| WO/2005/038447 | APPARATUS AND METHOD FOR TESTING COMBUSTION |
| JP2003084773 | ACOUSTIC MATERIAL FOR COMBUSTION APPLIANCE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME |
| JP57026306 | COMBUSTION APPARATUS |
KLUGE, Andre (Hanninghof 3, Dülmen, 48249, DE)
MEISL, Jürgen (Prinzenhöhe 47, Mülheim an der Ruhr, 45478, DE)
TÜSCHEN, Sabine (Ebereschenweg 52, Oberhausen, 46147, DE)
WÖRZ, Ulrich (383 Raleigh Place, Orlando FL, Florida, 32765, US)
KLEINFELD, Jens (Nachbarsweg 173, Mülheim an der Ruhr, 45481, DE)
KLUGE, Andre (Hanninghof 3, Dülmen, 48249, DE)
MEISL, Jürgen (Prinzenhöhe 47, Mülheim an der Ruhr, 45478, DE)
TÜSCHEN, Sabine (Ebereschenweg 52, Oberhausen, 46147, DE)
WÖRZ, Ulrich (383 Raleigh Place, Orlando FL, Florida, 32765, US)
| Patentansprüche 1. Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen umfassend einer Brennkammer (1) mit einer Brennkammerwand mit einer Heißgasseite die dem heißem Gas ausgesetzt ist, und einer Kaltseite, wobei die Brennkammerwand eine Tragstruktur (2) und heißgasseitig, zumindest ein an der Tragstruktur (2) befestigtes Hitzeschildelement (10) umfasst 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 das Hitzeschildelement (10) vollständig als Resonator ausgebildet ist, wobei das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) im Wesentlichen ein Helmholtz- Resonator ist, wobei der Helmholtz-Resonator einen Resonatorhals (15) mit einer Länge L und einer Fläche S aufweist, welcher im Hitzeschildelement (10) angebracht ist, und wobei der Resonatorhals (15) längenverstellbar ist. 2. Brennkammeranordnung nach Anspruch 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 dass der Helmholtz-Resonator eine Resonatorkammer mit einem Volumen V aufweist, wobei als Volumen V der Resonatorkammer das Volumen V des Hitzeschildelements (10) vorgesehen ist. 3. Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 die Tragstruktur (2) Kühlöffnungen (17) aufweist. 4. Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) aus Metall oder einer metallischen Legierung ist. 5. Brennkammeranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) zumindest heißgasseitig eine TBC (thermal barrier coating) aufweist. 6. Brennkammeranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement (10) eine der Heißgasseite zugewandete Hitzeschildelement- Seite a und eine der Tragstruktur (2) zugewandte Hitzeschildelement- Seite b aufweist. 7. Brennkammeranordnung nach Anspruch 6, 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 die der Tragstruktur (2) zugewandten Hitzeschildelement- Seite b Durchlassöffnungen (13) aufweist. 8. Gasturbine mit einer Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7. 9. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine nach Anspruch 8, 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 ein vollständig als Resonator ausgebildetes Hitzeschildelement (10) zumindest teilweise eine TBC aufweist und somit die Funktion eines Hitzeschildelements übernimmt, und zugleich durch die vollständige Ausbildung als Resonator eine Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bewirkt. |
Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen, Gasturbine und Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen umfassend einer Brennkammer mit einer Brennkammerwand mit einer Heißgasseite die dem heißem Gas ausgesetzt ist, und einer Kaltseite, wobei die Brennkammerwand eine Tragstruktur und heißgasseitig, an der Tragstruktur befestigte
Hitzeschildelemente umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbine.
Eine Gasturbinenanlage umfasst im einfachsten Fall eine Verdichter, eine Brennkammer sowie eine Turbine. Im Verdichter erfolgt ein Verdichten von angesaugter Luft, welcher anschließend ein Brennstoff beigemischt wird. In der Brennkammer erfolgt eine Verbrennung des Gemisches, wobei die Verbrennungsabgase der Turbine zugeführt werden, von der den Verbrennungsabgasen Energie entzogen und in mechanische Energie umgesetzt wird. Zum Schutz vor dem Heißgas ist eine solche Brennkammer mit keramischen Hitzeschildplatten versehen .
