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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brenneranordnungen
für Gasturbinen.
Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer ringförmigen Brenneranordnung
gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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STAND DER
TECHNIK
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In
einer Gasturbine mit einem Zwischenüberhitzungssystem wird eine
zweite Verbrennungszone dadurch erzeugt, dass Brennstoff in eine
Hochgeschwindigkeitsströmung
verunreinigter Luft eingespritzt wird, die aus einer ersten Turbinenstufe
austritt. Derartige Hochgeschwindigkeitsströme, die in einen abgasseitigen Verbrennungsraum
eintreten, sind oft anfällig
für hochfrequente
Instabilitäten,
die Pulsationen hoher Amplitude erzeugen können. Die Unterdrückung solcher
Druckpulsationen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der
Qualität
des Verbrennungsprozesses, und für
das Vermeiden einer Verschlechterung der Brennerstruktur. Es ist auch
herausgefunden worden, dass die Anregung derartiger Hochfrequenz-Instabilitäten empfindlich
ist gegenüber
geringfügigen Änderungen
des Arbeitspunktes (wie z.B. Änderungen
im Massenstrom oder der Temperatur), so dass die Verbrennungsart
während
des Betriebs der Maschine schnell von stabil zu instabil wechseln
kann.
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In
einer älteren,
noch nicht veröffentlichten Anmeldung
der Anmelderin ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, mit dem durchbrochene
Wände in Zwischenüberhitzungs-Brenneranordnungen
so ausgelegt werden können,
dass sowohl die Kühlungswirkung
als auch die akustische Dämpfung
maximiert sind. Als Folge davon werden die hohen Frequenzen für einen
weiten Bereich von Betriebsparametern im instabilen Bereich heruntergedämpft.
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In
der DE-A1-199 39 235 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungseinrichtung
einer Gasturbine beschrieben, bei der eine Mehrzahl von in eine
gemeinsame Brennkammer arbeitenden Brennern gleicher thermischer
Leistung zur Unterdrückung
von thermo-akustischen Verbrennungsinstabilitäten derart unterschiedlich
ausgebildet sind, dass die von ihnen erzeugten Flammen bzw. Flammenfronten
entlang der gemeinsamen Achse verteilt positioniert sind. Nachteilig
ist dabei die unterschiedliche Ausbildung der Brenner, die zu erhöhten Erstellungs-
und Wartungskosten führt.
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Die
vorliegende Erfindung zeigt demgegenüber einen anderen Weg zur Unterdrückung von Hochfrequenzschwingungen
in der Verbrennungszone von Zwischenüberhitzungssystemen auf. Sie
geht dabei von einer ringförmigen
Brenneranordnung mit einer Mehrzahl von in einem Ring angeordneten gleichartigen
Brennern aus, die jedoch unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben
werden können.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung
in der Zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen Verbrennungseinrichtung
einer Gasturbine anzugeben, mit dem eine wirksame Unterdrückung von
Instabilitäten
möglich
ist, auch wenn die Brenneranordnung in einem an sich instabilen
Betriebsbereich betrieben wird.
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Die
Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass durch eine geänderte Betriebsweise
zumindest ein Teil der einzelnen Brenner in einem stabilen Betriebsbereich
betrieben wird. Hierdurch wird das Gesamtsystem derart verstimmt, dass
hochfrequente Instabilitäten
nicht mehr auftreten können.
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Eine
erste bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in den ausgewählten Brennern
die Wärmefreisetzung
gegenüber
den anderen Brennern geändert
ist, dass die geänderte
Wärmefreisetzung in
den ausgewählten
Brennern durch eine Veränderung
der Brennstoffzufuhr erreicht wird, und dass zur Veränderung
der Brennstoffzufuhr ein steuerbares Ventil oder eine Verengung
in der Brennstoffzufuhr verwendet wird.
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Eine
zweite bevorzugte Ausführungsform zeichnet
sich dadurch aus, dass in den ausgewählten Brennern die Einlasstemperatur
gegenüber
den anderen Brennern geändert
ist, und dass die geänderte Einlasstemperatur
in den ausgewählten
Brennern durch eine gezielte Veränderung
der Brennstoffzufuhr in der Brenneranordnung der ersten Stufe der Verbrennungseinrichtung
erreicht wird.
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Alternativ
dazu kann die Brenneranordnung in einem Betriebsbereich mit Zusatz
von Wasser betrieben werden, und die geänderte Einlasstemperatur in
den ausgewählten
Brennern durch eine gezielte Veränderung
der Wasserzufuhr erreicht werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet
sich dadurch aus, dass die im instabilen Bereich arbeitenden Brenner über die
ringförmige
Brenneranordnung in geeigneter Weise verteilt betrieben werden.
