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1. WO2011134713 - BRENNERSYSTEM ZUR DÄMPFUNG EINES BRENNERSYSTEMS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Brennersystem zur Dämpfung eines Brennersystems

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem mit zumindest zwei benachbarten Brennern, von denen jeder zumindest eine

Brennkammer und ein Kopfende aufweist, wobei letzteres zumindest eine Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischung umfasst, wobei der Brenner stromaufwärts vor der Kraftstoff-Luft Vormischung ein Plenum aufweist wobei das Plenum durch eine Plenumswand mit einer Plenumsoberwand und einer in Strömungsrichtung weisenden Plenumsseitenwand begrenzt ist, wobei die Plenumsoberwand in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei die

Plenumsseitenwand zumindest teilweise in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei die

Plenumswand eine dem Plenum zugewandte Seite und eine dem Plenum abgewandte Seite aufweist.

Eine Gasturbinenanlage umfasst im einfachsten Fall eine

Verdichter, eine Brennkammer sowie eine Turbine. Im

Verdichter erfolgt ein Verdichten von angesaugter Luft, welcher anschließend ein Brennstoff beigemischt wird. In der Brennkammer erfolgt eine Verbrennung des Gemisches, wobei die Verbrennungsabgase der Turbine zugeführt werden, von der den Verbrennungsabgasen Energie entzogen und in mechanische

Energie umgesetzt wird.

Schwankungen in der Brennstoffqualität und sonstige

thermische oder akustische Störungen führen jedoch zu

Schwankungen in der freigesetzten Wärmemenge. Dabei liegt eine Wechselwirkung von akustischen und thermischen Störungen vor, die sich aufschwingen können. Derartige thermoakustische Schwingungen in den Brennkammern von Gasturbinen - oder auch Strömungsmaschinen im allgemeinen - stellen ein Problem bei dem Entwurf und bei dem Betrieb von neuen Brennkammern, Brennkammerteilen und Brennern für derartige

Strömungsmaschinen dar.

Um Schadstoffemissionen zu verringern, wird in modernen

Anlagen der Kühlmassenstrom verringert. Dadurch wird auch die akustische Dämpfung verringert, so dass thermoakustische Schwingungen zunehmen können. Dabei kann es zu einer sich aufschaukelnden Wechselwirkung zwischen thermischen und akustischen Störungen kommen, die hohe Belastungen der

Brennkammer und steigende Emissionen verursachen können.

Wesentlich beeinflusst werden diese thermoakustisch hervorgerufenen Instabilitäten durch die akustischen Eigenschaften des Brennraumes und die am Brennraumeintritt und Brennraumaustritt sowie an den Brennkammerwänden vorliegenden Randbedingungen. Zur Verringerung von thermoakustischen

Schwingungen werden deshalb im Stand der Technik z.B.

Helmholtz-Resonatoren zur Dämpfung eingesetzt, die die

Amplitude von Schwingungen bestimmter Frequenzen dämpfen. Ein Helmholtz-Resonator umfasst in der Regel ein Volumen mit darin befindlicher Luft oder einem anderen Gas. An das

Volumen schließt sich ein Hals, der sog. Resonatorhals an, in dem sich ebenfalls Luft bzw. Gas befindet und das in die Brennkammer mündet. Die Luft bzw. das Gas im Volumen und im Resonatorhals bilden ein Feder-Masse-System, wobei die Luft bzw. das Gas im Volumen die Feder und die Luft bzw. das Gas im Resonatorhals die Masse bildet. Wenn das Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch das Volumen, die Querschnittsfläche des Resonatorhalses und die Länge des Resonatorhalses bestimmt ist, verhält sich der Helmholtz-Resonator wie eine Öffnung mit unendlicher Länge, die verhindert dass sich eine stehende Welle mit der

Resonanzfrequenz ausbilden kann.

Die WO 93/10401 AI zeigt eine Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer Brennkammer einer Gas-turbinenanlage . Ein Helmholtz-Resonator ist mit einer Brennstoffzuführleitung strömungstechnisch verbunden. Die akustischen Eigenschaften der Zuführleitung bzw. des akustischen Gesamtsystems werden hierdurch so verändert, dass Verbren- nungsschwingungen unterdrückt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Maßnahme nicht in allen Betriebszuständen ausreicht, da es auch bei einer Unterdrückung von Schwingungen in der Brennstoffleitung zu Verbrennungsschwingungen kommen kann.

