EP2282120A1 - Combustion chamber assembly for dampening thermoacoustic oscillations, gas turbine and method for operating such a gas turbine - Google Patents

Combustion chamber assembly for dampening thermoacoustic oscillations, gas turbine and method for operating such a gas turbine Download PDF

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EP2282120A1
EP2282120A1 EP09163849A EP09163849A EP2282120A1 EP 2282120 A1 EP2282120 A1 EP 2282120A1 EP 09163849 A EP09163849 A EP 09163849A EP 09163849 A EP09163849 A EP 09163849A EP 2282120 A1 EP2282120 A1 EP 2282120A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
combustion chamber
heat shield
shield element
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09163849A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Kleinfeld
Andre Kluge
Jürgen MEISL
Sabine Tüschen
Ulrich Wörz
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Priority to PCT/EP2010/056153 priority patent/WO2010149420A1/en
Priority to EP10739305A priority patent/EP2446194A1/en
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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
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • 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 combustion chamber arrangement for damping thermoacoustic vibrations comprising a combustion chamber having a combustion chamber wall with a hot gas side exposed to the hot gas, and a cold side, wherein the combustion chamber wall comprises a support structure and heat gas side, attached to the support structure heat shield elements. Furthermore, the invention relates to a gas turbine and a method for operating such 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.
  • a combustion chamber is provided with ceramic heat shield plates.
  • thermoacoustic oscillations in the combustion chambers of gas turbines - or turbomachines in general - represent a problem in the design and operation of new combustors, combustor parts and burners for such turbomachines.
  • thermoacoustic vibrations can increase. This can lead to an oscillating interaction between thermal and acoustic disturbances, which can cause high loads on the combustion chamber and rising emissions.
  • Such Helmholtz resonators attenuate depending on the cross-sectional area of the connecting tube and the resonator volume in particular the amplitude of oscillations with the Helmholtz frequency.
  • a problem, however, is to be able to ensure sufficient damping for the system as a whole.
  • a device for damping thermoacoustic oscillations has become known in which a wall of the resonator volume of the Helmholtz resonator is designed as a mechanical spring, are arranged on the vibrating masses.
  • the spring may consist of a plurality of gas-tight stapled together disc springs or an elastic bellows element, which surrounds the resonator chamber.
  • An additional mass on the oscillating suspended side wall of the resonator volume then oscillates depending on the mechanical spring. This affects the virtual volume and provides greater damping.
  • the Side wall forms the spring, the design effort is high, since the resonator has to be redesigned in itself. In particular, by changing the resonator design, the surrounding system parts must also be adapted.
  • this object is achieved by a combustion chamber arrangement for damping thermoacoustic oscillations according to claim 1 and by a gas turbine according to claim 11.
  • Another object is the specification of a method for operating such a gas turbine.
  • a combustion chamber arrangement according to the invention for damping thermoacoustic oscillations comprises a combustion chamber having a combustion chamber wall with a hot gas side exposed to the hot gas and a cold side, wherein the combustion chamber wall comprises a support structure and hot gas side, at least one fixed heat shield element on the support structure.
  • the heat shield element is completely formed as a resonator.
  • the invention provides for the implementation of the resonators in the heat shield elements. In other words, this means that the quasi-heat shield elements replaced by resonators become.
  • the resonators in the heat shield elements By using the resonators in the heat shield elements, there is no additional narrowing of the already limited space in the machine.
  • a uniform arrangement of the resonators can be achieved. Due to the high number of heat shield elements, the accumulated volume is enough to dampen the combustion chamber. Thus, unwanted hum of the combustion chamber can be prevented by thermoacoustic vibrations or at least damped. Since no resonators on the cold side of the support structure - as is the case in the combustion chamber of the prior art - are provided, thus resulting in no reduction of the space in the machine by additional attached to the support structure or on the outer shell resonators.
  • the heat shield element according to the invention thus has the effect of a heat shield as well as the effect of a resonator.
  • the heat shield element formed entirely as a resonator is essentially a Helmholtz resonator. This is advantageous because Helmholtz resonators offer many design possibilities.
  • Helmholtz resonators are used to amplify certain frequencies.
  • the object of the resonator is to remove oscillations from the system and to guide it in a reinforced and phase-shifted manner back to the combustion chamber. The critical vibrations are thus neutralized.
  • the resonator has a resonator neck with a length L and a surface S, which is mounted in the heat shield element.
  • the resonator has a resonator chamber with a volume V, wherein the volume V of the heat shield element is provided as the volume V of the resonator chamber.
  • the heat shield element is replaced by the resonator. It can also lead a plurality of resonator necks in a volume or the volume can be designed according to the acoustics in the combustion chamber. Different resonators i. Heat shield elements may have different volumes aligned with the combustion chamber.
  • c is the speed of sound in the medium
  • V is the volume of the resonator chamber
  • L is the length
  • S is the area of the resonator neck between the resonator chamber and the surroundings.
