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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die hierin beschriebene Erfindung betrifft das Dämpfen akustischer Schwingungen in einer Brennstoffdüse.
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Eine Gasturbine verbrennt ein Gemisch von Brennstoff und Luft, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die wiederum eine oder mehrere Turbinenstufen antreiben. Speziell versetzen die heißen Verbrennungsgase Turbinenschaufeln in Drehung, wodurch eine Welle angetrieben wird, um eine oder mehrere Lasten drehend anzutreiben, z. B. einen elektrischen Generator. Nachteilig ist, dass gewisse Parameter Druckschwankungen in den Verbrennungsprozess einführen oder darin steigern können, so dass dadurch die Lebensdauer von Komponenten und die Leistung und der Wirkungsgrad der Gasturbine verringert werden. Beispielsweise lassen sich die Druckschwankungen zumindest teilweise auf in eine Brennkammer gelenkte Schwankungen des Brennstoffdrucks oder Luftdrucks zurückführen. Diese Schwankungen können Brennkammerdruckschwankungen bei vielfältigen Frequenzen anregen, die möglicherweise besonders schädlich für die Leistung und Lebensdauer der Gasturbine sein können. Beispielsweise können hohe Druckschwankungen zu Materialermüdung einer oder mehrerer Komponenten in der Gasturbine führen, mit der Folge, dass eine oder mehrere Komponenten früher ausfallen, als es ohne das Auftreten jener Schwankungen der Fall gewesen wäre. Daher kann es von Vorteil sein, die in der Gasturbine erzeugten Schwingungen (oder Schwankungen) zu verringern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden sind spezielle Ausführungsbeispiele gemäß dem Gegenstand der ursprünglich vorliegenden Erfindung zusammenfassend beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, vielmehr sollen diese Ausführungsbeispiele lediglich eine Kurzbeschreibung möglicher Ausprägungen der Erfindung geben. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Ausprägungen abdecken, die den nachstehend dargelegten Ausführungsbeispielen ähneln oder sich von diesen unterscheiden können.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel gehören zu einem System: ein Resonator, der dazu eingerichtet ist, Schwingungen zu dämpfen und ein Resonatorregelungssystem, das dazu eingerichtet ist, ein Verhältnis eines ersten Fluids und eines zweiten Fluids in den Resonator einzuspeisen, um eine Resonanzcharakteristik des Resonators zu regeln, wobei sich das erste Fluid von dem zweiten Fluid unterscheidet.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel gehören zu einem System: eine Resonatorregelungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein in einen Resonator eingespeistes Verhältnis eines ersten Fluids und eines zweiten Fluids anzupassen, wobei sich das erste Fluid von dem zweiten Fluid unterscheidet, und wobei die Resonatorregelungseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Resonanzfrequenz des Resonators zu regeln, um auf der Grundlage des Verhältnisses Schwingungen zu dämpfen.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel gehören zu einem System: ein Triebwerk, das eine Brennkammer und einen Resonator aufweist, der mit der Brennkammer verbunden ist, wobei der Resonator dazu eingerichtet ist, Schwingungen in der Brennkammer zu dämpfen, wobei der Resonator dazu eingerichtet ist, ein erstes Fluid und ein zweites Fluid in einem Verhältnis aufzunehmen, um eine Resonanzfrequenz des Resonators zu regeln, und wobei sich das erste Fluid von dem zweiten Fluid unterscheidet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, wobei:
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1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Turbinensystem, bei dem ein Regelungssystem mit einer Brennkammeranordnung verbunden ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Resonators in Verbindung mit dem in 1 veranschaulichten Regelungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 veranschaulicht in einem Graphen die Resonatorleistung in Zusammenhang mit mehreren Arbeitsfluiden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 veranschaulicht eine Seitenansicht eines zweiten Regelungssystems, das mit einer Brennkammer verbunden ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte verständlich sein, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z. B. Konformität mit systembezogenen und wirtschaftlichen Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass eine solche Entwicklungsbemühung komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für den Fachmann, der über den Vorteil dieser Beschreibung verfügt, eine Routinemaßnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung bedeuten würde.
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Wenn Elemente vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die unbestimmten und bestimmten Artikel ”ein” ”eine”, bzw. ”der, die, das” und dergleichen das Vorhandensein von mehr als einem Element einschließen. Die Begriffe ”umfassen”, ”enthalten” und ”aufweisen” sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können durch die Verbrennung angeregte Schwingungen durch Dämpfung von Druckschwankungen in Fluidzufuhrquellen (z. B. in Flüssigkeits- und/oder Gasleitungen) verringern und/oder durch die Verbrennung hervorgerufene akustische Schwingungen mittels eines oder mehrerer Resonatoren dämpfen. In speziellen Ausführungsbeispielen können der eine oder die mehreren Resonatoren in unmittelbarer Nähe der Schwingungen angeordnet sein, um die Wirkung der Dämpfung zu maximieren. Beispielsweise kann (können) die Resonator(en) unmittelbar in dem Grundkörper der Brennstoffdüse angeordnet sein, beispielsweise in der Mitte und/oder Spitze der Brennstoffdüse, in einem stromaufwärts und/oder stromabwärts der Brennstoffdüse angeordneten Verteiler.
