Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine

Abstract

 Beschrieben wird eine Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer, in die über einen Strömungskanal ein komprimierbares Medium, vorzugsweise Luft, zugeführt wird, in der das komprimierbare Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, und
einem Helmholtz-Resonator-Volumen, das mit dem Strömungskanal in Strömungsrichtung vor Eintritt in die Brennkammer verbunden ist.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens vor Eintritt in den Strömungskanal eine Einspritzdüsenanordnung vorgesehen ist, durch die Flüssigkeit in Richtung des Strömungskanals in feinste Flüssigkeitstropfen in Form eines Flüssigkeits/Luft-Gemisches zerstäubbar ist.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer, in die über einen Strömungskanal ein komprimierbares Medium, vorzugsweise Luft, zugeführt wird, in der das komprimierbare Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, und
einem Helmholtz-Resonator-Volumen, das mit dem Strömungskanal in Strömungsrichtung vor Eintritt in die Brennkammer verbunden ist.

Stand der Technik

[0002] Vorkehrungen zur Schalldämpfung der vorstehend genannten Gattung sind für den Betrieb von Gasturbinenanlagen hinsichtlich der Verbesserung des Verbrennungsprozesses innerhalb der Brennkammer von entscheidender Bedeutung. So treten beim Betrieb von Gasturbinenanlagen in bestimmten Bereichen der Zuluftsowie Brennstoffgasströmung als auch innerhalb der Brennkammer akustische Schwingungserscheinungen auf, die sich in Abhängigkeit der Lastbedingungen, unter der die Gasturbine betrieben wird, mehr oder minder stark ausbilden. Zur Unterdrückung derartiger akustischer Schwingungen wurde Maßnahmen am Design und an der Auslegung derartiger thermodynamischer Maschinen unternommen, doch waren die damit erreichten Auswirkungen nur von geringem Erfolg, insbesondere war es nicht möglich thermoakustisch induzierte Instabilitäten innerhalb von Gasströmung vollständig zu unterdrücken, wodurch Oszillationen hervorgerufen werden, die den Betrieb von Gasturbinenanlagen erheblich beeinträchtigen.

[0003] Im Strömungsfluß von Gasturbinen auftretende Oszillationen vermögen nicht nur den Verbrennungsprozeß des Luft-Gasgemisches nachhaltig zu beeinflussen, sondern die sich im gasförmigen Medium ausbreitenden Druckwellen übertragen sich überdies auf die, die Strömungswege unmittelbar umgebenden Gehäuseteile der Gasturbinenanlage, die neben Temperatur- und Druckbelastungen aufgrund der mechanischen oszillierenden Erschütterungen einem weiteren, bedeutsamen Kriterium zur Materialermüdung unterliegen, wodurch nicht zuletzt die Lebensdauer einer Gasturbinenanlage entscheidend mitbeeinflußt wird.

[0004] Als schalldämpfende Elemente sind Helmholtz-Resonatoren bekannt geworden, die innerhalb des Strömungszuflusses von Gasturbinenanlagen eingesetzt werden. Der Einsatz von Helmholtz-Resonatoren in Gasturbinen ist in einem Beitrag von J. J. Keller und E. Zauner, "On the Use of Helmholtz-Resonators as Sound Attentuators", Z. angew. Math. Phys., 46 (1995), Seite 297 bis 326, beschrieben. Helmholtz-Resonatoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sie ein sogenanntes Helmholtz-Resonator-Volumen aufweisen, durch das der Strömungsfluß hindurchtritt. Das Helmholtz-Resonator-Volumen weist überdies wenigstens einen Strömungseinlaß- und einen -auslaßkanal auf, deren Strömungskanaldurchmesser kleiner bemessen sind als der Strömungsquerschnitt innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens. Durch die von der Strömung durchsetzte Abfolge von Strömungskanalabschnitten mit unterschiedlichen Strömungsdurchmessers wird der Strömung eine resonante Oszillation aufgezwungen, die durch die periodische Umwandlung von potentieller Energie innerhalb komprimierter Strömungsvolumenbereiche in kinetische Energie herrührt.

