EP1605209B1 - Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen - Google Patents

Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen Download PDF

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EP1605209B1
EP1605209B1 EP04013404A EP04013404A EP1605209B1 EP 1605209 B1 EP1605209 B1 EP 1605209B1 EP 04013404 A EP04013404 A EP 04013404A EP 04013404 A EP04013404 A EP 04013404A EP 1605209 B1 EP1605209 B1 EP 1605209B1
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EP
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combustion chamber
combustion
resonator
mouth
fastening element
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Sven Dr. Bethke
Tobias Dr. Buchal
Michael Dr. Huth
Harald Nimptsch
Bernd Dr. Prade
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Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • 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
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03041—Effusion cooled combustion chamber walls or domes
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber with a damping device for damping thermoacoustic oscillations, in particular for a gas turbine, and a gas turbine with such a combustion chamber.
  • a gas turbine plant comprises e.g. a compressor, a combustion chamber and a turbine.
  • a compressor In the compressor there is a compression of sucked air, which is then admixed with a fuel.
  • the combustion chamber In the combustion chamber, the mixture is burned, the combustion exhaust gases are supplied to the turbine. From the turbine thermal energy is extracted from the combustion exhaust gases and converted into mechanical energy.
  • cooling air also serves to block openings, for example gaps between two adjoining heat shield elements of a combustion chamber, i. for preventing hot gas from the combustion chamber from entering the opening.
  • thermoacoustic vibrations can increase. This can lead to a swirling interaction between thermal and acoustic disturbances, which can cause high loads on the combustion chamber and, in turn, rising emissions.
  • thermoacoustic oscillations in the combustors of gas turbines - or turbomachines in general - present a problem in the design and operation of new combustors, combustor parts and burners for such gas turbines.
  • a Helmholtz resonator typically includes a volume of air or other gas therein. The volume is followed by a tube, the so-called resonator tube, which also contains air or gas and which opens into the combustion chamber.
  • the air or the gas in the volume and in the resonator tube form a spring-mass system, wherein the air or the gas in the volume of the spring and the air or the gas in the resonator tube forms the mass.
  • the Helmholtz resonator behaves like an infinite-length aperture which prevents a standing wave can form with the resonance frequency.
  • thermoacoustic oscillations which are substantially standing waves, can thus be effectively suppressed for frequencies corresponding to or near the resonant frequency of the Helmholtz resonator.
  • the US 6,351,947 Bl shows a combustion chamber with such Helmholtz resonators.
  • a combustion chamber according to the invention comprises at least one combustion chamber element to be cooled and at least one damping device for damping thermoacoustic oscillations with an opening open towards the combustion chamber. It is characterized by the fact that the mouth is integrated into the combustion chamber element to be cooled.
  • the damping device is integrated in a combustion chamber element to be cooled, the amount of air entering the combustion chamber increases only slightly, if at all, due to the presence of the damping element. This results from the fact that for cooling the combustion chamber element alone anyway a cooling air flow is necessary, which now also serves to lock the mouth of the damping device at the same time.
  • the combustion temperature - and thus the pollution of the combustion gases - is therefore not or only slightly increased.
  • the mouth in the combustion chamber according to the invention may be associated with a blocking air supply. This then serves as a cooling air supply for the cooling of the combustor element to be cooled.
  • the mouth can also be associated with a fuel supply such that the sealing air fuel is added. The addition of fuel to the sealing air leads to a reduction of the combustion temperature in the main burner and thus to a reduction of the pollutant content of the combustion gases.
  • the combustion chamber has a combustion chamber wall which comprises a combustion chamber shell and a combustion chamber lining fastened to the combustion chamber shell by means of fastening elements to be cooled.
  • the combustion chamber lining may, for example, be a heat shield, in particular a ceramic or metallic heat shield.
  • the mouth of the at least one damping device is integrated in a fastening element for fastening the combustion chamber lining to the combustion chamber shell.
  • the combustor element to be cooled is formed as a fastener for fixing the combustor liner. Since the fasteners are present anyway and require cooling, integrating the mouth in a fastener requires only a redesign of the fastener, for example.
  • the fastening element can also be configured as a fastening element, which comprises at least one sliding seat device.
  • a sliding seat device is often located, for example, at the transition from the so-called “basket” to the so-called “transition piece” in a silo burning chamber.
  • the damping device can also be arranged at the transition from the combustion chamber to the first row Leitschauffel #2. As a rule, quite high blocking air flows are needed there. This applies to ring combustion chambers and also for silo separation chambers.
  • the damping element may in particular be designed such that the combustion chamber element to be cooled forms part of the damping device.
