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Title:
COMBUSTION CHAMBER AND DAMPER ARRANGEMENT FOR REDUCTION OF COMBUSTION CHAMBER PULSATIONS IN A GAS TURBINE PLANT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/060381
Kind Code:
A1
Abstract:
At least one Helmholtz damper (17) is arranged on a combustion chamber (16) of a gas turbine (10) for damping thermoacoustic vibrations, the damping volume (20, 21) of which is connected to the combustion chamber (16) by means of a connecting channel (18). According to the invention, an optimal damping can be achieved in a simple manner, whereby the Helmholtz damper (17) is embodied such that the damping frequency thereof is adjustable, whereby the damping volume (20, 21) is divided into a fixed damping volume (20) and a variable damping volume (21) and the damping volume may be varied by means of variation in the variable damping volume (21).

Inventors:
GRAF PETER (DE)
TSCHIRREN STEFAN (CH)
WUNDERLE HELMAR (DE)
Application Number:
PCT/CH2002/000696
Publication Date:
July 24, 2003
Filing Date:
December 16, 2002
Export Citation:
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Assignee:
ALSTOM SWITZERLAND LTD (CH)
GRAF PETER (DE)
TSCHIRREN STEFAN (CH)
WUNDERLE HELMAR (DE)
International Classes:
F23R3/00; F23M20/00; (IPC1-7): F23M13/00; F01N1/02; F01N1/16; G10K11/16
Foreign References:
US20020100281A12002-08-01
EP0597138A11994-05-18
US20020000343A12002-01-03
DE19833326A12000-01-27
US3275015A1966-09-27
JPS5114550A1976-02-05
US1357501A1920-11-02
US20020000343A12002-01-03
US20020100281A12002-08-01
EP0597138A11994-05-18
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 004, no. 094 (M - 019) 8 July 1980 (1980-07-08)
Attorney, Agent or Firm:
ALSTOM TECHNOLOGY LTD (Brown Boveri Str. 7/699/5, Baden, CH)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE
1. Brennkammer (16) für eine Gasturbine (10), an welcher Brennkammer (16) zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen wenigstens ein Helm holtzdämpfer (17) angeordnet ist, dessen Dämpfungsvolumen (20,21) mit der Brennkammer (16) über einen Verbindungskanal (18) in Verbindung steht, da durch gekennzeichnet, dass der Helmholtzdämpfer (17) derart ausgebildet ist, dass seine Dämpfungsfrequenz verstellbar ist.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfrequenz des Helmholtzdämpfers (17) kontinuierlich verstellbar ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsvolumen (20,21) des Helmholtzdämpfers (17) kontinuierlich veränder bar ist.
4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsvolumen (20,21) in ein festes Dämpfungsvolumen (20) und ein varia bles Dämpfungsvolumen (21) unterteilt ist, und dass das Dämpfungsvolumen (20, 21) durch die Änderung des variablen Dämpfungsvolumens (21) verändert wird.
5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das variable Dämpfungsvolumen (21) an einer Seite durch einen verschiebbaren Kolben (22) begrenzt ist.
6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Helmholtzdämpfer (17) ein Verstellelement (23), insbesondere in Form einer Ge windestange, angeordnet ist, mittels dessen der Kolben (22) verschoben werden kann.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (16) innerhalb eines Turbinengehäuses (11) angeordnet ist, und dass das Verstellelement (23) durch eine verschliessbare Zugangsöffnung (19) im Turbinengehäuse (11) bedienbar ist.
8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, dass die Brennkammer (16) an ihrer Eintrittsseite (26) eine Mehrzahl von Brennern (14,15) aufweist, die in die Brennkammer (16) münden, und dass der wenigstens eine Helmholtzdämpfer (17) an der Eintrittsseite (26) in unmittelbarer Nähe der Brenner (14,15) angeordnet ist.
9. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (16) ringförmig ist, dass die Brenner (14,15) in konzentrischen Rin gen angeordnet sind, und dass der wenigstens eine Helmholtzdämpfer (17) zwi schen den Ringen angeordnet ist.
Description:
BRENNKAMMER UND DAEMPFERANORDNUNG ZUR REDUZIERUNG VON BRENNKAMMERPULSATIONEN IN EINER GASTURBINENANLAGE BESCHREIBUNG TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbi- nen. Sie betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK Eine solche Brennkammer ist z. B. aus der EP-A1-0 597 138 bzw. US-A- 5,373, 695 bekannt.

