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J
JDIM360 Ver 1.28 (29 Oct 2014) - 1100000/0
2952814
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
A1
20151209
EP
14171075.6
20140604
de
de
de
20151209
201550
20151209
201550
F23R 3/34 20060101AFI20141117BHEP
de
Brenneranordnung mit Resonator
en
Burner assembly with resonator
fr
Système de brûleur doté de résonateur
1
Siemens Aktiengesellschaft
101362070
2014P10146EP
Wittelsbacherplatz 2
80333 München
DE
Böttcher, Andreas
Goethestraße 3
40822 Mettmann
DE
Juhnke, Shahrzad
Zum Dachsberg 19
47199 Duisburg
DE
Kock, Boris Ferdinand
Gerhardstraße 11
40878 Ratingen
DE
Krieger, Tobias
Lickumstr. 26
46147 Oberhausen
DE
Schildmacher, Kai-Uwe
Langenfeldstr. 82
45481 Mülheim a.d. Ruhr
DE
Timmermann, Julian
Wodanstr. 7 d
45891 Gelsenkirchen
DE
Vogtmann, Daniel
Erbacher Weg 9
40227 Düsseldorf
DE
AL
AT
BE
BG
CH
CY
CZ
DE
DK
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FI
FR
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BA
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Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (1) mit einer Pilotbrennereinrichtung, einer die Pilotbrennereinrichtung konzentrisch umgebenden Hauptbrennereinrichtung und zumindest einem Resonator (15), wobei die Hauptbrennereinrichtung eine Brennernabe (2) aufweist, die entlang ihres Außenumfangs mit einer mehrere Schaufeln (4) aufweisenden Drallbeschaufelung versehen ist und zumindest einen strömungstechnisch mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung (7, 8) verbundenen Gasringraum (5, 6) definiert, der über Austrittsöffnungen (9, 10) strömungstechnisch an in den Schaufeln (4) ausgebildete Gaskanäle (11, 12) angeschlossen ist, wobei der zumindest eine Resonator (15) einen in der Brennernabe (2) ausgebildeten Resonatorhohlraum (16) und wenigstens eine sich ausgehend von dem Resonatorhohlraum (16) auswärts erstreckende Resonatoröffnung (17) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Ölkanäle aufweisenden Ölringraums einer Brennernabe (2) als Resonator (15).
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit einer Pilotbrennereinrichtung, einer die Pilotbrennereinrichtung konzentrisch umgebenden Hauptbrennereinrichtung und zumindest einem Resonator, wobei die Hauptbrennereinrichtung eine Brennernabe aufweist, die entlang ihres Außenumfangs mit einer mehrere Schaufeln aufweisenden Drallbeschauflung versehen ist und zumindest einen strömungstechnisch mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung verbundenen Gasringraum definiert, der über Austrittsöffnungen strömungstechnisch an in den Schaufeln ausgebildete Gaskanäle angeschlossen ist.
Brenneranordnungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Sie dienen zum Verfeuern gasförmiger Brennstoffe und werden beispielsweise in Gasturbinen eingesetzt. Während des Betriebs einer Brenneranordnung entstehen in der Brennkammer thermoakustisch induzierte Verbrennungsschwingungen. Diese können Komponenten der Brenneranordnung zu Schwingungen anregen. Fällt dabei eine anregende Schwingung mit einer Resonanzfrequenz der Brenneranordnung oder ihrer Komponenten zusammen, so kann es zur Zerstörung von Bauteilen kommen. Die Anregung der Brenneranordnung und ihrer Komponenten im Bereich solcher Resonanzfrequenzen muss entsprechend vermieden werden.
Es ist bereits bekannt, die akustischen Eigenschaften von Brenneranordnungen und ihrer Komponenten durch den Einbau von Resonatoren zu verändern, die nach dem Helmholtz-Prinzip arbeiten. Derartige Resonatoren werden beispielsweise direkt am Umfang der Brennkammerwand platzieren. Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht allerdings darin, dass die Resonatoren zusätzlichen Bauraum benötigen und mit nicht unerheblichen Zusatzkosten einhergehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen, deren Resonator mittelbar am Entstehungsort der Schwingung im Bereich der Brennkammer wirkt, wenig oder gar keinen zusätzlichen Bauraum einnimmt und mit geringen Kosten einhergeht.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der zumindest eine Resonator einen in der Brennernabe ausgebildeten Resonatorhohlraum und wenigstens eine sich ausgehend von dem Resonatorhohlraum auswärts erstreckende Resonatoröffnung aufweist. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Resonators besteht darin, dass dieser benachbart zur Brennkammer angeordnet ist und damit effektiv am Entstehungsort der Schwingungen wirkt. Darüber hinaus wird der zumindest eine Resonator erfindungsgemäß in ein bereits bestehendes Bauteil der Brenneranordnung integriert, weshalb dieser keinen zusätzlichen Bauraum einnimmt und preiswert hergestellt werden kann.
