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Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Steuerung der Verbrennungsdynamik in einer Gasturbinenbrennereinrichtung. Insbesondere betreffen ein oder mehrere Aspekte eine aktive Steuerung des Brennstoffdüsensystems, um die Verbrennungsdynamik während des Verbrennungsbetriebs zu verbessern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es ist wünschenswert, eine Gasturbinenbrennereinrichtung in einem großen Betriebszustandsbereich zu betreiben. Jedoch bestehen unter bestimmten Bedingungen dynamische Grenzen, die eine Brennereinrichtung daran hindern, den angestrebten Zustand zu erreichen. Die Brennereinrichtungsdynamik bezieht sich auf Druckoszillationen und/oder Druckpulsationen, die während der Verbrennung auftreten können. Diese Dynamik kann die Gasturbine selbst beschädigen, zum Beispiel bei Resonanzfrequenzen. Auch können unerwünschte Effekte entstehen, wie etwa der Anstieg der NOx-Emissionen.
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Es wäre wünschenswert, eine Beeinflussung der Verbrennungsdynamik dazu zu verwenden, schädigende Effekte zu mindern.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Störeinrichtung zur Verwendung in einer Brennstoffdüse einer Brennereinrichtung eines Gasturbinensystems. Die Störeinrichtung kann eine Vielzahl von flexiblen Platten aufweisen, einschließlich einer ersten und einer zweiten flexiblen Platte. Sowohl die erste, als auch die zweite flexible Platte kann eine elektromagnetische Platte sein und entsprechend dazu eingerichtet sein, ein erstes bzw. ein zweites Störsignal zu empfangen und einen entsprechenden ersten und zweiten Magnetfluss zu erzeugen. Die erste und zweite flexible Platte können derart physikalisch aufeinander einwirkend angeordnet sein, dass die erste und/oder die zweite flexible Platte durch ein Zusammenwirken des ersten und des zweiten Magnetflusses schwingt. Die erste flexible Platte kann dazu eingerichtet sein, ein AC-Signal als erstes Störsignal zu empfangen und einen entsprechenden AC-Magnetfluss als ersten Magnetfluss zu erzeugen.
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Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Steuersystem zur Beeinflussung der Dynamik in einer Brennereinrichtung eines Gasturbinensystems. Das Steuersystem kann eine Mehrzahl von Störeinrichtungen für eine Mehrzahl von Brennstoffdüsen der Brennereinrichtung, einen oder mehrere Drucksensoren und eine Dynamiksteuereinrichtung aufweisen. Jede Brennstoffdüse kann dazu eingerichtet sein, ein Fluid zu einer Brennkammer der Brennereinrichtung abzugeben. Das Fluid kann einen Brennstoff, einen Oxidanten oder ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidanten aufweisen. Der eine oder die mehreren Drucksensoren können dazu eingerichtet sein, den Druck in der Brennkammer zu messen. Die Dynamiksteuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Druckdynamik basierend auf dem jeweiligen Druck zu analysieren, der von dem einen oder den mehreren Drucksensoren gemessen wurde und eine Mehrzahl von Störsignalen auszugeben, um die Mehrzahl von Störeinrichtungen basierend auf der analysierten Druckdynamik zu steuern und/oder zu regeln. Die Mehrzahl von Störsignalen kann ein erstes und ein zweites Störsignal aufweisen, wobei das erste Störsignal ein AC-Signal sein kann. Die Mehrzahl von Störeinrichtungen kann eine erste Störeinrichtung aufweisen und die Mehrzahl von Brennstoffdüsen kann eine erste Brennstoffdüse aufweisen, wobei die erste Störeinrichtung körperlich in der ersten Brennstoffdüse stromaufwärts der Brennkammer angeordnet sein kann, so dass das Fluid über die erste Störeinrichtung strömt. Die erste Störeinrichtung kann eine Vielzahl von flexiblen Platten aufweisen, einschließlich einer ersten und einer zweiten flexiblen Platte, wobei beide elektromagnetische Platten sein können. Die erste und die zweite flexible Platte können körperlich relativ zueinander angeordnet sein, so dass die erste und/oder die zweite flexible Platte aufgrund eine Zusammenwirkens zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfluss schwingt. Die Dynamiksteuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, das erste und das zweite Störsignal auszugeben, um die Schwingungscharakteristik der ersten flexiblen Platte oder der zweiten flexiblen Platte oder beider Platten basierend auf der Druckdynamik zu steuern oder zu regeln.