Die WO 03/074936A1 zeigt eine Gasturbine, mit einem Brenner, der in eine Brennkammer mündet, wobei diese Mündung

ringförmig von einem Helmholtz-Resonator umgeben ist.

Hierdurch werden Verbrennungsschwingungen durch engen Kontakt zur Flamme effektiv gedämpft, wobei gleichzeitig

Temperaturungleichmäßigkeiten vermieden werden. In dem

Helmholz-Resonator sind Röhrchen angebracht, welche eine Frequenzanpassung bewirken.

In der EP 0 597 138 AI ist eine Gasturbinen-Brennkammer beschrieben, die im Bereich der Brenner luftgespülte Helmholtz-Resonatoren aufweist. Die Resonatoren sind alternierend an der Stirnseite der Brennkammer zwischen den Brennern angeordnet. Durch diese Resonatoren wird Schwingungsenergie von in der Brennkammer auftretenden Verbrennungsschwingungen absorbiert und die Verbrennungsschwingungen werden hierdurch gedämpft .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe eines Brennersystems, welche zur Dämpfung von

Verbrennungsschwingungen einsetzbar ist und welche die obige Problematik vermeidet.

Dazu weist ein Brennersystem zumindest zwei benachbarte

Brenner auf, von denen jeder zumindest eine Brennkammer und ein Kopfende aufweist, wobei letzteres zumindest eine

Kraftstoffeinspritzung sowie eine Kraftstoff-Luft Vormischun umfasst, wobei der Brenner stromaufwärts vor der Kraftstoff-Luft Vormischung ein Plenum aufweist wobei das Plenum durch eine Plenumswand mit einer Plenumsoberwand und einer in

Strömungsrichtung weisenden Plenumsseitenwand begrenzt ist, wobei die Plenumsoberwand in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei die Plenumsseitenwand zumindest teilweise in Strömungsrichtung gesehen vor dem Kopfende angeordnet ist, wobei die Plenumswand eine dem

Plenum zugewandte Seite und eine dem Plenum abgewandte Seite aufweist .

Es ist bekannt, dass die Leistung von Gasturbinen beim

Einsatz von Rohrbrennkammern durch das Auftreten von

thermoakustischen Schwingungen in diesen Brennkammern

begrenzt wird. Diese wurden bisher mit Helmholt z-Resonatoren vermindert. Bisher wurden nur Helmholtz Resonatoren mit fester Resonanzfrequenz eingesetzt. Diese Resonatoren wurden auf der Brennkammeraußenwand angebracht, um die akustischen Druckschwankungen im der Brennkammer zu dämpfen oder zu unterdrücken .

Die Resonanzfrequenz eines realen Helmholt z-Resonators ist näherungsweise gemäß der Gleichung

f c/ ( 2 π) (5/ (L* V) )

gegeben. Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit im Medium, V das Volumen der Resonatorkammer, L die Länge und S die Fläche des Resonatorhalses zwischen Resonatorkammer und Umgebung. Das Volumen V beeinflusst somit die Resonanzfrequenz des Resonators. Das Volumen in der Resonatorkammer verhält sich dabei wie eine Feder und die Fluidmasse im Hals wie die Masse eines mechanischen Feder-Masse-Systems. Der Resonator wirkt im idealen Fall als Tilger, indem er die ihm am

Resonatorhalsanfang aufgeprägte Druckschwingung zu einer anderen Frequenz als der in der Brennkammer erzeugten

verschiebt. In der Wirklichkeit verändern Einflüsse wie

Fluidreibung, etc. die Wirksamkeit der Resonatoren deutlich, so das sie nicht als Schalltilger , sondern als Schallabsorber wirken, wobei allerdings die Schallamplitude lediglich reduziert, und bei weitem nicht ausgelöscht werden kann.

Darüber hinaus kann durch diese Anordnung der wesentliche Anregungsmechanismus nicht unterbrochen werden. Druck- und Schallschnelle im Brenner selbst werden nicht beeinflusst.

Hier greift nun die Erfindung ein. Erfindungsgemäß weist die Plenumswand auf ihrer plenumsabgewandten Seite zumindest einen Resonator auf. Dies ist besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Resonatoren direkt auf der Brennkammer bzw. auf der Brennkammeraußenwand angebracht werden, da hier die Druckschwankungen schon im Plenum

verhindert bzw. unterdrückt werden. Dadurch werden Eigenmoden der Brennkammer vermieden oder zumindest vermindert.

