DE102010037078B4

DE102010037078B4 - Akustisch versteifte Gasturbinenbrennkammerzuführung

Info

Publication number: DE102010037078B4
Application number: DE102010037078.9A
Authority: DE
Inventors: Ilya Slobodyanskiy; John Joseph Lipinski; Dmitry Vladlenovich Tretyakov; Shiva Srinivasan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: JP2011052954A; CH701824A2; DE102010037078A1; US8661822B2; RU2009132684A; CN102003286A; JP5702564B2; RU2508506C2; CN102003286B; US20110048021A1; CH701824B1

Abstract

System (10), das aufweist:eine Turbinenmaschine, die aufweist:einen Verdichter (26);eine Turbine (20);eine Brennkammer (16), die stromabwärts von dem Verdichter (26) und stromaufwärts von der Turbine (20) angeordnet ist;ein Fluideinspritzsystem aufweisend eine Brennstoffzuführung (14), eine Verdünnungsmittelzuführung (40) und eine Luftzuführung (42), das eingerichtet ist, um Brennstoff (18), Luft (32) und Verdünnungsmittel (38) in die Brennkammer (16) einzuspritzen;einen Resonator (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie, der mit dem Brennstoffzuführung (14) und/oder der Verdünnungsmittelzuführung (40) und/oder der Luftzuführung (42) direkt fluidisch gekoppelt ist; undeine Steuereinrichtung (50), die eingerichtet ist, die Geometrie des Resonators (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie in Abhängigkeit von einer Rückmeldung eines Drucksensors (55) abzustimmen, um die Fluidzuführungsschwingungen zu dämpfen, wodurch die Größe der Druckschwingungen innerhalb der Brennkammer (16) verringert wird.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere eine akustisch versteifte Gasturbinenbrennkammerzuführung.
Allgemein verbrenne Gasturbinenmaschinen ein Gemisch aus komprimierter Luft und Brennstoff, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Eine Verbrennung kann in mehreren Brennkammern erfolgen, die radial ringsum die Längsachse der Gasturbinenmaschine angeordnet sind. Luft- und Brennstoffdrücke in jeder Brennkammer können mit der Zeit zyklisch variieren. Diese Schwankungen können Druckschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen erregen. Falls eines der Frequenzbänder einer Eigenfrequenz eines Teils oder Untersystems innerhalb der Gasturbinenmaschine entspricht, kann dies eine Beschädigung an diesem Teil oder der gesamten Maschine zu Folge haben.
DE 100 58 688 A1 beschreibt eine Dämpferanordnung zur Reduktion von Brennkammerpulsationen. Hierzu weist die Brennkammer Öffnungen auf, in die entweder ein Dämpfungselement eingesetzt werden kann oder die alternativ verschlossen werden kann. Die Öffnungen können so ausgebildet sein, dass wahlweise ein Brenner oder ein Dämpfungselement installiert werden kann.
US 6,464,489 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von thermoakustischen Vibrationen in einem Verbrennungssystem. Hierzu werden Akustiktreiber an der Brennkammer angeordnet, die akustische Energie in die Verbrennungsluft in der Brennkammer einbringen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein System nach Anspruch 1.
In einer Ausführungsform enthält ein System eine Turbinenmaschine, die einen Verdichter, eine Turbine und eine Brennkammer enthält, die stromabwärts von dem Verdichter und stromaufwärts von der Turbine angeordnet ist. Die Turbinenmaschine enthält ferner ein Fluideinspritzsystem, das eingerichtet ist, um ein oder mehrere Fluide in die Brennkammer einzuspritzen, sowie einen Resonator mit veränderlicher Geometrie, der mit dem Fluideinspritzsystem gekoppelt ist. Außerdem enthält die Turbinenmaschine eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, um den Resonator mit veränderlicher Geometrie in Abhängigkeit von einer Rückmeldung abzustimmen.
Figurenliste
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Figuren gleiche Teile bezeichnen, worin zeigen:

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Turbinensystems mit Resonatoren, die mit einer Luftzuführung, einer Brennstoffzuführung und einer Verdünnungsmittelzuführung gekoppelt sind, um Brennkammerdruckschwingungen zu reduzieren, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik;
2 zeigt eine weggeschnittene Seitenansicht des Turbinensystems, wie es in 1 veranschaulicht ist, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik;
3 zeigt eine weggeschnittene Seitenansicht der Brennkammer, wie sie in 1 veranschaulicht ist, mit Resonatoren, die mit einer Luftzuführung, einer Brennstoffzuführung und einer Verdünnungsmittelzuführung gekoppelt sind, um durch eine Brennkammer erregte Schwingungen zu reduzieren, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik;
4 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Helmholtz-Resonators, der mit der Brennstoffzuführung gekoppelt ist, wie sie in 1 veranschaulicht ist, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik;
5 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Helmholtz-Resonators, der mit der Luftzuführung gekoppelt ist, wie sie in 1 veranschaulicht ist, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik;
6 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Helmholtz-Resonators, der mit der Verdünnungsmittelzuführung gekoppelt ist, wie sie in 1 veranschaulicht ist, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik;
7 zeigt eine schematisierte Ansicht von mehreren Viertelwellen-Resonatoren, der mit der Verdünnungsmittelzuführung gekoppelt ist, wie sie in 1 veranschaulicht ist, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik; und
8 eine schematisierte Ansicht eines alternativen Viertelwellen-Resonators, der mit der Verdünnungsmittelzuführung gekoppelt ist, wie sie in 1 veranschaulicht ist, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Technik.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend sind eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bestreben, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Realisierung in der Beschreibung erläutert sein. Es sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung einer jeden derartigen tatsächlichen Realisierung, wie in jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die speziellen Ziele der Entwickler, wie beispielsweise die Einhaltung systembezogener oder unternehmensbezogener Randbedingungen, die von einer Realisierung zur anderen variieren können, zu erreichen. Außerdem sollte es verständlich sein, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwändig sein kann, jedoch nichtsdestoweniger für Fachleute auf dem Gebiet, die den Vorteil dieser Offenbarung haben, nur eine routinemäßige Maßnahme zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
Wenn Elemente der verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „umfassen“ sollen im Sinne von inklusive verstanden werden und bedeuten, dass es außer den gelisteten Elementen noch weitere Elemente geben kann.
