EP1158247A2 - Vorrichtung zur Dämpfung akustischer Schwingungen in einer Brennkammer - Google Patents

Vorrichtung zur Dämpfung akustischer Schwingungen in einer Brennkammer Download PDF

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EP1158247A2
EP1158247A2 EP01110618A EP01110618A EP1158247A2 EP 1158247 A2 EP1158247 A2 EP 1158247A2 EP 01110618 A EP01110618 A EP 01110618A EP 01110618 A EP01110618 A EP 01110618A EP 1158247 A2 EP1158247 A2 EP 1158247A2
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EP
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hollow body
volume
helmholtz resonator
combustion chamber
feed line
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Christian Oliver Dr. Paschereit
Wolfgang Weisenstein
Peter Dr. Flohr
Wolfgang Dr. Prof. Polifke
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Alstom Schweiz AG
Alstom Power NV
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to a device for damping acoustic vibrations in one Combustion chamber and a combustion chamber arrangement, in particular a gas or steam turbine holding the device includes.
  • the main field of application of the present invention lies in the field of industrial gas turbines.
  • the increasing awareness of environmental protection and Environmental compatibility requires compliance if possible lower pollutant emissions.
  • thermoacoustic vibrations affect not only the combustion quality negative, but can also affect the life of highly stressed components reduce drastically.
  • a Helmholtz resonator behaves acoustically like an infinitely large opening, ie it prevents the formation of a standing wave at this frequency.
  • thermoacoustic Vibrations with the help of a Helmholtz resonator also for damping the vibrations in combustion chambers of Gas or steam turbines already in use.
  • the problem occurs in gas or steam turbines on that the frequency to be attenuated is not through an intermittent combustion is determined, but by meeting the Rayleigh criterion in the Combustion chamber and the acoustic response of the surrounding Systems from inflow, burner, combustion chamber and acoustic Completion condition.
  • the frequency to be damped can therefore be these systems with those currently available computational tools not with the required Determine accuracy in advance.
  • this is the Prerequisite for the exact dimensioning of the resonance volume take into account when building the gas turbine can.
  • the acoustic behavior of the system and thus the frequencies of the attenuated Vibrations when the operating point changes change decisively, so that under certain circumstances additional Resonators tuned to other frequencies are used.
  • Such an arrangement with several Helmholtz resonators is for example from DE 33 24 805 A1 known.
  • the publication describes a facility to avoid pressure fluctuations in combustion chambers, where several Helmholtz resonators with different Resonance volume along the gas pipeline path to Burners are arranged. Because of the different Resonance volumes can be vibrated with this system attenuate different frequencies.
  • the optimal one Dimensioning of the individual Helmholtz resonators again requires that Knowledge of those that occur during the operation of the system Frequencies that are not yet in the construction of the system can be specified exactly.
  • the arrangement several Helmholtz resonators because of that required additional space requirements unfavorable.
  • DE 196 40 980 A1 describes another known one Device for damping thermoacoustic Vibrations in a combustion chamber.
  • this device is the side wall of the resonance volume of the Helmholtz resonator designed as a mechanical spring. On the wall vibrating due to the spring effect the end face of the resonance volume is an additional one mechanical mass attached. With this arrangement the virtual volume of the Helmholtz resonator is influenced and achieved greater damper performance. By changing the mechanical mass on the resonator can subsequently fine-tune the resonance frequency be performed. However, this also requires a subsequent intervention in the structure of the Gas turbine plant.
  • the present invention is based on the object a device for damping thermoacoustic Vibrations as well as a combustion chamber arrangement specify this device which is a continuous Adaptation to the frequencies of the vibrations to be damped even under high pressure conditions, like them for example in gas turbines.
  • the device consists of a Helmholtz resonator together with a connecting channel that with the combustion chamber, for example the combustion chamber one Gas turbine, is connected.
  • Dampers are in the present Device by feeding or draining a Fluids changeable in volume via a feed line Hollow body provided either inside the Helmholtz resonator is arranged or so on this borders that the resonance volume of the Helmholtz resonator with a change in the volume of the hollow body changed.
