DE19640980B4

DE19640980B4 - Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer

Info

Publication number: DE19640980B4
Application number: DE19640980A
Authority: DE
Inventors: Jakob Prof. Dr. Keller
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2016-10-05
Also published as: DE19640980A1

Abstract

Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer (3), insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine, umfassend einen Helmholtz-Resonator mit einem Resonanzvolumen (50) und einem Dämpfungsrohr (52), durch welches das Resonanzvolumen (50) mit der Brennkammer (3) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wandung des Resonanzvolumens (50) in an sich bekannter Weise als mechanische Feder (54) ausgebildet ist, und an mindestens einer schwingenden Wandung des Resonanzvolumens (50) mechanische Massen (53) angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer, insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine, umfassend einen Helmholtz-Resonator mit einem Resonanzvolumen und einem Dämpfungsrohr, durch welches das Resonanzvolumen mit der Brennkammer in Verbindung steht.
Stand der Technik
Für die schadstoffarme Verbrennung eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs hat sich in letzter Zeit die sogenannte "magere Vormischverbrennung" durchgesetzt. Dabei werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft möglichst gleichmässig vorgemischt und erst dann der Flamme zugeführt. Wird dies mit hohem Luftüberschuss vollzogen, wie dies bei Gasturbinenanlagen üblich ist, so entstehen relativ niedrige Flammentemperaturen, was wiederum zu der gewünschten, geringen Bildung von Stickoxyden führt. Brennkammern der Vormischbauart sind beispielsweise bekannt aus der EP-A1-387 532 . Dort sind Vormischbrenner der Doppelkegelbauart an einer Frontplatte am Kopfende der Brennkammer angeordnet.
Moderne hochbelastete Gasturbinen erfordern zunehmend komplexere und wirkungsvollere Kühlmethoden. Um niedrige NO_x-Emissionen zu erzielen, wird versucht, einen zunehmenden Anteil der Luft durch die Brenner selbst zu leiten. Dieser Zwang zur Reduktion der Kühlluftströme ergibt sich aber auch aus Gründen, die mit der zunehmenden Heissgastemperatur beim Eintritt einer modernen Gasturbine in Zusammenhang stehen.
Bei konventionellen Brennkammern spielt die Kühlung in der Regel eine äusserst wichtige Rolle für die Schalldämpfung der Brennkammer. Die oben erwähnte Reduktion des Kühlluftmassenstroms gepaart mit einem stark erhöhten Druckverlustbeiwert der gesamten Brennkammerwandkühlung führt nun zu einer fast völligen Unterdrückung der Schalldämpfung. Die Folge dieser Entwicklung ist ein zunehmender Vibrationspegel in modernen LOW-NO_x-Brennkammern.
Deshalb werden in derartigen modernen Brennkammern thermoakustische Schwingungen angeregt durch eine sich aufschaukelnde Wechselwirkung zwischen thermischen und akustischen Störungen. Es können dabei unerwünscht grosse Schwingungsamplituden auftreten, wenn akustische 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. Diese Problematik ist verstärkt, da auf Kühlluftöffnungen in der Brennkammer, welche die Druckpulsationen dämpfen würden, so weit wie möglich verzichtet wird.
Bei Gasturbinen-Brennkammern tritt (je nach Grösse der Brennkammer) typischerweise eine schmalbandige Anregung hoher Amplitude im Frequenzbereich von 100 bis 250 Hz auf. Diese Anregung kann mittels sogenannter Helmholtz-Resonatoren gedämpft werden, wobei die Frequenz des Helmholtz-Reso nators genau auf die Frequenz der Brennkammerschwingung abgestimmt werden muss.
