EP1476699B1 - Brennkammer und dämpferanordnung zur reduzierung von brennkammerpulsationen in einer gasturbinenanlage - Google Patents
Brennkammer und dämpferanordnung zur reduzierung von brennkammerpulsationen in einer gasturbinenanlage Download PDFInfo
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- EP1476699B1 EP1476699B1 EP02782607.2A EP02782607A EP1476699B1 EP 1476699 B1 EP1476699 B1 EP 1476699B1 EP 02782607 A EP02782607 A EP 02782607A EP 1476699 B1 EP1476699 B1 EP 1476699B1
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Definitions
- the present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a combustion chamber for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
- Such a combustion chamber is z. B. from the EP-A1-0 597 138 respectively. US-A-5,373,695 known.
- thermoacoustic oscillations in frequency and amplitude are influenced by the various geometric and operating parameters of the combustion chamber, the expected vibrations can be predicted only very poorly in a new combustion chamber. It may therefore be that the Helmholtz damper used on the combustion chamber are not optimally matched to the actually occurring vibrations in the combustion chamber.
- the Helmholtz damper is designed such that its damping frequency adjustable, in particular continuously adjustable, is divided by the damping volume in a fixed and a variable damping volume, the former is chosen so that the thus achievable damping frequency in the Near the frequency of one of the expected in the combustion chamber thermoacoustic oscillations, and the damping volume is changed by changing the variable damping volume, wherein the variable damping volume is limited on one side by a displaceable piston on which Helmholtz damper an adjusting element is arranged, by means of which Piston is displaceable, and, since the combustion chamber is disposed within a turbine housing, the adjusting element is operable by a closable access opening in the turbine housing.
- 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 required, so that can be dispensed with corresponding large-sized access options.
- the adjustability of the Helmholtz damper the need for different resonant frequencies differently configured damper or damper parts manufacture and ready.
- a preferred embodiment of the invention is characterized in that the damping volume of the Helmholtz damper is continuously variable.
- the type of adjustability of the damping frequency can be realized in a particularly simple and effective manner, in that the adjusting element arranged on the Helmholtz damper is designed in the form of a threaded rod by means of which the piston can be displaced.
- 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 by a closable access opening in the turbine housing.
- the adjustment can be easily formed so that only a small opening is necessary for its operation, which does not require significant changes to the turbine housing.
- the damping effect of the Helmholtz damper is particularly high when, in a combustion chamber having at its inlet side a plurality of burners which open into the combustion chamber, which is arranged at least one Helmholtz damper on the inlet side in the immediate vicinity of the burner.
- the at least one Helmholtz damper is preferably arranged between the rings.
- Fig. 1 is in a section in cross section, the inlet side of the combustion chamber of a gas turbine with two rings of double-cone burner and arranged therebetween, adjustable Helmholtz damper according to a preferred embodiment of the invention reproduced.
- the gas turbine 10 is enclosed by a gas turbine housing 11 within which a filled with compressed air plenum 12 is located.
- 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 substantially the same as in the aforementioned document EP-A1-0 597 138 described.
- the combustion chamber 16 is bounded on the inlet side by a front cover 26.
- the combustion chamber 16 is annular and is equipped with burners 14, 15, which are formed in a known manner as a double-cone burner and arranged in rings around the axis of the gas turbine, as shown in the EP-A1-0 597 138 is disclosed.
- the burners 14, 15 are arranged in corresponding openings in the front cover 26 and open into the combustion chamber 16.
- Helmholtz damper 17 are provided to dampen the excited in the combustion chamber 16 during the combustion process.
- the Helmholtz damper 17 show according Fig. 2 in each case 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 connection channel 18.
- the arrangement of connecting channel 18 and damping volume 20, 21 forms a damping resonator, whose resonant frequency is determined inter alia by the size of the damping volume 20, 21.
- the fixed damping volume 20 is selected such that the damping frequency achievable therewith is close to the frequency of one of the thermoacoustic oscillations to be expected in the combustion chamber 16, and that with the addition of the variable damping volume 21, the possible variation range of this frequency is covered. In this way, it is possible to tune in a newly put into operation gas turbine, the Helmholtz damper 17 exactly on the occurring, previously not exactly known vibration frequencies and thus to obtain optimal damping with the least amount of resources. It goes without saying that also different sized Helmholtz damper 17 can be used in combination for damping different vibration frequencies.