  • the volume V thus influences the resonant frequency of the resonator. Increasing the volume causes a reduction in the resonator frequency and vice versa.
  • the resonator frequency can be adapted to changing conditions.
  • the resonator neck L is adjustable in length.
  • different frequencies can be attenuated.
  • the adjustment of the resonator neck L can be done manually or automatically.
  • Different heat shield elements can also have different resonator neck lengths L, so that the resonator dampens the desired resonance oscillations in this area. These resonant vibrations can vary.
  • the ratio of S, L and V can thus be easily adjusted so that the critical resonances (here, for example, between ⁇ 90-110 Hz) are attenuated.
  • the support structure has cooling openings.
  • the resonator or the heat shield element completely formed as a resonator can be rinsed.
  • the heat shield element is cooled.
  • the heat shield element formed entirely of a resonator is made of metal or a metallic alloy.
  • the heat shield element formed entirely as a resonator has a TBC (thermal barrier coating) at least on the hot gas side.
  • TBC thermal barrier coating
  • the ceramic heat shield elements in the combustion chambers of the prior art are completely replaced by metallic or metallic alloy heat shield elements.
  • As heat and flame or hot gas protection is a corresponding TBC (Thermal Barrier Coating). Since the heat shield elements are made relatively thick, the volume can be used according to the invention for the Helmholtz resonator.
  • the heat shield element designed completely as a resonator preferably has a heat shield element side a facing the hot gas side and a heat shield element side b facing the support structure.
  • the heat shield element side b facing the support structure has passage openings.
  • the heat shield element completely formed as a resonator is cooled. Cooling air flows through the cooling holes in the support structure through the passage openings in the heat shield element. The heat shield element formed completely as a resonator is thus flushed and cooled at the same time.
  • the object directed to the method is achieved by specifying a method for operating such a gas turbine, wherein a heat shield element designed completely as a resonator has at least partially a TBC and thus assumes the function of a heat shield element, and at the same time causes a damping of thermo-acoustic vibrations by the complete training as a resonator.
  • annular combustion chamber 1 is excited by resonance thermoakkustician certain frequencies (eg 90-110Hz) to resonance.
  • the resulting humming leads to power reduction and affects the life of the individual combustion chamber components. In the worst case, it comes directly to a component damage. Therefore, resonators 5 are attached to the outer shell, that is to say the support structure 2 of the annular combustion chamber 1 ( Fig.1 ). Due to the limited space between the support structure 2 and the individual burner components, however, the use is limited. In addition, no uniform arrangement over the annular combustion chamber 1 is possible because obstacles such as braces must be avoided.
  • the annular combustion chamber 1 is designed on the hot gas side for protection against hot gas with ceramic heat shield elements 7.
  • the heat shield element 10 is now completely formed as a resonator.
  • the heat shield element is preferably designed as a Helmholtz resonator.
  • the invention now provides for the implementation of the Helmholtz resonators as ceramic heat shield elements. Since the heat shield elements are made relatively thick, the volume can be used for the Helmholtz resonator.
  • Helmholtz resonators are used to amplify certain frequencies.
  • the heat shield element 10 embodied completely as a resonator in this case comprises a resonator neck 15 with a length L and a cross-sectional area S.
  • the heat shield element 10 formed entirely as a resonator comprises the volume V. The ratio of S, L and V can be easily adjusted so that the are damped critical resonance vibrations.
  • the variables V, L and S are now brought into the appropriate ratio.
  • the length L of the Resonatorhalses 15 can be made variable adjustable so that, for example, in part-load operation other resonant frequency can be attenuated than in full load operation.
  • the length L of the resonator neck 15 can be adjustable automatically or manually.
  • the heat shield elements 10 of the combustion chamber formed as a resonator can also be set differently at different regions of the combustion chamber, depending on the resonant frequency to be damped.
  • the heat shield element 10 designed as a resonator is preferably made of metal or a metallic alloy.
  • the thermal protection is provided by a corresponding TBC (Thermal Barrier Coating).
  • the heat shield element embodied completely as a resonator has a heat shield element side a facing the hot gas side and a heat shield element side b facing the support structure. Furthermore, the heat shield element side b facing the support structure has passage openings 13. In addition, the support structure 2 also has cooling openings 17. In operation, cooling air is now conducted via the cooling air openings 17 and the passage openings 13 into the heat shield element 10, which is formed completely as a resonator. Thus, the heat shield element 10, which is formed completely as a resonator, is flushed on the one hand, and at the same time cooled thereby.
  • the heat shield element formed entirely as a resonator has at least partially a TBC and thus assumes the function of a heat shield element.
  • the heat shield element designed as a resonator effects, due to its complete design as a resonator, an attenuation of thermoacoustic oscillations.
  • the use of the heat shield element 10, which is embodied completely as a resonator, does not result in any additional narrowing of the already limited space available in the machine.
  • a uniform arrangement of the resonators can be achieved by lining the combustion chamber. Due to the high number of heat shield elements 10 formed completely as a resonator, the accumulated volume for damping the combustion chamber is sufficient.