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Darüber hinaus kann (können) die Resonatoren) abgestimmt werden, um Schwingungen einer gewissen Frequenz zu dämpfen, oder sie können abgestimmt werden, um als ein Breitbandschwingungsdämpfer zu wirken. In speziellen Ausführungsbeispielen kann jeder Resonator durch Verändern eines Fluids in dem Resonator abgestimmt werden, so dass dadurch die Schallgeschwindigkeit und Resonanzfrequenz des Resonators verändert wird. Beispielsweise kann jeder Resonator durch Änderung der Mengen (z. B. eines Verhältnisses) von zwei oder mehr Fluiden, die dem Resonator zugeführt werden, abgestimmt werden. Jede beliebige geeignete Anzahl und Art von Fluiden kann genutzt werden, um den Resonator abzustimmen. In einem Ausführungsbeispiel kann jeder Resonator durch Änderung von Mengen (z. B. eines Verhältnisses) von Dampf und Kohlendioxid (CO2), die dem Resonator zugeführt werden, abgestimmt werden.
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Eine Regelung der zu dem (den) Resonator(en) übertragenen Fluide kann über eine Regelungseinrichtung beeinflußt werden. Die Regelungseinrichtung kann von wenigstens einem Sensor Daten aufnehmen, die sich auf die Frequenzen von Schwingungen in einer Brennkammer beziehen, und kann den (die) Resonator(en) abstimmen, um die aktuell erzeugten Schwingungen zu dämpfen, indem sie das dem (den) Resonator(en) zugeführte Verhältnis des ersten Fluids und des zweiten Fluids anpasst. D. h. die Regelungseinrichtung kann mit dem (den) Resonator(en) in Datenaustausch verbunden sein und kann den (die) Resonator(en) auf Frequenzen abstimmen, die durch den wenigstens einen Sensor erfasst sind. Der (die) Resonator(en) kann (können) unter Anderem Helmholtz-Resonatoren und/oder Viertelwellenresonatoren beinhalten.
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Indem nun auf die Zeichnungen eingegangen und zunächst auf 1 Bezug genommen wird, kann ein Ausführungsbeispiel eines Turbinensystems 10 eine oder mehrere Brennstoffdüsen 12 enthalten. Obwohl akustische Schwingungen während der Verbrennung von Brennstoff von den Brennstoffdüsen 12 ausgehend erzeugt sein können, können die offenbarten Ausführungsbeispiele der Brennstoffdüsen 12 Resonatoren 14 enthalten, die einstückig mit den Brennstoffdüsen 12 hergestellt sind, um die erzeugten akustischen Schwingungen zu dämpfen. Darüber hinaus und/oder alternativ kann wenigstens ein Resonator 14 stromaufwärts und/oder stromabwärts der Brennstoffdüsen 12 angeordnet sein, um die Dämpfung der akustischen Schwingungen zu unterstützen, die während der Verbrennung von Brennstoff ausgehend von den Brennstoffdüsen 12 erzeugt werden.
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Das Turbinensystem, (z. B. die Gasturbine) 10 kann zum Betrieb des Turbinensystems 10 flüssigen oder gasförmigen Brennstoff verwenden, z. B. Erdgas und/oder ein wasserstoffreiches Synthesegas. Wie dargestellt, nehmen die Brennstoffdüsen 12 über eine Brennstoffzufuhr 18 einen Brennstoffstrom 16 auf, um Brennstoff in die Brennkammeranordnung 20 einzuspritzen. Dieser Brennstoffstrom 16 kann einen Sammelraum durchströmen, beispielsweise einen Verteiler 22. In einem Ausführungsbeispiel kann sich der Verteiler 22 im Inneren der Brennkammer 20 befinden oder damit verbunden sein, und er kann als eine Anschlussstelle dienen, die es gestattet, mehrere Fluide in die Brennkammer 20 zu übertragen.
