Schwingungsdämpfende Brennkammerwandstruktur

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer, deren Brennkammerwand zumindest teilweise effusions- oder filmgekühlt ist und sich vom Brennkammereintritt bis zur Turbine erstreckt, und bei der an einem Frontpanel Brenner befestigt sind, wobei im Bereich der Brennkammer Helmholtzdämpfer angeordnet sind.

Stand der Technik

[0002] In Brennkammern von Gasturbinen treten häufig unerwünschte thermoakustische Schwingungen auf. Dabei werden mit thermoakustischen Schwingungen sich gegenseitig aufschaukelnde thermische und akustische Störungen bezeichnet. Es können dabei hohe Schwingungsamplituden auftreten, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa einer hohen mechanischen Belastung der Brennkammer, erhöhten NO_x-Emissionen durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme führen können.

[0003] Die in die Brennkammer einströmende Kühlluft hat bei herkömmlichen Brennkammern eine bedeutende Funktion, da der Kühlluftfilm an der Brennkammerwand schalldämpfend wirkt und damit zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen beiträgt. Um niedrige NO_x-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet, der Kühlluftstrom also reduziert. Durch die damit einhergehende geringere Schalldämpfung treten die eingangs angesprochenen, mit den unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme in solchen modernen Brennkammern demnach verstärkt auf.

[0004] Eine Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln von Helmholtz-Dämpfern in der Brennkammerhaube oder im Bereich der Kühlluftzuführung, wie etwa in der Druckschrift EP-A1 0 576 717 beschrieben. Bei engen Platzverhältnissen wie sie für moderne, kompakt gebaute Brennkammern typisch ist, kann die Unterbringung solcher Dämpfer jedoch Schwierigkeiten bereiten.

[0005] Bei großvolumigen Helmholtzdämpfern wie sie etwa in der EP-A1 0 597 138 beschrieben werden, müssen um von außen zu den Helmholtzdämpfern zu gelangen, die in der Regel gekühlten Wandungen des Verbrennungsraums mit einem Mannloch versehen sein. Ein solcher Zugang ist mit einem großen konstruktiven Aufwand verbünden.

Darstellung der Erfindung

[0006] Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Unterdrücken thermoakustischer Brennkammerschwingungen bereitzustellen, die mit einen möglichst geringen Platzbedarf auskommt und sich auch in engen Geometrien einsetzen lässt.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in effusionsgekühlten Brennkammern die Brennkammerwände mit eine vielzellige Helmholtzdämpferstruktur bildenden wabenförmigen Matten ausgestattet sind.

[0008] Wabenförmige Matten besitzen eine Struktur, die aus vielen benachbarten, jedoch voneinander getrennten Zellen aufgebaut ist. Die einzelnen Zellen können dabei eine beliebige Form aufweisen, bevorzugt sind die Zellen jedoch durch eine Grundfläche und eine darauf senkrechte Höhe gekennzeichnet.
Die Grundfläche kann dabei dreieckig, rechteckig, sechseckig, allgemein vieleckig oder irregulär geformt sein. Bevorzugt sind rechteckige und sechseckige Zellen. In der Richtung der Höhe der Zellen sind die Strukturen bevorzugt nur eine Zelle dick, es können jedoch auch mehrere Zellen übereinander gestapelt sein. Die Ausdehnung der vielzelligen Struktur ist in der Richtung der Höhe der Zellen jedoch stets viel kleiner als senkrecht dazu, in der lateralen Ebene der Grundflächen der Zellen.

[0009] Die Anzahl der Zellen der gesamten Struktur liegt in der vorliegenden Erfindung zwischen 1.000 und etwa 200.000, bevorzugt zwischen 5000 und 50.000, besonders bevorzugt zwischen 10.000 und 30.000. Eine geringere oder höhere Anzahl von Zellen in einer Struktur ist auch sinnvoll, da sich die Anzahl der Zellen in erster Linie an dem zu dämpfenden Frequenzspektrum und der entsprechend erforderlichen Dämpfleistung orientiert.

[0010] In der vorliegenden Erfindung weist jede Zelle mindestens eine Öffnung auf, bevorzugt sind zwei einander gegenüberliegende Öffnungen. In einer Matte, die nur eine Zelle dick ist, befinden sich die beiden Öffnungen beispielsweise auf der Oberseite und Unterseite der Matte, so daß die Zellen von der Kühlluft durchströmt werden.

