EP1483536A1 - Gasturbine - Google Patents

Gasturbine

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EP1483536A1
EP1483536A1 EP03706564A EP03706564A EP1483536A1 EP 1483536 A1 EP1483536 A1 EP 1483536A1 EP 03706564 A EP03706564 A EP 03706564A EP 03706564 A EP03706564 A EP 03706564A EP 1483536 A1 EP1483536 A1 EP 1483536A1
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EP
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resonator
burner
combustion chamber
combustion
gas turbine
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Patrick Flohr
Werner Krebs
Bernd Prade
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Siemens AG
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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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • 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 gas turbine with a burner which opens into a combustion chamber.
  • the combustion chamber is designed as an annular combustion chamber.
  • Combustion systems such as gas turbines, aircraft engines, rocket engines and heating systems can cause thermoacoustically induced combustion vibrations. These arise through an interaction of the combustion flame and the associated heat release with acoustic pressure fluctuations. The position of the flame, the flame front surface or the composition of the mixture can fluctuate due to acoustic excitation, which in turn leads to fluctuations in the heat release. If the phase is constructive, positive feedback and amplification can occur. Such an increased combustion oscillation can lead to considerable noise pollution and damage from vibrations.
  • thermoacoustically induced instabilities are significantly influenced by the acoustic properties of the combustion chamber and the boundary conditions at the combustion chamber inlet and outlet as well as at the combustion chamber walls.
  • the acoustic properties can be changed by installing Helmholtz resonators.
  • WO 93/10401 AI shows a device for suppressing combustion vibrations in a combustion chamber of a gas turbine system.
  • a Helmholtz resonator is fluidly connected to a fuel supply line.
  • the acoustic properties of the supply line or the overall acoustic system are changed in such a way that combustion vibrations are suppressed.
  • this measure is not sufficient in all operating states, since it is also possible to suppress vibration combustion vibrations can occur in the fuel line.
  • US-A-6 058 709 suggests introducing fuel at axially different positions in the combustion channel of a burner.
  • constructive phase positions in the mixture composition are superimposed by destructive ones with regard to the formation of combustion vibrations, so that overall there are lower fluctuations and thus a reduced tendency to form combustion vibrations.
  • This measure is comparatively complex in terms of equipment compared to the purely passive measure of using Helmholtz resonators.
  • EP 0 597 138 AI describes a gas turbine combustion chamber which has Helmholtz resonators which have been purged by air in the area of the burners.
  • the resonators are arranged alternately on the front side of the combustion chamber between the burners. These resonators absorb vibration energy from combustion vibrations occurring in the combustion chamber and the combustion vibrations are thereby damped.
  • the object of the invention is to provide a gas turbine with a particularly low tendency to form combustion vibrations. According to the invention, this object is achieved by specifying a gas turbine with a combustion chamber and a burner opening into the combustion chamber at a burner mouth, the burner mouth being surrounded in a ring by a Helmholtz resonator.
  • Resonators around the flame can be directly intensively impacted on the location of the highest heat release. This improved contact with the main source of combustion vibrations also increases the effect of the resonator.
  • the Helmholtz resonator preferably has a resonator volume and opens into the combustion chamber at a resonator mouth, the resonator mouth being continued with a tube into the resonator volume.
  • the resonator mouth is further preferably formed by a plurality of openings, each of which is continued into the resonator volume via a tube.
  • the tubes thus protrude into the resonator volume.
  • the length of the holes is now significantly increased. This is achieved by designing the bores as tubes that protrude into the volume.
  • the internal volume of the resonator is hardly changed.
  • the external dimensions of the resonator can thus be kept small.
  • the tubes can be wound so that they are at a sufficient distance from the walls.
  • the damping device can be adjusted to any frequency that occurs in the combustion system.
  • the external dimensions of the resonator and thus of the burner insert and the total open cross-sectional area do not have to be changed.
  • the main advantage in order to attenuate low frequencies, the projecting tubes can be used to dispense with an increase in volume of the resonator.
  • the tube or the tubes are curved or twisted, so that the tube length is increased without being less than a minimum distance from the resonator wall.
  • the resonator volume is preferably adjustable, for example by a piston-like displacement of a resonator wall.
  • the acoustic properties in particular the impedance, can be adjusted and set.
  • the combustion chamber is designed as an annular combustion chamber.
  • combustion vibrations can lead to very disturbing and damaging combustion vibrations due to a comparatively large combustion chamber volume and burners coupled therein.