Schwankungen in der Brennstoffqualität und sonstige thermische oder akustische Störungen führen jedoch zu Schwankungen in der freigesetzten Wärmemenge. Dabei liegt eine Wechselwirkung von akustischen und thermischen Störungen vor, die sich aufschwingen können. Derartige thermoakustische Schwingungen in den Brennkammern von Gasturbinen - oder auch Strömungsmaschinen im allgemeinen - stellen ein Problem bei dem Entwurf und bei dem Betrieb von neuen Brennkammern, Brennkammerteilen und Brennern für derartige Strömungsmaschinen dar. Um Schadstoffemissionen zu verringern, wird in modernen Anlagen der Kühlmassenstrom verringert. Dadurch wird auch die akustische Dämpfung verringert, so dass thermoakustische Schwingungen zunehmen können. Dabei kann es zu einer sich aufschaukelnden Wechselwirkung zwischen thermischen und akustischen Störungen kommen, die hohe Belastungen der Brennkammer und steigende Emissionen verursachen können.
Zur Verringerung von thermoakustischen Schwingungen werden deshalb im Stand der Technik z.B. Helmholtz-Resonatoren zur Dämpfung eingesetzt, die die Amplitude von Schwingungen bestimmter Frequenzen dämpfen.
Derartige Helmholtz-Resonatoren dämpfen in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche des Verbindungsrohres und vom
Resonatorvolumen insbesondere die Amplitude von Schwingungen mit der Helmholtzfrequenz . Ein Problem ist es aber, für die Anlage insgesamt eine ausreichende Dämpfung gewährleisten zu können .
Im Stand der Technik wurde dies Problem durch eine Erhöhung der Anzahl an Resonatoren oder durch eine Vergrößerung der Wirkfläche durch Vergrößerung der Resonatoren gelöst. Die Erhöhung der Resonatoranzahl bzw. deren Vergrößerung hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Bauvolumenbedarfs, der nicht immer zur Verfügung steht.
Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist aus der DE 196 40 980 Al eine Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bekannt geworden, bei der eine Wandung des
Resonatorvolumens des Helmholtz-Resonators als mechanische Feder ausgebildet ist, an der schwingende Massen angeordnet sind. Dadurch bedingt wird bei unveränderter Baugröße die Dämpfungsleistung gesteigert. Die Feder kann aus einer Mehrzahl von gasdicht zusammengehefteten Tellerfedern oder aus einem elastischen Balgelement bestehen, welches den Resonatorraum umgibt. Eine zusätzliche Masse an der schwingend aufgehängten Seitenwand des Resonatorvolumens schwingt dann in Abhängigkeit von der mechanischen Feder. Dadurch wird das virtuelle Volumen beeinflusst und eine größere Dämpfung erzielt. Da die Seitenwand die Feder bildet, ist der konstruktive Aufwand hoch, da der Resonator an sich umkonstruiert werden muss. Insbesondere müssen durch Änderung der Resonatorkonstruktion auch die diesen umgebenden Systemteile angepasst werden.
Auch hier ist jedoch der Einsatz der zur Dämpfung benötigten Resonatoren aufgrund beengter Platzverhältnisse in der Brennkammer nur begrenzt möglich. Es ist zudem keine gleichmäßige Anordnung über die Brennkammer möglich, da Hindernisse wie z.B. Verstrebungen umgangen werden müssen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammeranordnung anzugeben, welche eine ausreichende Dämpfung unter Umgehung der engen Platzverhältnisse aufweist sowie eine erfindungsgemäße Gasturbine anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer solchen Gasturbine.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen nach Anspruch 1 und durch eine Gasturbine nach Anspruch 11 gelöst. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer solchen Gasturbine. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Brennkammeranordnung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen umfasset eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand mit einer Heißgasseite, die dem heißem Gas ausgesetzt ist, und einer Kaltseite, wobei die Brennkammerwand eine Tragstruktur und heißgasseitig, an der Tragstruktur zumindest ein befestigtes Hitzeschildelement umfasst.
