DE19849300A1 - Verfahren und Anordnung zur Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Brennquellen in Verbrennungsanlagen - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Brennquellen in Verbrennungsanlagen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Brennquellen in Verbrennungsanlagen, insbesondere in Gasturbinen. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und Anordnungen zu entwickeln, mit dem die Nachteile des Standes der Technik durch die Ausnutzung der bestehenden Wechselwirkungen zwischen benachbart angeordneten Brennern beim Verbrennungsvorgang, insbesondere in Gasturbinen, vermieden und eine zuverlässige Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Brennquellen und damit eine effektive Lärmreduzierung für ausgewählte Frequenzen gewährleistet werden, wird dadurch gelöst, daß die als Schallquellen wirkenden benachbarten Brenner der Verbrennungsanlage akustisch entkoppelt werden, indem die Brenner so ausgestaltet und zueinander angeordnet werden, daß der effektive akustische Abstand zwischen den Schallquellen erhöht und der gesamte Schallausstoß der Schallquellen verringert wird oder daß die benachbarten Schallquellen akustisch destruktiv gekoppelt werden, indem die Brenner so ausgestaltet werden, daß die akustische Wechselwirkung zwischen benachbarten Brennern zu einer Abschwächung der gesamten Schallenergie führt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Brennquellen in Verbrennungsanlagen.
In Verbrennungsanlagen, wie z. B. Kessel, Öfen oder Gasturbi­ nen, treten beim Verbrennungsvorgang Instabilitäten auf, die in Verbindung mit niederfrequenten Schwingungen zu mechani­ schen Schwingungen in der Brennkammer führen. Der mechanische Zusammenhalt der Bauteile wird gefährdet und die Lebensdauer der Anlage wird drastisch gemindert. In Gasturbinen sind diese Niederfrequentphänomene als "Brummen", "Rumpeln" und "Summen" bekannt.
Ursache für diese Phänomene sind thermoakustische Zusammen­ hänge, die sich als Rückkopplungsschleife zwischen den durch Verbrennung hervorgerufenen Geräuschen der Brennquelle (Brenner) und der Akustik der Brennkammer akustisch be­ schreiben lassen.
Die Druckwellen in der Brennkammer verändern wichtige Strömungsmerkmale, zum Beispiel die Wirbelbildung und Wirbel­ wechselwirkung, und Details der Verbrennung, zum Beispiel die Flammenstreckung, periodisches Verlöschen/Wiederent­ zünden, wodurch wiederum die Druck-/Entropiefluktuationen verändert werden, die bei der (Turbulenz)-Verbrennung erzeugt werden. Die Reflektion der durch die Verbrennung erzeugten Druckfluktuationen durch die Kammerakustik vervollständigt die Rückkopplung, wobei die durch die Verbrennung freige­ setzte Energie die Systemleistung liefert.
Da die Rückkopplungsschleife vom Gesamtsystem geschaffen wird und die Kopplung mit der Kammerakustik eine entscheidende Rolle bei der Rückkopplung spielt, kann ein in verschiedenen Kammern installierter Brenner stark unterschiedliche Verhal­ tensweisen zeigen. Deshalb müssen die Brennquellen und deren Umgebung gemeinsam berücksichtigt werden. Da die Effizienz und die Energiedichte von Verbrennungssystemen künftig weiter zunehmen werden, sind thermoakustische Überlegungen einwich­ tiger Aspekt bei der Konstruktion von Verbrennungssystemen.
Anhand der Akustikgleichungen kann gezeigt werden, daß, wenn zwei Schallquellen ähnlicher Frequenz nahe beieinander ange­ ordnet werden, ihre gesamte Schallenergie die Summe der Ein­ zelenergien übersteigt. Wenn die Schallquellen jedoch entge­ gengesetzte Phasen aufweisen, wird durch die Wechselwirkung die Gesamtenergie verringert.
