EP4058729A1 - Keramischer resonator für brennkammersysteme und brennkammersystem - Google Patents

Keramischer resonator für brennkammersysteme und brennkammersystem

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EP4058729A1
EP4058729A1 EP20828976.9A EP20828976A EP4058729A1 EP 4058729 A1 EP4058729 A1 EP 4058729A1 EP 20828976 A EP20828976 A EP 20828976A EP 4058729 A1 EP4058729 A1 EP 4058729A1
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ceramic
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ceramic resonator
cavities
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Matthias Gralki
Claus Krusch
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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
    • 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 resonator, in particular a Helmholtz resonator, which is used in combustion chambers, in particular in combustion chamber systems of turbines, in particular gas turbines.
  • Tube and combustion chamber systems of stationary gas turbines generally consist of one or more combustion chamber components connected axially one behind the other between the burner outlet and the turbine inlet.
  • the tube combustion chamber types from Siemens AG have a system made up of "Basket” and “Transition”. This system directs the combustion gases from the burner towards the turbine inlet. Due to the high combustion temperatures, the tubular combustion chamber components are usually based on thin-walled Ni-based materials with internal cooling channels and a layer system for thermal insulation (ceramic + metallic bonding layer).
  • the Rohrbrennkam mersystems In or behind the flame area, the Rohrbrennkam mersystems have circumferentially arranged resonators to reduce acoustic combustion vibrations.
  • the resonator area limits the service life of the respective component ("basket” or “transition”).
  • the manufacture of the resonators is complex and expensive.
  • the resonator area has relatively large cooling air surfaces and is intensively cooled or flowed through.
  • the cooling air requirement is relatively high in relation to the overall Rohrbrennkam mersystem.
  • the object is achieved by a ceramic resonator according to claim 1 and a combustion chamber system according to claim 16.
  • the subclaims list further advantageous measures that can be combined with one another as required in order to achieve further advantages.
  • Figure 1 shows a ceramic resonator
  • Figure 2 shows a cross section according to Figure 1 and
  • FIG. 3 shows a cross section of the ceramic resonator in the installed state of a combustion chamber system.
  • the ceramic resonator according to the invention based on the Helmholtz principle replaces a metallic welded construction of a resonator system of a tubular combustion chamber.
  • the ceramic resonator 1 according to the invention (Fig. 1) is a ceramic component that is ring-shaped (oval, circular) or as a one-piece ring, segmented or as a segmented ring, with internal cavities 16 ', 16 ", ... (Fig .2) is formed from.
  • cavities 16 ', 16 ", ... are open to the inner surface 7, the hot gas side, in order to enable damping according to the Helmholtz principle.
  • the size, shape, number, distribution and / or resonator necks of the cavities 16 ', 16'', ... are to be adapted and designed for the frequency to be damped. Size, shape, number, distribution development, resonator necks can be varied within the ceramic Resona sector 1.
  • FIG. 1 shows a ceramic resonator 1 which, viewed preferably in the axial direction 10 (flow direction), is formed as a ring or ring-shaped with a circular or oval cross-section.
  • the ceramic resonator 1 can also have a segmented structure, i.e. it can consist of two half-shells or several segments (not shown in each case).
  • the ceramic resonator 1 has an outer surface 4 (cold gas side) and an inner surface 7 (hot gas side), with openings 13, 13 'on the inner surface 7 of resonator necks 14', ... which, in particular radially, in the ceramic Resonator 1 protrude and open into cavities 16 ', 16 ", ..., (Fig. 2, Fig. 3) are present.
  • the inner surface 7 delimits a hot gas flow that flows in the axial flow direction 10 through the ceramic resonator 1 flows and with respect to it the ceramic resonator is preferably aligned concentrically.
  • cavities 16 ', 16' ', ... which are preferably spherical and / or oval, cuboid and / or cube-shaped or have an otherwise curved surface and / or a different type of angular and angular geometry.
  • the geometry of the cavities 16 ′, 16 ′′, ... used can be the same for each ceramic resonator 1, but can also be varied within the ceramic resonator 1.
  • the cavities 16 ', 16 ",... are preferably arranged uniformly, as shown in FIGS. 1, 2, or unevenly distributed (not shown) and preferably have the same or different geometries with regard to the diameter of the resonator necks 14',. .., the length of the resonator necks 14 ', ... and / or the shape of the cavity 16', 16 ". Other distributions that deviate from the figures are possible.
  • the cavities 16 ', 16' ', ... in the circumferential direction 12 are offset from one another and evenly arranged.
  • the side surfaces 19 ', 19''of the ceramic resonator 1 are preferably conical and / or at right angles to the inner 7 and outer surface 4 in order to allow installation in a combustion chamber. chamber system 20 or resonator housing 23 (Fig. 3) to enable chen.
  • the ceramic resonator 1 is or is preferably arranged in a corresponding bulge 29 as part of a metallic support structure 29 of the resonator housing 23 for the ceramic resonator 1 of a combustion chamber system 20 (FIG. 3). Again, the axial flow direction 10 of the hot gas is shown, whereas the direction 26 shows the direction of the cooling air starting from the compressor in the opposite direction.
  • a refractory ceramic is preferably used as the ceramic for the resonator 1, preferably an Al 2 O 3 refractory ceramic.
  • the porosity of the ceramic resonator 1 is preferably ⁇ 2 vol% and in particular ⁇ 20 vol%.
  • the dimensions of an exemplary ceramic resonator 1 are preferably: inner diameter 400 mm, thickness 30 ... 40 mm, length 200 mm.