Ausführungsformen des vorliegenden Offenbarungsgegenstandes können durch eine Brennkammer erregte Schwingungen durch Dämpfung von Druckschwankungen in Fluidzuführungen (zum Beispiel Flüssigkeits- und/oder Gasleitungen) reduzieren. Ein geometrisch verstellbarer Resonator kann mit jeder Fluidzuführung (zum Beispiel Luft, Brennstoff oder Verdünnungsmittel) gekoppelt sein und auf eine Frequenz der Druckschwingung innerhalb der Brennkammer abgestimmt werden. Durch die Kopplung von Resonatoren mit Fluidzuführungen anstatt mit einer Verbrennungszone der Brennkammer können die Resonatoren aus weniger temperaturbeständigen Materialien konstruiert sein, weil sie den heißen Verbrennungsgasen nicht unmittelbar ausgesetzt sind. Bestimmte Ausführungsformen können eine Steuereinrichtung enthalten, die eingerichtet ist, um die Resonatoren auf eine Frequenz abzustimmen, die Schwingungen innerhalb der Fluidzuführungen und der Brennkammer dämpft. Die Steuereinrichtung kann kommunikationsmäßig mit einem Drucksensor verbunden sein, der mit der Brennkammer in Strömungsverbindung steht, um die Frequenzen der Druckschwingungen zu messen. Die Steuereinrichtung kann ferner mit den Resonatoren kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet sein, um die Resonatoren auf durch den Drucksensor erfasste Frequenzen abzustimmen. Die Resonatoren können unter anderem Helmholtz-Resonatoren und/oder Viertelwellen-Resonatoren enthalten. In bestimmten Ausführungsformen können mehrere Resonatoren, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind, mit jeder Fluidzuführung gekoppelt sein, um mehrere Frequenzen der Druckschwingungen innerhalb der Brennkammer zu dämpfen.
Indem nun auf die Zeichnungen verwiesen und zunächst auf 1 Bezug genommen wird, ist dort ein Blockschaltbild eines Gasturbinensystems 10 veranschaulicht. Das Schaubild enthält eine Brennstoffdüse 12, eine Brennstoffzuführung 14 und eine Brennkammer 16. Wie dargestellt, befördert die Brennstoffzuführung 14 einen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff 18, wie beispielsweise Erdgas, zu dem Turbinensystem 10 durch die Brennstoffzuführung 14 und die Brennstoffdüse 12 in die Brennkammer 16 hinein. Wie nachstehend erläutert, ist die Brennstoffdüse 12 dazu eingerichtet, den Brennstoff 18 in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Luft wird unmittelbar in die Brennkammer 16 eingespritzt, die ein Brennstoff-Luft-Gemisch zündet und verbrennt und anschließend heißes unter Druck stehendes Abgas in eine Turbine 20 weiterleitet. Das Abgas strömt an Turbinenlaufschaufeln in der Turbine 20 vorbei, wodurch die Turbine 20 angetrieben wird um zu rotieren. Die Verbindung zwischen den Laufschaufeln in der Turbine 20 und der Welle 22 bewirkt wiederum eine Drehbewegung der Welle 22, die ferner mit verschiedenen Komponenten überall in dem Turbinensystem 10, wie veranschaulicht, verbunden ist. Schließlich kann das Abgas aus dem Verbrennungsprozess über einen Abgasauslass 24 aus dem Turbinensystem 10 austreten.
In einer Ausführungsform des Turbinensystems 10 sind Verdichterschaufeln oder Laufschaufeln als Komponenten des Verdichters 26 enthalten. Die Laufschaufeln in dem Verdichter 26 können mit der Welle 22 verbunden sein und rotieren, wenn die Welle 22 durch die Turbine 20 drehend angetrieben wird. Der Verdichter 26 kann über einen Lufteinlass 28 Luft in das Turbinensystem 10 einsaugen. Ferner kann die Welle 22 mit einer Last 30 gekoppelt sein, die durch die Drehung der Welle 22 angetrieben sein kann. Wie verständlich, kann die Last 30 eine beliebige geeignete Vorrichtung, die mittels der Drehausgabe des Turbinensystems 10 Leistung erzeugen kann, wie beispielsweise eine Energieerzeugungsanlage oder eine externe mechanische Last, sein. Zum Beispiel kann die Last 30 einen elektrischen Generator, einen Propeller eines Flugzeugs und dergleichen enthalten. Der Lufteinlass 28 zieht über einen geeigneten Mechanismus, wie beispielsweise einen Kaltlufteinlass, Luft 32 in das Turbinensystem 10 zur nachfolgenden Vermischung der Luft 32 mit dem Brennstoff 18 durch die Brennkammer 16 ein. Wie nachstehend in Einzelheiten erläutert, kann die durch das Turbinensystem 10 aufgenommene Luft 32 durch die Rotation der Laufschaufeln innerhalb des Verdichters 26 befördert und zu Druckluft komprimiert werden. Die Druckluft kann anschließend in die Brennkammer 16 eingespeist werden, wie dies durch den Pfeil 34 veranschaulicht ist. Brennstoff kann von der Brennstoffdüse 12 ebenfalls in die Brennkammer 16 befördert werden, wie dies durch den Pfeil 36 veranschaulicht ist. Die Brennkammer 16 kann anschließend die Druckluft und den Brennstoff miteinander vermischen, um ein optimales Gemischverhältnis zur Verbrennung zu erzeugen, zum Beispiel für eine Verbrennung, die den Brennstoff veranlasst, vollständiger zu verbrennen, um so den Brennstoff nicht zu verschwenden oder keine zu hohen Emissionen herbeizuführen.
Außerdem kann ein Verdünnungsmittel 38 in die Brennstoffdüse 12 oder unmittelbar in die Brennkammer 16, wie veranschaulicht, über die Verdünnungsmittelzuführung 40 injiziert werden. Verdünnungsmittel können unter anderem Dampf, Wasser, Stickstoff und Kohledioxid enthalten. Die Verdünnungsmittelinjektion kann die Emission von Stickoxiden (NOx), Feinstaubteilchen, Schwefeloxiden (SOx) und/oder Kohlenstoffoxiden (COx) verringern, wenn das Turbinensystem 10 bei reduzierter Leistung arbeitet. Verdünnungsmittel können unter bestimmten Betriebsbedingungen auch eine bessere Turbinenleistung ergeben.
Das Turbinensystem 10 enthält ferner Resonatoren, die mit Fluidzuführungen gekoppelt sind, die Druckschwingungen innerhalb der Fluidzuführungen und der Brennkammer 16 reduzieren können. Insbesondere strömt Druckluft 34 von dem Verdichter 26 durch eine Luftzuführung 42, bevor sie in die Brennkammer 16 eintritt. Ein Resonator 44 ist mit der Luftzuführung 42 verbunden, um Luftdruckschwingungen zu dämpfen. In ähnlicher Weise ist ein Resonator 46 mit der Brennstoffzuführung 14 verbunden, um Brennstoffdruckschwingungen zu dämpfen. Außerdem ist ein Resonator 48 mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 verbunden, um Verdünnungsmittelschwingungen zu dämpfen. Durch Dämpfung von Schwingungen innerhalb der Fluidzuführungen können diese Resonatoren Druckschwingungen innerhalb der Brennkammer 16 verringern, wodurch das Turbinensystem 10 gegen die Gefahr einer Ermüdung und eines frühzeitigen Verschleißes verschiedener Komponenten innerhalb der Brennkammer 16 sowie stromaufwärts und stromabwärts von der Brennkammer 16 geschützt wird.