Die Rückkopplung der Verbrennungsinstabilität läßt sich mit­ tels des Rayleigh-Kriteriums (Lord Rayleigh: "On the Theory of Sound", sect.322g-j, 1878) als Formel wie folgt darstel­ len:
Bei positivem R verlaufen die Druckfluktuationen p und die Wärmefreisetzungsfluktuationen q' phasengleich, es liegt eine positive Rückkopplung vor, und das System ist instabil. Die­ ses Ergebnis kann direkt auf das Schallenergiegleichgewicht bezogen werden (Candel SM: "Combustion Instabilities Coupled by Pressure Waves and Their Active Control", 24th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 1277-1296, 1992; Pierce AD: "Acoustics: An Introduction to its Physical Principles and Applications", Acoustical Society of America, 1989):
Die Wärmefreisetzungsfluktuationen q' ntsprechen der Menge hkwk (wobei hk und wk die spezielle Enthalpie bzw. die Forma­ tionsrate repräsentieren) im Quellausdruck S der Schallener­ gie. Die Dissipation D ergibt sich aus der Viskosität und der Wärmeleitung, wobei die Absorption an Oberflächen, die in den Grenzbedingungen sichtbar wird, ebenfalls zur Ableitung (Dissipation) der Schallenergie beiträgt.
Ausgehend von der obigen Gleichung, doch unter Vernachlässi­ gung der Dissipation, haben verschiedene Fachleute analyti­ sche Modelle des thermoakustischen Verhaltens für relativ einfache Geometrien entwickelt, zum Beispiel für einen Ramm­ düsen-Kippbrenner (Abouseif GE et al. "Ramjet Rumble: The Low- Frequency Instability Mechanism in Coaxial Dump Combustors", Comb.Sci.Tech. 36: 83-108, 1984; Award E et al. "On the Existence and Stabilityf Limit Cycles for Longitudinal Acoustic Modes in a Combustion Chamber", Comb.Sci.Tech. 46: 195-222, 1986; Yang V et al. "Analysis of Low Frequency Combustion Instabilities in a Laboratory Ramjet Combustor", Comb.Sci.Tech. 45: 1-25, 1986).
Für kompliziertere Verbrennungssysteme, die mehrere Brenn­ quellen enthalten oder kompliziertere Geometrien aufweisen, ist die analytische Erweiterung der Modelle noch nicht abseh­ bar. Der Aufwand für die Anpassung von komplizierten Systemen der Praxis an diese Modelle läßt es effektiver erscheinen, Vorschläge zur Veränderung der Erzeugung und Dissipation von Schallenergie zu entwickeln, als weiter zu versuchen, die Vorgänge theoretisch zu beschreiben.
Schallweiterleitungsmechanismen lassen sich durch Verände­ rungen der Geometrie und/oder des Materials zur Änderung der Halleigenschaften der Kammer, d. h. Minderung des Echoeffekts, oder durch Veränderungen der Strömungsgeometrie zur Störung der Homogenität und Unterdrückung der Ausbreitung von Druckfluktuationen, zum Beispiel durch schalldämmende Ein­ bauten in Auspuffanlagen, verbessern. Die Verstärkung der In­ homogenität direkt in der Brennkammer, zur Unterdrückung der Ausbreitung von Druckfluktuationen, gerät in Konflikt mit der für die Aufrechterhaltung günstiger Verbrennungseigenschaften erforderlichen guten Homogenität. Radikale Veränderungen der Kammergeometrie sind aufwendig, unsicher und werden durch die Verbrennungsanforderungen, zum Beispiel niedriger NOx-Gehalt, sowie durch die Strömungsanforderungen, zum Beispiel Druckabfall, beschränkt.
Die Verbrennung wirkt als Volumenausdehnung, wobei die unter­ schiedliche Wärmefreisetzung Schall erzeugt. Die Verbrennung entspricht einer eigenständigen Schallquelle, so daß in die­ sem Sinne anstelle von "Brennquelle" der Begriff "Schallquelle" verwendet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und Anordnungen zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik durch die Ausnutzung der bestehenden Wechselwirkungen zwischen benachbart angeordneten Brennern beim Verbrennungsvorgang, insbesondere in Gasturbinen, ver­ mieden und eine zuverlässige Reduzierung der akustischen Energie benachbarter Schallquellen und damit eine effektive Lärmreduzierung für ausgewählte Frequenzen gewährleistet wer­ den.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 6 und 9 gelöst.