  • a fixing screw with an axial through-bore can form the resonator tube of a Helmholtz resonator.
  • the damping device is designed as a Helmholtz resonator, in particular as a Helmholtz resonator with variable resonance frequency.
  • the variability of the resonant frequency can be achieved by making the volume of the Helmholtz resonator changeable.
  • a volume change may e.g. can be achieved via an adjustable rear wall of the resonator.
  • the Helmholtz resonator may also include a plurality of orifices, each of which is integrated into a combustion chamber element to be cooled.
  • a plurality of resonator tubes of the same Helmholtz resonator can be integrated into different fastening screws.
  • the damping device is designed as a ⁇ / 4 tube, ie as a tube with a quarter of the wavelength of the vibration to be damped.
  • a gas turbine according to the invention comprises at least one combustion chamber according to the invention.
  • Fig. 1 shows as a first embodiment, a section of the combustion chamber wall of a combustion chamber according to the invention in a highly schematic representation.
  • Fig. 2 shows a view of the combustion chamber wall of a second embodiment of the invention seen from the combustion chamber inside.
  • Fig. 3 shows a side view of in Fig. 2 shown Brennschwandung.
  • FIG. 1 is shown as a first embodiment of the invention, a combustion chamber of a gas turbine according to the invention.
  • the figure shows a section of the combustion chamber wall 1, which comprises a combustion chamber shell 3 and a metallic heat shield 4.
  • the metallic heat shield 4 is constructed from a number of heat shield elements 2, which are each fixed by means of a screw 7 as a fastening element at a connection point 5 on the combustion chamber shell 3.
  • the screws 7 are like the heat shield elements 2 by means of cooling air to be cooled combustion chamber elements.
  • this is equipped with at least one damping device, which is formed in the present embodiment as opening into the combustion chamber Helmholtz resonator 6.
  • the Helmholtz resonator 6 is attached to the combustion chamber wall 1 in the region of a connection point 5. It is held by means of a fastening element or a plurality of fastening elements (not shown) on the combustion chamber wall 1.
  • a fastening element or a plurality of fastening elements (not shown) on the combustion chamber wall 1.
  • damping devices may be present.
  • the Helmholtz resonator 6 comprises a resonator chamber 15 and a resonator tube, also called resonator neck.
  • the resonator tube is formed in the present embodiment of the screw 7, which has a through hole 8 for this purpose.
  • One end 9 of the through hole 8 opens into the resonator 15.
  • the other end 10 of the through hole 8 opens into the combustion chamber and represents the mouth of the Helmholtz resonator 6 in the combustion chamber.
  • the damping effect of the Helmholtz resonator 6 is based on that the behaves in the resonator 15 and the resonator tube 8 located air as a spring-mass system.
  • the air in the resonator chamber 15, the spring and the air in the resonator tube 8 is the mass of this system.
  • this spring-mass system oscillates at a resonant frequency, by the volume V of the resonator 15, the cross-sectional area F of the through hole. 8 , And by the length L of the through hole 8 (ie, the screw 7) is determined, the Helmholtz resonator 6 behaves like an opening of infinite length, so that no standing wave can form with the resonance frequency.
  • the generation of thermoacoustic oscillations, which are substantially standing waves, can thus be effectively suppressed for frequencies corresponding to or near the resonant frequency of the Helmholtz resonator.
  • the resonator 6 is designed substantially cylindrically symmetrical to the screw 7.
  • the resonance frequency of the Helmholtz resonator 6 are set. For example, Increasing the volume V of the resonator chamber 15 or the length L of the screw 7 leads to a reduced resonance frequency. Increasing the cross-sectional area F of the through-hole 8, on the other hand, leads to an increased resonance frequency.
  • the rear wall 17 of the Helmholtz resonator 6 can be designed to be adjustable. On the cylindrical side wall 12 of the Helmholtz resonator 6 then, for example, a thread 16 is present, in which a matching mating thread of the rear wall 17 engages.
  • the volume V of the resonator 15 and thus the resonator frequency can be changed in the desired manner.
  • it is also possible to change the volume by exchanging the resonator chamber 15 with a resonator chamber 15 having a different volume.
  • the length L of the screw and / or the cross-sectional area F of the through-hole 8 can be changed.
  • a screw 7 can be used whose bore 8 has a larger cross-sectional area F than the previously used screw 7. It can be used for the same purpose but also a screw 7 with a shorter length L. become.
  • the resonance frequency of the Helmholtz resonator 6 can be influenced.