Aufgrund der variierenden Brennkammertemperatur und Turbinenlastbedingungen kann jedoch die Frequenz der von der Brennkammer erregten Schwingungen zeitlich variieren. Um dies zu kompensieren, können die Resonatoren geometrisch konfigurierbar sein, so dass sie kontinuierlich abgestimmt werden können, um Brennkammerschwingungen mit veränderlicher Frequenz zu dämpfen. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung 50 mit jedem der Resonatoren 44, 46 und 48 und mit einem Drucksensor 55 kommunikationsmäßig verbunden, der mit der Brennkammer 16 in Strömungsverbindung steht. Die Steuereinrichtung 50 kann eingerichtet sein, um die Frequenz der Druckschwingungen innerhalb der Brennkammer 16, der Brennstoffzuführung 14, der Verdünnungsmittelzuführung 40 und/oder der Luftzuführung 42 zu erfassen. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 50 ferner eingerichtet sein, um die Frequenz der Druckschwingungen stromabwärts von der Brennkammer 16, Vibrationen innerhalb des Turbinensystems 10, die Flammentemperatur innerhalb der Brennkammer 16 und/oder andere Parameter, die für Druckschwingungen kennzeichnend sind, zu detektieren. Die Steuereinrichtung 50 kann dann die Resonatoren 44, 46 und 48 einstellen, um sie auf die erfasste Frequenz abzustimmen. Auf diese Weise können die Fluidzuführungsschwingungen gedämpft werden, wodurch die Größe der Druckschwingungen innerhalb der Brennkammer 16 verringert wird.
2 zeigt eine weggeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform des Turbinensystems 10. Wie dargestellt, enthält die Ausführungsform den Verdichter 26, der mit einer kreisringförmigen Anordnung von Brennkammern 16 verbunden ist. Zum Beispiel sind sechs Brennkammern 16 in dem veranschaulichten Turbinensystem 10 angeordnet. Jede Brennkammer 16 enthält eine oder mehrere Brennstoffdüsen 12, die Brennstoff zu einer Verbrennungszone zuführen, die sich in jeder Brennkammer 16 befindet. Zum Beispiel kann jede Brennkammer 16 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehrere Brennstoffdüsen 12 in einer ringförmigen oder sonstigen geeigneten Anordnung enthalten. Die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches innerhalb der Brennkammer 16 veranlasst die Laufschaufeln oder Schaufeln innerhalb der Turbine 20 umzulaufen, wenn das Abgas in Richtung auf den Abgasauslass 24 vorbeiströmt. Wie nachstehend in Einzelzeiten erläutert, können der mit der Luftzuführung 42 verbundene Resonator 44, der mit der Brennstoffzuführung 14 verbundene Resonator 46 und der mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 verbundene Resonator 48 Druckschwingungen innerhalb der jeweiligen Zuführungen und der Brennkammer 16 reduzieren.
3 zeigt eine detaillierte weggeschnittene Seitenansichtsdarstellung einer Ausführungsform der Brennkammer 16. Wie dargestellt, enthält die Brennkammer 16 Brennstoffdüsen 12, die an einer Endabdeckung 52 an einer Basis der Brennkammer 16 angebracht sind. Eine Ausführungsform der Brennkammer 16 kann fünf oder sechs Brennstoffdüsen 12 enthalten. Andere Ausführungsformen der Brennkammer 16 können eine einzige gro-ße Brennstoffdüse 12 verwenden. Die Flächen und Geometrie der Brennstoffdüsen 12 sind ausgelegt, um einen optimalen Strömungspfad für den Brennstoff zu ergeben, wenn dieser stromabwärts in die Brennkammer 16 hineinströmt, wodurch eine verstärkte Verbrennung in der Brennkammer ermöglicht und auf diese Weise mehr Leistung in der Turbinenmaschine erzeugt. Der Brennstoff wird aus den Brennstoffdüsen 12 stromabwärts in die Richtung 54 ausgegeben und vermischt sich mit Luft, bevor er in eine Verbrennungszone 56 innerhalb des Brennkammergehäuses 58 eintritt. Die Verbrennungszone 56 ist der Ort, an dem ein Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer 16 am geeignetsten ist. Außerdem ist es allgemein gewünscht, das Luft-Brennstoff-Gemisch stromabwärts von der Basis zu verbrennen, um die Wärmeübertragung von der Verbrennungszone 56 auf die Brennstoffdüsen 12 zu reduzieren. In der veranschaulichten Ausführungsform befindet sich die Verbrennungszone 56 in dem Innenraum des Brennkammergehäuses 58 stromabwärts von den Brennstoffdüsen 12 und stromaufwärts von einem Übergangsstück 60, dass das unter Druck stehende Abgas in Richtung auf die Turbine 20 leitet. Das Übergangsstück 60 enthält einen konvergierenden Abschnitt, der eine Geschwindigkeitserhöhung ermöglicht, wenn das verbrannte Abgas aus der Brennkammer 16 ausströmt, wodurch eine größere Kraft zum Drehen der Turbine 20 erzeugt wird. Das Abgas bewirkt wiederum eine Drehung der Welle 22, um die Last 30 anzutreiben. In einer Ausführungsform enthält die Brennkammer 16 ferner eine Auskleidung 62, die innerhalb des Gehäuses 58 angeordnet ist, um einen hohlen kreisringförmigen Pfad für eine Kühlluftströmung zu schaffen, die das Gehäuse 58 und die Auskleidung 62 ringsum die Verbrennungszone 56 kühlt. Die Auskleidung 62 kann auch ein geeignetes Profil bieten, um den Durchfluss von den Brennstoffdüsen 12 zu der Turbine 20 zu verbessern.
3 zeigt ferner die Fluidzuführungen und zugehörigen Resonatoren 44, 46 und 48, die stromaufwärts von der Brennkammer 16 angeordnet sind. Druckluft von dem Verdichter 56 strömt durch die Luftdurchführung 42, bevor sie in die Brennkammer 16 eintritt. Der Resonator 44 ist mit der Luftzuführung 42 verbunden, um Schwingungen innerhalb der Luftzuführung 42 und der Brennkammer 16 zu dämpfen. Brennstoff tritt in die Brennkammer 16 durch die Brennstoffzuführung 14 ein. Wie in dieser Figur zu sehen, steht der Resonator 46 mit der Brennstoffzuführung 14 in Strömungsverbindung, und er kann dazu dienen, Schwingungen innerhalb der Brennstoffzuführung 14 zu dämpfen, wodurch durch die Brennkammer erregte Schwingungen reduziert werden. In ähnlicher Weise tritt ein Verdünnungsmittel in die Brennkammer 16 durch die Verdünnungsmittelzuführung 40 ein. Der Resonator 48 ist mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 verbunden, um Schwingungen innerhalb der Verdünnungsmittelzuführung 40 und der Brennkammer 16 zu dämpfen. Die Resonatoren 44, 46 und 48 können in unterschiedlichen Abständen stromabwärts von der Verbrennungszone 56 montiert sein. Die in 3 dargestellten Resonatoren sind geometrisch veränderbare Helmholtz-Resonatoren. Jedoch können andere Ausführungsformen unter anderem Viertelwellen- und/oder konzentrische Loch-Kavitäts-Resonatoren verwenden.
Außerdem kann jede Fluidzuführung mehrere Resonatoren enthalten, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind.
