EP2318672A1 - Verfahren zum einstellen eines helmholtz-resonators sowie helmholtz-resonator zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum einstellen eines helmholtz-resonators sowie helmholtz-resonator zur durchführung des verfahrens

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Publication number
EP2318672A1
EP2318672A1 EP09806407A EP09806407A EP2318672A1 EP 2318672 A1 EP2318672 A1 EP 2318672A1 EP 09806407 A EP09806407 A EP 09806407A EP 09806407 A EP09806407 A EP 09806407A EP 2318672 A1 EP2318672 A1 EP 2318672A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
constriction
resonator
air
axis
helmholtz resonator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09806407A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bruno Schuermans
Jaan Hellat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ansaldo Energia Switzerland AG
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP2318672A1 publication Critical patent/EP2318672A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/02—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using resonance
    • F01N1/023—Helmholtz resonators
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active 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 the field of combustion technology, especially in the context of gas turbines. It relates to a method for adjusting a Helmholtz resonator according to the preamble of claim 1 and a Helmholtz resonator for carrying out the method.
  • Helmholtz resonators for damping pulsations in the combustion chambers of gas turbines has already been proposed in many cases (see, for example, the document DE-B4-196 40 980). There are also already Helmholtz resonators with several resonator volumes connected in series has been disclosed, with which multiple frequencies can be attenuated (see, for example, DE-A1-10 2005 062 284).
  • the effectiveness of such damping systems is limited to a narrow frequency range around the resonant frequency of the individual dampers.
  • the damping characteristic of such systems is a function of the acoustic resistance of the constriction, via which the respective resonator volume is coupled to the space to be damped, in particular the combustion chamber of a gas turbine.
  • the acoustic resistance of the constriction is a function of the flow rate and the pressure loss coefficient in the constriction.
  • the resonance frequency has only a weak dependence on the acoustic resistance in the constriction.
  • the resonance frequency depends very strongly on this resistance.
  • a Helmholtz resonator that is tunable to the pulsations actually occurring in a combustor to achieve the greatest possible damping effect.
  • a tunability is achieved, for example, by arranging an adjustable piston in the resonator volume.
  • such a mechanical adjustment is complex in construction and unsuitable for active control.
  • the object is solved by the entirety of the features of claims 1 and 6. It is essential for the invention that, for adjusting the Helmholtz resonator, the acoustic resistance of the constriction is changed, via which the resonator volume is connected to the room to be damped. The adjustment of the acoustic resistance of the constriction allows:
  • Helmholtz resonators with two resonator volumes Helmholtz resonators with two resonator volumes.
  • the acoustic resistance of the constriction can be adjusted in two ways: 1) By injecting purge air through two air inlets (air jets) into the
  • Resonator system via an axial air inlet through which the air is injected in the direction of the (longitudinal) axis of the resonator arrangement, and via a Tangentiallufteinlass over which the air - relative to the axis - is injected in the circumferential direction.
  • the ratio of the pulses of the tangentially injected air and the axially injected air defines the
  • Constriction followed by a sudden expansion at the outlet of the constriction, is known to produce a so-called "vortex breakdown.” It is known that the mechanism of vortex shedding indicates a strong dependence of the pressure loss coefficient on the swirl number a small proportion of injected into the constriction axial air can be adjusted.
  • An embodiment of the method according to the invention is therefore characterized in that the acoustic resistance of the constriction is changed by changing the swirl number in the resonator volume and in the constriction.
  • axial air in the direction of the axis and Tangential Kunststoff is injected in the circumferential direction to the axis, and changed the ratio of the mass flows of axial air and Tangentialluft to change the swirl number.
  • Another embodiment of the method according to the invention is characterized in that axial air in the direction of the axis and tangential air in the circumferential direction to the axis is injected into the at least one resonator volume, that the axial air acts on a vortex generator arranged at the upstream end of the constriction, and that for alteration the swirl number of the mass flow of the axial clearance is changed.
  • the relationship between the mass flows of the axial air and the tangential air can be controlled in three different ways: 1) By changing the flow cross sections of the axial air and
  • Fluidix element is the fluid dynamic equivalent of a transistor: it uses a small amount of air to control the main airflow.
  • a Fluidix element can be an integral part of the Helmholtz resonator or of the vortex generator used there.
  • the given according to the invention possibility to tune the frequency and the resistance of the Helmholtz resonator can in a closed Control loop can be used to control the pulsation in the combustion chamber of the gas turbine.
  • a closed Control loop can be used to control the pulsation in the combustion chamber of the gas turbine.