Erfindungsgemäß ist das Hitzeschildelement vollständig als Resonator ausgebildet. Die Erfindung sieht die Implementierung der Resonatoren in den Hitzeschildelementen vor. Anders ausgedrückt, bedeutet dass, das quasi die Hitzeschildelemente durch Resonatoren ersetzt werden. Durch den Einsatz der Resonatoren in den Hitzeschildelementen kommt es zu keiner zusätzlichen
Einengung der ohnehin begrenzten Platzverhältnisse in der Maschine. Außerdem kann durch das Auskleiden der Brennkammer mit solchen erfindungsgemäßen Hitzeschildelementen eine gleichmäßige Anordnung der Resonatoren erzielt werden. Durch die hohe Anzahl an Hitzeschildelementen reicht das akkumulierte Volumen zur Dämpfung der Brennkammer aus. Somit kann unerwünschtes Brummen der Brennkammer durch thermoakkustische Schwingungen verhindert oder zumindest gedämpft werden. Da keine Resonatoren an der Kaltseite der Tragstruktur - wie es in der Brennkammer des Stands der Technik der Fall ist- vorgesehen sind, ergibt sich somit keine Verringerung der Platzverhältnisse in der Maschine durch zusätzliche an der Tragstruktur bzw. an der Außenschale angebrachte Resonatoren.
Das erfindungsgemäße Hitzeschildelements hat somit die Wirkung eines Hitzeschildes als auch die Wirkung eines Resonators .
Vorzugsweise ist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement im Wesentlichen ein Helmholtz-Resonator . Das ist vorteilhaft, da Helmholtz-Resonatoren viele Möglichkeiten bei der Konstruktion bieten.
Helmholtz Resonatoren werden verwendet um bestimmte Frequenzen zu verstärken. Im Fall der Dämpfung von thermoakkustischen Schwingungen in der Brennkammer ist die Aufgabe des Resonators, Schwingungen dem System zu entnehmen und verstärkt und phasenverschoben der Brennkammer zurück zu führen. Die kritischen Schwingungen werden so neutralisiert. Ferner weist der Resonator einen Resonatorhals mit einer Länge L und einer Fläche S auf, welcher im Hitzeschildelement angebracht ist.
In bevorzugter Ausgestaltung weist der Resonator eine Resonatorkammer mit einem Volumen V auf, wobei als Volumen V der Resonatorkammer das Volumen V des Hitzeschildelements vorgesehen ist. Hier wird quasi das Hitzeschildelement durch den Resonator ersetzt. Es können dabei auch mehrere Resonatorhälse in ein Volumen führen oder das Volumen entsprechend der Akustik in der Brennkammer ausgelegt werden. Verschiedene Resonatoren d.h. Hitzeschildelemente können dabei unterschiedliches an der Brennkammer ausgerichtetes Volumen aufweisen.
Die Resonanzfrequenz eines realen Helmholtz-Resonators ist näherungsweise gemäß der Gleichung
f = c/ (2 π) (5/ (L V) )H
gegeben. Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit im Medium, V das Volumen der Resonatorkammer, L die Länge und 5 die Fläche des Resonatorhalses zwischen Resonatorkammer und Umgebung. Das Volumen V beeinflusst somit die Resonanzfrequenz des Resonators. Eine Vergrößerung des Volumens bewirkt eine Verringerung der Resonatorfrequenz und umgekehrt. Durch eine Veränderung des Resonatorvolumens kann deshalb die Resonatorfrequenz an veränderte Bedingungen angepasst werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Resonatorhals L längenverstellbar. Somit lassen sich verschiedene Frequenzen dämpfen. Die Einstellung des Resonatorhalses L kann dabei manuell oder automatisiert erfolgen. Auch können unterschiedliche Hitzeschildelemente verschiedene Resonatorhalslängen L aufweisen, damit der Resonator in diesem Bereich die gewünschten Resonanzschwingungen dämpft. Diese Resonanzschwingungen können dabei variieren.