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Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung der Dynamik in einer Brennereinrichtung eines Gasturbinensystems. Das Verfahren kann für eine Brennereinrichtung relevant sein, die eine Brennkammer, eine Mehrzahl von Brennstoffdüsen, einschließlich einer ersten Brennstoffdüse und eine Vielzahl von Störeinrichtungen einschließlich einer ersten Störeinrichtung aufweist. Jede der mehreren Brennstoffdüsen, einschließlich der ersten Brennstoffdüse, kann dazu eingerichtet sein, ein Fluid an die Brennkammer abzugeben. Das Fluid ist vorzugsweise gasförmig und kann einen Brennstoff, einen Oxidanten oder ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem Oxidanten aufweisen. Die erste Störeinrichtung kann körperlich in der ersten Brennstoffdüse stromaufwärts der Brennkammer angeordnet sein, so dass das Fluid an der ersten Störeinrichtung vorbei strömt. Die erste Störeinrichtung kann eine Mehrzahl von flexilben Platten einschließlich einer ersten-ersten und einer ersten-zweiten flexiblen Platte aufweisen, wobei beide elektromagnetische Platten sein können. Die erste-erste und die erste-zweite flexible Platte können jeweils eingerichtet sein, um das erste-erste bzw. das erste-zweite Störsignal zu empfangen und entsprechend einen ersten-ersten bzw. einen ersten-zweiten Magnetfluss zu erzeugen. Die erste-erste und die erste-zweite flexible Platte können körperlich relativ zueinander angeordnet sein, so dass die erste-erste und/oder die erste-zweite flexible Platte aufgrund eines Zusammenwirkens zwischen dem ersten-ersten und dem ersten-zweiten Magnetfluss schwingt. Das Verfahren zur Beeinflussung der Dynamik in einer solchen Brennereinrichtung kann die Schritte aufweisen: Analysieren der Druckdynamik basierend auf Messungen, die von einem oder mehreren Drucksensoren bereitgestellt werden, die jeweils einen Druck in der Brennkammer messen, und Steuern von Attributen des ersten-ersten und des erstenzweiten Störsignals, das der ersten-ersten bzw. der erstenzweiten flexiblen Platte bereitgestellt wird, um die Schwingungscharakteristik der ersten Störeinrichtung basierend auf der analysieren Druckdynamik zu steuern und/oder zu regeln, wobei das erste Störsignal ein AC-Signal sein kann.
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Bei irgendeinem der oben beschriebenen Aspekte der Erfindung kann zumindest eines der nachfolgenden bevorzugten Ausführungsbeispiele oder mehrere davon in irgendeiner beliebigen Kombination verwendet werden:
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Vorzugsweise ist die erste oder die zweite flexible Platte dazu eingerichtet unbeweglich zu sein und die andere der ersten oder zweiten flexible Platte ist dazu eingerichtet, aufgrund des Zusammenwirkens zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfluss zu schwingen. Es ist ferner bevorzugt, wenn die unbewegliche flexible Platte fest mit einer Innenfläche der ersten Brennstoffdüse verbunden ist.
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Vorzugsweise ist die zweite flexible Platte dazu eingerichtet, ein DC-Signal als zweites Störsignal zu empfangen und einen entsprechenden DC-Magnetfluss als zweiten Magnetfluss zu erzeugen.
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Vorzugsweise ist das von der ersten flexiblen Platte empfangene AC-Signal ein erstes AC-Signal und die zweite flexible Platte ist dazu eingerichtet, ein zweites AC-Signal als zweites Störsignal zu empfangen und einen entsprechenden AC-Magnetfluss als zweiten Magnetfluss zu erzeugen.
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Vorzugsweise ist die Störeinrichtung ein mikroelektromechanisches System (MEMS).
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Vorzugsweise ist die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet, ein DC-Signal als zweites Störsignal auszugeben, so dass die zweite flexible Platte einen entsprechenden DC-Fluss als zweiten Magnetfluss erzeugt.
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Vorzugsweise ist die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet, basierend auf der Druckdynamik eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des ersten Störsignals und/oder einen Betrag und/oder eine Polarität des zweiten Störsignals einzustellen.
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Vorzugsweise ist das von der Dynamiksteuereinrichtung ausgegebene AC-Signal ein erstes AC-Signal und die Dynamiksteuereinrichtung ist dazu eingerichtet, ein zweites AC-Signal als zweites Störsignal auszugeben, so dass die zweite flexible Platte einen entsprechenden AC-Fluss als zweiten magnetischen Fluss erzeugt. Bevorzugt ist die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet, basierend auf der Druckdynamik eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des ersten Störsignals und/oder eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des zweiten Störsignals einzustellen.
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Vorzugsweise enthält die Mehrzahl von Störsignalen ein drittes und ein viertes Störsignal, wobei das dritte Störsignal ein AC-Signal ist. Vorzugsweise weist die Mehrzahl von Störeinrichtungen eine zweite Störeinrichtung und die Mehrzahl von Brennstoffdüsen eine zweite Brennstoffdüse auf, wobei die zweite Störeinrichtung körperlich in der zweiten Brennstoffdüse stromaufwärts der Brennkammer angeordnet ist, so dass das Fluid an der zweiten Störeinrichtung vorbeiströmt. Vorzugsweise weist die zweite Störeinrichtung eine Mehrzahl von flexiblen Platten einschließlich einer dritten und einer vierten flexiblen Platte auf, wobei die dritte und die vierte flexible Platte elektromagnetische Platten sind. Vorzugsweise sind die dritte und die vierte flexible Platte jeweils dazu eingerichtet, ein drittes bzw. ein viertes Störsignal zu empfangen und entsprechend einen dritten bzw. einen vierten Magnetfluss zu erzeugen. Vorzugsweise sind die dritte und die vierte flexible Platte derart physikalisch aufeinander einwirkend angeordnet, dass die dritte und/oder die vierte flexible Platte aufgrund eine Zusammenwirkens zwischen dem dritten und dem vierten Magnetfluss schwingt. Vorzugsweise ist die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet, das dritte und das vierte Störsignal auszugeben, um die Schwingungscharakteristik der dritten flexiblen Platte und/oder der vierten flexiblen Platte abhängig von der Druckdynamik zu steuern und/oder zu regeln. Vorzugsweise ist die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet, das erste und das zweite Störsignal unabhängig von dem dritten und dem vierten Störsignal auszugeben.
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Vorzugsweise kann die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet sein, basierend auf der Druckdynamik eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des ersten Störsignals und/oder eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des dritten Störsignals einzustellen.
