EP1483536B1 - Gasturbine - Google Patents
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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
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- 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.
- thermoacoustically induced combustion oscillations can occur. These arise through an interaction of the combustion flame and the associated heat release with acoustic pressure fluctuations.
- acoustic excitation By means of an acoustic excitation, the position of the flame, the flame front surface or the mixture composition can fluctuate, which in turn leads to fluctuations of the heat release. With a constructive phase position, positive feedback and amplification can occur. Such an increased combustion vibration can lead to considerable noise and vibration damage.
- thermoacoustically induced instabilities are significantly influenced by the acoustic properties of the combustion chamber and the boundary conditions present at the combustion chamber inlet and the combustion chamber outlet as well as at the combustion chamber walls.
- the acoustic properties can be changed by installing Helmholtz resonators.
- the WO 93/10401 A1 shows a device for suppressing combustion oscillations in a combustion chamber of a gas turbine plant.
- a Helmholtz resonator is fluidly connected to a fuel supply line.
- the acoustic properties of the supply line or the overall acoustic system are thereby changed so that combustion oscillations are suppressed.
- this measure is not sufficient in all operating conditions, as it is also at a suppression of vibrations In the fuel line to combustion vibrations can come.
- the US-A-6 058 709 proposes to avoid combustion oscillations to introduce fuel at axially different positions in the combustion channel of a burner.
- constructive phase positions in the mixture composition are superimposed by destructive, so that overall there are lower fluctuations and thus a reduced tendency to form combustion oscillations.
- this measure is comparatively expensive in comparison to the purely passive measure of the use of Helmholtz resonators.
- a gas turbine combustor which has air-purged Helmholtz resonators in the burner.
- the resonators are arranged alternately on the end face of the combustion chamber between the burners. By these resonators, vibration energy is absorbed by combustion vibrations occurring in the combustion chamber and the combustion vibrations are thereby damped.
- a combustion chamber is disclosed with a resonator formed in the form of a cylindrical double sleeve, which is arranged concentrically between a combustion chamber housing and a combustion chamber liner.
- the double sleeve is formed inter alia by an annular flange and the inner surface of the combustion chamber housing.
- the object of the invention is to specify a gas turbine with a particularly low tendency to form combustion oscillations, wherein structural measures should be avoided on a combustion chamber wall.
- This object is achieved by specifying a gas turbine having a combustion chamber and a burner opening into the combustion chamber at a burner mouth, wherein the burner mouth is annularly surrounded by a Helmholtz resonator and according to the invention the characterizing features of claim 1 are provided.
- the Helmholtz resonator is placed around the mouth of a burner.
- the attenuation of combustion oscillations by a resonator can lead to local temperature differences if the resonator acts unevenly on the combustion area. This is avoided by the symmetrical, annular arrangement around the burner flame.
- the consequent temperature uniformity increases the damping effect and at the same time leads to a reduction of the formation of nitrogen oxides.
- by the arrangement of the resonator immediately around the flame around can be acted intensively directly on the place of the highest heat release. Also, this improved contact with the main source of combustion vibrations increases the effect of the resonator.
- the Helmholtz resonator preferably has a resonator volume and opens at a resonator opening into the combustion chamber, the resonator mouth having a small tube continuing into the resonator volume. More preferably, the resonator mouth is formed by a plurality of openings which are each continued via a tube into the resonator volume. The tubes thus protrude into the resonator volume.
- a resonator consists of a volume V and holes of a certain length I and cross section A.
- the outer dimensions of the resonator and thus the burner insert and the open total cross-sectional area need not be changed.
- the tube or tubes are curved or twisted so that the tube length is increased without falling below a minimum distance to the resonator wall.
- the resonator volume is adjustable, for example by a piston-like displacement of a resonator wall.
- the acoustic properties, in particular the impedance can be adjusted and adjusted.
- the combustion chamber is designed as an annular combustion chamber. Especially in annular combustion chambers combustion oscillations can lead to very disturbing and damaging combustion oscillations by a comparatively large combustion chamber volume and burners coupled together. In addition, the acoustic properties of such a combustion chamber are difficult to calculate.
- the Helmholtz resonator is integrated in a burner insert, wherein the burner is connected to the burner via the burner insert.
- the burner insert can be a separate component, which is bolted to the combustion chamber wall, for example, and in the then the actual burner is used. But 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 Helmholtz resonator is formed through air.
- the impedance of the resonator can be changed and adjusted in a simple manner.
- a cooling of the resonator and in the case of integration of the resonator in the burner insert a cooling of the entire burner insert is achieved.
- FIG. 1 a gas turbine 51 is shown.
- 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 where it is compressed to combustion air 9 high. Subsequently, the combustion air 9 of the annular combustion chamber 55 is supplied. About gas turbine burner 1 is burned there with fuel 11 to a hot gas 59. The hot gas 59 drives the turbine part 57.
- annular combustion chamber 55 may, for reasons described above, for the formation of combustion vibrations come that can significantly affect the operation of the gas turbine 51.