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Abstract

The arrangement has a combustion chamber comprising a combustion chamber wall with a hot gas side and a cold side, where the hot side is subjected to hot gas. A fixed heat shield element (10) is arranged on the hot side on a supporting structure (2) and designed as a resonator i.e. Helmholtz resonator. The resonator comprises a resonator neck (15) and an area (S), where length (L) of the resonator neck is adjustable. The heat shield element is made of metal or metal alloy, and a thermal barrier coating (TBC) is formed on the hot gas side of the combustion chamber wall. An independent claim is also included for a method for operating a gas turbine with a combustion chamber arrangement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen umfassend einer Brennkammer mit einer Brennkammerwand mit einer Heißgasseite die dem heißem Gas ausgesetzt ist, und einer Kaltseite, wobei die Brennkammerwand eine Tragstruktur und heißgasseitig, an der Tragstruktur befestigte Hitzeschildelemente umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbine.The present invention relates to a combustion chamber arrangement for damping thermoacoustic vibrations comprising a combustion chamber having a combustion chamber wall with a hot gas side exposed to the hot gas, and a cold side, wherein the combustion chamber wall comprises a support structure and heat gas side, attached to the support structure heat shield elements. Furthermore, the invention relates to a gas turbine and a method for operating such a gas turbine.

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. Zum Schutz vor dem Heißgas ist eine solche Brennkammer mit keramischen Hitzeschildplatten versehen.A gas turbine plant comprises in the simplest case a compressor, a combustion chamber and a turbine. In the compressor there is a compression of sucked air, which is then admixed with a fuel. In 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. For protection against the hot gas, such a combustion chamber is provided with ceramic heat shield plates.

Schwankungen in der Brennstoffqualität und sonstige thermische oder akustische Störungen führen jedoch zu Schwankungen in der freigesetzten Wärmemenge. 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 Strömungsmaschinen dar.Fluctuations in fuel quality and other thermal or acoustic disturbances, however, lead to fluctuations in the amount of heat released. There is an interaction of acoustic and thermal disturbances, which can oscillate. Such thermoacoustic oscillations in the combustion chambers of gas turbines - or turbomachines in general - represent a problem in the design and operation of new combustors, combustor parts and burners for such turbomachines.

Um Schadstoffemissionen 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 steigende Emissionen verursachen können.In order to reduce pollutant emissions, the cooling mass flow is reduced in modern plants. This will also the reduced acoustic damping, so that thermoacoustic vibrations can increase. This can lead to an oscillating interaction between thermal and acoustic disturbances, which can cause high loads on the combustion chamber and rising emissions.

Zur Verringerung von thermoakustischen Schwingungen werden deshalb im Stand der Technik z.B. Helmholtz-Resonatoren zur Dämpfung eingesetzt, die die Amplitude von Schwingungen bestimmter Frequenzen dämpfen.To reduce thermoacoustic vibrations, therefore, in the prior art e.g. Helmholtz resonators are used for damping, which dampen the amplitude of vibrations of certain frequencies.

Derartige Helmholtz-Resonatoren dämpfen in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche des Verbindungsrohres und vom Resonatorvolumen insbesondere die Amplitude von Schwingungen mit der Helmholtzfrequenz. Ein Problem ist es aber, für die Anlage insgesamt eine ausreichende Dämpfung gewährleisten zu können.Such Helmholtz resonators attenuate depending on the cross-sectional area of the connecting tube and the resonator volume in particular the amplitude of oscillations with the Helmholtz frequency. A problem, however, is to be able to ensure sufficient damping for the system as a whole.

Im Stand der Technik wurde dies Problem durch eine Erhöhung der Anzahl an Resonatoren oder durch eine Vergrößerung der Wirkfläche durch Vergrößerung der Resonatoren gelöst. Die Erhöhung der Resonatoranzahl bzw. deren Vergrößerung hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Bauvolumenbedarfs, der nicht immer zur Verfügung steht.In the prior art, this problem was solved by increasing the number of resonators or by increasing the effective area by enlarging the resonators. The increase in the number of resonators or their magnification, however, has the disadvantage of an increased volume requirement, which is not always available.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist aus der DE 196 40 980 A1 eine Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bekannt geworden, bei der eine Wandung des Resonatorvolumens des Helmholtz-Resonators als mechanische Feder ausgebildet ist, an der schwingende Massen angeordnet sind. Dadurch bedingt wird bei unveränderter Baugröße die Dämpfungsleistung gesteigert. Die Feder kann aus einer Mehrzahl von gasdicht zusammengehefteten Tellerfedern oder aus einem elastischen Balgelement bestehen, welches den Resonatorraum umgibt. Eine zusätzliche Masse an der schwingend aufgehängten Seitenwand des Resonatorvolumens schwingt dann in Abhängigkeit von der mechanischen Feder. Dadurch wird das virtuelle Volumen beeinflusst und eine größere Dämpfung erzielt. Da die Seitenwand die Feder bildet, ist der konstruktive Aufwand hoch, da der Resonator an sich umkonstruiert werden muss. Insbesondere müssen durch Änderung der Resonatorkonstruktion auch die diesen umgebenden Systemteile angepasst werden.To avoid this disadvantage is from the DE 196 40 980 A1 a device for damping thermoacoustic oscillations has become known in which a wall of the resonator volume of the Helmholtz resonator is designed as a mechanical spring, are arranged on the vibrating masses. As a result, the damping performance is increased with unchanged size. The spring may consist of a plurality of gas-tight stapled together disc springs or an elastic bellows element, which surrounds the resonator chamber. An additional mass on the oscillating suspended side wall of the resonator volume then oscillates depending on the mechanical spring. This affects the virtual volume and provides greater damping. Because the Side wall forms the spring, the design effort is high, since the resonator has to be redesigned in itself. In particular, by changing the resonator design, the surrounding system parts must also be adapted.

