EP1624251A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in Brennkammern mit veränderbarer Resonanzfrequenz - Google Patents

Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in Brennkammern mit veränderbarer Resonanzfrequenz Download PDF

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EP1624251A1
EP1624251A1 EP04018395A EP04018395A EP1624251A1 EP 1624251 A1 EP1624251 A1 EP 1624251A1 EP 04018395 A EP04018395 A EP 04018395A EP 04018395 A EP04018395 A EP 04018395A EP 1624251 A1 EP1624251 A1 EP 1624251A1
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EP
European Patent Office
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resonator
neck
control
combustion chamber
resonator neck
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EP04018395A
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Sven Dr. Bethke
Tobias Dr. Buchal
Michael Dr. Huth
Harald Nimptsch
Bernd Dr. Prade
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Siemens AG
Original Assignee
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
    • F23R3/002—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
    • 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 present invention relates to a device for damping acoustic oscillations in combustion chambers of a gas turbine with a resonator with variable resonance frequency, as well as a gas turbine.
  • a gas turbine plant comprises in the simplest case a compressor, a combustion chamber and a turbine.
  • the compressor there is a compression of sucked air, which is then admixed with a fuel.
  • the combustion chamber the mixture is combusted, the combustion exhaust gases being supplied to the turbine, from which energy is withdrawn from the combustion exhaust gases and converted into mechanical energy.
  • 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.
  • the exhaust gases produced during the combustion process have a high temperature.
  • the combustion exhaust gases are therefore diluted with cooling air to lower the temperature to a level acceptable for the combustion chamber wall and the turbine components.
  • dilution can lead to higher emissions of pollutants.
  • the cooling air mass flow is in modern systems reduced. This also reduces the acoustic damping, so that thermoacoustic vibrations can increase. This can lead to a aufschaukelnden interaction between thermal and acoustic disturbances that bring high loads of the combustion chamber with it and can partially cancel the reduction of pollutant emissions.
  • thermoacoustic oscillations In particular, by the use of different fuels, but also in the partial load range or e.g. when starting the system, the frequencies shift under which increased thermoacoustic vibrations occur. If the damping device remains the same, it then does not work in the most favorable operating point calculated in advance and can no longer optimally damp the occurring thermoacoustic oscillations. This leads in addition to the disadvantages already described also to a higher noise pollution.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for damping thermoacoustic oscillations in combustion chambers of gas turbines, wherein the resonant frequency for damping thermoacoustic oscillations in gas turbines can be changed with structurally simple means.
  • thermoacoustic oscillations in combustion chambers of a gas turbine according to claim 1 and by a gas turbine according to claim 9.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • a device for damping thermoacoustic oscillations, in particular thermoacoustic oscillations in a combustion chamber of a gas turbine, comprises at least one Helmholtz resonator whose resonant frequency is variable.
  • the Helmholtz resonator has a resonator neck, wherein at least one dimension of the resonator neck is variable.
  • a dimension of the resonator neck is directly influenced. Because a dimension of the resonator neck can be changed directly, the frequency of the resonator can be adjusted by simple means. In the known state of the art, however, the outer dimension of the resonator neck remains unchanged.
  • the effective cross-sectional area of the resonator neck can be changed. This can be achieved in particular by the fact that the cross-sectional area of the resonator neck itself is variable.
  • the resonator neck advantageously comprises at least one or more resonator tubes. In particular, at least the cross-sectional area of at least one resonator tube is then variable.
  • At least the effective length of the resonator neck is variable.
  • the length of one or more tubes forming the resonator neck is variable.
  • a tube can be made shorter and / or extendable. This can be done for example via two couplable parts that can be connected in series to extend the resonator neck or shorten.
  • a change of both the cross section and the length of the resonator neck can be made to set the resonant frequency of the Helmholtz resonator.
  • the resonator neck comprises at least two resonator tubes.
  • each of the tubes ends on one side in the resonator chamber and preferably on the other side in the combustion chamber.
  • the resonator neck is formed by two, three or more resonator tubes.
  • one of the resonator tubes can be closed in order to change the frequency.
  • f c / ( 2 ⁇ ) ( S / ( L V ) ) 1 ⁇ 2 describe.
  • c is the speed of sound in the medium
  • V the volume of the resonator chamber
  • L the length
  • S the cross-sectional area of the resonator neck.
  • the resonance frequency is reduced, and vice versa.
  • the resonance frequency is also reduced and increased by shortening.
