Brennkammer mit Resonatoren Die Erfindung betrifft eine Brennkammer mit Resonatoren.

Zur Verringerung von Schadstoffemissionen wird in modernen Gasturbinen der Kühlmassenstrom verringert. Dadurch wird auch die akustische Dämpfung verringert und thermoakustische

Schwingungen können zunehmen. Es kann im ungünstigen Fall zu einer sich aufschaukelnden Wechselwirkung zwischen thermischen und akustischen Störungen kommen. Daraus können sowohl hohe mechanische Belastungen der Brennkammer, als auch steigende Emissionen resultieren.

Zur Verringerung von thermoakustischen Schwingungen werden deshalb z.B. Helmholtz-Resonatoren zur Dämpfung eingesetzt, die die Amplitude von Schwingungen bestimmter Frequenzen dämpfen. Der Dämpfungseffekt wird durch eine Erhöhung der An- zahl an Resonatoren oder durch eine Vergrößerung der Wirkfläche verstärkt. Die Erhöhung der Resonatoranzahl bzw. deren Vergrößerung hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Bedarfs an Bauvolumen, das nicht immer zur Verfügung steht. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustel ^¬ len, die einen möglichst platzsparenden Einsatz von Resonatoren ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer gattungsgemäßen Brennkammer mit einer Tragstruktur und einem Hitzeschild, das durch mehrere Hitzeschildelemente gebildet ist, die an der Tragstruktur mit Befestigungsmitteln angeordnet sind, so dass das Hitzeschild die Brennerkammer auskleidet und die Tragstruktur im Betrieb vor Heißgasen schützt, ein Resonator unabhängig von Hitzeschildelementen ebenfalls mit Befestigungsmitteln für Hitzeschildelemente an der Tragstruktur angeordnet ist. Durch den Einbau eines neuen Brennerkonzeptes in eine Brenn ^¬ kammer kann sich konstruktionsbedingt ein Freiraum zwischen der Tragstruktur der Brennkammer und den neuen Brennern ergeben. Werden deswegen einzelne Hitzeschildelemente, oder eine ganze Reihe von Hitzeschildelementen nicht mehr benötigt, entsteht durch deren Wegfall Platz für beispielsweise den Einbau von Resonatoren, um die Fahrweise der Maschine weniger störanfällig zu machen und insbesondere hohe Frequenzen zu dämpfen .

In einer vorteilhaften Ausführungsform ragt mindestens ein Brenner in die Brennkammer hinein, mit einem Brennerausgang, welcher der Teil des Brenners ist, der am weitesten in die Brennkammer hineinragt, wobei der Resonator in einem Bereich der Brennkammer angeordnet ist, der bezogen auf eine Haupt ^¬ strömungsrichtung in der Brennkammer stromauf des Brennerausgangs angeordnet ist. Auch wenn prinzipiell der Resonator an anderer Stelle in der Brennkammer angeordnet sein könnte, um dort gezielt Frequenzen zu dämpfen, ist die Anordnung strom- auf des Brennerausgangs vorteilhaft, da hier die Kühlung am unproblematischsten ist. Weiter stromab läge der Resonator dichter an der Brennerflamme und müsste gegebenenfalls stär ^¬ ker gekühlt werden, jedenfalls stärker als die Hitzeschild ^¬ elemente an dieser Stelle, deren Aufbau auf ihre Funktion hin optimiert ist. Dies schließt einen Einsatz eines Resonators an einer solchen Stelle aber nicht generell aus.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Resonator eine Deckplatte mit Resonatoröffnungen und an die Deckplatte anschließende und sich im eingebauten Zustand von der Deckplatte in Richtung der Tragstruktur erstreckende Randab ^¬ schnitte auf, welche an ihren von der Deckplatte abgewandten Stirnseiten auf der Tragstruktur aufliegen. Eine weitere, der Deckplatte gegenüberliegende Platte, welche an die Randab- schnitte im Bereich der Tragstruktur anschließt, ist möglich, aber nicht nötig. Wichtig ist nur, dass ein Resonatorvolumen gebildet ist. Sollte keine weitere Platte vorgesehen sein, ist die Tragstruktur Teil des Resonators. Es ist zweckmäßig, wenn die Randabschnitte mit der Tragstruk ^¬ tur verbindbar sind. Alternativ kann die Tragstruktur auch über eine Befestigung der Deckplatte an der Tragstruktur zwi- sehen Deckplatte und Tragstruktur geklemmt werden.