[0011] Die Zellwände, in denen sich die Öffnungen befinden haben dabei eine nicht zu vernachlässigende Dicke. Dabei kann eine Öffnung auch unter einem gewissen Winkel durch die Zellwand stoßen, so daß die effektive Länge der Öffnung größer als die Zellwandstärke ist. Jede Öffnung ist also durch einen Durchmesser und eine Länge gekennzeichnet. Die Öffnungen werden daher im folgenden auch als Rohre bezeichnet.

[0012] Die Zellen der gesamten Struktur müssen nicht alle die gleiche Form, Größe, Zahl der Öffnungen (Rohre), Länge und Durchmesser der Rohre etc. haben. Zellen mit verschiedenen Eigenschaften (etwa Größe) können verschiedenen Zwecken dienen, etwa daß sie verschiedene Frequenzen bedämpfen.

[0013] Durch die mindestens eine öffnung bildet jede Zelle einen (bei zwei Öffnungen durchspülten) Helmholtz-Resonator. Die Resonanzfrequenz eines solchen Helmholtz-Resonators ist durch die Fläche und Länge der Eintrittsöffnungen und das Volumen der Zelle gegeben. Durchspülte Helmholtzresonatoren bieten den Vorteil, daß sie von der durchströmenden Kühlluft gekühlt werden. Da die Resonanzfrequenz eines Helmholtzresonators von der Gastemperatur abhängt, wird dadurch diese Resonanzfrequenz stabil gehalten.

[0014] Erfindungsgemäß werden nun die Zellvolumina und die Fläche und Länge der Eintrittsöffnungen so gewählt, daß ihre Resonanzfrequenzen mit bestimmten, zu dämpfenden Frequenzen der Brennkammer übereinstimmen. Wie bekannt, wirkt ein Helmholtz-Resonator in der Gegend seiner Resonanzfrequenz als Dämpfer, da dort die Ankoppelung der zu dämpfenden Schwingung an das Resonatorvolumen besonders gut ist.

[0015] Eine selbsterhaltende thermoakustische Schwingung entsteht, wenn die Brenner bei einer der Eigenfrequenzen der Brennkammer mit Fluktuationen der Wärmefreisetzung reagieren. Die Frequenz der sich einstellenden Schwingung liegt erfahrungsgemäß nahe einer der Eigenfrequenzen der Brennkammer. Für typische Brennkammern liegen diese im allgemeinen zwischen 40 Hz und 3 kHz. Die niedrigste dieser Eigenfrequenzen dabei ist erfahrungsgemäß von besonderer Bedeutung. Es ist jedoch oft auch die Dämpfung höherer Eigenmoden der Brennkammer wichtig.

[0016] Erfindungsgemäß wird nun jeweils ein Satz von Zellen mit ihren Eigenschaften (Form, Volumen, Länge und Durchmesser der Rohre) auf jede der zu dämpfenden Frequenzen abgestimmt. Erfindungsgemäß sind die einzelnen Zellen relativ klein, die Dämpfleistung einer einzelnen Zelle also relativ niedrig. Dies wird jedoch durch die große Zahl an Zellen ausgeglichen, da in erster Näherung die Dämpfleistung proportional zur Zahl der dämpfenden Zellen ist.

[0017] Als Brennkammerwände stehen beispielsweise in einer Ringbrennkammer die Außenschale, die Innenschale und das Frontpanel (d.h. die Fläche, an der die Brenner befestigt sind) zur Verfügung. In der Erfindung muß nicht die gesamte Fläche der Brennkammerwände mit Helmholtzdämpfern ausgestattet werden.

[0018] Vielmehr ergibt sich die benötigte Fläche aus der zu erreichenden Dämpfleistung. Soll beispielsweise nur eine Frequenz der Brennkammer bedämpft werden, so kann es genügen, nur das Frontpanel mit wabenförmigen Matten auszustatten und die Außen- und Innenschale unverändert zu lassen.