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Weitere
Ausführungsformen
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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KURZE ERLÄUTERUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher
erläutert
werden. Es zeigen
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1 eine für die Realisierung der Erfindung beispielhafte
(schematisierte) ringförmige
Brenneranordnung mit n Brennern in einem reduzierten Koordinatensystem
(x-Umfangskoordinate; z-axiale Koordinate);
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2 die Wachstumsrate der
Pulsationen eines einzelnen Brenners in Abhängigkeit von der Strouhalzahl;
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3 die Abhängigkeit
der Wachstumsrate bei der Strouhalzahl 2 von der Entfernung Xf der Flammenfront vom Auslass des zugehörigen Brenners;
und
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4 eine Tabelle der Wachstumsrate
einer Brenneranordnung mit 24 identischen Brennern, die auf unterschiedliche
Weise in einem stabilen und instabilen Modus betrieben werden.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Anregung von Verbrennungs-Instabilitäten kann verschiedene Ursachen
haben, wie z.B. einen Rückkopplungsmechanismus
zwischen Scherschicht-Instabilitäten
und Schwankungen in der Wärmefreisetzung,
oder einen Rückkopplungsmechanismus
zwischen der lokalen Wärmefreisetzung
und Schwankungen im Äquivalenzverhältnis, bedingt durch
eine schwankende Luftsäule
innerhalb des Brennerelements. Typischerweise lassen sich die meisten
dieser Effekte durch eine charakteristische Zeitverzögerung beschreiben,
die im wesentlichen auf einer konvektiven Zeitskala zwischen dem
Ort der Brennstoffeindüsung
(oder auch: dem Ursprung der Scherschicht-Instabilität) und der örtlichen
Lage der Flammenfront basiert. Als Folge davon sind diese Mechanismen
sensibel gegenüber
dem mittleren Flammenort.
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Die
in einem System mit sequentieller Verbrennung und Hochgeschwindigkeitsströmungen beobachteten
Frequenzen liegen typischerweise im Bereich 1-10 kHz.
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Die
Frequenz f kann dabei auch dimensionslos als Strouhalzahl
dargestellt werden, wobei
L eine charakteristische Brennerlänge und U eine charakteristische
Brennergeschwindigkeit sind. In diesem Bereich verursachen selbst
kleine Variationen im Flammenort deutliche Wirkungen auf den Mechanismus
der Schallerzeugung, d.h., Änderungen
von stabilen zu instabilen Zuständen.
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Die
akustische Wechselwirkung in einer ringförmigen Brenneranordnung für die Zwischenüberhitzung
mit einer beliebigen Anzahl von Brennern kann wie folgt mit einem
Modell beschrieben werden:
Das Modell geht davon aus, dass
es insbesondere zwei Parameter bzw. Verfahren gibt, um mit nur geringen
konstruktiven Änderungen
an den Brennern Inhomogenitäten
in die Zwischenüberhitzungs-Brenneranordnung
einzuführen,
mit deren Hilfe man das Auftreten von hochfrequenten Schwingungen
vermeiden kann, nämlich
- – die
Einlasstemperatur an der Zwischenüberhitzungs-Brenneranordnung
mittels eines abgestuften Betriebs von Brennergruppen in der ersten Verbrennungsstufe;
und
- – die
Wärmefreisetzung
in der Zwischenüberhitzungs-Brenneranordnung
mittels individueller Regelventile oder -düsen in den Brennstoff-Versorgungsleitungen
der Zwischenüberhitzungsbrenner.
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Der
Einfluss der Inhomogenitäten,
die durch die beiden o.g. Verfahren (Einlasstemperatur, Wärmefreisetzung)
eingeführt
werden, auf die Stabilität der
Brenneranordnung ist mit numerischen Methoden untersucht worden.
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Der
herkömmliche
lineare Stabilitätsansatz bildet
die Basis der Untersuchung. Gemäss
diesem Ansatz werden die Strömungsgleichungen
linearisiert und die Entwicklung von Strömungsstörungen wird geprüft. Die
Strömungsstörungen (Druck,
Geschwindigkeit etc.) werden mit einer exponentiellen zeitlichen
Abhängigkeit
angenommen f(r →, t)=F(r →)exp(iωt), (1)wobei die
Störungsamplitude
F ausschliesslich eine Funktion der räumlichen Koordinaten ist. Mathematisch
reduziert sich das Problem der Stabilität auf ein Problem der Eigenfunktionen.