  • Hollow body in the Helmholtz resonator is thus reduced in size the resonance volume when the hollow body over the Lead inflated, for example, with a gas becomes.
  • the resonance volume increases of the Helmholtz resonator when out of the hollow body a certain amount of the gas is released.
  • the Changing the resonance volume causes in known Way a change in resonance frequency.
  • the resonance frequency of the Helmholtz resonators at any time by simply inflating them or draining the hollow body to the in the chamber volume occurring thermoacoustic oscillation frequencies be adjusted.
  • a precise knowledge of the operation frequencies occurring when building the corresponding System is therefore no longer required.
  • the Vibrations can be customized across a wide range adjustable frequencies can be damped. In practical terms Use can be done by changing the Resonance volume at all times during operation the system is possible, the resonance frequency of the built-in resonators suitable for the respective operating point to adjust.
  • a particular advantage results from the fact that the resonance volume of the Helmholtz resonator, which in usually within the pressure casing of the gas turbine is arranged, can be changed without this moving parts through the wall of the pressure vessel must be passed through.
  • the supply line to Hollow body can be designed as a rigid tube and therefore easily with high tightness through the pressure housing be led through to the outside.
  • the Helmholtz resonator has a position-changeable device Wall on which the hollow body adjoins.
  • the position-changeable wall is over a Spring mechanism pressed against the hollow body.
  • the position-changeable wall against the spring force pressed inwards and in this way reduces that Resonance volume of the Helmholtz resonator.
  • the resonance volume by shifting the Wall due to the acting in the direction of the hollow body Spring force.
  • the Helmholtz resonator can do this be in the form of a bellows like this known from DE 196 40 980 A1 is.
  • DE 196 40 980 A1 is.
  • the volume-changeable hollow body is preferred as an inflatable temperature-resistant balloon or designed as an inflatable metallic bellows.
  • the supply line to the hollow body can be flexible or rigid be carried out.
  • the gas supply to the hollow body or the gas release from the Hollow body made automatically by a controller, provided outside of the pressure housing on the supply line is.
  • This control changes the resonance volume of the Helmholtz resonator as a function of that in the Combustion chamber frequency of the thermoacoustic Vibrations with the highest amplitude, in which he Blows or releases gas into the hollow body.
  • the respective vibration amplitudes and vibration frequencies with an appropriate sensor, as known to those skilled in the art.
  • the controller controls the resonance volume or the volume of the hollow body by feeding or draining of compressor air that it exits from the compressor Receives gas turbine. This way you can at any time during optimal vibration damping during operation of the gas turbine can be achieved because the controller's resonance volume at any time exactly to the respective occurring Can adjust frequencies.
  • Figure 1 shows the basic structure of a Helmholtz resonator 4 with the resonance volume 3 and one Connection channel 2, as it is from the prior art is known. Details on this were given in the introduction to the description already set out.
  • FIG. 2 A first embodiment for an inventive Device on a combustion chamber 1 a Gas turbine is shown in Figure 2.
  • the tunable Helmholtz resonator 4 can be seen, the via a connecting channel 2 with the combustion chamber 1st connected is.
  • a hollow body 6 Inside the Helmholtz resonator 4 a hollow body 6 is arranged, the volume of which by feeding or draining gas via a feed line 5 changeable is.
  • the hollow body 6 is in this example from a metallic bellows that is exposed to air 10 inflated from the compressor outlet of the gas turbine or is released by venting this air.
  • the so-called resonance volume 3 enlarged from a central position or reduced, as indicated by the arrow in the figure is.
  • the control of inflation or deflation the bellows 6 takes place via a corresponding Regulator 7, the volume depending on each damping thermoacoustic oscillation frequencies sets.
  • the configuration of the hollow body 6 as a metallic bellows is particularly suitable for use suitable under high temperatures.
  • the supply line 5 to the bellows 6 takes place through the Pressure housing 8 of the gas turbine.