Die als Schallquellen wirkenden benachbarten Brenner einer Verbrennungsanlage werden akustisch entkoppelt, indem die Brenner so ausgestaltet und zueinander angeordnet werden, daß der effektive akustische Abstand zwischen den Schallquellen erhöht und der gesamte Schallausstoß der Schallquellen ver­ ringert wird oder die benachbarten Brenner werden akustisch destruktiv gekoppelt, indem die Brenner so ausgestaltet wer­ den, daß die akustische Wechselwirkung zwischen benachbarten Brennern (Schallquellen) zu einer Abschwächung der gesamten Schallenergie führt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden Brenner mit un­ terschiedlichen akustischen Eigenschaften zueinander gestaf­ felt angeordnet, so daß der effektive akustische Abstand zwischen den Schallquellen sich erhöht und der gesamte Schallausstoß der Schallquellen verringert ist.
Bevorzugt wird der Abstand der benachbarten Brenner jeweils entsprechend der niedrigsten relevanten Frequenz gewählt, mindestens in einem Abstand von einem Sechstel der für die Schallintensität verantwortlichen Wellenlänge.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die be­ nachbarten Brenner zueinander phasenverschoben betrieben, in­ dem die Brenner in einem solchen Abstand voneinander angeord­ net werden, daß eine Phasenkopplung zwischen den Schallquel­ len erreicht wird und ihre Wechselwirkung die gesamte Schal­ lenergie abschwächt. Dieser "Phasenverknüpfungsmechanismus" kann mit aktiven oder mit halbpassiven Mitteln realisiert werden.
Weitere zweckmäßige Ausführungsformen des Verfahrens und der Anordnungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen bei Gasturbinen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die grafische Darstellung von akustisch entkoppelten Brennern durch Trennung der Brenner,
Fig. 2 die grafische Darstellung von akustisch entkoppelten Brennern durch gestaffelte Anordnung der Brenner und
Fig. 3 die grafische Darstellung von phasenverschoben be­ triebenen Brennern.
Die Wechselwirkung zwischen Schallquellen wird in der Theorie der Akustik wie folgt beschrieben:
"Wenn die Schallquellen die gleiche Frequenz besitzen und nahe beieinander angeordnet sind, treten sie miteinander in Wechselwirkung, und die beiden Quellen können mehr Schall­ energie erzeugen, als wenn sie weit voneinander entfernt wären." (Skudrzyk, E.: "The Foundations of Acoustics: Basic Mathematics and Basic Acoustics", Kapitel 18.17, Springer- Verlag, 1971).
Diese Wechselwirkung zwischen Schallquellen erklärt sich da­ durch, daß jede Quelle gegen ihren eigenen Schalldruck (Reaktion des Mediums auf dessen Bewegung) sowie gegen den von der nahebei befindlichen Quelle erzeugten Schalldruck wirken muß. Da die grundlegenden Schallfeldgleichungen linear sind, ist der resultierende Druck gleich einer Überlagerung der Drücke. Da die gesamte Schallenergie jedoch durch die Integration des Quadrates des Druckes über eine kugelförmige Oberfläche mit ausreichend großem Radius erhalten wird, stellt die Schallenergie keine bloße Überlagerung dar, son­ dern schließt auch die Wechselwirkung zwischen beiden Schall­ quellen mit ein:
Um das Ausmaß der Wechselwirkung zwischen unabhängigen Schallquellen zu bestimmen, ist die Wellengleichung für das Geschwindigkeitspotential Φ in sphärischen Koordinaten auf­ zustellen:
wobei die komplexe periodische Lösung lautet:
wobei k = ω/c, k = 2π/λ ist. Die Zurückhaltung lediglich der divergierenden Welle ergibt für Druck, Geschwindigkeit und akustische Impedanz:
Die Konstante Q wurde strategisch so gewählt,daß sie bei kr < 1 dem mit der Quelle verbundenen Volumenstrom ent­ spricht:
wobei die Erweiterung
verwendet wurde.
