EP2383514A1 - Brennersystem und Verfahren zur Dämpfung eines solchen Brennersystems - Google Patents

Brennersystem und Verfahren zur Dämpfung eines solchen Brennersystems Download PDF

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EP2383514A1
EP2383514A1 EP10161299A EP10161299A EP2383514A1 EP 2383514 A1 EP2383514 A1 EP 2383514A1 EP 10161299 A EP10161299 A EP 10161299A EP 10161299 A EP10161299 A EP 10161299A EP 2383514 A1 EP2383514 A1 EP 2383514A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
hat
burner
resonator
head end
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10161299A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven Bethke
Michael Huth
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP10161299A priority Critical patent/EP2383514A1/de
Priority to PCT/EP2011/053880 priority patent/WO2011134713A1/de
Publication of EP2383514A1 publication Critical patent/EP2383514A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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 invention relates to a burner system with at least one burner, with a combustion chamber and a head end, the latter comprising at least one fuel injection and a fuel-air premix, wherein the burner has a hat with a hat side and a hat top, wherein at least the Hutoberseite seen in the flow direction is arranged in front of the head end, wherein between the hat top and the head end thereby a burner plenum is formed, wherein the hat has a combustion chamber facing side and a combustion chamber side facing away. Furthermore, the invention relates to a method for damping vibrations of such a burner system.
  • a gas turbine plant comprises in the simplest case a compressor, a combustion chamber and a turbine.
  • the compressor there is a compression of sucked air, which is then admixed with a fuel.
  • the combustion chamber the mixture is combusted, the combustion exhaust gases being supplied to the turbine, from which energy is withdrawn from the combustion exhaust gases and converted into mechanical energy.
  • thermoacoustic oscillations in the 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.
  • thermoacoustically induced instabilities are significantly influenced by the acoustic properties of the combustion chamber and the boundary conditions present at the combustion chamber inlet and the combustion chamber outlet as well as at the combustion chamber walls.
  • Helmholtz resonators are used for damping, which dampen the amplitude of vibrations of certain frequencies.
  • a Helmholtz resonator typically includes a volume of air or other gas therein. The volume is followed by a neck, the so-called resonator neck, which also contains air or gas and which opens into the combustion chamber.
  • the air or the gas in the volume and the resonator neck form a spring-mass system, wherein the air or the gas in the volume of the spring and the air or the gas in the resonator neck forms the mass.
  • the spring-mass system oscillates at a resonant frequency determined by the volume, the cross-sectional area of the resonator neck, and the length of the resonator neck, the Helmholtz resonator behaves like an infinite-length opening which prevents a standing wave from interfering with itself can form the resonance frequency.
  • the WO 93/10401 A1 shows a device for suppressing combustion oscillations in a combustion chamber of a gas turbine plant.
  • a Helmholtz resonator is fluidically connected to a fuel supply line. The acoustic properties of the supply line or the overall acoustic system are thereby changed so that combustion oscillations are suppressed. It has, however shown that this measure is not sufficient in all operating conditions, as it can lead to combustion oscillations even with a suppression of vibrations in the fuel line.
  • the WO 03 / 074936A1 shows a gas turbine, with a burner which opens into a combustion chamber, said mouth is annularly surrounded by a Helmholtz resonator.
  • a Helmholtz resonator As a result, combustion vibrations are effectively attenuated by close contact with the flame, while avoiding temperature nonuniformity.
  • Helmholz resonator tubes are mounted, which cause a frequency adjustment.
  • a gas turbine combustor which has air-purged Helmholtz resonators in the burner.
  • the resonators are arranged alternately on the end face of the combustion chamber between the burners. By these resonators, vibration energy is absorbed by combustion vibrations occurring in the combustion chamber and the combustion vibrations are thereby damped.
  • the object of the present invention is therefore to specify a burner system which can be used for damping combustion oscillations and which avoids the above problem. Another object is to specify a method which can be used to dampen combustion oscillations and which avoids the above problem.
  • a burner system is provided with at least one burner, with a combustion chamber and a head end, the latter comprising at least one fuel injection and a fuel-air premix.
  • the burner has a hat with a hat side and a hat top, wherein at least the hat top side is arranged in the flow direction in front of the head end. Between the Hutoberseite and the head end becomes a burner plenum educated.
  • the hat has a side facing the combustion chamber and a side facing away from 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.
