Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Dämpfungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der
Ansprüche 1 und 10.
Stand der Technik
[0002] Bei der Verbrennung von Brennstoff in Brennkammern, die beispielsweise in Flugtriebwerken
oder in Brennern zum Betrieb von Wärmekraftwerken, vorzugsweise bei Gasturbinenanlagen,
eingesetzt werden, ist das Auftreten sogenannter Brennkammernpulsationen, die sich
in Form akustischer Wellen ausbilden, bekannt und wird versucht mit geeigneten konstruktiven
Maßnahmen gezielt zu unterdrücken. Beispielsweise bei Nachbrennersystemen in Flugtriebwerken
werden sogenannte hinterspülte Lochblenden als Wandungen eingesetzt, die sowohl zur
Kühlung der Wand als auch zur Dämpfung der ungewollt auftretenden akustischen Wellen
dienen.
[0003] Derartige hinterspülte Lochblenden finden ebenso Einsatz in konventionellen Gasturbinenbrennkammem,
die in diesen grundsätzlich dieselbe Aufgabe erfüllen, nämlich eine Kühlung der Brennkammerwand
sowie eine gezielte Unterdrückung von sich ausbildenden akustischen Schwingungen innerhalb
der Brennkammer.
[0004] Im Zuge der optimierten Auslegung von Brennkammern hinsichtlich der Reduzierung des
Schadstoffausstoßes werden die Brennkammern selbst zunehmend ohne Kühlluftzuführungen
in die Brennkammer ausgelegt, da die gesamte Luft für die schadstoffarme Verbrennung
benötigt wird. Diese Ausführung bewirkt durch die reflektierende Wände eine sehr geringe
akustische Dämpfung, so dass derartige Brennkammern oft mit zusätzlichen Dämpfungselementen
versehen werden.
[0005] Die Dämpfungselemente arbeiten in der Regel nach dem Prinzip des sogenannten Helmholtz-Resonators.
Helmholtz-Resonatoren sind grundsätzlich Volumenelemente, deren Resonanzverhalten
derart eingestellt werden können, so daß sie mechanische bzw. akustische Wellen mit
bestimmten Frequenzen, die sie durchlaufen, gezielt dämpfen.
[0006] Es sind Ansätze bekannt, mit denen unter Verwendung von Helmholtz-Resonatoren die
Unterdrückung von akustischen Wellen innerhalb von Brennkammern versucht worden sind.
Hierbei wurden Helmholtz-Resonatoren im sogenannten Brennkammerdom neben dem eigentlichen
Brenner angeordnet, wodurch einerseits die Amplitude der akustischen Welle abgeschwächt
werden kann, jedoch ist es nicht möglich den unmittelbaren Einfluß des Brenners auf
die Entstehung akustischer Wellen auf diese Weise vollständig zu reduzieren.
Darstellung der Erfindung
[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung
der Schwingungsamplitude akustischer Wellen für einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
vorzugsweise zum Antrieb einer Gasturbogruppe, der üblicherweise einen Mischbereich
vorsieht in dem eine Luft- und Brennstoffströmung zu einem Brennstoff-/Luft-Gemisch
miteinander vermischt werden sowie eine Brennkammer vorsieht, die in Strömungsrichtung
des Brennstoff-/Luft-Gemisches dem Mischbereich nachgeordnet ist, in der das Brennstoff-/Luft-Gemisch
entzündbar ist, derart weiterzubilden, daß jegliche innerhalb des Brenners auftretenden
akustischen Schwingungen nahezu weitgehend unterdrückt werden sollen. Die erfindungsgemäße
Dämpfungsvorrichtung soll Möglichkeiten eines nachträglichen Einbaus bei bestehenden
Brennkraftmaschinen bieten und eine leichte Abstimmbarkeit des Resonanzverhaltens
auf den jeweiligen Brenner ermöglichen.
[0008] Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0009] Erfindungsgemäß ist eine Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude
akustischer Wellen für einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch weitergebildet, daß ein Helmholtz-Resonator derart
unmittelbar mit dem Mischbereich des Brenners verbunden ist, daß die sich im Brenner
ausbildenden akustischen Wellen im Helmholtz-Resonator unterdrückt und nicht in den
Brenner zurückreflektiert werden.