Die Energie einer Schallquelle ergibt sich aus dem Produkt der Oberfläche, der Geschwindigkeit und des Druckes, der mit der Geschwindigkeit phasengleich ist:
Die akustische Energie zur Überwindung des Druckes einer an­ deren Kraftquelle Qj = aij-Qi bei einem Abstand dis und einer Phase ϕij wird angegeben durch:
Die zu einer Quelle gehörende Gesamtenergie wird angegeben durch:
wobei laut Definition aii = 1 und ϕii = 0 sind. Die Eigenener­ gie einer Quelle (kdii < 1) wird definiert durch:
und die mit der Wechselwirkung einer anderen Quelle gleicher Stärke und Phase, die sich im Abstand d befindet, wird defi­ niert durch:
Somit wird die Gesamtenergie von zwei nahe beieinander ange­ ordneten Quellen angegeben durch:
wobei das Vorzeichen bei phasengleichen Quellen positiv und bei phasenverschobenen Quellen negativ ist. Wenn die Quellen nahe beieinander angeordnet sind (kdii < 1)oder räumlich ge­ trennt sind (d < λ/2it), gilt:
und
N = 2N11[1±1]
Die Gesamtkraft phasengleicher Quellen ist somit doppelt so groß wie die Summe der Einzelelemente, während die Gesamt­ kraft bei phasenverschobenen Quellen Null beträgt.
Diese Wechselwirkung ist in der Fig. 1 für unterschiedliche Frequenzen grafisch dargestellt.
Wenn die Frequenzen der Schallquellen ausreichend unter­ schiedlich sind oder die Schallquellen physikalisch weit ge­ nug auseinanderliegen, ist die Wechselwirkung zwischen beiden Quellen ebenso häufig positiv wie negativ, so daß die be­ schriebene Wechselwirkung zwischen Schallquellen nicht mehr stattfindet.
Wenn andererseits im Falle benachbarter Schallquellen beide Quellen mit gleicher Frequenz, aber phasenverschoben betrie­ ben werden, verringert sich die gesamte Wechselwirkung, Es gibt somit drei mögliche Verfahren zur Reduzierung der aku­ stischen Energie benachbarter Schallquellen:
  • - räumliche Trennung
  • - Frequenztrennung
  • - Phasenverschiebung
Die physikalische (räumliche) Trennung der Schallquellen ist bei Verbrennungsanlagen wie Gasturbinen in der Regel nicht möglich, da u. a. Kraftdichten- und Emissionsanforderungen und die vorhandene Gestaltung des Brennsystems entgegenstehen. Es bleiben zur Reduzierung der akustischen Energie die Frequenztrennung und die Phasenverschiebung der Schallquellen übrig.
Die bei einem Verbrennungsprozeß auftretenden Geräusche set­ zen sich aus einer Vielzahl von Frequenzen und Phasen zusam­ men. Ungeachtet dessen bedeutet der Linearcharakter der Aku­ stikgleichungen, daß es zu einer Überlagerung kommt und jede einzelne Frequenz bzw. jedes Frequenzband eigenständig be­ trachtet werden kann.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfin­ dung sieht die akustische Entkopplung der benachbart in einer Verbrennungsanlage wie Gasturbine angeordneten Brennquellen entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 vor.
Bei den akustischen Wechselwirkungen zwischen benachbarten Schallquellen (Brenner) werden die niedrigen Frequenzen be­ vorzugt. Der zu beachtende effektive akustische Abstand ent­ spricht in der Fig. 1 der niedrigsten interessierenden Fre­ quenz.
In der Fig. 2 ist gezeigt, wie die Staffelung der Brennquel­ len a,b,c, deren akustische Wechselwirkung zur Vermeidung einer akustischen Resonanz minimiert werden soll, vorgenommen werden kann. Die Brennquellen a,b,c sollten in den interes­ sierenden Frequenzbereichen f1, f2 unterschiedliche akusti­ sche Eigenschaften aufweisen.
In der Praxis ist eine gestaffelte Anordnung unterschied­ licher Brennertypen oder mit unterschiedlich eingestellten Brennern zu wählen. Oder die Brenner werden in unterschied­ licher Betriebsweise wie Diffusion und Vormischung betrieben. In der Fig. 2 ist die gestaffelte Anordnung von Brennquellen a,b,c, für die für eine bestimmte Frequenz f1, f2 der effek­ tive akustische Nachbar weiter entfernt ist, um die Wechsel­ wirkung zwischen den Quellen a,b,c und damit die akustische Energie zu verringern, dargestellt. Als Kriterium für den Trennabstand zwischen ausreichend auseinanderliegende Quellen a,b,c wurde ein Sechstel der Wellenlänge (entspricht kd < 1) herangezogen. Die Brennquellen (Schallquellen) a,b,c in der Fig. 2 weisen für die interessierenden Frequenzen jeweils un­ terschiedliche akustische Merkmale auf. Dabei weisen Schall­ quellen gleicher Bezeichnung auch gleiche akustische Eigen­ schaften auf. Das bedeutet zum Beispiel in der Fig. 2, daß die zwei Quellen a für die Frequenz f1 zueinander einen Trennabstand von λ/3 haben, während der Trennabstand zwischen den Quellen a und b λ/6 beträgt.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist die destruktive akustische Kopplung zwischen Schallquel­ len in einer Ringbrennkammer einer Gasturbine.