  • the volume in the resonator chamber behaves like a spring and the fluid mass in the neck behaves like the mass of a mechanical spring-mass system.
  • the resonator acts as an absorber by displacing the pressure oscillation impressed on it at the beginning of the resonator neck to a frequency different from that produced in the combustion chamber.
  • influences such as fluid friction, etc., significantly alter the effectiveness of the resonators, so that they do not act as sound absorbers, but as sound absorbers, although the sound amplitude is reduced only, and can not be erased by far.
  • the essential excitation mechanism can not be interrupted by this arrangement become. Pressure and sound velocity in the burner itself are not affected.
  • the hat now has at least one resonator on its side facing away from the combustion chamber. This is particularly advantageous over the prior art, in which the resonators are mounted directly on the combustion chamber or on the combustion chamber outer wall, since the pressure fluctuations are already prevented or suppressed in the burner plenum.
  • the hat side is at least partially arranged around the head end, so that in this case the hat side is spaced in a radial direction from the head end.
  • a channel is formed by the hat side and the head end. Through this channel compressor air is directed to the plenum. This compressor air thus cools the outside of the combustion chamber and thus reduces overheating of the combustion chamber. Ideally, the compressor air is preheated so that a more stable combustion can take place.
  • the resonator is a Helmholtz resonator.
  • the Helmholtz resonator on a neck which is adjustable in length. This can be, for example be realized via an adjustable sleeve. Thus, different frequencies can be damped in the combustion chamber.
  • the resonator is provided on the side facing away from the combustion chamber.
  • the resonator neck has openings to the plenum.
  • the installation of the Helmholtz resonator in the area of the plenum gives the advantage over lower temperatures compared to the attachment to the combustion chamber.
  • a flow through the resonators with cooling air is namely not necessary. This eliminates the cooling holes on the back of the resonators, which reduce the effectiveness of the resonators.
  • each burner having a hat with at least one resonator on its combustion chamber side facing away.
  • the vibrations in the entire gas turbine can be reduced.
  • a gas turbine comprises such a burner system.
  • the method related object is achieved by the disclosure of a method for damping vibrations of a burner system with at least one burner, with a combustion chamber and a head end, the latter comprises at least one fuel injection and a fuel-air premix, the burner having a hat with a Hutseite and a Hutoberseite, wherein at least the hat top side seen in the flow direction is arranged in front of the head end, wherein between the Hutoberseite and the head end thereby a burner plenum is formed, wherein the hat has a combustion chamber facing side and a combustion chamber side facing away by at least one Resonator on the hat on its side facing away from the combustion chamber vibrations in the burner plenum are avoided, thereby avoiding or at least reducing inherent modes of the combustion chamber.
  • thermoacoustic vibrations are largely prevented or even avoided and also prevents speed fluctuations in the fuel injection / fuel-air premixing.
  • FIG. 1 shows by way of example a gas turbine 1 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 1 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3 with a shaft, which is also referred to as a turbine runner.
  • a suction housing 4 Along the rotor 3 follow one another a suction housing 4, a compressor 5, for example, a toroidal combustion chamber 6, with a plurality of coaxially arranged burners 7, a turbine 8 and the exhaust housing. 9
  • the combustion chamber 6 communicates with, for example, a hot gas channel 11.
  • a hot gas channel 11 There, for example, four turbine stages 12 connected in series form the turbine 8.
  • Each turbine stage 12 is formed for example of two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 13, a row 25 of blades 25 follows in the hot gas channel 11 of a row of guide vanes 15.
  • the burner 7 in conjunction with a so-called tube combustion chamber 6 ( Fig. 2 ) used.
  • the gas turbine 1 has a plurality of annularly arranged tube combustion chambers 6, whose outflow openings open into the annular hot gas channel 11 turbine inlet side.
  • a plurality, for example six or eight, burner 7 is arranged at the opposite end of the downstream opening of the tube combustion chamber 6 usually annularly around a pilot burner.
  • FIG. 2 shows a section of a tube burner 7 schematically.
  • the burner 7 comprises a head end 51, a transition 52 and a liner 53 therebetween.
  • the "head end 51” is essentially the subsection of the fuel injection 55 / fuel-air premix 56 of the burner.
  • the liner 53 extends from the head end to the transition 52 in any manner.
