DE102015218677A1

DE102015218677A1 - Brenneranordnung mit Resonator

Info

Publication number: DE102015218677A1
Application number: DE102015218677.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Beck; Olga Deiss; Julian Timmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (1) mit einer Brennkammer (2) und einem der Brennkammer (2) vorgelagerten Ringraum (3), der zwischen einer rohrförmigen Außenwand (4), einer radial von der Außenwand (4) beabstandet angeordneten rohrförmigen Innenwand (5), einer stromaufwärts angeordneten ersten ringförmigen Stirnplatte (6) und einer stromabwärts angeordneten, der Brennkammer zugewandten, zweiten ringförmigen Stirnplatte (7) definiert ist, mit einem von der rohrförmigen Innenwand (5) umgebenen Pilotbrenner (8), einer Vielzahl von um den Pilotbrenner (8) herum im Ringraum (3) angeordneten und in die Brennkammer (2) mündenden Vormischkanälen (9), welche von den Stirnplatten (6, 7) aufgenommen und/oder fortgesetzt werden und in denen während des bestimmungsgemäßen Betriebs eingeleitete Verbrennungsluft und eingeleiteter Brennstoff gemischt werden, und mit mehreren Resonatoren (10), deren Luftkanäle (11) sich durch zumindest eine der Stirnplatten (7) erstrecken und deren Resonatorvolumina (12) durch zumindest einen Teil des Ringraums (3) gebildet sind, wobei in radialer Richtung von der Innenwand (5) zur Außenwand (4) mindestens eine Resonatortrennwand (13) vorgesehen ist, die zwei Resonatorvolumina (12) voneinander trennt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen von Resonatoren (10) einer Brenneranordnung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung sowie ein Verfahren zum Kühlen von Resonatoren einer Brenneranordnung.
Bei einer Verbrennung entstehen thermoakustische Schwingungen, die je nach Frequenz und Intensität zu starker Vibration der Bauteile bis hin zu deren Versagen führen können. Gerade im Bereich von Kraftwerksgasturbinen mit enormen Massenströmen sind diese Schwingungen besonders kritisch und müssen gedämpft werden.
Es ist bekannt, dass durch Hinzufügen von Helmholtz-Resonatoren, welche nach dem „Feder-Masse-Prinzip“ arbeiten, die im Verbrennungsprozess auftretenden akustischen Schwingungen gedämpft werden können. Die Elastizität der Luft in einem Hohlraum führt zusammen mit der Massenträgheit der Luft zu bestimmten Resonanzfrequenzen. Dabei ist der Helmholtz-Resonator ein teilweise offener Hohlraumresonator, bei dem die Luft im Hohlraum über Bohrungen mit dem schwingendem Fluid in der Brennkammer verbunden ist.
So offenbart beispielsweise die Druckschrift EP 2 559 942 A1 einen Resonator, der in der Brennkammerhaube oder im Bereich der Kühlluftzuführung angeordnet ist. Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht allerdings darin, dass die Dämpfung nicht unmittelbar am Entstehungsort der Schwingung im Bereich der Brennkammer erfolgt und damit eine geringe Effizienz aufweist.
Auch ist es bekannt, Resonatoren direkt am Umfang der Brennkammerwand zu platzieren. Dies ermöglicht eine effektive Dämpfung im Bereich der Wärmefreisetzung. Jedoch müssen derartige Resonatoren mit einem großen Kühlluftvolumenstrom gekühlt werden. Diese Luft steht dem Verbrennungsprozess nicht mehr direkt zur Verfügung, was zu höheren NOx-Emissionen führt.
Zur Verringerung dieses Problems schlägt die EP 1 792 123 B1 vor, Verdichterluft durch in die Brennkammerwand integrierte Resonatorvorrichtungen in die Brennkammer zu leiten. Der Vorteil dieser Konstruktion besteht in der Kopplung von Wandkühlung und Resonatorspülung sowie in der Integration von Mittel- und Hochfrequenzresonatoren in der Brennkammerwand. Nachteilig ist allerdings die doppelwandige Ausführung der Brennkammerwand, was einen großen konstruktiven Aufwand sowie hohe Kosten nach sich zieht.