  • a partial closing of the resonator neck as a whole or of one or more resonator tubes is also possible. This can e.g. be realized by changing the free flow cross-section of one or more resonator tubes.
  • the dimensions of the individual resonator tubes may be the same or different. It is possible that only the dimension of one of a plurality of resonator tubes is changeable.
  • the adjustment of the resonator can be possible in all embodiments manually with a suitable tool or by hand after opening the turbine housing. Even if this can be done only during the standstill of the machine, the adjustment with a relatively low installation effort is feasible, especially compared to the cost of replacing entire resonators.
  • At least one movable control element is provided, which cooperates with the resonator neck.
  • the control element cooperates with the opening of at least one resonator tube.
  • the control is movable, in particular it is rotatable and / or displaceable.
  • a controlled adjustment of the dimension (s) of the resonator neck takes place by means of a control device.
  • the adjustment can also be done automatically and also regulated. It is possible, for example, an electric motor, which moves the respective control to one or more Adjust the dimensions of the resonator neck.
  • the use of a hydraulic actuator is possible.
  • Particularly preferred is a controlled adjustment, so that an automatic adjustment of the control is effected in dependence on the determined thermoacoustic oscillations. Then an effective damping can be ensured within the control range.
  • the inventive manual or automatic adjustability is particularly advantageous in the prototype testing and also during commissioning.
  • a significant advantage of the ease of adjustability results not only from the operation with different fuels, but also under widely varying operating conditions, e.g. due to significant ambient temperature changes.
  • the control element may have one or more control openings, e.g. have different dimensions.
  • control openings e.g. have different dimensions.
  • control openings with different diameters and / or different lengths are possible.
  • control openings of different dimensions cooperate with at least one opening of the resonator neck.
  • control element has a substantially conical shape.
  • Preferred is e.g. an embodiment as a pin with a substantially conical end 15, which forms a closure cone.
  • Preferred developments are those in which the position of the control element can be controlled and / or regulated from the outside.
  • the object of the invention is also achieved by a gas turbine with a device according to the invention for damping thermoacoustic oscillations.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the device according to the invention for damping acoustic vibrations in a combustion chamber of a gas turbine.
  • the device 1 comprises a Helmholtz resonator 2, which has a resonator chamber 3 and a resonator neck 4, via which the Helmholtz resonator 2 is connected to a combustion chamber of a gas turbine.
  • the Helmholtz resonator 2 is designed substantially cylindrically symmetrical with respect to a longitudinal or central axis. However, embodiments are also possible which have no symmetry.
  • the resonator neck 4 is formed in total by three independent resonator tubes 5, 6 and 7, which, viewed from the combustion chamber, protrude into the resonator chamber 3.
  • the three resonator tubes have a tube length 5a, 6a and 7a, respectively.
  • the tube length is the same in each case.
  • the cross-sectional area of the resonator neck 4 is influenced by the individual open cross-sectional areas 5b, 6b, 7b of the three independent resonator tubes 5, 6 and 7.
  • a partial closing of one or more of the resonator tubes 5, 6, 7 changes the effective cross-sectional area of the resonator neck 4, which is composed of the cross-sectional areas 5b, 6b and 7b. It is thus possible to adjust the resonator frequency.
  • a control disk 8 is provided, which is rotatably mounted about a rotation axis 12.
  • the axis of rotation 12 and the central center axis coincide.
  • the cross-sectional areas 5b, 6b, 7b of the three resonator tubes 5, 6 and 7 are different in this embodiment.
  • the largest cross-sectional area 5b has the resonator tube 5, the smallest cross-sectional area 7b the resonator tube. 7
  • control disk 8 On the control disk 8 openings 9, 10 and 11 are provided, which are axially aligned with the resonator tubes 5, 6 and 7 are aligned by the control disk 8 is rotated accordingly. With different cross-sectional areas of the resonator tubes 5, 6 and 7, a resonator tube or a plurality of resonator tubes 5, 6, 7 can then be opened by targeted rotation of the control disc 8, while the remaining resonator tubes remain closed in order to adapt the resonant frequency to the given conditions.
  • the control disk is arranged in the resonator chamber 3 in total.
  • the adjustment can be made during breaks by means of a suitable tool by hand or during operation.
  • a controller (not shown) is provided, by means of which an adjustment can be controlled.
  • An automatic adjustment or regulation is possible. This can be done online during the operation. With a fully automatic control can take place a continuous or at intervals, adjustment to the strongest vibration frequency.