Auch hier ist jedoch der Einsatz der zur Dämpfung benötigten Resonatoren aufgrund beengter Platzverhältnisse in der Brennkammer nur begrenzt möglich. Es ist zudem keine gleichmäßige Anordnung über die Brennkammer möglich, da Hindernisse wie z.B. Verstrebungen umgangen werden müssen.Again, however, the use of the required for damping resonators due to limited space in the combustion chamber is limited. Moreover, no uniform arrangement across the combustion chamber is possible because obstacles such as e.g. Struts must be bypassed.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammeranordnung anzugeben, welche eine ausreichende Dämpfung unter Umgehung der engen Platzverhältnisse aufweist sowie eine erfindungsgemäße Gasturbine anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer solchen Gasturbine.It is therefore an object of the present invention to provide a combustion chamber arrangement, which has a sufficient damping, bypassing the tight space and to specify a gas turbine according to the invention. Another object is the specification of a method for operating such a gas turbine.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen nach Anspruch 1 und durch eine Gasturbine nach Anspruch 11 gelöst. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer solchen Gasturbine. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention, this object is achieved by a combustion chamber arrangement for damping thermoacoustic oscillations according to claim 1 and by a gas turbine according to claim 11. Another object is the specification of a method for operating such a gas turbine. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen umfasset eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand mit einer Heißgasseite, die dem heißem Gas ausgesetzt ist, und einer Kaltseite, wobei die Brennkammerwand eine Tragstruktur und heißgasseitig, an der Tragstruktur zumindest ein befestigtes Hitzeschildelement umfasst.A combustion chamber arrangement according to the invention for damping thermoacoustic oscillations comprises a combustion chamber having a combustion chamber wall with a hot gas side exposed to the hot gas and a cold side, wherein the combustion chamber wall comprises a support structure and hot gas side, at least one fixed heat shield element on the support structure.

Erfindungsgemäß ist das Hitzeschildelement vollständig als Resonator ausgebildet.According to the invention, the heat shield element is completely formed as a resonator.

Die Erfindung sieht die Implementierung der Resonatoren in den Hitzeschildelementen vor. Anders ausgedrückt, bedeutet dass, das quasi die Hitzeschildelemente durch Resonatoren ersetzt werden. Durch den Einsatz der Resonatoren in den Hitzeschildelementen kommt es zu keiner zusätzlichen Einengung der ohnehin begrenzten Platzverhältnisse in der Maschine. Außerdem kann durch das Auskleiden der Brennkammer mit solchen erfindungsgemäßen Hitzeschildelementen eine gleichmäßige Anordnung der Resonatoren erzielt werden. Durch die hohe Anzahl an Hitzeschildelementen reicht das akkumulierte Volumen zur Dämpfung der Brennkammer aus. Somit kann unerwünschtes Brummen der Brennkammer durch thermoakkustische Schwingungen verhindert oder zumindest gedämpft werden. Da keine Resonatoren an der Kaltseite der Tragstruktur - wie es in der Brennkammer des Stands der Technik der Fall ist- vorgesehen sind, ergibt sich somit keine Verringerung der Platzverhältnisse in der Maschine durch zusätzliche an der Tragstruktur bzw. an der Außenschale angebrachte Resonatoren.The invention provides for the implementation of the resonators in the heat shield elements. In other words, this means that the quasi-heat shield elements replaced by resonators become. By using the resonators in the heat shield elements, there is no additional narrowing of the already limited space in the machine. In addition, by lining the combustion chamber with such heat shield elements according to the invention a uniform arrangement of the resonators can be achieved. Due to the high number of heat shield elements, the accumulated volume is enough to dampen the combustion chamber. Thus, unwanted hum of the combustion chamber can be prevented by thermoacoustic vibrations or at least damped. Since no resonators on the cold side of the support structure - as is the case in the combustion chamber of the prior art - are provided, thus resulting in no reduction of the space in the machine by additional attached to the support structure or on the outer shell resonators.

Das erfindungsgemäße Hitzeschildelements hat somit die Wirkung eines Hitzeschildes als auch die Wirkung eines Resonators.The heat shield element according to the invention thus has the effect of a heat shield as well as the effect of a resonator.

Vorzugsweise ist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement im Wesentlichen ein Helmholtz-Resonator. Das ist vorteilhaft, da Helmholtz-Resonatoren viele Möglichkeiten bei der Konstruktion bieten.Preferably, the heat shield element formed entirely as a resonator is essentially a Helmholtz resonator. This is advantageous because Helmholtz resonators offer many design possibilities.