Die Druckschrift EP 1 481 195 B1 schlägt vor, Resonatoren zwischen einer Brennstoffeinleitungsposition und der Brennkammer anzuordnen. Dies stellt allerdings eine direkte Beeinflussung des Brennstoffmassenstroms dar, was als nachteilig angesehen wird. Darüber hinaus sind derart ausgebildete Resonatoren nicht zur Abdeckung eines breiten Frequenzbereiches geeignet.
Ein weiterer Stand der Technik ist in 2 gezeigt, bei dem Resonatoren in einem Strahlbrenner so angeordnet sind, dass sie ein geschlossenes Volumen innerhalb der Trägerplatte für die Brennstoff-Luft-Vormischkanäle bilden. In der Mitte des Brenners befindet sich ein Pilotbrenner. Durch Heißgasströmung, induziert durch eine zentral in der Trägerplatte angeordnete, in der Figur nicht gezeigte Pilotflamme, entsteht örtlich an der Trägerplatte ein radiales Druckgefälle zur Mitte hin. Wegen der großen radialen Länge der Resonatoren ist die Druckdifferenz an beiden radialen Enden des Resonators so groß, dass eine Strömung mit Heißgaseinzug im Resonator entsteht. Diese erhitzt das Material trotz Kühlung stark und führt zu Rissbildung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Brenneranordnung bereitzustellen, bei der die Gefahr der Rissbildung im Vergleich zum Stand der Technik vermindert ist, zugleich aber nicht zur Erhöhung von NOx-Emissionen führt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren zum Kühlen von Resonatoren einer solchen Brenneranordnung anzugeben.
Die Erfindung löst die auf eine Brenneranordnung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Brenneranordnung mit einer Brennkammer und einem der Brennkammer vorgelagerten Ringraum, der zwischen einer rohrförmigen Außenwand, einer radial von der Außenwand beabstandet angeordneten rohrförmigen Innenwand, einer stromaufwärts angeordneten ersten ringförmigen Stirnplatte und einer stromabwärts angeordneten, der Brennkammer zugewandten, zweiten ringförmigen Stirnplatte definiert ist, mit einem von der rohrförmigen Innenwand umgebenen Pilotbrenner, einer Vielzahl von um den Pilotbrenner herum im Ringraum angeordneten und in die Brennkammer mündenden Vormischkanälen, welche von den Stirnplatten aufgenommen und/oder fortgesetzt werden und in denen während des bestimmungsgemäßen Betriebs eingeleitete Verbrennungsluft und eingeleiteter Brennstoff gemischt werden, und mit mehreren Resonatoren, deren Luftkanäle sich durch zumindest eine der Stirnplatten erstrecken und deren Resonatorvolumina durch zumindest einen Teil des Ringraums gebildet sind, in radialer Richtung von der Innenwand zur Außenwand mindestens eine Resonatortrennwand vorgesehen ist, die zwei Resonatorvolumina voneinander trennt.
Damit das Heißgas nicht mehr über den vollen Radius der Stirnplatte durch die Resonatoren strömt, wird erfindungsgemäß die radiale Länge der Resonatoren im Vergleich zum in 2 beschriebenen Stand der Technik verringert. Eine Volumenkonstanz kann durch erhöhte Umfangslänge erzielt werden. Die Resonatoren werden somit mindestens zweireihig angeordnet. Hierdurch wird die Druckdifferenz an den radialen Enden der Resonatoren verkleinert und der Heißgaseinzug wird reduziert bzw. verhindert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der stromaufwärts angeordneten Stirnplatte und der stromabwärts angeordneten Stirnplatte zumindest eine ringförmige Trennplatte vorgesehen, welche die Vormischkanäle aufnehmende Durchgangsöffnungen aufweist und den Ringraum in Teilringräume unterteilt. Mit einer solchen Trennplatte kann das Resonatorvolumen der Resonatoren eingestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung sind die Resonatortrennwände in Umfangsrichtung angeordnet. Die Anordnung erfolgt zweckmäßiger Weise so, dass die maximale Druckdifferenz über die radiale Länge der Resonatoren am geringsten ist, d.h. in etwa auf der Hälfte der Strecke von der Innen- zur Außenwand.