  • This implementation can be sealed well by the pressure housing 8, since it contains no moving parts. With the present device, it is therefore possible to adjust the resonance volume 3 of the Helmholtz resonator 4, the inside of the pressure housing 8 is mounted from the outside to change the pressure housing without the risk of To increase leakage of the pressure housing 8.
  • the resonance volume 3 is tuned via the automatic controller 7, which, as already mentioned, depending on the frequency of the highest vibration amplitude in the combustion chamber the bellows 6 enlarged or downsized. Since the location of this amplitude on the Frequency axis when operating the burner only within of a relatively narrow band is not special fast regulation required to get an optimal To achieve adjustment.
  • Figure 3 finally shows another example for a possible embodiment of the invention Contraption.
  • the hollow body is 6 not arranged within the Helmholtz resonator 4, but borders on a position-changeable wall 11 of this resonator 4.
  • the principle of operation is that The same as already explained in connection with Figure 2.
  • the Helmholtz resonator 4 as well as the hollow body 6 - at least partially - designed as a bellows, one End face of the Helmholtz resonator 4 to an end face of the hollow body 6 adjoins.
  • the opposite End face of the hollow body 6 is on a corresponding Anchor 9 fixed in the pressure housing 8.
  • the resonance volume 3 is reduced.
  • Spring mechanism the position-changeable wall 11 of the Helmholtz resonator 4 against the hollow body 6 presses.
  • This spring mechanism can, for example through an elastic design of the wall material of the bellows can be reached. Alternatively, you can do this a spring inside the Helmholtz resonator 4 be provided.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung akustischer Schwingungen in einer Brennkammer sowie eine entsprechende Brennkammeranordnung mit der Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Helmholtz-Resonator (4), der über einen Verbindungskanal (2) mit einer Brennkammer (1) verbunden werden kann. Der Helmholtz-Resonator (4) beinhaltet einen durch Zuführen oder Ablassen eines Fluids über eine Zuleitung (5) im Volumen veränderbaren Hohlkörper (6) oder grenzt derart an diesen an, dass sich das Resonanzvolumen (3) des Helmholtz-Resonators (4) bei einer Änderung des Volumens des Hohlkörpers (6) verändert. <IMAGE>

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung akustischer Schwingungen in einer Brennkammer sowie eine Brennkammeranordnung, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine, die die Vorrichtung beinhaltet.
Das Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich der Industriegasturbinen. Weltweit werden an Industriegasturbinen, vor allem im Kraftwerkseinsatz, immer höhere Anforderungen an die Einsatzbereitschaft, Lebensdauer und Abgasqualität gestellt. Das zunehmende Bewusstsein für Umweltschutz und Umweltverträglichkeit erfordert die Einhaltung möglichst niedriger Schadstoffemissionen.
Niedrige Emissionen lassen sich bei Industriegasturbinen in wirtschaftlicher Weise nur durch den Einsatz von Vormischbrennern erreichen. Diese Art der Verbrennung neigt jedoch in geschlossenen Brennkammern durch die Ausbildung kohärenter Strukturen und daraus resultierender schwankender Wärmefreisetzung zur Generierung thermoakustischer Schwingungen in der Brennkammer. Diese thermoakustischen Schwingungen beeinflussen nicht nur die Verbrennungsqualität negativ, sondern können auch die Lebensdauer der hochbelasteten Bauelemente drastisch reduzieren.
Stand der Technik
Zur Dämpfung derartiger thermoakustischer Schwingungen ist bereits seit langem die Anwendung des Prinzips des so genannten Helmholtz-Resonators bekannt. Dieses Prinzip wird im Folgenden anhand der Figur 1 näher erläutert. Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Helmholtz-Resonators 4, der aus einem Resonanzvolumen 3 und einem Verbindungskanal 2 zu der Kammer 1 besteht, in der die thermoakustischen Schwingungen auftreten. Eine derartige Vorrichtung kann analog einem mechanischen Feder-Masse-System betrachtet werden. Dabei wirkt das Volumen V des Helmholtz-Resonators 4 als Feder und das im Verbindungskanal 2 befindliche Gas als Masse. Mit Hilfe der Hohlraumabmessungen kann die Resonanzfrequenz f0 des Systems berechnet werden.
