WO2013029984A2 - Combustion chamber for a gas turbine plant - Google Patents

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WO2013029984A2
WO2013029984A2 PCT/EP2012/065856 EP2012065856W WO2013029984A2 WO 2013029984 A2 WO2013029984 A2 WO 2013029984A2 EP 2012065856 W EP2012065856 W EP 2012065856W WO 2013029984 A2 WO2013029984 A2 WO 2013029984A2
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    • 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

  • Combustion chamber for a gas turbine system The invention relates to a combustor for a gas turbine plant according to the preamble of claim 1 and an ent ⁇ speaking formed gas turbine plant according to claim. 6
  • Gas turbine plants essentially consist of a compressor, a combustion chamber with burner and an expansion turbine. Intake air is compressed in the compressor before it is mixed with fuel in the combustion chamber, which is arranged downstream of the burner and arranged in the compressor plenum, and this mixture is burned.
  • the expansion turbine connected downstream of the combustion chamber then extracts thermal energy from the combustion exhaust gases produced in the burner and converts them into mechanical energy.
  • a with for drinks ⁇ cycle turbine couplable generator may convert this mechanical power to generate electricity in electrical energy.
  • thermoacoustically induced vibrations deploy.
  • thermoacoustic oscillations in the combustion chamber pose a problem in the design and especially in the operation of gas turbine plants.
  • Helmholtz resonators consisting of at least one resonator tube and one resonator volume are used today for damping purposes.
  • Helmholtz resonators attenuate the amplitude of oscillations with the Helmholtz frequency as a function of the cross-sectional area and length of the resonator tube and of the resonator volume in certain frequency ranges.
  • Helmholtz resonators as damping devices for limiting thermoacoustic oscillations in combustion chambers are known, for example, from EP 1 605 209 A1 or US Pat
  • FIG 1 shows, for example, from US 2007/0125089 AI ⁇ be known array of Helmholtz resonators 20 on a ring of the combustion chamber 10 transverse to the flow direction.
  • the combustion chamber wall 10 is tubular and separates the combustion chamber 1 from the surrounding compressor plenum 2.
  • the openings 22 in the combustion chamber wall 10 between the resonator volume 21 and the combustion chamber 1 form the resonator tubes of the Helmholtz resonators.
  • Each Helmholtz resonator can - as shown in FIG 1 - have a plurality of resonator tubes or even a single Resonatorröhe.
  • ⁇ comes with it at any entry of the hot combustion gases from the combustion chamber 1 into the Helmholtz resonators 20, additional openings for the supply of barrier air are provided.
  • these are arranged to ⁇ -openings 23 on the resonator tubes 22 opposite wall of the resonator 21st
  • These openings 23 make it possible for compressed air S to flow from the compressor plenum 2 surrounding the combustion chamber into the resonator volume 21 and from there via the resonator tubes 22 into the combustion chamber 1, thereby blocking the penetration of hot combustion gases into the resonator tubes 22.
  • the object of the invention is to provide a combustion chamber admirherstel ⁇ len, which overcomes the disadvantages described above. This object is achieved with the combustion chamber having the features of claim 1.
  • the resonator tubes become increasingly longer, which results in ever better convection cooling of the combustion chamber wall.
  • gas turbine plants can thus have the lowest possible pollutant emissions at maximum efficiency in all load ranges.
  • the invention is not restricted to the fact that the inclination of the resonator tubes takes place exclusively in the flow direction of the combustion exhaust gases. Rather, without further limitation of the present invention, embodiments are conceivable in which the resonator tubes have an inclination relative to the surface normal of the combustion chamber inner wall, which inclination is composed both of an inclination component in the flow direction and an inclination component transverse thereto. So The resonator tubes can be optimally adapted to the local conditions of the internal combustion chamber flow.
  • the inventive concept for injecting sealing air S into the combustion chamber of the combustion chamber 1 of a gas turbine plant will be described below by way of example with reference to a torch based on a tubular combustion chamber in which the damping device 20 is essentially adapted on the outside of the combustion chamber wall 10.