4 zeigt eine schematisierte Ansicht des Resonators 46, der mit der Brennstoffzuführung 14 gekoppelt ist. Wie vorstehend erläutert, ist die Brennstoffzuführung 14 stromaufwärts von der Brennkammer 16 positioniert. In dieser Konfiguration strömt Brennstoff in einer stromabwärtigen Richtung 51 durch die Brennstoffzuführung 14 zu der Brennkammer 16. Der Druck innerhalb der Brennstoffzuführung 14 kann zeitlich variieren und dadurch Schwingungen innerhalb der Brennkammer 16 einleiten. Diese Schwingungen können mittels eines Wellenleiters 53 und eines Drucksensors 55, die mit der Brennkammer 16 verbunden sind, gemessen werden. Ein Wellenleiter ist ein Leitungskanal, der eingerichtet ist, um akustische Energie zu verbreiten und zu führen. Druckschwankungen innerhalb der Brennkammer 16 rufen entsprechende Schwingungen gleicher Frequenz innerhalb des Wellenleiters 53 hervor. Der Sensor 55, der mit dem Wellenleiter 53 verbunden ist, ist dazu eingerichtet, diese Schwingungen durch Erfassung von Druckveränderungen innerhalb des Wellenleiters 53 zu messen. Diese Anordnung kann eine genaue Druckmessung ermöglichen, ohne den Drucksensor 55 unmittelbar den heißen Verbrennungsgasen auszusetzen. Der Drucksensor 55 kann unter anderem einen faseroptischen Sensor, einen mechanischen Auslenkungssensor, einen piezoelektrischen Sensor oder einen mikroelektromechanischen Systemsensor (MEMS-Sensor) enthalten.
Der Drucksensor 55 überträgt Druckmesswerte zu der Steuereinrichtung 50 beispielsweise über eine elektrische Verbindung oder über drahtlose Übertragung. Die Steuereinrichtung 50 analysiert wiederum die Druckmesswerte und bestimmt die dominanten Frequenzen der Druckschwingung im Inneren der Brennkammer 16. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 50 eine schnelle Fouriertransformation (FFT) an dem Drucksignal von dem Drucksensor 55 durchführen. Diese Transformation wandelt ein Zeitbereichs-Drucksignal in den Frequenzbereich um. In anderen Worten stellt die Steuereinrichtung 50 eine Beziehung zwischen der akustischen Energie und der Frequenz in der Brennkammer 16 her. Die Steuereinrichtung 50 kann anschließend die dominante Frequenz oder dominanten Frequenzen der Druckschwingung ermitteln. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 50 eine einzige Frequenz identifizieren, die die größte akustische Energie aussendet. Die Steuereinrichtung 50 kann anschließend den Resonator 46 auf diese Frequenz abstimmen, um Schwingungen innerhalb der Brennkammer 16 zu dämpfen. Alternativ kann die Steuereinrichtung 50 mit einer festgelegten akustischen Schwellenenergie konfiguriert sein. Jede Frequenz, die akustische Energie oberhalb dieser Schwelle aussendet, kann als eine dominante Frequenz angesehen werden. In Konfigurationen, die mehrere Resonatoren einsetzen, kann die Steuereinrichtung 50 jeden Resonator auf eine jeweilige dominante Frequenz abstimmen. Auf diese Weise können mehrere dominante Frequenzen innerhalb der Brennkammer 16 gedämpft werden.
Die Steuereinrichtung 50 ist auch mit dem Resonator 46 beispielsweise über eine elektrische Verbindung oder drahtlose Übertragung kommunikationsmäßig verbunden. Wie vorstehend erläutert, kann der Resonator 46 derart geometrisch konfigurierbar sein, dass er auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt bzw. eingestellt werden kann. Die Steuereinrichtung kann als solche ein Signal zu dem Resonator 46 senden, das die gewünschte Frequenz zum Dämpfen von Schwingungen in der Brennkammer 16 kennzeichnet. Der Resonator 46 kann wiederum seine geometrische Konfiguration verändern, um der gewünschten Frequenz zu entsprechen. In einer Ausführungsform stimmt die Steuereinrichtung 50 den Resonator 46 auf eine dominante Frequenz innerhalb der Brennkammer 16 ab. Jedoch kann verständlicherweise die Steuereinrichtung 50 den Resonator 46 auf jede beliebige gewünschte Frequenz abstimmen, die Brennkammerschwingungen reduziert.
Ein Resonator ist eine akustische Kammer, die ein unter Druck stehendes Fluid veranlasst, mit einer bestimmten Frequenz zu schwingen. Die geometrische Konfiguration des Resonators bestimmt unmittelbar die Frequenz der Schwingung. Falls der Fluiddruck aufgrund der Einwirkung einer externen Kraft schwankt, kann ein Resonator, der auf die Frequenz dieser Schwankungen abgestimmt ist, die Größe der Schwankungen dämpfen. Eine Art eines Resonators ist ein Helmholtz-Resonator. Ein Helmholtz-Resonator enthält einen Körper und einen Hals, der einen kleineren Durchmesser als der Körper aufweist. Ein unter Druck stehendes Fluid, das in den Hals eintritt, wird in dem Körper gesammelt, bis der Druck in dem Körper größer wird als der externe Fluiddruck. An diesem Punkt tritt das Fluid innerhalb des Körpers aus dem Hals aus, wodurch der Druck in dem Körper reduziert wird. Der geringere Körperdruck veranlasst das Fluid, in den Körper einzutreten, wodurch sich der Prozess wiederholt. Die zyklische Luftbewegung erzeugt eine Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der Resonator 46 ein zylindrischer Helmholtz-Resonator, der einen Körper 57 und einen Hals 59 enthält. Durch den Resonatorkörper 57, ein Basiselement 63 und einen Kolben 64, der in einem offenen Ende des Resonatorkörpers 57 eingesetzt ist, ist ein Volumen 61 definiert. Wie verständlich, ist die Resonanzfrequenz eines Helmholtz-Resonators durch die geometrische Konfiguration des Resonators bestimmt. Insbesondere erzeugt ein zylindrischer Helmholtz-Resonator eine Resonanzfrequenz auf der Basis der folgenden Gleichung: $f = \frac{c}{2 π} \sqrt{\frac{d^{2}}{L H D^{2}}},$
worin c die Schallgeschwindigkeit durch das Fluid (zum Beispiel Luft, Brennstoff oder Verdünnungsmittel) ist, d der Durchmesser des Halses 59 ist, L die Länge des Halses 59 ist, H der Abstand zwischen dem Kolben 64 und dem Basiselement 63 des Resonatorkörpers 57 ist und D der Durchmesser des Resonatorkörpers 57 ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Halsdurchmesser d, die Halslänge L und der Resonatorkörper D unveränderlich. Folglich kann die Resonanzfrequenz f des Resonators 46 durch Veränderung der Höhe H eingestellt werden. Die Höhe H kann durch Verschieben des Kolbens 64 entlang einer Achse 66 in einer Richtung 68 auf das Basiselement 63 zu verringert werden. Alternativ kann die Höhe H vergrößert werden, indem der Kolben 64 in einer Richtung 70 entlang der Achse 66 von dem Basiselement 63 weg verschoben wird. Auf diese Weise kann die Resonanzfrequenz f auf jede beliebige Frequenz innerhalb der geometrischen Randbedingungen des Resonators 46 eingestellt werden.