  • the cross-sectional areas 5b, 6b and 7b of the resonator tubes 5, 6 and 7 may also be the same in other embodiments.
  • By partially or completely opening a second or third resonator tube the cross section of the resonator neck 4 as a whole is varied, and a suitable attenuation frequency can be set.
  • a dimension of the resonator neck 4 is changed.
  • the cross-sectional area of the resonator neck 4 is increased, which increases the resonance frequency of the Helmholtz resonator 2. Therefore, by changing a dimension of the resonator neck, an effective change in the resonant frequency of the resonator is possible, so that the resonator 2 can be adapted to the vibrations to be damped. As a result, changed conditions, such as an altered fuel composition, reacts and an adjustment of the resonant frequency are performed.
  • the device 1 comprises a Helmholtz resonator 2 with a resonator chamber 3 and a resonator neck 4, which in turn is formed by three resonator tubes 5, 6 and 7, which also here have different cross sections.
  • the control is designed here as a control slide 13. Instead of a spool 13 but can also be used a rotatable camshaft.
  • the openings 9, 10 and 11 By means of the control slide 13, the openings 9, 10 and 11, a targeted opening and closing of the three resonator tubes 5, 6 and 7 is possible.
  • a targeted influencing of the cross section of the three resonator tubes By a targeted influencing of the cross section of the three resonator tubes, a dimension of the resonator neck 4 can be effectively changed, whereby the resonance frequency of the resonator 2 is changed.
  • the spool 13 may be performed through a side opening in the Helmholtz resonator 2 and displaced along the control direction 14. It is also possible, the control slide 13 is completely received by the Helmholtz resonator 2 in all control positions.
  • FIG. 3 shows a third embodiment, in which also a device 1 with a Helmholtz resonator 2, which has a resonator 3 and a resonator neck 4, is provided.
  • the resonator neck 4 in this exemplary embodiment comprises only a single resonator tube 5.
  • a targeted change of the effective flow cross-section of the resonator tube 5 is possible by means of a control cone 15.
  • the control cone 15 is moved along the control direction 16.
  • the resonator tube 5 partially - or completely if necessary - are closed.
  • an annular gap remains open.
  • the effective flow cross section depends on how deep the control cone 15 is lowered into the resonator tube 5. Changing the effective flow area affects the resonant frequency.
  • a plurality of resonator tubes 5 may also be provided, e.g. two, three, four or more, each having an adjustable by means of a control cone effective flow cross-section.
  • a respective Helmholtz resonator 2 with a resonator chamber 3 and a resonator neck 4 formed by a respective resonator tube 5 is shown.
  • the length of the resonator neck 4 is influenced, as a result of which an effective frequency change of the resonator 2 is likewise possible.
  • control element is a control disk 17 rotatable about an axis of rotation 18 and in the example according to FIG. 5 a control valve 23 is provided as a control element, which is displaceable along a control direction 24.
  • the thickness of the control disk 17 varies over its circumference, while the thickness of the control slide varies over its length. The change in thickness can take place continuously or in stages.
  • through holes 9, 10 and 11 are present, for example. Can be realized as through holes.
  • the respective control element 17 or 23 has a thickness 20, at the location of a second bore 10 a thickness 21 and at the location of a third bore 11 a thickness 22, wherein the thickness 22 is greater than the thickness 21 and the thickness 20 has the smallest dimension.
  • the respective bores can be brought into a position aligned with the resonator tube 5.
  • the first bore 9 is shown in alignment with the resonator tube 5.
  • the resonator neck 4 in this case has a total length 25, which results from the length 19 of the resonator tube 5 and the thickness 20 of the control disk 17 and the spool 23, that is, the length of the respective aligned hole 9.
  • the total length 25 results as the sum of the length 19 and the thickness 21, and when adjusted to the opening or bore 11 results in the total length 25 as the sum of the length 19 and the thickness 22nd
  • control discs or spools may be present with more than three openings, in which each opening has a different length.

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, insbesondere von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine, umfasst mindestens einen Helmholtz-Resonator (1), dessen Resonanzfrequenz veränderbar ist. Der Helmholtz-Resonator (1) weist einen Resonatorhals (4) auf, wobei wenigstens eine Abmessung des Resonatorhalses (4) veränderbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von akustischen Schwingungen in Brennkammern einer Gasturbine mit einem Resonator mit veränderbarer Resonanzfrequenz, sowie eine Gasturbine.