  • the invention is equally suitable for use in burners in which the damping device 20 is fully integrated in the burner chamber wall 10, or in any other embodiment in which a supply of sealing air S via the damping device 20.
  • FIG. 2 shows a partial section of a combustion chamber 1 along the flow direction of the combustion gases G, with egg ⁇ ner purge air, in which, in contrast to the prior art, the sealing air S at an angle greater than zero degrees (here about 45 degrees) relative to the surface normal N the
  • the damping properties of the Helmholtz resonators can differ from those of the Helmholtz resonators with vertical injection known from the prior art by the oblique arrangement of the resonator tubes with otherwise the same resonator volume and kept constant number of resonator tubes, is usually an adaptation of the Dämpfungseigen- create the resonator parameters required. This can e.g. by changing the number of resonator tubes 22 'and / or the feed openings 23 and / or their diameter or by changing the resonator volume 21. In the event that an association with several Helmholtz
  • Resonators consisting of resonators with different Helmholtz frequencies and thus different damping characteristics is used, it is advisable to form subsets with Helmholtz resonators of different types. Shown in FIG. 3 is the case that Helmholtz resonators of different types are arranged at different axial positions of the combustion chamber. The variant shown here aims lichst a portion of the seal air S mög ⁇ upstream, that is to inject release towards the zone of heat (resonator type 1) and a portion of the seal air S downstream possible to inject (resonator type 2).
  • the Helmholtz resonators of the type 1 arranged on a first ring around the tubular combustion chamber have resonator tubes 22 '' whose axis A is inclined at an angle in the direction upstream of the surface normal N of the combustion chamber inner wall, and the Helmholtz resonators arranged in a second ring.
  • Resonators of type 2 have resonator tubes 22 'whose axes A are inclined at an angle in direction direction downstream of the surface normal N are inclined.

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Abstract

The invention relates to a combustion chamber (1) for a gas turbine plant having a combustion chamber wall (10), through which combustion gases (G) flow in the direction of a downstream gas turbine, wherein the combustion chamber wall (10) has a dampening device (20) for dampening thermoacoustic vibrations caused by the combustion gases (G) and wherein the dampening device (20) comprises at least one Helmholtz resonator which is designed so that the resonator volume (21) thereof comes to lie on the side of the combustion chamber wall (10) facing away from a combustion chamber inner wall and has at least one resonator tube (22, 22', 22'') interacting with the resonator volume (21) which opens into the combustion chamber (1) with the resonator tube opening (M) in the combustion chamber inner wall opposite the resonator volume (21), and wherein there is at least one supply opening (23) with which sealing air (S) for sealing the resonator tube opening (M) is introduced into the combustion chamber (1) via the resonator volume (21) and the at least one resonator tube (22, 22', 22'') from a compressor plenum (2) of an upstream compressor enclosing the combustion chamber. According to the invention, the at least one resonator tube (22', 22'') is arranged having the resonator tube axis (A) thereof in the combustion chamber wall so that the resonator tube axis (A) lies outside of a surface normal (N) of the combustion chamber wall (10) at the site of the resonator tube opening (M).

Description

Beschreibung description
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. Combustion chamber for a gas turbine system The invention relates to a combustor for a gas turbine plant according to the preamble of claim 1 and an ent ¬ speaking formed gas turbine plant according to claim. 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. Gas turbine plants essentially consist of a compressor, a combustion chamber with burner and an expansion turbine. Intake air is compressed in the compressor before it is mixed with fuel in the combustion chamber, which is arranged downstream of the burner and arranged in the compressor plenum, and this mixture is burned. The expansion turbine connected downstream of the combustion chamber then extracts thermal energy from the combustion exhaust gases produced in the burner and converts them into mechanical energy. A with for drinks ¬ cycle turbine couplable generator may convert this mechanical power to generate electricity in electrical energy.