Das Verhältnis von S, L und V können somit leicht eingestellt werden damit die kritischen Resonanzen (hier beispielsweise zwischen «90-110 Hz) gedämpft werden.
Bevorzugt weist die Tragstruktur Kühlöffnungen auf. Somit kann der Resonator bzw. das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement gespült werden. Somit wird auch das Hitzeschildelement gekühlt.
Bevorzugt ist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement aus Metall oder einer metallischen Legierung.
Ferner weist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement zumindest heißgasseitig eine TBC (thermal barrier coating) auf. Die keramischen Hitzeschildelemente in den Brennkammern des Stands der Technik werden dabei komplett durch metallische oder aus metallischer Legierung gebildeten Hitzeschildelemente ersetzt. Als Wärme- und Flammen bzw. Heißgasschutz dient eine entsprechende TBC (Thermal Barrier Coating) . Da die Hitzeschildelemente relativ dick ausgeführt sind, lässt sich das Volumen erfindungsgemäß für den Helmholtz Resonator nutzen.
Damit lassen sich zusätzlich die für Verschleiß anfälligen keramischen Hitzeschildelemente vermeiden.
Bevorzugt weist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement eine der Heißgasseite zugewandete
Hitzeschildelement- Seite a und eine der Tragstruktur zugewandte Hitzeschildelement- Seite b auf.
Ferner weist die der Tragstruktur zugewandten
Hitzeschildelement- Seite b Durchlassöffnungen auf. Somit wird das vollständig als Resonator ausgebildete
Hitzeschildelement gekühlt. Kühlluft strömt durch die
Kühlöffnungen in der Tragstruktur durch die
Durchlassöffnungen in das Hitzeschildelement ein. Das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement wird somit gespült und gleichzeitig gekühlt.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Angabe eines Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbine gelöst, wobei ein vollständig als Resonator ausgebildetes Hitzeschildelement zumindest teilweise eine TBC aufweist und somit die Funktion eines Hitzeschildelements übernimmt, und zugleich durch die vollständige Ausbildung als Resonator eine Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bewirkt.
Obwohl die Erfindung hier insgesamt mit Bezug auf Gasturbinen beschrieben wird, ist der Einsatz nicht auf Gasturbinen beschränkt. Es ist ebenso möglich, die Erfindung bei anderen Strömungsmaschinen einzusetzen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt ein stark schematische Brennkammer mit keramischen Hitzeschildelement und Resonatoren nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt ein vollständig als Resonator ausgebildetes Hitzeschildelement .
Eine Ringbrennkammer 1 wird durch thermoakkustische Schwingungen bestimmter Frequenzen (z.B. 90-110Hz) zu
Resonanz angeregt. Das dadurch entstandene Brummen führt zur Leistungsreduzierung und beeinträchtigt die Lebensdauer der einzelnen Brennkammerkomponenten. Im schlimmsten Fall kommst es direkt zu einem Bauteilschaden. Daher werden Resonatoren 5 an Außenschale, das heißt der Tragstruktur 2 der
Ringbrennkammer 1 angebracht (Fig.l) . Durch die engen Platzverhältnisse zwischen der Tragstruktur 2 und den einzelnen Brennerkomponenten ist der Einsatz jedoch nur begrenzt möglich. Außerdem ist keine gleichmäßige Anordnung über die Ringbrennkammer 1 möglich, da Hindernisse wie z.B. Verstrebungen umgangen werden müssen. Die Ringbrennkammer 1 ist heißgasseitig zum Schutz vor Heißgas mit keramischen Hitzeschildelementen 7 ausgestaltet.