  • the resonator space 15 is at the cold side, i. attached to the combustion chamber facing away from the outside of the combustion chamber shell 3 and projects into the Kompressplplenum 20 inside.
  • spacers 19 are provided between the resonator chamber 15 and the outside of the combustion chamber shell 3, which ensure a distance between the combustion chamber shell 3 and the resonator chamber 15 and thus a flow of pressurized cooling air between allow the combustion chamber shell 3 and the resonator 15.
  • Cooling air can then be conducted from the compressor plenum 20 along the flow paths 13 to the side facing away from the combustion chamber interior, the so-called cold side of the heat shield elements 2, where it provides for an impingement air cooling of the heat shield elements 2.
  • the impingement air flows into the combustion chamber after hitting the cold sides along the flow paths 23 through gaps between adjacent heat shield elements 2, blocking the gaps against hot gas penetration of the combustion chamber.
  • the cooling of the screw 7 takes place together with the locking of the mouth 10 of the Helmholtz resonator 6 against ingress of hot gas.
  • the air first flows from the compressor plenum 20 through the openings 18 (forming the blocking air supply) in the rear wall 17 of the resonator chamber 15 into the resonator chamber 15 and then through the through-hole 8 of the screw 7 into the combustion chamber (flow path 11).
  • the cooling of Helmholtz resonator 6 and screw 7 is carried out with the same cooling air, the proportion of cooling air, which is guided past the burner, compared to a separate cooling of Helmholtz resonator 6 and screw 7, as necessary would be if the screw 7 was not used at the same time as Resonatorrohr be reduced.
  • FIGS. 2 and 3 a second embodiment is shown very schematically.
  • the same or similar components are provided with the same reference numerals as in the first embodiment for simplicity and for better comparability.
  • Fig. 2 shows, seen from the combustion chamber inside, a section of a combustion chamber 1, which is lined with metallic heat shield plates 21, 22 as heat shield elements.
  • Fig. 3 shows a section through the combustion chamber wall 1 along the line A - A.
  • the heat shield plates 21, 22 are screwed to connecting points 5 by means of screws 7 with the combustion chamber shell 3.
  • Helmholtz resonators 6 are arranged, which are fixed by means of screws 7 on the combustion chamber 1.
  • a passage opening or through-bore 8 in the screws 7 serves, as in the first exemplary embodiment, as a resonator tube of the respective Helmholtz resonator 6.
  • FIG FIG. 3 only one of the Helmholtz resonators 6 shown.
  • a resonator chamber 15 in a modification of the second embodiment, it is also possible for a resonator chamber 15 to expand over a plurality of screws 7.
  • all screws 7, over which the resonator chamber 15 extends can be provided with through-holes and thus form resonator tubes.
  • the adjustment of the resonator volume can be done within operating pauses by means of a suitable tool by hand or during operation.
  • a controller (not shown) is provided, by means of which the adjustment of the resonator volume can be controlled.
  • An automatic adjustment or regulation is possible.
  • an electric motor, a hydraulic adjusting device or a pneumatic adjusting device can be used.
  • the regulation can be done online during operation. With a fully automatic control can take place a continuous or at intervals, adjustment to the strongest vibration frequency.
  • a Helmholtz resonator 6 can be switched off by replacing the screw with through hole against a screw without through hole. Alternatively, the resonator 6 can also be completely removed.
  • the invention is particularly suitable for use in annular combustion chambers with metallic heat shields or in the so-called inlet shells of the combustion chambers with ceramic heat shields ("stones").

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, insbesondere für eine Gasturbine, sowie eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer.
  • Eine Gasturbinenanlage umfasst z.B. einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Im Verdichter erfolgt ein Verdichten von angesaugter Luft, welcher anschließend ein Brennstoff beigemischt wird. In der Brennkammer wird das Gemisch verbrannt, wobei die Verbrennungsabgase der Turbine zugeführt werden. Von der Turbine wird den Verbrennungsabgasen thermische Energie entzogen und in mechanische Energie umgesetzt.
  • Um bei den während des Verbrennungsprozesses vorherrschenden hohen Temperaturen die Funktionssicherheit der Brennkammer dauerhaft zu gewährleisten, wird eine Anzahl von Elementen der Brennkammer mit einem Kühlmassenstrom aus Kühlluft gekühlt. Die Kühlluft dient auch zum Sperren von Öffnungen, bspw. von Spalten zwischen zwei aneinandergrenzenden Hitzeschildelementen einer Brennkammer, d.h. zum Verhindern, dass heißes Gas aus der Brennkammer in die Öffnung eindringt. Dadurch wird die Luftzufuhr zum Brenner reduziert und die Emission von Schadstoffen, wie Stickoxiden, nimmt zu.