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Darüber hinaus kann beispielsweise durch den Verteiler 22 Luft in die Brennkammeranordnung 20 injiziert werden, um sich mit dem Brennstoff zu vermischen, der mittels der Brennstoffdüse 12 in die Brennkammer 20 injiziert ist, so dass ein Brennstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird. Dieses Brennstoff/Luft-Gemisch kann in der Brennkammeranordnung 20 gezündet werden. Die Verbrennung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches in der Brennkammeranordnung 20 bringt heiße, verdichtete Abgase hervor. Die Brennkammer 20 leitet das heiße verdichtete Abgas in eine Turbine 24. D. h. die Brennkammeranordnung 10 lenkt die Abgase durch eine Turbine 24 in Richtung eines Auslasses ins Freie 26. Das Abgas durchströmt wenigstens eine Turbinenstufe (z. B. Turbinenlaufschaufeln) in der Turbine 24, so dass dadurch die Turbine 24 in Drehung versetzt wird. Eine Verbindung zwischen den Schaufeln in der Turbine 24 und einer Welle 28 ruft wiederum die Drehung der Welle 28 hervor, die außerdem über das gesamte Turbinensystem 10 hinweg mit mehreren Komponenten verbunden ist.
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Wie zu sehen, kann die Welle 28 mit vielfältigen Komponenten des Turbinensystems 10 verbunden sein, beispielsweise mit einem Verdichter 30. Der Verdichter 30 weist außerdem Schaufeln auf, die mit der Welle 28 verbunden sein können. Während sich die Welle 28 dreht, können auch die Schaufeln in dem Verdichter 30 rotieren, um dadurch von einer Luftansaugöffnung 34 stammende Luft 32 durch den Verdichter 30 zu verdichten und in die Brennstoffdüsen 12 und/oder die Brennkammeranordnung 20 einzuführen. Die Welle 28 kann außerdem mit einer Last 36 verbunden sein, die durch die Drehung der Welle 28 angetrieben werden kann. Wie bekannt, kann die Last 36 eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die über die Drehmomentausgabe des Turbinensystems 10 Leistung hervorbringen kann, beispielsweise ein Stromerzeugungsanlage oder eine externe mechanische Last. Beispielsweise kann die Last 30 einen elektrischen Generator, einen Propeller ein Flugzeug, und so fort beinhalten.
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Die Resonatoren 14 des Turbinensystems 10 können eine Resonanzfrequenz (F) aufweisen, die durch die folgende Gleichung definiert ist: F = (c/2π)√(S/VL) mit c = Schallgeschwindigkeit, S = Querschnittsfläche der Öffnungen des Resonators 14, V = Volumen des Resonators 14, und L = Halslänge der Öffnungen des Resonators 14.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Schallgeschwindigkeit c der Resonatoren 14 verändert werden, um die Gesamtantwort (z. B. die akustische Dämpfung) der Resonatoren 14 zu ändern. Beispielsweise hängt die Schallgeschwindigkeit c in einem gasförmigem Medium von der Temperatur, der Molekülstruktur und dem Molekulargewicht des gasförmigen Mediums ab. Somit kann durch Einbringen und Verändern der Menge von mindestens zwei oder mehr gasförmigen Medien mit unterschiedlichen Molekülstrukturen und Molekulargewichten, die zu den Resonatoren 14 übertragen werden, mittels der Resonatoren 14 ein breiterer Bereich von Frequenzen gedämpft werden.
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Das Turbinensystem 10 enthält eine Regelungseinrichtung 38, die ein elektrisches oder elektronisches Gerät zur Regelung von Fluidströmen zu dem (den) Resonatoren) 14 sein kann. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Regelungseinrichtung 38 mit jedem Resonator 14 und wenigstens einem Sensor 40 verbunden sein, der sich in strömungsmäßiger Verbindung mit der Brennkammeranordnung 20 befinden kann. In einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor 40 ein Drucksensor sein. Allerdings kann der Sensor 40 auf einem beliebigen geeigneten Sensor basieren, der eine Rückführung gewinnt, die Druckschwankungen und/oder Verbrennungsdynamik kennzeichnet. Beispielsweise kann der Sensor 40 einen Temperatursensor, einen Flammensensor oder einen Schwingungssensor beinhalten. Die Regelungseinrichtung 38 kann von dem Sensor 40 Daten entgegennehmen, die sich auf die erfasste Frequenz von Druckschwankungen, beispielsweise in der Brennkammeranordnung 20, beziehen. Darüber hinaus können ein oder mehrere Sensoren 40 in der Nähe des Verteilers 22 oder der Brennstoffdüsen 12 angeordnet sein, um darin Druckschwankungen zu erfassen.