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Abstract

Keramischen Resonator (1) für Brennkammersysteme und Brennkammersystem, wobei der resonator (1) in der axialer Durchströmrichtung (10) gesehen ringförmig ausgebildet ist und im Inneren Kavitäten (16) aufweist, wobei die Kavitäten (16) zumindest einen Resonatorhals (14) pro Kavität (16) als Verbindung zur inneren Oberfläche (7) des keramischen Resonators (1) aufweisen. Durch die Verwendung eines keramischen Resonators (1) wird der Kühlluftbedarf deutlich reduziert.

Description

Keramischer Resonator für Brennkammersysteme und
Brennkammersystem
Die Erfindung betrifft einen Resonator, insbesondere einen Helmholtzresonator, der in Brennkammern, insbesondere in Brennkammersystemen von Turbinen, insbesondere Gasturbinen, Anwendung findet.
Rohr-Brennkammer-Systeme stationärer Gasturbinen bestehen im Allgemeinen aus einem oder mehreren axial hintereinanderge schalteten Brennkammerkomponenten zwischen Brenneraustritt und Turbineneintritt. So verfügen die Rohr-Brennkammer-Typen der Siemens AG über ein System aus „Basket" und „Transition". Dieses System leitet die Verbrennungsgase vom Brenner in Richtung Turbineneintritt. Aufgrund der hohen Verbrennungs temperaturen basieren die Rohr-Brennkammer-Komponenten übli cherweise auf dünnwandigen Ni-Basis-Werkstoffen mit innenlie genden Kühlkanälen und einem Schichtsystem zur Wärmedämmung (keramische + metallische Anbindungsschicht).
Im oder hinter dem Flammen-Bereich besitzen die Rohrbrennkam mersysteme umfänglich angeordnete Resonatoren, um akustische Verbrennungsschwingungen zu reduzieren. Der Resonator-Bereich begrenzt die Einsatzdauer der jeweiligen Komponente („Basket" oder „Transition") begrenzt. Die Herstellung der Resonatoren ist aufwändig und kostenintensiv.
Der Resonator-Bereich besitzt verhältnismäßig große Kühlluft flächen und ist intensiv gekühlt bzw. durchströmt. Der Kühl luftbedarf ist insofern, bezogen auf das Gesamtrohrbrennkam mersystem, relativ hoch.
Es ist die Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen keramischen Resonator ge mäß Anspruch 1 und ein Brennkammersystem nach Anspruch 16. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.
Es zeigen
Figur 1 einen keramischen Resonator,
Figur 2 einen Querschnitt gemäß Figur 1 sowie
Figur 3 einen Querschnitt des keramischen Resonators im eingebauten Zustand eines Brennkammersystems.
Der erfindungsgemäße keramische Resonator nach dem Helmholtz- Prinzip ersetzt eine metallische Schweißkonstruktion eines Resonatorsystems einer Rohrbrennkammer.
Der erfindungsgemäße keramische Resonator 1 (Fig. 1) ist ein keramisches Bauteil, das ringförmig (oval-, kreisförmig) oder als einteiliger Ring, segmentiert oder als segmentierter Ring, mit innen liegenden Kavitäten 16', 16'', ... (Fig.2) aus gebildet ist.
Diese Kavitäten 16', 16'', ... sind zur inneren Oberfläche 7, der Heißgasseite, hin geöffnet, um eine Dämpfung nach dem Helmholtz Prinzip zu ermöglichen.
Darüber hinaus ist es möglich, die Kavitäten 16', 16'', ... auch zur Kaltgasseite 4 hin zu öffnen, sollte dies notwendig sein.
Die Kavitäten 16', 16'', ... sind in der Größe, Form, Anzahl, Verteilung und/oder Resonatorhälse der zu dämpfenden Frequenz hin anzupassen und auszulegen. Größe, Form, Anzahl, Vertei- lung, Resonatorhälse können innerhalb des keramischen Resona tors 1 variiert werden.
Es ist insbesondere auch möglich, Kavitäten mit mehreren Öff nungen zur Heißgasseite hin auszugestalten.
Vorteile:
Reduzierung der Herstellungs- und Lebenszykluskosten durch kostengünstig herstellbaren keramischen Resonatorring reduzierte Hochtemperanforderungen an den metallischen Tragstrukturwerkstoff verringerten Instandsetzungs-/Wiederaufbereitungsaufwand infolge Wegfalls des Ent- und Wiederbeschichtens Erhöhung der Wartungsintervalle durch Vermeidung rissaus- lösender hoher Temperaturgradienten in der metallischen Tragstruktur
Reduzierung des Kühlluftbedarfs im Vergleich zu radial durchströmten, metallischen Resonatoren
Übertragbarkeit auf Rohrbrennkammersysteme von Mitbewer bern.
Figur 1 zeigt einen keramischen Resonator 1, der vorzugsweise in axialer Richtung 10 (Durchströmrichtung) gesehen, als Ring oder ringförmig mit kreis- oder ovalförmigem Querschnitt aus gebildet ist.
Der keramische Resonator 1 kann auch segmentiert aufgebaut sein, d.h. kann aus zwei Halbschalen oder mehreren Segmenten (jeweils nicht dargestellt) bestehen.
Der keramische Resonator 1 weist eine äußere Oberfläche 4 (Kaltgasseite) und eine innere Oberfläche 7 (Heißgasseite) auf, wobei Öffnungen 13, 13' auf der inneren Oberfläche 7 von Resonatorhälsen 14', ..., die, insbesondere radial, in den keramischen Resonator 1 hineinragen und in Hohlräume 16', 16'', ..., (Fig. 2, Fig. 3) münden, vorhanden sind.
Die innere Oberfläche 7 begrenzt einen Heißgasstrom, der in axialer Durchströmrichtung 10 durch den keramischen Resonator 1 strömt und bezüglich dessen der keramische Resonator vor- zugsweise konzentrisch ausgerichtet ist.
Zu erkennen in Figur 2 bei einem Schnitt (parallel zur axia len Durchströmrichtung 10) gemäß Figur 1 sind Hohlräume 16', 16'', ..., die vorzugsweise kugel- und/oder oval-, quader- und/oder würfelförmig sind oder eine sonst wie gekrümmte Oberfläche und/oder anders geartete eckige und kantige Geometrie aufweisen.
Die Geometrie der verwendeten Kavitäten 16', 16'', ... kann pro keramischem Resonator 1 gleich sein, aber auch innerhalb des keramischen Resonators 1 variiert werden.
Ausgehend von dieser Kavität 16', 16'', ...gibt es insbesonde re jeweils nur einen Resonatorhals 14', ..., der in einer Öffnung 13' auf der inneren Oberfläche 7 des keramischen Resonators 1 endet.
Es können auch mehrere Hälse pro Kavität 16', 16'', ...vorhan den sein (nicht dargestellt).
Die Kavitäten 16', 16'', ... sind vorzugsweise gleichmäßig, wie in Figur 1, 2 dargestellt, oder ungleichmäßig verteilt ange ordnet (nicht dargestellt) und besitzen vorzugsweise gleiche oder unterschiedliche Geometrien bzgl. des Durchmessers der Resonatorhälse 14', ..., der Länge der Resonatorhälse 14', ... und/oder der Form der Kavität 16', 16''. Andere, von den Figuren gleichmäßig angeordnete, abweichende Verteilungen sind möglich.
Hier in Figur 1, 2 sind die Kavitäten 16', 16'', ... in Um fangsrichtung 12 versetzt zueinander und gleichmäßig angeord net.
Die Seitenflächen 19', 19'' des keramischen Resonators 1 sind vorzugsweise konisch und/oder rechtwinklig zur inneren 7 und äußeren Oberfläche 4 ausgebildet, um den Einbau in ein Brenn- kammersystem 20 oder Resonatorgehäuse 23 (Fig. 3) zu ermögli chen.
Vorzugsweise in einer entsprechenden Ausbuchtung 29 als Teil einer metallischen Tragstruktur 29 des Resonatorgehäuses 23 für den keramischen Resonator 1 eines Brennkammersystems 20 wird oder ist der keramische Resonator 1 angeordnet (Fig. 3). Dargestellt ist wiederum die axiale Strömungsrichtung 10 des Heißgases, wohingegen die Richtung 26 die Richtung der Kühl- luft ausgehend vom Kompressor in entgegengesetzter Richtung darstellt.
Als Keramik für den Resonator 1 wird vorzugsweise eine Feuer festkeramik verwendet, vorzugsweise eine Al203-Feuerfest- keramik.
Die Porosität des keramischen Resonators 1 liegt vorzugsweise bei ^ 2 vol% und insbesondere ^ 20 vol%. Die Abmaße eines beispielhaften keramischen Resonators 1 lie gen vorzugsweise bei: Innendurchmesser 400 mm, Dicke 30...40 mm, Länge 200 mm.