Bevorzugt ist die Brennernabe einteilig als Gussteil ausgebildet. Auf diese Weise wird ein einfacher Aufbau mit wenigen Komponenten erzielt.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zumindest eine Resonatorhohlraum durch einen Ringraum gebildet und weist eine Vielzahl von Resonatoröffnungen auf.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Variante ist der Ringraum durch zumindest eine Trennwand in wenigstens zwei Ringsegmenträume unterteilt, die jeweils einen Resonatorhohlraum bilden, wobei die Ringsegmenträume vorteilhaft voneinander verschiedene Volumina aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich weisen die Resonatoröffnungen zumindest eines Ringsegmentraumes einen Durchmesser auf, der von dem Durchmesser von Resonatoröffnungen eines anderen Ringsegmentraumes verschieden sind.
Resonatoren mit verschiedenen Volumina und/oder mit Resonatoröffnungen mit verschiedenen Durchmessern ermöglichen ein Dämpfen unterschiedlicher Frequenzbereiche.
Vorteilhaft weist die wenigstens eine Resonatoröffnung einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 10 mm auf. Mit Durchmessern in diesem Bereich wurden sehr gute Ergebnisse erzielt.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine Resonatoröffnung durch ein rohrartig ausgebildetes Einsetzteil definiert, das in einen in der Brennernabe ausgebildeten Kanal eingesetzt ist, der sich ausgehend von dem Resonatorhohlraum auswärts erstreckt. Ein solches rohrartig ausgebildetes Einsetzteil kann beispielsweise in einem Ölkanal einer Brennernabe eines sogenannten Dualbrennstoffbrenners eingesetzt werden, in dem normalerweise eine Öldüse positioniert ist. Entsprechend kann ein mit Ölkanälen versehener Ölringraum, der in einer Brennernabe eines Dualbrennstoffbrenners ausgebildet ist, in einen Resonator umfunktioniert werden.
Bevorzugt ist das rohrartig ausgebildete Einsetzteil im Bereich seines äußeren freien Endes mit einem auswärts von der Brennernabe vorstehenden Verwirbelungselement versehen. Ein solches Verwirbelungselement wirkt sich positiv auf die Strömung des Luft-Brennstoffgemisches der Hauptbrennereinrichtung aus.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Ölkanäle aufweisenden Ölringraums einer Brennernabe als Resonator.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Brenneranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
Figur 1
eine geschnittene Teileinsicht einer Brenneranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2
eine perspektivische Teilvorderansicht der in Figur 1 dargestellten Brenneranordnung;
Figur 3
eine vergrößerte Ansicht des in Figur 1 mit der Bezugsziffer III bezeichneten Ausschnitts, die ein Einsetzteil der Brenneranordnung zeigt;
Figur 4
einer Draufsicht des in Figur 3 gezeigten Einsetzteils;
Figur 5
eine Draufsicht eines Einsetzteils gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung und
Figur 6
eine Draufsicht eines Einsetzteils gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren zeigen Komponenten einer Brenneranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Bereich einer Brennernabe 2. Die Brenneranordnung 1 umfasst in bekannter Weise eine Pilotbrennereinrichtung und eine die Pilotbrennereinrichtung konzentrisch umgebende Hauptbrennereinrichtung, auch wenn diese vorliegend nicht im Detail dargestellt sind.
Die Brennernabe 2 ist als einteiliges Gussbauteil hergestellt. Sie ist im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und weist eine mittige Durchgangsöffnung 3 auf, die zur Aufnahme des freien Endes der Pilotbrennereinrichtung dient. Die Brennernabe 2 ist entlang ihres Außenumfangs mit einer mehrere Schaufeln 4 aufweisenden Drallbeschaufelung versehen und definiert zwei Gasringräume 5 und 6, die strömungstechnisch mit getrennten Gaszufuhrleitungen 7 und 8 verbunden sind. Die Gasräume 5 und 6 sind über Austrittsöffnungen 9 und 10 strömungstechnisch jeweils an in den Schaufeln 4 ausgebildete Gaskanäle 11 und 12 angeschlossen. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Brenneranordnung 1 kann somit Gas über die Gaszufuhrleitungen 7 und 8 zugeführt, in den Gasringräumen 5 und 6 verteilt und über die Gaskanäle 11 und 12 in einen ringförmigen Strömungskanal 13 der Hauptbrennereinrichtung eingeleitet werden, in den die Schaufeln 4 ragen. In dem Strömungskanal 13 wird das Gas mit Verbrennungsluft gemischt, woraufhin das Brennstoff-Luft- Gemisch in Richtung der Pfeile 14 einer nicht näher dargestellten Brennkammer der Brenneranordnung 1 zugeführt wird, wo es verbrannt wird.