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Auf der Grundlage dieser Daten, die von dem Sensor 40 her aufgenommen sind, kann die Regelungseinrichtung 38 den (die) Resonator(en) 14 abstimmen, um die erfasste Frequenz durch Anpassen des Verhältnisses von Fluiden, die dem (den) Resonator(en) 14 zugeführt werden, abzugleichen. Diese Fluide können ein erstes Fluid 42, ein zweites Fluid 44, und so fort, bis zu einem n-ten Fluid 46 beinhalten. Beispiele von Fluiden, die als die Fluide 42, 44 und 46 genutzt werden können, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Wasser (z. B. in Form von Dampf), Kohlendioxid, Stickstoff, Luft und/oder andere Fluide. Sämtliche Fluide 42, 44 und 46 können unterschiedliche Molekulargewichte, können einatomige und (mehratomige) Fluide beinhalten und/oder können untereinander unterschiedliche spezifische Wärmekapazitäten aufweisen. Beispielsweise kann ein Molekulargewicht oder eine spezifische Wärmekapazität des ersten Fluids 42 einen Wert aufweisen, der denjenigen des zweiten Fluids 44 um mindestens etwa 5 Prozent, 10 Prozent, 15 Prozent, 20 Prozent, 30 Prozent, 40 Prozent, 50 Prozent oder darüber überschreitet.
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Durch Einstellen des Verhältnisses von Fluiden, z. B. des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44, die dem (den) Resonator(en) 14 zugeführt werden, kann das Gesamtfrequenzband, das durch den (die) Resonator(en) 14 gedämpft wird, verbreitert werden, um einen breiteren Bereich von Frequenzen abzudecken. Außerdem kann ein spezielleres Abstimmen des (der) Resonator(en) 14 durch eine Regelung der Fluide, beispielsweise des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44, die dem (den) Resonator(en) 14 zugeführt werden, erreicht werden, indem Kombinationen der Fluide 42 und 44 gewählt werden, die abgestimmt werden, um eine erfasste Schwingungsfrequenz akustisch zu dämpfen. Dies kann eine Verringerung der Stärke spezieller Druckschwankungen in der Brennkammer 20 ergeben.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Resonators 14, der in axialer Richtung stromabwärts der Brennstoffdüsen 12 von 1 angeordnet sein kann. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Resonator 14 axial stromaufwärts einer Brennkammer 47 der Brennkammeranordnung 20 angeordnet. Es ist zu beachten, dass vielfältige Aspekte des Betriebs des Resonators 14 in Bezug auf eine Umfangsrichtung oder Achse 50, eine Radialrichtung oder Achse 51 und eine Axialrichtung oder Achse 52 beschrieben sein können. Beispielsweise entspricht die Achse 50 der Umfangsrichtung um die longitudinale Mittellinie der Brennkammeranordnung 20, die Achse 51 entspricht einer in Bezug auf die longitudinale Mittellinie quer oder radial verlaufende Richtung, und die Achse 52 entspricht einer longitudinalen Mittelachse oder Längsrichtung entlang der Brennkammeranordnung 20. Somit kann der Resonator 14 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel eine ringförmige Kammer sein, die die Brennkammer 47 der Brennkammeranordnung 20 in der Umfangsrichtung 50 umgibt. D. h. der Resonator 14 kann mit der äußeren Wand 48 der Brennkammeranordnung 20, die die Brennkammer 47 umgibt, verbunden sein und sie umgeben. In noch einem Ausführungsbeispiel kann der Resonator 14 im Inneren der Brennkammeranordnung 20 angeordnet sein, so dass sich eine stromaufwärts angeordnete Platte 54 des Resonators axial stromaufwärts der Brennkammer 47 von der äußeren Wand 48 ausgehend in der Radialrichtung 51 quer durch das Innere der Brennkammeranordnung 20 erstreckt. Beispielsweise kann der Resonator 14 entlang eines stromabwärts gelegenen Endabschnitts der Brennstoffdüsen 12 angeordnet sein. In beiden Ausführungsbeispielen ist der Resonator 14 dazu eingerichtet, Druckschwankungen zu dämpfen, die beispielsweise von einer Verbrennungsdynamik in der Brennkammeranordnung 20 herrühren.
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Der Resonator 14 kann dazu dienen, die durch den Verbrennungsprozess verursachten akustischen Schwingungen zu dämpfen, die durch Luft- und Brennstoffdruckschwankungen beeinflusst sein können, die zu den Düsen 12 übertragen werden. Somit können mit speziellen Frequenzen auftretende Schwankungen gedämpft oder sogar eliminiert werden, die andernfalls durch ein Oszillieren bei einer oder mehreren Eigenfrequenzen einer Komponente oder eines Subsystems in dem Turbinensystem 10 die Leistung und Lebensdauer des Turbinensystems 10 reduzieren würden. Die akustischen Schwingungen können unmittelbar stromabwärts der Düsen 12 am größten sein. Daher kann es von Vorteil sein, den akustischen Resonator 14 benachbart zu dem stromabwärts gelegenen Abschnitt der Brennstoffdüse 12 anzuordnen, um ihn in enge räumliche Nachbarschaft mit dem Ort der Druckschwankungen in der Brennkammer 47 zu bringen.