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Vorzugsweise kann die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet sein, basierend auf der Druckdynamik eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des zweiten Störsignals einzustellen, wenn das zweite Störsignal ein AC-Signal ist. Vorzugsweise kann die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet sein, basierend auf der Druckdynamik einen Betrag und/oder eine Polarität des zweiten Störsignals einzustellen, wenn das zweite Störsignal ein DC-Signal ist. Vorzugsweise ist die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet, basierend auf der Druckdynamik eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des vierten Störsignals einzustellen, wenn das vierte Störsignal ein AC-Signal ist. Vorzugsweise ist die Dynamiksteuereinrichtung dazu eingerichtet, basierend auf der Druckdynamik einen Betrag und/oder eine Polarität des vierten Störsignals einzustellen, wenn das vierte Störsignal ein DC-Signal ist.
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Vorzugsweise kann das Verfahren zur Steuerung der Attribute des ersten und zweiten Störsignals aufweisen: das Einstellen einer Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase des ersten Störsignals basierend auf der analysierten Druckdynamik und/oder das Einstellen einer Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder einer Phase des zweiten Störsignals basierend auf der analysierten Druckdynamik, wenn das zweite Störsignal ein AC-Signal ist und/oder das Einstellen eines Betrags und/oder einer Polarität des zweiten Störsignals basierend auf der analysierten Druckdynamik, wenn das zweite Störsignal ein DC-Signal ist.
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Vorzugsweise kann die Mehrzahl von Störsignalen ein drittes und ein viertes Störsignal aufweisen, wobei das dritte Störsignal ein AC-Signal ist. Vorzugsweise kann die Mehrzahl von Störeinrichtungen eine zweite Störeinrichtung und die Mehrzahl von Brennstoffdüsen eine zweite Brennstoffdüse aufweisen, wobei die zweite Störeinrichtung körperlich in der zweiten Brennstoffdüse stromaufwärts der Brennkammer angeordnet ist, so dass das Fluid an der zweiten Störeinrichtung vorbeiströmt. Vorzugsweise weist die zweite Störeinrichtung eine Vielzahl von flexiblen Platten enthaltend eine dritte und eine vierte flexible Platte auf, wobei die dritte und die vierte flexible Platte elektromagnetische Platten sind. Vorzugsweise sind die dritte und die vierte flexible Platte dazu eingerichtet, ein drittes bzw. ein viertes Störsignal zu empfangen und entsprechend einen dritten Magnetfluss und einen vierten Magnetfluss zu erzeugen. Vorzugsweise sind die dritte und die vierte flexible Platte physikalisch aufeinander einwirkend angeordnet, so dass die dritte und/oder die vierte Platte aufgrund eines Zusammenwirkens zwischen dem dritten und dem vierten Magnetfluss schwingt. Vorzugsweise weist das Verfahren ferner die Steuerung der Attribute des dritten und des vierten Störsignals auf, das der dritten flexiblen Platte bzw. der vierten flexiblen Platte zur Steuerung und/oder Regelung der Schwingungscharakteristik der zweiten Störeinrichtung basierend auf der analysierten Druckdynamik zugeführt wird. Vorzugsweise ist das dritte Störsignal ein AC-Signal.
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Vorzugsweise weist das Steuern der Attribute des dritten und vierten Störsignals auf: Einstellen einer Amplitude und/oder einer Frequenz und/oder eine Phase des dritten Störsignals basierend auf der analysierten Druckdynamik und/oder Einstellen einer Amplitude und/oder einer Frequenz und/oder einer Phase des vierten Störsignals basierend auf der analysierten Druckdynamik, wenn das vierte Störsignal ein AC-Signal ist und/oder Einstellen eines Betrags und/oder einer Polarität des vierten Störsignals basierend auf der analysierten Druckdynamik, wenn das vierte Störsignal ein DC-Signal ist.
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Vorzugsweise wird das erste und das zweite Störsignal unabhängig von dem dritten und vierten Störsignal gesteuert oder geregelt.
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Die Erfindung wird jetzt genauer in Verbindung mit der unten beschrieben Zeichnung erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG:
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Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung besser verstanden, in der:
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1 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines Gasturbinensystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein Beispiel einer Brennereinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ein Beispiel einer Brennstoffdüse mit Störeinrichtungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ein Beispiel einer Störeinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ein Diagramm eines Steuervorrichtung zur Beeinfluss der Dynamik eines Gasturbinensystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zur Beeinflussung der Dynamik eines Gasturbinensystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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7 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Ablaufs gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, um Störsignale zu steuern, die Störeinrichtungen zur Verfügung gestellt werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird ein neues Verfahren, System und eine Vorrichtung zur aktiven Steuerung und/oder Regelung der Verbrennungsdynamik beschrieben. In einem Aspekt, bezieht sich das beschriebene Verfahren, das beschriebene System und die beschriebene Vorrichtung auf das aktive Steuern und/oder Regeln der Verbrennungsdynamik durch die Verwendung von Störeinrichtungen, die in einer oder mehreren Brennstoffdüsen angeordnet sind, in denen ein Brennstoff mit einem Oxidanten (zum Beispiel Luft) vorgemischt strömt. Betriebseigenschaften der Störeinrichtungen – Frequenzen, Beträge (oder Amplituden) und Phasen – können gesteuert und/oder geregelt werden. Vorzugsweise wird die Betriebseigenschaft von zumindest einer Störeinrichtung unabhängig von allen anderen Störeinrichtungen gesteuert und/oder geregelt. Weiter vorzugsweise werden die Betriebseigenschaften aller Störeinrichtungen individuell gesteuert und/oder geregelt.
