DE4414232A1

DE4414232A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer

Info

Publication number: DE4414232A1
Application number: DE4414232A
Authority: DE
Inventors: Melch Dr Fischer
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-04-23
Filing date: 1994-04-23
Publication date: 1995-10-26
Also published as: JPH07293885A; GB9506413D0; GB2288660A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Dämp fung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer, insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine, umfassend einen Helmholtz-Resonator mit einem Resonatorraum und einem Verbindungsrohr, durch welches der Resonatorraum mit der Brennkammer in Verbindung steht.

Eine solche Vorrichtung ist z. B. aus der Druckschrift EP-A1 0 577 862 bekannt.

Stand der Technik

In Brennkammern, wie sie insbesondere bei Gasturbinen Anwen dung finden, werden thermoakustische Schwingungen angeregt durch eine sich aufschaukelnde Wechselwirkung zwischen ther mischen und akustischen Störungen. Es können dabei uner wünscht große Schwingungsamplituden auftreten, wenn akusti sche Eigenschwingungen der Brennkammer angeregt werden. Die negativen Folgen sind unzulässig hohe mechanische Belastungen der Brennkammer, ein Anstieg der Emissionen durch inhomogene Verbrennung und, im Extremfall, ein Löschen der Flamme. Bei modernen Brennkammern ist diese Problematik verstärkt, da auf Kühlluftöffnungen in der Brennkammer, welche die Druckpulsa tionen dämpfen würden, so weit wie möglich verzichtet wird.

Bei Gasturbinen-Brennkammern tritt (je nach Größe der Brenn kammer) typischerweise eine schmalbandige Anregung hoher Am plitude im Frequenzbereich von 100 bis 250 Hz auf. Diese An regung kann mittels sogenannter Helmholtz-Resonatoren ge dämpft werden, wobei die Frequenz des Helmholtz-Resonators genau auf die Frequenz der Brennkammerschwingung abgestimmt werden muß. Im Zusammenhang mit einem Nachbrenner für eine Gasturbine ist in der eingangs genannten Druckschrift bereits vorgeschlagen worden, einen solchen Helmholtz-Resonator für diesen Zweck einzusetzen.

Die Erfahrung zeigt nun aber, daß je nach Betriebsbedingun gen (Vollast/Teillast, Umgebungstemperatur, Brennstoff/Luft- Verhältnis, Gas- oder Teilbetrieb, etc.) die Brennkammerfre quenz um bis zu ± 20% variieren kann. Auf der anderen Seite ist auch die Frequenz im Helmholtz-Resonator abhängig von den Betriebsbedingungen: Experimentelle Untersuchungen haben ge zeigt, daß sich die Helmholtzfrequenz bei steigenden Pulsa tionsamplituden um bis zu 19% zu niedrigeren Werten hin ver schieben kann. Es ist aber bekannt, daß bereits durch ge ringfügige Differenzen zwischen den beiden Frequenzen die Dämpfungsleistung massiv reduziert wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Helmholtz-Resonator anzugeben, mittels derer eine gleichbleibende Dämpfungsleistung auch unter wechselnden Be triebsbedingungen erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Helmholtz-Resonator mit ersten Mitteln zur Regelung der Resonatorfrequenz in Abhängigkeit von der Frequenz der Brennkammerschwingungen ausgestattet ist.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, die Vorrichtung so auszulegen, daß bei einer Änderung der Frequenz der zu dämpfenden Schwingung die Resonatorfrequenz entsprechend nachgeregelt wird.

Die Nachregelung des Resonators kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die ersten Mittel zweite Mittel zur Steuerung der Dichte der im Verbin dungsrohr befindlichen Gase. Hierdurch wird es möglich, ohne (mechanisch aufwendige) Änderung des Resonatorvolumens auf einfache Weise die Frequenz des Resonators zu ändern.

Besonders einfach läßt sich die Steuerung realisieren, wenn gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform die zweiten Mittel die Dichte der im Verbindungsrohr befindlichen Gase über eine Änderung der Temperatur steuern.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Temperatursteue rung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel ein elektrisches Heizelement umfassen, durch welches die im Reso natorraum befindlichen Gase erwärmt werden können.

Eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der Temperatursteue rung zeichnet sich dadurch aus, daß die zweiten Mittel ein elektrisches Heizelement umfassen, durch welches die im Ver bindungsrohr befindlichen Gase erwärmt werden können.

Eine dritte vorteilhafte Ausführungsform der Temperatursteue rung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel eine in den Resonatorraum mündende Spülluftzuleitung umfassen, mittels derer Spülluft durch den Resonatorraum geleitet wer den kann. Durch die (relativ kalte) Spülluft kann die Tempe ratur im Resonatorraum gegenüber der Brennkammer gezielt ab gesenkt werden, um Frequenzdifferenzen auszuregeln.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich tung zeichnet sich dadurch aus, daß die zweiten Mittel eine in den Resonatorraum mündende Gaszuleitung umfassen, mittels derer wahlweise Gase unterschiedlicher Dichte in den Resona torraum geleitet werden können. Auf diese Weise kann die Re sonanzfrequenz durch Änderung der mittleren Dichte in einer Gasmischung unterschiedlicher Zusammensetzung geändert wer den.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in schematisierter Darstellung ein erstes Ausfüh rungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfin dung mit heizbarem Resonatorraum;

Fig. 2 in schematisierter Darstellung ein zweites Aus führungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Er findung mit heizbarem Verbindungsrohr;

Fig. 3 in schematisierter Darstellung ein drittes Aus führungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Er findung mit einer Einrichtung zum Zuführen von Hilfsgasen anderer Dichte;

Fig. 4 in schematisierter Darstellung ein viertes Aus führungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Er findung mit einer Einrichtung zum Zuführen von Spülluft; und

Fig. 5 in schematisierter Darstellung die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einer vollständigen Regelung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Kern der Erfindung ist es, einen mit einfachen Mitteln regel baren Helmholtz-Resonator bereitzustellen, dessen Frequenz bei allen Betriebszuständen genau auf die Brennkammer-Schwin gungsfrequenz geregelt wird. Die Frequenz des Helmholtz-Reso nators wird durch folgende verallgemeinerte Gleichung be schrieben:

mit:

ω = Helmholtz-Resonator-Frequenz
c_II = Schallgeschwindigkeit im Resonator
s = Querschnittfläche des Verbindungsrohrs
l = Länge des Verbindungsrohrs
ρIII = Luftdichte im Verbindungsrohr
V = Resonatorvolumen
ρII = Luftdichte im Resonator.

Die Helmholtz-Frequenz ω kann nun nach Maßgabe der Brennkam merfrequenz auf verschiedene Arten verstimmt werden. Ein er stes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung mit steuer- bzw. regelbarer Resonatorfrequenz ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Gezeigt ist ein Helmholtz-Resonator 1, der einen von einer Resonatorwand 13 umschlossenen Resonatorraum 2 mit dem Resonatorvolumen V umfaßt. Der Resonatorraum 2 ist über ein Verbindungsrohr 3 (Länge l; Querschnittsfläche s; siehe Fig. 3) mit einer Brennkammer 7 verbunden, die ihrerseits durch eine Brennkammerwand 8 begrenzt ist.

Die Verstimmung des Resonators erfolgt hier durch Erhöhung der Temperatur im Resonatorraum 2 mittels eines geregelten (elektrischen) Heizelementes 5, welches entweder direkt im Gasvolumen angebracht ist oder das Gasvolumen über die Reso natorwand 13 aufheizt. Eine Erhöhung der Temperatur um 10% von z. B. 600°K auf 660°K bewirkt eine Erniedrigung der Dichte ρIII um 10% und damit (gemäß o. g. Formel) eine Erhöhung der Resonatorfrequenz um 5%.

Vorteilhaft ist es in diesem Falle, zumindest den Resonator raum 2 mittels einer thermischen Isolierung 4 thermisch zu isolieren. Vorteilhaft ist es weiterhin, zur Verhinderung des Eindringens von heißen Gasen aus der Brennkammer 7 in den Resonatorraum 2 Abschirmluft 9 von außen (z. B. aus dem Ple num 10 einer Gasturbine) in das Verbindungsrohr 3 einzubla sen. Dadurch kann die erforderliche Heizleistung, die an den Anschlüssen 6a, b des Heizelementes 5 aufgebracht werden muß, auf ein Minimum reduziert werden.