[0010] Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist die unmittelbare Integration eines Helmholtz-Resonators
in den Brenner selbst, so daß die innerhalb des Brenners entstehenden akustischen
Wellen durch den Helmholtz-Resonator der über den Mischbereich unmittelbar mit der
Brennkammer selbst verbunden ist vollständig geschluckt werden können. Auf diese Weise
werden die im Inneren des Brenners auftretenden akustischen Wellen nicht mehr reflektiert,
da der Brenner, bedingt durch das integriert in den Brenner vorgesehene Helmholtz-Resonator-Volumen
eine akustische angepaßte Rückwand aufweist, an der die akustischen Wellen nicht mehr
zurückreflektiert werden können. Diese Anpassung kann auch mittels eines Lamba/4-Volumens
erzielt werden, wie dies weiter unten noch näher zur Erläuterung kommt wird.
[0011] Mit Hilfe des unmittelbar im Brenner vorgesehenen Helmholtz-Resonators können gezielt
akustische Rückkopplungen vermieden werden, wodurch eine ungewollte Rückkopplung einer
sich ausbildenden akustischen Welle beispielsweise in den Bereich, in dem sich das
Brennstoff-Luftgemisch entzündet wird und der für den Energieumsetzung von entscheidender
Bedeutung ist, vollständig vermieden werden kann. Gerade derartige Rückkopplungen
führen bei konventionell ausgebildeten Brennkammersystemen zu ungewollten Brennkammerpulsationen,
die zu einer erheblichen Verschlechterung des gesamten Verbrennungswirkungsgrades
führen.
[0012] So haben sich zur Befeuerung von Gasturbinenanlagen Brenner etabliert, die über einen
kegelförmigen Mischbereich verfügen, der unmittelbar an der Brennkammer, innerhalb
der sich das Brennstoff-Luftgemisch entzündet, anschließt. Ein derartiger Brenner
geht beispielsweise aus der EP 0 321 809 B1 hervor und wird mit großem Erfolg zur
Befeuerung von Gasturbinenanlagen eingesetzt, wobei diese Druckschrift einen integrierenden
Bestandteil vorliegender beschreibung bildet. Bevorzugterweise wird das Dämpfungselement
in Form eines Helmholtz-Resonators unmittelbar an der Spitze des kegelförmigen Brenners
angeordnet. Der Helmholtz-Resonator kann entweder einseitig geschlossen oder für den
Durchtritt von Zuluft und/oder Brennstoff ausgebildet sein.
[0013] Um mögliche störende Einflüsse auf das akustische Schwingungsverhalten des gesamten
Brenners zu erfassen, die von zusätzlichen Brennstoff- bzw. Zuluft-Zuleitungen in
das Brennersystem herrühren können, sind derartige Zuleitungen vorzugsweise zwischen
dem Helmholtz-Resonator und dem Brenner, bzw. dem Mischbereich anzuordnen.
[0014] Beispielsweise ist eine Brennstoffzuleitung, die insbesondere für die Startphase
des Brenners vorgesehen ist und üblicherweise als Pilotgasleitung bezeichnet wird,
zwischen dem Brenner und dem Helmholtz-Resonator angebracht. Durch die unmittelbare
Nähe zwischen Helmholtz-Resonator und Pilotgaseinspeisung in den Luft- bzw. Brennstoffströmungsfluß
des Brenners selbst, wirkt sich das dämpfende Verhalten des Helmholtz-Resonators auch
unmittelbar auf das Ereignis der zusätzlichen Pilotgaseinspeisung aus.
[0015] Um das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators auf den Brenner individuell abstimmen
zu können ist vorgesehen, daß der Helmholtz-Resonator relativ zum Brenner längsbeweglich
verschiebbar ist. Dies kann beispielsweise über eine teleskopartig ausgebildete Verbindungsleitung
zum Brenner oder im einfachsten Fall über ein Schraubgewinde erfolgen, durch das eine
individuelle Beabstandung zwischen Helmholtz-Resonator und Brennereintritt möglich
ist.
[0016] In geeigneter Weise kann der Helmholtz-Resonator selbst, das Volumen des Helmholtz-Resonators
verändemde Stellelemente vorsehen, durch die ebenfalls das Resonanzverhalten des Helmholtz-Resonators
individuell angepaßt werden kann.