Durch die Erfindung werden thermoakustische Schwingungen weitestgehend vereinfacht verhindert bzw. sogar vermieden und zudem auch Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich der

Kraftstoffeinspritzung/Kraftstoff-Luft Vormischung

verhindert .

Die Installation des Resonators an der Plenumswand ergibt gegenüber der Anbringung an der Brennkammer den Vorteil niedrigerer Temperaturen. Weiterhin ist eine Realisierung besonders einfach umsetzbar.

In bevorzugter Ausgestaltung weist der Resonator ein Volumen und einen Resonatorhals auf, wobei lediglich der

Resonatorhals Öffnungen zum Plenum aufweist. Eine

Durchströmung der Resonatoren mit Kühlluft ist nämlich nicht notwendig. Damit entfallen die Kühlluftlöcher auf der

Rückseite der Resonatoren, die die Wirksamkeit der

Resonatoren vermindern.

Mittels detaillierter Analysen der Modenverteilung im

Verbrennungssystem wurde erkannt, dass auch die

Schalldruckverteilung im Plenum stromauf des Brenners einen merklichen Einfluss auf die Schalldrücke in der Brennkammer hat. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch Unterdrückung der Druckschwankungen im Plenum die Ausbildung der typischen Eigenmoden der Brennkammer ebenfalls vermindert bzw. ganz verhindert werden kann. Dies wird nun durch die Anbringung eines Resonators auf der plenumsabgewandten Seite der

Plenumswand erzielt, die dadurch die Druckschwingung im

Plenum unterdrücken. Darüber hinaus werden zudem auch

Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich der

Kraftstoffeinspritzung/Kraftstoff-Luft Vormischung

verhindert .

Bevorzugt ist die die Plenumsseitenwand zumindest teilweise um das Kopfende herum angeordnet, und dass dabei die

Plenumsseitenwand in einer radialen Richtung vom Kopfende beabstandet ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist durch die Plenumsseitenwand und das Kopfende ein Kanal ausgebildet. Durch diesen Kanal wird Verdichterluft zu dem Plenum

geleitet. Diese Verdichterluft kühlt somit die Außenseite der Brennkammer und vermindert so eine Überhitzung der

Brennkammer. Idealerweise wird so die Verdichterluft

vorgewärmt, so dass eine stabilere Verbrennung stattfinden kann .

Bevorzugt ist der Resonator ein Helmholtz-Resonator . In bevorzugter Ausgestaltung weist der Helmholtz -Resonator einen Hals auf, welcher längenverstellbar ist. Dies kann beispielsweise über eine verstellbare Hülse realisiert werden. Somit können in der Brennkammer verschiedene

Frequenzen gedämpft werden.

Bevorzugt sind mehrere Brenner vorgesehen, wobei jeder

Brenner ein Plenum mit einer das Plenum begrenzenden

Plenumswand mit zumindest einem Resonator auf ihrer

plenumsabgewandten Seite aufweist. Somit können die

Schwingungen in der gesamten Gasturbine vermindert werden.

Vorteilhafterweise umfasst eine Gasturbine ein solches

BrennerSystem.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren .

Fig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbine in einem

Längsteilschnitt,

Fig. 2 zeigt einen Rohrbrenner mit Plenum,

Fig. 3 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Resonator,

Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt.

Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.

Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 6, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 7, eine Turbine 8 und das Abgasgehäuse 9.

Die Brennkammer 6 kommuniziert mit einem beispielsweise

Heißgaskanal 11. Dort bilden beispielsweise vier

hintereinander geschaltete Turbinenstufen 12 die Turbine 8.

Jede Turbinenstufe 12 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 13 gesehen folgt im Heißgaskanal 11 einer Leitschaufelreihe 15 eine aus Laufschaufeln 20 gebildete Reihe 25.

Während des Betriebes der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 5 durch das Ansauggehäuse 4 Luft 35 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 5

bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 7 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 13 in der Brennkammer 6 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 13 entlang des Heißgaskanals 11 vorbei an den Leitschaufeln 30 und den Laufschaufeln 20. An den Laufschaufeln 20 entspannt sich das Arbeitsmedium 13 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 20 den Rotor 3 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.