  • the acoustic properties of such a combustion chamber can hardly be calculated.
  • the Helmholtz resonator is preferably integrated in a burner insert, the burner being connected to the combustion chamber via the burner insert.
  • the burner insert can be a separate component that is screwed to the combustion chamber wall and into which the actual burner is then inserted. However, it can also be connected to the burner, so that, for example, the burner insert forms a flange on the burner with which the burner is connected to the combustion chamber wall.
  • the integration of the resonator in the burner insert means that no structural measures are required on the combustion chamber wall and the resonator can be easily removed if necessary.
  • the Helmholtz resonator is preferably designed to allow air to flow through it. In this way, the impedance of the resonator can be changed and adapted in a simple manner. In addition, cooling of the resonator and, if the resonator is integrated in the burner insert, cooling of the entire burner insert is also achieved.
  • Figure 1 a gas turbine
  • Figure 2 a burner arranged on a combustion chamber wall
  • a gas turbine 51 is shown in FIG.
  • the gas turbine 51 has a compressor 53, an annular combustion chamber 55 and a turbine part 57.
  • Air 58 from the environment is fed to the compressor 53 and compressed there to combustion air 9.
  • the combustion air 9 is then fed to the annular combustion chamber 55. It is burned there with fuel 11 to a hot gas 59 via gas turbine burner 1.
  • the hot gas 59 drives the turbine part 57.
  • combustion vibrations can form come that can significantly affect the operation of the gas turbine 51.
  • Helmholtz resonators can be used to dampen such combustion vibrations, a particularly effective design being described below:
  • FIG. 2 shows a gas turbine burner 1, which is connected to a combustion chamber wall 56 of a combustion chamber 55 via a burner insert 2 and opens into the combustion chamber 55 at a burner mouth 4.
  • a burner duct 3 of the gas turbine burner 1 surrounds a central duct 41 as an annular duct 30.
  • the annular duct 30 is designed as a premixing duct in which fuel 11 and combustion air 9 are mixed intensively before combustion. This is known as premix combustion.
  • the fuel 11 is introduced into the ring channel 30 via swirl vanes 13 of hollow design.
  • the central channel 41 opens into the combustion zone 27 together with a central fuel lance 45 which supplies fuel 47, in particular oil, via a swirl nozzle 47.
  • fuel 11 and combustion air 9 are only mixed in the combustion zone 27 and one speaks of a diffusion combustion.
  • fuel 11, in particular natural gas can also be added into the central channel 41 upstream of the combustion zone 27 via a fuel inlet 43.
  • a Helmholtz resonator 19 is integrated in the burner insert 2 and has a resonator volume 23 and opens into the combustion chamber 55 via a resonator mouth 21 consisting of bores.
  • a tube 61 adjoins each of the bores into the resonator volume 23 and is shaped to be twisted.
  • the Helmholtz resonator 19 surrounds the burner mouth 4 in a ring.
  • the tubes 61 allow a comparatively small size for the resonator 19, so that it can be integrated into the burner insert 2. Air is introduced into the resonator 19 via air inlets 63, whereby the impedance of the resonator 19 can be adjusted on the one hand, and can also be cooled on the other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine 51, mit einem Brenner 1, der in eine Brennkammer 55 mündet, wobei diese Mündung ringförmig von einem Helmholtzresonator 19 umgeben ist. Hierdurch werden Verbrennungsschwingungen durch engen Kontakt zur Flamme effektiv gedämpft, wobei gleichzeitig Temperaturungleichmässigkeiten vermieden werden.

Description

Beschreibung
Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Brenner, der in eine Brennkammer mündet. Insbesondere ist die Brennkammer als Ringbrennkammer ausgebildet .
In Verbrennungssystemen wie Gasturbinen, Flugtriebwerken, Raketenmotoren und Heizungsanlagen kann es zu thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen kommen. Diese entstehen durch eine Wechselwirkung der Verbrennungsflamme und der damit verbundenen Wärmefreisetzung mit akustischen Druckschwankungen. Durch eine akustische Anregung kann die Lage der Flamme, die Flammenfrontflache oder die Gemischzusammensetzung schwanken, was wiederum zu Schwankungen der Wärme- freisetzung führt. Bei konstruktiver Phasenlage kann es zu einer positiven Rückkopplung und Verstärkung kommen. Eine so verstärkte Verbrennungsschwingung kann zu erheblichen Lärmbe- lastungen und Schädigungen durch Vibrationen führen.