Helmholtz Resonatoren werden verwendet um bestimmte Frequenzen zu verstärken. Im Fall der Dämpfung von thermoakkustischen Schwingungen in der Brennkammer ist die Aufgabe des Resonators, Schwingungen dem System zu entnehmen und verstärkt und phasenverschoben der Brennkammer zurück zu führen. Die kritischen Schwingungen werden so neutralisiert.Helmholtz resonators are used to amplify certain frequencies. In the case of the damping of thermoacoustic oscillations in the combustion chamber, the object of the resonator is to remove oscillations from the system and to guide it in a reinforced and phase-shifted manner back to the combustion chamber. The critical vibrations are thus neutralized.

Ferner weist der Resonator einen Resonatorhals mit einer Länge L und einer Fläche S auf, welcher im Hitzeschildelement angebracht ist.Furthermore, the resonator has a resonator neck with a length L and a surface S, which is mounted in the heat shield element.

In bevorzugter Ausgestaltung weist der Resonator eine Resonatorkammer mit einem Volumen V auf, wobei als Volumen V der Resonatorkammer das Volumen V des Hitzeschildelements vorgesehen ist. Hier wird quasi das Hitzeschildelement durch den Resonator ersetzt. Es können dabei auch mehrere Resonatorhälse in ein Volumen führen oder das Volumen entsprechend der Akustik in der Brennkammer ausgelegt werden. Verschiedene Resonatoren d.h. Hitzeschildelemente können dabei unterschiedliches an der Brennkammer ausgerichtetes Volumen aufweisen.In a preferred embodiment, the resonator has a resonator chamber with a volume V, wherein the volume V of the heat shield element is provided as the volume V of the resonator chamber. Here, as it were, the heat shield element is replaced by the resonator. It can also lead a plurality of resonator necks in a volume or the volume can be designed according to the acoustics in the combustion chamber. Different resonators i. Heat shield elements may have different volumes aligned with the combustion chamber.

Die Resonanzfrequenz eines realen Helmholtz-Resonators ist näherungsweise gemäß der Gleichung f = c / 2 π ⁢ S / L V ½

Figure imgb0001
gegeben. Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit im Medium, V das Volumen der Resonatorkammer, L die Länge und S die Fläche des Resonatorhalses zwischen Resonatorkammer und Umgebung. Das Volumen V beeinflusst somit die Resonanzfrequenz des Resonators. Eine Vergrößerung des Volumens bewirkt eine Verringerung der Resonatorfrequenz und umgekehrt. Durch eine Veränderung des Resonatorvolumens kann deshalb die Resonatorfrequenz an veränderte Bedingungen angepasst werden.The resonant frequency of a real Helmholtz resonator is approximately in accordance with the equation f = c / 2 π ⁢ S / LV ½
Figure imgb0001
 given. Here, c is the speed of sound in the medium, V is the volume of the resonator chamber, L is the length and S is the area of the resonator neck between the resonator chamber and the surroundings. The volume V thus influences the resonant frequency of the resonator. Increasing the volume causes a reduction in the resonator frequency and vice versa. By changing the resonator volume, therefore, the resonator frequency can be adapted to changing conditions.

In bevorzugter Ausgestaltung ist der Resonatorhals L längenverstellbar. Somit lassen sich verschiedene Frequenzen dämpfen. Die Einstellung des Resonatorhalses L kann dabei manuell oder automatisiert erfolgen. Auch können unterschiedliche Hitzeschildelemente verschiedene Resonatorhalslängen L aufweisen, damit der Resonator in diesem Bereich die gewünschten Resonanzschwingungen dämpft. Diese Resonanzschwingungen können dabei variieren.In a preferred embodiment, the resonator neck L is adjustable in length. Thus, different frequencies can be attenuated. The adjustment of the resonator neck L can be done manually or automatically. Different heat shield elements can also have different resonator neck lengths L, so that the resonator dampens the desired resonance oscillations in this area. These resonant vibrations can vary.

Das Verhältnis von S, L und V können somit leicht eingestellt werden damit die kritischen Resonanzen (hier beispielsweise zwischen ≈90-110 Hz) gedämpft werden.The ratio of S, L and V can thus be easily adjusted so that the critical resonances (here, for example, between ≈90-110 Hz) are attenuated.

Bevorzugt weist die Tragstruktur Kühlöffnungen auf. Somit kann der Resonator bzw. das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement gespült werden. Somit wird auch das Hitzeschildelement gekühlt.Preferably, the support structure has cooling openings. Thus, the resonator or the heat shield element completely formed as a resonator can be rinsed. Thus, the heat shield element is cooled.

