WO2013083348A2 - Brennkammer für eine gasturbine und gasturbine sowie verfahren - Google Patents

Brennkammer für eine gasturbine und gasturbine sowie verfahren Download PDF

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WO2013083348A2
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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 combustion chamber for a gas turbine, comprising a housing, a combustion zone surrounding the housing, and at least one burner arrangement, the burner arrangement comprising at least one premix passage opening into the combustion zone for providing a fuel / air mixture.
  • the invention also relates to a gas turbine with a combustion chamber of the aforementioned type and to a method for suppressing combustion chamber pressure fluctuations.
  • Known gas turbines comprise, in addition to an initially mentioned combustion chamber, a compressor and a turbine.
  • the compressor compresses air supplied to the gas turbine, a portion of which air is used to combust fuel in the combustion chamber and a portion is used to cool the gas turbine and / or the combustion gases.
  • the hot gases provided by the combustion process in the combustion chamber are introduced from the combustion chamber into the turbine, where they relax and cool down, thereby causing turbine blades to rotate under the action of work.
  • the gas turbine drives a work machine.
  • the work machine may be, for example, a generator.
  • the fuel / air mixture provided by the at least one burner assembly is premixed in premix passages to be ignited after flowing into the combustion zone.
  • the premixing of the fuel with the air reduces the pollutant emissions generated during combustion.
  • the fuel is supplied to the premix passage via at least one fuel line and injected into the premix passage. Does it come to pressure fluctuations in the Combustion zone, there are concentration fluctuations in the mixture, which lead to heat release fluctuations during combustion. These thermoacoustic instabilities form disturbing combustion chamber pressure fluctuations, wherein there are preferred frequencies for these combustion chamber pressure fluctuations in the arrangement.
  • known gas turbines include resonators arranged in the housing, which serve to suppress combustion chamber pressure fluctuations in the range of such preferred frequencies. For effective suppression, a plurality of such resonators is needed. Since the resonators are directly adjacent to the combustion zone and also interrupt a heat shield arrangement in the housing and therefore have to be cooled, such a design of the combustion chamber is expensive.
  • Object of the present invention is to provide a combustion chamber of the type mentioned and a gas turbine with such a combustion chamber and a method with which the suppression of combustion chamber pressure fluctuations is made possible and has a particularly simple structure and thus low production costs.
  • the combustion chamber comprises at least one onflowable Störisson phenomena to which a Strouhal number can be assigned to produce fluidically induced sound waves
  • the bluff body is arranged in a merging into the combustion zone passage, the Passage can be flowed through by a fluid flowing in the direction of the combustion zone, and by means of an influx of the bluff body, a sound wave of a frequency can be generated, which corresponds essentially to the frequency of a combustion chamber pressure fluctuation to be suppressed.
  • Suppressive combustion chamber pressure fluctuations are formed during operation of the gas turbine in the combustion chamber and are predetermined by the gas turbine.
  • each gas turbine tends to operate in service areas during operation for the formation of combustion chamber pressure fluctuations of very specific frequencies.
  • a specific gas turbine at a low gas turbine power always form the frequencies 5-7 Hz, 220 Hz and 270 Hz and then in a higher power range only the frequencies 90 Hz, 115 Hz, 170 Hz, 260 Hz and 350 Hz.
  • the bluff body is formed and arranged in the passage that by means of a flow around the bluff body, a sound wave of a frequency can be generated, which substantially corresponds to the frequency of a combustion chamber pressure fluctuation to be suppressed.
  • the term "combustion chamber pressure fluctuation to be suppressed" may also be referred to as the preferred frequency.
  • the sound wave generated by means of the bluff body is superimposed on the combustion chamber pressure fluctuation to be suppressed and may have a phase position which leads to an extinction or dissipation of the combustion chamber pressure fluctuation.
  • the phase angle between the sound wave generated by the bluff body and the combustion chamber pressure fluctuation need not correspond exactly to a value, but can be chosen such that a desired suppression of the combustion chamber pressure fluctuation is achieved.
  • the phase angle of the sound wave can be adjusted for example by means of the length of the passage.
  • the frequency of the sound wave is chosen such that it is substantially a preferred frequency of the
  • Combustion chamber corresponds.
  • a. the passage and the bluff body chosen such that the desired frequency of the sound wave is generated.
  • the Strouhal number assigned to the bluff body is a dimensionless metric used in fluid mechanics.
  • the Strouhal number is, for example, the ratio of the product of vortex shedding frequency, a size of the obstructed obstacle and the flow velocity of the fluid.
  • a length of a passage portion from an air inlet to the disturbance body can be considered.
  • the shape of the perturbation body and the length of the passage section can be chosen so that a
  • Strouhal number is given that for given inflow speed of the fluid flowing in the passage a Wirbelablinatefrequenz is set, which corresponds to the desired frequency of suppressing the preferential combustion chamber pressure fluctuation.