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 Today, gas turbine plants, like other power generating plants, must have the lowest possible pollutant emissions with maximum efficiency in all load ranges. Main factors are, the agent set in the combustion chamber of the burner mass flows of the fuel, the compaction ¬ ended air and the cooling air supplied for cooling the burner components. The limitation of pollutant emissions, in particular of NOx and unburned fuel usually in the form of CO, but can lead to a minimization of cooling or leakage air amount in the combustion chamber and thus to acoustically ¬ damping damping parasitic currents. In addition, under the constraint of limiting emissions, as a rule, increasing the efficiency also increases the volumetric heat release density in the combustion chamber. Together, that is, reducing the acoustic damping and increasing the heat release density in the combustion chamber, leads to an increased risk that thermoacoustically induced vibrations deploy. However, such thermoacoustic oscillations in the combustion chamber pose a problem in the design and especially in the operation of gas turbine plants. To reduce such thermoacoustic oscillations, Helmholtz resonators consisting of at least one resonator tube and one resonator volume are used today for damping purposes. Such Helmholtz resonators attenuate the amplitude of oscillations with the Helmholtz frequency as a function of the cross-sectional area and length of the resonator tube and of the resonator volume in certain frequency ranges. Helmholtz resonators as damping devices for limiting thermoacoustic oscillations in combustion chambers are known, for example, from EP 1 605 209 A1 or US Pat
2007/0125089 AI bekannt. 2007/0125089 AI known.
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. 1 shows, for example, from US 2007/0125089 AI ¬ be known array of Helmholtz resonators 20 on a ring of the combustion chamber 10 transverse to the flow direction. The combustion chamber wall 10 is tubular and separates the combustion chamber 1 from the surrounding compressor plenum 2. The openings 22 in the combustion chamber wall 10 between the resonator volume 21 and the combustion chamber 1 form the resonator tubes of the Helmholtz resonators. Each Helmholtz resonator can - as shown in FIG 1 - have a plurality of resonator tubes or even a single Resonatorröhe. Since ¬ comes with it at any entry of the hot combustion gases from the combustion chamber 1 into the Helmholtz resonators 20, additional openings for the supply of barrier air are provided. In the example shown in FIG 1 embodiment, these are arranged to ¬-openings 23 on the resonator tubes 22 opposite wall of the resonator 21st These openings 23 make it possible for compressed air S to flow from the compressor plenum 2 surrounding the combustion chamber into the resonator volume 21 and from there via the resonator tubes 22 into the combustion chamber 1, thereby blocking the penetration of hot combustion gases into the resonator tubes 22. Helmholtz resonators with SperrluftZuführungen over the solid but have the disadvantage that the sealing air flows through the resonator tubes into the combustion chamber and thus affects the air-fuel mixture present there. It is precisely in known configurations in which the resonator tubes are positioned in the combustion chamber wall such that on which the resonator tubes open at the place in the combustion chamber, the Resonatorröhrenachse comes in the surface normal of the internal comb ¬ channel wall to lie, blocking air is supplied with a maxima len Penetration depth introduced into the combustion chamber of the combustion chamber. However, especially in the low load range of the gas turbine plant, this maximum crossflow relative to the internal combustion chamber flow can lead to a partial extinction of the combustion and thus an increase in the CO emission of pollutants.
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. The object of the invention is to provide a combustion chamber bereitzustel ¬ len, which overcomes the disadvantages described above. This object is achieved with the combustion chamber having the features of claim 1.
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. Characterized that at least according to the preamble of claim 1 of ¬ formed combustion chamber with at least one Helmholtz resonator has a resonator, which is arranged so that it lies at the location of their Resonatorröhrenmündung into the combustion chamber with its Resonatorröhrenachse outside a surface normal of the combustion chamber inner wall, reduces the maximum penetration depth of the sealing air into the combustion chamber of the combustion chamber, and more so the farther the resonator tube axis is inclined relative to the surface normal. As a result, the combustion in the combustion chamber is less strongly influenced, so that an increase of the pollutant emission ¬ , in particular the increased CO emission at partial load of the gas turbine plant can be largely avoided.