Der Kolben 64 ist mit der Welle 72 verbunden, die durch den Kolbenantrieb 74 hindurchführt. Der Kolbenantrieb 74 kann ein Linearaktuator einer beliebigen Form sein, der in der Lage ist, den Kolben 64 mittels der Welle 72 zu verschieben. Zum Beispiel kann die Welle 72 eine Stange mit Zähnen enthalten, die eingerichtet sind, um mit zugehörigen Zähnen eines Ritzels in dem Antrieb 74 ineinanderzugreifen. Das Antriebsritzel kann beispielsweise mit einem Elektromotor gekoppelt sein, der eingerichtet ist, um das Ritzel auf der Basis einer Eingabe der Steuereinrichtung zu drehen. Wenn sich das Ritzel dreht, kann der Kolben 64 durch die Stange der Welle 72 linear angetrieben werden. Es können in alternativen Ausführungsformen andere Linearaktuatoren (zum Beispiel Schneckenantrieb, pneumatischer, hydraulischer, elektromechanischer Antrieb, etc.) verwendet werden.
Eine Abstimmung des Resonators 46 auf eine dominante Frequenz der Brennkammer 16 kann von der Brennkammer erregte Schwingungen reduzieren, indem Druckschwingungen innerhalb der Brennstoffzuführung 14 gedämpft werden. Zum Beispiel kann der Druck innerhalb der Brennstoffzuführung 14 basierend auf Veränderungen der Brennstoffpumpgeschwindigkeit, Schwankungen der turbulenten Strömung und/oder des Gegendrucks und anderen Ursachen schwingen. Diese Brennstoffdruckschwingungen können entsprechende Schwingungen innerhalb der Brennkammer 16 mit einer im Wesentlichen ähnlichen Frequenz erregen. Folglich kann die Abstimmung des Resonators 46 auf eine dominante Frequenz der Brennkammer 16 Schwingungen innerhalb der Brennstoffzuführung 14 und der Brennkammer 16 dämpfen. Außerdem kann in dem Fall, dass die Brennstoffzuführung 14 mehrere Resonatoren enthält, jeder Resonator auf eine dominante Frequenz innerhalb der Brennkammer 16 abgestimmt werden. Zum Beispiel können bestimmte Ausführungsformen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehrere Resonatoren einsetzen, von denen jeder auf eine andere Frequenz abgestimmt ist. Die Resonatoren können parallel zueinander um eine bestimmte axiale Position der Brennstoffzuführung 14 herum, in Reihe zueinander entlang der Längsstreckung der Brennstoffzuführung 14 oder in einer Kombination hiervon angeordnet sein. Auf diese Weise können mehrere Frequenzen gleichzeitig gedämpft werden.
5 zeigt eine schematisierte Ansicht des Luftzuführungsresonators 44. Wie vorstehend erläutert, ist die Luftzuführung 42 stromaufwärts von der Brennkammer 16 positioniert. In dieser Konfiguration tritt Luft in die Brennkammer 16 in einer Richtung 75 ein und strömt anschließend in einer stromabwärtigen Richtung 77 zwischen dem Brennkammergehäuse 58 und der Auskleidung 62. Die Luft vermischt sich danach mit dem Brennstoff, der in der stromabwärtigen Richtung 51 von der Brennstoffzuführung 14 aus strömt. 5 zeigt eine alternative Lage des Resonators 44, der unmittelbar an dem Brennkammergehäuse 58 montiert ist. Die Verbindung des Resonators 44 mit dem Brennkammergehäuse 58 kann dazu dienen, Schwingungen innerhalb der Brennkammer 16 zu dämpfen, weil Druckschwingungen innerhalb der der Luftzuführung 42 sich stromabwärts durch das Brennkammergehäuse 58 hindurch ausbreiten können, bevor sie in die Brennkammerzone 56 eintreten. Deshalb kann eine Kopplung zwischen dem Resonator 44 und dem Brennkammergehäuse 58 Luftdruckschwingungen dämpfen, bevor von der Brennkammer erregte Schwingungen eingeleitet werden. Ähnlich wie bei dem Resonator 46, der in 4 dargestellt ist, enthält der Helmholtz-Resonator 44 einen Körper 76, einen Hals 78, ein inneres Volumen 80, eine Basis 82 und einen Kolben 84. Das innere Volumen 80 kann durch Verschieben des Kolbens 84 entlang einer Achse 86 in einer Richtung 88 zu der Basis 82 hin oder in eine Richtung 90 entlang der Achse 86 von der Basis 82 weg verändert werden. Der Kolben 84 wird mittels einer Welle 92 und eines Kolbenantriebs 94 verschoben. Auf diese Weise kann der Resonator 44 abgestimmt werden, um Schwingungen innerhalb der Luftzuführung 42 und der Brennkammer 16 zu dämpfen.
Wie in 5 dargestellt, enthält die Brennkammer 16 einen Wellenleiter 53 und einen Drucksensor 55. Der Drucksensor 55 ist mit der Steuereinrichtung 50 kommunikationsmäßig verbunden. Die Steuereinrichtung 50 ist wiederum mit dem Kolbenantrieb 94 kommunikationsmäßig verbunden. In dieser Konfiguration kann die Steuereinrichtung 50 die dominanten Frequenzen innerhalb der Brennkammer 16 bestimmen und den Kolbenantrieb 94 anweisen, den Resonator 44 auf die geeignete Frequenz zum Dämpfen von Schwingungen innerhalb der Brennkammer 16 abzustimmen.
Eine Montage des Resonators 44 an dem Brennkammergehäuse 58 kann im Vergleich zu einer Kopplung des Resonators 44 mit der Luftzuführung 42 eine verbesserte Dämpfung von Schwingungen innerhalb der Brennkammer 16 ergeben. Außerdem ist, wie in 5 veranschaulicht, der Resonator 44 benachbart zu einem Verdünnungsmitteleinlass 96 montiert. Diese Konfiguration kann die Dämpfung von Brennkammerdruckschwingungen weiter verbessern.
Während in der in 5 dargestellten Ausführungsform lediglich ein einziger Resonator 44 vorhanden ist, können andere Ausführungsformen mehrere Resonatoren verwenden, um mehrere Frequenzen innerhalb der Luftzuführung 42 und der Brennkammer 16 zu dämpfen. Zum Beispiel können bestimmte Ausführungsformen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehrere Resonatoren verwenden, die jeweils auf eine andere Frequenz abgestimmt sind. Außerdem können diese Resonatoren an der Luftzuführung 42 und/oder dem Brennkammergehäuse 58 montiert sein. Zum Beispiel können die Resonatoren längs des Umfangs und/oder entlang der Längsachse des Brennkammergehäuses 58 und/oder der Luftzuführung 42 angeordnet sein.