  • Um die Schadstoffemissionen von Gasturbinen zu verringern, wird in modernen Anlagen der Kühlmassenstrom verringert. Dadurch wird auch die akustische Dämpfung verringert, so dass thermoakustische Schwingungen zunehmen können. Dabei kann es zu einer sich aufschaukelnden Wechselwirkung zwischen thermischen und akustischen Störungen kommen, die hohe Belastungen der Brennkammer und wiederum steigende Emissionen verursachen können.
  • Außerdem führen Schwankungen in der Brennstoffqualität und sonstige thermische oder akustische Störungen zu Schwankungen in der freigesetzten Wärmemenge und damit der thermodynamischen Leistung der Anlage. Dabei liegt eine Wechselwirkung von akustischen und thermischen Störungen vor, die sich aufschwingen können. Derartige thermoakustische Schwingungen in den Brennkammern von Gasturbinen - oder auch Strömungsmaschinen im allgemeinen - stellen ein Problem bei dem Entwurf und bei dem Betrieb von neuen Brennkammern, Brennkammerteilen und Brennern für derartige Gasturbinen dar.
  • Zum Verringern von thermoakustischen Schwingungen werden deshalb im Stand der Technik z.B. Helmholtz-Resonatoren zur Dämpfung der Schwingungen eingesetzt. Ein Helmholtz-Resonator umfasst in der Regel ein Volumen mit darin befindlicher Luft oder einem anderen Gas. An das Volumen schließt sich ein Rohr, das sog. Resonatorrohr an, in dem sich ebenfalls Luft bzw. Gas befindet und das in die Brennkammer mündet. Die Luft bzw. das Gas im Volumen und im Resonatorrohr bilden ein Feder-Masse-System, wobei die Luft bzw. das Gas im Volumen die Feder und die Luft bzw. das Gas im Resonatorrohr die Masse bildet. Wenn das Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch das Volumen, die Querschnittsfläche des Resonatorrohres und die Länge des Resonatorrohres bestimmt ist, verhält sich der Helmholtz-Resonator wie eine Öffnung mit unendlicher Länge, die verhindert, dass sich eine stehende Welle mit der Resonanzfrequenz ausbilden kann. Das Entstehen von thermoakustischen Schwingungen, welche im Wesentlichen stehende wellen sind, kann so für Frequenzen, die der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators entsprechen oder in deren Nähe liegen, wirksam unterdrückt werden.
  • Die US 6,351,947 Bl zeigt eine Brennkammer mit solchen Helmholtz-Resonatoren.
  • Die zur Brennkammer hin offenen Mündungen der Helmholtz-Resonatoren erfordern jedoch zusätzliche Sperrluft, wodurch die Verbrennungstemperatur wieder erhöht wird. Als Folge dieser Erhöhung steigt der Anteil der Stickoxide in den Verbrennungsabgasen an.
  • Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennkammer mit einer Dämpfungseinrichtung, insbesondere für eine Gasturbine, zur Verfügung zu stellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
  • Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe durch eine Brennkammer nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Gasturbine nach Anspruch 11. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Brennkammer umfasst mindestens ein zu kühlendes Brennkammerelement und wenigstens eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen mit einer zur Brennkammer hin offenen Mündung. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Mündung in das zu kühlende Brennkammerelement integriert ist.
  • Dadurch, dass die Dämpfungseinrichtung in ein zu kühlendes Brennkammerelement integriert ist, erhöht sich die in die Brennkammer eintretende Luftmenge aufgrund des Vorhandenseins des Dämpfungselementes wenn überhaupt, nur geringfügig. Dies resultiert daraus, dass zum Kühlen des Brennkammerelementes alleine sowieso ein Kühlluftstrom nötig ist, der nun gleichzeitig auch zum Sperren der Mündung der Dämpfungseinrichtung dient. Die Verbrennungstemperatur - und damit die Schadstoffbelastung der Verbrennungsabgase - wird daher nicht oder nur geringfügig gesteigert.
  • Zum Zuführen der Sperrluft kann der Mündung in der erfindungsgemäßen der Brennkammer eine Sperrluftzufuhr zugeordnet sein. Diese dient dann gleichzeitig als Kühlluftzufuhr für das Kühlen des zu kühlenden Brennkammerelementes. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Mündung außerdem eine Brennstoffzufuhr derart zugeordnet sein, dass der Sperrluft Brennstoff beigemischt wird. Das Beimischen von Brennstoff zur Sperrluft führt zu einer Absenkung der Verbrennungstemperatur im Hauptbrenner und somit zu einer Verringerung des Schadstoffanteils der Verbrennungsabgase.