  • an annular passage 57 is formed by the combustion / cooling air 65 flows.
  • the space before the fuel injection 55 or fuel / air premix 56 is referred to as burner plenum (plenum) 100.
  • the burner 7 has a hat 110 with a hat side 150 and a hat top 170.
  • the hat top 170 is seen in the flow direction arranged in front of the head end 51, whereby between the Hutoberseite 170 and the head end 51, a burner plenum 100 is formed.
  • the hat 110 has a combustion chamber-facing side 140 and a combustion chamber-facing side 120 (FIG. Fig. 3 ). In this case, the hat 110 with the hat side 150 is arranged virtually outside the machine.
  • FIG. 3 shows the burner system according to the invention with at least one burner 7 with a combustion chamber 6 and a head end 51.
  • the hat 110 therefore has, according to the invention, at least one resonator 200, on its side 120 remote from the combustion chamber, for the most part, several Helmholtz resonators 200. These suppress the pressure oscillations in the plenum 100 in front of the combustion chamber 6. This is particularly advantageous when it comes to tube combustion chambers 6.
  • the resonator 200 in this case has a neck 201, which is adjustable in length. This can be realized via an adjustable sleeve. Thus, different frequencies can be damped.
  • the Helmholtz resonators 200 are provided on the side facing away from the combustion chamber 120. There is a realization particularly easy to implement. In addition, so speed fluctuations in the fuel injection 55 and the fuel-air premix 56 are prevented.
  • the resonator neck 201 has openings to the plenum 100.
  • the realization of the Helmholtz resonators 200 in the region of the plenum 100 gives the advantage over the attachment to the combustion chamber of lower temperatures than when mounted on the combustion chamber outside. A flow through the Helmholtz resonators 200 with Cooling air is therefore not necessary. This eliminates necessary cooling air holes on the Helmholtz resonators 200, which reduce the effectiveness of the Helmholtz resonators 200.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem mit zumindest einem Brenner (7), mit einer Brennkammer (6) und einem Kopfende (51), wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung (55) sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung (56) umfasst, wobei der Brenner (7) einen Hut (110) mit einer Hutseite (150) und einer Hutoberseite (170) aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite (170) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende (51) angeordnet ist, so dass zwischen der Hutoberseite (170) und dem Kopfende (51) ein Brenner-Plenum (100) ausgebildet wird, wobei der Hut (110) eine brennkammerzugewandte Seite (140) und eine brennkammerabgewandte Seite (120) aufweist wobei der Hut (110) auf seiner brennkammerabgewandeten Seite (120) zumindest einen Resonator aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung einen solchen Brennersystems.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennersystem mit zumindest einem Brenner, mit einer Brennkammer und einem Kopfende, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung umfasst, wobei der Brenner einen Hut mit einer Hutseite und einer Hutoberseite aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei zwischen der Hutoberseite und dem Kopfende dadurch ein Brenner-Plenum ausgebildet wird, wobei der Hut eine brennkammerzugewandte Seite und eine brennkammerabgewandte Seite aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen eines solchen Brennersystems.
  • Eine Gasturbinenanlage umfasst im einfachsten Fall eine Verdichter, eine Brennkammer sowie eine Turbine. Im Verdichter erfolgt ein Verdichten von angesaugter Luft, welcher anschließend ein Brennstoff beigemischt wird. In der Brennkammer erfolgt eine Verbrennung des Gemisches, wobei die Verbrennungsabgase der Turbine zugeführt werden, von der den Verbrennungsabgasen Energie entzogen und in mechanische Energie umgesetzt wird.
  • Schwankungen in der Brennstoffqualität und sonstige thermische oder akustische Störungen führen jedoch zu Schwankungen in der freigesetzten Wärmemenge. 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.
  • 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.
  • Wesentlich beeinflusst werden diese thermoakustisch hervorgerufenen Instabilitäten durch die akustischen Eigenschaften des Brennraumes und die am Brennraumeintritt und Brennraumaustritt sowie an den Brennkammerwänden vorliegenden Randbedingungen. 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. Ein Helmholtz-Resonator umfasst in der Regel ein Volumen mit darin befindlicher Luft oder einem anderen Gas. An das Volumen schließt sich ein Hals, der sog. Resonatorhals an, in dem sich ebenfalls Luft bzw. Gas befindet und das in die Brennkammer mündet. Die Luft bzw. das Gas im Volumen und im Resonatorhals bilden ein Feder-Masse-System, wobei die Luft bzw. das Gas im Volumen die Feder und die Luft bzw. das Gas im Resonatorhals die Masse bildet. Wenn das Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch das Volumen, die Querschnittsfläche des Resonatorhalses und die Länge des Resonatorhalses bestimmt ist, verhält sich der Helmholtz-Resonator wie eine Öffnung mit unendlicher Länge, die verhindert dass sich eine stehende Welle mit der Resonanzfrequenz ausbilden kann.