Wesentlich beeinflusst werden diese thermoakustisch hervorgerufenen Instabilitäten durch die akustischen Eigenschaften des Brennraumes und die am Brennraumeintritt und Brennraum- austritt sowie an den Brennkammerwänden vorliegenden Randbedingungen. Die akustischen Eigenschaften können durch den Einbau von Helmholtzresonatoren verändert werden.
Die WO 93/10401 AI zeigt eine Einrichtung zur Unterdrückung von VerbrennungsSchwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage. Ein Helmholtzresonator ist mit einer Brennstoffzuführleitung strömungstechnisch verbunden. Die akustischen Eigenschaften der Zuführleitung bzw. des akustischen Gesamtsystems werden hierdurch so verändert, dass Verbren- nungsSchwingungen unterdrückt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Maßnahme nicht in allen Betriebszuständen ausreicht, da es auch bei einer Unterdrückung von Schwingun- gen in der Brennstoffleitung zu Verbrennungsschwingungen kommen kann.
Die US-A-6 058 709 schlägt zur Vermeidung von Verbrennungs- Schwingungen vor, Brennstoff an axial unterschiedlichen Positionen im Brennkanal eines Brenners einzuleiten. Hierdurch werden hinsichtlich der Ausbildung von Verbrennungsschwingungen konstruktive Phasenlagen in der Gemischzusammensetzung durch destruktive überlagert, so dass es insgesamt zu niedri- geren Schwankungen und damit zu einer verringerten Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen kommt. Diese Maßnahme ist allerdings apparativ im Vergleich zur rein passiven Maßnahme der Verwendung von Helmholtzresonatoren vergleichsweise aufwendig.
In der EP 0 597 138 AI ist eine Gasturbinen-Brennkammer beschrieben, die im Bereich der Brenner luftgespülte Helmholtzresonatoren aufweist. Die Resonatoren sind alternierend an der Stirnseite der Brennkammer zwischen den Brennern angeord- net. Durch diese Resonatoren wird Schwingungsenergie von in der Brennkammer auftretenden Verbrennungsschwingungen absorbiert und die Verbrennungsschwingungen werden hierdurch gedämpft .
Eine weitere Maßnahme zur Dämpfung von Verbrennungsschwingungen ist in der EP 1 004 823 A2 gezeigt. Hier ist ein Helmholtzresonator unmittelbar mit dem Mischbereich des Brenners verbunden. Der Resonator ist stromauf der BrennstoffZuführung anzubringen, da durch den Resonator im Brenner entstehende und auch durch die Zuführleitungen hervorgerufene Verbrennungsschwingungen absorbiert werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbine mit einer besonders geringen Neigung zur Ausbildung von Verbren- nungsSchwingungen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Angabe einer Gasturbine mit einer Brennkammer und einem in die Brennkammer an einer Brennermündung mündenden Brenner, wobei die Brennermündung ringförmig von einem Helmholtzresonator umgeben ist.
Erstmals wird somit vorgeschlagen, einen Helmholtzresonator um die Mündung eines Brenners herum anzuordnen. Nach Erkenntnis der Erfindung kann die Dämpfung von Verbrennungsschwingungen durch einen Resonator zu lokalen Temperaturunterschie- den führen, wenn der Resonator ungleichmäßig auf das Verbrennungsgebiet einwirkt. Durch die symmetrische, ringförmige Anordnung um die Brennerflamme herum wird dies vermieden. Die daraus folgende Temperaturvergleichmäßigung erhöht die dämpfende Wirkung und führt gleichzeitig zu einer Verminderung der Stickoxidbildung. Zudem kann durch die Anordnung des
Resonators unmittelbar um die Flamme herum intensiv direkt auf den Ort der höchsten Wärmefreisetzung eingewirkt werden. Auch dieser verbesserte Kontakt zur Hauptquelle von Verbrennungsschwingungen erhöht die Wirkung des Resonators.