  • Such a system would include a tunable Helmholtz resonator and a controller that specifies the ratio of tangential air to radial clearance. The controller sets this ratio according to a measured pulsation frequency and amplitude.
  • Another embodiment of the method according to the invention is therefore characterized in that the change in the acoustic resistance of the constriction takes place in accordance with a pulsation signal measured in the room to be damped.
  • the Helmholtz resonator according to the invention comprises at least one resonator volume which can be connected along an axis via a constriction to the space to be damped, in particular the combustion chamber, wherein the constriction has a predetermined acoustic resistance and the Helmholtz resonator means for adjusting the acoustic resistance of Constriction includes.
  • a first embodiment of the Helmholtz resonator according to the invention is characterized in that the means for adjusting the acoustic resistance of the constriction comprises an axial air inlet for injecting air in the direction of the axis and a tangential air inlet for injecting air in the circumferential direction to the axis.
  • the acoustic resistance of the restriction over the swirl number is variable by changing the ratio of the air injected through the axial air inlet and the air injected through the tangential air inlet.
  • Flow cross-section of Axiallufteinlasses and / or Tangentiallufteinlasses is changeable.
  • Another development is characterized in that at least one control valve is provided for varying the ratio of the air injected through the axial air inlet and the air injected through the tangential air inlet.
  • a further development is characterized in that a fluidic control device is provided for changing the ratio of the air injected through the axial air inlet and the air injected through the tangential air inlet.
  • a control is provided which can be acted upon at an input with a pulsation signal measured in the space to be damped, in particular in the combustion chamber.
  • Helmholtz resonator is characterized in that the acoustic resistance of the constriction via the swirl number is variable by a vortex generator arranged at the upstream end of the constriction, which can be acted upon by the axial air inlet with axially deflated air.
  • a variant of the Helmholtz resonator according to the invention is characterized in that the Helmholtz resonator has a single resonator volume, in that the axial air inlet is arranged on the side of the resonator volume opposite to the constriction, and in that the tangential air inlet has air approximately in the middle between the constriction and the axial air inlet injected into the resonator volume.
  • Helmholtz resonator in the axis connected in series comprises at least two resonator volumes with two associated constrictions, and that at least the first resonator volume a Axial air inlet for injecting air in the direction of the axis and a Tangentiallufteinlass for injecting air in the circumferential direction to the axis.
  • the second resonator volume may also have an axial air inlet for the injection of air in the direction of the axis and a tangential air inlet for the injection of air in the circumferential direction to the axis.
  • both resonator volumes may include a vortex generator located at the upstream end of the throat.
  • FIG. 1 shows in a greatly simplified schematic representation of an adjustable Helmholtz resonator according to a first embodiment of the invention with only one resonator volume in the plan view in the axial direction (a) and in the side view (b).
  • FIG. 2 shows in a representation comparable to FIG. 1 (b) an adjustable Helmholtz resonator according to a second exemplary embodiment of the invention with two resonator volumes arranged one behind the other in the axial direction, wherein only the properties of the first resonator volume are adjustable;
  • FIG. 3 in a comparable to Fig. 2 representation of an adjustable
  • Helmholtz resonator according to a third embodiment of the invention with two in the axial direction one behind the other arranged resonator, wherein at the constriction of the first resonator volume is acted upon with axial air vortex generator is arranged;
  • FIG. 4 shows an analogous to FIG. 3 fourth embodiment of the invention, in which the axial clearance for the vortex generator is controlled by a control valve in accordance with a Pulsationssignals and
  • Fig. 5 is a to Fig. 2 analogous fifth embodiment, in which the axial air and the tangential air via a fluidic
  • Control device is controlled in accordance with a pulsation signal.
  • FIG. 1 shows a highly simplified schematic representation of an adjustable Helmholtz resonator according to a first exemplary embodiment of the invention as viewed along the axis 29 of the system (FIG. 1 (a)) and in a side view (FIG. 1 (b)).
  • the Helmholtz resonator 10 has a
  • Resonator volume 11 which is connected via a constriction 12 to a space to be damped, in this case the combustion chamber 13 of a gas turbine (not shown).
  • the Helmholtz resonator 10 extends along the axis 29.
  • the resonator volume 11 and the constriction 12 may have a cylindrical shape. Other designs are also conceivable.
  • the constriction can be designed as a diffuser in order to amplify a possible vortex breakdown . The dimensions depend on the pulsation frequencies occurring in the combustion chamber.
  • two air inlets 14 and 15 are provided on the resonator volume 11.