6 zeigt eine schematisierte Ansicht des Verdünnungsmittelresonators 48. Wie vorstehend erläutert, ist die Verdünnungsmittelzuführung 40 stromaufwärts von der Brennkammer 16 positioniert. In dieser Konfiguration strömt ein Verdünnungsmittel in einer stromabwärtigen Richtung 97 durch die Verdünnungsmittelzuführung 40 zu der Brennkammer 16. Wie veranschaulicht, vermischt sich das Verdünnungsmittel anschließend mit Luft, die in der stromabwärtigen Richtung 77 strömt, bevor diese in die Verbrennungszone 56 eintreten. In alternativen Ausführungsformen kann das Verdünnungsmittel in einer stromabwärtigen Richtung unmittelbar in die Brennstoffdüse 12 hinein strömen. Ähnlich wie bei dem Resonator 46, der in 4 dargestellt ist, enthält der Helmholtz-Resonator 48 einen Körper 98, einen Hals 100, ein inneres Volumen 102, eine Basis 104 und einen Kolben 106. Das innere Volumen 102 kann durch Verschiebung des Kolbens 106 entlang einer Achse 108 in einer Richtung 110 zu der Basis 104 hin oder in eine Richtung 112 entlang der Achse 108 von der Basis 104 weg verändert werden. Der Kolben 106 kann mittels einer Welle 114 und eines Kolbenantriebs 116 verschoben werden. Auf diese Weise kann der Resonator 48 abgestimmt werden, um Schwingungen innerhalb der Verdünnungsmittelzuführung 40 und der Brennkammer 16 zu dämpfen.
Wie in 6 dargestellt, enthält die Brennkammer 16 einen Wellenleiter 53 und einen Drucksensor 55. Der Drucksensor 55 ist mit der Steuereinrichtung 50 kommunikationsmäßig verbunden. Die Steuereinrichtung 50 ist wiederum mit dem Kolbenantrieb 116 kommunikationsmäßig verbunden. In dieser Konfiguration kann die Steuereinrichtung 50 die dominanten Frequenzen innerhalb der Brennkammer 16 bestimmen und den Kolbenantrieb 116 anweisen, den Resonator 48 auf die geeignete Frequenz zum Dämpfen von Schwingungen innerhalb der Brennkammer 16 abzustimmen.
Während in der in 6 dargestellten Ausführungsform lediglich ein einziger Resonator 48 vorhanden ist, können andere Ausführungsformen mehrere Resonatoren 48 verwenden, um mehrere Frequenzen innerhalb der Verdünnungsmittelzuführung 40 und der Brennkammer 16 zu dämpfen. Während in den Ausführungsformen gemäß den 4-6 zylindrische Helmholtz-Resonatoren dargestellt sind, können in alternativen Ausführungsformen andere Querschnitte (z. B. polygonale, elliptische, etc.) verwendet werden. Außerdem können weitere Ausführungsformen eine Kombination der in den 4-6 dargestellten Resonatoren verwenden. Zum Beispiel können bestimmte Ausführungsformen einen Resonator 46, der mit der Brennstoffzuführung 14 gekoppelt ist, einen Resonator 44, der mit dem Brennkammergehäuse 58 gekoppelt ist, und einen Resonator 48 enthalten, der mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 gekoppelt ist. Jeder dieser Resonatoren kann mit der Steuereinrichtung 50 kommunikationsmäßig verbunden sein. Außerdem kann die Steuereinrichtung 50 auf der Basis einer Analyse der Brennkammerschwingungen jeden der Resonatoren auf die gleiche Frequenz oder auf unterschiedliche Frequenzen abstimmen. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 50 feststellen, dass eine erste Brennkammerschwingungsfrequenz durch die Verdünnungsmittelzuführung 40 erregt ist und eine zweite Brennkammerschwingungsfrequenz durch die Luftzuführung 42 erregt ist. Die Steuereinrichtung 50 kann anschließend den Verdünnungsmittelzuführungsresonator 48 auf die erste Frequenz und den Luftzuführungsresonator 44 auf die zweite Frequenz abstimmen. Auf diese Weise können beide Schwingungsfrequenzen der Brennkammer gedämpft werden.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Verdünnungsmittelresonators 48. In dieser Ausführungsform enthält der Resonator 48 mehrere Viertelwellen-Resonatoren 118, 124 und 134. Ein Viertelwellen-Resonator 118 enthält ein Rohr der Höhe A, das in einer Endkappe 120 endet. Der Resonator 118 enthält ferner ein Absperrventil 122, das öffnen kann, um den Resonator 118 mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 zu verbinden. Wenn das Absperrventil 122 geschlossen ist, ist der Resonator 118 von der Verdünnungsmittelzuführung 40 getrennt oder isoliert, wodurch der Resonator 118 effektiv von der Verdünnungsmittelzuführung 40 entkoppelt wird.
Wie der Name sagt, ist ein Viertelwellen-Resonator auf ein Viertel der Wellenlänge einer akustischen Schwingung abgestimmt. Folglich ist die Resonanzfrequenz eines Viertelwellen-Resonators 118 wie folgt: $f = \frac{c}{4 A},$
worin c die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid (zum Beispiel Luft, Brennstoff oder Verdünnungsmittel) ist und A die Höhe des Resonators 118 ist. Demgemäß kann der Resonator 118 eine Frequenz dämpfen, die einer Wellenlänge von der vierfachen Höhe A entspricht.
In ähnlicher Weise kann der Resonator 124, der in der Endkappe 126 endet, eine Frequenz entsprechend einer Wellenlänge der vierfachen Höhe B dämpfen. Der Resonator 124 enthält ein Absperrventil 128, um eine Entkopplung des Resonators 124 von der Verdünnungsmittelzuführung 40 zu ermöglichen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen können Brennkammerdruckschwingungen mehrere dominante Frequenzen enthalten. Zum Beispiel kann die Brennkammer 16 mit Druckschwingungen bei Frequenzen angeregt sein, die viermal größeren Wellenlängen als die Höhe A und viermal größeren Wellenlängen als die die Höhe B entsprechen. In derartigen Situationen können beide Absperrventile 122 und 128 geöffnet werden, so dass die Resonatoren 118 und 124 die Schwingungen auf beiden Frequenzen dämpfen können. In anderen Betriebszuständen kann die Brennkammer 16 lediglich Schwingungen erfahren, die einer viermal größeren Wellenlänge als die Höhe A entsprechen. In einer derartigen Situation kann das Absperrventil 128 geschlossen sein, um den Resonator 124 von der Verdünnungsmittelzuführung 40 zu entkoppeln. Wenn das Absperrventil 128 offen gelassen wird, wenn keine Druckschwingung, die einer Wellenlänge der vierfachen Höhe B entspricht, in der Brennkammer 16 vorliegt, kann dies eine schädliche Wirkung auf die Verdünnungsmittelströmung haben.
Wie vorstehend erläutert, hängt die Resonanzfrequenz der Viertelwellen-Resonatoren von der Rohrlänge ab. Folglich kann ein Viertelwellen-Resonator durch Vergrößerung oder Verringerung seiner Länge abgestimmt bzw. eingestellt werden. Ein Verfahren zur Veränderung der Resonatorlänge erfolgt über eine Reihe von Ventilen. Zum Beispiel enthält der Resonator 124 ein unteres Ventil 130 und ein oberes Ventil 132. Das Ventil 130 ist auf einer Höhe F oberhalb der Brennstoffzuführung 40 angeordnet, während sich das Ventil 132 auf der Höhe E befindet. Diese Ventile können geöffnet und geschlossen werden, um die effektive Länge des Resonators 124 einzustellen. Falls das Ventil 130 geschlossen ist, während das Ventil 128 geöffnet ist, kann der Resonator 124 Schwingungen dämpfen, die einer Wellenlänge der vierfachen Höhe F entsprechen. Falls die Ventile 128 und 130 geöffnet sind, während das Ventil 132 geschlossen ist, kann der Resonator 124 Schwingungen dämpfen, die einer Wellenlänge der vierfachen Höhe E entsprechen. Falls alle drei Ventile 128, 130 und 132 geöffnet sind, kann der Resonator 124 Schwingungen dämpfen, die einer Wellenlänger der vierfachen Höhe B entsprechen.