[0005] Zwar können unter Verwendung von Helmholtz-Resonatoren deutliche Schwingungsdämpfungen in den jeweiligen Strömungssystemen vorgenommen werden, doch bieten die bekannten Helmholtz-Resonator-Systeme aufgrund ihrer einmaligen festgelegten Größe und Ausgestaltung nur beschränkte Möglichkeiten individuelle Frequenzanpassungen zur Einstellung einer gewünschten niedrigen Resonanzfrequenz, typischerweise kleiner 100 Hz vorzunehmen. Der Einsatz von Helmholtz-Resonatoren zur gezielten Schalldämpfung bei Gasturbinenanlagen führt oftmals zu sehr groß dimensionierten Volumenbereiche, um gewünschte Resonanzfrequenzen kleiner 100 Hz erzielen zu können.

Darstellung der Erfindung

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 unter Verwendung eines Helmholtz-Resonators derart weiterzubilden, daß die Maßnahmen zur Schalldämpfung für die Vermeidung von thermoakustischen Oszillationen innerhalb des Strömungsflusses mit möglichst einfachen Mitteln weiter verbessert werden kann. Ferner sollen diese Maßnahmen mit einem möglichst geringen Investitionsaufwand verbunden sein. Insbesondere soll die Schalldämpfung erweiterte Möglichkeiten bieten, gewünschte Resonanzfrequenzverschiebungen der Dämpferelemente in einem großen Bereich zu kleinen Frequenzen hin vorzunehmen, und überdies die Baugröße der Helmholtz-Resonatoren möglichst zu verkleinern.

[0007] Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1, 5, 6 und 9 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0008] Ein erstes erfindungsgemäßes Konzept zur Schalldämpfung innerhalb einer Schwingungsmaschine mit einer Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sieht eine Einspritzdüsenanordnung innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens vor Eintritt in den Strömungskanal vor, der das Helmholtz-Resonator-Volumen mit der Brennkammer verbindet. Aus der Einspritzdüsenanordnung wird Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, in Richtung des Strömungskanals hin zur Brennkammer in feinste Flüssigkeitstropfen zerstäubt, so daß sich vor Eintritt in die Brennkammer ein Flüssigkeits-Luft-Gemisch bildet.

[0009] Dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Idee zugrunde, die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Strömungskanals durch gezieltes Einbringen eines Flüssigkeits-Luft-Gemisches zu verändern, um somit das Resonanzverhalten des gesamten Schallsystems gezielt zu beeinflussen. Die Einspritzdüsenanordnung ist derart ausgebildet, daß durch entsprechende Düsen-Variation die Flüssigkeitströpfchengröße sowie der Zerstäubungsgrad in gewünschter Weise geregelt werden können. Durch die in einem großen Bereich einstellbare Einspritzdüsenanordnung ist es möglich, durch gezielte Einbringung eines zusätzlichen Massenstroms in Form von Flüssigkeitstropfen das Schallausbreitungsverhalten innerhalb des Strömungskanals zu beeinflussen und individuell an die vorhandene Strömungsgeometrien derart anzupassen, so daß dem Auftreten thermoakustischer Oszillationen effektiv entgegengetreten werden kann. Damit gelingt es, den Schalldämpfer auch auf sehr niedrige Schwingungsfrequenzen abzustimmen

[0010] Ein weiterer Vorteil, der mit dem gezielten Einbringen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens verbunden ist, betrifft den Schutz des Helmholtz-Resonators vor Überhitzung, die sich durch die Hitzestrahlung aus der Brennkammer durch den Strömungskanal in Richtung des Helmholtz-Resonator-Volumens ergeben könnte. So ist es aus kühltechnischer Sicht beim bisherigen Einsatz von Helmholtz-Resonatoren erforderlich, daß ein gewisser Mindestdurchsatz an Kühlluftströmung durch den Helmholtz-Resonator vorherrscht. Im Falle der erfindungsgemäßen Zerstäubung von Flüssigkeitstropfen innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens vor dem Strömungskanal, der zur Brennkammer hin führt, ist jedoch kein zusätzlicher Luftstrom zu Kühlzwecken erforderlich.