  • a Wirbelablinatefrequenz is set, which corresponds to the desired frequency of suppressing the preferential combustion chamber pressure fluctuation.
  • this relationship can be given in the case of a cylindrical disruptive body which is flowed transversely to its axis of rotation, the length a corresponding to the diameter of the cylinder.
  • the length a is the length of a passage section extending in the flow direction in front of the bluff body.
  • the passage section extends from an air inlet opening to the bluff body.
  • the passage may for example be tubular and have an air inlet opening on one end face and open at the other end face into the combustion zone.
  • the air inlet opening is circular or rectangular.
  • the air inlet opening and the bluff body can be arranged in alignment or offset.
  • the bluff body preferably has a prismatic shape with a triangular base. The tip of the triangle in this case forms an edge which can be flowed on in the direction of the air inlet opening.
  • the length a and the size of the obstacle to be flown around can be selected.
  • the passage is a Vormischpassage the burner assembly.
  • the combustion chamber according to the invention already comprises at least one burner arrangement with at least one premix passage, the suppression of a combustion chamber pressure fluctuation can be made possible by arranging the disturbance body in it in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the burner assembly may be a pilot burner and a group of main burners disposed about the pilot burner.
  • Main burner each comprise a cylindrical burner housing and a centrally located in this lance, which is supported via swirl vanes on the housing.
  • the lance is connected to a fuel channel and has at its end pointing to the combustion zone fuel nozzles for injecting fuel into the cylindrical burner housing.
  • the cylindrical burner housing is flowed through by compressed air, which in the swirl blades a Spun is impressed, wherein the injected into the air flow-damped fuel in the cylindrical burner housing is mixed with this and leaves as a fuel / air mixture, the housing in the direction of the combustion zone.
  • such a burner housing may for example be referred to as Vormischpassage the burner assembly.
  • the embodiment of the invention may be arranged in at least one of the burner housing a bluff body for generating sound waves.
  • the combustion chamber has at least one second axial step, so that the combustion zone is subdivided into at least one first and one second combustion zone and the second combustion zone
  • Combustion zone is arranged in a main flow direction immediately behind the first combustion zone, a first burner assembly is formed for combustion of a first working gas to be ignited in the first combustion zone, a second burner assembly for combustion of a second working gas to be ignited in the second combustion zone, and Passage is a Vormischpassage covered by the second burner assembly.
  • the second axial stage burner assembly is disposed around the combustion chamber housing and includes inlet passages opening into the interior of the housing. Via the inlet passages, a fuel / air mixture is introduced into the interior of the housing in the second combustion zone.
  • These inlet passages can be adapted in their length in a simple manner, so that it is particularly advantageous to arrange a disruptive element according to the invention in at least one of these inlet passages.
  • the bluff body may have substantially the shape of a straight prism with a triangular base.
  • a bluff body of this shape is particularly easy to manufacture.
  • Another object of the invention is to provide a gas turbine with a combustion chamber of the type mentioned, which has a particularly simple structure and thus low production costs.
  • Another object of the invention is to provide a method for suppressing combustion chamber pressure fluctuations, which can be realized with a particularly simple structure and thus low production costs.
  • the object is achieved in a method of the type mentioned fact that at least one sound wave is generated at a frequency which substantially corresponds to the frequency of a suppressing combustion chamber pressure fluctuation, the sound wave is superimposed in phase opposition to suppress the combustion chamber pressure fluctuation, the sound wave by flow of at least one bluff body is generated by selecting a ratio between a Strouhal number STR of the bluff body, an inflow velocity v of an inflowing fluid and a length a corresponding to the frequency f to be generated.
  • An advantageous embodiment of the invention can provide that the length of a passage section extending in the flow direction in front of the bluff body is selected as the length a. As length a, the size of the obstacle to be flown around can also be selected.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a gas turbine according to the prior art
  • FIG. 2 shows a detail of a combustion chamber with a second axial stage according to the prior art in a schematic sectional view
  • FIG. 3 shows a schematic detail view of a combustion chamber according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment in the region of a passage with a bluff body
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a gas turbine 1 according to the prior art.
  • the gas turbine 1 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3 with a shaft 4, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner which is also referred to as a turbine runner.
  • the combustion system 9 communicates with an annular hot gas duct, for example.
  • a plurality of successively connected turbine stages form the turbine 14.
  • Each turbine stage is formed of blade rings.
  • a row formed of rotor blades 18 follows in the hot runner of a row formed by vanes 17.
  • the guide vanes 17 are fastened to an inner housing of a stator 19, whereas the rotor blades 18 of a row are attached to the rotor 3, for example by means of a turbine disk.
  • Coupled to the rotor 3 is, for example, a generator (not shown).
  • the combustion chamber 20 comprises a first combustion zone 21 and a second combustion zone 22 with a housing 23 surrounding the combustion zones, a first burner arrangement (not shown) and a second burner arrangement 25.