Figure 00020001
   mit:
  • V = Volumen des Helmholtz-Resonators 4
  • R = Radius des Verbindungskanals 2
  • l = Länge des Verbindungskanals 2
  • S = Fläche der Öffnung, durch die die Anregung erfolgt
    • Bei dieser Resonanzfrequenz f0 verhält sich ein Helmholtz-Resonator akustisch wie eine unendlich große Öffnung, d.h. er verhindert die Entstehung einer stehenden Welle bei dieser Frequenz.
    Diese Technik der Dämpfung thermoakustischer Schwingungen mit Hilfe eines Helmholtz-Resonators wird auch zur Dämpfung der Schwingungen in Brennkammern von Gas- oder Dampfturbinen bereits eingesetzt. Beim Einsatz in Gas- oder Dampfturbinen tritt jedoch das Problem auf, dass die zu dämpfende Frequenz nicht durch eine intermittierende Verbrennung bestimmt wird, sondern durch die Erfüllung des Rayleigh-Kriteriums in der Brennkammer und die akustische Antwort des umgebenden Systems aus Zuströmung, Brenner, Brennkammer und akustischer Abschlussbedingung.
    Die zu dämpfende Frequenz lässt sich daher bei diesen Systemen mit den zurzeit zur Verfügung stehenden rechnerischen Werkzeugen nicht mit der erforderlichen Genauigkeit im Voraus bestimmen. Dies ist jedoch die Voraussetzung, um die exakte Dimensionierung des Resonanzvolumens beim Bau der Gasturbine berücksichtigen zu können. Weiterhin können sich das akustische Verhalten des Systems und somit die Frequenzen der zu dämpfenden Schwingungen bei einer Änderung des Betriebspunktes entscheidend ändern, so dass unter Umständen zusätzliche Resonatoren, die auf weitere Frequenzen abgestimmt sind, zum Einsatz kommen müssen.
    Eine derartige Anordnung mit mehreren Helmholtz-Resonatoren ist beispielsweise aus der DE 33 24 805 A1 bekannt. Die Druckschrift beschreibt eine Einrichtung zur Vermeidung von Druckschwingungen in Brennkammern, bei der mehrere Helmholtz-Resonatoren mit unterschiedlichem Resonanzvolumen entlang des Gasleitungsweges zum Brenner angeordnet sind. Durch die unterschiedlichen Resonanzvolumina lassen sich mit diesem System Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen dämpfen. Die optimale Dimensionierung der einzelnen Helmholtz-Resonatoren erfordert jedoch auch hier wiederum die Kenntnis über die beim Betrieb der Anlage auftretenden Frequenzen, die beim Bau der Anlage jedoch noch nicht exakt angegeben werden können. Weiterhin ist die Anordnung mehrerer Helmholtz-Resonatoren aufgrund des dafür erforderlichen zusätzlichen Platzbedarfs ungünstig.
    Die DE 196 40 980 A1 beschreibt eine weitere bekannte Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer. Bei dieser Vorrichtung ist die seitliche Wandung des Resonanzvolumens des Helmholtz-Resonators als mechanische Feder ausgebildet. An der aufgrund der Federwirkung schwingenden Wandung der Stirnfläche des Resonanzvolumens ist eine zusätzliche mechanische Masse befestigt. Mit dieser Anordnung wird das virtuelle Volumen des Helmholtz-Resonators beeinflusst und eine größere Dämpferleistung erzielt. Durch Veränderung der mechanischen Masse am Resonator kann nachträglich eine Feinabstimmung auf die Resonanzfrequenz durchgeführt werden. Auch dies erfordert jedoch einen nachträglichen Eingriff in den Aufbau der Gasturbinenanlage.