Die Erfahrung zeigt nun aber, dass je nach Betriebsbedingungen (Vollast/Teillast, Umgebungstemperatur, Brennstoff/Luft-Verhältnis, Gas- oder Oelbetrieb, etc.) die Brennkammerfrequenz um bis zu ca. 20% variieren kann. Auf der anderen Seite ist auch die Frequenz im Helmholtz-Resonator abhängig von den Betriebsbedingungen: Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Helmholtzfrequenz bei steigenden Pulsationsamplituden aufgrund der Temperaturerhöhung im Helmholtzvolumen um bis zu 19% zu höheren Werten hin verschieben kann. Es ist aber bekannt, dass bereits durch geringfügige Differenzen zwischen den beiden Frequenzen die Dämpfungsleistung massiv reduziert wird.
Abhilfe schafft hier die Anwendung eines sogenannten gespülten Helmholtz-Resonators. Im Zusammenhang mit einer Brennkammer der Vormischbauart ist in der EP-A-0 597 138 bereits vorgeschlagen worden, einen solchen gespülten Helmholtz-Resonator einzusetzen. Bei minimalstem Kühlluftverbrauch soll durch Dämpfung der thermoakustisch angefachten Schwingungen die Schalldämpfung der Brennkammer damit wesentlich verstärkt werden. Hierzu sind die aus Zuführrohr, Resonanzvolumen und Dämpfungsrohr bestehende Helmholtz-Resonatoren im unmittelbaren Bereich der Brenner angeordnet. Der Vorteil ist unter anderem darin zu sehen, dass durch die Nähe des Helmholtz-Resonators zu den Verbrennungszonen die in den Flammenfronten entstehenden thermoakustischen Schwingungen besonders intensiv gedämpft werden. Das Zuführrohr und das Dämpfungsrohr sind bei diesen Helmholtz-Resonatoren etwa gleich lang ausgeführt. Der Durchmesser des Zuführrohres wird derart auf den Durchmesser des Dämpfungsrohres abgestimmt, dass der Luftmassenstrom, der aufgrund des Druckabfalls über der Brennkammerwand durch den Helmholtz-Resonator strömt, zu einer ausreichenden Konstanthaltung der Lufttemperatur des Dämpfers aufgrund der Wärmeübertragung aus der Brennkammer führt.
Weitere gespülte Helmholtz-Resonatoren sind im Zusammenhang mit Raketenmotoren aus der FR-A-2 570 129 bekannt.
Wie in der später zu beschreibenden 1 ersichtlich ist, sind bei modernen Gasturbinen die Platzverhältnisse hinsichtlich der geeigneten Plazierung von Helmholtz-Resonatoren derart beengt, dass der Einbau von leistungsstarken Schalldämpfern im Ausgleichvolumen stromaufwärts der Brennkammer problematisch ist. Desweiteren hat man bereits Brennkammern ausgemessen, bei denen eine Anregung hoher Amplitude im Frequenzbereich deutlich unter 100 Hz gemessen wurde. Zur Schalldämpfung derart tiefer Schwingungsfrequenzen werden grossvolumige Helmholtz-Resonatoren benötigt, deren Dämpfungsleistung dennoch ungenügend ist.
Nun ist es auf dem einschlägigen Fachgebiet an sich bekannt, das Schwingungsdämpfungsverhalten von Helmholtz-Dämpfern durch Ausstattung mit elastischen Wänden, sei es in Form eines Balgs, wie in DE 43 36 112 offenbart, oder in Form elastischer Zwischenwände, wie in DE 10 52 169 offenbart, zu beeinflussen. Diese Erkenntnis kann sowohl im Hinblick auf eine Änderung der Eigenfrequenz des Resonators zu dem Zwecke einer Anpassung an unterschiedliche Anregungsfrequenzen ausgenutzt werden, wie auch im Hinblick auf eine Beschränkung des Ausgleichsvolumens mit der Folge einer Begrenzung auf niedrigere Dimensionen des Dämpfers.
Darstellung der Erfindung
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, aufbauend auf die vorgenannten Erkenntnisse, eine Dämpfungsvorrichtung anzugeben mit einem Helmholtz-Resonator, der bei unveränderter Baugrösse erheblich leistungsstärker ist.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens eine Wandung des Resonanzvolumens als mechanische Feder ausgebildet ist, und dass an mindestens einer schwingenden Wandung des Resonanzvolumens mechanische Massen angeordnet sind.
Der Kern der Erfindung besteht also darin, die Vorrichtung mit einem mechanischen Masse/Feder-System zu kombinieren. Dabei soll das Masse/Feder-System eine leicht höhere Eigenfrequenz aufweisen als das kombinierte System. Bei unveränderter Baugrösse kann damit die Dämpfungsleistung des neuen Helmholtz-Resonators um ein bis zwei Grössenordnungen gesteigert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einwelligen axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.