  • Eine Gasturbinenanlage umfasst im einfachsten Fall eine Verdichter, eine Brennkammer sowie eine Turbine. Im Verdichter erfolgt ein Verdichten von angesaugter Luft, welcher anschließend ein Brennstoff beigemischt wird. In der Brennkammer erfolgt eine Verbrennung des Gemisches, wobei die Verbrennungsabgase der Turbine zugeführt werden, von der den Verbrennungsabgasen Energie entzogen und in mechanische Energie umgesetzt wird.
  • Schwankungen in der Brennstoffqualität und sonstige thermische oder akustische Störungen führen jedoch 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.
  • Die beim Verbrennungsprozess entstehenden Abgase haben eine hohe Temperatur. Die Verbrennungsabgase werden deshalb mit Kühlluft verdünnt, um die Temperatur auf ein für die Brennkammerwand und die Turbinenbauteile vertretbares Maß herabzusetzen. Das Verdünnen kann jedoch zu einem höheren Ausstoß an Schadstoffen führen. Um Schadstoffemissionen von Gasturbinen zu verringern, wird in modernen Anlagen der Kühlluftmassenstrom 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 mit sich bringen und die Verringerung der Schadstoffemissionen teilweise wieder aufheben können.
  • Zur Verringerung von thermoakustischen Schwingungen werden deshalb im Stand der Technik z.B. Helmholtz-Resonatoren zur Schwingungsdämpfung der Brennkammern von Gasturbinen eingesetzt, die - innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes - die Amplitude von Schwingungen wirksam dämpfen. Bei stärker abweichenden Frequenzen läßt die Wirkung mit zunehmendem Frequenzunterschied erheblich nach.
  • Insbesondere durch die Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe, aber auch im Teillastbereich oder z.B. beim Starten der Anlage verschieben sich die Frequenzen, unter denen verstärkte thermoakustische Schwingungen auftreten. Bei gleichbleibender Dämpfungsvorrichtung arbeitet diese dann nicht im vorausberechneten günstigsten Betriebspunkt und kann die auftretenden thermoakustischen Schwingungen nicht mehr optimal dämpfen. Das führt neben den schon beschriebenen Nachteilen auch zu einer höheren Lärmbelastung.
  • Aus der DE 100 04 991 A1 ist ein Helmholtz-Resonator zur drehzahlabhängigen Dämpfung der Ansaug- oder Abgasgeräusche eines Verbrennungsmotors bekannt geworden, bei dem der zur Resonatorkammer führende Hals von Verbrennungsluft durchströmt wird. In dem Hals sind zwei in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnete seitliche Öffnungen vorgesehen, deren Querschnitt veränderbar ist. Durch eine Veränderung der Größe der seitlichen Öffnungen kann bei diesem bekannten Resonator die Resonanzfrequenz eingestellt werden. Diese Lösung bedingt einen Resonatorhals mit beträchtlicher Länge, da die beiden seitlichen Öffnungen voneinander beabstandet sind. Eine Umsetzung dieser Lösung auf Gasturbinen ist nicht immer möglich, da sich die konstruktiven Voraussetzungen von Gasturbinen von denen eines Verbrennungsmotors für z.B. Kraftfahrzeuge unterscheiden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in Brennkammern von Gasturbinen zur Verfügung zu stellen, wobei mit konstruktiv einfachen Mitteln die Resonanzfrequenz zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in Gasturbinen veränderbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in Brennkammern einer Gasturbine nach Anspruch 1 und durch eine Gasturbine nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, insbesondere von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine, umfasst mindestens einen Helmholtz-Resonator, dessen Resonanzfrequenz veränderbar ist. Der Helmholtz-Resonator weist einen Resonatorhals auf, wobei wenigstens eine Abmessung des Resonatorhalses veränderbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird also direkt eine Abmessung des Resonatorhalses beeinflusst. Dadurch, dass direkt eine Abmessung des Resonatorhalses veränderbar ist, wird über einfache Mittel die Frequenz des Resonators einstellbar. Im bekannten Stand der Technik bleibt die Außenabmessung des Resonatorhalses hingegen unverändert.
  • In einer Weiterbildung ist wenigstens die wirksame Querschnittsfläche des Resonatorhalses veränderbar. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Querschnittsfläche des Resonatorhalses selbst veränderbar ist. Der Resonatorhals umfasst vorteilhafterweise wenigstens ein oder mehrere Resonatorrohre. Insbesondere ist dann wenigstens die Querschnittsfläche wenigstens eines Resonatorrohres veränderbar.