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Resonator (1), der in axialer Durchströmrichtung (10) gesehen ringförmig ausgebildet ist, mit insbesondere kreisförmigem oder ovalförmigem Quer schnitt, wobei der keramische Resonator (1) im Inneren Kavitäten (16', 16'', ...) aufweist, wobei die Kavitäten (16', 16'', ...) zumindest einen, insbesondere jeweils nur einen,
Resonatorhals (14', 14'', ...) pro Kavität (16', 16'', ...) als Verbindung zur inneren Oberfläche (7) des keramischen Resonators (1) aufweisen.
2 Keramischer Resonator nach Anspruch 1, der einteilig aufgebaut ist.
3. Keramischer Resonator nach Anspruch 1, der aus zwei oder mehreren Segmenten besteht.
4. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2 oder 3, bei dem die zumindest eine, insbesondere alle,
Kavitäten (16', 16'', ...) kugelförmig ausgebildet sind.
5. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die zumindest eine, insbesondere alle,
Kavitäten (16', 16'', ...) ovalförmig ausgebildet sind.
6. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem die zumindest eine, insbesondere alle,
Kavitäten (16', 16'', ...) quaderförmig ausgebildet sind.
7. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die zumindest eine, insbesondere alle,
Kavitäten (16', 16'', ...) würfelförmig ausgebildet sind.
8. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, der entlang einer axialen Durchströmrichtung (10) mehrere Kavitäten (16', 16'', ...) aufweist, sowie in radialer Umfangsrichtung (12) mehrere Kavitäten (16', 16'', ...) aufweist.
9. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der vor herigen Ansprüche, bei dem die Kavitäten (16', 16'', ...) bezogen auf die innere Oberfläche (7) des Resonators (1) zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig, gleichmäßig verteilt sind, ganz insbesondere in Umfangsrichtung (12) versetzt zueinan der sind.
10. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der vor herigen Ansprüche, bei dem die Kavitäten (16', 16'', ...) bezogen auf die innere Oberfläche (7) zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig, ungleichmäßig verteilt sind.
11. Keramischer Resonator (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, der nur aus Keramik besteht, insbesondere bei dem als Keramik eine Feuerfestkeramik ver wendet wird, vorzugsweise eine Al203-Feuerfestferamik.
12. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der vor herigen Ansprüche, bei dem die Porosität des keramischen Resonators (1) bei ^ 2 vol% und insbesondere bei ^ 20 vol% liegt.
13. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der vor herigen Ansprüche, der im Querschnitt parallel in axialer Durchströmrichtung (10) rechteckig oder trapezförmig (19', 19'') ausgebildet ist.
14. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der vor herigen Ansprüche, bei dem pro Kavität (16', 16'', ...) jeweils nur ein Resonatorhals (14', 14'', ...) vorhanden ist.
15. Keramischer Resonator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem pro Kavität (16', 16'', ...) jeweils mehrere Resona torhälse (14', 14'', ...) vorhanden sind.
16. Brennkammersystem (20), aufweisend einen keramischen Resonator (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 15.
17. Brennkammersystem nach Anspruch 16, das ein Resonatorgehäuse (23) aufweist, wobei das Resonatorgehäuse (23) eine entsprechende Auf nahmemöglichkeit (29) für den keramischen Resonator (1) aufweist.
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