In der Fig. 3 ist der phasenverschobene Betrieb benachbarter Schallquellen a,b dargestellt, wobei eine ringförmige Brenn­ kammer mit dem Durchmesser D mit einer geraden Anzahl von Brennern (Schallquellen) a,b angenommen wird. Die Schallquel­ len a,b sind dabei paarweise zu betrachten.
Die akustische Wechselwirkung zwischen benachbarten Brennern kann dahingehend ausgenutzt werden, daß sie phasenverschoben arbeiten. Beim phasenverschobenen Betrieb benachbarter Bren­ ner senkt die Wechselwirkung zwischen ihnen die gesamte aku­ stische Energie unter die Summe der Energien der einzelnen Quellen. Im Falle zweier nahe benachbarter Schallquellen (kd < 1), die um 180° phasenverschoben betrieben werden, nähert sich der gesamte Schallausstoß dem Wert Null. Bei weiter von­ einander entfernten Quellen ist die Kopplung weniger stark, doch der kombinierte Schallausstoß der Quellen bleibt weit geringer, als wenn die Quellen völlig isoliert wären.
Der Mechanismus zur Schaffung einer phasenverschobenen Kopp­ lung zwischen benachbarten Brennern wird deutlich, wenn eine externe Modulation aufgeprägt werden kann, ähnlich wie es bei einem aktiven Steuerungssystem erfolgen könnte. Es ist jedoch auch möglich, ein passives Mittel einzusetzen, zum Beispiel Akustikelemente zwischen den Brennereinlässen zur Erzeugung der Phasenverschiebung anzuordnen. Durch die Störung eines sensitiven Parameters, wie es anhand von Pilotgasstörungen in Vormischbrennern demonstriert wurde (Seume JR et al: "Application of Active Combustion Instability Control to a Heavy Duty Gas Turbine", ASME-97-AA-119, 1997), ist es mög­ lich, dem Verbrennungsprozeß eine bestimmte Frequenz/Phase aufzuprägen.
Die Azimutresonanzwellenlängen einer derartigen Kammer sind durch λ πD/n bestimmt. Die akustische Trennung zwischen N in gleichen Abständen zueinander angeordneten Brennern ist kd = 2πn/N. Wenn kd < 1 als Kriterium für ausreichen nahe beieinander angeordnete Schallquellen herangezogen wird, würde die Wirksamkeit der Schallbeseitigung bei Azimut­ frequenzen größer als n < N/2π abnehmen.
Beim phasenverschobenen Betrieb benachbarter Brenner besteht die Möglichkeit, den Modus gemäß λ = 2πD/N zu erregen. Da es jedoch wegen der Beeinflussung der wichtigeren Strömungs­ merkmale eine Frequenzgrenze gibt, wird bei diesem höheren Modus nicht der gleiche Grad an thermoakustischen Wechsel­ wirkungen auftreten wie bei der ursprünglichen niedrigeren Frequenz. Außerdem werden die Akustikeigenschaften der Brenn­ kammer, nämlich die Ausbreitung der Frequenzen über die quer verlaufende Resonanzfrequenz, die Ebenenausbreitung behindern (Skudryk 1971; Pierce 1989).