Es zeigen:
1 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine;
2 das Prinzip eines durchströmten Helmholtz-Resonators;
3–7 Ausführungsbeispiele von Helmholtz-Resonatoren;
8 ein Diagramm Resonatorfrequenz in Abhängigkeit von der schwingenden Federmasse.
Von der Anlage sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Anlage, von der in 1 nur die oberhalb der Maschinenachse 10 liegende Hälfte dargestellt ist, besteht gasturbinenseitig (1) im wesentlichen aus dem mit Laufschaufeln beschaufelten Rotor 11 und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger 12. Der Schaufelträger ist im Turbinengehäuse 13 eingehängt.
Im dargestellten Fall umfasst das Turbinengehäuse 13 ebenfalls den Sammelraum 15 für die verdichtete Brennluft. Aus diesem Sammelraum gelangt ein Teil der Brennluft durch eine gelochte Abdeckung 30 in Pfeilrichtung direkt in die Ringbrennkammer 3 ein, welche ihrerseits in den Turbineneinlass, d.h. stromaufwärts der ersten Leitreihe mündet. In den Sammelraum gelangt die verdichtete Luft aus dem Diffusor 22 des Verdichters 2. Von letzterem sind lediglich die vier letzten Stufen dargestellt. Die Laufbeschaufelung des Verdichters und der Turbine sitzen auf der gemeinsamen Welle 11, Deren Mittelachse stellt die Längsachse 10 der Gasturbineneinheit dar.
Die Brennkammer 3 ist an ihrem Kopfende mit Vormischbrennern 20 bestückt, wie sie beispielsweise aus der eingangs genannten EP-A1-387 532 bekannt sind. Am Austritt dieser Brenner stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreiringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht eine definierte kalottenförmige Rückströmzone, an deren Spitze die Zündung erfolgt.
Anlässlich der Verbrennung erreichen die Verbrennungsgase sehr hohe Temperaturen, was besondere Anforderungen an die zu kühlenden Brennkammerwandungen darstellt. Dies gilt umsomehr, wenn sogenannte Low NO_x-Brenner, beispielsweise die hier zugrundegelegten Vormischbrenner zur Anwendung gelangen, welche bei relativ bescheidenen Kühlluftmengen grosse Flammrohroberflächen erfordern. Stromabwärts der Brennermündungen erstreckt sich der ringförmige Verbrennungsraum bis zum Turbineneintritt. Er ist sowohl innen als auch aussen begrenzt durch zu kühlende Wandungen, welche in der Regel als selbsttragende Strukturen konzipiert sind.
Die vorliegende Brennkammer ist mit 72 der genannten Brenner 20 bestückt. Je zwei Brenner sind radial übereinanderliegend auf einem Frontsegment 31 angeordnet. 36 von solchen aneinanderliegenden Frontsegmenten bilden einen geschlossenen Kreisring, welcher auf diese Art einen Hitzeschild bildet. Die beiden Brenner von benachbarten Frontsegmenten sind jeweils radial versetzt. Dies bedeutet, dass der radial äussere Brenner jedes zweiten Frontsegmentes unmittelbar an die äussere Ringwand der Brennkammer angrenzt. Die radial inneren Brenner der andern Frontsegmente sind demnach in unmittelbarer Nähe der inneren Ringwand angeordnet, wie dies in 1 gezeigt ist. Hieraus ergibt sich eine ungleichmässige thermische Belastung der entsprechenden Ringwände über dem Umfang.
Am freien, nicht mit einem Brenner belegten Ende jedes Frontsegmentes 31 ist nunmehr zur Schalldämpfung der Brennkammer ein gespülter Helmholtzresonator 21 untergebracht. Gemäss den 3–7 besteht ein solcher Helmholtz-Resonator im wesentlichen aus dem eigentlichen Resonanzvolumen 50, einer Lufteinlassöffnung zum Helmholtzvolumen, die hier als Zuführrohr 51 ausgebildet ist, sowie einem in das Brennkammerinnere mündenden Dämpfungsrohr 52. Die Spülluft bezieht der Dämpfer aus dem Kopfraum 49.