  • Die WO 93/10401 A1 zeigt eine Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage. Ein Helmholtz-Resonator ist mit einer Brennstoffzuführleitung strömungstechnisch verbunden. Die akustischen Eigenschaften der Zuführleitung bzw. des akustischen Gesamtsystems werden hierdurch so verändert, dass Verbrennungsschwingungen unterdrückt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Maßnahme nicht in allen Betriebszuständen ausreicht, da es auch bei einer Unterdrückung von Schwingungen in der Brennstoffleitung zu Verbrennungsschwingungen kommen kann.
  • Die WO 03/074936A1 zeigt eine Gasturbine, mit einem Brenner, der in eine Brennkammer mündet, wobei diese Mündung ringförmig von einem Helmholtz-Resonator umgeben ist. Hierdurch werden Verbrennungsschwingungen durch engen Kontakt zur Flamme effektiv gedämpft, wobei gleichzeitig Temperaturungleichmäßigkeiten vermieden werden. In dem Helmholz-Resonator sind Röhrchen angebracht, welche eine Frequenzanpassung bewirken.
  • In der EP 0 597 138 A1 ist eine Gasturbinen-Brennkammer beschrieben, die im Bereich der Brenner luftgespülte Helmholtz-Resonatoren aufweist. Die Resonatoren sind alternierend an der Stirnseite der Brennkammer zwischen den Brennern angeordnet. Durch diese Resonatoren wird Schwingungsenergie von in der Brennkammer auftretenden Verbrennungsschwingungen absorbiert und die Verbrennungsschwingungen werden hierdurch gedämpft.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe eines Brennersystems, welche zur Dämpfung von Verbrennungsschwingungen einsetzbar ist und welche die obige Problematik vermeidet. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens, welches zur Dämpfung von Verbrennungsschwingungen einsetzbar ist und welches obige Problematik vermeidet.
  • Erfindungsgemäß ist ein Brennersystem mit zumindest einem Brenner vorgesehen, mit einer Brennkammer und einem Kopfende, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung umfasst. Dabei weist der Brenner einen Hut mit einer Hutseite und einer Hutoberseite auf, wobei zumindest die Hutoberseite in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist. Zwischen der Hutoberseite und dem Kopfende wird dadurch ein Brenner-Plenum ausgebildet. Dabei weist der Hut eine brennkammerzugewandte Seite und eine brennkammerabgewandte Seite auf.
  • Es ist bekannt, dass die Leistung von Gasturbinen beim Einsatz von Rohrbrennkammern durch das Auftreten von thermoakustischen Schwingungen in diesen Brennkammern begrenzt wird. Diese wurden bisher mit Helmholtz-Resonatoren vermindert. Bisher wurden nur Helmholtz Resonatoren mit fester Resonanzfrequenz eingesetzt. Diese Resonatoren wurden auf den Brennkammeraußenwand angebracht, um die akustischen Druckschwankungen im der Brennkammer zu dämpfen oder zu unterdrücken.
  • Die Resonanzfrequenz eines realen Helmholtz-Resonators ist näherungsweise gemäß der Gleichung f = c / 2 π S / Lʹ 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. Das Volumen in der Resonatorkammer verhält sich dabei wie eine Feder und die Fluidmasse im Hals wie die Masse eines mechanischen Feder-Masse-Systems. Der Resonator wirkt im idealen Fall als Tilger, indem er die ihm am Resonatorhalsanfang aufgeprägte Druckschwingung zu einer anderen Frequenz als der in der Brennkammer erzeugten verschiebt. In der Wirklichkeit verändern Einflüsse wie Fluidreibung, etc. die Wirksamkeit der Resonatoren deutlich, so das sie nicht als Schalltilger, sondern als Schallabsorber wirken, wobei allerdings die Schallamplitude lediglich reduziert, und bei weitem nicht ausgelöscht werden kann. Darüber hinaus kann durch diese Anordnung der wesentliche Anregungsmechanismus nicht unterbrochen werden. Druck- und Schallschnelle im Brenner selbst werden nicht beeinflusst.