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 At the same time increasing with the angle of inclination by the injected sealing air to the combustion chamber inner wall an area formed with a film cooling. Since the air flowing in from the compressor plenum via the Helmholtz resonator is colder than the combustion gases in the combustion chamber, an improved cooling capacity of the combustion chamber wall can thus be achieved. At larger angles of inclination, in particular with tilt angles of about 45 degrees or more between the surface normal of the inside of the combustion chamber wall and Resonatorröhrenachse in the downstream direction a signi ¬ fikanter part of the inflowing through the resonator tube
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. Blocking air entrained by the flow in the interior of the combustion chamber and flows downstream over a larger area cooling close to the wall along the combustion chamber inner wall, before the sealing air is more and more mixed with the combustion gases and thus assumes the same temperature as the combustion gases. In addition, as the angle of inclination increases, the resonator tubes become increasingly longer, which results in ever better convection cooling of the combustion chamber wall.
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 derFurther preferred embodiments can be found in the subclaims. It is essential for all combustion chamber designs to make in the combustion chamber, mixing zone of cool ¬ ren sealing air with the hot mass flows so that a partial Verlöschung of combustion is sup- pressed by the cooler air purge especially in the low-load range, but without the damping properties of the
Helmholtz-Resonatoren zu beeinflussen. Mit solchen Brennkammern ausgestattete Gasturbinenanlagen können somit in allen Lastbereichen möglichst geringe Schadstoffemissionen bei maximalem Wirkungsgrad aufweisen. To influence Helmholtz resonators. Equipped with such combustors gas turbine plants can thus have the lowest possible pollutant emissions at maximum efficiency in all load ranges.
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. The invention is not restricted to the fact that the inclination of the resonator tubes takes place exclusively in the flow direction of the combustion exhaust gases. Rather, without further limitation of the present invention, embodiments are conceivable in which the resonator tubes have an inclination relative to the surface normal of the combustion chamber inner wall, which inclination is composed both of an inclination component in the flow direction and an inclination component transverse thereto. So The resonator tubes can be optimally adapted to the local conditions of the internal combustion chamber flow.
Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren bei- spielhaft erläutert werden. Es zeigen: schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Dämpfungseinrichtung, The invention will now be explained by way of example with reference to the following figures. 1 schematically shows a damping device known from the prior art,
schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung,  schematically a first embodiment of a damping device according to the invention,
schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausführung einer Dämpfungseinrichtung.  schematically a second embodiment of a damping device according to the invention.
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. The inventive concept for injecting sealing air S into the combustion chamber of the combustion chamber 1 of a gas turbine plant will be described below by way of example with reference to a torch based on a tubular combustion chamber in which the damping device 20 is essentially adapted on the outside of the combustion chamber wall 10. However, the invention is equally suitable for use in burners in which the damping device 20 is fully integrated in the burner chamber wall 10, or in any other embodiment in which a supply of sealing air S via the damping device 20.
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 der2 shows a partial section of a combustion chamber 1 along the flow direction of the combustion gases G, with egg ¬ ner purge air, in which, in contrast to the prior art, the sealing air S at an angle greater than zero degrees (here about 45 degrees) relative to the surface normal N the
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. Internal combustion chamber wall of the combustion chamber 10 is guided into the combustion chamber 1. Thus, the penetration depth of the barrier ¬ air S can be significantly reduced in the combustion chamber 1 and also the mixing zone of the barrier air S is supplied with the combustion gases G axially equalized. As a result, the area of the internal combustion chamber flow, which is mixed with cooler sealing air is reduced, which leads to a significant overall reduction in pollutant emissions. At the same time formed by the near-surface flow guidance on the combustion chamber inner wall, a region B, in which no significant mixture between cooler sealing air S and the combustion gases G has taken place, so that also the film cooling properties of the injected sealing air S can be improved, whereby the thermal load of the combustion chamber walls reduced leaves.