  • In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens die wirksame Länge des Resonatorhalses veränderbar. Vorzugsweise ist insbesondere die Länge eines oder mehrerer den Resonatorhals bildender Rohre veränderbar. Dazu kann ein Rohr verkürzbar und/oder verlängerbar ausgeführt sein. Das kann beispielsweise über zwei koppelbare Teile erfolgen, die hintereinander geschaltet werden können, um den Resonatorhals zu verlängern bzw. zu verkürzen.
  • Insbesondere kann zum Einstellen der Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators auch eine Veränderung sowohl des Querschnittes als auch der Länge des Resonatorhalses erfolgen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Resonatorhals wenigstens zwei Resonatorrohre. Dabei endet jedes der Rohre auf der einen Seite in der Resonatorkammer und vorzugsweise auf der anderen Seite in der Brennkammer. Bei dieser Ausgestaltung wird der Resonatorhals durch zwei, drei oder mehr Resonatorrohre gebildet. In einem einfachen Fall kann eines der Resonatorrohre verschließbar sein, um die Frequenz zu verändern.
  • Die Resonanzfrequenz eines Helmholtz-Resonators lässt sich näherungsweise durch die Gleichung f = c / ( 2  π ) ( S / ( L V ) ) ½
    Figure imgb0001
     beschreiben. Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit im Medium, V das Volumen der Resonatorkammer, L die Länge und S die Querschnittsfläche des Resonatorhalses.
  • Durch Verschließen eines Teils des Resonatorhalses wird die Querschnittsfläche S verringert, wodurch die Resonanzfrequenz verringert wird, und umgekehrt. Durch eine Verlängerung des Resonatorhalses wird die Resonanzfrequenz ebenfalls verringert und durch eine Verkürzung erhöht.
  • Bei Veränderung des Querschnittsfläche des Resonatorhalses ist auch ein teilweises Verschließen des Resonatorhalses insgesamt oder eines oder mehrerer Resonatorrohre möglich. Das kann z.B. über ein Verändern des freien Strömungsquerschnittes eines oder mehrerer Resonatorrohre realisiert sein.
  • Wenn z.B. zwei oder mehr Resonatorrohre vorgesehen sind, dann können die Abmessungen der einzelnen Resonatorrohre gleich oder auch unterschiedlich sein. Es ist möglich, dass nur die Abmessung eines von mehreren Resonatorrohren veränderbar ist.
  • Die Verstellung des Resonators kann in allen Ausgestaltungen manuell mit einem geeigneten Werkzeug oder auch per Hand nach Öffnen des Turbinengehäuses möglich sein. Selbst wenn das nur während des Stillstandes der Maschine erfolgen kann, ist die Anpassung mit einem relativ geringen Montageaufwand durchführbar, insbesondere im Vergleich zum Aufwand des Austausches ganzer Resonatoren.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung ist wenigstens ein bewegliches Steuerelement vorgesehen ist, welches mit dem Resonatorhals zusammenwirkt. Vorzugsweise wirkt das Steuerelement mit der Öffnung wenigstens eines Resonatorrohres zusammen. Vorzugsweise ist das Steuerelement bewegbar, insbesondere ist es drehbar und/oder verschiebbar.
  • Es ist ebenso möglich, dass mittels einer Steuereinrichtung ein gesteuertes Verstellen der Abmessung(en) des Resonatorhalses erfolgt. Die Verstellung kann auch automatisch und auch geregelt erfolgen. Möglich ist z.B. ein Elektromotor, der das jeweilige Steuerelement verfährt, um eine oder mehrere Abmessungen des Resonatorhalses einzustellen. Auch der Einsatz einer hydraulischen Stelleinrichtung ist möglich. Durch eine gesteuerte automatische Verstellung wird der Aufwand zur nachträglichen Einstellung der Resonanzfrequenz besonders gering gehalten.
  • Besonders bevorzugt ist eine geregelte Verstellung, so dass in Abhängigkeit von den ermittelten thermoakustischen Schwingungen eine automatische Verstellung des Steuerelements bewirkt wird. Dann kann innerhalb des Regelbereiches eine wirksame Dämpfung gewährleistet werden.