[0011] Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer sieht ein Helmholtz-Resonator-Volumen vor, das wenigstens über eine Zu- und Ableitung verfügt, durch die Flüssigkeit in das Helmholtz-Resonator-Volumen einbringbar bzw. aus diesem ableitbar ist. Durch gezieltes Einbringen einer Flüssigkeit in das Innere des Helmholtz-Resonator-Volumens ist es möglich das Strömungsvolumen bzw. den Strömungsquerschnitt für die das Helmholtz-Resonator-Volumen durchströmende Zuluft stufenlos zu variieren und an aktuell vorherrschende akustische Gegebenheiten anzupassen.

[0012] Je nach Befüllungsgrad des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Flüssigkeit ist das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators individuell an unterschiedliche Lastzustände der in Betrieb befindlichen Gasturbine anpaßbar.

[0013] So treten bei Gasturbinenanlagen während der Anlaufphase innerhalb des Strömungskreislaufes störende Niedrigfrequenzoszillationen auf deren Frequenzspektrum sich zu mittleren und höheren Frequenzen hin verschiebt, während die Gasturbine auf ihren normalen Lastzustand gefahren wird. Bei Erreichen einer bestimmten Grundlast treten üblicherweise störende Oszillationen im Strömungskreislauf mit relativen hohen Frequenzen auf.

[0014] Durch die erfindungsgemäße Befüllung des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Flüssigkeit ist das schalldämpfende Verhalten des Helmholtz-Resonators im Hinblick auf die innerhalb des Strömungsbereiches der Gasturbinenanlage entstehenden störenden Oszillationen individuell einzustellen. In jeder Situation, in der sich die Gasturbinenanlage unter sich ändernden Lastverhältnissen steht, ist der schalldämpfende Resonatoraufbau jeweils derart mit Flüssigkeit zu befüllen, daß die vom Füllgrad des Resonators abhängende Resonanzfrequenz gerade der Frequenz der Oszillationen bedingt durch die thermoakustischen Schwingungen entspricht. Das gleiche gilt auch für den Betrieb eines Helmholtz-Resonators, der mit der vorstehend beschriebenen Einspritzdüsenanordnung versehen ist. Hierbei ist das unterschiedliche Resonanzverhalten des Resonators durch den Massenstrom der Tröpfchen und den Zerstäubungsgrad einstellbar.

[0015] Ein weiterer vorteilhafter Aspekt, der mit der Befüllung des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Wasser verbunden ist, betrifft die Kühlung des Resonators. Durch eine ständige, wenigstens Teilbefüllung des Helmholtz-Resonator-Volumens mit Wasser wird dieses aufgrund der vorherrschenden Temperaturbedingungen, bedingt durch die Nähe der Brennkammer, im kochenden Zustand gehalten - typische Verbrennungsdrucke von 20 bar und Temperaturen um ca. 250°C -, so daß zu Kühlzwecken auf eine zusätzliche Luftzuleitung innerhalb des Resonatorbereiches verzichtet werden kann.

[0016] Eine dritte, alternative Lösungsvariante zur Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sieht eine Einspritzdüsenanordnung für den Brennstoff innerhalb des Strömungskanals vor, der das Helmholtz-Resonator-Volumen mit der Brennkammer verbindet. Die Einspritzdüsenanordnung zerstäubt Brennstoff in Richtung der Brennkammer. Ferner weist die Brennstoffzuleitung in Brennstoffzulaufrichtung vor der Einspritzdüsenanordnung ebenfalls ein Helmholtz-Resonator-Volumen auf, durch das dem zugeführten, gasförmigen Brennstoff eine bestimmte resonante Eigenfrequenz aufgezwungen wird. Die sich zwischen der störenden Oszillation innerhalb der Brennkammer ausbildenden Schwingung und der Schwingung der Brennstoffoszillation einstellende Phasendifferenz ist derart zu wählen, daß bei jedem Betriebszustand der Gasturbinenanlage das sogenannte Rayleigh-Kriterium nicht erfüllt wird. Das Rayleigh-Kriterium für Anfachung oder Dämpfung thermoakustischer Schwingungen ist dann erfüllt, wenn die Phasendifferenz zwischen Reaktionsratenschwankungen und Druckschwankungen kleiner ist als □/2.