Bevorzugt ist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement aus Metall oder einer metallischen Legierung. Ferner weist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement zumindest heißgasseitig eine TBC (thermal barrier coating) auf. Die keramischen Hitzeschildelemente in den Brennkammern des Stands der Technik werden dabei komplett durch metallische oder aus metallischer Legierung gebildeten Hitzeschildelemente ersetzt. Als Wärme- und Flammen bzw. Heißgasschutz dient eine entsprechende TBC (Thermal Barrier Coating). Da die Hitzeschildelemente relativ dick ausgeführt sind, lässt sich das Volumen erfindungsgemäß für den Helmholtz Resonator nutzen.Preferably, the heat shield element formed entirely of a resonator is made of metal or a metallic alloy. Furthermore, the heat shield element formed entirely as a resonator has a TBC (thermal barrier coating) at least on the hot gas side. The ceramic heat shield elements in the combustion chambers of the prior art are completely replaced by metallic or metallic alloy heat shield elements. As heat and flame or hot gas protection is a corresponding TBC (Thermal Barrier Coating). Since the heat shield elements are made relatively thick, the volume can be used according to the invention for the Helmholtz resonator.

Damit lassen sich zusätzlich die für Verschleiß anfälligen keramischen Hitzeschildelemente vermeiden.In addition, it is possible to avoid the ceramic heat shield elements that are susceptible to wear.

Bevorzugt weist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement eine der Heißgasseite zugewandete Hitzeschildelement- Seite a und eine der Tragstruktur zugewandte Hitzeschildelement- Seite b auf.The heat shield element designed completely as a resonator preferably has a heat shield element side a facing the hot gas side and a heat shield element side b facing the support structure.

Ferner weist die der Tragstruktur zugewandten Hitzeschildelement- Seite b Durchlassöffnungen auf. Somit wird das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement gekühlt. Kühlluft strömt durch die Kühlöffnungen in der Tragstruktur durch die Durchlassöffnungen in das Hitzeschildelement ein. Das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement wird somit gespült und gleichzeitig gekühlt.Furthermore, the heat shield element side b facing the support structure has passage openings. Thus, the heat shield element completely formed as a resonator is cooled. Cooling air flows through the cooling holes in the support structure through the passage openings in the heat shield element. The heat shield element formed completely as a resonator is thus flushed and cooled at the same time.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Angabe eines Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbine gelöst, wobei ein vollständig als Resonator ausgebildetes Hitzeschildelement zumindest teilweise eine TBC aufweist und somit die Funktion eines Hitzeschildelements übernimmt, und zugleich durch die vollständige Ausbildung als Resonator eine Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bewirkt.The object directed to the method is achieved by specifying a method for operating such a gas turbine, wherein a heat shield element designed completely as a resonator has at least partially a TBC and thus assumes the function of a heat shield element, and at the same time causes a damping of thermo-acoustic vibrations by the complete training as a resonator.

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 Strömungsmaschinen einzusetzen.Although the invention is described herein in its entirety with respect to gas turbines, the use is not limited to gas turbines. It is also possible to use the invention in other turbomachines.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.

  • Fig. 1 zeigt ein stark schematische Brennkammer mit keramischen Hitzeschildelement und Resonatoren nach dem Stand der Technik.
  • Fig. 2 zeigt ein vollständig als Resonator ausgebildetes Hitzeschildelement.
Further features, characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
  • Fig. 1 shows a highly schematic combustion chamber with ceramic heat shield element and resonators according to the prior art.
  • Fig. 2 shows a completely formed as a resonator heat shield element.

Eine Ringbrennkammer 1 wird durch thermoakkustische Schwingungen bestimmter Frequenzen (z.B. 90-110Hz) zu Resonanz angeregt. Das dadurch entstandene Brummen führt zur Leistungsreduzierung und beeinträchtigt die Lebensdauer der einzelnen Brennkammerkomponenten. Im schlimmsten Fall kommst es direkt zu einem Bauteilschaden. Daher werden Resonatoren 5 an Außenschale, das heißt der Tragstruktur 2 der Ringbrennkammer 1 angebracht (Fig.1). Durch die engen Platzverhältnisse zwischen der Tragstruktur 2 und den einzelnen Brennerkomponenten ist der Einsatz jedoch nur begrenzt möglich. Außerdem ist keine gleichmäßige Anordnung über die Ringbrennkammer 1 möglich, da Hindernisse wie z.B. Verstrebungen umgangen werden müssen. Die Ringbrennkammer 1 ist heißgasseitig zum Schutz vor Heißgas mit keramischen Hitzeschildelementen 7 ausgestaltet.An annular combustion chamber 1 is excited by resonance thermoakkustische certain frequencies (eg 90-110Hz) to resonance. The resulting humming leads to power reduction and affects the life of the individual combustion chamber components. In the worst case, it comes directly to a component damage. Therefore, resonators 5 are attached to the outer shell, that is to say the support structure 2 of the annular combustion chamber 1 ( Fig.1 ). Due to the limited space between the support structure 2 and the individual burner components, however, the use is limited. In addition, no uniform arrangement over the annular combustion chamber 1 is possible because obstacles such as braces must be avoided. The annular combustion chamber 1 is designed on the hot gas side for protection against hot gas with ceramic heat shield elements 7.

Hier nun setzt die Erfindung ein. Das Problem der ausreichenden Schwingungsdämpfung sowie die Umgehung der engen Platzverhältnisse soll nun mittels der Erfindung gelöst werden.Here now the invention begins. The problem of sufficient vibration damping and circumvention of the tight space conditions should now be solved by means of the invention.