  • Axiallufteinlass 14 is in axial Directed air into the resonator 11.
  • the tangential air inlet 15 which is arranged laterally between the axial air inlet 14 and the constriction 12 approximately in the middle, air is injected into the resonator volume 11 in the tangential direction.
  • the ratio of the impulses of the injected axial air and tangential air determines the swirl number in the resonator volume 11 and in the constriction 12 and thus the swirl number-dependent acoustic resistance in the constriction 12.
  • the momentum ratio of axial air and tangential air can be changed, for example, by the flow cross-section in FIG Axiallufteinlass 14 and / or in Tangentiallufteinlass 15 is changed. This can be done for example by inserting apertures with different aperture diameter or by variable in diameter (iris) aperture.
  • FIG. 1 A first embodiment of a Helmholtz resonator according to the invention with two resonator volumes is shown in FIG.
  • a second resonator volume 16 with a second constriction 17 is arranged between the first resonator volume 11 with the following first constriction 12 and the combustion chamber 13.
  • the tuning takes place here again by an axial air inlet 14 and a tangential air inlet 15 at the first resonator volume 11.
  • the two resonator volumes 11, 16 and constrictions 12, 17 can be identical in size and shape.
  • the resonator volume 16 can also be equipped with an axial air inlet and a tangential air inlet, as indicated in FIG. 3 by the dashed lines with the reference numerals 15 'and 18'.
  • the Helmholtz resonator 20a reproduced in FIG. 3 represents a modification of the Helmholtz resonator 20 shown in FIG. 2. It likewise comprises two resonant volumes 11 and 16 connected in series with the corresponding resonator volumes Constrictions 12 and 17. Unlike in the arrangement according to Fig. 2, here at the upstream end of the first constriction 12 a swirl generator 19 is provided, which is supplied with axial air via a comparatively narrow axial air inlet 18. About the effect of The second resonator volume 16 can also be equipped with an axial air inlet 18 'and a tangential air inlet 15' and / or with a vortex generator 19 '.
  • the Helmholtz resonator according to the invention may be part of a closed loop, as shown in Fig. 4 and 5.
  • the Helmholtz resonator 20b in turn has two resonator volumes 11 and 16 connected in series with the associated constrictions 12 and 17.
  • a vortex generator 19 with axial air inlet 18 and a tangential air inlet 15 are provided.
  • the mass flow of the axial air can be controlled by a control valve 21 arranged in front of the axial air inlet 18.
  • the control valve 21 is controlled by a controller 22, which receives on the input side a recorded in the combustion chamber 13 pulsation signal.
  • the algorithm of the controller 22 tries to reduce the size of the pulsations.
  • the mass flows of the axial air and the tangential air are controlled by a fluidic control device (fluidic element) 24 in response to a small flow of control air 26.
  • the air is supplied via an air supply 28 and divided accordingly.
  • the control air 26 is controlled by means of a control valve 25, which in turn is controlled by a controller 27 in accordance with a pulsation signal 23 from the combustion chamber 13.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Einstellen eines Helmholtz-Resonators (10), welcher wenigstens ein Resonatorvolumen (11) umfasst, das entlang einer Achse (29) über eine einen akustischen Widerstand aufweisende Verengung (12) an einen zu bedämpfenden Raum (13) angeschlossen ist, wird zur Einstellung des Helmholtz-Resonators (10) der akustische Widerstand der Verengung (12) verändert.

Description

BESCHREIBUNG
VERFAHREN ZUM EINSTELLEN EINES HELMHOLTZ-RESONATORS SOWIE HELMHOLTZ-RESONATOR ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik, insbesondere im Zusammenhang mit Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Helmholtz-Resonators gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Helmholtz-Resonator zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Der Einsatz von Helmholtz-Resonatoren zur Dämpfung von Pulsationen in den Brennkammern von Gasturbinen ist bereits vielfach vorgeschlagen worden (siehe z.B. die Druckschrift DE-B4-196 40 980). Es sind auch bereits Helmholtz- Resonatoren mit mehreren hintereinander geschalteten Resonatorvolumina offenbart worden, mit denen Mehrfachfrequenzen gedämpft werden können (siehe z.B. die DE-A1-10 2005 062 284).