Vorzugsweise wird der Brenner 7 in Verbindung mit einer sogenannten Rohrbrennkammer 6 (Fig. 2) verwendet. Hierbei weist die Gasturbine 1 mehrere, ringförmig angeordnete

Rohrbrennkammern 6 auf, deren abströmseitigen Öffnungen in den ringförmigen Heißgaskanal 11 turbineneingansseitig münden. Dabei sind vorzugsweise an jeder dieser

Rohrbrennkammer mehrere, beispielsweise sechs oder acht, Brenner 7 an dem gegenüberliegenden Ende der abströmseitigen Öffnung der Rohrbrennkammer 6 zumeist ringförmig um einen Pilotbrenner angeordnet.

Figur 2 zeigt abschnittweise einen Rohrbrenner 7 schematisch. Der Brenner 7 umfasst ein Kopfende 51, ein Überleitkanal (Transition) 52, und dazwischen einen Liner 53. Dabei wird als „Kopfende (Head-End) 51" im Wesentlichen der

Teilabschnitt der Kraftstoffeinspritzung 55/Kraftstoff-Luft Vormischung 56 des Brenners bezeichnet. Der Liner 53

erstreckt sich vom Kopfende zu dem Transition 52 auf

beliebige Weise. Durch Liner 53 und Strömungsmantel 60 wird eine Ringpassage 57 ausgebildet durch die Verbrennungs-/Kühlluft 65 eingeströmt. Der Raum vor der

Kraftstoffeinspritzung 55 bzw. Kraftstoff / Luftvormischung 56 wird als Plenum 100 bezeichnet. Der Brenner 7 weist eine Plenumswand mit einer Plenumsoberwand 170 und einer

Plenumsseitenwand 150 auf. Dabei ist zumindest die

Plenumsoberwand 170 in Strömungsrichtung gesehen vor dem

Kopfende 51 angeordnet, wodurch zwischen der Plenumsoberwand 170 und dem Kopfende 51 ein Plenum 100 ausgebildet wird. Die Plenumswand weist eine dem Plenum zugewandte Seite 140 und eine dem Plenum abgewandte Seite 120 aufweist (Fig. 3) .

Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Brennersystem mit

zumindest einem Brenner 7 mit einer Brennkammer 6 und einem Kopfende 51. Detaillierte Untersuchungen der Modenverteilung in der Brennkammer 6 haben gezeigt, dass die

Schalldruckverteilung im Plenum 100 stromauf der Brennkammer 6 einen merklichen Einfluss auf die Schalldrücke in der

Brennkammer 6 hat. Durch Unterdrückung der Druckschwankungen im Plenum 100 kann die Ausbildung der typischen Eigenmoden der Brennkammer 6 ebenfalls vermindert bzw. ganz verhindert werden. Die Plenumswand weist daher erfindungsgemäß auf ihrer plenumsabgewandten Seite 120 zumindest einen Resonator 200 zumeist mehrere Helmholtz - Resonatoren 200 auf. Diese unterdrücken die Druckschwingungen im Plenum 100 vor der Brennkammer 6. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn es sich dabei um Rohrbrennkammern 6 handelt. Der Resonator 200 weist dabei einen Hals 201 auf, welcher längenverstellbar ist. Dies kann über eine verstellbare Hülse realisiert werden. Somit können verschiedene Frequenzen gedämpft werden.

Die Helmholtz-Resonatoren 200 sind an der plenumsabgewandten Plenumsseitenwand 120 vorgesehen. Dort ist eine Realisierung besonders einfach umsetzbar. Darüber hinaus werden so auch Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich der

Kraftstoffeinspritzung 55 und der Kraftstoff-Luft Vormischung 56 verhindert.

Vorteilhafterweise weist lediglich der Resonatorhals 201 Öffnungen zum Plenum 100 auf. Die Realisierung der Helmholtz-Resonatoren 200 im Bereich des Plenums 100 ergibt gegenüber der Anbringung an der Brennkammer den Vorteil niedrigerer Temperaturen als bei der Anbringung an der

Brennkammeraußenseite. Eine Durchströmung der Helmholtz-Resonatoren 200 mit Kühlluft ist daher nicht notwendig. Damit entfallen notwendige Kühlluftlöcher an den Helmholtz -Resonatoren 200, die die Wirksamkeit der Helmholtz -

Resonatoren 200 vermindern. Durch die geringeren Temperaturen und durch das Vermeiden, dass heißes Abgas in den Helmholtz -Resonator 200 strömt, ist es deutlich zudem einfacher, reibungs- und turbulenzerhöhende Einbauten im Resonatorhals 201 unterzubringen, was die Wirksamkeit des Helmholtz-Resonators 200 deutlich erhöht.