Wie in der Einleitung der o. g. Druckschriften erläutert wird, gewinnt das Problem der thermoakustischen Schwingungen in modernen Low-NOx-Brennkammern von Gasturbinen zunehmen an Bedeutung. Es ist deshalb im Stand der Technik ver-

schiedentlich vorgeschlagen worden, an der Brennkammer einer Gasturbine so- genannte Helmholtzdämpfer anzuordnen, die aufgrund ihrer Konfiguration, bei der ein Dämpfungsvolumen über einen dünnen Verbindungskanal mit der Brennkam- mer in Verbindung steht, in der Lage sind, bestimmte Schwingungsfrequenzen in der Brennkammer effektiv zu dämpfen.

Da die in einer Brennkammer auftretenden thermoakustischen Schwingungen in Frequenz und Amplitude von den unterschiedlichsten geometrischen und Be- triebsparametern der Brennkammer beeinflusst werden, können bei einer neuen Brennkammer die zu erwartenden Schwingungen nur sehr unzulänglich vorausge- sagt werden. Es kann daher sein, dass die an der Brennkammer eingesetzten Helmholtzdämpfer nicht optimal auf die tatsächlich auftretenden Schwingungen in der Brennkammer abgestimmt sind.

In den eingangs genannten Druckschriften ist daher vorgeschlagen worden, die Helmholtzdämpfer ganz oder teilweise austauschbar auszubilden, um nachträgli- che Veränderungen in der Resonanzfrequenz vornehmen zu können. Hierzu ist im Turbinengehäuse ein Mannloch vorgesehen, durch welches der Austausch der Helmholtzdämpfer erfolgen kann.

Nachteilig ist hierbei, dass einerseits die Abstimmung auf eine Resonanzfrequenz nur in Stufen erfolgen kann, dass der Austausch von Dämpferteilen oder ganzen Dämpfern sehr aufwendig ist, und dass für den Austausch ein erheblicher kon- struktiver Aufwand am Turbinengehäuse und der Brennkammer getrieben werden muss.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer für eine Gasturbine mit Helmholtzdämpfer zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Brennkammern

vermeidet und sich insbesondere durch eine stark vereinfachte Anpassung an die zu dämpfenden Frequenzen auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Helmholtzdämpfer derart ausgebil- det ist, dass seine Dämpfungsfrequenz verstellbar, insbesondere kontinuierlich verstellbar, ist. Hierdurch kann die Dämpfung auf einfache Weise dem thermoaku- stischen Verhalten der Brennkammer angepasst und entsprechend optimiert wer- den. Ein Austausch von Teilen oder ganzen Dämpfern ist dabei nicht erforderlich, so dass auf entsprechende gross dimensionierte Zugangsmöglichkeiten verzichtet werden kann. Gleichzeitig entfällt durch die Verstellbarkeit der Helmholtzdämpfer die Notwendigkeit, für unterschiedliche Resonanzfrequenzen unterschiedlich kon- figurierte Dämpfer oder Dämpferteile herzustellen und bereitzuhalten.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Dämpfungsvolumen des Helmholtzdämpfers kontinuierlich veränderbar ist. Diese Art der Verstellbarkeit der Dämpfungsfrequenz lässt sich besonders einfach und wirkungsvoll realisieren.

Besonders günstig ist es dabei, wenn das Dämpfungsvolumen in ein festes Dämpfungsvolumen und ein variables Dämpfungsvolumen unterteilt ist und das Dämpfungsvolumen durch die Änderung des variablen Dämpfungsvolumens ver- ändert wird.

Bevorzugt wird die Änderbarkeit des Volumens dadurch erreicht, dass das varia- ble Dämpfungsvolumen an einer Seite durch einen verschiebbaren Kolben be- grenzt ist. Diese Ausgestaltung lässt sich von der Mechanik her sehr einfach reali- sieren und ist im Betrieb funktionssicher und einfach zu betätigen.