Die Brennernabe 2 definiert ferner einen Resonator 15, der einen in der Brennernabe 2 ausgebildeten Resonatorhohlraum 16 und eine Vielzahl von sich ausgehend von dem Resonatorhohlraum 16 auswärts erstreckende Resonatoröffnungen 17 aufweist. Der Resonatorhohlraum 16 ist analog zu den Gaskanälen 11 und 12 ringförmig ausgebildet. Die Resonatoröffnungen 17 sind vorliegend jeweils durch ein rohrartig ausgebildetes Einsetzteil definiert und weisen einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 10 mm auf. Jedes Einsetzteil 18 ist in einen in der Brennernabe 2 ausgebildeten Kanal 19 eingesetzt, der sich ausgehend von dem Resonatorhohlraum 16 auswärts erstreckt und diesen mit dem Strömungskanal 13 der Hauptbrennereinrichtung verbindet. Am äußeren freien Ende jedes Einsetzteils 18 ist ein auswärts von der Brennernabe 2 vorstehendes Verwirbelungselement 20 vorgesehen, wobei die Verwirbelungselemente 20 vorliegend jeweils einteilig mit den Einsetzteilen 18 ausgebildet sind. Die Verwirbelungselemente 20 dienen dazu, das aus dem Strömungskanal 13 der Hauptbrennereinrichtung austretende Brennstoff-Luft-Gemisch zu verwirbeln. Zu diesem Zweck kann der Querschnitt der Verwirbelungselemente 20 geeignet gewählt sein. Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen beispielhaft Verwirbelungselemente 20, 21 und 22 verschiedener Ein-setzteile 18, 23, 24 mit dreieckigem, rundem oder viereckigem Querschnitt.
Ein wesentlicher Vorteil der zuvor beschriebenen Anordnung besteht darin, dass der Resonator 15 unmittelbar benachbart zur Brennkammer der Brenneranordnung 1 angeordnet ist, so dass in der Brennkammer auftretende Frequenzen effektiv gedämpft werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Resonator 15 keinen zusätzlichen Bauraum einnimmt, da dieser in die Brennernabe 2 integriert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Resonatorhohlraum 16 um einen Ölverteilerkanal einer Brennernabe 2 einer Du-al-Brennstoffbrenneranordnung, die zu einem Resonator 15 umfunktioniert ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
1. Brenneranordnung (1) mit einer Pilotbrennereinrichtung, einer die Pilotbrennereinrichtung konzentrisch umgebenden Hauptbrennereinrichtung und zumindest einem Resonator (15), wobei die Hauptbrennereinrichtung eine Brennernabe (2) aufweist, die entlang ihres Außenumfangs mit einer mehrere Schaufeln (4) aufweisenden Drallbeschaufelung versehen ist und zumindest einen strömungstechnisch mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung (7, 8) verbundenen Gasringraum (5, 6) definiert, der über Austrittsöffnungen (9, 10) strömungstechnisch an in den Schaufeln (4) ausgebildete Gaskanäle (11, 12) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Resonator (15) einen in der Brennernabe (2) ausgebildeten Resonatorhohlraum (16) und wenigstens eine sich ausgehend von dem Resonatorhohlraum (16) auswärts erstreckende Resonatoröffnung (17) aufweist.
2. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennernabe (2) einteilig als Gussteil ausgebildet ist.
3. Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Resonatorhohlraum (16) durch einen Ringraum gebildet ist und eine Vielzahl von Resonatoröffnungen (18) aufweist.
4. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum durch zumindest eine Trennwand in wenigstens zwei Ringsegmenträume unterteilt ist, die jeweils einen Resonatorhohlraum bilden.
5. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmenträume voneinander verschiedene Volumina aufweisen.
6. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoröffnungen zumindest eines Ringsegmentraumes einen Durchmesser aufweisen, der von dem Durchmesser von Resonatoröffnungen eines anderen Ringsegmentraumes verschieden sind.
7. Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Resonatoröffnung einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 10 mm aufweist.
8. Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Resonatoröffnung (17) durch ein rohrartig ausgebildet Einsetzteil (18; 23; 24) definiert ist, das in einen in der Brennernabe (2) ausgebildeten Kanal (19) eingesetzt ist, der sich ausgehend von dem Resonatorhohlraum (16) auswärts erstreckt.
9. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrartig ausgebildete Einsetzteil (18; 23; 24) im Bereich seines äußeren freien Endes mit einem auswärts von der Brennernabe (2) vorstehenden Verwirbelungselement (20; 21; 22) versehen ist.
10. Verwendung eines Ölkanäle aufweisenden Ölringraums einer Brennernabe (2) als Resonator (15).
2014P10146EP
EP
14171075.6
Siemens Aktiengesellschaft
1
MN
20141121
F23R
EP
2264370
A1
SIEMENS AG [DE]
20101222
X
1-3,7,8,10
* Absätze [0029] - [0033] *
* Abbildungen 1-3 *
EP
2230458
A1
SIEMENS AG [DE]
20100922
X
1-3,7,8,10
* Absätze [0032] - [0038] *
* Abbildungen 1-3 *
Vogl, Paul
Munich
20141114
EP
2264370
A1
20101222
CN
101922714
A
20101222
EP
2264370
A1
20101222
RU
2010124411
A
20111220
US
2010316966
A1
20101216
EP
2230458
A1
20100922
CN
102159890
A
20110817
EP
2230458
A1
20100922
EP
2307806
A1
20110413
RU
2011141844
A
20130427
WO
2010105956
A1
20100923