Beschreibung
Brennkammer für eine Gasturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine ent¬ sprechend ausgebildete Gasturbinenanlage gemäß Anspruch 6.
Gasturbinenanlagen bestehen im Wesentlichen aus einem Ver- dichter, einer Brennkammer mit Brenner und einer Entspannungsturbine. Im Verdichter wird angesaugte Luft verdichtet, bevor sie im nachgeschalteten und im Verdichterplenum angeordneten Brenner in der Brennkammer mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch verbrannt wird. Die der Brennkammer nach- geschaltete Entspannungsturbine entzieht dann den im Brenner entstandenen Verbrennungsabgasen thermische Energie und wandelt diese in mechanische Energie um. Ein mit der Entspan¬ nungsturbine koppelbarer Generator kann diese mechanische Energie zur Stromerzeugung in elektrische Energie umwandeln.
Heute müssen Gasturbinenanlagen, wie andere stromerzeugende Anlagen auch, in allen Lastbereichen möglichst geringe Schadstoffemissionen bei maximalem Wirkungsgrad aufweisen. Haupteinflussgrößen sind dabei, die in der Brennkammer des Bren- ners eingestellten Massenströme des Brennstoffs, der verdich¬ teten Luft sowie der zugeführten Kühlluft zur Kühlung der Brennerbauteile. Die Begrenzung von Schadstoffemissionen, insbesondere von NOx und unverbranntem Brennstoff meist in Form von CO, kann dabei aber zu einer Minimierung von Kühl- bzw. Leckageluftmenge in der Brennkammer und damit zu akus¬ tisch dämpfend wirkenden Parasitärströmungen führen. Darüber hinaus ist unter der Randbedingung der Begrenzung der Emissionen in der Regel mit einer Steigerung des Wirkungsgrades auch eine Steigerung der volumetrischen Wärmefreisetzungs- dichte in der Brennkammer verbunden. Beides zusammen, das heißt Reduzierung der akustischen Dämpfung und Steigerung der Wärmefreisetzungsdichte in der Brennkammer, führt zu einem erhöhten Risiko, dass thermoakustisch induzierte Schwingungen
einsetzen. Derartige thermoakustische Schwingungen in der Brennkammer stellen aber ein Problem beim Entwurf und insbesondere im Betrieb von Gasturbinenanlagen dar. Zur Verringerung solcher thermoakustischen Schwingungen werden heute Helmholtz-Resonatoren, die aus zumindest einer Resonatorröhre und einem Resonatorvolumen bestehen, zur Dämpfung eingesetzt. Derartige Helmholtz-Resonatoren dämpfen in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche und Länge der Resona- torröhre und vom Resonatorvolumen in bestimmten Frequenzbereichen die Amplitude von Schwingungen mit der Helmholtzfre- quenz. Helmholtz-Resonatoren als Dämpfungseinrichtungen zur Begrenzung thermoakustischer Schwingungen in Brennkammern sind beispielsweise aus der EP 1 605 209 AI oder der US
2007/0125089 AI bekannt.
FIG 1 zeigt zum Beispiel die aus der US 2007/0125089 AI be¬ kannte Anordnung von Helmholtz-Resonatoren 20 auf einem Ring der Brennkammerwandung 10 quer zur Strömungsrichtung. Die Brennkammerwandung 10 ist dabei rohrförmig ausgebildet und trennt die Brennkammer 1 vom umgebenden Verdichterplenum 2. Die Durchbrüche 22 in der Brennkammerwandung 10 zwischen Resonatorvolumen 21 und Brennkammer 1 bilden die Resonatorröhren der Helmholtz-Resonatoren . Jeder Helmholtz-Resonator kann dabei - wie in FIG 1 dargestellt - mehrere Resonatorröhren oder aber auch nur eine einzige Resonatorröhe aufweisen. Da¬ mit es zu keinem Eintrag der heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer 1 in die Helmholtz-Resonatoren 20 kommt, sind zusätzliche Öffnungen zur Zuführung von Sperrluft vorgesehen. In dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Zu¬ führöffnungen 23 auf der den Resonatorröhren 22 gegenüberliegenden Wandung des Resonatorvolumens 21 angeordnet. Diese Öffnungen 23 ermöglichen, dass komprimierte Luft S aus dem die Brennkammer umgebenden Verdichterplenum 2 in das Resona- torvolumen 21 und von dort über die Resonatorröhren 22 in die Brennkammer 1 einströmen kann und so das Eindringen von heißen Verbrennungsgasen in die Resonatorröhren 22 sperrt.