[0017] Eine vierte und letzte Lösungsalternative zur Schwingungsdämpfung bzw. Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit Brennkammer sieht ein Helmholtz-Resonator-Volumen vor, das als Fluidixschalter ausgebildet ist. Der "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" ist mit dem Brennstoffgasstrom verbunden und zugleich mit einem Verbindungskanal, der direkt in die Brennkammer mündet. Die Kombination "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" hat die Aufgabe, den Brennstoffmassenstrom im Gegentakt zu einer allfällig auftretenden Brennkammerschwingung zu modulieren und damit die Schwingung zu dämpfen. So kann eine Schwingung stets dann gedämpft werden, wenn die Reaktion, beispielsweise in Form einer Volumenvergrößerung, mit abnehmenden Druck zunimmt. Man spricht hierbei auch vom Rayleigh-Kriterium für Anfachung oder Dämpfung thermoakustischer Schwingungen. Die gewünschte Phasenkopplung zwischen der Resonanzfrequenz des "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" und der sich in der Brennkammer ausbildenden Oszillation wird mit Hilfe des Verbindungskanals, durch den ein Druckausgleich zwischen Brennkammerinnenraum und Brennstoffgasstrom erfolgt, erzwungen, wodurch der Fluidixschalter innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens gesteuert wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0018] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

Helmholtz-Resonator-Volumen mit Einspritzdüsenanordnung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Luft-Gemisches vor Eintritt in den Strömungskanal,

Fig. 2

Helmholtz-Resonator-Volumen mit variabler Flüssigkeitszufuhr zur Veränderung des Gasvolumens innerhalb Helmholtz-Resonators,

Fig. 3

Brennstoffzuleitung für gasförmigen Brennstoff mit Helmholtz-Resonator-Volumen mit Einspritzdüsenanordnung, sowie

Fig. 4

Helmholtz-Resonator-Volumen mit Fluidixschalter.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0019] Figur 1 zeigt eine Schalldämpfungsvorrichtung für eine Strömungsmaschine, beispielsweise Gasturbinenanlage mit einer Brennkammer 1, in die über einen Strömungskanal 2 vorverdichtete Luft unter Zugabe von Brennstoff eingebracht wird. Die Darstellung gemäß Figur 1 weist aus Gründen der Übersichtlichkeit eine diesbezügliche Brennstoffzuleitung nicht auf.

[0020] Beim Betrieb der Gasturbinenanlage treten innerhalb der Brennkammer 1 thermoakustische Schwingungen auf, die es gilt mit der in der Figur 1 dargestellten Vorrichtung zu dämpfen. So ist in Strömungsrichtung vor dem Strömungskanal 2 ein Helmholtz-Resonator-Volumen 3 vorgesehen, das über eine Luftzuleitung 4 verfügt.