[0019] Wegen der geringen Höhe der wabenförmigen Matten und ihrer Integration in die Brennkammerwände weist die vorliegende. Erfindung einen sehr geringen Platzbedarf auf. derartige Matten sind in einer Vielzahl von verschiedenen Formen und Materialien erhältlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0020] Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

in schematisierter Darstellung einen Teillängsschnitt einer Ringbrennkammer;

Fig. 2

ein Ausführungsbeispiel der Gestaltung der Brennkammerwand mit einer eine vielzellige Struktur von Helmholtz-Dämpfern bildenden Matte;

Fig. 3

die relative Dämpfleistung eines auf 116 Hz ausgelegten Helmholtzdämpfelements;

[0021] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht gezeigt sind beispielsweise das Abgasgehäuse der Gasturbine mit Abgasrohr und Kamin, der Verdichter und der Sammelraum der Turbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0022] In Fig. 1 ist als Beispiel ein Teillängsschnitt einer Ringbrennkammer dargestellt. Obwohl sich die folgenden Ausführungsbeispiel auf eine solche Ringbrennkammer beziehen, ist die Erfindung nicht auf Ringbrennkammern beschränkt, sondern allgemein für effusionsgekühlte Brennkammern anwendbar.

[0023] Die Anlage, von der in Fig. 1 nur der oberhalb der Maschinenachse 30 liegende Teil dargestellt ist, ist rotationssymmetrisch um die Maschinenachse 30 aufgebaut. Auf der Seite der Gasturbine 20 besteht die Anlage im wesentlichen aus dem mit Laufschaufeln 24 beschaufelten Rotor 22 und dem mit Leitschaufeln 28 bestückten Schaufelträger 26. Der Schaufelträger 26 ist über entsprechende Aufnahmen in das (nicht gezeigte) Turbinengehäuse eingehängt.

[0024] Verdichtete Luft 38 strömt vom Verdichter her in den Sammelraum 39. Der Hauptanteil der Luft strömt durch die Bypass-Öffnungen 31 und insbesondere die Kühlkanäle 30 und 32 in die Brennkammerhaube 34 und von dort durch die Brenner 16 in die Brennkammer 10. Ein kleinerer Teil der Luft fließt als Kühlluft von den Kühlkanälen 30 und 32 durch eine Vielzahl von Öffnungen in den Wandteilen 18 in die Brennkammer 10 (Effusionskühlung). Das Bezugszeichen 14 markiert den Austritt zur Turbine 20. Die Wandteile 18 und das Frontpanel 36 werden nun erfindungsgemäß mindestens zum Teil mittels wabenförmigen Matten als vielzellige Helmholtzdämpfer-Struktur ausgebildet.

[0025] Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Brennkammerwand im Detail. In dieser Ausführungsform ist die eigentliche Brennkammerwand 40 mit einer vielzelligen Matte von Helmholtzdämpfern 42 versehen. Die Kühlluft fließt dabei durch die Eintrittsöffnungen (oder Eintrittsrohr) 46 in das Zellenvolumen 48 und fließt dann durch die Austrittsöffnungen 44 in die Brennkammer 10. Da die Austrittsöffnung 44 die Dämpfeigenschaften des Dämpfelements wesentlich beeinflussen, wird sie im folgenden auch als Dämpfrohr 44 bezeichnet.

[0026] Im folgenden werden exemplarisch zwei konkrete Auslegungsbeispiele für eine typische Ringbrennkammer beschreiben. Die Erfindung ist natürlich nicht auf diese konkreten Beispiele beschränkt.

[0027] In der beispielhaften Brennkammer beträgt der Gesamtdruck p etwa 30 bar. Der Druckverlust Δp durch die Effusionskühlung soll etwa 2%, also rund 60.000 Pa betragen. Der gesamte Massenstrom der Luft in die Brennkammer beträgt 135 kg/s, der Kühlluftstrom soll etwa 1% davon, hier 1.5 kg/s, betragen. Die Temperatur der Kühlluft beträgt etwa 720 K, die Schallgeschwindigkeit c bei dieser Temperatur etwa 550 m/s.

[0028] Mit diesen Angaben kann die benötige Fläche für die Kühlluftöffnungen abgeschätzt werden. Über ρ=p/RT, mit der Gaskonstante R (R_Luft ≈ 290 J/kg K), erhält man die Dichte der Kühlluft ρ ≈ 15 kg/m³. Die Geschwindigkeit der Kühlluft erhält man über die Beziehung Δp = 0.5*u²*(1+ζ) mit dem Verlustbeiwert ζ. Wird der gesamte Druckverlust über die Eintrittsöffnungen erbracht, und ist der Verlustbeiwert dieser Öffnungen ζ ≈ 1,8, so ergibt sich eine Kühlluftgeschwindigkeit u ≈ 50 m/s. Für einen Kühlluftstrom wie oben angegeben ist dann eine Gesamtfläche der Eintrittsöffnungen von etwa 2x10^-3 m² notwendig.