Helmholtz-Resonatoren mit SperrluftZuführungen über den Volumenkörper haben aber den Nachteil, dass die Sperrluft über die Resonatorröhren in die Brennkammer einströmt und damit das dort vorliegende Luft-Brennstoffgemisch beeinflusst. Ge- rade bei bekannten Ausbildungen, bei denen die Resonatorröhren in der Brennkammerwandung so angeordnet sind, dass am Ort an dem die Resonatorröhren in die Brennkammer münden, die Resonatorröhrenachse in der Oberflächennormalen der Brennkamme¬ rinnenwand zum Liegen kommt, wird Sperrluft mit einer maxima- len Eindringtiefe in den Verbrennungsraum der Brennkammer eingebracht. Dieser maximale Kreuzstrom relativ zur Brennkammerinnenströmung kann aber gerade im niedrigen Lastbereich der Gasturbinenanlage zu einer Teilverlöschung der Verbrennung und damit eine Erhöhung der CO-Schadstoffemission füh- ren.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustel¬ len, die die zuvor beschriebenen Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird mit der Brennkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass eine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus¬ gebildete Brennkammer mit zumindest einem Helmholtz-Resonator zumindest eine Resonatorröhre aufweist, die so angeordnet ist, dass sie am Ort ihrer Resonatorröhrenmündung in die Brennkammer mit ihrer Resonatorröhrenachse außerhalb einer Oberflächennormalen der Brennkammerinnenwand liegt, wird die maximale Eindringtiefe der Sperrluft in den Verbrennungsraum der Brennkammer verringert, und dies umso mehr, je weiter die Resonatorröhrenachse relativ zur Oberflächennormalen geneigt ist. Dadurch wird die Verbrennung in der Brennkammer weniger stark beeinflusst, so dass eine Erhöhung der Schadstoffemis¬ sion, insbesondere der erhöhten CO-Emission bei Teillast der Gasturbinenanlage weitgehend vermieden werden kann.
Gleichzeitig wird mit zunehmendem Neigungswinkel durch die eingedüste Sperrluft an der Brennkammerinnenwand, zunehmend
ein Bereich mit einer Filmkühlung ausgebildet. Da die aus dem Verdichterplenum über den Helmholtz-Resonator einströmende Luft kälter ist als die Verbrennungsgase in der Brennkammer kann somit eine verbesserte Kühlleistung der Brennkammerwan- dung erreicht werden. Bei größeren Neigungswinkeln, insbesondere bei Neigungswinkeln von ca. 45 Grad oder mehr, zwischen Oberflächennormalen der Innenseite der Brennkammerwandung und Resonatorröhrenachse in Richtung stromabwärts wird ein signi¬ fikanter Teil der über die Resonatorröhre einströmenden
Sperrluft von der Strömung im Inneren der Brennkammer mitgerissen und strömt stromabwärts über einen größeren Bereich kühlend wandnah entlang der Brennkammerinnenwand, bevor die Sperrluft mehr und mehr mit den Verbrennungsgasen vermischt wird und damit die gleiche Temperatur wie die Verbrennungsga- se annimmt. Mit zunehmendem Neigungswinkel werden zudem die Resonatorröhren zunehmend länger, wodurch eine immer bessere Konvektionskühlung der Brennkammerwandung erreicht wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind den Unteransprü- chen zu entnehmen. Wesentlich bei allen Brennkammerausführungen ist, in der Brennkammer eine Vermischungszone der kühle¬ ren Sperrluft mit den heißen Massenströmen so zu gestalten, dass insbesondere im niedrigen Lastbereich eine partielle Verlöschung der Verbrennung durch die kühlere Sperrluft un- terdrückt wird, ohne jedoch die Dämpfungseigenschaften der
Helmholtz-Resonatoren zu beeinflussen. Mit solchen Brennkammern ausgestattete Gasturbinenanlagen können somit in allen Lastbereichen möglichst geringe Schadstoffemissionen bei maximalem Wirkungsgrad aufweisen.
Die Erfindung ist dabei nicht darauf beschränkt, dass die Neigung der Resonatorröhren ausschließlich in Strömungsrichtung der Verbrennungsabgase erfolgt. Vielmehr sind auch ohne weitere Einschränkung der vorliegenden Erfindung Ausführungen denkbar, bei denen die Resonatorröhren relativ zur Oberflächennormalen der Brennkammerinnenwand eine Neigung aufweisen, die sich sowohl aus einem Neigungsanteil in Strömungsrichtung als auch einem Neigungsanteil quer dazu zusammensetzt. So
können die Resonatorröhren optimal an die lokalen Gegebenheiten der Brennkammerinnenströmung angepasst werden.
Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren bei- spielhaft erläutert werden. Es zeigen: schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Dämpfungseinrichtung,
schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung,
schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung.