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1 zeigt ein Beispiel eines Gasturbinensystems 100. Wie zu erkennen ist, kann das Gasturbinensystem 100 eine Brennereinrichtung 130 aufweisen, die Gase mit hoher Energie erzeugt, um eine Gasturbine 140 anzutreiben, die dazu verwendet werden kann, eine Last 160 anzutreiben, um eine nützliche Arbeit zu verrichten, wie etwa Elektrizität zu erzeugen. Die Turbine 140 kann auch eine Welle 150 aufweisen, die mit einem Kompressor 110 antriebsverbunden ist, der ein einen Oxidanten, beispielsweise Luft, aufweisendes Fluid komprimiert und das komprimierte Fluid der Brennereinrichtung 130 zuführt. Das Gasturbinensystem 100 kann außerdem eine Brennstoffverteileinheit 120 enthalten, die der Brennereinrichtung 130 Brennstoff zuführt.
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Das Gasturbinensystem 100 kann eine Systemsteuerung 170 aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Gasturbinensystems zu steuern und/oder zu regeln. Wie zu erkennen ist, kann die Systemsteuerung 170 als Eingabe ein oder mehrere Sensorsignale von Sensoren erhalten, die die Systemeinheiten (Kompressor 110, Brennstoffverteilereinheit 120, Brennereinrichtung 130 und Turbine 140) überwachen. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, können die Sensoren auch dazu vorgesehen sein, die Last 160 und die Welle 150 zu überwachen. Die Systemsteuerung 170 kann auch Betriebseingaben, wie einen Befehl von einer Bedienperson, zum Hochfahren, zum Teillastbetrieb, zum Volllastbetrieb, zum Herunterfahren, usw. erhalten. Basierend auf den erhaltenen Eingaben, kann die Systemsteuerung 170 Steuersignale an die Systemeinheiten ausgeben, um den Systembetrieb zu steuern und/oder zu regeln. Die Sensorsignale von den Systemeinheiten 110, 120, 130 und 140 an die Systemsteuerung 170 und die Steuersignale von der Systemsteuerung 170 an die Einheiten 110, 120, 130 und 140 sind durch gestrichelte Pfeile veranschaulicht. Um eine Unübersichtlichkeit in 1 zu vermeiden, sind die Verbindungen zwischen den Systemen 110, 120, 130 und 140 und der Systemsteuerung 170 weggelassen.
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2 zeigt ein Beispiel einer Brennereinrichtung 130, die eine Vielzahl von Brennstoffdüsen 220 aufweisen kann, von denen jede dazu eingerichtet sein kann, ein Fluid an die Brennkammer 230 abzugeben. Das von jeder Brennstoffdüse 220 abgegebene Fluid kann einen Brennstoff von der Brennstoffverteileinheit 120, einen komprimierten Oxidanten, wie etwa Luft, vom Kompressor 110 oder ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem Oxidanten aufweisen. Das Fluid kann gasförmig abgegeben werden. Das Brennstoff-Oxidant-Gemisch wird in der Brennkammer 230 verbrannt und die resultierenden hochenergetischen Gase werden an die Turbine 140 abgegeben.
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3 zeigt ein Beispiel einer Brennstoffdüse 220. Wie zu erkennen ist, kann die Brennstoffdüse 220 eine oder mehrere Störeinrichtungen 310 aufweisen. Vorzugsweise sind die Störeinrichtungen 310 in der Brennstoffdüse 220 stromaufwärts der Brennkammer 230 angeordnet, so dass das Fluid an den Störeinrichtungen 310 vorbeiströmt. Beispielsweise können die Störeinrichtungen 310 an oder in der Nähe zu einem Ende der Brennstoffdüse 220 angeordnet sein, das der Brennkammer 230 zugewandt ist. In 3 sind die Störeinrichtungen 310 an derselben Stelle in Längsrichtung – in der Richtung der Strömung des Brennstoff-Oxidanten-Gemischs – innerhalb der Brennstoffdüse 200 angeordnet veranschaulicht. Jedoch ist dies nicht einschränkend zu verstehen. Wenn mehrere Störeinrichtungen 310 in einer bestimmten Brennstoffdüse 220 angeordnet sind, müssen die Anordnungsstellen der Störeinrichtungen 310 in Längsrichtung und/oder in Querrichtung quer zur Längsrichtung zwischen zwei beliebigen Steuereinrichtungen 310 nicht gleich sein. Eine oder mehrere Störeinrichtungen können an einer Innenfläche 320 der Brennstoffdüse 200 angebracht sein.
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4 zeigt ein Beispiel einer Störeinrichtung 310. Die beispielhafte Störeinrichtung 310 kann als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgeführt sein. Wie veranschaulicht kann die Störeinrichtung 310 eine Vielzahl von flexiblen Platten aufweisen. Zur Vereinfachung der Erläuterung sind nur zwei flexible Platten – eine erste und eine zweite flexible Platte 410, 420 – veranschaulicht. Jedoch kann die Anzahl von flexiblen Platten gleich zwei oder jede Anzahl größer als zwei sein. In dieser Figur wird davon ausgegangen, dass sowohl die erste, als auch die zweite flexible Platte 410, 420 elektromagnetische Platten sind. Beispielsweise kann eine oder können beide elektromagnetischen Platten aus einer dünnen flexiblen Legierung hergestellt und mit einer Hochtemperaturkeramik beschichtet sein, die den elektrischen Schaltkreis gegenüber leitendem Metall isoliert. Die erste flexible Platte 410 kann ein erstes Störsignal empfangen und einen ersten Magnetfluss entsprechend dem empfangenen ersten Störsignal erzeugen. Gleichermaßen kann die zweite flexible Platte 420 ein zweites Störsignal empfangen und entsprechend einen zweiten Magnetfluss erzeugen.
