mit dem Verstellelement 23 fest verbunden sein. Die Einstellung erfolgt in diesem Fall durch ein Gewinde im Deckel 24, in welchem das Verstellelement 23 geführt ist. An der aussenliegenden Stirnseite des Verstellelements 23 kann beispielsweise ein Schlitz vorgesehen sein, in welchen die Klinge eines Schraubendrehers eingreifen kann. Wird das Verstellelement (die Gewindestange) 23 verdreht, verschiebt sich der Kolben 22 entlang der Zylinderachse des Dämpfungsvolumens 20, 21 und kann unterschiedliche Stellungen einnehmen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Entsprechend verändert sich mit dem Dämpfungsvolumen 20, 21 auch die Frequenz, bei der die Dämpfung auftritt bzw. ihr Maximum hat. Die Ausgestaltung des Verstellelementes 23 schafft die Möglichkeit, das Verstellelement 23 auf einfache Weise von ausserhalb des Turbinengehäuses 11 zu bedienen, ohne dass umfangreiche Vorkehrungen am Turbinengehäuse getroffen werden müssen. Gemäss Fig. 1 ist zur Bedienung des Verstellelementes 23 am Turbinengehäuse 11 mit der Drehachse fluchtend eine vergleichsweise kleine Zugangsöffnung 19 vorgesehen, die einen eingeschraubten, verschliessbaren Stutzen umfasst. Auf diese Weise ist es möglich, ohne grössere Umstände das Dämpfungsverhalten der einzelnen Helmholtzdampfer 17 an die tatsächlich im Betrieb in der Brennkammer 16 auftretenden thermoakustischen Schwingungen optimal anzupassen.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Gasturbine
11 Turbinengehäuse
12 Plenum
13 Brennkammergehäuse
14,15 Brenner
16 Brennkammer
17 Helmholtzdampfer
18 Verbindungskanal
19 Zugangsöffnung
20 Dämpfungsvolumen (fest)
21 Dämpfungsvolumen (variabel)
22 Kolben
23 Verstellelement (z.B. Gewindestange)
24 Deckel
25 Gewindeloch
26 Frontabdeckung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Brennkammer (16) für eine Gasturbine (10), an welcher Brennkammer (16) zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen wenigstens ein Helmholtzdampfer (17) angeordnet ist, dessen Dämpfungsvolumen (20, 21) mit der Brennkammer (16) über einen Verbindungskanal (18) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtzdampfer (17) derart ausgebildet ist, dass seine Dämpfungsfrequenz verstellbar ist.
2. Brennkammer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfrequenz des Helmholtzdämpfers (17) kontinuierlich verstellbar ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsvolumen (20, 21 ) des Helmholtzdämpfers (17) kontinuierlich veränderbar ist.
4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsvolumen (20, 21) in ein festes Dämpfungsvolumen (20) und ein varia- bles Dämpfungsvolumen (21) unterteilt ist, und dass das Dämpfungsvolumen (20, 21) durch die Änderung des variablen Dämpfungsvolumens (21) verändert wird.
5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das variable Dämpfungsvolumen (21) an einer Seite durch einen verschiebbaren Kolben (22) begrenzt ist.
6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Helmholtzdampfer (17) ein Verstellelement (23), insbesondere in Form einer Gewindestange, angeordnet ist, mittels dessen der Kolben (22) verschoben werden kann.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (16) innerhalb eines Turbinengehäuses (11 ) angeordnet ist, und dass das Verstellelement (23) durch eine verschliessbare Zugangsöffnung (19) im Turbinengehäuse (11 ) bedienbar ist.
8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (16) an ihrer Eintrittsseite (26) eine Mehrzahl von Brennern (14, 15) aufweist, die in die Brennkammer (16) münden, und dass der wenigstens eine Helmholtzdampfer (17) an der Eintrittsseite (26) in unmittelbarer Nähe der Brenner (14, 15) angeordnet ist.
9. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (16) ringförmig ist, dass die Brenner (14, 15) in konzentrischen Ringen angeordnet sind, und dass der wenigstens eine Helmholtzdampfer (17) zwi- sehen den Ringen angeordnet ist'.
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