Bevorzugt weist der Helmholtzresonator ein Resonatorvolumen auf und mündet an einer Resonatormündung in die Brennkammer, wobei die Resonatormündung mit einem Rδhrchen in das Resonatorvolumen hinein fortgesetzt ist. Weiter bevorzugt ist die .Resonatormündung durch mehrere Öffnungen gebildet, die jeweils über ein Röhrchen in das Resonatorvolumen hinein fortgesetzt sind. Die Röhrchen ragen also in das Resonatorvolumen hinein. Durch diese Ausführung ist es möglich, die Baugröße des Resonators klein zu halten. Üblicherweise besteht ein Resonator aus einem Volumen V und Bohrungen einer bestimmten Länge I sowie Querschnitt A. Diese Geometrie bestimmt zusammen mit der Schallgeschwindigkeit c die Resonanzfrequenz nach der vereinfachten Formel freg=c/ (2π) [A/ (V-l) ] . Um tiefe Frequenzen zu bekämpfen, benötigt man dementsprechend ein sehr großes Volumen. Das ist in der Praxis aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Platzangebotes allerdings mit großen Schwierigkeiten verbunden. In der hier beschriebenen Vorrichtung wird nun die Länge der Bohrungen wesentlich vergrößert. Dies wird erreicht, indem die Bohrungen als Röhrchen ausgeführt werden, die in das Volumen hineinragen. Das innere Volumen des Resonators wird dabei kaum geändert. Die äußeren Abmessungen des Resonators können somit klein gehalten werden. Die Röhrchen können dabei verwunden ausgeführt werden, um genügend Abstand zu den Wänden zu haben. Durch Veränderung der Länge der Röhrchen kann die Dämpfungsvorrichtung auf jede beliebige Frequenz, die im Verbrennungssystem auftritt, eingestellt werden. Dabei müssen die äußeren Abmessungen des Resonators und damit des Brennereinsatzes sowie die offene Gesamtquerschnittsfläche nicht geändert werden. Der Hauptvorteil: um tiefe Frequenzen zu dämpfen, kann mit Hilfe der hineinragenden Röhrchen auf eine Volumenvergrößerung des Resonators verzichtet werden.
Vorzugsweise ist das Röhrchen oder sind die Röhrchen gekrümmt oder verwunden geformt, so dass die Röhrchenlänge vergrößert ist, ohne dabei einen Mindestabstand zur Resonatorwand zu unterschreiten.
Bevorzugtermassen ist das Resonatorvolumen einstellbar, etwa durch eine kolbenartige Verschiebung einer Resonatorwand. Hierdurch können die akustischen Eigenschaften, insbesondere die Impedanz, angepasst und eingestellt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Brennkammer als Ringbrennkammer ausgebildet ist. Gerade bei Ringbrennkammern können Verbrennungsschwingungen durch ein vergleichsweise großes Brennkammervolumen und darin miteinander gekoppelter Brenner zu sehr störenden und schädigenden VerbrennungsSchwingungen führen. Zudem sind die akustischen Eigenschaften einer solchen Brennkammer kaum zu berechnen.
Vorzugsweise ist der Helmholtzresonator in einen Brennereinsatz integriert, wobei über den Brennereinsatz der Brenner mit der Brennkammer verbunden ist . Der Brennereinsatz kann ein eigenes Bauteil sein, der mit der Brennkammerwand z.B. verschraubt wird und in den dann der eigentliche Brenner eingesetzt wird. Er kann aber auch mit dem Brenner verbunden sein, so dass z.B. der Brennereinsatz einen Flansch am Brenner bildet, mit dem der Brenner mit der Brennkammerwand verbunden wird. Durch die Integration des Resonators in den Brennereinsatz sind keine baulichen Maßnahmen an der Brennkammerwand erforderlich und der Resonator kann bei Bedarf in einfacher Weise ausgebaut werden.
Bevorzugtermaßen ist der Helmholtzresonator luftdurchströmbar ausgebildet . Hierdurch lässt sich die Impedanz des Resonators in einfacher Weise ändern und anpassen. Zudem wird eine Kühlung des Resonators und im Falle der Integration des Resona- tors in den Brennereinsatz auch eine Kühlung des gesamten Brennereinsatzes erreicht.
Die Erfindung wird beispielhaft und teilweise schematisch anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : eine Gasturbine
Figur 2 : einen an einer Brennkammerwand angeordneten Brenner
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
In Figur 1 ist eine Gasturbine 51 abgebildet. Die Gasturbine 51 weist einen Verdichter 53, eine Ringbrennkammer 55 und ein Turbinenteil 57 auf. Luft 58 aus der Umgebung wird dem Ver- dichter 53 zugeleitet und dort hoch zu Verbrennungsluft 9 verdichtet. Anschließend wird die Verbrennungsluft 9 der Ringbrennkammer 55 zugeleitet. Über Gasturbinenbrenner 1 wird sie dort mit Brennstoff 11 zu einem Heißgas 59 verbrannt. Das Heißgas 59 treibt das Turbinenteil 57 an.