Eine bewährte Art der Betätigung ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem Helmholtzdämpfer ein Verstellelement, insbesondere in Form einer Gewinde- stange, angeordnet ist, mittels dessen der Kolben verschoben werden kann.

Da die Brennkammer innerhalb eines Turbinengehäuses angeordnet ist, ist es für die Betätigung des Helmholtzdämpfers von besonderem Vorteil, wenn das Ver- stellelement durch eine verschliessbare Zugangsöffnung im Turbinengehäuse be- dienbar ist. Das Verstellelement kann dabei leicht so ausgebildet werden, dass für seine Betätigung nur eine kleine Öffnung notwendig ist, die am Turbinengehäuse keine wesentlichen Änderungen erfordert.

Die dämpfende Wirkung des Helmholtzdämpfers ist besonders hoch, wenn bei einer Brennkammer, die an ihrer Eintrittsseite eine Mehrzahl von Brennern auf- weist, die in die Brennkammer münden, der wenigstens eine Helmholtzdämpfer an der Eintrittsseite in unmittelbarer Nähe der Brenner angeordnet ist. Wenn die Brennkammer ringförmig ist und die Brenner in konzentrischen Ringen angeordnet sind, ist der wenigstens eine Helmholtzdämpfer vorzugsweise zwischen den Rin- gen angeordnet.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam- menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 in einem Ausschnitt im Querschnitt die Eintrittsseite einer Gastur- binen-Brennkammer mit zwei Ringen von Doppelkegelbrenner und dazwischen angeordnetem, verstellbaren Helmholtzdämpfer ge- mäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ; und Fig. 2 in einer vergrösserten Schnittdarstellung den Helmholtzdämpfer aus Fig. 1.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG In Fig. 1 ist in einem Ausschnitt im Querschnitt die Eintrittsseite der Brennkammer einer Gasturbine mit zwei Ringen von Doppelkegelbrenner und dazwischen ange- ordnetem, verstellbaren Helmholtzdämpfer gemäss einem bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Gasturbine 10 ist von einem Gas- turbinengehäuse 11 umschlossen, innerhalb dessen sich ein mit komprimierter Luft gefülltes Plenum 12 befindet. Das Plenum 12 umgibt die Brennkammer 16, die von dem Plenum 12 durch ein Brennkammergehäuse 13 getrennt ist. Die An- ordnung der Brennkammer 16 innerhalb der Gasturbine 10 ist im wesentlichen dieselbe wie in der eingangs genannten Druckschrift EP-A1-0 597 138 beschrie- ben. Innerhalb des Brennkammergehäuses 13 ist die Brennkammer 16 eintritts- seitig durch eine Frontabdeckung 26 begrenzt. Die Brennkammer 16 ist ringförmig ausgebildet und ist mit Brennern 14,15 bestückt, die in bekannter Art als Doppel- kegelbrenner ausgebildet und in Ringen um die Achse der Gasturbine angeordnet sind, wie dies in der EP-A1-0 597 138 offenbart ist.

Die Brenner 14,15 sind in entsprechenden Öffnungen in der Frontabdeckung 26 angeordnet und münden in die Brennkammer 16. Zur Dämpfung der in der Brenn- kammer 16 beim Verbrennungsvorgang angeregten thermoakustischen Schwin- gungen sind zwischen den Ringen mit den Brennern 14,15 Helmholtzdämpfer 17 vorgesehen. Die Helmholtzdämpfer 17 weisen gemäss Fig. 2 jeweils ein Dämp- fungsvolumen 20,21 auf, dass sich aus einem festen zylindrischen Dämpfungs- volumen 20 und einem variablen zylindrischen Dämpfungsvolumen 21 zusam- mensetzt. Das Dämpfungsvolumen 20,21 ist mit der Brennkammer 16 über einen vergleichsweise engen Verbindungskanal 18 verbunden. Die Anordnung aus Ver- bindungskanal 18 und Dämpfungsvolumen 20,21 bildet einen dämpfenden Reso- nator, dessen Resonanzfrequenz unter anderem von der Grösse des Dämpfungs- volumens 20,21 bestimmt wird.