  • Die erfindungsgemäße manuelle oder auch automatische Verstellbarkeit ist insbesondere vorteilhaft bei der Prototyperprobung und auch bei der Inbetriebnahme. Eine 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 Umgebungstemperaturänderungen.
  • Das Steuerelement kann eine oder mehrere Steueröffnungen aufweisen, die z.B. unterschiedliche Abmessungen haben. Insbesondere Steueröffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder unterschiedlicher Länge sind möglich. Vorzugsweise wirken Steueröffnungen unterschiedlicher Abmessungen mit wenigstens einer Öffnung des Resonatorhalses zusammen.
  • Es ist möglich, dass das Steuerelement eine im Wesentlichen kegelförmige Gestalt aufweist. Bevorzugt ist z.B. eine Ausführung als Stift mit im Wesentlichen kegelförmigem Ende 15, der einen Verschlusskegel bildet. Durch ein Einführen eines derartigen Steuerelements in ein Resonatorrohr kann die freie Querschnittsfläche des Resonatorrohres wirksam verändert werden.
  • Bevorzugt sind Weiterbildungen, bei denen die Position des Steuerelements von außen steuer- und/oder regelbar ist.
  • Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung auch durch eine Gasturbine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen gelöst.
  • Obwohl die Erfindung hier insgesamt mit Bezug auf Gasturbinen beschrieben wird, ist der Einsatz nicht auf Gasturbinen beschränkt. Es ist ebenso möglich, die Erfindung bei anderen Turbinen, Strömungsmaschinen, Brennkammern und Kesselanlagen einzusetzen.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
    • Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer stark schematischen Darstellung;
    • Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer stark schematischen Darstellung;
    • Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer stark schematischen Darstellung;
    • Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer stark schematischen Darstellung; und
    • Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer stark schematischen Darstellung.
  • In den im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen werden der Übersichtlichkeit halber gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von akustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine dargestellt.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst einen Helmholtz-Resonator 2, der einen Resonatorraum 3 und einen Resonatorhals 4 aufweist, über den der Helmholtz-Resonator 2 mit einer Brennkammer einer Gasturbine in Verbindung steht.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Helmholtz-Resonator 2 im Wesentlichen zylindersymmetrisch bezüglich einer Längs- bzw. Mittelachse ausgeführt. Es sind aber auch Ausgestaltungen möglich, die keine Symmetrie aufweisen.
  • Der Resonatorhals 4 wird insgesamt durch drei unabhängige Resonatorrohre 5, 6 und 7 gebildet, die von der Brennkammer aus gesehen in den Resonatorraum 3 hineinragen. Die drei Resonatorrohre weisen eine Rohrlänge 5a, 6a bzw. 7a auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Rohrlänge jeweils gleich.
  • Die Querschnittsfläche des Resonatorhalses 4 wird durch die einzelnen offenen Querschnittsflächen 5b, 6b, 7b der drei unabhängigen Resonatorrohre 5, 6 und 7 beeinflusst. Ein teilweises Schließen eines oder mehrerer der Resonatorrohre 5,6,7 verändert die wirksame Querschnittsfläche des Resonatorhalses 4, die sich aus den Querschnittsflächen 5b, 6b und 7b zusammensetzt. Es ist somit eine Einstellung der Resonatorfrequenz möglich.
  • Eine Steuerscheibe 8 ist vorgesehen, die um eine Drehachse 12 drehbar gelagert ist. Hier im Ausführungsbeispiel stimmen Drehachse 12 und zentrale Mittelachse überein. Die Querschnittsflächen 5b, 6b, 7b der drei Resonatorrohre 5, 6 und 7 sind in diesem Ausführungsbeispiel unterschiedlich. Die größte Querschnittsfläche 5b hat das Resonatorrohr 5, die kleinste Querschnittsfläche 7b das Resonatorrohr 7.
  • An der Steuerscheibe 8 sind Öffnungen 9, 10 und 11 vorgesehen, die axial fluchtend zu den Resonatorrohren 5, 6 und 7 ausrichtbar sind, indem die Steuerscheibe 8 entsprechend gedreht wird. Bei unterschiedlichen Querschnittsflächen der Resonatorrohre 5, 6 und 7 kann dann durch eine gezielte Drehung der Steuerscheibe 8 ein Resonatorrohr oder mehrere Resonatorrohre 5,6,7 geöffnet werden, während die übrigen Resonatorrohre geschlossen bleiben, um die Resonanzfrequenz an die gegebenen Bedingungen anzupassen. Hier im Ausführungsbeispiel ist die Steuerscheibe insgesamt im Resonatorraum 3 angeordnet.