[0017] Vorzugsweise befindet sich der Helmholtz-Resonator möglichst nahe am bzw. sogar im
Brenner selbst. Um etwaige Irritationen der Strömung hinsichtlich der Verbrennungszuluft
im Mischbereich des Brenners zu vermeiden, ist es vorteilhaft, daß der Helmholtz-Resonator
außerhalb einer den Brenner umgebenden Brennerhaube angebracht ist. Ebenso können
Vorkehrungen getroffen werden, daß der Helmholtz-Resonator auch in einer integrierten
Bauweise innerhalb des Brennergehäuses angebracht ist, ohne dabei den Verbrennungszuluftstrom
zu beeinträchtigen.
[0018] Grundsätzlich ist das Vorsehen eines Helmholtz-Resonators zum Dämpfen von akkustischen
Schwingungen innerhalb eines Brenners nicht auf Brennertypen beschränkt, die einen
in der beschriebenen Weise ausgebildeten Mischbereich vorsehen; auch können Brennertypen
mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungselement ausgestattet werden, die keinen drallerzeugenden
Zentralkörper innerhalb des Brenners aufweisen.
[0019] In diesem Kontext lässt sich aufgabengemäss auch, wie oben bereits erwähnt, ein Lamba/4-Wellendämpfer
einbauen, wobei dieser Dämpfer auf einer eindimensionalen stehenden Welle aufbaut.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0020] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens
anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben.
Es zeigen:
- Fig. 1
- Kombination eines Brenners mit kegelförmig ausgestalteten Mischbereich und einem Helmholtz-Resonators,
- Fig. 2
- Kombination eines Brenners mit kegelförmig ausgestaltetem Zentralkörper und einem
Helmholtz-Resonator, sowie
- Fig. 3
- Kombination eines Brenners mit einem längsverschieblichen relativ zum Mischbereich
angeordneten Helmholtz-Resonator.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
[0021] Aus Figur 1 geht eine stark schematisierte Querschnittsdarstellung durch einen Brenner
hervor, der beispielsweise in der EP 0 321 809 B1 detailliert beschrieben ist.
[0022] Unmittelbar an die Brennkammer 1 schließt ein kegelförmig ausgestalteter Mischbereich
2 an, auf dessen inneren Aufbau und Wirkungsweise an dieser Stelle nicht eingegangen
wird, für weitere Einzelheiten wird auf die vorstehend genannte europäische Druckschrift
verwiesen. An der Spitze des kegelförmig ausgebildeten Mischbereichs 2 ist über eine
Zuleitung 3 unmittelbar ein Helmholtz-Resonator 4 vorgesehen, der über ein offenes
Volumen mit dem Mischbereich 2 sowie der Brennkammer 1 verbunden ist. Die im inneren
der Brennkammer 1 bzw. des Mischbereichs 2 entstehenden akustischen Wellen können
mit Hilfe eines geeignet auf das Resonanzverhalten des Brenners abgeglichenen Helmholtz-Resonators
4 gezielt gedämpft werden. Eine Reflexion von akustischen Wellen, die in der dargestellten
Brennerform gemäß Figur 1 von links nach rechts in das Innere des Helmholtz-Resonators
4 einlaufen werden dort gezielt gedämpft und nicht wieder in das Innere des Brenners
zurückreflektiert.
[0023] Im dargestellten Fall gemäß Figur 1 weist der Helmholtz-Resonator 4 zwei gegenüberliegende
Öffnungen auf, so daß dieser von einer Massenströmung, beispielsweise Luft- oder Brennstoffströmung
durchsetzt werden kann.
[0024] Optional kann der Brenner mit Hilfe einer Pilotgaszuleitung 5 ausgestattet sein,
die vorzugsweise zwischen Helmholtz-Resonator 4 und Mischbereich 2 angeordnet ist.
[0025] Im Unterschied zur Brennerform gemäß Figur 1 weist der in Figur 2 dargestellte Brenner
einen V-förmig ausgebildeten Zentralkörper 6 auf, der ebenfalls wie der kegelförmige
Mischbereich 2 dem gezielten Vermischen von Verbrennungsluft 8 und Brennstoff dient.
Auch im Falle des Brenners gemäß Figur 2 ist unmittelbar vor dem Zentralkörper 6 über
eine Zuleitung 3 ein Helmholtz-Resonator 4 zur gezielten Dämpfung akustischer Wellen
vorgesehen. Optional, auch in diesem Fall, kann eine zusätzliche Pilotgaszuleitung
5 vorgesehen werden.