  • Die Brennkammer weist eine Brennkammerwandung auf, welche eine Brennkammerschale und eine mittels zu kühlenden Befestigungselementen an der Brennkammerschale befestigte Brennkammerauskleidung umfasst. Die Brennkammerauskleidung kann bspw. ein Hitzeschild sein, insbesondere ein keramischer oder metallischer Hitzeschild. Die Mündung der mindestens einen Dämpfungseinrichtung ist in ein Befestigungselement zum Befestigen der Brennkammerauskleidung an der Brennkammerschale integriert. Mit anderen Worten, in der Erfindung ist das zu kühlende Brennkammerelement als Befestigungselement zum Befestigen der Brennkammerauskleidung ausgebildet. Da die Befestigungselemente sowieso vorhanden sind und einer Kühlung bedürfen, erfordert das Integrieren der Mündung in ein Befestigungselement lediglich eine Umgestaltung des Befestigungselementes, bspw. indem Befestigungsschrauben mit einer axialen Bohrung oder einer sonstigen axialen Durchgangsöffnung versehen werden, so dass sie als Mündung des Dämpfungselementes dienen können. Weitere Umgestaltungen des Inneren der Brennkammer sind in dieser Ausgestaltung nicht nötig. Außer als Befestigungsschraube kann das Befestigungselement auch als ein Befestigungselement, welches wenigstens eine Schiebesitzeinrichtung umfasst, ausgestaltet sein. Eine Schiebesitzeinrichtung befindet sich häufig bspw. am Übergang vom sogenannten "Basket" zum sog. "Transitionpiece" in einer Silobrennkammer. Außer am Übergang vom "Basket" zum "Transitionpiece" kann die Dämpfungseinrichtung auch am Übergang von der Brennkammer zur ersten Leitschauffelreihe angeordnet sein. Dort werden in der Regel recht hohe Sperrluftströme benötigt. Das gilt für Ringbrennkammern und auch für Silobrennkammern.
  • In der erfindungsgemäßen Brennkammer kann das Dämpfungselement insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das zu kühlende Brennkammerelement einen Teil der Dämpfungseinrichtung bildet. Bspw. kann eine Befestigungsschraube mit axialer Durchgangsbohrung das Resonatorrohr eines Helmholtz-Resonators bilden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Dämpfungseinrichtung als Helmholtz-Resonator, insbesondere als Helmholtz-Resonator mit veränderbarer Resonanzfrequenz ausgeführt. Beispielsweise kann die Veränderbarkeit der Resonanzfrequenz dadurch erreicht werden, dass das Volumen des Helmholtz-Resonators veränderbar ausgestaltet ist. Eine Volumenänderung kann z.B. über eine verstellbare Rückwand des Resonators erzielt werden.
  • Der Helmholtz-Resonator kann auch mehrere Mündungen umfassen, die jeweils in ein zu kühlendes Brennkammerelement integriert sind. Bspw. können mehrere Resonatorrohre desselben Helmholtz-Resonators in verschiedene Befestigungsschrauben integriert sein.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Dämpfungseinrichtung als λ/4-Rohr, also als Rohr mit einem Viertel der Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingung, ausgebildet.
  • Eine erfindungsgemäße Gasturbine umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Brennkammer.
  • Obwohl die Erfindung hier insgesamt mit Bezug auf Brennkammern von Gasturbinen beschrieben wird, ist der Einsatz nicht auf Gasturbinen beschränkt. Es ist ebenso möglich, die Erfindung bei anderen Turbinen und Strömungsmaschinen bzw. bei Brennkammern im Allgemeinen einzusetzen.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
  • Fig. 1 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt aus der Brennkammerwandung einer erfindungsgemäßen Brennkammer in einer stark schematischen Darstellung.
  • Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Brennkammerwandung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung von der Brennkammerinnenseite her gesehen.
  • Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 2 dargestellten Brennkammerwandung.
  • In Figur 1 ist als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine erfindungsgemäße Brennkammer einer Gasturbine dargestellt. Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus der Brennkammerwandung 1, welche eine Brennkammerschale 3 und einen metallischen Hitzeschild 4 umfasst. Der metallische Hitzeschild 4 ist aus einer Anzahl von Hitzeschildelementen 2 aufgebaut, die jeweils mittels einer Schraube 7 als Befestigungselement an einer Verbindungsstelle 5 an der Brennkammerschale 3 fixiert sind. Die Schrauben 7 stellen wie die Hitzeschildelemente 2 mittels Kühlluft zu kühlende Brennkammerelemente dar.