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Es ist zu beachten, das dann, wenn die beiden Magnetflüsse zusammenwirken, physikalische Kräfte auf die flexiblen Platten ausgeübt werden können. Daher können die erste und die zweite flexible Platte 410, 420 in einem Aspekt so angeordnet sein, dass sie physikalisch aufeinander einwirken können, so dass die erste und/oder die zweite flexible Platte 410, 420 aufgrund des Zusammenwirkens zwischen dem ersten Magnetfluss und dem zweiten Magnetfluss schwingt. Beispielsweise kann die erste flexible Platte 410 nahe an der zweiten flexiblen Platte 420 angeordnet sein, so dass sie gegenüber der zweiten flexiblen Platte 420 schwingt, wie es in 4 durch die gestrichelten Linien veranschaulicht ist.
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In dem oberen rechten Abschnitt dieser Figur, ist die zweite flexible Platte 420 fest an eine Innenfläche 320 der der Brennstoffdüse 220 angebracht veranschaulicht. Das heißt, nur die erste flexible Platte 410 ist schwingend veranschaulicht. Jedoch ist dies nicht einschränkend zu verstehen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, kann die erste flexible Platte 410 feststehend sein und die zweite flexible Platte 420 kann schwingen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel, können beide flexible Platten 410, 420 schwingen. Allgemein, kann zumindest eine der Mehrzahl von flexiblen Platten einer bestimmten Störeinrichtung 310 dazu eingerichtet sein, zu schwingen.
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In dem oberen rechten Abschnitt zeigen Pfeile einen beispielhaften Strömungsgradienten des innerhalb der Brennstoffdüse 220 strömenden Fluids an. Die Schwingungen können das an der Störeinrichtung 310 vorbeiströmende gasförmige Fluid beeinträchtigen. Wenn die Schwingungscharakteristik der ersten und/oder der zweiten flexiblen Platte 410, 420 gesteuert und/oder geregelt werden kann, kann die Dynamik, die sich in der Brennereinrichtung 130 und insbesondere die Dynamik, die sich in der Brennkammer 230 einstellt, beeinflusst werden.
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Es ist bevorzugt, dass zumindest eine flexible Platte der Störeinrichtung 310 ein AC-Signal (Wechselstromsignal bzw. Wechselspannungssignal) als Störsignal empfängt. In 4 wird davon ausgegangen, dass die erste flexible Platte 410 das AC-Signal als erstes Störsignal empfängt und einen entsprechenden AC-Magnetfluss als ersten Magnetfluss erzeugt. Es ist zu beachten, dass die Eigenschaften des ersten Magnetflusses signifikant von den Eigenschaften des ersten Störsignals abhängen können, unter anderem umfassend eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase.
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Gemäß einem Aspekt kann die zweite flexible Platte 420 ein DC-Signal (Gleichstromsignal bzw. Gleichspannungssignal) als zweites Störsignal empfangen und einen entsprechenden DC-Magnetfluss als zweiten magnetischen Fluss erzeugen. Es ist zu beachten, dass die Eigenschaften des zweiten Magnetflusses signifikant von den Eigenschaften des zweiten Störsignals abhängen können, unter anderem umfassend einen Betrag und/oder eine Polarität.
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Gemäß einem weiteren Aspekt, kann die zweite flexible Platte 420 auch ein AC-Signal als zweites Störsignal empfangen und einen entsprechenden AC-Magnetfluss als zweiten magnetischen Fluss erzeugen. Zur Unterscheidung werden die AC-Signale, die durch die erste und die zweite flexible Platte 410, 420 empfangen werden, und die entsprechend erzeugten Magnetflüsse als erstes und zweites AC-Signal und als erster und zweiter AC-Fluss bezeichnet. Die Eigenschaften des zweiten AC-Flusses können signifikant von den Eigenschaften des zweiten AC-Signals abhängen, unter anderem umfassend eine Amplitude und/oder eine Frequenz und/oder eine Phase.
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Wie oben angegeben kann die erste und/oder die zweite flexible Platte 410, 420 aufgrund des Zusammenwirkens zwischen dem ersten und zweiten Magnetfluss schwingen. Die Schwingungseigenschaften können von den Eigenschaften des ersten und zweiten Magnetflusses abhängen. Beispielsweise können die Schwingungseigenschaften weitgehend von den Eigenschaften des AC- und DC-Flusses und deren Zusammenwirken abhängen, wenn das zweite Störsignal ein DC-Signal ist. Wenn das zweite Störsignal ein zweites AC-Signal ist, können die Schwingungseigenschaften weitestgehend von den Eigenschaften des ersten und zweiten AC-Flusses und deren Zusammenwirken abhängen.
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Es ist zu beachten, dass die Art des Störsignals, das eine bestimmte flexible Platte empfängt, keinen Zusammenhang damit aufweisen muss, ob diese bestimmte flexible Platte schwingt. Beispielsweise, kann die erste flexible Platte 410 schwingend oder feststehend sein, obwohl die erste flexible Platte 410 ein AC-Signal als erstes Störsignal empfängt. Als weiteres Beispiel kann die zweite flexible Platte 420 schwingend oder feststehend sein, unabhängig davon, ob die zweite flexible Platte 420 ein AC-Signal oder ein DC-Signal als zweites Störsignal empfängt. Es ist lediglich notwendig, dass unter der Mehrzahl von flexiblen Platten der Störeinrichtung 310 zumindest eine flexible Platte schwingen kann.