[0021] Wie bereits in der Beschreibungseinleitung dargelegt vermag zwar das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 allein nur eine gewisse, beschränkte Dämpfungswirkung auf die im Inneren der Brennkammer 1 sich ausbildenden thermoakustischen Schwingungen auszuüben, doch ist es erst durch das Vorsehen einer Einspritzdüsenanordnung 5 innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 möglich, die Schalldämpfungswirkung individuell auf die sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden thermoakustischen Schwingungen anzupassen. Durch die Einspritzdüsenanordnung 5, die vor dem Strömungskanal 2 in Strömungsrichtung der in die Brennkammer eintretenden Zuluft angeordnet ist, wird eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser in feinste Flüssigkeitstropfen zerstäubt, so daß sich innerhalb des Strömungskanals 2 ein Flüssigkeits-Luft-Gemisch 5' bildet, das vorzugsweise den gesamten Strömungskanal 2 ausfüllt. Die Einspritzdüsenanordnung 5, ist vorzugsweise konzentrisch innerhalb der Luftzuleitung 4 angeordnet, so daß ausreichend viel Zuluft (siehe Pfeile) in das Innere des Helmholtz-Resonators 3 eingeleitet wird. Je nach Massenstrom der zerstäubten Flüssigkeitströpfchen sowie des durch die Einspritzdüsenanordnung 5 erzeugten Zerstäubungsgrad der zugeführten Flüssigkeit ändert die sich innerhalb des Flüssigkeits-Gas-Gemisches vorherrschende Schallgeschwindigkeit, wodurch ein gezielter Einfluß auf das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 genommen werden kann. Mit zunehmenden Anteil von Flüssigkeit im Flüssigkeits-Gas-Gemisch nimmt die Schallgeschwindigkeit deutlich ab. Von besonderem Vorteil ist die hohe Variabilität der durch geeignete Wahl von Flüssigkeitströpfchengröße und Zerstäubungsgrad bedingte Einfluß auf das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonator-Volumens ohne die Notwendigkeit, das Helmholtz-Resonator-Volumen mit einer großen Bauweise auszubilden, wie es der Fall beim Stand der Technik ist.

[0022] Typischerweise herrschen im Strömungskanal 2 Druckverhältnisse von etwa 20 bar und Temperaturen von 250°C vor, bei denen sich typische Tröpfchendurchmesser von 20 µm als besonders gut zur Schalldämpfung eignen. Bei einer derart feinen Wasserzerstäubung ist überdies der Wasserverbrauch relativ gering, so daß sich zur Zerstäubung auch handelsübliche, regelbare Sprühdüsen eignen.

[0023] Je nach Lastbedingungen der Gasturbine, die von der Startphase bis zum normalen Lastbetrieb reichen und damit verbunden störende thermoakustische Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Brennkammer erzeugen, ist der Massenstrom der zerstäubten Flüssigkeit individuell zu regeln.

[0024] In Figur 2 ist eine Dämpfungsanordnung mit einem Helmholtz-Resonator-Volumen 3 dargestellt, die neben einer Luftzuleitung 4 und dem Strömungskanal 2 hin zur Brennkammer 1 einen Wassereinlaß- bzw. auslaßkanal 6 aufweist, durch den je nach Füllstand innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 Wasser zu- bzw. abgeführt werden kann. Durch den Flüssigkeitsspiegel, vorzugsweise Wasserspiegel innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 ist das gesamte Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators individuell einzustellen, vergleichbar mit der in Figur 1 beschriebenen Anordnung durch Variation des Massenstromes durch die Einspritzdüsenanordnung.

[0025] Neben der gezielten Schalldämpfungseigenschaft, bedingt durch den stufenlos einstellbaren Wasserspiegel innerhalb des Resonator-Volumens 3 trägt das in dem Resonator-Volumen 3 befindliche Wasser, das sich bei etwa 250°C und 20 bar herrschenden Druck in kochendem Zustand befindet, zur Kühlung der Resonatoranordnung selbst bei, so daß auf zusätzliche Kühlluftzufuhr verzichtet werden kann.

[0026] In Figur 3 ist ein weiteres alternatives Schalldämpfungssystem zur Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennkammer 1 dargestellt. Über eine Luftzuleitung 4 wird das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 mit Zuluft versorgt, die über einen Strömungskanal 2 in Richtung Brennkammer 1 weitergeleitet wird. Zusätzlich ist, das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 sowie teilweise den Strömungskanal 2 durchsetzend, eine Brennstoffzuleitung 7 für gasförmigen Brennstoff vorgesehen, die am Austrittsende einen Düsenauslaß 8 vorsieht, durch den eine kegelförmige Brennstoffwolke 9 austritt und in das Innere der Brennkammer 1 eintritt. Außerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens 3 sieht die Brennstoffzuleitung 7 ebenso ein Helmholtz-Resonator-Volumen 10 vor, das dem aus dem Düsenauslaß 8 ausströmenden gasförmigen Brennstoff eine bestimmte Resonanzfrequenz aufzwingt.