  • Zur Dämpfung von akustischen Schwingungen in der Brennkammer ist diese mit mindestens einer Dämpfungseinrichtung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als in die Brennkammer mündender Helmholtz-Resonator 6 ausgebildet ist, ausgestattet. Der Helmholtz-Resonator 6 ist im Bereich einer Verbindungsstelle 5 an der Brennkammerwandung 1 angebracht. Er wird mittels eines Befestigungselementes oder mehrerer Befestigungselemente (nicht dargestellt) an der Brennkammerwandung 1 gehalten. In einer alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, den Helmholtz-Resonator 6 mittels der Schraube 7 an der Brennkammerwandung 1 zu halten. In diesem Fall dient die Schraube 7 dann sowohl zum Halten des Hitzeschildelementes 2 als auch zum Halten des Helmholtz-Resonators 6, so dass ein zusätzliches Befestigungselement zum Halten des Helmholtz-Resonators 6 nicht nötig ist.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können auch weitere an Verbindungsstellen 5 angebrachte Dämpfungseinrichtungen vorhanden sein.
  • Der Helmholtz-Resonator 6 umfasst einen Resonatorraum 15 und ein Resonatorrohr, auch Resonatorhals genannt. Das Resonatorrohr wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Schraube 7 gebildet, die zu diesem Zweck eine Durchgangsbohrung 8 aufweist. Ein Ende 9 der Durchgangsbohrung 8 mündet in den Resonatorraum 15. Das andere Ende 10 der Durchgangsbohrung 8 mündet in die Brennkammer und stellt die Mündung des Helmholtz-Resonators 6 in die Brennkammer dar. Die Dämpfungswirkung des Helmholtz-Resonators 6 beruht darauf, dass sich die im Resonatorraum 15 und im Resonatorrohr 8 befindliche Luft wie ein Feder-Masse-System verhält. Dabei stellt die im Resonatorraum 15 befindliche Luft die Feder und die im Resonatorrohr 8 befindliche Luft die Masse dieses Systems dar. Wenn dieses Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch das Volumen V des Resonatorraumes 15, die Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8, und durch die Länge L der Durchgangsbohrung 8 (also der Schraube 7) bestimmt ist, verhält sich der Helmholtz-Resonator 6 wie eine Öffnung mit unendlicher Länge, so dass sich keine stehende Welle mit der Resonanzfrequenz ausbilden kann. Das Entstehen von thermoakustischen Schwingungen, welche im Wesentlichen stehende Wellen sind, kann so für Frequenzen, die der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators entsprechen oder in deren Nähe liegen, wirksam unterdrückt werden.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Resonator 6 im Wesentlichen zylindersymmetrisch zur Schraube 7 ausgeführt.
  • Es sind aber auch Ausgestaltungen möglich, die keine Symmetrie aufweisen.
  • Durch Anpassen der Länge L der Schraube 7 und der Höhe H, mit der die Schraube 7 in den Resonatorraum 15 hinein ragt, und/oder der Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8 und/oder des Volumens V des Resonatorraumes 15 kann die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 6 eingestellt werden. Z.B. führt ein Vergrößern des Volumens V des Resonatorraumes 15 oder der Länge L des der Schraube 7 zu einer verringerten Resonanzfrequenz. Ein Vergrößern der Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8 führt dagegen zu einer vergrößerten Resonanzfrequenz.
  • Um die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators einzustellen, sind verschiedene Vorgehensweisen möglich.
  • Zum Verändern des Volumens V des Resonatorraumes 15 kann bspw. die Rückwand 17 des Helmholtz-Resonators 6 verstellbar ausgebildet sein. An der zylindrischen Seitenwand 12 des Helmholtz-Resonators 6 ist dann bspw. ein Gewinde 16 vorhanden, in welches ein passendes Gegengewinde der Rückwand 17 eingreift. Durch Verdrehen der Rückwand 17, was auch automatisch über einen nicht dargestellten Elektromotor erfolgen kann, kann das Volumen V des Resonatorraumes 15 und damit die Resonatorfrequenz in gewünschter Weise verändert werden. Es ist aber auch möglich, das Volumen durch Austausch des Resonatorraumes 15 gegen einen Resonatorraum 15 mit anderem Volumen zu verändern.