Ein System, bei dem die benachbarten Brenner phasenverschoben betrieben werden, ist mit einer Frequenz oder einem Frequenz­ band zu betreiben, für die eine Lärmreduzierung erforderlich ist. Der Zweck des Betriebs eines derartigen Systems besteht in der effektiven Beseitigung des Verbrennungslärms für aus­ gewählte Frequenzen. D. h. es sind Brennerkonstellationen zu schaffen, die bei bestimmten Frequenzen lautlos arbeiten, oder es ist die Schallzufuhr bei einer Frequenz zeitweilig zu beseitigen, um Zeit für die im System vorhandene Dissipation zur erneuten Stabilisierung des Systems zu schaffen.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombina­ tion und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale wei­ tere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Reduzierung der akustischen Energie benach­ harter Brennquellen in Verbrennungsanlagen, insbesondere in Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die als Schallquellen wirkenden benachbarten Brennquellen der Verbrennungsanlage akustisch entkoppelt werden, indem die Brennquellen so ausgestaltet und zueinander angeordnet wer­ den, daß der effektive akustische Abstand zwischen den Schallquellen erhöht und der gesamte Schallausstoß der Schallquellen verringert wird oder daß die benachbarten Schallquellen akustisch destruktiv gekoppelt werden, indem die Brennquellen so ausgestaltet werden, daß die akustische Wechselwirkung zwischen benachbarten Brennquellen zu einer Abschwächung der gesamten Schallenergie führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Brennquellen in der Verbrennungsanlage maximal in einem Abstand von einem Sechstel der für die Schallenergie verantwortlichen Wellenlänge der niedrigsten relevanten Frequenz voneinander entfernt angeordnet werden, um eine akustische Resonanz infolge der Wechselwirkung zwischen den als Schallquellen wirkenden benachbarten Brenn­ quellen zu vermeiden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Brennquellen mit unterschiedlichen akustischen Eigen­ schaften wie Brennquellen unterschiedlicher Bauart, unter­ schiedlich eingestellte Brennquellen, Brennquellen in unter­ schiedlicher Art und Weise betrieben gestaffelt angeordnet werden, so daß der effektive akustische Abstand zwischen den Schallquellen vergrößert und die gesamte Schallenergie der Brennquellen verringert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Brennquellen in der Verbrennungsanlage phasenverschoben betrieben werden, indem die Brennquellen in einem solchen Abstand zueinander angeordnet werden, daß eine Phasenkopplung zwischen den Schallquellen erreicht wird, die zur Reduzierung der Schallenergie führt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Brennquellen unterschiedlicher Bauart gruppenweise, ins­ besondere paarweise, über dem Umfang einer ringförmigen Ver­ brennungsanlage im gleichen Abstand zueinander angeordnet werden.
6. Anordnung zur Reduzierung der akustischen Energie benach­ barter Brennquellen in Verbrennungsanlagen, insbesondere in Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennquellen in der Verbrennungsanlage in einem Ab­ stand zueinander angeordnet sind, der eine akustische Ent­ kopplung der benachbarten Brennquellen gewährleistet.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennquellen in der Verbrennungsanlage jeweils in einem Abstand von maximal einem Sechstel der für die Schall­ energie verantwortlichen Wellenlänge der niedrigsten relevan­ ten Frequenz voneinander angeordnet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Brennquellen mit unterschiedlichen akustischen Eigen­ schaften zueinander gestaffelt angeordnet sind.
9. Anordnung zur Reduzierung der akustischen Energie benach­ barter Brennquellen in Verbrennungsanlagen, insbesondere in Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß gegenphasig arbeitende Brennquellen in einem Abstand zu­ einander angeordnet sind, der eine destruktive akustische Kopplung der benachbarten Brennquellen gewährleistet.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Brennquellen unterschiedlicher Bauart gruppenweise, ins­ besondere paarweise, in gleichem Abstand zueinander über dem Umfang einer ringförmigen Verbrennungsanlage angeordnet sind.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1255074A1 (de) * 2001-05-01 2002-11-06 ABB Schweiz AG Schwingungsreduktion in einer Brennkammer
WO2004109188A1 (de) * 2003-06-05 2004-12-16 Alstom Technology Ltd Verfahren zum betrieb einer ringförmigen brenneranordnung in einer zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen verbrennungseinrichtung einer gasturbine
CN110140011A (zh) * 2017-01-11 2019-08-16 A.O.史密斯公司 共振减小的燃烧器

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1255074A1 (de) * 2001-05-01 2002-11-06 ABB Schweiz AG Schwingungsreduktion in einer Brennkammer
US6595002B2 (en) 2001-05-01 2003-07-22 Abb Schweiz Ag Vibration reduction in a combustion chamber
WO2004109188A1 (de) * 2003-06-05 2004-12-16 Alstom Technology Ltd Verfahren zum betrieb einer ringförmigen brenneranordnung in einer zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen verbrennungseinrichtung einer gasturbine
CN110140011A (zh) * 2017-01-11 2019-08-16 A.O.史密斯公司 共振减小的燃烧器

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