[0027] Durch die offene Ausgestaltung des Düsenauslasses 8, durch den sich eine unmittelbare Wechselwirkung mit den Druckverhältnisses innerhalb der Brennkammer 1 einstellt, treten die thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennstoffkammer 1 in Wechselbeziehung zur Resonanzfrequenz des aus dem Düsenauslaß 8 ausströmenden gasförmigen Brennstoffes. Durch geeignete Ausbildung des Helmholtz-Resonator-Volumens 10 innerhalb der Brennstoffzuleitung 7 kann eine bestimmte Phasendifferenz zwischen der Brennstoffschwingung und den thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennkammer 1 derart eingestellt werden, daß das Rayleigh-Kriterium zur Anfachung thermoakustischer Schwingungen nicht erfüllt wird.

[0028] Überdies besteht die Möglichkeit, bei geeigneter Ausbildung der Brennstoffzufuhr sowie des Strömungskanals 2, die durch den Zuleitungskanal 4 in das Helmholtz-Resonator-Volumen 3 eintretende Zuluft nicht für den Verbrennungsvorgang innerhalb der Brennkammer 1 zur Verfügung zu stellen.

[0029] Ein weiteres Konzept zur Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer 1 ist in Figur 4 abgebildet. Wesentliche Komponenten dieser Anordnung bestehen aus einem Helmholtz-Resonator-Volumen 3 dessen innere Volumengröße mit einem beweglichen Kolben 11 verändert werden kann. Zusätzlich ist innerhalb des Volumens 3 ein Flip-Flop-Dämpfungskanal 12 vorgesehen. Eine derartige Anordnung ist auch unter der Bezeichnung "Helmholtz-Resonator-Fluidixschalter" bekannt. Diese Anordnung ist über eine Öffnung mit der Brennstoffzuleitung 7 verbunden, die in gleicher Weise über einen Verbindungskanal 13 mit der Brennkammer 1 verbunden ist. Die Brennstoffzuleitung 7 mündet im gezeigten Fall in die Luftzuleitung 4 ein, durch die der zugeführte Brennstoff durch den Strömungskanal 2 in die Brennkammer 1 eingebracht wird.

[0030] Die dem Aufbau zugrunde liegende Idee ist die Verwendung eines "Fluidixschalters", dessen Schwingungsverhalten durch die sich im Inneren der Brennkammer 1 ausbildenden thermoakustischen Schwingungen über den Verbindungskanal 13 beeinflußt wird. Ziel ist es, das Resonanzverhalten des Fluidixschalters an die Frequenz der thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Brennkammer 1 anzupassen. Die Anpassung kann einerseits mit Hilfe des beweglichen Kolbens 11 erfolgen oder wie im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 mit einem entsprechenden Füllgrad des Resonator-Volumens 3 mit einer Flüssigkeit.

[0031] Wenn die Resonanzfrequenz des "Helmholtz-Resonators-Fluidixschalters" auf die Frequenz einer Brennkammerschwingung abgetimmt worden ist, so lenkt der Fluidixschalter jeweils einen Tei des Brennstoffmassenstromes ins Resonatorvolumen um, sobald der Verbindungskanal 13 einen Überdruckpuls registriert. In diesem Fall entsteht im Strömungskanal 2 ein relativ mageres Gemisch und die nachfolgende Verbrennung führt zu einer relativ schwachen Volumenzunahme der Gase. Im umgekehrten Fall registriert der Verbindungskanal 13 einen Unterdruck in der Brennkammer. Dies veranlaßt den Fluidixschalter zu einem Ausströmvorgang aus dem Resonatorvolumen. Der Brennstoffmassenstrom wird in diesem Fall um den aus den Resonatorvolumen zuströmenden Brennstoffmassenstrom vergrößert. Als Folge entsteht imStrömungskanal 2 ein momentan fettes Gemisch und die nachfolgende Verbrennung führt zu einer relativ großen Volumenfreisetzung. In diesem Fall findet nach dem Rayleigh-Kriterium gerade Schalldämpfung statt, falls die Phasenverschiebung der beschriebenen Reaktionskette genügend klein bleiben.