  • Außerdem kann durch Austausch der Schraube 7 die Länge L der Schraube und/oder die Querschnittsfläche F der Durchgangsbohrung 8 verändert werden. So kann z.B., um die Resonanzfrequenz zu erhöhen, eine Schraube 7 eingesetzt werden, deren Bohrung 8 eine größere Querschnittsfläche F als die zuvor eingesetzte Schraube 7 aufweist. Es kann zum gleichen Zweck aber auch eine Schraube 7 mit geringerer Länge L eingesetzt werden. Auch durch Einstellen der Höhe H, mit der die Schraube 7 in den Resonatorraum 15 hinein ragt, mittels der Wahl einer geeigneten Schraube 7 kann die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 6 beeinflusst werden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Resonatorraum 15 an der kalten Seite, d.h. an der der Brennkammer abgewandten Außenseite der Brennkammerschale 3 angebracht und ragt in das Kompressorplenum 20 hinein. Um eine Luftzufuhr für eine Prallkühlung der Hitzeschildelemente 2 zu ermöglichen, sind zwischen dem Resonatorraum 15 und der Außenseite der Brennkammerschale 3 lokal Abstandshalter 19 angebracht, die einen Abstand zwischen der Brennkammerschale 3 und dem Resonatorraum 15 sicherstellen und so ein Strömen vom unter Druck stehender Kühlluft zwischen der Brennkammerschale 3 und dem Resonatorraum 15 ermöglichen. Durch Prallkühlungsbohrungen 14 kann Kühlluft dann vom Kompressorplenum 20 aus entlang der Strömungswege 13 an die dem Brennkammerinneren abgewandte Seite, die sog. Kaltseite der Hitzeschildelemente 2 geleitet werden, wo sie für eine Prallluftkühlung der Hitzeschildelemente 2 sorgt. Die Prallluft strömt nach dem Auftreffen auf die Kaltseiten entlang der Strömungspfade 23 durch Spalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 2 in die Brennkammer ein, wobei sie die Spalte gegen ein Eindringen von heißem Gas der Brennkammer sperrt.
  • Die Kühlung der Schraube 7 erfolgt zusammen mit dem Sperren der Mündung 10 des Helmholtz-Resonators 6 gegen ein Eindringen von heißem Gas. Die Luft strömt zuerst aus dem Kompressorplenum 20 durch die Öffnungen 18 (die die Sperrluftzufuhr bilden) in der Rückwand 17 des Resonatorraumes 15 in den Resonatorraum 15 und dann durch die Durchgangsbohrung 8 der Schraube 7 in die Brennkammer ein (Strömungspfad 11). Dadurch dass die Kühlung von Helmholtz-Resonator 6 und Schraube 7 mit derselben Kühlluft erfolgt, kann der Anteil an Kühlluft, die am Brenner vorbei geführt wird, gegenüber einer getrennten Kühlung von Helmholtz-Resonator 6 und Schraube 7, wie sie nötig wäre, wenn die Schraube 7 nicht gleichzeitig als Resonatorrohr diente, verringert werden.
  • In Figuren 2 und 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel stark schematisch dargestellt. Gleiche oder ähnliche Komponenten werden der Einfachheit und der besseren Vergleichbarkeit halber mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.
  • In Fig. 2 zeigt, vom Brennkammerinneren aus gesehen, einen Ausschnitt aus einer Brennkammerwandung 1, die mit metallischen Hitzeschildplatten 21, 22 als Hitzeschildelementen ausgekleidet ist. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Brennkammerwandung 1 entlang der Linie A - A.
  • Die Hitzeschildplatten 21, 22 sind an Verbindungsstellen 5 mittels Schrauben 7 mit der Brennkammerschale 3 verschraubt. An den Verbindungsstellen 5 sind Helmholtz-Resonatoren 6 angeordnet, die mittels der Schrauben 7 an der Brennkammerwandung 1 fixiert sind. Eine Durchgangsöffnung bzw. Durchgangsbohrung 8 in den Schrauben 7 dient wie im ersten Ausführungsbeispiel als Resonatorrohr des jeweiligen Helmholtz-Resonators 6. Der Einfachheit halber ist in Figur 3 lediglich einer der Helmholtz-Resonatoren 6 dargestellt.
  • In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, dass sich ein Resonatorraum 15 über mehrere Schrauben 7 ausdehnt. In diesem Fall können alle Schrauben 7, über die sich der Resonatorraum 15 erstreckt, mit Durchgangsbohrungen versehen sein und somit Resonatorrohre bilden. Alternativ ist es auch möglich, nur einige oder gar nur eine einzige der Schrauben 7, über die sich der Resonatorraum 15 erstreckt, mit einer Durchgangsbohrung 8 zu versehen. Die übrigen Schrauben 7 dienen dann lediglich als Befestigungsschrauben für den die Hitzeschildplatten oder für die Hitzeschildplatten 21, 22 und den Helmholtz-Resonator.