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Der Resonator 14 kann eine stromaufwärts angeordnete Platte 54 und mindestens eine Seitenplatte 56 aufweisen, die mit der stromaufwärts angeordneten Platte 54 und der äußeren Wand 48 vereinigt sein kann, um einen Resonatorhohlraum 58 zu bilden. Die stromaufwärts angeordnete Platte 54 kann sich radial 52 parallel zu der äußeren Wand 48 erstrecken und kann mit einer Breite von beispielsweise etwa 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2, 1,4, 1,6, 1,8 oder 2,0 Zoll bemessen sein. Die Seitenplatte 56 kann sich axial 51 von der äußeren Wand 48 zu der stromaufwärts angeordneten Platte 54 in einem Abstand von beispielsweise etwa 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5 oder 3 Zoll erstrecken. Folglich können die äußere Wand 48 und die stromaufwärts angeordnete Platte 54 parallel sein, während sich die Seitenplatten) 56 seitlich um einen Umfang des Hohlraums 58 erstrecken. Darüber hinaus kann die stromaufwärts angeordnete Platte 54 in speziellen Ausführungsbeispielen scheibenförmig sein, die Seitenplatte(n) 56 kann (können) ringförmig ausgebildet sein, und/oder der Hohlraum 58 kann zylindrisch sein.
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Fluide, z. B. das erste Fluid 42 und das zweite Fluid 44, können in den Resonatorhohlraum 58 über einen oder mehrere Fluideinlässe 60 eintreten, die axial 51 durch die stromaufwärts angeordnete Platte 54 des Resonators 14 hindurch ausgebildet sein können. Die Fluideinlässe 60 können mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 0,01, 0,03, 0,05, 0,1, 0,15 oder 0,20 Zoll bemessen sein. Die Fluideinlässe 60 können es einem Fluid gestatten, axial 51 entlang der Richtungspfeile 62 und 64 in den Resonatorhohlraum 58 zu strömen. Die Fluide, z. B. das erste Fluid 42 und das zweite Fluid 44, können darüber hinaus, wie durch die Richtungslinie 68 angedeutet, axial 51 durch Fluidauslassanschlüsse 66 in die Brennkammer 47 strömen. D. h. die Fluidauslassanschlüsse 66 stoßen Fluid unmittelbar in die Verbrennungszone der Brennkammer 47 aus. Die Fluidauslassanschlüsse 66 können mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,25 oder 0,3 Zoll bemessen sein.
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Somit weist der Resonator 14 den Resonatorhohlraum 58 auf, um Druckschwankungen (z. B. von Luft, Brennstoff, Verbrennung, usw.) zu dämpfen, während er ein oder mehrere Fluide, z. B. die Fluide 42 und 44, über Fluidauslassanschlüssen 66, die beispielsweise benachbart zu dem stromabwärts gelegenen Ende der Brennstoffdüse 12 angeordnet sind, unmittelbar in die Brennkammer 47 leitet. Beispielsweise wird aufgrund von Druckschwankungen (z. B. Schwingungen) von Luft 32 und Brennstoff 18 möglicherweise ein inhomogenes Brennstoff/Luft-Gemisch in die Brennkammer 20 übertragen. Während dieses Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt wird, kann Fluid, z. B. Abgase, über Brennstoffauslassanschlüsse 66 in den Hohlraum 58 gedrückt werden, wobei auf diese Weise der Druck im Inneren des Hohlraums 58 gesteigert wird, während gleichzeitig die Schwingungen in der Brennkammer 47 verringert werden. Die Druckschwankungen sind somit nicht in der Lage, akustische Druckwellen zu erzeugen. Wenn die Druckschwankungen nicht mehr erzeugt werden, (z. B. die Änderung des Brennstoff/Luft-Gemisches nachlässt), wird der erhöhte Druck in dem Hohlraum 58 die Abgase, gemeinsam mit den Fluiden 42 und 44 durch die Brennstoffauslassanschlüsse 66 wieder zurück drängen, um den Druck in dem Hohlraum 58 mit dem Druck der Verbrennungszone 47 auszugleichen. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, so dass das Dämpfen ein Nachlassen der Druckschwankungen bewirken kann, mit der Folge, dass weniger oder keine akustische Schwingungen entstehen. Der Resonator 14 kann somit die Energie der Druckschwankungen, die durch die Verbrennung eines fluktuierenden Brennstoff/Luft-Gemisches verursacht sind, abführen.