Bezugszeichenliste

[0032] 

1

Brennkammer

2

Strömungskanal

3

Helmholtz-Resonator-Volumen

4

Luftzuleitung

5

Einspritzdüsenanordnung

5'

Flüssigkeits-/Luft-Gemisch

6

Zu- bzw. Ableitung für Flüssigkeit

7

Brennstoffzuleitung

8

Düsenauslaß

9

kegelförmige Brennstoffwolke

10

Helmholtz-Resonator-Volumen innerhalb der Brennstoffzuleitung

11

beweglicher Kolben

12

Flip-Flop-Dämpfungskanal

13

Verbindungskanal

Ansprüche

1. Vorrichtung zur gezielten Schalldämpfung innerhalb einer Strömungsmaschine mit einer Brennkammer (1), in die über einen Strömungskanal (2) ein komprimierbares Medium, vorzugsweise Luft, zugeführt wird, in der das komprimierbare Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, und
einem Helmholtz-Resonator-Volumen (3), das mit dem Strömungskanal (2) in Strömungsrichtung vor Eintritt in die Brennkammer (1) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Helmholtz-Resonator-Volumens (3) vor Eintritt in den Strömungskanal (2) eine Einspritzdüsenanordnung (5) vorgesehen ist, durch die Flüssigkeit in Richtung des Strömungskanals (2) in feinste Flüssigkeitstropfen in Form eines Flüssigkeits/Luft-Gemisches (5') zerstäubbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsmassenstrom sowie der Zerstäubungsgrad aktiv regelbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsenanordnung (5) eine Sprühdüse vorsieht, welche die Flüssigkeitstropfen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 20 µm erzeugt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsenanordnung (5) derart dimensioniert und positioniert ist, daß der Strömungskanal (2) vollständig mit dem Flüssigkeits/Luft-Gemisch (5') erfüllt ist.

5. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Zu- und Ableitung (6) vorgesehen ist, durch die Flüssigkeit in das Helmholtz-Resonator-Volumen (3) einbringbar bzw. ableitbar ist, so daß das das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonator-Volumen (3) gezielt änderbar ist.

6. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Strömungskanals (2) eine Einspritzdüsenanordnung (5) vorgesehen ist, durch die Brennstoff in Richtung der Brennkammer (1) zerstäubbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdüsenanordnung (5) in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor Düsenaulaß (8) ein weiteres Helmholtz-Resonator-Volumen (10) vorgesehen ist, durch das der Brennstoff zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff gasförmig ist.

9. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Helmholtz-Resonator-Volumen (3) mit der Brennkammer (1) über einen Verbindungskanal (13) sowie mit einem Volumenbereich der Brennstoffzuführung verbunden ist, und
daß der Helmholtz-Resonator (3) als Fluidixschalter ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidixschalter einen Flip-Flop-Dämpfungskanal (12) sowie einen beweglichen Kolben (11) zur Volumenänderung des Helmholtz-Resonator-Volumens (3) vorsieht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Helmholtz-Resonator-Volumen (3) einen Lufteinlass- und einen Luftaustrittsbereich vorsieht, wobei der Durchmesser des Luftaustrittsbereiches größer ist als der des Lufteinlassbereiches, und daß sich zwischen dem Luftaustrittsbereich und der Brennkammer (1) der Strömungskanal (2) befindet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Gasturbine ist.

Zeichnung