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In 5 ist ein Diagramm einer Steuervorrichtung 500 veranschaulicht, um die Dynamik in einer Brennereinrichtung 130 zu beeinflussen. Gemäß einer Sichtweise, kann die Steuervorrichtung 500 als Teil des Gasturbinensystems 100 angesehen werden. Wie veranschaulicht, kann die Brennereinrichtung 130 der Steuervorrichtung 500 eine Mehrzahl von Störeinrichtungen 310 für eine Mehrzahl von Brennstoffdüsen 220 aufweisen. Wie oben angegeben, kann jede Brennstoffdüse 220 ein Fluid an die Brennkammer 230 der Brennereinrichtung abgeben. Das von jeder Brennstoffdüse 220 abgegebene gasförmige Fluid kann einen Brennstoff, einen Oxidanten oder ein Gemisch davon aufweisen. Zur Vereinfachung sind nur die Brennstoffdüsen 220 mit wenigstens einer Störeinrichtung 310 veranschaulicht. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Brennereinrichtung 130 auch Brennstoffdüsen aufweisen kann, die keine Störeinrichtungen 310 aufweisen.
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Die Steuervorrichtung 500 kann auch einen oder mehrere Drucksensoren 510 aufweisen, die dazu eingerichtet sind, einen Druck in der Brennereinrichtung 130 und insbesondere in der Brennkammer 230 zu messen. Die Steuervorrichtung 500 kann ferner eine Dynamiksteuereinrichtung 570 aufweisen, um den Betrieb bei der Beeinflussung der Dynamik der Brennereinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Die Dynamiksteuereinrichtung 570 in 5 kann dieselbe sein, wie die Systemsteuerung 170 in 1 oder ein Teil davon oder kann davon vollständig verschieden sein.
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Die Dynamiksteuereinrichtung 570 kann die Druckdynamik basierend auf dem Druck analysieren, der von dem einen oder den mehreren Drucksensoren 510 gemessen wird. Dadurch geben die Drucksensoren 510 eine Rückmeldung an die Dynamiksteuereinrichtung 570. Basierend auf dieser Analyse, kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 eine Vielzahl von Störsignalen abgeben, um die Mehrzahl von Störeinrichtungen 310 zu steuern und/oder zu regeln. Es kann angenommen werden, dass das erste und zweite Störsignal unter den Störsignalen ist, die von der Dynamiksteuereinrichtung 570 abgegeben werden.
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In 5 weist zumindest eine Brennstoffdüse 220 zumindest eine Störeinrichtung 310 auf. Zum Zweck der Erläuterung, wird die eine Brennstoffdüse 220 als eine erste Brennstoffdüse 220 und die eine Störeinrichtung 310 als eine erste Störeinrichtung 310 bezeichnet werden. Dann kann gesagt werden, dass die erste Störeinrichtung 310 körperlich innerhalb des ersten Brennstoffdüse 220 stromaufwärts der Brennkammer 230 angeordnet ist, so dass das Fluid an der ersten Störeinrichtung 310 innerhalb der ersten Brennstoffdüse 220 vorbeiströmt.
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Die erste Störeinrichtung 310 kann eine Vielzahl von flexiblen Platten aufweisen. Zum Zwecke der Beschreibung wird angenommen, dass die erste Störeinrichtung 310 zumindest eine erste und eine flexible Platte 410, 420 aufweist, wie es im Zusammenhang mit 4 beschrieben wurde. Das heißt, es wird angenommen, dass die erste und die zweite flexible Platte 410, 420 der ersten Störeinrichtung 310 elektromagnetische Platten sind, die Magnetflüsse entsprechend zu den empfangenen Störsignalen erzeugen, und dass die erste und die zweite flexible Platte 410, 420 relativ zueinander angeordnet sind, so dass die erste flexible Platte 410 und/oder die zweite flexible Platte 420 aufgrund eines Zusammenwirkens zwischen ihren jeweiligen Magnetflüssen schwingt. Es ist auch angenommen, dass die erste und die zweite flexible Platte 410, 420 jeweils das erste bzw. zweite Störsignal von der Dynamiksteuereinrichtung 570 empfangen. Es kann dann gesagt werden, dass die Dynamiksteuereinrichtung 570 dazu eingerichtet ist, das erste und das zweite Störsignal basierend auf der Druckdynamik abzugeben. Das erste und zweite Störsignal kann abgegeben werden, um die Schwingungseigenschaften der ersten und/oder zweiten flexiblen Platten 420 der ersten Störeinrichtung 310 zu steuern und/oder zu regeln. Es kann ferner angenommen werden, dass die Dynamiksteuereinrichtung 570 ein AC-Signal als erstes Störsignal abgibt.
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Es wird auf Basis der vorstehenden Beschreibung daran erinnert, dass die aufgrund des Zusammenwirkens zwischen irgendwelchen zwei flexiblen Platten erzeugte Schwingung die Dynamik der Brennereinrichtung beeinflussen kann. Es wird auch daran erinnert, dass die Schwingungscharakteristik weitgehend von den Magnetflüssen abhängt, die durch die flexiblen Platten erzeugt werden. Die Magnetflüsse wiederum werden in Übereinstimmung mit den Störsignalen erzeugt, die durch die flexiblen Platten empfangen werden.