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Außerdem kann dieses Verfahren durch Abstimmen des Resonators 14, d. h. durch Abgleichen der Resonanzfrequenz des Resonators 14 mit den Schwingungen, die in der Brennkammer 47 erzeugt werden, optimiert werden. Diese Schwingungen können über einen oder mehrere Sensoren 40 gemessen werden, die Drucksensoren sein können, die mit der Brennkammer 47 strömungsmäßig verbunden sind. Diese Messwerte, die eine erfasste Frequenz von Druckschwankungen in der Brennkammer 47 kennzeichnen, können entlang von Pfaden 70 und 72 zu der Regelungseinrichtung 38 übermittelt werden. Auf der Grundlage der von den Sensoren 40 her aufgenommenen Messwerte kann die Regelungseinrichtung 38 den Resonator 14 abstimmen, um die erfasste Frequenz durch Anpassen des Verhältnisses von Fluiden, z. B. der Fluide 42 und 44, die dem Resonator 14 zugeführt werden, abzugleichen. Die Anpassung des Verhältnisses des Fluids 42 in Bezug auf das Fluid 44 kann durch die Regelungseinrichtung 38 durchgeführt werden, indem entlang von Pfaden 74 und 76 ein oder mehrerer Steuersignale zu Ventilen 78 und 80 übermittelt werden. Die entlang der Pfade 74 und 76 übertragenen Steuersignale können das Öffnen und Schließen der Ventile 78 und 80 regeln. Durch Anpassen des Öffnens und Schließens von Ventilen 78 und 80 kann die Menge des ersten Fluids 42, das entlang des Richtungspfeils 62 übertragen wird, und die Menge des zweiten Fluids 44, das entlang des Richtungspfeils 64 in den Resonatorhohlraum 58 übertragen wird, geregelt werden.
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Außerdem kann das Gesamtfrequenzband, das durch den Resonator 14 gedämpft werden kann, durch Einstellen des Verhältnisses von Fluiden, z. B. des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44, die dem Resonator 14 zugeführt werden, verbreitert werden, um einen breiteren Bereich von Frequenzen abzudecken, während durch eine Regelung der Fluide, beispielsweise des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44, gleichzeitig eine spezifischere Abstimmung des Resonators 14 erfolgt. D. h. durch ein Variieren des dem Hohlraum 58 zugeführten Verhältnisses von Fluiden 42 und 44 ändert sich die Menge des Fluids, z. B. der Abgase, die in der Lage ist, für eine Steigerung des Drucks im Inneren des Hohlraums 58 über Brennstoffauslassanschlüsse 66 in den Hohlraum 58 einzutreten. D. h. die Menge von Abgas, die in den Resonatorhohlraum 58 zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt eintreten kann, kann zu dem Verhältnis des ersten Fluids 42 zu dem zweiten Fluid 44 in dem Resonatorhohlraum 58 zu jenem Zeitpunkt in Beziehung stehen. Außerdem steuert die Abgasmenge, die zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt in den Resonatorhohlraum 58 eintritt, die Frequenzen, die durch den Resonator 14 gedämpft werden, da sich die durch den Resonator 14 gedämpften Frequenzen in Relation zu der Menge von Abgas ändern können, das in der Lage ist, in die Fluidauslassanschlüsse 66 einzutreten bzw. diese zu verlassen, um den Druck in dem Hohlraum 58 mit dem Druck der Verbrennungszone 47 auszugleichen.
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Wie oben erörtert, kann das Abstimmen des Resonators 14 auf die Druckschwankungen ansprechen, die in der Brennkammer 47 entstehen. Diese Druckschwankungen können sich in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren ändern, z. B. sind dies die Art des zu verbrennenden Brennstoffs (z. B. synthetisches Erdgas, Substituterdgas, Erdgas, Wasserstoff, usw.), die Anzahl von Brennstoffdüsen 12, die Größe der Verbrennungszone, die Rate, mit der ein Brennstoff/Luft-Gemisch in die Verbrennungszone 47 eintritt, sowie sonstige Faktoren. Basierend auf diesen Faktoren können die Fluide, z. B. das erste Fluid 42 und das zweite Fluid 44, die in den Resonatorhohlraum 58 eingeführt werden, um den Schwingungen entgegenzuwirken, die in einer vorgegebenen Verbrennungszone 47 entstehen, mittels der Regelungseinrichtung 38 aktiv geregelt werden.
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3 zeigt einen Graphen 82, der die Frequenz gegenüber dem Absorptionskoeffizienten (die Antwort des Resonators 14) für einen Resonator 14 veranschaulicht, der eine anpassbare Menge eines ersten Fluids 42 und eines zweiten Fluids 44 empfangen kann. Wie in dem Graphen 82 zu sehen, kann ein minimaler Absorptionskoeffizientpegel 84 vorhanden sein, wobei eine Absorption von Schwingungen durch den Resonator 14 bei Pegeln, die die den minimalen Absorptionskoeffizientpegel 84 überschreiten, die Schwingungen in der Brennkammer 47 ausreichend verringert. Im Gegensatz dazu wird eine Absorption von Schwingungen bei Pegeln, die den minimalen Absorptionskoeffizientpegel 84 unterschreiten, die Schwingungen in der Brennkammer 47 möglicherweise nicht ausreichend verringern, um beispielsweise einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer von Komponenten der Brennkammeranordnung auszuüben. Dementsprechend kann die Regelungseinrichtung 38 mit den Ventilen 78 und 80 zusammenwirken, um den Strom des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44 in den Resonatorhohlraum 58 zu regeln, um sicherzustellen, dass der Resonator 14 mindestens bei dem minimalen Absorptionskoeffizientpegel 84 arbeitet.