  • In den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Einstellen des Resonatorvolumens innerhalb von Betriebspausen mittels eines geeigneten Werkzeuges von Hand oder auch während des Betriebes erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Steuerung (nicht dargestellt) vorgesehen, mittels derer das Verstellen des Resonatorvolumens gesteuert werden kann. Auch eine automatische Einstellung oder Regelung ist möglich. Es können bspw. ein Elektromotor, eine hydraulische Stelleinrichtung oder eine pneumatische Stelleinrichtung eingesetzt werden. Durch eine gesteuerte automatische Verstellung wird der Aufwand zur nachträglichen Einstellung der Resonatorfrequenz besonders gering gehalten. Die Regelung kann online während des Betriebes erfolgen. Mit einer vollautomatischen Regelung kann eine kontinuierliche oder in gewissen Zeitabständen erfolgende Justage auf die stärkste Schwingungsfrequenz erfolgen. Durch eine entsprechende Anpassung des Resonators 6 kann auf veränderte Bedingungen, wie z.B. eine veränderte Brennstoffzusammensetzung, reagiert und eine Anpassung der Resonanzfrequenz durchgeführt werden. Die einfache Verstellbarkeit ist insbesondere vorteilhaft bei der Prototyperprobung und auch bei der Inbetriebnahme einer Gasturbine. Ein erheblicher Vorteil der einfachen Einstellbarkeit ergibt sich nicht nur durch den Betrieb mit unterschiedlichen Brennstoffen, sondern auch bei stark unterschiedlichen Betriebsbedingungen, hervorgerufen z.B. durch erhebliche Änderungen der Umgebungstemperatur.
  • In den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein Helmholtz-Resonator 6 durch Austausch der Schraube mit Durchgangsbohrung gegen eine Schraube ohne Durchgangsbohrung abgeschaltet werden. Alternativ kann der Resonator 6 auch ganz entfernt werden.
  • Statt der beschriebenen Helmholtz-Resonatoren können auch andere Dämpfungseinrichtungen, bspw. λ/4-Rohre Verwendung finden.
  • Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung bei Ringbrennkammern mit metallischen Hitzeschilden bzw. bei den sogenannten Einlaufschalen der Brennkammern mit keramischen Hitzeschilden ("Steinen").

Claims (11)

  1. Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbine mit mindestens einem zu kühlenden Befestigungselement (7) und wenigstens einer Dämpfungseinrichtung (6) zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen mit einer zur Brennkammer hin offenen Mündung (10) wobei die Mündung (10) in das zu kühlende Befestigungselement (7) so integriert ist, dass zum Kühlen des Befestigungselements alleine sowieso ein Kühlluftstrom nötig ist, der gleichzeitig auch zum Sperren der Mündung der Dämpfungseinrichtung dient dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer eine Brennkammerwandung (1) umfasst, welche eine Brennkammerschale (3) und eine mittels zu kühlenden Befestigungselementen (7) an der Brennkammerschale (3) befestigte Brennkammerauskleidung (4) umfasst, so dass die Mündung (10) der mindestens einen Dämpfungseinrichtung (6) in ein Befestigungselement (7) zum Befestigen der Brennkammerauskleidung (4) an der Brennkammerschale (3) integriert ist.
  2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündung (10) eine Sperrluftzufuhr (18) zum Zuführen von die Mündung (10) gegen den Eintritt von heißem Gas aus der Brennkammer sperrenden Sperrluft zugeordnet ist.
  3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündung (10) außerdem eine Brennstoffzufuhr derart zugeordnet ist, dass der Sperrluft Brennstoff beigemischt wird.
  4. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement eine Befestigungsschraube (7) ist.
  5. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement wenigstens eine Schiebesitzeinrichtung umfasst.
  6. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerauskleidung ein Hitzeschild (4) ist.
  7. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung als Helmholtz-Resonator (6) ausgeführt ist.
  8. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (6) als Helmholtz-Resonator mit veränderbarer Resonanzfrequenz ausgestaltet ist.
  9. Brennkammer nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, der Helmholtz-Resonator (6) mehrere Mündungen (10) zur Brennkammer hin umfasst, welche jeweils in ein zu kühlendes Befestigungselement (7) integriert sind.
  10. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Dämpfungseinrichtung als λ/4-Rohr ausgebildet ist.
  11. Gasturbine mit wenigstens einer Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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