Die Wirksamkeit derartiger Dämpfungssysteme ist auf einen engen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz der einzelnen Dämpfer herum beschränkt. Die Dämpfungscharakteristik derartiger Systeme ist eine Funktion des akustischen Widerstands der Verengung, über die das jeweilige Resonatorvolumen an den zu bedämpfenden Raum, insbesondere die Brennkammer einer Gasturbine, angekoppelt ist. Der akustische Widerstand der Verengung ist seinerseits eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckverlustkoeffizienten in der Verengung. Für Helmholtz-Resonatoren mit nur einem Resonatorvolumen hat die Resonanzfrequenz nur eine schwache Abhängigkeit vom akustischen Widerstand in der Verengung. Für zwei Resonatorvolumina hängt dagegen die Resonanzfrequenz sehr stark von diesem Widerstand ab.
Generell ist es wünschenswert, einen Helmholtz-Resonator zu haben, der auf die in einer Brennkammer tatsächlich auftretenden Pulsationen abstimmbar ist, um den grösstmöglichen Dämpfungseffekt zu erreichen. In der eingangs genannten Druckschrift DE-A1-10 2005 062 284 wird eine Abstimmbarkeit beispielsweise dadurch erreicht, dass in dem Resonatorvolumen ein verstellbarer Kolben angeordnet ist. Eine solche mechanische Verstellung ist jedoch aufwändig in der Konstruktion und für eine aktive Regelung wenig geeignet.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen eines Helmholtz-Resonators anzugeben, welches auf einfache und leicht steuerbare Weise eine Abstimmung des Helmholtz-Resonators ermöglicht, sowie einen Helmholtz-Resonator zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass zur Einstellung des Helmholtz- Resonators der akustische Widerstand der Verengung verändert wird, über welche das Resonatorvolumen an den zu bedämpfenden Raum angeschlossen ist. Die Einstellung des akustischen Widerstands der Verengung ermöglicht:
1 ) Die Abstimmung des Resonatorwiderstands im Falle eines Helmholtz- Resonators mit nur einem Resonatorvolumen (und damit die optimale Abstimmung des Dämpfungsverhalten des Resonators). 2) Die Abstimmung der Resonanzfrequenz und des Widerstands im Falle von
Helmholtz-Resonatoren mit zwei Resonatorvolumina.
Der akustische Widerstand der Verengung kann auf zwei Wegen eingestellt werden: 1 ) Durch Eindüsen von Spülluft über zwei Lufteinlässe (Luftdüsen) in das
Resonatorsystem, und zwar über einen Axiallufteinlass, über den die Luft in Richtung der (Längs-)Achse der Resonatoranordnung eingedüst wird, und über einen Tangentiallufteinlass, über den die Luft - bezogen auf die Achse - in Umfangsrichtung eingedüst wird. Das Verhältnis der Impulse der Tangential eingedüsten Luft und der axial eingedüsten Luft definiert die
Drallzahl („swirl number") im Resonatorvolumen und in der Verengung. Der akustische Widerstand in der Verengung ist dabei eine Funktion der Drallzahl.
2) Durch Einsetzen eines Wirbelgenerator am stromaufwärts gelegenen Ende der Verengung. Die dadurch entstehende Wirbelströmung in der
Verengung, gefolgt von einer plötzlichen Expansion am Ausgang der Verengung, zeigt bekanntermassen ein sogenanntes Wirbelaufplatzen („vortex breakdown"). Es ist bekannt, dass der Mechanismus des Wirbelaufplatzens eine starke Abhängigkeit des Druckverlustkoeffizienten von der Drallzahl anzeigt. Die Drallzahl kann in diesem Fall durch einen geringen Anteil von in die Verengung eingedüster Axialluft eingestellt werden. Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich daher dadurch aus, dass der akustische Widerstand der Verengung durch Veränderung der Drallzahl im Resonatorvolumen und in der Verengung verändert wird.
Insbesondere wird dazu in das wenigstens eine Resonatorvolumen Axialluft in Richtung der Achse und Tangentialluft in Umfangsrichtung zur Achse eingedüst, und zur Veränderung der Drallzahl das Verhältnis der Massenströme von Axialluft und Tangentialluft verändert.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in das wenigstens eine Resonatorvolumen Axialluft in Richtung der Achse und Tangentialluft in Umfangsrichtung zur Achse eingedüst wird, dass mit der Axialluft ein am stromaufwärts gelegenen Ende der Verengung angeordneter Wirbelgenerator beaufschlagt wird, und dass zur Veränderung der Drallzahl der Massenstrom der Axialluft verändert wird.
Das Verhältnis zwischen den Massenströmen der Axialluft und der Tangentialluft kann auf drei verschiedene Weisen gesteuert werden: 1 ) Durch eine Änderung der Strömungsquerschnitte der Axialluft- und
Tangentiallufteinlässe. Da der Druckabfall über den Dämpfer festliegt, sind die Massenströme proportional zu den Strömungsquerschnitten der Einlasse.