Das feste Dämpfungsvolumen 20 ist so gewählt, dass die damit erzielbare Dämp- fungsfrequenz in der Nähe der Frequenz einer der in der Brennkammer 16 zu er-

wartenden thermoakustischen Schwingungen liegt, und dass unter Hinzunahme des variablen Dämpfungsvolumens 21 der mögliche Variationsbereich dieser Fre- quenz abgedeckt wird. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer neu in Betrieb zu nehmenden Gasturbine die Helmholtzdämpfer 17 genau auf die auftretenden, vor- her nicht genau bekannten Schwingungsfrequenzen abzustimmen und so mit ge- ringsten Mitteln eine optimale Dämpfung zu erhalten. Es versteht sich dabei von selbst, dass zur Dämpfung unterschiedlicher Schwingungsfrequenzen auch unter- schiedlich dimensionierte Helmholtzdämpfer 17 in Kombination eingesetzt werden können.

Die Veränderung des variablen Dämpfungsvolumens 21 kann grundsätzlich auf unterschiedliche Weise erreicht werden. So ist es beispielsweise denkbar, das variable Dämpfungsvolumen aus mehreren Teilvolumen zusammenzusetzen, die nacheinander zuschaltbar ausgebildet sind. Besonders günstig für die Einstellbar- keit ist jedoch die in Fig. 1 und 2 gezeigte Ausgestaltung, bei der das variable Dämpfungsvolumen durch einen im Volumen verschiebbar angebrachten Kolben 22 kontinuierlich verändert werden kann. Die Verschiebung des Kolbens 22 erfolgt auf besonders einfache und sichere Weise über ein Verstellelement 23 in Form einer Gewindestange, die in einem Gewindeloch 25 im Deckel 24 drehbar gelagert ist, der das variable Volumen 21 nach aussen hin abschliesst. Alternativ dazu kann auch der Kolben 22 mit dem Verstellelement 23 fest verbunden sein. Die Einstellung erfolgt in diesem Fall durch ein Gewinde im Deckel 24, in welchem das Verstellelement 23 geführt ist. An der aussenliegenden Stirnseite des Verstellelements 23 kann beispielsweise ein Schlitz vorgesehen sein, in welchen die Klinge eines Schraubendrehers eingreifen kann. Wird das Verstellelement (die Gewindestange) 23 verdreht, verschiebt sich der Kolben 22 entlang der Zylinderachse des Dämpfungsvolumens 20,21 und kann unterschiedliche Stellungen einnehmen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Entsprechend verändert sich mit dem Dämpfungsvolumen 20,21 auch die Frequenz, bei der die Dämpfung auftritt bzw. ihr Maximum hat.

Die Ausgestaltung des Verstellelementes 23 schafft die Möglichkeit, das Verstell- element 23 auf einfache Weise von ausserhalb des Turbinengehäuses 11 zu be- dienen, ohne dass umfangreiche Vorkehrungen am Turbinengehäuse getroffen werden müssen. Gemäss Fig. 1 ist zur Bedienung des Verstellelementes 23 am Turbinengehäuse 11 mit der Drehachse fluchtend eine vergleichsweise kleine Zu- gangsöffnung 19 vorgesehen, die einen eingeschraubten, verschliessbaren Stut- zen umfasst. Auf diese Weise ist es möglich, ohne grössere Umstände das Dämpfungsverhalten der einzelnen Helmholtzdämpfer 17 an die tatsächlich im Betrieb in der Brennkammer 16 auftretenden thermoakustischen Schwingungen optimal anzupassen.

BEZUGSZEICHENLISTE 10 Gasturbine 11 Turbinengehäuse 12 Plenum 13 Brennkammergehäuse 14, 15 Brenner 16 Brennkammer 17 Helmholtzdämpfer 18 Verbindungskanal 19 Zugangsöffnung 20 Dämpfungsvolumen (fest) 21 Dämpfungsvolumen (variabel) 22 Kolben 23 Verstellelement (z. B. Gewindestange) 24 Deckel 25 Gewindeloch 26 Frontabdeckung