Die Verdünnungsmittelzuführung 40 enthält ferner einen dritten Resonator 134, der eine Endkappe 136 aufweist. Ähnlich wie der Resonator 124 enthält der Resonator 134 ein Absperrventil 138 und zwei Ventile 140 und 142 zur Längeneinstellung. Wie vorstehend erläutert, kann der Resonator 134, falls das Absperrventil 138 geschlossen ist, von der Verdünnungsmittelzuführung 40 isoliert werden, wodurch der Effekt des Resonators 134 aufgehoben wird. Falls jedoch das Absperrventil 138 und die Ventile 140 und 142 zur Längeneinstellung offen sind, kann der Resonator 134 Frequenzen dämpfen, die einer Wellenlänge der vierfachen Höhe C des Resonators 134 entsprechen. Die effektive Höhe des Resonators 134 hängt von dem Zustand der Ventile 140 und 142 ab. Insbesondere kann der Resonator 134, falls die Ventile 140 und 142 geöffnet sind, Schwingungen dämpfen, die der Wellenlänge der vierfachen Höhe C, dem Abstand zwischen der Verdünnungsmittelzuführung 40 und der Endkappe 136, entsprechen. Falls die Ventile 138 und 140 offen sind, während das Ventil 142 geschlossen ist, verringert sich die effektive Höhe des Resonators 134 auf eine Höhe G. Falls das Ventil 140 geschlossen ist, während das Ventil 138 offen ist, verringert sich die effektive Höhe des Resonators 134 weiter auf die Höhe I. Auf diese Weise kann der Resonator 134 basierend auf den innerhalb der Brennkammer 16 erfassten dominanten Frequenzen auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt werden.
Während in der in 7 dargestellten Ausführungsform drei Viertelwellen-Resonatoren eingesetzt werden, können andere Ausführungsformen mehrere oder wenigere Resonatoren (zum Beispiel 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehrere) enthalten. Zum Beispiel können bestimmte Turbinensystemkonfigurationen vier dominante Frequenzen in der Brennkammer 16 erzeugen. In einem derartigen System können vier Resonatoren mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 gekoppelt sein, um Schwingungen bei jeder dieser vier Frequenzen zu dämpfen. Andere Turbinensystemkonfigurationen können zwei Resonatoren verwenden, um zwei dominante Frequenzen zu dämpfen. Da außerdem einzelne Resonatoren durch Schließen der Absperrventile entkoppelt werden können, kann ein Turbinensystem, das zwei dominante Frequenzen erzeugt, mehr als zwei Resonatoren enthalten, die mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 gekoppelt sind. In einer derartigen Konfiguration können weitere Frequenzen gedämpft werden, indem die Absperrventile der zuvor entkoppelten Resonatoren geöffnet werden.
Andere Ausführungsformen können eine andere Anzahl von Ventilen in jedem Resonator enthalten. Zum Beispiel können die Resonatoren in bestimmten Ausführungsformen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehrere Ventile enthalten. Ferner kann die Höhe oder der Abstand zwischen jedem Ventil variieren. Insbesondere ermöglicht ein engerer Abstand zwischen den Ventilen eine größere Steuerung der effektiven Länge des Resonators. Außerdem kann die Betätigung der Ventile durch die Steuereinrichtung 50 gesteuert sein. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 50 die Anzahl der dominanten Frequenzen bestimmen und eine entsprechende Anzahl von Absperrventilen öffnen. In ähnlicher Weise kann die Steuereinrichtung 50 die Resonanzfrequenz jedes Resonators einstellen, damit diese jeder dominanten Frequenz entsprechen, die in der Brennkammer 16 erfasst wird, indem sie die Ventile zur Längeneinstellung öffnet und schließt. Während die in 7 veranschaulichten Viertelwellen-Resonatoren an der Verdünnungsmittelzuführung 40 angeordnet sind, kann eine ähnliche Konfiguration für den Luftzuführungsresonator 44 und/oder den Brennstoffzuführungsresonator 46 verwendet werden.
8 veranschaulicht eine alternative Konfiguration zur Veränderung der Höhe des Viertelwellen-Resonators 48. Anstelle der Verwendung einer Reihe von Ventilen kann die Resonatorhöhe kontinuierlich verändert werden. In dieser Ausführungsform enthält der Resonator 48 ein Basiselement 144, das mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 gekoppelt ist, und eine verstellbare Endkappe 146, die an einem offenen Ende des Basiselementes 144 angeordnet ist. Der Querschnitt des Basiselements 144 und der Endkappe 146 können unter anderen Konfigurationen eine kreisförmige oder polygonale Gestaltung haben. Der Außendruckmesser des Basiselementes 144 kann im Wesentlichen ähnlich wie der Innendurchmesser der Endkappe 146 sein, um eine Abdichtung zu schaffen. Die Abdichtung kann einen Durchgang von Fluid zwischen dem Basiselement 144 und der Endkappe 146 im Wesentlichen verhindern, während sie der Endkappe 146 ermöglicht, in Bezug auf das Basiselement 144 verschoben zu werden.
Eine Höhe J des Resonators 48 kann durch Verschiebung der Endkappe 146 entlang der Achse 148 eingestellt werden. Wenn insbesondere die Endkappe 146 in eine Richtung 150 entlang der Achse 148 verschoben wird, wird die Höhe J verringert. Falls die Endkappe 148 in eine Richtung 152 entlang der Achse 148 verschoben wird, wird die Höhe J vergrößert. Die Endkappe 146 kann mit einem Linearaktuator 154 gekoppelt sein, der eingerichtet ist, um die Endkappe 146 in beide Richtungen 150 und 152 entlang der Achse 148 zu verschieben. Der Linearaktuator 154 kann von jeder beliebigen geeigneten Bauart, beispielsweise, unter anderem, ein pneumatischer, hydraulischer oder elektromechanischer Aktuator sein. In dieser Konfiguration kann die Höhe J des Resonators 48 eingestellt werden, um die Druckschwingungsfrequenz eines Verdünnungsmittels zu dämpfen, wodurch von der Brennkammer erregte Schwingungen reduziert werden.
Der Linearaktuator 154 kann mit der Steuereinrichtung 50 kommunikationsmäßig verbunden sein und fortdauernd auf eine Frequenz abgestimmt werden, die Brennkammerschwingungen dämpft. Außerdem können mehrere Resonatoren in dieser Konfiguration mit der Verdünnungsmittelzuführung 40 gekoppelt sein, um mehrere Frequenzen zu dämpfen. Darüber hinaus können in manchen Ausführungsformen kontinuierlich veränderbare Viertelwellen-Resonatoren mit mittels eines Ventils einstellbaren Viertelwellen-Resonatoren und/oder nicht einstellbaren Viertelwellen-Resonatoren kombiniert werden, um Schwingungen mit mehreren Frequenzen zu dämpfen. Ferner können kontinuierlich veränderliche Viertelwellen-Resonatoren eingesetzt werden, um Schwingungen innerhalb der Luftzuführung 42 und/oder der Brennstoffzuführung 14 zu dämpfen.