    In der Vergangenheit wurden auf dem Gebiet der Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren ebenfalls Helmholtz-Resonatoren zur Schwingungsdämpfung eingesetzt. Aus diesem Bereich ist auch der Einsatz von verstellbaren Resonatoren zur Änderung der Resonanzfrequenz bekannt. So wurden beispielsweise schon während des ersten Weltkrieges die Zweitakt-Dieselmotoren für Zeppelin-Luftschiffe der Firma Maybach durch verstellbare Resonatoren im Abgasrohr dem jeweiligen Betriebspunkt angepasst. Zu diesem Zweck wurden durch mechanische Getriebe Zylinder ineinander verschoben und dadurch das Resonanzvolumen verändert. Diese Technik erweist sich bei den genannten Abgasanlagen aufgrund der guten Zugänglichkeit dieser Anlagen und dem dort herrschenden relativ niedrigen Druck- und Temperaturverhältnis als praktikabel. Für den Einsatz im Druckbereich moderner Industriegasturbinen scheidet eine derartige Lösung jedoch vollständig aus. Die Durchführung eines mechanischen Getriebes durch das Druckgehäuse einer Gasturbine würde unvermeidbare Leckagen herbeiführen und daher zu nicht tolerierbaren Verlusten führen. Außerdem könnten die bei Industriegasturbinen vorherrschenden Temperatureinflüsse nur durch ein sehr kompliziertes Getriebe kompensiert werden.
    Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen sowie eine Brennkammeranordnung mit dieser Vorrichtung anzugeben, die eine kontinuierliche Anpassung an die Frequenzen der zu dämpfenden Schwingungen auch unter hohen Druckverhältnissen, wie sie beispielsweise bei Gasturbinen vorliegen, ermöglicht.
    Darstellung der Erfindung
    Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung bzw. der Brennkammeranordnung nach den Ansprüchen 1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie der Brennkammeranordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
    Die Vorrichtung setzt sich aus einem Helmholtz-Resonator mit einem Verbindungskanal zusammen, der mit der Brennkammer, beispielsweise der Brennkammer einer Gasturbine, verbunden wird. Im Gegensatz zu den bekannten Dämpfungsvorrichtungen ist bei der vorliegenden Vorrichtung ein durch Zuführen oder Ablassen eines Fluids über eine Zuleitung im Volumen veränderbarer Hohlkörper vorgesehen, der entweder innerhalb des Helmholtz-Resonators angeordnet ist oder derart an diesen angrenzt, dass sich das Resonanzvolumen des Helmholtz-Resonators bei einer Änderung des Volumens des Hohlkörpers verändert.
    Bei einer Anordnung des im Volumen veränderbaren Hohlkörpers im Helmholtz-Resonator verkleinert sich somit das Resonanzvolumen, wenn der Hohlkörper über die Zuleitung beispielsweise mit einem Gas aufgeblasen wird. Im umgekehrten Fall vergrößert sich das Resonanzvolumen des Helmholtz-Resonators, wenn aus dem Hohlkörper eine bestimmte Menge des Gases abgelassen wird. Die Veränderung des Resonanzvolumens bewirkt in bekannter Weise eine Änderung der Resonanzfrequenz.
    Auf diese Weise kann die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators jederzeit durch einfaches Aufblasen oder Ablassen des Hohlkörpers an die im Kammervolumen auftretenden thermoakustischen Schwingungsfrequenzen angepasst werden. Eine genaue Kenntnis der im Betrieb auftretenden Frequenzen beim Bau der entsprechenden Anlage ist daher nicht mehr erforderlich. Die Schwingungen können über ein breites Spektrum individuell einstellbarer Frequenzen gedämpft werden. Im praktischen Einsatz lässt sich durch die Veränderung des Resonanzvolumens, die zu jeder Zeit während des Betriebs der Anlage möglich ist, die Resonanzfrequenz der eingebauten Resonatoren passend zum jeweiligen Betriebspunkt einstellen.
    Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, dass das Resonanzvolumen des Helmholtz-Resonators, der in der Regel innerhalb des Druckgehäuses der Gasturbine angeordnet ist, verändert werden kann, ohne dass hierfür bewegliche Teile durch die Wandung des Druckbehälters hindurchgeführt werden müssen. Die Zuleitung zum Hohlkörper kann als starres Rohr ausgeführt und daher problemlos mit hoher Dichtigkeit durch das Druckgehäuse hindurch zum Außenraum geführt werden.
    In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung weist der Helmholtz-Resonator eine positionsveränderbare Wandung auf, an die der Hohlkörper angrenzt. Die positionsveränderbare Wandung wird über einen Federmechanismus gegen den Hohlkörper gedrückt. Auf diese Weise wird bei einem Aufblasen des Hohlkörpers die positionsveränderbare Wandung gegen die Federkraft nach Innen gedrückt und verringert auf diese Weise das Resonanzvolumen des Helmholtz-Resonators. Im umgekehrten Fall des Ablassens von Gas aus dem Hohlkörper vergrößert sich das Resonanzvolumen durch Verschiebung der Wandung aufgrund der in Richtung des Hohlkörpers wirkenden Federkraft. Der Helmholtz-Resonator kann hierbei in Form eines Faltenbalges ausgeführt sein, wie dies aus der eingangs angeführten DE 196 40 980 A1 bekannt ist. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Möglichkeiten einer entsprechenden Ausgestaltung des Helmholtz-Resonators möglich sind, bei der der obige Effekt erzielt wird.
    Bei dieser Ausführungsform muss der volumenveränderbare Hohlkörper an einer Stelle relativ zum Helmholtz-Resonator innerhalb des Druckgehäuses fixiert werden, um die entsprechende Gegenkraft auf die positionsveränderbare Wandung des Helmholtz-Resonators ausüben zu können.
    Der im Volumen veränderbare Hohlkörper ist vorzugsweise als aufblasbarer temperaturfester Ballon oder als aufblasbarer metallischer Faltenbalg ausgeführt. Die Zuleitung zum Hohlkörper kann flexibel oder starr ausgeführt werden.
    In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gaszufuhr zum Hohlkörper bzw. das Gasablassen aus dem Hohlkörper automatisch von einem Regler vorgenommen, der außerhalb des Druckgehäuses an der Zuleitung vorgesehen ist. Dieser Regler verändert das Resonanzvolumen des Helmholtz-Resonators in Abhängigkeit von der in der Brennkammer auftretenden Frequenz der thermoakustischen Schwingungen mit der höchsten Amplitude, in dem er das Gas in den Hohlkörper bläst oder aus diesem ablässt. Die jeweiligen Schwingungsamplituden und Schwingungsfrequenzen werden hierbei mit einem entsprechenden Sensor, wie er dem Fachmann bekannt ist, gemessen. Vorzugsweise steuert der Regler das Resonanzvolumen bzw. das Volumen des Hohlkörpers durch Zufuhr bzw. Ablassen von Verdichterluft, die er vom Verdichteraustritt der Gasturbine erhält. Auf diese Art kann jederzeit während des Betriebs der Gasturbine eine optimale Schwingungsdämpfung erreicht werden, da der Regler das Resonanzvolumen jederzeit exakt an die jeweiligen auftretenden Frequenzen anpassen kann.
    Die vorliegende Vorrichtung bzw. Brennkammeranordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
    Fig. 1
    den prinzipiellen Aufbau eines Helmholtz-Resonators;
    Fig. 2
    ein erstes Ausführungsbeispiel für den Aufbau der vorliegenden Vorrichtung; und
    Fig. 3
    ein zweites Ausführungsbeispiel für den Aufbau der vorliegenden Vorrichtung.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
    Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Helmholtz-Resonators 4 mit dem Resonanzvolumen 3 und einem Verbindungskanal 2, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Einzelheiten hierzu wurden in der Beschreibungseinleitung bereits dargelegt.
    Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung an einer Brennkammer 1 einer Gasturbine ist in Figur 2 dargestellt. In dieser Figur ist der abstimmbare Helmholtz-Resonator 4 zu erkennen, der über einen Verbindungskanal 2 mit der Brennkammer 1 verbunden ist. Innerhalb des Helmholtz-Resonators 4 ist ein Hohlkörper 6 angeordnet, dessen Volumen durch Zuführen oder Ablassen von Gas über eine Zuleitung 5 veränderbar ist. Der Hohlkörper 6 besteht in diesem Beispiel aus einem metallischen Faltenbalg, der durch Luft 10 vom Verdichteraustritt der Gasturbine aufgeblasen oder durch Ablassen dieser Luft entspannt wird. Hierdurch wird der von Verbrennungsgasen gefüllte Innenraum des Helmholtz-Resonators 4, das so genannte Resonanzvolumen 3, ausgehend von einer Mittellage vergrößert oder verkleinert, wie in der Figur durch den Pfeil angedeutet ist. Die Steuerung des Aufblasens oder Ablassens des Faltenbalges 6 erfolgt über einen entsprechenden Regler 7, der das Volumen in Abhängigkeit von den jeweils zu dämpfenden thermoakustischen Schwingungsfrequenzen einstellt. Die Ausgestaltung des Hohlkörpers 6 als metallischer Faltenbalg ist besonders für den Einsatz unter hohen Temperaturen geeignet.
    Die Zuleitung 5 zum Faltenbalg 6 erfolgt durch das Druckgehäuse 8 der Gasturbine hindurch. Diese Durchführung durch das Druckgehäuse 8 kann gut abgedichtet werden, da sie keine beweglichen Bauteile enthält. Mit der vorliegenden Vorrichtung ist es daher möglich, das Resonanzvolumen 3 des Helmholtz-Resonators 4, der innerhalb des Druckgehäuses 8 montiert ist, von außerhalb des Druckgehäuses zu verändern, ohne die Gefahr einer Leckage des Druckgehäuses 8 zu erhöhen.
    Entscheidenden Einfluss auf die Resonanzfrequenz des abstimmbaren Helmholtz-Resonators 4 haben nicht nur die Größe des Resonanzvolumens 3 und die Länge des Verbindungskanals 2 zur Brennkammer 1, sondern auch die Länge der Zuleitung 5 zum Regler 7 sowie die Temperatur der Steuerluft, d.h. des für das Aufblasen des Hohlkörpers 6 eingesetzten Gases. Die Zusammenhänge sind jedoch relativ komplex. Als Leitlinie kann angegeben werden, dass der mit der Vorrichtung regelbare Frequenzbereich mit zunehmender Temperaturdifferenz der im Helmholtz-Resonator 4 aneinander grenzenden Gase - Verbrennungsluft im Resonanzvolumen 3 und Steuerluft im Hohlkörper 6 - vergrößert wird. Durch geeignete Wahl bzw. Anpassung der Temperatur der eingesetzten Steuerluft zum Aufblasen des Hohlkörpers 6 kann dieser Frequenzbereich somit vergrößert werden.
    Die Abstimmung des Resonanzvolumens 3 erfolgt über den automatischen Regler 7, der, wie bereits angeführt, je nach Frequenzlage der höchsten Schwingungsamplitude in der Brennkammer den Faltenbalg 6 vergrößert oder verkleinert. Da sich die Lage dieser Amplitude auf der Frequenzachse beim Betrieb des Brenners nur innerhalb eines relativ schmalen Bandes ändert, ist keine besonders schnelle Regelung erforderlich, um eine optimale Anpassung zu erzielen.