2) Durch Ventile (Steuerventile). 3) Durch eine fluidische Steuervorrichtung (ein sogenanntes Fluidix-Element).
Ein solches Element ist das fluiddynamische Äquivalent eines Transistors: Es benutzt eine kleine Menge Luft, um den Hauptluftstrom zu steuern. Ein solches Fluidix-Element kann dabei ein integraler Bestandteil des Helmholtz-Resonators bzw. des dort eingesetzten Wirbelgenerators sein.
Die nach der Erfindung gegebene Möglichkeit, die Frequenz und den Widerstand des Helmholtz-Resonators abzustimmen, kann in einer geschlossenen Regelschleife dazu benutzt werden, die Pulsationsstärke in der Brennkammer der Gasturbine zu regeln. Ein solches System würde einen abstimmbaren Helmholtz- Resonator und eine Steuerung umfassen, welche das Verhältnis von Tangentialluft zu Radialluft spezifiziert. Die Steuerung legt dieses Verhältnis nach Massgabe einer gemessenen Pulsationsfrequenz und -amplitude fest.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des akustische Widerstands der Verengung nach Massgabe eines im zu bedämpfenden Raum gemessenen Pulsationssignals erfolgt.
Der erfindungsgemässe Helmholtz-Resonator umfasst wenigstens ein Resonatorvolumen, welches entlang einer Achse über eine Verengung an den zu bedämpfenden Raum, insbesondere die Brennkammer, anschliessbar ist, wobei die Verengung einen vorgegebenen akustischen Widerstand aufweist und der Helmholtz-Resonator Mittel zur Einstellung des akustischen Widerstands der Verengung umfasst.
Eine erste Ausgestaltung des Helmholtz-Resonators nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zur Einstellung des akustischen Widerstands der Verengung einen Axiallufteinlass zum Eindüsen von Luft in Richtung der Achse und einen Tangentiallufteinlass zum Eindüsen von Luft in Umfangsrichtung zur Achse umfassen.
Insbesondere ist der akustische Widerstand der Verengung über die Drallzahl durch eine Veränderung des Verhältnisses der durch den Axiallufteinlass eingedüsten Luft und der durch den Tangentiallufteinlass eingedüsten Luft veränderbar ist.
Eine Weiterbildung der Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Strömungsquerschnitt des Axiallufteinlasses und/oder des Tangentiallufteinlasses veränderbar ist. Eine andere Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Verhältnisses der durch den Axiallufteinlass eingedüsten Luft und der durch den Tangentiallufteinlass eingedüsten Luft wenigstens ein Steuerventil vorgesehen ist.
Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Veränderung des Verhältnisses der durch den Axiallufteinlass eingedüsten Luft und der durch den Tangentiallufteinlass eingedüsten Luft eine fluidische Steuervorrichtung vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist zur Ansteuerung des wenigstens einen Steuerventils bzw. der fluidischen Steuervorrichtung eine Steuerung vorgesehen, welche an einem Eingang mit einem in dem zu bedämpfenden Raum, insbesondere in der Brennkammer, gemessenen Pulsationssignal beaufschlagbar ist.
Eine andere Ausführungsform des Helmholtz-Resonators nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Widerstand der Verengung über die Drallzahl durch einen am stromaufwärts gelegenen Ende der Verengung angeordneten Wirbelgenerator veränderbar ist, welcher über den Axiallufteinlass mit axial eingedüster Luft beaufschlagbar ist.
Eine Variante des erfindungsgemässen Helmholtz-Resonators ist dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator ein einziges Resonatorvolumen aufweist, dass der Axiallufteinlass auf der der Verengung gegenüberliegenden Seite des Resonatorvolumens angeordnet ist, und dass der Tangentiallufteinlass ungefähr in der Mitte zwischen der Verengung und dem Axiallufteinlass Luft in das Resonatorvolumen eindüst.
Eine andere Variante des erfindungsgemässen Helmholtz-Resonators ist dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator in der Achse hintereinander geschaltet wenigstens zwei Resonatorvolumina mit zwei zugehörigen Verengungen umfasst, und dass zumindest das erste Resonatorvolumen einen Axiallufteinlass zum Eindüsen von Luft in Richtung der Achse und einen Tangentiallufteinlass zum Eindüsen von Luft in Umfangsrichtung zur Achse aufweist.