  • Hier greift nun die Erfindung ein. Erfindungsgemäß weist nun der Hut auf seiner brennkammerabgewandeten Seite zumindest einen Resonator auf. Dies ist besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Resonatoren direkt auf der Brennkammer bzw. auf der Brennkammeraußenwand angebracht werden, da hier die Druckschwankungen schon im Brenner-Plenum verhindert bzw. unterdrückt werden.
  • Mittels detaillierter Analysen der Modenverteilung im Verbrennungssystem wurde erkannt, dass auch die Schalldruckverteilung im Plenum stromauf des Brenners einen merklichen Einfluss auf die Schalldrücke in der Brennkammer hat. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch Unterdrückung der Druckschwankungen im Plenum die Ausbildung der typischen Eigenmoden der Brennkammer ebenfalls vermindert bzw. ganz verhindert werden kann. Dies wird nun durch die Anbringung eines Resonators auf der brennkammerabgewandeten Seite des Huts erzielt, die dadurch die Druckschwingung im Plenum unterdrücken. Darüber hinaus werden zudem auch Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich der Kraftstoffeinspritzung/Kraftstoff-Luft Vormischung verhindert.
  • Bevorzugt ist die Hutseite zumindest teilweise um das Kopfende herum angeordnet, so dass dabei die Hutseite in einer radialen Richtung vom Kopfende beabstandet ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist durch die Hutseite und das Kopfende ein Kanal ausgebildet. Durch diesen Kanal wird Verdichterluft zu dem Plenum geleitet. Diese Verdichterluft kühlt somit die Außenseite der Brennkammer und vermindert so eine Überhitzung der Brennkammer. Idealerweise wird so die Verdichterluft vorgewärmt, so dass eine stabilere Verbrennung stattfinden kann.
  • Bevorzugt ist der Resonator ein Helmholtz-Resonator. In bevorzugter Ausgestaltung weist der Helmholtz -Resonator einen Hals auf, welcher längenverstellbar ist. Dies kann beispielsweise über eine verstellbare Hülse realisiert werden. Somit können in der Brennkammer verschiedene Frequenzen gedämpft werden.
  • Bevorzugt ist der Resonator an der brennkammerabgewandten Hutseite vorgesehen. Dort ist eine Realisierung besonders einfach umsetzbar. In bevorzugter Ausgestaltung weist lediglich der Resonatorhals Öffnungen zum Plenum auf. Die Installation des Helmholtz-Resonators im Bereich des Plenums ergibt gegenüber der Anbringung an der Brennkammer den Vorteil niedrigerer Temperaturen. Eine Durchströmung der Resonatoren mit Kühlluft ist nämlich nicht notwendig. Damit entfallen die Kühlluftlöcher auf der Rückseite der Resonatoren, die die Wirksamkeit der Resonatoren vermindern.
  • Bevorzugt sind mehrere Brenner vorgesehen, wobei jeder Brenner einen Hut mit zumindest einem Resonator auf seiner brennkammerabgewandeten Seite aufweist. Somit können die Schwingungen in der gesamten Gasturbine vermindert werden.
  • Vorteilhafterweise umfasst eine Gasturbine ein solches Brennersystem.
  • Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zur Dämpfung von Schwingungen eines Brennersystems mit zumindest einem Brenner, mit einer Brennkammer und einem Kopfende, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung umfasst, wobei der Brenner einen Hut mit einer Hutseite und einer Hutoberseite aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei zwischen der Hutoberseite und dem Kopfende dadurch ein Brenner-Plenum ausgebildet wird, wobei der Hut eine brennkammerzugewandte Seite und eine brennkammerabgewandte Seite aufweist wobei durch zumindest einen Resonator am Hut auf seiner brennkammerabgewandeten Seite Schwingungen im Brenner-Plenum vermieden werden, wodurch Eigenmoden der Brennkammer vermieden oder zumindest vermindert werden.