Eine zweite Möglichkeit der Verstimmung des Resonators durch Temperaturänderung ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dar gestellt. Hier wird das Gas im Verbindungsrohr 3 zur Brenn kammer 7 mit einem Heizelement 12 erwärmt und damit die Gas dichte direkt im Verbindungsrohr 3 erniedrigt. Das Heizele ment 12 kann z. B. eine um das Verbindungsrohr 3 gewickelte Heizwicklung sein. Auch hier kann die erforderliche Heizlei stung minimiert werden, indem primär das Verbindungsrohr 3 und sekundär auch der Resonatorraum 2 jeweils mit einer thermischen Isolierung 11 bzw. 4 umgeben wird. Auch die Ein speisung von Abschirmluft 9 kann wie in Fig. 1 vorgesehen werden.

Eine dritte Möglichkeit der Verstimmung des Resonators durch Temperaturänderung ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wie dergegeben. Über eine mit einem Regelventil 19 ausgestattete Spülluftzuleitung 26 wird hier geregelt (kühle) Spülluft durch den Helmholtz-Resonator 1 geschickt und damit die Tem peratur im Resonator beeinflußt. Bei geringer Spülluftmenge erwärmt sich die Luft im Resonatorraum 2 von der Heißgas seite (d. h. von der Brennkammer 7) her. Bei hoher Spülluft menge kühlt sich die Luft im Resonatorraum 2 entsprechend ab. Vorteilhaft ist auch in diesem Fall, wenn der Helmholtz-Reso nator 1 samt Verbindungsrohr 3 mit einer thermischen Isolie rung 4 bzw. 11 umgeben ist. Dadurch kann sich die Luft im Re sonatorraum 2 auf eine höhere Temperatur erwärmen, wenn dies notwendig ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Verbin dungsrohr 3 mit einem Rohrstück 20 geringfügig in die Brenn kammer 7 hineinragt, so daß die thermische Ankopplung des Resonators an die Brennkammer 7 verbessert ist. Damit wird die Erwärmung der Luft im Resonatorraum begünstigt.

Eine weitere Möglichkeit der Verstimmung des Resonators ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dargestellt. Die Frequenz wird hier durch die Beimischung eines Gases höherer Dichte (z. B. CO₂) oder niedrigerer Dichte (z. B. Helium) in den Reso natorraum 2 verstimmt. Auch hier wird die Schallgeschwindig keit über eine Dichteänderung verändert; die Dichteänderung beruht jedoch nicht auf der Temperaturänderung in einem Gas, sondern auf der Änderung des Mischungsverhältnisses von Ga sen verschiedener Dichte. Zu diesem Zweck ist am Resonator raum 2 wenigstens eine Gaszuleitung 14 angeschlossen, durch die Hilfsgase zugeführt werden können. Wenn an der Gaszulei tung 14 zwei Abzweige 15, 16 mit jeweils einem Regelventil 17, 18 vorgesehen werden, über die gleichzeitig ein Gas höhe rer und niedrigerer Dichte geregelt zugegeben werden kann, lassen sich leicht Frequenzänderungen am Resonator in beide Richtungen erreichen.

Als Regelgröße für die Frequenzregelung eignet sich am be sten der Phasenwinkel (die Phasendifferenz) zwischen der Druckschwingung in der Brennkammer 7 und derjenigen im Reso natorraum 2. Es gilt:
ϕ = -90° für f_BK = f_RE
ϕ < 90° für f_BK < f_RE
ϕ < 90° für f_BK < f_RE
mit f_BK = Brennkammerfrequenz, f_RE = Resonatorfrequenz, und ϕ = Phasenwinkel.