Insbesondere kann dabei auch das zweite Resonatorvolumen einen Axiallufteinlass zum Eindüsen von Luft in Richtung der Achse und einen Tangentiallufteinlass zum Eindüsen von Luft in Umfangsrichtung zur Achse aufweist.
Ebenso können beide Resonatorvolumina einen am stromaufwärts gelegenen Ende der Verengung angeordneten Wirbelgenerator aufweisen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung einen einstellbaren Helmholtz-Resonator gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nur einem Resonatorvolumen in der Draufsicht in Achsenrichtung (a) und in der Seitenansicht (b);
Fig. 2 in einer zu Fig. 1(b) vergleichbaren Darstellung einen einstellbaren Helmholtz-Resonator gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten Resonatorvolumina, wobei nur die Eigenschaften des ersten Resonatorvolumens verstellbar sind;
Fig. 3 in einer zu Fig. 2 vergleichbaren Darstellung einen einstellbaren
Helmholtz-Resonator gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten Resonatorvolumina, wobei an der Verengung des ersten Resonatorvolumens ein mit Axialluft beaufschlagbarer Wirbelgenerator angeordnet ist;
Fig. 4 ein zu Fig. 3 analoges viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Axialluft für den Wirbelgenerator über ein Steuerventil nach Massgabe eines Pulsationssignals gesteuert wird und
Fig. 5 ein zu Fig. 2 analoges fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem die Axialluft und die Tangentialluft über eine Fluidische
Steuervorrichtung nach Massgabe eines Pulsationssignals gesteuert wird.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung einen einstellbaren Helmholtz-Resonator gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Ansicht entlang der Achse 29 des Systems (Fig. 1 (a)) und in einer Seitenansicht (Fig. 1 (b)). Der Helmholtz-Resonator 10 weist eine
Resonatorvolumen 11 auf, das über eine Verengung 12 an einen zu dämpfenden Raum, in diesem Fall die Brennkammer 13 einer (nicht dargestellten) Gasturbine, angeschlossen ist. Der Helmholtz-Resonator 10 erstreckt sich entlang der Achse 29. Das Resonatorvolumen 11 und die Verengung 12 können eine zylindrische Gestalt haben. Andere Gestaltungen sind aber auch denkbar. Insbesondere kann die Verengung als Diffusor ausgebildet sein, um ein mögliches Wirbelaufplatzen („vortex breakdown") zu verstärken. Die Abmessungen richten sich nach den in der Brennkammer auftretenden Pulsationsfrequenzen.
Zur Einstellung des akustischen Widerstandes in der Verengung 12 sind am Resonatorvolumen 11 zwei Lufteinlässe 14 und 15 vorgesehen. Über den gegenüber der Verengung 12 angeordnete Axiallufteinlass 14 wird in axialer Richtung Luft in das Resonatorvolumen 11 eingedüst. Durch den seitlich zwischen Axiallufteinlass 14 und Verengung 12 etwa in der Mitte angeordneten Tangentiallufteinlass 15 wird Luft in tangentialer Richtung in das Resonatorvolumen 11 eingedüst. Das Verhältnis der Impulse der eingedüsten Axialluft und Tangentialluft bestimmt die Drallzahl im Resonatorvolumen 11 und in der Verengung 12 und damit den von der Drallzahl abhängigen akustischen Widerstand in der Verengung 12. Das Impulsverhältnis von Axialluft und Tangentialluft kann beispielsweise dadurch verändert werden, dass der Strömungsquerschnitt im Axiallufteinlass 14 und/oder im Tangentiallufteinlass 15 geändert wird. Dies kann beispielsweise durch das Einfügen von Blenden mit unterschiedlichem Öffnungsdurchmesser oder durch im Durchmesser veränderliche (Iris-)Blenden geschehen.
Anstelle nur eines Resonatorvolumens können aber auch zwei in axialer Richtung hintereinander geschaltete Resonatorvolumina vorgesehen werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Helmholtz-Resonators nach der Erfindung mit zwei Resonatorvolumina ist in Fig. 2 wiedergegeben. Bei dem Helmholtz-Resonator 20 der Fig. 2 ist zwischen dem ersten Resonatorvolumen 11 mit der nachfolgenden ersten Verengung 12 und der Brennkammer 13 ein zweites Resonatorvolumen 16 mit einer zweiten Verengung 17 angeordnet. Die Abstimmung erfolgt hier wiederum durch einen Axiallufteinlass 14 und einen Tangentiallufteinlass 15 am ersten Resonatorvolumen 11. Die beiden Resonatorvolumina 11 , 16 und Verengungen 12, 17 können von Grosse und Gestalt gleich sein. Es ist aber auch denkbar, dass sie in Beidem voneinander abweichen, wie dies in Fig. 12 angedeutet ist. Ebenso kann zusätzlich zum Resonatorvolumen 11 auch das Resonatorvolumen 16 mit einem Axiallufteinlass und einem Tangentiallufteinlass ausgestattet sein, wie dies in Fig. 3 durch die gestrichelt eingezeichneten Linien mit den Bezugszeichen 15' und 18' angedeutet ist.