Zur Funktionsfähigkeit des Helmholtzresonator sind die Zuführrohre 51 so dimensioniert, dass sie für die Luftströmung einen relativ hohen Druckabfall verursachen. Durch die Dämpfungsrohre 52 hingegen gelangt die Luft bei niedrigem Restdruckabfall in das Brennkammerinnere. Die Begrenzung des Druckabfalls in den Dämpfungsrohren ergibt sich aus der Forderung, dass auch bei ungleichmässiger Druckverteilung auf der Innenseite der Brennkammerwand stets eine ausreichende Luftströmung in die Brennkammer hinein gewährleistet bleibt. Selbstverständlich darf an keiner Stelle Heissgas in umgekehrter Richtung in das Helmholtzresonator eindringen.
Die Dimensionierung eines üblichen gespülten Helmholtzdämpfers ergibt sich aus den Forderungen, dass der Phasenwinkel zwischen den Schwankungen der Dämpfungsluft-Massenströme durch die Zufuhr- und Dämpfungsrohre etwa gleich π sein soll, und dass der Phasenwinkel zwischen der Schwankung des Massenstromes im Dämpferrohr und der Druckschwankung in der Brennkammer etwa gleich π sein soll, also gegenphasig. Für eine harmonische Schwingung mit vorgegebener Frequenz auf der Innenseite der Brennkammerwand bedeutet diese Forderungen, dass die Dimensionierung des Dämpfers so sein soll, dass die Helmholtz-Frequenz des Resonators, der durch das Volumen 50 und die Öffnungen 51 und 52 gebildet wird, der Frequenz der zu dämpfenden Brennkammerschwingung entspricht.
Das Zuführrohr 51 bestimmt den Druckabfall. Die Geschwindigkeit am Ende des Zuführrohres stellt sich so ein, dass der dynamische Druck des Strahles zusammen mit den Verlusten dem Druckabfall über der Brennkammer entspricht. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Dämpfungsrohr kann im vorliegenden Fall einer Gasturbinenbrennkammer typisch 2 bis 4 m/s betragen bei idealer Auslegung. Sie ist also sehr klein im Vergleich zur Schwingungsamplitude, was bedeutet, dass die Luftteilchen sich im Dämpfungsrohr pulsierend vorwärts und rückwärts bewegen. Dennoch wird nur gerade soviel Luft durchströmen lassen, dass ein nennenswertes Aufheizen des Resonators vermieden wird. Eine Aufheizung durch Strahlung aus dem Bereich der Brennkammer hätte zur Folge, dass die Frequenz nicht stabil bleibt. Die Durchspülung soll deshalb lediglich die eingestrahlte Wärmemenge abführen.
Entscheidend für die Stabilisierung einer thermoakustischen Schwingung ist der Ort der Dämpfung. Stärkste Anfachung tritt dann auf, wenn die Reaktionsrate und die Druckstörung in Phase schwingen. Die stärkste Reaktionsrate tritt in der Regel in der Nähe des Zentrums der Verbrennungszone auf. Deshalb wird auch dort die höchste Reaktionsratenschwankung sein, falls eine solche stattfindet. Als günstig wirkt sich hierbei die vorliegende Anordnung der Dämpfer am radial äusseren respektiv inneren Ende der Frontsegmente aus, da auf diese Art der jeweilige Dämpfer sich inmitten von drei Brennern befindet.
Die grundsätzlichen Merkmale eines durchströmten Helmholtzresonators, wie er in einer Brennkammer, aber auch überall sonst, Anwendung finden kann, sind in 2 dargestellt. Der Resonator besteht im wesentlichen aus dem Zuführrohr 51, dem Resonazvolumen 50 und dem Dämpfungsrohr 52. Das Zuführrohr 51 bestimmt den Druckabfall. Die Geschwindigkeit am Ende des Zuführrohres stellt sich so ein, dass der dynamische Druck des Strahles zusammen mit den Verlusten dem Druckabfall über der Brennkammer entspricht. Es wird nur so viel Luft zugeführt, dass das Dampferinnere sich nicht aufheizt. Eine Aufheizung durch Strahlung aus dem Bereich der Brennkammer hätte zur Folge, dass die Frequenz nicht stabil bleibt. Die Durchspülung soll deshalb lediglich die eingestrahlte Wärmemenge abführen.