    Figur 3 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel für eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Beispiel ist der Hohlkörper 6 nicht innerhalb des Helmholtz-Resonators 4 angeordnet, sondern grenzt an eine positionsveränderbare Wandung 11 dieses Resonators 4 an. Das Funktionsprinzip ist das Gleiche wie im Zusammenhang mit Figur 2 bereits erläutert. Bei dieser Ausführungsform ist der Helmholtz-Resonator 4 ebenso wie der Hohlkörper 6 - zumindest teilweise - als Faltenbalg ausgeführt, wobei eine Stirnfläche des Helmholtz-Resonators 4 an eine Stirnfläche des Hohlkörpers 6 angrenzt. Die gegenüberliegende Stirnfläche des Hohlkörpers 6 ist an einer entsprechenden Verankerung 9 im Druckgehäuse 8 fixiert.
    Wird bei dieser Ausführungsform der Hohlkörper 6 über die Zuleitung 5 und den Regler 7 aufgeblasen, so verschiebt sich die positionsveränderliche Wandung 11 des Helmholtz-Resonators 4 in der Figur nach links, so dass das Resonanzvolumen 3 verkleinert wird. Im umgekehrten Fall ergibt sich eine Verschiebung nach rechts, wobei das Resonanzvolumen 3 vergrößert wird. Für diese Verschiebung ist es allerdings erforderlich, dass ein Federmechanismus die positionsveränderbare Wandung 11 des Helmholtz-Resonators 4 gegen den Hohlkörper 6 drückt. Dieser Federmechanismus kann beispielsweise durch eine elastische Ausgestaltung des Wandmaterials des Faltenbalges erreicht werden. Alternativ kann hierfür eine Feder innerhalb des Helmholtz-Resonators 4 vorgesehen sein.
    Bezugszeichenliste
    1
    Brennkammer
    2
    Verbindungskanal
    3
    Resonanzvolumen
    4
    Helmholtz-Resonator
    5
    Zuleitung
    6
    Hohlkörper; Faltenbalg
    7
    Regler
    8
    Druckgehäuse
    9
    Verankerung
    10
    Luft vom Verdichteraustritt
    11
    positionsveränderbare Wandung

    Claims (8)

    1. Vorrichtung zur Dämpfung akustischer Schwingungen in einer Brennkammer (1), bestehend aus einem Helmholtz-Resonator (4) mit einem Resonanzvolumen (3) und einem Verbindungskanal (2), über den die Brennkammer (1) mit dem Resonanzvolumen (3) verbunden werden kann,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (4) einen durch Zuführen oder Ablassen eines Fluids über eine Zuleitung (5) im Volumen veränderbaren Hohlkörper (6) beinhaltet oder derart an diesen angrenzt, dass sich das Resonanzvolumen (3) des Helmholtz-Resonators (4) bei einer Änderung des Volumens des Hohlkörpers (6) verändert.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass der im Volumen veränderbare Hohlkörper (6) ein aufblasbarer temperaturfester Ballon ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass der im Volumen veränderbare Hohlkörper (6) ein aufblasbarer metallischer Faltenbalg ist.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung des Hohlkörpers (6) im Helmholtz-Resonator (4) die Zuleitung (5) durch eine Durchführung in einer Wandung des Helmholtz-Resonators (4) verläuft.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator (4) zumindest eine positionsveränderbare Wandung (11) aufweist, an die der Hohlkörper (6) angrenzt, sowie einen Federmechanismus, mit der die Wandung (11) gegen den Hohlkörper (6) gedrückt wird.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass an der Zuleitung (5) ein Regler (7) angeordnet ist, der das Zuführen oder Ablassen des Fluids über die Zuleitung (5) in Abhängigkeit von der Frequenz der jeweils höchsten Schwingungsamplitude in der Brennkammer (1) regelt.
    7. Brennkammeranordnung mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Brennkammer (1) und der Helmholtz-Resonator (4) innerhalb eines Druckgehäuses (8) einer Gas- oder Dampfturbine angeordnet sind,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (5) zum Hohlkörper (6) durch das Druckgehäuse (8) nach außen geführt ist.
    8. Brennkammeranordnung nach Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (5) derart angeordnet ist, dass ihr Verdichterluft der Gas- oder Dampfturbine zuführbar ist.
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