- the change of the variable damping volume 21 can basically be achieved in different ways. Particularly favorable for adjustability, however, is the in Fig. 1 and 2 shown embodiment according to the invention, in which the variable damping volume can be changed continuously by a displaceably mounted in the piston 22 volume.
- the displacement of the piston 22 takes place in a particularly simple and secure 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, which closes the variable volume 21 to the outside.
- the piston 22 may be fixedly connected to the adjusting element 23. The adjustment takes place in this case by a thread in the cover 24, in which the adjusting element 23 is guided.
- a slot may be provided on the outer end face of the adjusting element 23, in which the blade of a screwdriver can engage. If the adjustment (the threaded rod) 23 is rotated, the piston 22 moves along the cylinder axis of the damping volume 20, 21 and can assume different positions, as in Fig. 1 is indicated.
- the damping volume 20, 21 also changes the frequency at which the damping occurs or has its maximum.
- the configuration of the adjusting element 23 makes it possible to operate the adjusting element 23 in a simple manner from outside the turbine housing 11, without having to make any extensive arrangements on the turbine housing.
- Fig. 1 is to operate the adjusting element 23 on the turbine housing 11 with the axis of rotation aligned a comparatively small access opening 19 is provided which comprises a screwed, lockable nozzle. In this way, it is possible to optimally adapt the damping behavior of the individual Helmholtz dampers 17 to the actually occurring during operation in the combustion chamber 16 thermoacoustic oscillations without great circumstances.
Description
- 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.
- Eine solche Brennkammer ist z. B. aus der
EP-A1-0 597 138 bzw.US-A-5,373,695 bekannt. - Wie in der Einleitung der o.g. Druckschriften erläutert wird, gewinnt das Problem der thermoakustischen Schwingungen in modernen Low-NOx-Brennkammern von Gasturbinen zunehmen an Bedeutung. Es ist deshalb im Stand der Technik verschiedentlich vorgeschlagen worden, an der Brennkammer einer Gasturbine sogenannte Helmholtzdämpfer 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 Helmholtzdämpfer nicht optimal auf die tatsächlich auftretenden Schwingungen in der Brennkammer abgestimmt sind.
- In den eingangs genannten Druckschriften ist daher vorgeschlagen worden, die Helmholtzdämpfer 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 Helmholtzdämpfer 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.
- In den Druckschriften
US-A1-2002/000343 undUS-A1-2002/0100281 werden Helmholtzdämpfer für Brennkammern von Gasturbinen beschrieben, die mittels einer Balg-artigen bzw. Zylinder-Kolben-artigen Ausbildung des Resonanzvolumens über einen weiten, überwiegend das gesamte Volumen erfassenden Verstellbereich verstellbar sind. Hierdurch wird sowohl die Anordnung des Resonators an bzw. in der Brennkammer erschwert wie auch der notwendige Verstellmechanismus unnötig verkompliziert. - Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer für eine Gasturbine mit Helmholtzdämpfer 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 Helmholtzdämpfer derart ausgebildet ist, dass seine Dämpfungsfrequenz verstellbar, insbesondere kontinuierlich verstellbar, ist indem das Dämpfungsvolumen in ein festes und ein variables Dämpfungsvolumen unterteilt ist, wobei ersteres so gewählt ist, dass die damit erzielbare Dämpfungsfrequenz in der Nähe der Frequenz einer der in der Brennkammer zu erwartenden thermoakustischen Schwingungen liegt, und das Dämpfungsvolumen durch Veränderung des variablen Dämpfungsvolumens verändert wird, wobei das variable Dämpfungsvolumen an einer Seite durch einen verschiebbaren Kolben begrenzt ist, an dem Helmholtzdämpder ein Verstellelement angeordnet ist, mittels dessen der Kolben verschiebbar ist, und, da die Brennkammer innerhalb eines Turbinengehäuses angeordnet ist, das Verstellelement durch eine verschliessbare Zugangsöffriung im Turbinengehäuse bedienbar 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 Helmholtzdämpfer 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, indem das an dem Helmholtzdämpfer angeordnete Verstellelement in Form einer Gewindestange, mittels der der Kolben verschoben werden kann, ausgebildet ist.
- 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 bedienbar 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 Helmholtzdämpfer 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 Helmholtzdämpfer vorzugsweise zwischen den Ringen angeordnet.