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-Since the damping properties of the Helmholtz resonators can differ from those of the Helmholtz resonators with vertical injection known from the prior art by the oblique arrangement of the resonator tubes with otherwise the same resonator volume and kept constant number of resonator tubes, is usually an adaptation of the Dämpfungseigen- create the resonator parameters required. This can e.g. by changing the number of resonator tubes 22 'and / or the feed openings 23 and / or their diameter or by changing the resonator volume 21. In the event that an association with several 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. Resonators consisting of resonators with different Helmholtz frequencies and thus different damping characteristics is used, it is advisable to form subsets with Helmholtz resonators of different types. Shown in FIG. 3 is the case that Helmholtz resonators of different types are arranged at different axial positions of the combustion chamber. The variant shown here aims lichst a portion of the seal air S mög ¬ upstream, that is to inject release towards the zone of heat (resonator type 1) and a portion of the seal air S downstream possible to inject (resonator type 2). For this purpose, the Helmholtz resonators of the type 1 arranged on a first ring around the tubular combustion chamber have resonator tubes 22 '' whose axis A is inclined at an angle in the direction upstream of the surface normal N of the combustion chamber inner wall, and the Helmholtz resonators arranged in a second ring. Resonators of type 2 have resonator tubes 22 'whose axes A are inclined at an angle in direction direction downstream of the surface normal N are inclined. Since it can be through a ring with type 2 Resonato ren as close as possible wall flow for enhanced Filmküh development B and at the same time with the ring with type 1 Reso nators achieve a further overlaying film cooling B ', which lead to a reduction in total purge air can. The invention is not restricted only to those in FIG 2 is ¬ Asked embodiment. On the contrary, embodiments should also be included, which consist for example only of type 1 or type 2 resonators, or also of resonator types with different angles of inclination. It is equally conceivable that a ring wall already over the circumference of the combustion chamber has different types of resonators so as to achieve an opti ¬ male adaptation to the local conditions of the internal combustion chamber flow.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennkammer (1) für eine Gasturbinenanlage, mit einer Brennkammerwandung (10), welche von Verbrennungsgasen (G) in Richtung einer nachgeschalteten Gasturbine durchströmt wird, wobei die Brennkammerwandung (10) eine Dämpfungseinrichtung1. combustion chamber (1) for a gas turbine plant, with a combustion chamber wall (10), which is traversed by combustion gases (G) in the direction of a downstream gas turbine, wherein the combustion chamber wall (10) has a damping device
(20) zum Dämpfen von, durch die Verbrennungsgase (G) bewirk¬ ten, thermoakustischen Schwingungen aufweist, und wobei die Dämpfungseinrichtung (20) zumindest einen Helmholtz-Resonator umfasst, der so ausgebildet ist, dass sein Resonatorvolumen(20) for damping, by the combustion gases (G) effected ¬ th, thermoacoustic oscillations, and wherein the damping device (20) comprises at least one Helmholtz resonator, which is designed so that its resonator volume
(21) auf der einer Brennkammerinnenwand abgewandten Seite der Brennkammerwandung (10) zum Liegen kommt und zumindest eine mit dem Resonatorvolumen (21) zusammenwirkende Resonatorröhre (22 , 22 ' , 22 ' ' ) aufweist, die mit ihrer dem Resonatorvolumen (21) gegenüberliegenden Resonatorröhrenmündung (M) in der(21) comes to rest on the side of the combustion chamber wall (10) facing away from a combustion chamber inner wall and has at least one resonator tube (22, 22 ', 22' ') cooperating with the resonator volume (21) and having its resonator tube mouth facing the resonator volume (21) (M) in the
Brennkammerinnenwand in die Brennkammer (1) mündet, und wobei zumindest eine Zuführöffnung (23) vorgesehen ist, mit der Sperrluft (S) zum Sperren der Resonatorröhrenmündung (M) aus einem die Brennkammer umgebenden Verdichterplenum (2) eines vorschaltbaren Verdichters über das Resonatorvolumen (21) und die zumindest eine Resonatorröhre (22, 22' , 22' ' ) in die Brenn¬ kammer (1) eingebracht wird, Combustion chamber inner wall in the combustion chamber (1) opens, and wherein at least one feed opening (23) is provided with the blocking air (S) for blocking the resonator tube mouth (M) from a surrounding the combustor Verdichterplenum (2) of a vorschaltbaren compressor on the resonator (21 ) and the at least one resonator tube (22, 22 ', 22'') is introduced into the combustion chamber ¬ (1),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s d a d u r c h e s e n c i n e s, d a s s
die zumindest eine Resonatorröhre (22', 22'') mit ihrer Reso- natorröhrenachse (A) in der Brennkammerwandung (10) so ange¬ ordnet ist, dass am Ort der Resonatorröhrenmündung (M) die Resonatorröhrenachse (A) außerhalb einer Oberflächennormalen (N) der Brennkammerinnenwand liegt. the at least one resonator tube (22 ', 22'') with their Resonatorröhrenachse (A) in the combustion chamber wall (10) so attached is ¬ arranged that at the location of Resonatorröhrenmündung (M) the Resonatorröhrenachse (A) outside a surface normal (N ) of the combustion chamber inner wall is located.