In der Ringbrennkammer 55 kann es, aus weiter oben beschriebenen Gründen, zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen kommen, die den Betrieb der Gasturbine 51 erheblich beeinträchtigen können. Zur Dämpfung solcher Verbrennungsschwingungen können Helmholtzresonatoren zum Einsatz kommen, wobei eine besonders wirksame Bauart im folgenden beschrieben wird:
In Figur 2 ist ein Gasturbinenbrenner 1 dargestellt, der über einen Brennereinsatz 2 mit einer Brennkammerwand 56 einer Brennkammer 55 verbunden ist und an einer Brennermündung 4 in die Brennkammer 55 mündet. Ein Brennerkanal 3 des Gasturbi- nenbrenners 1 umgibt als ein Ringkanal 30 einen Zentralkanal 41. Der Ringkanal 30 ist als ein Vormischkanal ausgeführt, in dem Brennstoff 11 und Verbrennungsluft 9 vor der Verbrennung intensiv vermischt werden. Dies wird als Vormischverbrennung bezeichnet. Der Brennstoff 11 wird über hohl ausgeführte Drallschaufeln 13 in den Ringkanal 30 eingeleitet. Der Zentralkanal 41 mündet in die Verbrennungszone 27 zusammen mit einer zentralen Brennstofflanze 45, die Brennstoff 47, insbesondere Öl, über eine Dralldüse 47 zuführt. In diesem Fall werden Brennstoff 11 und Verbrennungsluft 9 erst in der Ver- brennungszone 27 gemischt und man spricht von einer Diffusionsverbrennung. In den Zentralkanal 41 kann aber auch stromauf der Verbrennungszone 27 Brennstoff 11, insbesondere Erdgas, über einen Brennstoffeinlass 43 zugegeben werden.
In den Brennereinsatz 2 ist ein Helmholtzresonator 19 integriert, der ein Resonatorvolumen 23 aufweist und über eine aus Bohrungen bestehende Resonatormündung 21 in die Brennkammer 55 mündet. An jede der Bohrungen schließt sich in das Resonatorvolumen 23 hinein ein Röhrchen 61 an, dass verwunden geformt ist. Der Helmholtzresonator 19 umgibt die Brennermündung 4 ringförmig.
Die ringförmige Umschließung der Brennermündung 4 durch den Resonator 19 führt zu einer gleichmäßigen Einwirkung auf die Verbrennungszone 27. Hierdurch kommt es nicht zu Temperaturungleichmäßigkeiten durch den Resonator 19. Zudem wirkt der Resonator 19 sehr effektiv unmittelbar auf die Zone größter Wärmefreisetzung ein.
Die Röhrchen 61 ermöglichen eine vergleichsweise geringe Baugröße für den Resonator 19, so dass dieser in den Brennereinsatz 2 integrierbar ist. Über Lufteinlässe 63 wird Luft in den Resonator 19 eingeleitet, wodurch dieser einerseits in seiner Impedanz anpassbar, andererseits auch kühlbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbine (51) mit einer Brennkammer (55) und einem in die Brennkammer (55) an einer Brennermündung (4) mündenden Brenner (1) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Brennermündung (4) ringförmig von einem Helmholtzresonator (19) umgeben ist.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, bei der der Helmholtzresonator (19) ein Resonatorvolumen (23) aufweist und an einer Resonatormündung (21) in die Brennkammer (55) mündet, wobei die' Resonatormündung (21) mit einem Röhrchen (61) in das Resonatorvolumen (23) hinein fortgesetzt ist.
3. Gasturbine (51) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Rδhr- chen (61) gekrümmt oder verwunden geformt ist.
4. Gasturbine (51) nach Anspruch 1,2 oder 3, bei der das Resonatorvolumen (23) einstellbar ist.
5. Gasturbine (51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Brennkammer (55) als Ringbrennkammer ausgebildet ist.
6. Gasturbine (51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Helmholtzresonator (19) in einen Brennereinsatz
(2) integriert ist, wobei über den Brennereinsatz (2) der Brenner (1) mit der Brennkammer (55) verbunden ist.
7. Gasturbine (51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Helmholtzresonator (19) luftdurchströmbar ausgebildet ist.
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