In alternativen Ausführungsformen können andere Konfigurationen von akustischen Resonatoren (konzentrische Loch-Kavitäts-Resonatoren) verwendet werden. Ferner können überall in dem Turbinensystem und/oder an den Fluidzuführungen Kombinationen unterschiedlicher Resonatorbauarten eingesetzt werden. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungsformen die Luftzuführung 42 einen Helmholtz-Resonator verwenden, während die Brennstoffzuführung 14 und die Verdünnungsmittelzuführung 40 Viertelwellen-Resonatoren verwenden können. In anderen Ausführungsformen kann die Luftzuführung 42 einen Helmholtz-Resonator und einen Viertelwellen-Resonator zum Dämpfen mehrerer Frequenzen verwenden. Außerdem kann die Anzahl der Resonatoren zwischen den Fluidzuführungen variieren. Zum Beispiel kann die Luftzuführung 42 einen einzigen Resonator enthalten, während die Brennstoffzuführung 14 drei Resonatoren enthalten kann und die Verdünnungsmittelzuführung 40 keine Resonatoren enthalten kann.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu eine Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und eine Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche und wesentlichen Unterschieden enthalten.
In einer Ausführungsform enthält ein System 10 einen Resonator 44, 46, 48 mit veränderbarer Geometrie, der eingerichtet ist, um mit einem Fluidpfad 14, 40, 42 stromaufwärts von einer Brennkammer 16 einer Turbinenmaschine gekoppelt zu werden. Der Resonator 44, 46, 48 mit veränderbarer Geometrie ist eingerichtet, um Druckschwingungen in dem Fluidpfad 14, 40, 42 und der Brennkammer 16 zu dämpfen.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinensystem
12: Brennstoffdüse
14: Brennstoffzuführung
16: Brennkammer
18: Brennstoff
20: Turbine
22: Welle
24: Abgasauslass
26: Verdichter
28: Einlass
30: Last
32: Luft
34: Druckluft
36: Brennstoff
38: Verdünnungsmittel
40: Verdünnungsmittelzuführung
42: Luftzuführung
44: Luftzuführungsresonator
46: Brennstoffzuführungsresonator
48: Verdünnungsmittelzuführungsresonator
50: Steuereinrichtung
51: stromabwärtige Richtung
52: Endabdeckung der Brennkammer
53: Wellenleiter
54: stromabwärtige Richtung
55: Drucksensor
56: Verbrennungszone
57: Körper des Brennstoffzuführungsresonators
58: Brennkammergehäuse
59: Hals des Brennstoffzuführungsresonators
60: Übergangsstück
61: Volumen des Brennstoffzuführungsresonators
62: Brennkammerauskleidung
63: Basiselement des Brennstoffzuführungsresonators
64: Kolben des Brennstoffzuführungsresonators
66: Achse des Brennstoffzuführungsresonators
68: stromabwärtige Richtung
70: stromaufwärtige Richtung
72: Welle des Brennstoffzuführungsresonators
74: Kolbenantrieb des Brennstoffzuführungsresonators
75: Luftströmung
76: Körper des Luftzuführungsresonators
77: stromabwärtige Richtung
78: Hals des Luftzuführungsresonators
80: Volumen des Luftzuführungsresonators
82: Basiselement des Luftzuführungsresonators
84: Kolben des Luftzuführungsresonators
86: Achse des Luftzuführungsresonators
88: stromabwärtige Richtung
90: stromaufwärtige Richtung
92: Welle des Luftzuführungsresonators
94: Kolbenantrieb des Luftzuführungsresonators
96: Verdünnungsmitteleinlass
97: stromabwärtige Richtung
98: Körper des Verdünnungsmittelresonators
100: Hals des Verdünnungsmittelresonators
102: Volumen des Verdünnungsmittelresonators
104: Basiselement des Verdünnungsmittelresonators
106: Kolben des Verdünnungsmittelresonators
108: Achse des Verdünnungsmittelresonators
110: stromabwärtige Richtung
112: stromaufwärtige Richtung
114: Welle des Verdünnungsmittelresonators
116: Kolbenantrieb des Verdünnungsmittelresonators
118: Viertelwellen-Resonators
120: Endkappe
122: Absperrventil
124: Viertelwellen-Resonator
126: Endkappe
128: Absperrventil
130: unteres Ventil
132: oberes Ventil
134: Viertelwellen-Resonator
136: Endkappe
138: Absperrventil
140: unteres Ventil
142: oberes Ventil
144: Basiselement des Resonators
146: verstellbare Endkappe
148: Resonatorachse
150: stromabwärtige Richtung
152: stromaufwärtige Richtung
154: Linearaktuator

Claims

System (10), das aufweist: eine Turbinenmaschine, die aufweist: einen Verdichter (26); eine Turbine (20); eine Brennkammer (16), die stromabwärts von dem Verdichter (26) und stromaufwärts von der Turbine (20) angeordnet ist; ein Fluideinspritzsystem aufweisend eine Brennstoffzuführung (14), eine Verdünnungsmittelzuführung (40) und eine Luftzuführung (42), das eingerichtet ist, um Brennstoff (18), Luft (32) und Verdünnungsmittel (38) in die Brennkammer (16) einzuspritzen; einen Resonator (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie, der mit dem Brennstoffzuführung (14) und/oder der Verdünnungsmittelzuführung (40) und/oder der Luftzuführung (42) direkt fluidisch gekoppelt ist; und eine Steuereinrichtung (50), die eingerichtet ist, die Geometrie des Resonators (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie in Abhängigkeit von einer Rückmeldung eines Drucksensors (55) abzustimmen, um die Fluidzuführungsschwingungen zu dämpfen, wodurch die Größe der Druckschwingungen innerhalb der Brennkammer (16) verringert wird.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Resonator (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie einen Helmholtz-Resonator aufweist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Resonator (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie einen Viertelwellen-Resonator (118, 124, 134) aufweist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor (55) mit der Brennkammer (16) in Strömungsverbindung steht.
System (10) nach Anspruch 4, wobei ein Wellenleiter (53) derart mit der Brennkammer (16) verbunden ist, dass Druckschwankungen innerhalb der Brennkammer (16) Schwingungen gleicher Frequenz innerhalb des Wellenleiters (53) hervorrufen und der Drucksensor (55) mit dem Wellenleiter (53) verbunden und dazu eingerichtet ist, diese Schwingungen durch Erfassung von Druckveränderungen innerhalb des Wellenleiters (53) zu messen.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Resonator (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie mehrere Resonatoren (118, 124, 134) mit veränderbarer Geometrie aufweist, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Resonator (44, 46, 48) mit veränderbarer Geometrie konfiguriert ist, um Druckschwingungen in dem Fluideinspritzsystem (14, 40, 42) und der Brennkammer (16) zu dämpfen.