  • the second burner arrangement 25 comprises a housing arranged outside the housing 23. running fuel distributor ring 26 and a plurality of arranged around the housing Vormischpassagen 28, which open into the second combustion zone 22.
  • the premix passages 28 are tubular, with an air Inlet opening 29 of the premixing passages 28 protrude from the fuel distributor ring 26 branching fuel nozzles 30.
  • An air stream 32 flowing into the premix passage 28 is admixed with fuel injected from the fuel nozzles 30, so that the fuel / air mixture flows along a flow direction 34 to an outlet 36 of the premix passage 28 and enters the second combustion zone 22 and after ignition the mixture forms a second working gas stream 38.
  • These thermoacoustic instabilities form disturbing combustion chamber pressure fluctuations, wherein there are preferred frequencies for these combustion chamber pressure fluctuations in the combustion chamber 20.
  • These combustion chamber pressure fluctuations occur both in combustion chambers with only one axial step (see FIG. 1 item 10) and in combustion chambers 20 with the second axial step.
  • the second axial stage of such a combustion chamber serves to reduce pollutant emissions.
  • a first hot working gas flow 42 flowing in a main flow direction 40 which was ignited by means of the first burner arrangement (not shown) in the first combustion zone 21, is mixed with the second working gas flow 38 in the second combustion zone 22 and forms with it at a combustion chamber outlet 45 common turbine inlet profile.
  • FIG. 3 shows a passage 48 which opens into a combustion zone 47 of a gas turbine combustion chamber and has a disruptive body 50 arranged in the passage 48 in accordance with an exemplary embodiment of the invention.
  • the bluff body 50 is a
  • Strouhal number assignable wherein it has the shape of a prism with triangular base according to the illustrated embodiment.
  • the passage 48 is flowed through by a fluid 51 flowing in the direction of the combustion zone 47, wherein the fluid 51 has a flow velocity v and flows against the bluff body 50. This occurs in the fluid 51 Vortex with a vortex shedding frequency f.
  • a sound wave of a frequency f can thus be generated in the fluid 51 flowing to the combustion zone 47, which can be superimposed on a combustion chamber pressure fluctuation to be suppressed in the combustion zone 47.
  • the length a may be selected to be the length of a passage section 53 which extends in the flow direction in front of the bluff body 50. This extends according to the illustrated embodiment of the air inlet opening 54 to the bluff body 50.
  • the passage 48 may be a Vormischpassage the combustion chamber.
  • the fluid 51 is an air stream in which fuel is injected at the points shown by way of example.
  • the premix passage may, for example, be comprised by a second burner arrangement of the second axial stage.
  • the relative phase position of the generated sound wave and the combustion chamber pressure fluctuation can be adjusted, for example, by means of a passage section downstream of the disturbance body 50 - for example by means of the length of a passage section 56 extending from the disturbance body 50 to the exit to the combustion zone.
  • the phase position is thereby set in that a desired suppression of the combustion chamber pressure fluctuation results.
  • FIG. 4 shows an air inlet region of a passage 59 according to the invention with interference body 50 arranged in the passage 59.
  • a rectangular air inlet opening 60 is located upstream of the impact body 50, which has the shape of a prism with a triangular base.
  • the air inlet opening 60 and the bluff body 50 are in alignment with each other. arranged on the other, wherein the apex of the triangle forms an in the direction of the air inlet opening 60 anströmbare edge 61.
  • a fluid 62 flowing through the air inlet opening flows to the bluff body 50, to which a Strouhal number can be assigned, wherein a sound wave of a frequency f in the flow direction behind the bluff body 50 is formed by vortex shedding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (10, 20) für eine Gasturbine (1), mit einem Gehäuse (12, 23), einer von dem Gehäuse (12, 23) umgebenden Verbrennungszone (21, 22, 47), und mindestens einer Brenneranordnung (11, 25), wobei die Brenneranordnung (11,25) mindestens eine in die Verbrennungszone (21, 22) mündende Vormischpassage (28) zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst. Die Erfindung ermöglicht es, eine Brennkammer einer Gasturbine anzugeben, mit welcher die Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen ermöglicht wird und die einen besonders einfachen Aufbau und damit geringe Herstellungskosten aufweist. Hierzu umfasst die Brennkammer mindestens einen anströmbaren Störkörper (50), dem eine Strouhal-Zahl zuordnenbar ist zur Erzeugung fluidisch induzierter Schallwellen, wobei der Störkörper (50) in einer in die Verbrennungszone (21, 22, 47) einmündenden Passage (48, 59) angeordnet ist, die Passage (48, 59) von einem in Richtung Verbrennungszone strömenden Fluid (51, 62) durchströmbar ist, und mittels eines Anströmen des Störkörpers (50) eine Schallwelle einer Frequenz f erzeugbar ist, welche im Wesentlichen der Frequenz einer zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung entspricht.