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Beispielsweise veranschaulicht der Graph 82 drei Kurven 86, 88 und 90, wobei die Kurve 86 der Absorption des Resonators 14 entspricht, falls lediglich ein erstes Fluid 42 zu dem Resonator 14 übertragen wird. In ähnlicher Weise entspricht die Kurve 88 der Absorption des Resonators 14, falls lediglich ein zweites Fluid 42 zu dem Resonator 14 übertragen wird. Schließlich entspricht die Kurve 90 der Absorption des Resonators 14, wenn ein Fluidgemisch 92 des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44 zu dem Resonator 14 übertragen wird. Wie zu sehen, veranschaulicht die Kurve 86 einen Bereich von Frequenzen 92, über den eine Übertragung lediglich des ersten Fluids 42 zu dem Resonator 14 durchgeführt werden kann, um sicherzustellen, dass der Resonator 14 Schwingungen in der Brennkammer 47 (z. B. oberhalb des minimalen Absorptionskoeffizientpegels 84) ausreichend dämpft. In ähnlicher Weise veranschaulicht die Kurve 90 einen Bereich von Frequenzen 94, über den eine Übertragung des Fluidgemisches 92 zu dem Resonator 14 durchgeführt werden kann, um sicherzustellen, dass der Resonator 14 Schwingungen in der Brennkammer 47 ausreichend dämpft. Zuletzt veranschaulicht die Kurve 88 einen Bereich von Frequenzen 96, über den eine Übertragung lediglich des zweiten Fluids 44 zu dem Resonator 14 durchgeführt werden kann, um sicherzustellen, dass der Resonator 14 Schwingungen in der Brennkammer 47 ausreichend dämpft.
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Dementsprechend kann der gesamte Bereich von Frequenzen 98, über den der Resonator 14 in der Lage ist, Schwingungen in der Brennkammer 47 (z. B. oberhalb des minimalen Absorptionskoeffizientpegels 84) ausreichend zu dämpfen, in Bezug auf die Nutzung lediglich des ersten Fluids 42 oder lediglich des zweiten Fluids 44 erweitert werden. In einem Ausführungsbeispiel kann der gesamte Bereich von Frequenzen 98, über den der Resonator 14 in der Lage ist, Schwingungen in der Brennkammer 47 ausreichend zu dämpfen, beispielsweise etwa 2000 Hz, 2100 Hz, 2200 Hz, 2300 Hz, 2400 Hz, 2500 Hz, 2600 Hz, 2700 Hz, 2800 Hz, 2900 Hz, 3000 Hz oder darüber betragen. Während die Kombination des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44 in 3 veranschaulicht sind, wird darüber hinaus, wie zuvor festgestellt, in Erwägung gezogen, dass mehr als zwei Fluide in dem Resonator 14 zusammengeführt werden können, um die Gesamtabsorptionscharakteristik des Resonators 14 zu ändern. Beispielsweise kann der offenbarte Resonator 14 beliebige Kombination von 1 bis 5, 1 bis 10, oder 1 bis 20 Fluide aufnehmen, um die Frequenzantwort des Resonators 14 zu verbreitern.
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4 veranschaulicht eine Seitenansicht einer Brennkammeranordnung 20 in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Brennkammer 20 kann eine Brennstoffdüse 12 und eine stromabwärts der Düsen 12 gelegene Brennkammer 47 enthalten. Weiter kann die Brennkammer 20 mit einem Verteiler 22 und einem Resonator 14 verbunden sein. In einem Ausführungsbeispiel kann der Verteiler als ein Wärmetauscher arbeiten, der Wasser verwendet, um Fluide zu kühlen, die durch den Verteiler 22 strömen. Dieses Wasser kann Fluiden, die durch den Verteiler 22 strömen, Wärme entziehen und kann verdampfen, wobei der Dampf, wie weiter unten eingehender beschrieben, in Verbindung mit dem Resonator 14 als ein Fluid, z. B. als das zweite Fluid 44, genutzt werden kann.