Alternativ bilden die Resonatortrennwände ein Wabenmuster. Die Form der gebildeten Waben kann untereinander abweichen. Hier können die Eigenfrequenzen des Bauteils besonders positiv beeinflusst werden.
Die Anordnung der Vormischkanäle in mindestens zwei Ringen um den Pilotbrenner ist im Hinblick auf Verbrennungsstabilität und Emissionen besonders vorteilhaft. Die Fläche der ringförmigen Stirnplatte wird in radialer Richtung gegenüber einem einfachen Ring vergrößert. Die Erfindung kompensiert diese Vergrößerung aber mit entsprechend angeordneten Resonatortrennwänden.
Die auf ein Verfahren zum Kühlen von Resonatoren einer Brenneranordnung gerichtete Aufgabe, wird dadurch gelöst, dass radial unterschiedlich angeordnete Resonatoren unterschiedlich gekühlt werden. Dadurch lässt sich der Bedarf an Kühlluft so gering wie möglich halten, was sich auf die Vermeidung von NOx-Emissionen positiv auswirkt.
Mit der Erfindung sind Resonatoren nicht nur notwendige, aber ansonsten eigentlich unerwünschte Komponenten einer Brenneranordnung, sondern verbessern die Bauteilstabilität.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 eine schematische Schnittansicht einer Brenneranordnung,
2 eine Draufsicht von der „kalten Seite“ auf eine der Brennkammer zugewandte Stirnplatte nach dem Stand der Technik,
3 einen Querschnitt durch die Stirnplatte/den Resonator nach dem Stand der Technik mit dem Weg des Heißgases,
4 eine Draufsicht auf eine Stirnplatte einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 einen Querschnitt durch die Stirnplatte/den Resonator mit dem Weg des Heißgases und
6 eine Draufsicht auf eine Stirnplatte einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Brenneranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Brenneranordnung 1 umfasst einen der Brennkammer 2 vorgelagerten Ringraum 3, der zwischen einer rohrförmigen Außenwand 4, einer radial von der Außenwand beabstandet angeordneten rohrförmigen Innenwand 5, einer stromaufwärts angeordneten ersten ringförmigen Stirnplatte 6 und einer stromabwärts angeordneten, der Brennkammer 2 zugewandten, zweiten ringförmigen Stirnplatte 7 definiert ist.
Die Brenneranordnung 1 umfasst ferner einen zentral angeordneten Pilotbrenner 8, der von der rohrförmigen Innenwand 5 umgeben ist. Um den Pilotbrenner 8 herum ist eine Vielzahl von Vormischkanälen 9 im Ringraum 3 angeordnet. Die Vormischkanäle 9 sind von den Stirnplatten 6, 7 aufgenommen und/oder fortgesetzt und münden in die Brennkammer 2. In den Vormischkanälen 9 werden während des bestimmungsgemäßen Betriebs eingeleitete Verbrennungsluft und eingeleiteter Brennstoff gemischt.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Kaltseite der der Brennkammer 2 zugewandten Stirnplatte 7 nach dem Stand der Technik. Sie umfasst eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 15 für die Vormischkanäle 9. Ferner sind in der Stirnplatte 7 sich axial erstreckende Luftkanäle 11 ausgebildet, die den Ringraum 3 mit der Brennkammer 2 strömungstechnisch verbinden.
In radialer Richtung verlaufende Resonatortrennwände 13 sind entweder, wie in der 2 gezeigt, auf der Stirnplatte 7 angeordnet und bilden im montierten Zustand mit einer Trennplatte 14 (s. 3) Resonatoren 10. Alternativ können die Resonatortrennwände 13 auch auf der Trennplatte 14 vorgesehen sein. Die Resonatoröffnungen werden durch die Luftkanäle 11 gebildet, die den Ringraum 3 mit der Brennkammer 2 verbinden. Wegen der vergleichsweise großen radialen Länge 17 der Resonatoren 10 ist die Druckdifferenz an beiden radialen Enden eines Resonators 10 so groß, dass eine Strömung mit Heißgaseinzug im Resonator 10 entsteht. Diese erhitzt das Material trotz Kühlung stark und führt zu Rissbildung.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Stirnplatte 7 bzw. einen Teil des Ringraums 3 mit Trennplatte 14 nach dem Stand der Technik. Über die komplette radiale Länge ergibt sich ein nicht vernachlässigbarer Druckunterschied 20 im Betrieb der Brenneranordnung. Die Figur zeigt die Richtung 16 des Druckgefälles zur Brennerachse 18 hin. Ferner ist der Heißgaseinzug 19 gezeigt.