Description

Beschreibung
Brennkammer für eine Gasturbine und Gasturbine sowie Verfahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine, mit einem Gehäuse, einer von dem Gehäuse umgebenden Verbrennungszone , und mindestens einer Brenneranordnung, wobei die Brenneranordnung mindestens eine in die Verbrennungs- zone mündende Vormischpassage zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Gasturbine mit einer Brennkammer der eingangs genannten Art und auf ein Verfahren zur Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen.
Bekannte Gasturbinen umfassen neben einer eingangs genannten Brennkammer einen Verdichter und eine Turbine. Der Verdichter verdichtet der Gasturbine zugeführte Luft, wobei ein Teil dieser Luft der Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer dient und ein Teil zur Kühlung der Gasturbine und/oder der Verbrennungsgase verwendet wird. Die durch den Verbrennungs- vorgang in der Brennkammer bereitgestellten heißen Gase werden aus der Brennkammer in die Turbine eingeleitet, wobei sie in dieser entspannen und abkühlen und hierbei unter Leistung von Arbeit Turbinenschaufeln in Rotation versetzen. Mittels dieser Rotationsenergie treibt die Gasturbine eine Arbeitsmaschine an. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich beispielsweise um einen Generator handeln.
Das durch die mindestens eine Brenneranordnung bereitgestellte Brennstoff/Luft-Gemisch wird in Vormischpassagen vorgemischt, um dann nach dem Einströmen in die Verbrennungszone gezündet zu werden. Die Vormischung des Brennstoffs mit der Luft reduziert die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffemissionen. Der Brennstoff wird der Vormischpassage über mindestens eine Brennstoffleitung zugeführt und in die Vormischpassage eingedüst . Kommt es zu Druckschwankungen in der Verbrennungszone , entstehen KonzentrationsSchwankungen in dem Gemisch, welche bei der Verbrennung zu Wärmefreisetzungsfluktuationen führen. Diese thermoakustischen Instabilitäten bilden störende Brennkammerdruckschwankungen aus, wobei es in der Anordnung Vorzugsfrequenzen für diese Brennkammerdruckschwankungen gibt. Aus diesem Grund umfassen bekannte Gasturbinen im Gehäuse angeordnete Resonatoren, die der Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen im Bereich solcher Vorzugsfrequenzen dienen. Zur effektiven Unterdrückung wird eine Vielzahl an derartigen Resonatoren benötigt. Da die Resonatoren unmittelbar an die Verbrennungszone angrenzen und zudem eine Hitzeschildanordnung in dem Gehäuse unterbrechen und deshalb gekühlt werden müssen, ist eine derartige Ausbildung der Brennkammer aufwendig .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer der eingangs genannten Art und eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer sowie ein Verfahren anzugeben, mit welcher die Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen ermöglicht wird und die einen besonders einfachen Aufbau und damit geringe Herstellungskosten aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs genanten Art dadurch gelöst, dass die Brennkammer mindestens einen anströmbaren Störkörper umfasst, dem eine Strouhal-Zahl zuordnenbar ist zur Erzeugung fluidisch induzierter Schallwellen, wobei der Störkörper in einer in die Verbrennungszone einmündenden Passage angeordnet ist, die Passage von einem in Richtung Verbrennungszone strömenden Fluids durchströmbar ist, und mittels eines Anströmen des Störkörpers eine Schallwelle einer Frequenz erzeugbar ist, welche im Wesentlichen der Frequenz einer zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung entspricht . Zu unterdrückende Brennkammerdruckschwankungen bilden sich während des Betriebes der Gasturbine in der Brennkammer aus und sind durch die Gasturbine vorgegeben. Das heißt, jede Gasturbine neigt während des Betriebs in Leistungsbereichen zur Ausbildung von Brennkammerdruckschwankungen ganz bestimmter Frequenzen. Beispielsweise kann eine spezielle Gasturbine bei einer niedrigen Gasturbinenleistung stets die Frequenzen 5-7 Hz, 220 Hz und 270 Hz ausbilden und in einem höheren Leistungsbereich dann nur noch die Frequenzen 90 Hz, 115 Hz, 170 Hz, 260 Hz und 350 Hz. Erfindungsgemäß ist der Störkörper derart ausgebildet und in der Passage angeordnet, dass mittels eines Anströmens des Störkörpers eine Schallwelle einer Frequenz erzeugbar ist, welche im Wesentlichen der Frequenz einer zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung entspricht. Der Begriff „zu unterdrückende Brennkammerdruckschwankung" kann auch mit Vorzugsfrequenz bezeichnet sein.