[0026] Zum individuellen Abgleich des Resonanzverhaltens des Helmholtz-Resonators 4 relativ
zum Brenner sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 einen Hohlraumresonator 4
vor, der längs verschieblich innerhalb der Zuleitung 3 gegenüber dem Mischbereich
2 verschiebbar ist. Auf diese Weise kann ohne großen zusätzlichen Aufwand ein gezielter
Resonanzabgleich durchgeführt werden. Zusätzlich zur Längsverschiebbarkeit, die entweder
mittels zwei ineinander gleitender Tuben bzw. im einfachsten Fall mit Hilfe eines
Gewindes realisiert werden kann, weist der Helmholtz-Resonator 4 nicht weiter im einzelnen
dargestellte Stellelemente auf, durch die das Resonatorvolumen des Helmholtz-Resonators
4 verändert werden kann.
[0027] Im Gegensatz zu den vorstehend gezeigten Ausführungsformen gemäß der Figuren 1 und
2, bei denen der Helmholtz-Resonator 4 innerhalb eines den gesamten Brenner umgebenden
Gehäuses angeordnet ist, sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 die Anordnung
des Helmholtz-Resonators 4 außerhalb des Gehäuses 7 vor. Eine derartige äußerliche
Anordnung des Helmholtz-Resonators 4 relativ zum Gehäuse 7 dient insbesondere einer
ungestörten Verbrennungszuluftströmung innerhalb des Mischbereiches 2 innerhalb des
Gehäuses 7, wenngleich das akustische Dämpfungsverhalten im wesentlichen durch den
Helmholtz-Resonator 4 bestimmt wird.
Bezugszeichenliste
[0028]
- 1
- Brennkammer
- 2
- kegelförmig ausgebildeter Mischbereich
- 3
- Verbindungsleitung
- 4
- Helmholtz-Resonator
- 5
- Pilotgaszuleitung
- 6
- doppel-kegelartig ausgebildeter Zentralkörper
- 7
- Brennergehäuse
- 8
- Verbrennungsluftstrom
1. Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen für
einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise zum Antrieb einer
Gasturbogruppe, mit einem Mischbereich (2), in dem eine Luft- und Brennstoffströmung
zu einem Brennstoff-/Luft-Gemisch miteinander vermischt werden, und einer Brennkammer
(1), die in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luft-Gemisch dem Mischbereich (2) nachgeordnet
ist, in der das Brennstoff-/Luft-Gemisch entzündbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Helmholtz-Resonator (4) derart unmittelbar mit dem Mischbereich (2) des
Brenners verbunden ist, daß die sich im Brenner ausbildenden akustischen Wellen im
Helmholtz-Resonator (4) unterdrückt und nicht in den Brenner zurückreflektiert werden.
2. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (4) in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luft-Gemisches
vor dem Mischbereich (2) angeordnet ist.
3. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner einen kegelförmig ausgebildeten Mischbereich (2) vorsieht, an dessen
größten Durchmesser die Brennkammer (1) anschließt und an dessen Spitze der Helmholtz-Resonator
(4) angebracht ist.
4. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Helmholtz-Resonator (4) und Mischbereich (2) eine Brennstoffzuleitung
(5) und/oder Öldüsen vorgesehen ist.
5. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuleitung (5) für das Einspeisen von Pilotgas vorgesehen ist.
6. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (4) relativ zum Mischbereich (2) verschiebbar angeordnet
ist, um eine Frequenzabstimmung bei geschlossenem Volumen des Helmholtz-Resonators
(4) zu ermöglichen.
7. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Brenner ein Gehäuse (7) umgibt.
8. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (4) innerhalb oder außerhalb des Gehäuses (7) angeordnet
ist.
9. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischbereich (2) als Drallerzeuger ausgebildet ist, innerhalb dem sich ein
um eine Achse wirbelndes Brennstoff-/Luft-Gemisch ausbildet.
10. Dämpfungsvorrichtung zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen für
einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise zum Antrieb einer
Gasturbogruppe, mit einem Mischbereich (2), in dem eine Luft- und Brennstoffströmung
zu einem Brennstoff-/Luft-Gemisch miteinander vermischt werden, und einer Brennkammer
(1), die in Strömungsrichtung des Brennstoff-/Luft-Gemisch dem Mischbereich (2) nachgeordnet
ist, in der das Brennstoff-/Luft-Gemisch entzündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Schwingungsamplitude akustischer Wellen ein Lambda/4-Wellenrohr
einsetzbar ist.