Hier nun setzt die Erfindung ein. Das Problem der ausreichenden Schwingungsdämpfung sowie die Umgehung der engen Platzverhältnisse soll nun mittels der Erfindung gelöst werden.
Erfindungsgemäß ist nun das Hitzeschildelement 10 vollständig als Resonator ausgebildet. Bevorzugt ist dabei das Hitzeschildelement als Helmholtz-Resonator ausgebildet. Die Erfindung sieht nun die Implementierung der Helmholtz-
Resonatoren als keramische Hitzeschildelemente vor. Da die Hitzeschildelemente relativ dick ausgeführt sind, lässt sich das Volumen für den Helmholtz Resonator nutzen.
Helmholtz Resonatoren werden verwendet um bestimmte Frequenzen zu verstärken. Im Fall der Dämpfung von thermoakkustischen Schwingungen in der Brennkammer ist es nun die Aufgabe des Resonators Schwingungen dem System zu entnehmen und verstärkt und phasenverschoben der Brennkammer zurück zu führen. Die kritischen Schwingungen werden so neutralisiert. Das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 umfasst dabei einen Resonatorhals 15 mit einer Länge L und einer Querschnittsfläche S. Weiterhin umfasst das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 das Volumen V. Das Verhältnis von S, L und V kann dabei leicht eingestellt werden, damit die kritischen Resonanzschwingungen gedämpft werden.
Um die gewünschte Resonanzfrequenz zu dämpfen werden nun die Größen V, L und S in das entsprechende Verhältnis gebracht. Auch kann die Länge L des Resonatorhalses 15 variable einstellbar ausgeführt sein, so dass z.B. im Teillastbetrieb andere Resonanzfrequenz gedämpft werden können als im Volllastbetrieb. Die Länge L des Resonatorhalses 15 kann dabei automatisch oder manuell einstellbar sein. Dies kann z.B. durch ein längenverstellbares Röhrchen realisiert werden, oder durch eine Hülse die auf den Resonatorhals 15 angebracht und verstellt werden kann. Auch können die als Resonator ausgebildeten Hitzeschildelemente 10 der Brennkammer an unterschiedlichen Bereichen der Brennkammer unterschiedlich eingestellt sein, je nach zu dämpfender Resonanzfrequenz .
Das als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 ist dabei bevorzugt aus Metall oder einer metallischen Legierung. Als Wärmeschutz dient eine entsprechende TBC (Thermal Barrier Coating) .
Das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement weist eine der Heißgasseite zugewandete Hitzeschildelement- Seite a und eine der Tragstruktur zugewandte Hitzeschildelement- Seite b auf. Ferner weist die der Tragstruktur zugewandten Hitzeschildelement- Seite b
Durchlassöffnungen 13 auf. Zudem weist die Tragstruktur 2 ebenfalls Kühlöffnungen 17 auf. Im Betrieb wird nun Kühlluft über die Kühlluftöffnungen 17 und die Durchlassöffnungen 13 in das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 geleitet. Somit wird das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement 10 zum einen gespült, und gleichzeitig dabei gekühlt.
Erfindungsgemäß weist das vollständig als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement zumindest teilweise eine TBC auf und übernimmt somit die Funktion eines Hitzeschildelements. Zugleich bewirkt das als Resonator ausgebildete Hitzeschildelement durch die vollständige Ausbildung als Resonator eine Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen.
Durch den Einsatz des vollständig als Resonator ausgebildeten Hitzeschildelements 10 kommt es zu keiner zusätzlichen Einengung der ohnehin begrenzten Platzverhältnisse in der Maschine. Außerdem kann durch das Auskleiden der Brennkammer eine gleichmäßige Anordnung der Resonatoren erzielt werden. Durch die hohe Anzahl an vollständig als Resonator ausgebildeten Hitzeschildelementen 10 ist das akkumulierte Volumen zur Dämpfung der Brennkammer ausreichend.
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