[0029] Aufgrund der akustischen Eigenschaften der Brennkammer soll mit den Helmholtzdämpfern eine Frequenz von 116 Hz bedämpft werden. Wie bekannt, ist die Resonanzfrequenz eines undurchströmten Helmholtzresonators mit einer Öffnung gegeben durch

mit der Schallgeschwindigkeit c, dem Volumen des Resonators V, der Querschnittfläche des Dämpfrohrs A_d und der Länge des Dämpfrohrs l_d.

[0030] In einem ersten Ausführungsbeispiel soll fast der gesamte Druckverlust Δp an den Eintrittsöffnungen 46 erbracht werden. Entsprechend wird der Durchmesser der Eintrittsöffnungen 46 zu 0.35 mm und der Durchmesser des Dämpfrohrs 44 zu 0.8 mm gewählt. Um die zu dämpfende Frequenz von f=116 Hz als Resonanzfrequenz zu erhalten, wird weiterhin die Länge des Dämpfrohrs l_d zu 15 mm, die Höhe einer Resonatorzelle 62 zu 9 cm und die Grundfläche einer Resonatorzelle zu 2,11 cm² gewählt. Das Volumen V eines Helmholtzdämpfers 42 beträgt dann 19 ml (1.9 x 10^-5 m³), so daß sich gerade die geforderte Resonanz- und damit Dämpffrequenz ergibt.

[0031] Die Dämpfrohre 44 werden auf eine Länge von 15 mm ausgelegt. Die Brennkammerwand 40 des Ausführungsbeispiels weist jedoch nur eine Dicke von 7,5 mm auf. Die notwendige Länge wird dann nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das Dämpfrohr 44 einen Winkel von α=30° mit der Brennkammerwand 40 einschließt.

[0032] Im folgenden wurde nun von einer Druckschwankung in der Brennkammer 10 mit einer Amplitude von 100 mbar ausgegangen. Die Leistung einer Pulsation dieser Stärke bezogen auf eine Brennkammerfläche von 1.2 m² beträgt dann 2984 W. Die Dämpfleistung W_d eines Helmholtzdämpfers läßt sich mit folgender Formel abschätzen:

mit der Querschnittsfläche des Dämpfrohrs A_d, der Amplitude der Geschwindigkeitsschwankung im Dämpfrohr u_d und der Amplitude der Druckschwankung im Dämpfrohr p_d. Die Beziehung (2) schätzt die Dämpfleistung wegen der Vernachlässigung einiger Effekte, wie der Bildung einer Stokes-Wandgrenzschicht im Dämpfrohr, im allgemeinen nach unten ab. Eine Auslegung der Dämpferelemente mit Beziehung (2) ist daher auf jeden Fall ausreichend, da die tatsächliche Dämpfleistung etwas höher als mit (2) berechnet, auffällt.

[0033] Im ersten Auslegungsbeispiel ist u_d = 53 m/s und p_d = 100 mbar. Damit ergibt sich eine Dämpfleistung einer Dämpferzelle von etwa 0.13 W, oder eine relative Dämpfung von rund 4.5 x 10^-5. In Fig. 3 ist die relative Dämpfung als Funktion der Frequenz gezeigt. Die relative Dämpfung ist bei der Auslegungsfrequenz von 116 Hz maximal. In diesem Auslegungbeispiel wurden 20.000 Dämpferzellen verwendet. Dadurch wird die Ausgangsdruckschwankung von 100 mbar auf eine gedämpfte Druckschwankung von rund 30 mbar reduziert.