- Helmholtz resonators may be used to dampen such combustion oscillations, with a particularly effective design being described below:
- FIG. 2 a gas turbine combustor 1 is shown, which is connected via a burner insert 2 with a combustion chamber wall 56 of a combustion chamber 55 and opens at a burner port 4 into the combustion chamber 55.
- a burner channel 3 of the gas turbine burner 1 surrounds a central channel 41 as an annular channel 30.
- the annular channel 30 is designed as a premixing channel in which fuel 11 and combustion air 9 are intensively mixed prior to combustion. This is called pre-mixed combustion.
- the fuel 11 is introduced via hollow swirl blades 13 in the annular channel 30.
- the central channel 41 opens into the combustion zone 27 together with a central fuel lance 45, the fuel, in particular oil, via a swirl nozzle 47 supplies.
- fuel 11 and combustion air 9 are first mixed in the combustion zone 27 and it is called a diffusion combustion.
- fuel 11, in particular natural gas can also be added via a fuel inlet 43 into the central channel 41 upstream of the combustion zone 27.
- the Helmholtz resonator 19 surrounds the burner mouth 4 annular.
- the annular enclosure of the burner opening 4 through the resonator 19 leads to a uniform action on the combustion zone 27. This does not lead to temperature irregularities through the resonator 19.
- the Resonator 19 is very effective immediately on the zone of maximum heat release.
- 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, so that this can be adapted on the one hand in terms of its impedance, and on the other hand can also be cooled.
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Description
- 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 Flammenfrontfläche oder die Gemischzusammensetzung schwanken, was wiederum zu Schwankungen der Wärmefreisetzung führt. Bei konstruktiver Phasenlage kann es zu einer positiven Rückkopplung und Verstärkung kommen. Eine so verstärkte Verbrennungsschwingung kann zu erheblichen Lärmbelastungen und Schädigungen durch Vibrationen führen.
- Wesentlich beeinflusst werden diese thermoakustisch hervorgerufenen Instabilitäten durch die akustischen Eigenschaften des Brennraumes und die am Brennraumeintritt und Brennraumaustritt sowie an den Brennkammerwänden vorliegenden Randbedingungen. Die akustischen Eigenschaften können durch den Einbau von Helmholtzresonatoren verändert werden.
- Die
WO 93/10401 A1 - Die
US-A-6 058 709 schlägt zur Vermeidung von Verbrennungsschwingungen 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 niedrigeren 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 A1 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 angeordnet. 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. - In der
US 5,644,918 ist eine Brennkammer mit einem in Form einer zylindrischen Doppelhülse gebildeten Resonator offenbart, der konzentrisch zwischen einem Brennkammergehäuse und einem Brennkammer-Liner angeordnet ist. Die Doppelhülse wird u. a. durch einen Ringflansch und die innere Fläche des Brennkammergehäuses gebildet. - Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbine mit einer besonders geringen Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen, wobei bauliche Maßnahmen an einer Brennkammerwand vermieden werden sollen.
- Diese Aufgabe wird 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 und wobei erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen sind.
- Der Helmholtzresonator wird um die Mündung eines Brenners herum angeordnet. Die Dämpfung von Verbrennungsschwingungen durch einen Resonator kann zu lokalen Temperaturunterschieden 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 Röhrchen 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
- 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.
- Gemäß der Erfindung 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 Resonators 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 Verdichter 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 Gasturbinenbrenners 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 , insbesondere Öl, über eine Dralldüse 47 zuführt. In diesem Fall werden Brennstoff 11 und Verbrennungsluft 9 erst in der Verbrennungszone 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 (9)
- Gasturbine (51) mit einer Brennkammer (55) und einem in die Brennkammer (55) an einer Brennermündung (4) mündenden Brenner (1), bei dem die Brennermündung (4) ringförmig von einem Helmholtzresonator (19) umgeben ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Helmholtzresonator (19) in einen Brennereinsatz (2) integriert ist, wobei über den Brennereinsatz (2) der Brenner (1) mit der Brennkammer (55) verbunden ist. - 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.
- Gasturbine (51) nach Anspruch 2, bei dem das Röhrchen (61) gekrümmt oder verwunden geformt ist.
- Gasturbine (51) nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Resonatorvolumen (23) einstellbar ist.
- Gasturbine (51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Brennkammer (55) als Ringbrennkammer ausgebildet ist.
- Gasturbine (51) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Brennereinsatz (2) ein eigenes Bauteil ist, in das der Brenner (1) eingesetzt ist.
- Gasturbine (51) nach Anspruch 6, bei der der Brennereinsatz (2) mit einer Brennkammerwand (56) verschraubt ist.
- Gasturbine (51) nach Ansprüche 1 bis 5, bei der der Brennereinsatz (2) einen Flansch am Brenner (1) bildet.
- Gasturbine (51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Helmholtzresonator (19) luftdurchströmbar ausgebildet ist.
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