Die mittels des Störkörpers erzeugte Schallwelle wird der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung überlagert und kann eine Phasenlage aufweisen, die zu einer Auslöschung bzw. Dissipation der Brennkammerdruckschwankung führt. Die Phasenlage zwischen der mittels des Störkörpers erzeugten Schallwelle und der Brennkammerdruckschwankung muss hierbei nicht exakt einem Wert entsprechen, sondern kann derart gewählt werden, dass eine gewünschte Unterdrückung der Brennkammerdruckschwankung erreicht wird. Die Phasenlage der Schallwelle lässt sich beispielsweise mittels der Länge der Passage einstellen. Vorzugweise ist die Frequenz der Schallwelle derart gewählt, dass sie im Wesentlichen einer Vorzugsfrequenz der
Brennkammer entspricht. Hierzu sind u. a. die Passage und der Störkörper derart gewählt, dass die gewünschte Frequenz der Schallwelle erzeugt wird. Die dem Störkörper zugeordnete Strouhal-Zahl ist eine in der Strömungsmechanik verwendete dimensionslose Kennzahl. Die Strouhal-Zahl ist beispielsweise das Verhältnis aus dem Produkt aus Wirbelablösefrequenz, einer Größe des umströmten Hindernisses und der Anströmgeschwindigkeit des Fluids. Beispielsweise kann als Größe des umströmten Hindernisses eine Länge eines Passagenabschnitts von einem Lufteintritt bis zu dem Störungskörper betrachtet werden. Die Form des Störungskörpers und die Länge des Passagenabschnitts kann hierbei so gewählt werden, dass eine
Strouhal-Zahl gegeben ist, dass bei gegebener Anströmge- schwindigkeit des in der Passage strömenden Fluids eine Wirbelablösefrequenz festlegt ist, die der gewünschten Frequenz der zu unterdrückenden Vorzugs-Brennkammerdruckschwankung entspricht. Bei einer entsprechend starken Strömung in der Passage kann eine effektive Unterdrückung der Brennkammerdruckschwankung bereits mit einem einzigen Störkörper gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt werden. Auf eine Anordnung einer Vielzahl an Resonatoren am Gehäuse der Brennkammer gemäß dem Stand der Technik kann verzichtet werden. Die erfin- dungsgemäße Brennkammer weist somit einen besonders einfachen Aufbau auf, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nach- folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen der dem Störkörper zugeordneten Strouhal-Zahl Str, einer mittels des Anströmen des Stör- körpers erzeugbaren Schallwelle der Frequenz f, einer Strömungsgeschwindigkeit v des in der Passage strömenden Fluids und einer Länge a im Wesentlichen der folgende Zusammenhang gilt : Str = f * a / v
Beispielsweise kann dieser Zusammenhang bei einem zylinderförmigen Störkörper gegeben sein, welcher quer zu seiner Rotationsachse angeströmt wird, wobei die Länge a dem Durchmes- ser des Zylinders entspricht.
Vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass die Länge a die Länge eines in Strömungsrichtung vor dem Störkörper sich erstreckenden Passagenabschnitts ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Passagenabschnitt von einer Lufteintrittsöffnung bis zum Störkörper. Die Passage kann beispielsweise schlauchförmig ausgebildet sein und an einer Stirnseite eine Lufteintrittsöffnung aufweisen und an der andern Stirnseite in die Verbrennungszone einmünden.
Vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass die Lufteintrittsöffnung kreisförmig oder rechteckig ist. Die Lufteintrittsöffnung und der Störkörper können fluchtend oder versetzt angeordnet sein. Der Störkörper besitzt vorzugsweise eine Prismenform mit dreieckiger Grundfläche. Die Spitze des Dreiecks bildet hierbei eine in Richtung der Lufteintrittsöffnung anströmbare Kante.
Alternativ kann als Länge a auch die Größe des zu umströmenden Hindernisses gewählt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Passage eine Vormischpassage der Brenneranordnung.
Da die erfindungsgemäße Brennkammer ohnehin wenigstens eine Brenneranordnung mit wenigstens einer Vormischpassage um- fasst, kann durch Anordnung des Störkörpers in diese auf be- sonders einfache und kostengünstige Art die Unterdrückung einer Brennkammerdruckschwankung ermöglicht werden. Bei der Brenneranordnung kann es sich beispielsweise um einen Pilotbrenner und eine um den Pilotbrenner herum angeordnete Gruppe von Hauptbrennern handeln. Ein Ausführungsbeispiel der Wei- terbildung kann vorsehen, dass der Pilotbrenner und die
Hauptbrenner jeder ein zylinderförmiges Brennergehäuse und eine in diesem zentral angeordnete Lanze umfassen, welche über Drallschaufeln an dem Gehäuse abgestützt ist. Die Lanze ist mit einem Brennstoffkanal verbunden und weist an ihrem zur Verbrennungszone hinweisenden Ende Brennstoffdüsen auf zur Eindüsung von Brennstoff in das zylinderförmige Brennergehäuse. Das zylinderförmige Brennergehäuse wird von verdichteter Luft durchströmt, welcher in den Drallschaufeln ein Drall aufgeprägt wird, wobei der in die Luftströmung einge- düste Brennstoff in dem zylinderförmigen Brennergehäuse mit dieser vermischt wird und als Brennstoff/Luft-Gemisch das Gehäuse in Richtung Verbrennungszone verlässt. Im Rahmen dieser Erfindung kann ein derartiges Brennergehäuse beispielsweise als Vormischpassage der Brenneranordnung bezeichnet werden. Gemäß der Weiterbildung der Erfindung kann in wenigstens einem der Brennergehäuse ein Störkörper angeordnet sein zur Erzeugung von Schallwellen.
Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass die Brennkammer mindestens eine zweite axiale Stufe aufweist, so dass die Verbrennungszone in mindestens eine erste und eine zweite Verbrennungszone unterteilt ist und die zweite
Verbrennungszone in einer Hauptströmungsrichtung unmittelbar hinter der ersten Verbrennungszone angeordnet ist, eine erste Brenneranordnung zur Verbrennung eines ersten in der ersten Verbrennungszone zu zündenden Arbeitsgasstromes ausgebildet ist, eine zweite Brenneranordnung zur Verbrennung eines in der zweiten Verbrennungszone zu zündenden zweiten Arbeitsgas- Stroms ausgebildet ist, und die Passage eine von der zweiten Brenneranordnung umfasste Vormischpassage ist.
Für gewöhnlich ist die Brenneranordnung der zweiten axialen Stufe um das Gehäuse der Brennkammer herum angeordnet und um- fasst Einleitpassagen, die in das Innere des Gehäuses münden. Über die Einleitpassagen wird ein Brennstoff/Luft-Gemisch in das Innere des Gehäuses in die zweite Verbrennungszone eingeleitet. Diese Einleitpassagen können in ihrer Länge auf ein- fache Weise angepasst werden, so dass es besonders vorteilhaft ist, in zumindest einer dieser Einleitpassagen einen Störkörper entsprechend der Erfindung anzuordnen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Störkörper im Wesentlichen die Form eines geraden Prismas mit dreieckiger Grundfläche haben. Ein Störkörper dieser Form ist besonders einfach herzustellen .
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine mit einer Brennkammer der eingangs genannten Art anzugeben, welche einen besonders einfachen Aufbau und damit geringe Herstellungskosten aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Brennkammer nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen anzugeben, welches mit einem besonders einfachen Aufbau und damit geringen Herstellungskosten realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens eine Schallwelle mit einer Frequenz erzeugt wird, die im Wesentlichen der Frequenz einer zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung entspricht, die Schallwelle der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung gegenphasig überlagert wird, wobei die Schallwelle durch Anströmen mindestens eines Störkörpers erzeugt wird, indem ein Verhältnis zwischen einer Strouhal- Zahl STR des Störkörpers, einer Anströmgeschwindigkeit v eines den Störkörper anströmenden Fluids und einer Länge a entsprechend der zu erzeugenden Frequenz f gewählt wird. Hierbei kann vorteilhafter Weise das Verhältnis durch die Gleichung STR = f * a / v bestimmt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass als Länge a die Länge eines in Strömungsrichtung vor dem Störkörper sich erstreckenden Passagenabschnitts gewählt wird . Als Länge a kann auch die Größe des zu umströmenden Hindernisses gewählt werden.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin- dung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen . Dabei zeigt die
FIG 1 eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine nach dem Stand der Technik, FIG 2 einen Ausschnitt einer Brennkammer mit zweiter axialer Stufe gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Schnittansicht,
FIG 3 eine schematische Detailansicht einer erfindungsge- mäßen Brennkammer gemäß einem ersten Ausführungs- beispiel im Bereich einer Passage mit Störkörper, und
FIG 4 eine Lufteintrittsbereich einer erfindungsgemäßen
Passage mit Störkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht und sche- matischer Darstellung.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gas- turbine 1 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer Anzahl an Brennkammern 10, die jeweils eine Brenneranordnung 11 und ein Gehäuses 12 umfassen, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15. Das Verbrennungssystem 9 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 14. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrich- tung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Lauf- schaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbi- nenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet . Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung 11 mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Brenneranordnung 11 unter Bildung eines Arbeitsgasstromes im Verbren- nungssystem 9 verbrannt. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn an- gekoppelten Generator (nicht dargestellt) .
Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkammer 20 mit einer zweiten axialen Stufe gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Schnittansicht. Die Brennkammer 20 um- fasst eine erste Verbrennungszone 21 und eine zweite Verbrennungszone 22 mit einem die Verbrennungszonen umgebenden Gehäuse 23, eine erste Brenneranordnung (nicht dargestellt) und eine zweite Brenneranordnung 25. Die zweite Brenneranordnung 25 umfasst einen außerhalb des Gehäuses 23 angeordneten, um- laufenden Brennstoffverteilerring 26 und eine Vielzahl an um das Gehäuse herum angeordneten Vormischpassagen 28, welche in die zweite Verbrennungszone 22 einmünden. Die Vormischpassagen 28 sind schlauchförmig ausgebildet, wobei in eine Luft- eintrittsöffnung 29 der Vormischpassagen 28 von dem Brennstoffverteilerring 26 abzweigende Brennstoffdüsen 30 hineinragen. Einem in die Vormischpassage 28 einströmenden Luftstrom 32 wird aus den Brennstoffdüsen 30 eingedüster Brenn- Stoff zugemischt, so dass das Brennstoff/Luft-Gemisch entlang einer Strömungsrichtung 34 zu einem Austritt 36 der Vormischpassage 28 strömt und in die zweite Verbrennungszone 22 eintritt und nach der Zündung des Gemisches einen zweiten Arbeitsgasstrom 38 ausbildet. Kommt es zu Druckschwankungen in den Verbrennungszonen 22,21, entstehen Konzentrationsschwankungen in dem Brennstoff/Luft-Gemisch in der mindestens einen Vormischpassage 28, welche bei der Verbrennung zu Wärmefreisetzungsfluktuationen führen. Diese thermoakustischen Instabilitäten bilden störende Brennkammerdruckschwankungen aus, wobei es in der Brennkammer 20 Vorzugsfrequenzen für diese Brennkammerdruckschwankungen gibt . Diese Brennkammerdruckschwankungen treten sowohl bei Brennkammern mit nur einer axialen Stufe (siehe Figur 1 Pos.10) als auch bei Brennkammern 20 mit zweiter axialer Stufe auf. Die zweite axiale Stu- fe einer solchen Brennkammer dient der Reduzierung von Schadstoffemissionen. Hierbei wird ein in einer HauptStrömungsrichtung 40 strömender erster heißer Arbeitsgasstrom 42, welcher mittels der ersten Brenneranordnung (nicht dargestellt) in der ersten Verbrennungszone 21 gezündet wurde, in der zweiten Verbrennungszone 22 mit dem zweiten Arbeitsgasstrom 38 vermischt und bildet mit diesem an einem Brennkammerausgang 45 ein gemeinsames Turbineneintrittsprofil aus.
Die Figur 3 zeigt eine in eine Verbrennungszone 47 einer Gas- turbinenbrennkammer einmündende Passage 48 mit einem in der Passage 48 angeordneten Störkörper 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dem Störkörper 50 ist eine
Strouhal-Zahl zuordenbar, wobei er gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines Prismas mit dreieckiger Grundfläche hat. Die Passage 48 wird von einem in Richtung der Verbrennungszone 47 strömenden Fluid 51 durchströmt, wobei das Fluid 51 eine Strömungsgeschwindigkeit v aufweist und den Störkörper 50 anströmt. Hierbei entstehen in dem Fluid 51 Wirbel mit einer Wirbelablösefrequenz f. Mittels des Anströmens des Störkörpers 50 ist somit eine Schallwelle einer Frequenz f in dem zur Verbrennungszone 47 strömenden Fluid 51 erzeugbar, welche einer in der Verbrennungszone 47 zu unter- drückenden Brennkammerdruckschwankung überlagert werden kann. Damit die Frequenz f der erzeugten Schallwelle im Wesentlichen der Frequenz der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung entspricht, kann beispielsweise das Verhältnis zwischen der Strouhal-Zahl STR des Störkörpers 50 , einer Länge a und der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 51 entsprechend der aus der Strömungsmechanik bekannten Formel STR = f * a / v
gewählt werden. Als Länge a kann beispielsweise die Länge eines in Strömungsrichtung vor dem Störkörper 50 sich erstre- ckenden Passagenabschnitts 53 gewählt werden. Dieser erstreckt sich gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel von der Lufteintrittsöffnung 54 bis zum Störkörper 50. Bei der Passage 48 kann es sich um eine Vormischpassage der Brennkammer handeln. In diesem Fall ist das Fluid 51 ein Luftstrom, in den an den beispielhaft eingezeichneten Stellen Brennstoff 55 eingedüst wird. Die Vormischpassage kann beispielsweise von einer zweiten Brenneranordnung der zweiten axialen Stufe umfasst sein. Die relative Phasenlage der erzeugten Schallwelle und der Brennkammerdruckschwankung lässt sich bei- spielsweise über eine dem Störkörper 50 stromab nachfolgende Länge eines Passagenabschnitts einstellen - beispielsweise mittels der Länge eines vom Störkörper 50 bis zum Austritt zur Verbrennungszone sich erstreckenden Passagenabschnitts 56. Die Phasenlage wird dabei derart eingestellt, dass sich eine gewünschte Unterdrückung der Brennkammerdruckschwankung ergibt .