[0034] Im ersten Auslegungsbeispiel wurde fast der gesamte Druckverlust über die Einlaßöffnungen 46 erbracht. Ist dies nicht erwünscht, können die Einlaßöffnungen 46 größer gestaltet werden. Im zweiten Auslegungsbeispiel wird entsprechend der Durchmesser der Eintrittsöffnungen 46 zu 0.7 mm und der Durchmesser des Dämpfrohrs 44 zu 0.8 mm gewählt. Wegen des größeren Einlaßdurchmessers ist die Dämpfung in diesem Beispiel etwas geringer. Bei gleicher Wahl der restlichen Parameter wie in Beispiel 1, wird in diesem Beispiel bei 20.000 Dämpfern eine Ausgangsdruckschwankung von 100 mbar auf eine gedämpfte Druckschwankung von rund 40 mbar reduziert.

Bezugszeichenliste

[0035] 

10

Brennkammer

12

Brennkammereintritt

14

Brennkammeraustritt

16

Brenner

18

Brennkammerwand

20

Turbine

22

Rotor

24

Turbinenlaufreihe

26

Schaufelträger

28

Turbinenleitreihe

30

innerer Kühlkanal

31

Bypass-Öffnungen

32

äußerer Kühlkanal

34

Haube

36

Frontpanel

38

verdichtete Luft

39

Sammelraum

40

Brennkammerwand

42

Helmholtzdämpfer

44

Austrittsöffnung, Dämpfrohr

46

Eintrittsöffnung, Eintrittsrohr

48

Zellvolumen

Ansprüche

1. Gasturbinenbrennkammer mit reduzierten thermoakustischen Schwingungen deren Brennkammerwand (18) sich vom Brennkammereintritt (12) bis zur Turbine (20) erstreckt und bei der an einem Frontpanel (36) Brenner (16) befestigt sind, wobei im Bereich der Brennkammer (10) zumindest in Teilbereichen an der Brennkammerwand (18) und/oder am Frontpanel (36) Helmholtzdämpfer (42) angeordnet sind, die Elemente einer vielzelligen Struktur sind, und wobei zumindest ein Teil der Helmholtzdämpfer (42) von Kühlluft durchströmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die vielzellige Struktur wabenförmige Matten umfaßt.

2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vielzellige Struktur wabenformïge Matten mit unterschiedlichen Eigenschaffen umfaßt.

3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspurch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zellen der vielzelligen Struktur zwischen 1.000 und etwa 200.000 liegt, bevorzugt zwischen 5.000 und 50.000 und besonders bevorzugt zwischen 10.000 und 30.000 liegt.

Claims

1. Gas-turbine combustion chamber having reduced thermoacoustic oscillations, the combustion-chamber wall (18) of which extends from the combustion-chamber inlet (12) up to the turbine (20), and in which burners (16) are fastened to a front panel (36), Helmholtz dampers (42) being arranged in the region of the combustion chamber (10), at least in sections on the combustion-chamber wall (18) and/or on the front panel (36), which are elements of a multicell structure, and cooling air flowing through at least some of the Heimholtz dampers (42), characterized in that the multicell structure comprises honeycombed mats.

2. Gas-turbine combustion chamber according to Claim 1, characterized in that the multicell structure comprises honeycombed mats with different properties

3. Gas-turbine combustion chamber according to Claim 1, characterized in that the number of cells of the multicell structure is between 1000 and about 200,000, preferably between 5000 and 50,000, and in particular preferably between 10,000 and 30,000.

Revendications

1. Chambre de combustion à vibrations thermoacoustiques réduites pour turbine à gaz, dont la paroi (18) de chambre de combustion s'étend depuis l'entrée (12) de la chambre de combustion jusqu'à la turbine (20), et dans laquelle des brûleurs (16) sont fixés à un panneau frontal (36), des amortisseurs de Helmholtz (42) étant disposés dans la région de la chambre de combustion (10) au moins dans des parties de la paroi (18) de la chambre de combustion et/ou du panneau frontal (36), ces amortisseurs étant des éléments d'une structure multicellulaire, au moins une partie des amortisseurs de Helmholtz (42) étant traversée par de l'air de refroidissement, caractérisée en ce que la structure multicellulaire comprend des treillis en forme de nid d'abeilles.

2. Chambre de combustion de turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure multicellulaire comprend des treillis en forme de nid d'abeilles présentant différentes propriétés.

3. Chambre de turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le nombre de cellules de la structure multicellulaire est compris entre 1 000 et environ 200 000, de préférence entre 5 000 et 50 000 et de façon particulièrement préférable entre 10 000 et 30 000.

Zeichnung