Um die Leistung des Helmholtzresonators zu steigern, hat es sich als zweckmässig erwiesen, die beiden Enden des Dämpfungsrohres 52 nicht scharfkantig auszuführen, sondern mit einer Abrundung zu versehen. Deren Krümmungsradien am Eintritt und am Austritt sind so bemessen, dass die Strouhalzahl, die aus einem solchen Krümmungradius, aus der Geschwindigkeitsamplitude im Dämpfungsrohr und aus der Schwingungsfrequenz gebildet wird, vorzugswesise den Wert 0,2 überschreitet. Mit dieser Massnahme wird unter anderm erreicht, dass die Strömung am Eintritt und am Austritt des Dämpfungsrohres nicht völlig ablöst, wie das bei scharfkantigem Ein- und Austritt der Fall ist. Die Eintritts- und Austrittsverluste werden niedriger, wodurch die pulsierende Strömung wesentlich verlustärmer wird. Diese verlustarme Gestaltung führt zu sehr hohen Schwingungsamplituden, was wiederum zur Folge hat, dass der angestrebte hohe Strahiverlust an den Enden des Dämpfungsrohres weiter gesteigert wird. Anders ausgedrückt, das Anwachsen der Amplitude überkompensiert die Absenkung des Verlustbeiwertes. Im Ergebnis erzielt man einen Helmholtzresonator, der das zweifache bis dreifache an Dämpfungsleistung aufweist verglichen mit den an sich bekannten durchströmten Resonatoren.
Zur Vergrösserung des Dämpfungsvermögens ist nunmehr vorgesehen, den Helmholtz-Resonator mit einem Masse/Feder-System auszurüsten. Diese Massnahme führt zu einer virtuellen Vergrösserung des Resonanzvolumens.
In den 3 bis 7 sind mehrere Ausführungsbeispiele hierzu dargestellt:
Der Helmholtz-Resonator besteht jeweils aus einem Resonanzvolumen 50 und einem Dämpfungsrohr 52, durch welches das Resonanzvolumen 50 mit der Brennkammer 3 in Verbindung steht. Das Dämpfungsrohr 52 ist bei allen Ausführungen am gleichen Frontsegment 31 der Brennkammer angeordnet wie die Brenner 20. An seinem anderen Ende mündet das Dämpfungsrohr 52 in einen stationären Flansch 55 des Resonanzvolumens. Abgesehen von der Ausführung nach 4 ist an diesem stationären Flansch auch das Zuführrohr 51 für die Spülluft befestigt. Die Spülluft wird dem Plenum 49 entnommen. Der Flansch 55 ist durch nicht dargestellte Mittel ebenfalls am Frontsegment 31 befestigt.
Die in der Regel zylindrische Wandung des Resonanzvolumens ist in den Beispielen nach 3, 4 und 5 als mechanische Feder (54) ausgebildet. Sie besteht aus einem elastischen Balgelement 54a, resp 54b, 54c, welches an seinem der Brennkammer 3 zugekehrten Ende mit dem stationären Flansch 55 verbunden ist. Im Beispiel nach 4 mündet das Zuführrohr 51 über das Balgelement 54b in das Resonanzvolumen. Im Beispiel nach 7 besteht die Feder bei ebenfalls zylinderförmigen Resonanzvolumen 50 aus einer Mehrzahl von gasdicht zusammengehefteten Tellerfedern 54e, und ist ebenfalls an ihrem der Brennkammer 3 zugekehrten Ende mit dem stationären Flansch 55 verbunden.
An ihrem der Brennkammer 3 abgewandten Seite ist bei allen Ausführungen die Feder mit einem schwingenden Flansch 56 verbunden. Die totale Masse des schwingenden Flansches wird durch zusätzliche mechanische Massen 53 getrimmt, welche auf geeignete, vorzugsweise lösbare Art am Flansch 56 befestigt sind.
Gemäss 6 ist die dem Dämpfungsrohr 52 abgewandte Seite des Resonanzvolumens 50 als elastische Membrane oder Scheibe 54d mit grossem Durchmesser ausgebildet, an welcher die mechanische Masse 53 befestigt ist.
Die Wahl eines geeigneten Helmholtz-Resonators ist letzlich abhängig von den geometrischen Gegebenheiten am Aufstellungsort. Berücksichtigt werden ausserdem die Bedingungen hinsichtlich der Elastizitätskonstanten und das Erfordernis einer unbegrenzten Lebensdauer der Feder bei gegebener Schwingungsamplitude.
Die Feintrimmung des Helmholtz-Resonators über eine Anpassung der anzubringenden federnden Masse, d.h. über eine Veränderung des virtuellen Resonanzvolumens, ist viel einfacher als beim einem herkömmlichen Helmholtz-Resonator, bei welchem zur Frequenzanpassung das Resonanzvolumen und/oder die Länge des Dämpfungsrohres verändert werden müssen.
In der Annahme, dass die Luftdichte im Resonanzvolumen 50 und im Dämpfungsrohr 52 gleich gross ist, lautet die verallgemeinerte Helmholtzgleichung: ω = c√A/VV·L
Hierin bedeuten:

ω: die Helmholtz-Resonator-Kreisfrequenz
c: die Schallgeschwindigkeit im Resonanzvolumen
A: der Summenquerschnitt des Dämpfungsrohres und des Zuführrohres
L: die Länge des Dämpfungsrohres (bzw. des Zuführrohres)
VV: das virtuelle Resonanzvolumen

Das virtuelle Resonanzvolumen ist folgendermassen definiert:
Hierin bedeuten:

V: das tatsächliche Volumen des Resonanzvolumen
ρ: die Luftdichte im Resonanzvolumen
k: die Federkonstante
A_F ²: der tatsächliche Querschnitt, auf den der Druck im Resonanzvolumen wirkt
m: die tatsächlich schwingende Masse

Im Beispielsfall der 3 und 6 entspricht A_F ² dem Querschnitt des Resonanzvolumens.
Aus der obigen Gleichung ergibt sich, dass eine Vergrösserung des massgeblichen Querschnitts A_F ² zu einer Erhöhung der Dämpfungsleistung führt.
Bei alldem ist es angebracht, die Eigenfrequenz der Feder etwas grösser zu wählen als die Resonanzfrequenz des Dämpfers. Als Beispiel sei angegeben, dass eine Feder-Eigenfrequenz von 50 Hz geeignet ist zur Dämpfung einer Resonanzschwingung von 40 Hz.
8 zeigt, wie sich die Resonanzfrequenz des neuen Systems ändert unter Verwendung solcher Federwerte und in Abhängigkeit der Federmasse. Zugrundegelegt sind dabei folgende Systemparameter:
Schallgeschwindigkeit c = 520 m/s
Querschnitt des Dämpfungsrohres A = 0,00105 m²
Länge des Dämpfungsrohres L = 0,2 m
tatsächliches Resonanzvolumen V = 0,002 m³
Luftdichte im Resonanzvolumen ρ = 6,21 kg/m³
beaufschlagter Federquerschnitt A_F ² = 0,02 m²
Federkonstante k = 10⁵ kg/s²
Es ist damit zu erkennen, dass man allein mit der Federmasse ein einfaches Mittel in der Hand hat, bei sonst unveränderter Konfiguration des Helmholtz-Resonators eine Feinabstimmung auf die gewünschte Frequenz durchzuführen.

1: Gasturbine
2: Verdichter
3: Brennkammer
10: Maschinenachse
11: Rotor
12: Schaufelträger
13: Turbinengehäuse
15: Sammelraum
20: Brenner
21: Helmholtz-Resonator
22: Diffusor von 2
30: Abdeckung
31: Frontsegment
49: Kopfraum
50: Resonanzvolumen
51: Zuführrohr
52: Dämpfungsrohr
53: mechanische Masse
54a, b, c: mechanische Feder, Balgelement
54d: mechanische Feder, Membrane
54e: mechanische Feder, Tellerfeder
55: stationärer Flansch
56: schwingender Flansch

Claims

Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer (3), insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine, umfassend einen Helmholtz-Resonator mit einem Resonanzvolumen (50) und einem Dämpfungsrohr (52), durch welches das Resonanzvolumen (50) mit der Brennkammer (3) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wandung des Resonanzvolumens (50) in an sich bekannter Weise als mechanische Feder (54) ausgebildet ist, und an mindestens einer schwingenden Wandung des Resonanzvolumens (50) mechanische Massen (53) angeordnet sind.
Helmholtz-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Masse/Feder-System eine höhere Eigenfrequenz aufweist als ein starrer ungefederter Helmholtz-Resonator mit gleichem Volumen.
Helmholtz-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder ein elastisches Balgelement (54a, b, c) ist.
Helmholtz-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei zylinderförmigem Resonanzvolumen (50) die Feder aus einer Mehrzahl von gasdicht zusammen gehefteten Tellerfedern (54e) besteht.
Helmholtz-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Dämpfungsrohr (52) abgewandte Seite des Resonanzvolumens (50) als elastische Membran (54d) ausgebildet ist, an welche die mechanische Masse (53) angekoppelt ist.
Helmholtz-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzvolumen (50) mit einem Zuführrohr (51) für ein Spülmittel ausgerüstet ist.
Helmholtz-Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführrohr (51) von einem die Brennkammer (3) umgebenden Plenum (49) angespeist ist.