Das erfindungsgemäße Konzept zur Eindüsung von Sperrluft S in den Brennraum der Brennkammer 1 einer Gasturbinenanlage wird im Nachfolgenden beispielhaft anhand eines rohrbrennkammerba- sierten Brenners beschrieben, bei dem die Dämpfungseinrichtung 20 im Wesentlichen auf der Außenseite der Brennkammerwandung 10 adaptiert ist. Die Erfindung ist aber genauso auch für den Einsatz in Brennern geeignet, bei denen die Dämpfungseinrichtung 20 vollständig in der Brennerkammerwandung 10 integriert ist, oder auch in jeder anderen Ausführung, bei der eine Zufuhr von Sperrluft S über die Dämpfungseinrichtung 20 erfolgt.
In FIG 2 dargestellt ist ein Teilausschnitt einer Brennkammer 1 längs der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase G, mit ei¬ ner Sperrluftführung, bei der im Gegensatz zum Stand der Technik die Sperrluft S in einem Winkel größer Null Grad (hier ca. 45 Grad) relativ zur Oberflächennormalen N der
Brennkammerinnenwand der Brennkammer 10 in den Brennraum 1 geführt wird. Dadurch lässt sich die Eindringtiefe der Sperr¬ luft S in die Brennkammer 1 signifikant reduzieren und zudem wird die Mischungszone der Sperrluft S mit den Verbrennungs- gasen G axial entzerrt. Infolgedessen wird der Bereich der Brennkammerinnenströmung, der mit kühlerer Sperrluft durchmischt wird verkleinert, was insgesamt zu einer deutlichen Reduktion der Schadstoffemission führt. Gleichzeitig wird
durch die oberflächennahe Strömungsführung auf der Brennkammerinnenwand ein Bereich B ausgebildet, in dem noch keine signifikante Mischung zwischen kühlerer Sperrluft S und den Verbrennungsgasen G stattgefunden hat, so dass zudem die Filmkühleigenschaften der eingedüsten Sperrluft S verbessert werden können, wodurch sich die thermische Belastung der Brennkammerwandungen reduziert lässt.
Da die Dämpfungseigenschaften der Helmholtz-Resonatoren durch die schräge Anordnung der Resonatorröhren bei sonst gleichem Resonatorvolumen und konstant gehaltenen Anzahl an Resonatorröhren von denen der aus den Stand der Technik bekannten Helmholtz-Resonatoren mit senkrechter Eindüsung abweichen kann, ist in aller Regel eine Anpassung der Dämpfungseigen- schaffen der Resonatorparameter erforderlich. Dies kann z.B. durch eine Veränderung der Anzahl der Resonatorröhren 22' und/oder der Zuführöffnungen 23 und/oder deren Durchmesser oder durch eine Änderung des Resonatorvolumens 21 erfolgen. Für den Fall, dass ein Verbund mit mehreren Helmholtz-
Resonatoren, bestehend aus Resonatoren mit unterschiedlichen Helmholtzfrequenzen und damit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften zum Einsatz kommt, empfiehlt es sich Teilmengen mit Helmholtz-Resonatoren unterschiedlichen Typs zu bilden. In FIG 3 dargestellt ist der Fall, dass an unterschiedlichen axialen Positionen der Brennkammer Helmholtz-Resonatoren unterschiedlichen Typs angeordnet sind. Die hier dargestellte Variante zielt darauf ab, einen Teil der Sperrluft S mög¬ lichst stromauf, das heißt in Richtung der Zone der Wärme- freisetzung einzudüsen (Resonator Typ 1) und einen Teil der Sperrluft S möglichst stromabwärts einzudüsen (Resonator Typ 2) . Dazu weisen die auf einem ersten Ring um die rohrförmige Brennkammer angeordneten Helmholtz-Resonatoren des Typ 1 Resonatorröhren 22 ' ' auf, deren Achse A um einen Winkel in Richtung stromaufwärts zur Oberflächennormalen N der Brennkammerinnenwand geneigt sind, und die in einem zweiten Ring angeordneten Helmholtz-Resonatoren des Typ 2 weisen Resonatorröhren 22' auf, deren Achsen A um einen Winkel in Rieh-
tung stromabwärts zur Oberflächennormalen N geneigt sind. Da durch lässt sich zum Einen durch den Ring mit Typ 2 Resonato ren eine möglichst wandnahe Strömung zur verstärkten Filmküh lung B erzielen und gleichzeitig mit dem Ring mit Typ 1 Reso natoren eine weitere überlagernde Filmkühlung B' erreichen, was insgesamt zu einer Reduzierung an Sperrluft führen kann. Die Erfindung ist dabei aber nicht nur auf die in FIG 2 dar¬ gestellte Ausführungsform beschränkt. Vielmehr sollen auch Ausführungen umfasst sein, die beispielsweise nur aus Typ 1 oder Typ 2 Resonatoren, oder auch aus Resonatorentypen mit unterschiedlichem Neigungswinkeln bestehen. Genauso ist es denkbar, dass ein Ring schon über den Umfang der Brennkammer wand verschiedene Resonatorentypen aufweist um so eine opti¬ male Anpassung an die lokalen Gegebenheiten der Brennkammerinnenströmung zu erreichen.