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Die Dynamiksteuereinrichtung 570 kann dann die Schwingungseigenschaften der ersten flexiblen Platte 410 und/oder der zweiten flexiblen Platte 420 zwischen der ersten und der zweiten flexiblen Platte 410, 420 der ersten Störeinrichtung 310 steuern und/oder regeln, indem die Eigenschaften des ersten und zweiten Störsignals gesteuert werden, das der ersten und zweiten flexiblen Platte 410, 420 bereitgestellt wird. Dadurch kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 die in der Brennereinrichtung auftretende Dynamik beeinflussen. Der Beeinflussungsgrad kann erhöht werden, wenn mehr und mehr Störeinrichtungen 310 – derselben Brennstoffdüse 220 und/oder von verschiedenen Brennstoffdüsen 220 – durch die Steuerung der Mehrzahl von Störsignalen gesteuert und/oder geregelt werden.
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Gemäß einem Aspekt kann die erste oder die zweite flexible Platte 410, 420 gegenüber der ersten Brennstoffdüse 220 unbeweglich sein. Beispielsweise kann eine der flexiblen Platten feststehend an der Innenfläche 320 der ersten Brennstoffdüse 220 angebracht sein. Bei dieser Ausführung, kann die andere flexible Platte schwingen und die Dynamiksteuereinrichtung 570 kann ein ersts und zweites Störsignal ausgeben, um die Schwingungseigenschaften der schwingenden flexiblen Platte zu steuern und/oder zu regeln. Bei einem weiteren Beispiel können beide flexiblen Platten schwingen. Bei dieser Ausführung kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 das erste und zweite Störsignal ausgeben, um die Schwingungseigenschaften der beiden schwingenden flexiblen Platten zu steuern und/oder zu regeln.
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Wie oben angegeben, gibt die Dynamiksteuereinrichtung 570 vorzugsweise ein erstes AC-Signal als erstes Störsignal ab. Die Dynamiksteuereinrichtung 570 kann entweder ein zweites AC-Signal oder ein DC-Signal als zweites Störsignal abgeben. Gemäß einem Aspekt kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 zwischen dem Ausgeben entweder eines AC-Signals oder eines DC-Signals umgeschaltet werden, um von Zeit zu Zeit das andere auszugeben. Das heißt, die Art des Signals für das zweite Störsignal ist nicht notwendigerweise unveränderlich.
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Es ist vorstehend ebenfalls beschrieben, dass die Drucksensoren 510 eine Rückmeldung an die Dynamiksteuereinrichtung 570 bereitstellen. Daher kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 gemäß einem Aspekt die Druckdynamik basierend auf den Druckinformationen von den Drucksensoren 510 kontinuierlich analysieren und die Eigenschaften des ersten und zweiten Störsignals anpassen. Das heißt, die Dynamiksteuereinrichtung 570 kann die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder die Phase des ersten Störsignals basierend auf der Druckdynamik einstellen. Wenn das zweite Störsignal ein DC-Signal ist, kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 den Betrag und/oder die Polarität des zweiten Störsignals basierend auf der Druckdynamik einstellen. Wenn das zweite Störsignal ein AC-Signal ist, kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder die Phase des zweiten Störsignals basierend auf der Druckdynamik einstellen.
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Es sollte beachtet werden, dass alle Störeinrichtungen 310 nicht auf dieselbe weist gesteuert bzw. geregelt werden müssen Mit anderen Worten können die Störsignale von zumindest zwei Störeinrichtungen 310 unabhängig für die beiden Störeinrichtungen 310 bereitgestellt werden. Bezug nehmend auf 5 sei angenommen, dass zusätzlich zu der ersten Störeinrichtung 310 auch eine zweite Störeinrichtung 310 innerhalb der zweiten Brennstoffdüse 220 stromaufwärts der Brennkammer 230 vorhanden ist, so dass das Fluid an der zweiten Störeinrichtung 310 vorbeiströmt. Es sei auch angenommen, dass die zweite Störeinrichtung 310 zumindest eine dritte und eine vierte flexible Platte 41, 420 aufweist, die beide elektromagnetische Platten sind, um einen dritten und vierten Magnetfluss entsprechend zu den empfangenen Störsignalen erzeugen. Es sei außerdem angenommen, dass die Dynamiksteuereinrichtung 570 ein drittes und ein viertes Störsignal für die dritte bzw. die vierte flexible Platte 410, 420 ausgeben kann, wobei das dritte Störsignal ein AC-Signal ist. Gemäß einem Aspekt kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 das dritte und vierte Störsignal unabhängig von dem ersten und zweiten Störsignal ausgeben. Mit anderen Worten besteht keine Notwendigkeit, dass gemeinsame oder gleiche Signale für die erste und zweite Störeinrichtung 310 bereitgestellt werden.
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Basierend auf der Rückmeldung der Druckdynamik kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder die Phase des dritten Störsignals einstellen. Wenn das vierte Störsignal ein DC-Signal ist, kann die Dynamiksteuereinrichtung 570 auch den Betrag und/oder die Polarität des vierten Störsignals basierend auf der Druckdynamik einstellen. Wenn das vierte Störsignal ein weiteres AC-Signal ist, kann die Dynamiksteuereinrichtung die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder die Phase des vierten Störsignals basierend auf der Druckdynamik einstellen.