Der Phasenwinkel reagiert sehr empfindlich auf Frequenzunter schiede und ist daher als Regelgröße für die Heizleistung bzw. Spülluft- oder Hilfsgaszufuhr am besten geeignet. Eine entsprechende vollständige Regelung für eine Anordnung aus Fig. 1 ist in Fig. 5 wiedergegeben. Zur Aufnahme der Druck schwingungen sind in der Brennkammer 7 und im Resonatorraum 2 jeweils wenigstens ein Drucksensor 21a bzw. 21b an geeigneter Stelle angeordnet. Die Meßsignale aus den Drucksensoren 21a, b werden in nachgeschalteten Meßwandlern 22, 23 aufbe reitet und auf die beiden Eingänge eines Phasenvergleichers 24 gegeben, der aus der Phasendifferenz ein Steuersignal ab leitet und an eine nachfolgende Ansteuereinheit 25 abgibt. Die Ansteuereinheit 25 enthält einen Leistungsteil, der die Heizleistung im Heizelement 5 steuert. Bei den Beispielen aus Fig. 2 bis 4 sind entsprechend das Heizelement 12 bzw. die Steuerventile 17 bis 19 an die Ansteuereinheit 25 angeschlos sen.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine einfache und funktionssichere Vorrichtung zur Dämpfung der thermoakusti schen Schwingungen in Brennkammern auch unter wechselnden Be triebsbedingungen.

Bezugszeichenliste

1 Helmholtz-Resonator
2 Resonatorraum
3 Verbindungsrohr
4 thermische Isolierung (Resonatorraum)
5, 12 Heizelement (elektrisch)
6a, b Anschluß (Heizelement)
7 Brennkammer
8 Brennkammerwand
9 Abschirmluft
10 Plenum
11 thermische Isolierung (Verbindungsrohr)
13 Resonatorwand
14 Gaszuleitung
15, 16 Abzweig
17, 18 Steuerventil
19 Steuerventil
20 Rohrstück
21a, b Drucksensor
22, 23 Meßwandler
24 Phasenvergleicher
25 Ansteuereinheit
26 Spülluftzuleitung

Claims

1. Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingun gen in einer Brennkammer (7), insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine, umfassend einen Helmholtz-Resonator (1) mit einem Resonatorraum (2) und einem Verbindungsrohr (3), durch welches der Resonatorraum (2) mit der Brennkammer (7) in Ver bindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Re sonator (1) mit ersten Mitteln zur Regelung der Resonatorfre quenz in Abhängigkeit von der Frequenz der Brennkammerschwin gungen ausgestattet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel zweite Mittel zur Steuerung der Dichte der im Verbindungsrohr (3) befindlichen Gase umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel die Dichte der im Verbindungsrohr (3) be findlichen Gase über eine Änderung der Temperatur steuern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel ein elektrisches Heizelement (5) umfassen, durch welches die im Resonatorraum (2) befindlichen Gase er wärmt werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel eine in den Resonatorraum (2) mündende Spülluftzuleitung (26) umfassen, mittels derer Spülluft durch den Resonatorraum (2) geleitet werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Spülluftzufuhr in der Spülluftzuleitung (26) ein Steuerventil (19) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Verbesserung der thermischen Ankopp lung des Resonatorraumes (2) an die Brennkammer (7) das Ver bindungsrohr (3) mit einem Rohrstück (20) in die Brennkammer (7) hineinragt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel ein elektrisches Heizelement (12) umfas sen, durch welches die im Verbindungsrohr (3) befindlichen Gase erwärmt werden können.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der Resonatorraum (2) und/oder das Verbin dungsrohr (3) mit einer thermischen Isolierung (4 bzw. 11) umgeben sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel eine in den Resonatorraum (2) mündende Gaszuleitung (14) umfassen, mittels derer wahlweise Gase un terschiedlicher Dichte in den Resonatorraum (2) geleitet wer den können.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 8, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Verhinderung des Eindringens von hei ßen Gasen aus der Brennkammer (7) in den Resonatorraum (2) Abschirmluft (9) von außen in das Verbindungsrohr (3) einge blasen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel eine Regelschaltung umfassen, welche die Dichte der im Verbindungsrohr (3) befindlichen Gase nach Maßgabe der Phasendifferenz zwischen den Brennkammerschwin gungen und den Resonatorschwingungen steuert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung wenigstens jeweils einen Drucksensor (21a, b) in der Brennkammer (7) und dem Resonatorraum (2), nachgeschaltete Meßwandler (22, 23), einen Phasenvergleicher (24) und eine Ansteuereinheit (25) umfaßt.