Werden die Randabschnitte jedoch selbst mit der Tragstruktur verbunden, ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei gegenüber ^¬ liegende Randabschnitte für einen Eingriff von Befestigungs- mittein ausgebildet sind, wie dies auch bei Hitzeschildele ^¬ menten der Fall sein kann, so dass dieselben Befestigungsmittel zum Einsatz kommen können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Brennkammer ist die Deckplatte mit den Randabschnitten lösbar verbunden. Dies ermöglicht eine große Flexibilität im Hinblick auf die An- passbarkeit des Resonators bei minimalem Materialaufwand.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Deckplatte mit den Randabschnitten unlösbar verbunden. Der Vorteil dieser Variante liegt in der schnelleren Montage vor Ort in der Brennkammer und in der eventuell geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit infolge einer vergleichsweise kleinen Anzahl an Einzelteilen insbesondere zur Verbindung der Deckplatte mit den Randabschnitten.

Eine vorteilhafte Alternative zu den Eingriffen in den Rand ^¬ abschnitten ist eine Deckplatte mit einer Befestigungsöffnung zur lösbaren Befestigung des Resonators direkt an der Trag- struktur.

Zweckmäßigerweise ist die Befestigungsöffnung zentral in der Deckplatte angeordnet, wobei die Deckplatte mit der Trag ^¬ struktur verschraubbar ist. Die Deckplatte würde dann bei- spielsweise mit einem in der Tragstruktur liegenden Tellerfederpaket gegen die Randabschnitte verspannt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entsprechen Außenabmessungen des Resonators zumindest in einer Richtung denen eines Hitzeschildelementes, wobei diese eine Richtung in einer Ebene mit der Brennkammerhauptachse liegt. Das ist sinnvoll, da zumindest in dieser einen Rich ^¬ tung der Resonator an Hitzeschildelemente anschließt und mit diesen eine im Wesentlichen geschlossene Fläche bildet, so dass die Tragstruktur vor den Heißgasen geschützt ist. In einer hierzu senkrechten Richtung, der Umfangsrichtung der Brennkammer, ist eine solche Übereinstimmung mit den Abmessungen der Hitzeschildelemente weniger notwendig. In Umfangs- richtung werden einfach die Resonatoren nebeneinander angeordnet, so dass sich unabhängig von ihren Abmessungen wiederum eine bis auf kleine Spalte geschlossene Fläche ergibt (Die Abmessungen sollten selbstverständlich so gewählt sein, dass über den Umfang eine quasi geschlossene Fläche ent ^¬ steht) .

Ist ein Resonator im Hinblick auf die Randbedingungen bezüg- lieh der Außenabmessungen nicht passend zu den zu dämpfenden Frequenzen, dann kann es vorteilhaft sein, wenn der Resonator Einbauten zur Verringerung des Resonatorvolumens umfasst, da bei diesen Volumenanpassungen weder Randabschnitte noch Deckplatte modifiziert werden müssen. Generell lassen sich das Resonatorvolumen und die Halslänge für jeden Resonator beliebig gestalten.

Vorteilhafter Weise kann die Kühlluftversorgung und Spülung des Resonators durch die Tragstruktur erfolgen. Eine solche Luftzufuhr ist bereits vorhanden, und zwar zur Kühlung der Hitzeschildelemente .

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkammer liegt in der variablen Einstellung der Resonatoreigenschaften und der Kombinationsmöglichkeit von Resonatoren. Die Maschine kann gezielt durch den Einbau speziell abgestimmter Resonatoren eingestellt werden. Es kann somit eine sehr genaue und fle- xible Anpassung der Dämpfung verschiedener Frequenzen vorgenommen werden.

Besonders interessant ist dabei die effiziente Nutzung beste- henden Freiräume in der Brennkammer. Die Fahrweise der Maschine wird stabiler, insbesondere wird die Maschine gegen ^¬ über schädlichen hohen Frequenzen unempfindlicher, wodurch sich auch die Standzeit der betroffenen Bauteile erhöht. Kri ^¬ tische Frequenzen können gezielt gedämpft werden bzw. die Ma- schine kann abgestimmt werden. Außerdem werden mögliche Kühl- lufterhöhungen durch Ausfüllung des Freiraums vermieden.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 eine Einbausituation eines neuen Brennerkonzeptes in eine Ringbrennkammer und sich ergebender Raum für Resonatoren, Figur 2 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer mit Resonator,

Figur 3 eine Ansicht von nebeneinander in der Brennkammer angeordneten Resonatoren,