Der in Fig. 3 wiedergegebene Helmholtz-Resonator 20a stellt eine Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Helmholtz-Resonators 20 dar. Er umfasst ebenfalls zwei hintereinander geschaltete Resonanzvolumina 11 und 16 mit den entsprechenden Verengungen 12 und 17. Anders als bei der Anordnung nach Fig. 2 ist hier am stromaufwärts gelegenen Ende der ersten Verengung 12 ein Wirbelgenerator („swirler") 19 vorgesehen, der über einen vergleichsweise engen Axiallufteinlass 18 mit Axialluft beaufschlagt wird. Über den Effekt des Wirbelaufplatzens kann mittels dieser Axialluft die Drallzahl beeinflusst werden. Auch das zweite Resonatorvolumen 16 kann mit einem Axiallufteinlass 18' und einem Tangentiallufteinlass 15' und/oder mit einem Wirbelgenerator 19' ausgestattet sein.
Der Helmholtz-Resonator nach der Erfindung kann Teil eines geschlossenen Regelkreises sein, wie dies in Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 hat der Helmholtz-Resonator 20b wiederum zwei hintereinander geschaltete Resonatorvolumina 11 und 16 mit den zugehörigen Verengungen 12 und 17. Zur Verstellung ist ein Wirbelgenerator 19 mit Axiallufteinlass 18 und ein Tangentiallufteinlass 15 vorgesehen. Der Massenstrom der Axialluft ist durch ein vor dem Axiallufteinlass 18 angeordnetes Steuerventil 21 steuerbar. Das Steuerventil 21 wird von einer Steuerung 22 angesteuert, die eingangsseitig ein in der Brennkammer 13 aufgenommenes Pulsationssignal erhält. Der Algorithmus der Steuerung 22 versucht dabei, die Grosse der Pulsationen zu verringern.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Massenströme der Axialluft und der Tangentialluft durch eine fluidische Steuervorrichtung (Fluidix- Element) 24 nach Massgabe einer kleinen Stromes von Steuerluft 26 gesteuert. Die Luft wird über eine Luftzufuhr 28 zugeführt und entsprechend aufgeteilt. Die Steuerluft 26 wird mittels eines Steuerventils 25 gesteuert, das seinerseits von einer Steuerung 27 nach Massgabe eines Pulsationssignals 23 aus der Brennkammer 13 gesteuert wird.
Die Helmholtz-Resonatoren nach der Erfindung können mit Vorteil zur
Bedämpfung der Brennkammern von Gasturbinen eingesetzt werden, wobei die Einstellung der Systeme auf die in den Brennkammern auftretenden Pulsationen in der oben beschriebenen Weise erfolgen kann oder in einem Regelkreis automatisch erfolgt.
BEZUGSZEICHENLISTE
10,20 Helmholtz-Resonator
20a, b,c Helmholtz-Resonator
11 ,16 Resonatorvolumen
12,17 Verengung
13 Brennkammer (Gasturbine etc.)
14,18,18' Axiallufteinlass
15,15' Tangentiallufteinlass
19,19' Wirbelgenerator
21 ,25 Steuerventil
22,27 Steuerung
23 Pulsationssignal (gemessen)
24 fluidische Steuervorrichtung
26 Steuerluft
28 Luftzufuhr
29 Achse

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Einstellen eines Helmholtz-Resonators (10, 20, 20a, b,c), welcher wenigstens ein Resonatorvolumen (11 , 16) umfasst, das entlang einer
Achse (29) über eine einen akustischen Widerstand aufweisende Verengung (12, 17) an einen zu bedämpfenden Raum (13) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Helmholtz-Resonators (10, 20, 20a, b,c) der akustische Widerstand der Verengung (12, 17) verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Widerstand der Verengung (12, 17) durch Veränderung der Drallzahl im Resonatorvolumen (11 , 16) und in der Verengung (12, 17) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das wenigstens eine Resonatorvolumen (11 , 16) Axialluft in Richtung der Achse (29) und Tangentialluft in Umfangsrichtung zur Achse (29) eingedüst wird, und dass zur Veränderung der Drallzahl das Verhältnis der Massenströme von Axialluft und Tangentialluft verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das wenigstens eine Resonatorvolumen (11 , 16) Axialluft in Richtung der Achse (29) und Tangentialluft in Umfangsrichtung zur Achse (29) eingedüst wird, dass mit der Axialluft ein am stromaufwärts gelegenen Ende der Verengung (12, 17) angeordneter Wirbelgenerator (19) beaufschlagt wird, und dass zur Veränderung der Drallzahl der Massenstrom der Axialluft verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des akustische Widerstands der Verengung (12, 17) nach Massgabe eines im zu bedämpfenden Raum (13) gemessenen Pulsationssignals (23) erfolgt.