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Es ist zu beachten, dass dann, wenn die erste und zweite Störeinrichtung 310 in derselben Brennstoffdüse 220 angeordnet sind, die Störsignale für die beiden Störeinrichtungen 310 dennoch unabhängig voneinander bereitgestellt werden können.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600, um die Dynamik der Brennereinrichtung zu beeinflussen. Zum Zweck der Beschreibung, wird das Gasturbinensystem 100 angenommen. Das Verfahren 600 kann durch die Dynamiksteuereinrichtung 570 ausgeführt werden. Im Schritt 610, kann die Druckdynamik basierend auf Messungen analysiert werden, die von einem oder von mehreren Drucksensoren bereitgestellt werden, die den Druck in der Brennkammer 230 messen.
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Basierend auf der analysierten Druckdynamik können im Schritt 620 die Attribute des ersten und zweiten Störsignals gesteuert werden, die für die erste bzw. für die zweite flexible Platte 410, 420 bereitgestellt werden, um die Schwingungseigenschaften der ersten Störeinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Das erste Störsignal ist vorzugsweise ein AC-Signal.
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7 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines beispielhaften Ablaufs, um den Schritt 620 zu implementieren. Im Schritt 710 wird festgestellt, ob ein Störsignal von der Dynamiksteuereinrichtung 570 ein AC-Signal oder ein DC-Signal ist. Wenn das Störsignal ein AC-Signal ist, kann dann im Schritt 720 die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder die Phase des Störsignals basierend auf der analysieren Druckdynamik eingestellt werden. Wenn das Störsignal ein DC-Signal ist, kann dann im Schritt 730 der Betrag und/oder die Polarität des Störsignals basierend auf der analysierten Druckdynamik eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Amplitude, die Frequenz und die Phase des ersten Störsignals eingestellt werden, da das erste Störsignal ein AC-Signal ist. Wenn das zweite Störsignal auch ein AC-Signal ist, kann die Amplitude, die Frequenz und die Phase des zweiten Störsignals eingestellt werden. Wenn das zweite Störsignal ein DC-Signal ist, kann dessen Betrag und Polarität eingestellt werden.
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Wenn mehrere Störeinrichtungen 310 vorhanden sind, können die and jede der Störeinrichtung 310 angelegten Störsignale ebenfalls gesteuert werden. Das heißt, im Schritt 620, können das dritte und das vierte Störsignal, das der dritten bzw. der vierten flexiblen Platte 410, 420 bereitgestellt wird, basierend auf der analysieren Druckdynamik gesteuert werden, um die Schwingungseigenschaften der zweiten Störeinrichtung 310 zu steuern und/oder zu regeln. Bei dieser Ausführung kann das dritte Störsignal ein AC-Signal sein und daher kann in den Schritten 710 und 720 die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder die Phase des dritten Störsignals eingestellt werden. Wenn das vierte Störsignal ein AC-Signal ist, kann die Amplitude, die Frequenz und die Phase des vierten Störsignals eingestellt werden. Ansonsten kann der Betrag und die Polarität des vierten Störsignals eingestellt werden.
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Es bestehen beträchtliche Freiheiten und Vorteile, die durch die offenbarten Aspekte ermöglicht werden. Eine nicht-abschließende Aufzählung dieser Freiheiten umfasst:
- • mehrere Störeinrichtungen können in einer einzigen Brennstoffdüse angeordnet sein;
- • jede Störeinrichtung kann bei verschiedenen Frequenzen und Amplituden bzw. Beträgen betrieben werden;
- • in einer Brennstoffdüse können mehrere Frequenzen und/oder Amplituden und/oder Phasenwinkel angewandt werden, um die maximalen Vorteile zu erzielen; und
- • verschiedene Brennstoffdüsen können ihre Störeinrichtungen in verschiedenen Betriebsmodi betreiben, um die maximale Vorteile zu erzielen.
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Eine nicht-abschließende Liste der Vorteile umfasst:
- • die Dynamikgrenzen in einem Betriebsfester werden eliminiert;
- • es wird lediglich eine geringe Abnutzung erzeugt;
- • die Verbrennung wird verbessert;
- • die Emissionen werden reduziert;
- • die Abweichungen aufgrund von Herstellungstoleranzen werden gemindert; und
- • es werden robuste Brennflammen erzeugt.
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Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich der bevorzugten Ausführungsform, und auch um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und des Verwendens irgendeiner Einrichtung oder Vorrichtung und des Ausführens irgendeines umfassten Verfahrens. Zu der Erfindung können auch weitere Ausführungsbeispiele gehören, die sich für den Fachmann anhand der Patentansprüche und der Beschreibung ergeben.
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Es ist wünschenswert, dass ein Gasturbinensystem in einem großen Bereich von Betriebszuständen arbeitet. Jedoch existieren Dynamikschranken unter bestimmten Zuständen, die eine Brennereinrichtung daran hindern, seinen vorbestimmten Zustand zu erreichen. Störeinrichtungen, die aus elektromagnetischen Platten gebildet sind, können in Brennstoffdüsen der Brennereinrichtung enthalten sein, um die Dynamik zu beeinflussen, so dass der Bereich der Betriebszustände erweitert werden kann. Die Störeinrichtungen schwingen oder schwingen gemäß Störsignalen, die von einer Dynamiksteuereinrichtung bereitgestellt werden. Die Schwingungscharakteristik der Störeinrichtungen durch Steuern von Attributen der Störsignal gesteuert werden. Die Schwingungen beeinflussen die Dynamik eines Fluids – Brennstoff, Oxidant oder beides – der in den Brennstoffdüsen an den Störeinrichtungen vorbeiströmt.