- 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 Helmholtzdämpfer gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- Fig. 2
- in einer vergrösserten Schnittdarstellung den Helmholtzdämpfer aus
Fig. 1 . - In
Fig. 1 ist in einem Ausschnitt im Querschnitt die Eintrittsseite der Brennkammer einer Gasturbine mit zwei Ringen von Doppelkegelbrenner und dazwischen angeordnetem, verstellbaren Helmholtzdämpfer 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 Anordnung der Brennkammer 16 innerhalb der Gasturbine 10 ist im wesentlichen dieselbe wie in der eingangs genannten DruckschriftEP-A1-0 597 138 beschrieben. Innerhalb des Brennkammergehäuses 13 ist die Brennkammer 16 eintrittsseitig durch eine Frontabdeckung 26 begrenzt. Die Brennkammer 16 ist ringförmig ausgebildet und ist mit Brennern 14, 15 bestückt, die in bekannter Art als Doppelkegelbrenner ausgebildet und in Ringen um die Achse der Gasturbine angeordnet sind, wie dies in derEP-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 Brennkammer 16 beim Verbrennungsvorgang angeregten thermoakustischen Schwingungen sind zwischen den Ringen mit den Brennern 14, 15 Helmholtzdämpfer 17 vorgesehen. Die Helmholtzdämpfer 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 zusammensetzt. 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 Grösse 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 erwartenden 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 Helmholtzdämpfer 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 Helmholtzdämpfer 17 in Kombination eingesetzt werden können.
- Die Veränderung des variablen Dämpfungsvolumens 21 kann grundsätzlich auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Besonders günstig für die Einstellbarkeit ist jedoch die in
Fig. 1 und 2 gezeigte erfindungsgemässe 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 aussen liegenden 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 inFig. 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 Helmholtzdämpfer 17 an die tatsächlich im Betrieb in der Brennkammer 16 auftretenden thermoakustischen Schwingungen optimal anzupassen. -
- 10
- Gasturbine
- 11
- Turbinengehäuse
- 12
- Plenum
- 13
- Brennkammergehäuse
- 14,15
- Brenner
- 16
- Brennkammer
- 17
- Helmholtzdämpfer
- 18
- Verbindungskanal
- 19
- Zugangsöffnung
- 20
- Dämpfungsvolumen (fest)
- 21
- Dämpfungsvolumen (variabel)
- 22
- Kolben
- 23
- Verstellelement (z.B. Gewindestange)
- 24
- Deckel
- 25
- Gewindeloch
- 26
- Frontabdeckung
Claims (6)
- Brennkammer (16) für eine Gasturbine (10), an welcher Brennkammer (16) zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen wenigstens ein Helm-holtzdämpfer (17) angeordnet ist, dessen Dämpfungsvolumen (20, 21) mit der Brennkammer (16) über einen Verbindungskanal (18) in Verbindung steht, wobei der Helmholtzdämpfer (17) derart ausgebildet ist, dass seine Dämpfungsfrequenz verstellbar ist, und wobei das Dämpfungsvolumen (20, 21) in ein festes Dämpfungsvolumen (20) und ein variables Dämpfungsvolumen (21) unterteilt ist, wobei das feste Dämpfungsvolumen (20) so gewählt ist, dass die damit erzielbare Dämpfungsfrequenz in der Nähe der Frequenz einer der in der Brennkammer (16) zu erwartenden thermoakustischen Schwingungen liegt, und dass das Dämpfungsvolumen (20, 21) durch die Änderung des variablen Dämpfungsvolumens (21) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das variable Dämpfungsvolumen (21) an einer Seite durch einen verschiebbaren Kolben (22) begrenzt ist, dass an dem Helmholtzdämpfer (17) ein Verstellelement (23) angeordnet ist, mittels dessen der Kolben (22) verschiebbar ist, und dass die Brennkammer (16) innerhalb eines Turbinengehäuses (11) angeordnet ist, und das Verstellelement (23) durch eine verschliessbare Zugangsöffnung (19) im Turbinengehäuse (11) bedienbar ist.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfrequenz des Helmholtzdämpfers (17) kontinuierlich verstellbar ist.
- Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsvolumen (20, 21) des Helmholtzdämpfers (17) kontinuierlich veränderbar ist.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (23) in Form einer Gewindestange ausgebildet ist.
- Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 Helmholtzdämpfer (17) an der Eintrittsseite (26) in unmittelbarer Nähe der Brenner (14, 15) angeordnet ist.
- Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (16) ringförmig ist, dass die Brenner (14, 15) in konzentrischen Ringen angeordnet sind, und dass der wenigstens eine Helmholtzdämpfer (17) zwischen den Ringen angeordnet ist.
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