6. Helmholtz-Resonator (10, 20, 20a, b,c) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit wenigstens einem Resonatorvolumen (11 , 16), welches entlang einer Achse (29) über eine Verengung (12, 17) an den zu bedämpfenden Raum, insbesondere die Brennkammer (13), anschliessbar ist, wobei die Verengung (12, 17) einen vorgegebenen akustischen Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (10, 20, 20a, b,c) Mittel (14, 15, 18, 19) zur Einstellung des akustischen Widerstands der Verengung (12, 17) umfasst.
7. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Einstellung des akustischen Widerstands der Verengung (12, 17) einen Axiallufteinlass (14, 18) zum Eindüsen von Luft in Richtung der Achse (29) und einen Tangentiallufteinlass (15) zum Eindüsen von Luft in Umfangsrichtung zur Achse (29) umfassen.
8. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Widerstand der Verengung (12, 17) über die Drallzahl durch eine Veränderung des Verhältnisses der durch den Axiallufteinlass (14) eingedüsten Luft und der durch den Tangentiallufteinlass (15) eingedüsten Luft veränderbar ist.
9. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Axiallufteinlasses (14) und/oder des Tangentiallufteinlasses (15) veränderbar ist.
10. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Verhältnisses der durch den Axiallufteinlass (14) eingedüsten Luft und der durch den Tangentiallufteinlass (15) eingedüsten Luft wenigstens ein Steuerventil (21 ) vorgesehen ist.
11. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Verhältnisses der durch den Axiallufteinlass (14) eingedüsten Luft und der durch den Tangentiallufteinlass (15) eingedüsten Luft eine fluidische Steuervorrichtung (24) vorgesehen ist.
12. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des wenigstens einen Steuerventils (21 ) bzw. der fluidischen Steuervorrichtung (24) eine Steuerung (22, 27) vorgesehen ist, welche an einem Eingang mit einem in dem zu bedämpfenden Raum, insbesondere in der Brennkammer (13), gemessenen Pulsationssignal (23) beaufschlagbar ist.
13. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Widerstand der Verengung (12, 17) über die Drallzahl durch einen am stromaufwärts gelegenen Ende der Verengung (12, 17) angeordneten Wirbelgenerator (19) veränderbar ist, welcher über den Axiallufteinlass (18) mit axial eingedüster Luft beaufschlagbar ist.
14. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (10) ein einziges Resonatorvolumen (11 ) aufweist, dass der Axiallufteinlass (14) auf der der Verengung (12) gegenüberliegenden Seite des Resonatorvolumens (11 ) angeordnet ist, und dass der Tangentiallufteinlass (15) ungefähr in der Mitte zwischen der Verengung (12) und dem Axiallufteinlass (14) Luft in das Resonatorvolumen (11 ) eindüst.
15. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (20, 20a, b,c) in der Achse (29) hintereinander geschaltet wenigstens zwei Resonatorvolumina (11 , 16) mit zwei zugehörigen Verengungen (12, 17) umfasst, und dass zumindest das erste Resonatorvolumen (11 ) einen Axiallufteinlass (14, 18) zum Eindüsen von Luft in Richtung der Achse (29) und einen Tangentiallufteinlass (15) zum Eindüsen von Luft in Umfangsrichtung zur Achse (29) aufweist.
16. Helmholtz-Resonator (20a) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auch das zweite Resonatorvolumen (16) einen Axiallufteinlass (18') zum Eindüsen von Luft in Richtung der Achse (29) und einen Tangentiallufteinlass (15') zum Eindüsen von Luft in Umfangsrichtung zur Achse (29) aufweist.
17. Helmholtz-Resonator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass beide Resonatorvolumina (11 , 16) einen am stromaufwärts gelegenen Ende der Verengung (12, 17) angeordneten Wirbelgenerator (19, 19') aufweisen.
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