  • Durch dieses Verfahren werden thermoakustische Schwingungen weitestgehend vereinfacht verhindert bzw. sogar vermieden und zudem auch Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich der Kraftstoffeinspritzung/Kraftstoff-Luft Vormischung verhindert.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
    • Fig. 1
    zeigt schematisch eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
    Fig. 2
    zeigt einen Rohrbrenner mit Hut,
    Fig. 3
    zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Resonator am Hut.
  • Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt.
  • Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
  • Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 6, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 7, eine Turbine 8 und das Abgasgehäuse 9.
  • Die Brennkammer 6 kommuniziert mit einem beispielsweise Heißgaskanal 11. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 12 die Turbine 8.
  • Jede Turbinenstufe 12 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 13 gesehen folgt im Heißgaskanal 11 einer Leitschaufelreihe 15 eine aus Laufschaufeln 20 gebildete Reihe 25.
  • Während des Betriebes der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 5 durch das Ansauggehäuse 4 Luft 35 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 5 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 7 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 13 in der Brennkammer 6 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 13 entlang des Heißgaskanals 11 vorbei an den Leitschaufeln 30 und den Laufschaufeln 20. An den Laufschaufeln 20 entspannt sich das Arbeitsmedium 13 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 20 den Rotor 3 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
  • Vorzugsweise wird der Brenner 7 in Verbindung mit einer sogenannten Rohrbrennkammer 6 (Fig. 2) verwendet. Hierbei weist die Gasturbine 1 mehrere, ringförmig angeordnete Rohrbrennkammern 6 auf, deren abströmseitigen Öffnungen in den ringförmigen Heißgaskanal 11 turbineneingansseitig münden. Dabei sind vorzugsweise an jeder dieser Rohrbrennkammer mehrere, beispielsweise sechs oder acht, Brenner 7 an dem gegenüberliegenden Ende der abströmseitigen Öffnung der Rohrbrennkammer 6 zumeist ringförmig um einen Pilotbrenner angeordnet.
  • Figur 2 zeigt abschnittweise einen Rohrbrenner 7 schematisch. Der Brenner 7 umfasst ein Kopfende 51, ein Überleitkanal (Transition) 52, und dazwischen einen Liner 53. Dabei wird als "Kopfende (Head-End) 51" im Wesentlichen der Teilabschnitt der Kraftstoffeinspritzung 55/Kraftstoff-Luft Vormischung 56 des Brenners bezeichnet. Der Liner 53 erstreckt sich vom Kopfende zu dem Transition 52 auf beliebige Weise. Durch Liner 53 und Strömungsmantel 60 wird eine Ringpassage 57 ausgebildet durch die Verbrennungs-/Kühlluft 65 eingeströmt. Der Raum vor der Kraftstoffeinspritzung 55 bzw. Kraftstoff / Luftvormischung 56 wird als Brenner-Plenum (Plenum) 100 bezeichnet. Der Brenner 7 weist einen Hut 110 mit einer Hutseite 150 und einer Hutoberseite 170 auf. Dabei ist zumindest die Hutoberseite 170 in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende 51 angeordnet, wodurch zwischen der Hutoberseite 170 und dem Kopfende 51 ein Brenner-Plenum 100 ausgebildet wird. Der Hut 110 weist eine brennkammerzugewandte Seite 140 und eine brennkammerabgewandte Seite 120 auf (Fig. 3). Dabei ist der Hut 110 mit der Hutseite 150 quasi außerhalb der Maschine angeordnet.
  • Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Brennersystem mit zumindest einem Brenner 7 mit einer Brennkammer 6 und einem Kopfende 51. Detaillierte Untersuchungen der Modenverteilung in der Brennkammer 6 haben gezeigt, dass die Schalldruckverteilung im Plenum 100 stromauf der Brennkammer 6 einen merklichen Einfluss auf die Schalldrücke in der Brennkammer 6 hat. Durch Unterdrückung der Druckschwankungen im Plenum 100 kann die Ausbildung der typischen Eigenmoden der Brennkammer 6 ebenfalls vermindert bzw. ganz verhindert werden. Der Hut 110 weist daher erfindungsgemäß auf seiner brennkammerabgewandeten Seite 120 zumindest einen Resonator 200 zumeist mehrere Helmholtz - Resonatoren 200 auf. Diese unterdrücken die Druckschwingungen im Plenum 100 vor der Brennkammer 6. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn es sich dabei um Rohrbrennkammern 6 handelt. Der Resonator 200 weist dabei einen Hals 201 auf, welcher längenverstellbar ist. Dies kann über eine verstellbare Hülse realisiert werden. Somit können verschiedene Frequenzen gedämpft werden.