  • Um den einstellbaren Bereich zu erhöhen, kann es über geeignete konstruktive Ausführungen auch möglich sein, gleichzeitig zwei oder auch alle drei Resonatorrohre zu öffnen. Ein teilweises Verschießen einzelner Resonatorrohre ist durch eine entsprechende Winkelstellung möglich.
  • Die Einstellung kann innerhalb von Betriebspausen mittels eines geeigneten Werkzeuges von Hand oder auch während des Betriebes erfolgen. In bevorzugten Ausgestaltungen ist eine Steuerung (nicht dargestellt) vorgesehen, mittels derer ein Verstellen gesteuert werden kann. Auch eine automatische Einstellung oder Regelung ist möglich. Das kann online während des Betriebes erfolgen. Mit einer vollautomatischen Regelung kann eine kontinuierliche oder in gewissen Zeitabständen erfolgende Justage auf die stärkste Schwingungsfrequenz erfolgen.
  • Die Querschnittsflächen 5b, 6b und 7b der Resonatorrohre 5, 6 und 7 können in anderen Ausgestaltungen auch gleich sein. Durch ein teilweises oder ganzes Öffnen eines zweiten oder dritten Resonatorrohres wird der Querschnitt des Resonatorhalses 4 insgesamt variiert, und es kann eine geeignete Dämpfungsfrequenz eingestellt werden.
  • Durch (teilweises) Öffnen eines größeren Resonatorrohres wird eine Abmessung des Resonatorhalses 4 verändert. Die Querschnittsfläche des Resonatorhalses 4 wird vergrößert, was die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 2 erhöht. Über eine Veränderung einer Abmessung des Resonatorhalses ist deshalb eine effektive Veränderung der Resonanzfrequenz des Resonators möglich, so dass der Resonator 2 an die zu dämpfenden Schwingungen anpassbar ist. Dadurch kann auf veränderte Bedingungen, wie z.B. eine veränderte Brennstoffzusammensetzung, reagiert und eine Anpassung der Resonanzfrequenz durchgeführt werden.
  • Bei der Beschreibung der in den Figuren 2, 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 eingegangen.
  • In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 umfasst die Vorrichtung 1 einen Helmholtz-Resonator 2 mit einer Resonatorkammer 3 und einem Resonatorhals 4, der wiederum durch drei Resonatorrohre 5, 6 und 7 gebildet wird, die auch hier unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
  • Das Steuerelement ist hier als Steuerschieber 13 ausgebildet. Statt einem Steuerschieber 13 kann aber auch eine drehbare Nockenwelle Verwendung finden. Mittels des Steuerschiebers 13, der Öffnungen 9, 10 und 11 aufweist, ist ein gezieltes Öffnen und Verschließen der drei Resonatorrohre 5, 6 und 7 möglich. Durch eine gezielte Beeinflussung des Querschnittes der drei Resonatorrohre, kann eine Abmessung des Resonatorhalses 4 wirksam verändert werden, wodurch die Resonanzfrequenz des Resonators 2 verändert wird.
  • Der Steuerschieber 13 kann durch eine seitliche Öffnung in dem Helmholtz-Resonator 2 durchgeführt sein und entlang der Steuerrichtung 14 verschoben werden. Es ist auch möglich, dass der Steuerschieber 13 in allen Steuerstellungen vollständig von dem Helmholtz-Resonator 2 aufgenommen ist.
  • Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem ebenfalls eine Vorrichtung 1 mit einem Helmholtz-Resonator 2, der eine Resonatorkammer 3 und einen Resonatorhals 4 aufweist, vorgesehen ist. Der Resonatorhals 4 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel lediglich ein einziges Resonatorrohr 5.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist mittels eines Steuerkegels 15 ein gezieltes Verändern des wirksamen Strömungsquerschnittes des Resonatorrohres 5 möglich. Dazu wird der Steuerkegel 15 entlang der Steuerrichtung 16 verfahren. Dadurch kann das Resonatorrohr 5 teilweise - oder bei Bedarf auch vollständig - verschlossen werden. Bei einem teilweisen Verschließen bleibt ein ringförmiger Spalt offen. Der wirksame Strömungsquerschnitt hängt dabei davon ab, wie tief der Steuerkegel 15 in das Resonatorrohr 5 abgesenkt wird. Das Verändern des wirksamen Strömungsquerschnittes beeinflusst die Resonanzfrequenz.