Erfindungsgemäß ist nun das Hitzeschildelement 10 vollständig als Resonator ausgebildet. Bevorzugt ist dabei das Hitzeschildelement als Helmholtz-Resonator ausgebildet. Die Erfindung sieht nun die Implementierung der Helmholtz-Resonatoren als keramische Hitzeschildelemente vor. Da die Hitzeschildelemente relativ dick ausgeführt sind, lässt sich das Volumen für den Helmholtz Resonator nutzen.According to the invention, the heat shield element 10 is now completely formed as a resonator. In this case, the heat shield element is preferably designed as a Helmholtz resonator. The invention now provides for the implementation of the Helmholtz resonators as ceramic heat shield elements. Since the heat shield elements are made relatively thick, the volume can be used for the Helmholtz resonator.

Helmholtz Resonatoren werden verwendet um bestimmte Frequenzen zu verstärken. Im Fall der Dämpfung von thermoakkustischen Schwingungen in der Brennkammer ist es nun die Aufgabe des Resonators Schwingungen dem System zu entnehmen und verstärkt und phasenverschoben der Brennkammer zurück zu führen. Die kritischen Schwingungen werden so neutralisiert. Das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 umfasst dabei einen Resonatorhals 15 mit einer Länge L und einer Querschnittsfläche S. Weiterhin umfasst das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 das Volumen V. Das Verhältnis von S, L und V kann dabei leicht eingestellt werden, damit die kritischen Resonanzschwingungen gedämpft werden.Helmholtz resonators are used to amplify certain frequencies. In the case of the attenuation of thermoacoustic oscillations in the combustion chamber, it is now the task of the resonator to extract vibrations from the system and amplified and out of phase lead the combustion chamber back. The critical vibrations are thus neutralized. The heat shield element 10 embodied completely as a resonator in this case comprises a resonator neck 15 with a length L and a cross-sectional area S. Furthermore, the heat shield element 10 formed entirely as a resonator comprises the volume V. The ratio of S, L and V can be easily adjusted so that the are damped critical resonance vibrations.

Um die gewünschte Resonanzfrequenz zu dämpfen werden nun die Größen V, L und S in das entsprechende Verhältnis gebracht. Auch kann die Länge L des Resonatorhalses 15 variable einstellbar ausgeführt sein, so dass z.B. im Teillastbetrieb andere Resonanzfrequenz gedämpft werden können als im Volllastbetrieb. Die Länge L des Resonatorhalses 15 kann dabei automatisch oder manuell einstellbar sein. Auch können die als Resonator ausgebildeten Hitzeschildelemente 10 der Brennkammer an unterschiedlichen Bereichen der Brennkammer unterschiedlich eingestellt sein, je nach zu dämpfender Resonanzfrequenz.In order to dampen the desired resonance frequency, the variables V, L and S are now brought into the appropriate ratio. Also, the length L of the Resonatorhalses 15 can be made variable adjustable so that, for example, in part-load operation other resonant frequency can be attenuated than in full load operation. The length L of the resonator neck 15 can be adjustable automatically or manually. The heat shield elements 10 of the combustion chamber formed as a resonator can also be set differently at different regions of the combustion chamber, depending on the resonant frequency to be damped.

Das als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 ist dabei bevorzugt aus Metall oder einer metallischen Legierung. Als Wärmeschutz dient eine entsprechende TBC (Thermal Barrier Coating).The heat shield element 10 designed as a resonator is preferably made of metal or a metallic alloy. The thermal protection is provided by a corresponding TBC (Thermal Barrier Coating).

Das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement weist eine der Heißgasseite zugewandete Hitzeschildelement-Seite a und eine der Tragstruktur zugewandte Hitzeschildelement- Seite b auf. Ferner weist die der Tragstruktur zugewandten Hitzeschildelement- Seite b Durchlassöffnungen 13 auf. Zudem weist die Tragstruktur 2 ebenfalls Kühlöffnungen 17 auf. Im Betrieb wird nun Kühlluft über die Kühlluftöffnungen 17 und die Durchlassöffnungen 13 in das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 geleitet. Somit wird das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 zum einen gespült, und gleichzeitig dabei gekühlt.The heat shield element embodied completely as a resonator has a heat shield element side a facing the hot gas side and a heat shield element side b facing the support structure. Furthermore, the heat shield element side b facing the support structure has passage openings 13. In addition, the support structure 2 also has cooling openings 17. In operation, cooling air is now conducted via the cooling air openings 17 and the passage openings 13 into the heat shield element 10, which is formed completely as a resonator. Thus, the heat shield element 10, which is formed completely as a resonator, is flushed on the one hand, and at the same time cooled thereby.

Erfindungsgemäß weist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement zumindest teilweise eine TBC auf und übernimmt somit die Funktion eines Hitzeschildelements. Zugleich bewirkt das als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement durch die vollständige Ausbildung als Resonator eine Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen.According to the invention, the heat shield element formed entirely as a resonator has at least partially a TBC and thus assumes the function of a heat shield element. At the same time, the heat shield element designed as a resonator effects, due to its complete design as a resonator, an attenuation of thermoacoustic oscillations.