  • Die Helmholtz-Resonatoren 200 sind an der brennkammerabgewandten Hutseite 120 vorgesehen. Dort ist eine Realisierung besonders einfach umsetzbar. Darüber hinaus werden so auch Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich der Kraftstoffeinspritzung 55 und der Kraftstoff-Luft Vormischung 56 verhindert.
  • Vorteilhafterweise weist lediglich der Resonatorhals 201 Öffnungen zum Plenum 100 auf. Die Realisierung der Helmholtz-Resonatoren 200 im Bereich des Plenums 100 ergibt gegenüber der Anbringung an der Brennkammer den Vorteil niedrigerer Temperaturen als bei der Anbringung an der Brennkammeraußenseite. Eine Durchströmung der Helmholtz- Resonatoren 200 mit Kühlluft ist daher nicht notwendig. Damit entfallen notwendige Kühlluftlöcher an den Helmholtz - Resonatoren 200, die die Wirksamkeit der Helmholtz - Resonatoren 200 vermindern. Durch die geringeren Temperaturen und durch das Vermeiden, dass heißes Abgas in den Helmholtz - Resonator 200 strömt, ist es deutlich zudem einfacher, reibungs- und turbulenzerhöhende Einbauten im Resonatorhals 201 unterzubringen, was die Wirksamkeit des Helmholtz-Resonators 200 deutlich erhöht.

Claims (10)

  1. Brennersystem mit zumindest einem Brenner (7), mit einer Brennkammer (6) und einem Kopfende (51), wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung (55) sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung (56) umfasst, wobei der Brenner (7) einen Hut (110) mit einer Hutseite (150) und einer Hutoberseite (170) aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite (170) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende (51) angeordnet ist, wobei zwischen der Hutoberseite (170) und dem Kopfende (51) dadurch ein Brenner-Plenum (100) ausgebildet wird, wobei der Hut (110) eine brennkammerzugewandte Seite (140) und eine brennkammerabgewandte Seite (120) aufweist
    dadurch gekennzeichnet, dass der Hut (110) auf seiner brennkammerabgewandeten Seite (120) zumindest einen Resonator aufweist.
  2. Brennersystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Hutseite (150) zumindest teilweise um das Kopfende (51) herum angeordnet ist, und dass dabei die Hutseite (150) in einer radialen Richtung (r) vom Kopfende (51) beabstandet ist.
  3. Brennersystem nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass durch die Hutseite (150) und das Kopfende (51) ein Kanal (125) ausgebildet ist.
  4. Brennersystem nach Anspruch 1 - 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein Helmholtz-Resonator (200) ist.
  5. Brennersystem nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, das der Helmholtz -Resonator (200) einen Hals (201) aufweist, welcher längenverstellbar ist.
  6. Brennersystem nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der Resonatorhals (201) Öffnungen zum Plenum (100) aufweist.
  7. Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator an der brennkammerabgewandten (120) Hutseite (150) vorgesehen ist.
  8. Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brenner (7) vorgesehen sind, wobei jeder Brenner (7) einen Hut (110) mit zumindest einen Resonator auf seiner brennkammerabgewandeten Seite (120) aufweist.
  9. Gasturbine mit einem Verdichter, einer Turbine sowie einem Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen eines Brennersystem, Brennersystem mit zumindest einem Brenner, mit einer Brennkammer (6) und einem Kopfende (51), wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung (55) sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung (56) umfasst, wobei der Brenner (7) einen Hut (110) mit einer Hutseite (150) und einer Hutoberseite (170) aufweist, wobei zumindest die Hutoberseite (170) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende (51) angeordnet ist, wobei zwischen der Hutoberseite (170) und dem Kopfende (51) dadurch ein Brenner-Plenum (100) ausgebildet wird, wobei der Hut (110) eine brennkammerzugewandte Seite (140) und eine brennkammerabgewandte Seite (120) aufweist
    dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest einen Resonator am Hut (110) auf seiner brennkammerabgewandeten Seite (120) Schwingungen im Brenner-Plenum (100) vermieden werden, wodurch Eigenmoden der Brennkammer (6) vermieden oder zumindest vermindert werden.
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