  • In anderen Ausgestaltungen können auch mehrere Resonatorrohre 5 vorgesehen sein, so z.B. zwei, drei, vier oder auch mehr, die jeweils einen mittels eines Steuerkegels veränderbaren wirksamen Strömungsquerschnitt aufweisen.
  • Bei den in Figuren 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Helmholtz-Resonator 2 mit einer Resonatorkammer 3 und einem durch jeweils ein Resonatorrohr 5 gebildeten Resonatorhals 4 dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen wird die Länge des Resonatorhalses 4 beeinflusst, wodurch ebenfalls eine effektive Frequenzveränderung des Resonators 2 möglich ist.
  • Zur Veränderung einer Länge des Resonatorhalses 4 ist jeweils ein Steuerelement vorgesehen. In dem Beispiel nach Figur 4 ist das Steuerelement eine um eine Drehachse 18 drehbare Steuerscheibe 17 und bei dem Beispiel nach Figur 5 ist als Steuerelement eine Steuerschieber 23 vorgesehen, der entlang einer Steuerrichtung 24 verschiebbar ist. Die Dicke der Steuerscheibe 17 variiert über deren Umfang, während die Dicke des Steuerschiebers über dessen Länge variiert. Die Dickenänderung kann dabei kontinuierlich oder in Stufen erfolgen.
  • In der Steuerscheibe 17 bzw. dem Steuerschieber 23 sind Durchgangsöffnungen 9, 10 und 11 vorhanden, die bspw. als Durchgangsbohrungen realisiert sein können. An der Stelle einer ersten Bohrung 9 weist das jeweilige Steuerelement 17 bzw. 23 eine Dicke 20 auf, an der Stelle einer zweiten Bohrung 10 eine Dicke 21 und an der Stelle einer dritten Bohrung 11 eine Dicke 22, wobei die Dicke 22 größer als die Dicke 21 ist und die Dicke 20 die geringste Abmessung aufweist.
  • Die jeweiligen Bohrungen können in eine mit dem Resonatorrohr 5 fluchtende Stellung gebracht werden. In den Figuren 4 und 5 ist jeweils die erste Bohrung 9 fluchtend mit dem Resonatorrohr 5 gezeigt. Der Resonatorhals 4 hat in diesem Fall insgesamt eine Länge 25, die sich aus der Länge 19 des Resonatorrohres 5 und der Dicke 20 der Steuerscheibe 17 bzw. des Steuerschiebers 23, also der Länge der jeweils fluchtenden Bohrung 9, ergibt. Bei Ausrichtung der Bohrung 10 ergibt sich die Gesamtlänge 25 als Summe der Länge 19 und der Dicke 21, und bei Einstellung auf die Öffnung bzw. Bohrung 11 ergibt sich die Gesamtlänge 25 als Summe der Länge 19 und der Dicke 22.
  • Anders als in den Figuren 4 und 5 dargestellt, können auch Steuerscheiben bzw. Steuerschieber mit mehr als drei Öffnungen vorhanden sein, in denen jede Öffnung eine andere Länge aufweist.

Claims (9)

  1. Vorrichtung (1) zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, insbesondere zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine, mit mindestens einem Helmholtz-Resonator (2), dessen Resonanzfrequenz veränderbar ist, wobei der Helmholtz-Resonator (2) einen Resonatorhals (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abmessung (25) des Resonatorhalses (4) veränderbar ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die wirksame Querschnittsfläche des Resonatorhalses (4) veränderbar ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Länge (25) des Resonatorhalses (4) veränderbar ist.
  4. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatorhals (4) wenigstens ein Resonatorrohr (5, 6, 7) aufweist.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein bewegliches Steuerelement (8) vorhanden ist, welches mit dem Resonatorrohr zum Verändern der Abmessung des Resonatorhalses zusammenwirkt.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (8) bewegbar, insbesondere drehbar und/oder verschiebbar ist.
  7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (8) Steueröffnungen (9, 10, 11) unterschiedlicher Abmaße (20, 21, 22), insbesondere unterschiedlicher Durchmesser und/oder unterschiedlicher Länge aufweist.
  8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (8) eine im Wesentlichen kegelförmige Gestalt (15) aufweist.
  9. Gasturbine mit wenigstens einer Brennkammer und mindestens einer mit der Brennkammer verbundene Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen nach einem der Ansprüche 1-8.
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