Durch den Einsatz des vollständig als Resonator ausgebildeten Hitzeschildelements 10 kommt es zu keiner zusätzlichen Einengung der ohnehin begrenzten Platzverhältnisse in der Maschine. Außerdem kann durch das Auskleiden der Brennkammer eine gleichmäßige Anordnung der Resonatoren erzielt werden. Durch die hohe Anzahl an vollständig als Resonator ausgebildeten Hitzeschildelementen 10 ist das akkumulierte Volumen zur Dämpfung der Brennkammer ausreichend.The use of the heat shield element 10, which is embodied completely as a resonator, does not result in any additional narrowing of the already limited space available in the machine. In addition, a uniform arrangement of the resonators can be achieved by lining the combustion chamber. Due to the high number of heat shield elements 10 formed completely as a resonator, the accumulated volume for damping the combustion chamber is sufficient.

Claims (12)

Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen umfassend einer Brennkammer (1) mit einer Brennkammerwand mit einer Heißgasseite die dem heißem Gas ausgesetzt ist, und einer Kaltseite, wobei die Brennkammerwand eine Tragstruktur (2) und heißgasseitig, zumindest ein an der Tragstruktur (2) befestigtes Hitzeschildelement (10) umfasst
dadurch gekennzeichnet, dass
das Hitzeschildelement (10) vollständig als Resonator ausgebildet ist.A combustion chamber arrangement for damping thermoacoustic oscillations comprising a combustion chamber (1) having a combustion chamber wall with a hot gas side exposed to the hot gas and a cold side, the combustion chamber wall having a support structure (2) and hot gas side, at least one heat shield element attached to the support structure (2) (10)
characterized in that
the heat shield element (10) is completely formed as a resonator. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) im Wesentlichen ein Helmholtz-Resonator ist.Combustion chamber arrangement according to claim 1,
characterized in that the heat shield element (10) formed completely as a resonator is essentially a Helmholtz resonator. Brennkammeranordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Helmholtz-Resonator einen Resonatorhals (15) mit einer Länge L und einer Fläche S aufweist, welcher im Hitzeschildelement (10) angebracht ist.Combustion chamber arrangement according to claim 2,
characterized in that
the Helmholtz resonator has a resonator neck (15) with a length L and a surface S which is mounted in the heat shield element (10). Brennkammeranordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Resonatorhals (15) längenverstellbar ist.Combustion chamber arrangement according to claim 3,
characterized in that
the resonator neck (15) is adjustable in length. Brennkammeranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 2-4,
dadurch gekennzeichnet, dass dass
der Helmholtz-Resonator eine Resonatorkammer mit einem Volumen V aufweist, wobei als Volumen V der Resonatorkammer das Volumen V des Hitzeschildelements (10) vorgesehen ist.Combustion chamber arrangement according to at least one of claims 2-4,
characterized in that that
the Helmholtz resonator has a resonator chamber with a volume V, wherein the volume V of the heat shield element (10) is provided as volume V of the resonator chamber. Brennkammeranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Tragstruktur (2) Kühlöffnungen (17) aufweist.Combustion chamber arrangement according to at least one of the preceding claims,
characterized in that
the support structure (2) has cooling openings (17). Brennkammeranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) aus Metall oder einer metallischen Legierung ist.Combustion chamber arrangement according to at least one of the preceding claims,
characterized in that
the heat shield element (10) made entirely of metal or a metallic alloy, which is designed completely as a resonator. Brennkammeranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) zumindest heißgasseitig eine TBC (thermal barrier coating) aufweist.Combustion chamber arrangement according to at least one of the preceding claims,
characterized in that
the heat shield element (10) formed completely as a resonator has a TBC (thermal barrier coating) at least on the hot gas side. Brennkammeranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) eine der Heißgasseite zugewandete Hitzeschildelement-Seite a und eine der Tragstruktur (2) zugewandte Hitzeschildelement- Seite b aufweist.Combustion chamber arrangement according to at least one of the preceding claims,
characterized in that
the heat shield element (10) designed completely as a resonator has a heat shield element side a facing the hot gas side and a heat shield element side b facing the support structure (2). Brennkammeranordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die der Tragstruktur (2) zugewandten Hitzeschildelement- Seite b Durchlassöffnungen (13) aufweist.Combustion chamber arrangement according to claim 9,
characterized in that
the heat-shield element side b facing the support structure (2) has passage openings (13). Gasturbine mit einer Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-10.Gas turbine with a combustion chamber arrangement according to one of the preceding claims 1-10. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein vollständig als Resonator ausgebildetes Hitzeschildelement (10) zumindest teilweise eine TBC aufweist und somit die Funktion eines Hitzeschildelements übernimmt,
und zugleich durch die vollständige Ausbildung als Resonator eine Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bewirkt.Method for operating a gas turbine according to claim 11,
characterized in that
a heat shield element (10) designed completely as a resonator has at least partially a TBC and thus assumes the function of a heat shield element,
and at the same time causes a damping of thermo-acoustic vibrations by the complete training as a resonator.
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