2. Brennerkammer nach Anspruch 1, 2. Burner chamber according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s d a d u r c h e s e n c i n e s, d a s s
die Resonatorröhrenachse (A) der Resonatorröhre (22) weg von der Oberflächennormalen (N) in Richtung stromaufwärts oder stromabwärts der die Brennkammer (1) durchströmenden Verbren- nungsgase geneigt ist. the resonator tube axis (A) of the resonator tube (22) is inclined away from the surface normal (N) in the direction upstream or downstream of the combustion gases flowing through the combustion chamber (1).
3. Brennkammer nach Anspruch 2, 3. combustion chamber according to claim 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s Resonatorröhrenachsen von stromaufwärts liegenden Resonatorröhren des Helmholtz-Resonators in Richtung stromaufwärts ge¬ neigt sind und Resonatorröhrenachsen von dazu stromabwärts liegenden Resonatorröhren diese Helmholtz-Resonators in Rich- tung stromabwärts geneigt sind. characterized in that Resonatorröhrenachsen upstream ge ¬ tendency of resonator tubes upstream of the Helmholtz resonator in the direction and Resonatorröhrenachsen are inclined from this downstream resonator tubes this Helmholtz resonator in the downstream direction.
4. Brennkammer nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s 4. Combustion chamber according to one of the preceding claims 1 to 3, d a d u c h e c e n e c i n e t, d a s s
die Dämpfungseinrichtung eine Vielzahl von Helmholtz- Resonatoren (20) umfasst, die über den Umfang der Brennkammerwandung (10), auf zumindest einem Ring quer zu den durchströmenden Verbrennungsgasen (G) verteilt, angeordnet sind. the damping device comprises a multiplicity of Helmholtz resonators (20) which are arranged over the circumference of the combustion chamber wall (10) distributed on at least one ring transversely to the combustion gases (G) flowing through.
5. Brennkammer nach Anspruch 4, 5. combustion chamber according to claim 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s d a d u r c h e s e n c i n e s, d a s s
stromaufwärts geneigte Resonatorenröhren den Helmholtz- Resonatoren eines ersten Rings zugeordnet sind und stromab¬ wärts geneigte Resonatorröhren den Helmholtz-Resonatoren eines zweiten stromabwärts liegenden Rings zugeordnet sind. Upstream inclined resonator tubes are assigned to the Helmholtz resonators of a first ring and downstream ¬ inclined resonator tubes are assigned to the Helmholtz resonators of a second downstream ring.
6. Gasturbinenanlage mit einem Verdichter zum Verdichten von angesaugter Luft, eine dem Verdichter nachgeschaltete Brennkammer mit Brenner zum Beimischen von Brennstoff und zum Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs und einer dem Brenner nachgeschalteten Entspannungsturbine, die die Verbrennungsab¬ gase des verbrannten Brennstoff-Luft-Gemischs in mechanische Energie umsetzt, wobei der Brenner zur Vermeidung thermoakus- tischer Schwingungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist. 6. gas turbine plant with a compressor for compressing sucked air, a compressor downstream combustion chamber with burner for adding fuel and for burning the fuel-air mixture and a burner downstream expansion turbine, the Verbrennungsab ¬ gases of the combusted fuel-air Mixtures converts into mechanical energy, wherein the burner to avoid thermoakus- tischer vibrations is designed according to one of claims 1 to 5.
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