Die Erfindung sieht daher vor, dass, wie in 4 gezeigt, auch in radialer Richtung von der Innenwand 5 zur Außenwand 4 mindestens eine Resonatortrennwand 13 angeordnet ist, die zwei Resonatorvolumina 12 in radialer Richtung voneinander trennt und somit die Strecke von der Außen- 4 zur Innenwand 5 unterteilt.
5 zeigt die Stirnplatte 7 bzw. einen Teil des Ringraums 3 mit Trennplatte 14 der 4 im Querschnitt. Die Resonatortrennwand 13 verläuft, anders als im Stand der Technik, nicht radial, sondern davon abweichend, in Umfangsrichtung. Das Druckgefälle 20 über den jeweiligen Resonator 10 ist gegenüber dem Stand der Technik verringert.
6 zeigt eine zu den 4 und 5 alternative Anordnung der Trennwände 13 in der Draufsicht auf eine Stirnplatte 7. Die Trennwände 13 separieren gemäß der Erfindung radial innen liegende von radial außen liegenden Resonatoren 10, d.h. die Trennwände 13 verlaufen nicht radial, aber auch nicht zwingend in Umfangsrichtung, wie in den 4 und 5, sondern können auch wabenförmig sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2559942 A1 [0004]
EP 1792123 B1 [0006]
EP 1481195 B1 [0007]

Claims

Brenneranordnung (1) mit einer Brennkammer (2) und einem der Brennkammer (2) vorgelagerten Ringraum (3), der zwischen einer rohrförmigen Außenwand (4), einer radial von der Außenwand (4) beabstandet angeordneten rohrförmigen Innenwand (5), einer stromaufwärts angeordneten ersten ringförmigen Stirnplatte (6) und einer stromabwärts angeordneten, der Brennkammer zugewandten, zweiten ringförmigen Stirnplatte (7) definiert ist, mit einem von der rohrförmigen Innenwand (5) umgebenen Pilotbrenner (8), einer Vielzahl von um den Pilotbrenner (8) herum im Ringraum (3) angeordneten und in die Brennkammer (2) mündenden Vormischkanälen (9), welche von den Stirnplatten (6, 7) aufgenommen und/oder fortgesetzt werden und in denen während des bestimmungsgemäßen Betriebs eingeleitete Verbrennungsluft und eingeleiteter Brennstoff gemischt werden, und mit mehreren Resonatoren (10), deren Luftkanäle (11) sich durch zumindest eine der Stirnplatten (7) erstrecken und deren Resonatorvolumina (12) durch zumindest einen Teil des Ringraums (3) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung von der Innenwand (5) zur Außenwand (4) mindestens eine Resonatortrennwand (13) vorgesehen ist, die zwei Resonatorvolumina (12) voneinander trennt.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei zwischen der stromaufwärts angeordneten Stirnplatte (6) und der stromabwärts angeordneten Stirnplatte (7) zumindest eine ringförmige Trennplatte (14) vorgesehen ist, welche die Vormischkanäle aufnehmende Durchgangsöffnungen (15) aufweist und den Ringraum (3) in Teilringräume unterteilt.
Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Resonatortrennwände (13) in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Resonatortrennwände (13) im Wesentlichen in Wabenform angeordnet sind.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vormischkanäle (9) in mindestens zwei Ringen um den Pilotbrenner (8) angeordnet sind.
Verfahren zum Kühlen von Resonatoren (10) einer Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei radial unterschiedlich angeordnete Resonatoren (10) unterschiedlich gekühlt werden.