Figur 4 einen Rahmen bildende Randabschnitte mit Eingriffen zur Halterung des Resonators,

Figur 5 eine Deckplatte mit zentraler Befestigungsöffnung und

Figur 6 einen Rahmen bildende Randabschnitte.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Brennkam- mer 1 im Schnitt mit Brennern 7, die gegenüber den ursprünglich eingebauten Brennern eine andere Geometrie aufweisen und insbesondere weiter in die Brennkammer 1 hineinragen. In der Figur 1 ist eine (die zweite) von mehreren Reihen von Hitze- Schildelementen 4 gezeigt, die an der Tragstruktur 2 der Brennkammer 1 mit Befestigungsmitteln 5 befestigt sind und einen Hitzeschild 3 bilden. Die erste dieser Reihen von Hitzeschildelementen entfällt nun im Beispiel der Figur 1 auf- grund der geänderten Brennerabmessungen, so dass ein für den Einbau von Resonatoren zur Verfügung stehender Bauraum 21 entsteht .

Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Brennkammer 1 ähnlich wie in Figur 1 mit einer Brennkammerhauptachse 16. Die durch den Wegfall der ersten Reihe der Hitzeschildelemente 4 entstandene Lücke ist in dieser Ausführungsform mit Resonato ^¬ ren 6 ausgefüllt. Diese sind mit denselben Befestigungsmit ^¬ teln 5 an der Tragstruktur 2 der Brennerkammer 1 befestigt, wie die Hitzeschildelemente 4, d.h. sie werden unmittelbar durch diese Befestigungsmittel 5 an der Tragstruktur 2 befes ^¬ tigt und nicht etwa zwischen Hitzeschildelementen 4 geklemmt. Die Resonatoren 6 sind in dem Bereich der Brennkammer 1 angeordnet, der bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung 9 in der Brennkammer 1 stromauf der Brennerausgänge 8 liegt. Kühlluft ^¬ versorgung und Spülung 18 der Resonatoren 6 erfolgt wie die Kühlung für die Hitzeschildelemente 4 über die Tragstruktur 2. Die Resonatoren 6 umfassen je eine Deckplatte 10 mit

Resonatoröffnungen 11. Von der Deckplatte 10 aus erstrecken sich Randabschnitte 12 in Richtung der Tragstruktur 2. Die Stirnseiten 13 der Randabschnitte 12 liegen auf der Tragstruktur 2 auf.

Figur 3 zeigt eine Ansicht von nebeneinander in der Brennkam- mer 1 angeordneten Resonatoren 6. Zwischen den Resonatoren 6 sind Dehnungsspalte 19, in denen Befestigungsmittel 5 erkenn ^¬ bar sind.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem diese Randab- schnitte 12 einen Rahmen bilden, in den die Deckplatte 10 eingelegt werden kann. Die Figur 4 zeigt ferner Ausnehmungen 14 in den Randabschnitten 12, in die Befestigungsmittel 5 für die Resonatoren 6 im eingebauten Zustand der Resonatoren 6 eingreifen .

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform eines Resona- tors 6, bei dem die Randabschnitte 12 einen Rahmen bilden, der selbst Befestigungsöffnungen 20 zur Befestigung des Rahmens an der Tragstruktur 2 aufweist und bei dem die in einen Rahmen einzulegende Deckplatte 10 eine zentrale Befestigungs ^¬ öffnung 15 zeigt.

Bei der Wahl der Außenabmessungen des Resonators 6 zur Erzielung eines gewünschten Resonatorvolumens bestehen wenige Zwänge. Ist der Resonator eingebaut, ist es sinnvoll, dass zumindest in der Richtung, die in einer Ebene mit der Brenn- kammerhauptachse 16 liegt, die Ausdehnung des Resonators 6 der eines Hitzeschildelements 4 entspricht. Die Länge des Re ^¬ sonators 6 in Umfangsrichtung und seine Dicke (d.h. Höhe der Randabschnitte 12) können dagegen weitestgehend frei gewählt werden. Auch ist es möglich, durch Einbauten 17 das

Resonatorvolumen anzupassen. Die Figur 7 zeigt ein einfaches Beispiel für Einbauten 17.

Freiheit besteht auch bei der Anzahl und den Durchmessern der Resonatoröffnungen 11 in der Deckplatte 10, die entweder auf die Randabschnitte 12 aufgeschweißt oder mit den Randab ^¬ schnitten 12 oder direkt mit der Tragstruktur 2 verschraubt werden kann.