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Wie oben erwähnt, kann die Brennkammeranordnung 20 mit einem Resonator 14 verbunden sein. Der Resonator 14 kann eine ringförmige Kammer sein, die die Brennkammer 47 umgibt. Außerdem kann ein Sensor 40 mit der Brennkammer 47 strömungsmäßig verbunden sein. Darüber hinaus kann in der Nähe der Brennkammeranordnung 20 eine Regelungseinrichtung 38 angeordnet sein und kann über den Pfad 70 mit dem Sensor 40 verbunden sein, um Daten aufzunehmen, die die erfasste Frequenz von Druckschwankungen in der Brennkammer 47 kennzeichnen.
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Die Regelungseinrichtung 38 kann außerdem mit einem Ventil 78 verbunden sein, das die Menge von Kohlendioxid (mit einem Molekulargewicht von etwa 44 Gramm pro Mol) steuert, die entlang des Pfades 100 zu dem Resonator 14 übertragen wird, und ein Ventil 80, das die Wassermenge (z. B. Dampf mit einem Molekulargewicht von etwa 18 Gramm pro Mol) steuert, die entlang des Pfades 102 zu dem Resonator 14 übertragen wird. Somit kann die Regelungseinrichtung 38 Fluide (z. B. Dampf und Kohlendioxid) nutzen, die während des Betriebs der Brennkammer 20 bereits als Fluide vorhanden sind, die zu mischen sind, um adaptiv sicherzustellen, dass in dem Resonator 14 ein minimaler Absorptionskoeffizientpegel 84 aufrecht erhalten wird. D. h. Messwerte, die sich auf eine erfasste Frequenz von Druckschwankungen in der Brennkammer 47 beziehen, können entlang des Pfades 70 an die Regelungseinrichtung 38 übertragen werden, und die Regelungseinrichtung 38 kann auf der Grundlage der Messwerte, die von dem Sensor 40 her aufgenommen sind, den Resonator 14 entweder abstimmen, um die erfasste Frequenz durch Anpassen des Verhältnisses des dem Resonator 14 zugeführten Dampfs und Kohlendioxids abzugleichen, oder kann den Resonator 14 abstimmen, um sicherzustellen, dass der minimale Absorptionskoeffizientpegel 84 in dem Resonator 14 aufrecht erhalten wird. Die Anpassung des Verhältnisses von Dampf zu Kohlendioxid kann erreicht werden, indem ein oder mehrere Steuersignale entlang von Pfaden 74 und 76 übermittelt werden, um das Öffnen und Schließen von Ventilen 78 und 80 zu steuern/regeln. Durch Anpassen des Öffnens und Schließens von Ventilen 78 und 80 können die Menge von Kohlendioxid, die zu dem Resonator 14 entlang des Pfades 100 übertragen wird, und die Menge von Dampf, die entlang des Pfades 102 in den Resonator 14 übertragen wird, geregelt werden.
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Durch Einstellen des Verhältnisses von Fluiden, z. B. des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44, die dem Resonator 14 zugeführt werden, kann das Gesamtfrequenzband, das durch den Resonator 14 gedämpft werden kann, verbreitert werden, um einen breiteren Bereich von Frequenzen abzudecken. Darüber hinaus kann ein Anpassen des Verhältnisses von Fluiden, z. B. des ersten Fluids 42 und des zweiten Fluids 44, die dem Resonator 14 zugeführt werden, eine Feinabstimmung des Resonators 14 gestatten, um eine spezifizierte Frequenz zu dämpfen. In einem Ausführungsbeispiel können diese Anpassungen automatisch erzeugt werden. Beispielsweise können diese Anpassungen an den Fluiden (z. B. den Fluiden 42 und 44), die zu dem Resonator 14 übertragen werden, in Abhängigkeit von einem Zeitschema automatisch erzeugt werden. D. h. die Anpassungen können beispielsweise jede Stunde, alle sechs Stunden, jeden Tag, jede Woche, jeden Monat, usw. erzeugt werden. Darüber hinaus oder alternativ können die Anpassungen über eine Benutzeranforderung erzeugt werden. D. h. ein Benutzer kann anfordern zu einer vorgegebenen Zeit, dass die Regelungseinrichtung 38 die Messwerte von dem Sensor ausliest und die Ventile 78 und 80 entsprechend anpasst. Auf diese Weise kann die Gesamtheit der Schwingungen in der Brennkammeranordnung 20 in Echtzeit, d. h. in Reaktion auf Ereignisse bei ihrem Auftreten, reduziert werden.
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Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
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Ein System enthält eine Resonatorregelungseinrichtung. Die Resonatorregelungseinrichtung kann ein in einen Resonator eingespeistes Verhältnis eines ersten Fluids und eines zweiten Fluids anpassen, wobei sich das erste Fluid von dem zweiten Fluid unterscheidet. Darüber hinaus kann die Resonatorregelungseinrichtung eine Resonanzfrequenz des Resonators regeln, um auf der Grundlage des Verhältnisses Schwingungen zu dämpfen.