Die Figur 4 zeigt einen Lufteintrittsbereich einer erfindungsgemäßen Passage 59 mit in der Passage 59 angeordnetem Störkörper 50. Eine rechteckige Lufteintrittsöffnung 60 befindet sich stromauf des Störkörpers 50, der die Form eines Prismas mit dreieckiger Grundfläche aufweist. Die Lufteintrittsöffnung 60 und der Störkörper 50 sind fluchtend zuein- ander angeordnet, wobei die Spitze des Dreiecks eine in Richtung der Lufteintrittsöffnung 60 anströmbare Kante 61 bildet. Ein durch die Lufteintrittsöffnung strömendes Fluid 62 strömt den Störkörper 50 - dem eine Strouhal-Zahl zuordenbar ist - an, wobei durch Wirbelablösung eine Schallwelle einer Frequenz f in Strömungsrichtung hinter dem Störkörper 50 entsteht .

Claims

Patentansprüche
1. Brennkammer (10,20) für eine Gasturbine (1), mit
- einem Gehäuse (12, 23),
- einer von dem Gehäuse (12, 23) umgebenden Verbrennungszone (21, 22, 47) , und
- mindestens einer Brenneranordnung (11, 25),
- wobei die Brenneranordnung (11,25) mindestens eine in die Verbrennungszone (21,22) mündende Vormischpassage (28) zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches umfasst,
- und mindestens einem anströmbaren Störkörper (50) , dem eine Strouhal-Zahl zuordnenbar ist zur Erzeugung fluidisch induzierter Schallwellen,
- wobei der Störkörper (50) in einer in die Verbrennungszone (21, 22, 47) einmündenden Passage (48,59) angeordnet ist,
- die Passage (48, 59) von einem in Richtung Verbrennungszone strömenden Fluids (51, 62) durchströmbar ist, und
- mittels eines Anströmen des Störkörpers (50) eine Schallwelle einer Frequenz f erzeugbar ist, welche im Wesentli- chen der Frequenz einer zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung entspricht.
2. Brennkammer (10, 20) für eine Gasturbine (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dem Störkörper (50) zugeordneten Strouhal-Zahl Str, einer mittels des Anströmen des Störkörpers (50) erzeugbaren Schallwelle der Frequenz f, einer Strömungsgeschwindigkeit v des in der Passage strömenden Fluids und einer Länge a im Wesentlichen der folgende Zu- sammenhang gilt:
Str = f * a / v
3. Brennkammer für eine Gasturbine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Länge a die Länge eines in Strömungsrichtung vor dem Störkörper sich erstreckenden Pas- sagenabschnitts (53) ist.
4. Brennkammer für eine Gasturbine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Passagenabschnitt (53) von einer Lufteintrittsöffnung (54,60) bis zum Störkörper (50) erstreckt.
5. Brennkammer für eine Gasturbine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteintrittsöffnung (60) kreisförmig oder rechteckig ist.
6. Brennkammer für eine Gasturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Passage (48, 59) eine Vor- mischpassage (28) der Brenneranordnung (25, 11) ist.
7. Brennkammer für eine Gasturbine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Brennkammer (20) mindestens eine zweite axiale Stufe aufweist, so dass die Verbrennungszone in mindestens eine erste (21) und eine zweite Verbrennungszone (22) unterteilt ist und die zweite Verbrennungszone (22) in einer Hauptströmungsrichtung (40) hinter der ersten Verbrennungszone (21) angeordnet ist,
- eine erste Brenneranordnung (11) zur Verbrennung eines ersten in der ersten Verbrennungszone (21) zu zündenden Ar- beitsgasstromes (42) ausgebildet ist,
- eine zweite Brenneranordnung (25) zur Verbrennung eines in der zweiten Verbrennungszone (22) zu zündenden zweiten Arbeitsgasstroms (38) ausgebildet ist,
- und die Passage (48, 59) eine von der zweiten Brenneranord- nung (25) umfasste Vormischpassage (28) ist.
8. Brennkammer für eine Gasturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (50) im Wesentli- chen die Form eines geraden Prismas mit dreieckiger Grundfläche hat .
9. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (10,20), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer nach einem der
Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
10. Verfahren zur Unterdrückung von Brennkammerdruckschwankungen, bei welchem
- mindestens eine Schallwelle mit einer Frequenz f erzeugt wird, die im Wesentlichen der Frequenz einer zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung entspricht,
- die Schallwelle der zu unterdrückenden Brennkammerdruckschwankung gegenphasig überlagert wird, wobei
- die Schallwelle durch Anströmen mindestens eines Störkörpers (50) erzeugt wird, indem ein Verhältnis zwischen einer Strouhal-Zahl STR des Störkörpers, einer Anströmgeschwin- digkeit v eines den Störkörper anströmenden Fluids und einer Länge a entsprechend der zu erzeugenden Frequenz f gewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis durch die Gleichung STR = f * a / v bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Länge a die Länge eines in Strömungsrichtung vor dem Störkörper (50) sich erstreckenden Passagenabschnitts (53) ist.
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