Die Lösung
des Problems ergibt die Eigenfunktionen F(r →) und Eigenfrequenzen ω von möglichen
Pulsationsmoden der Brenneranordnung. Die Eigenfrequenzen sind im
allgemeinen komplex. Unter Berücksichtigung
der exponentiellen Abhängigkeit
der Strömungsstörungen von
der Zeit gemäss
Gleichung (1) können
die folgenden Stabilitätskriterien
formuliert werden:
- – Wenn Imω > 0 ist, verschwinden die Pulsationen mit
der Zeit und der zugehörige
Pulsationsmode ist stabil.
- – Wenn
Imω < 0 ist, wachsen
die Störungen
exponentiell mit der Zeit und der zugehörige Pulsationsmode ist instabil.
- – Der
dazwischenliegende Fall Imω =
0 entspricht dem neutralen Mode. Der Imaginärteil Imω der Frequenz charakterisiert
die Wachstumsrate der Störungen
und gibt ein Mass für
die Instabilität
der Brenneranordnung.
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Für die Stabilitätsanalyse
werden die folgenden vereinfachenden Näherungen verwendet: Die ringförmige Brenneranordnung
wird als unendlich dünn
angenommen (siehe dazu: S.R. Stow, A. Dowling, Thermoacoustic oscillations
in an annular combustor, ASME Turbo Expo 2001, Paper 2001-GT-0038,
(2001)).
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Innerhalb
dieser Näherung
wird die radiale Abhängigkeit
der Störungen
vernachlässigt.
Dies trifft zu, wenn die Wellenlänge
viel grösser
ist als die radiale Dicke der ringförmigen Brenneranordnung. Diese Näherung reduziert
die Anzahl der unabhängigen räumlichen
Variablen von 3 auf 2, nämlich
auf eine Umfangskoordinate und eine axiale Koordinate. In 1 ist eine schematische
dargestellte Abwicklung einer ringförmigen Brenneranordnung 10 mit
n Brennern B1, .., Bi, .., Bn wiedergegeben, die in eine gemeinsame
Brennkammer 11 mit einem Brennkammerauslass 12 arbeiten.
Die Koordinate z bezeichnet dabei die Umfangsrichtung, und x die
axiale Erstreckung, in Durchströmungsrichtung.
Für einen
vorgegebenen Wert der axialen Koordinate x ist das Strömungsmuster
periodisch mit der Periode L(x), die durch die Gestalt der Brenneranordnung 10 festgelegt
wird. Die Flammen F1, .., Fi, .., Fn, die von den Brennern B1, ..,
Bi, .., Bn ausgehen, sind in 1 ebenfalls
eingezeichnet. Der Abstand zwischen dem Auslass des i-ten Brenners
Bi und der zugehörigen Flamme
Fi ist als xf,i bezeichnet.
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Das
Brenner-Modell, das in einem früheren Artikel
(A. Ni, W. Polifke and F. Joos, Ignition delay time as a contribution
to thermo-acoustic instability in sequential combustion, ASME Turbo
Expo 2000, Paper 2000-GT-0103 (2000)) vorgeschlagen worden ist, bestimmt
das akustische Verhalten des einzelnen Brenners in der Stabilitätsanalyse.
Die Eingangsgrössen
des Modells sind: Geometrie des Brenners, Druckabfall in der Brennstoffversorgungsleitung, Brennstoffmassenstrom,
mittlere hydrodynamische und thermodynamische Parameter (Geschwindigkeit,
Druck, Dichte, Temperatur) der Strömung im Brenner, Ort der Flammenfront
und Brennstoffmischlänge.
Der angewandte Mechanismus der Pulsationsanregung ist der von Rayleigh
angegebene (J.W.S. Rayleigh, The theory of sound, 1945, New York
Dover Publications). Akustische Wellen, die sich im Brenner ausbreiten,
werden am Einlass des Brenners, an seinem Auslass und an der Flamme
reflektiert. Druckschwankungen ergeben Schwankungen im Äquivalenzverhältnis und
folglich in der Wärmefreisetzung,
die dann Druckschwingungen anregen. Der oben beschriebene Mechanismus
stellt einen geschlossenen Regelkreis mit Rückkopplung dar, der dann instabil
wird, wenn das Rayleighkriterium erfüllt ist (siehe dazu z.B. die
DE-A1-199 39 235). Ziel der Untersuchung war eine Prüfung der
Empfindlichkeit der Regelschleife gegenüber den verschiedenen o.g. Regelparametern.
In dem o.g. Artikel von A. Ni et al. ist der Fall eines einzelnen
Brenners betrachtet worden. Im vorliegenden Fall werden die kollektiven
Effekte aufgrund der akustischen Wechselwirkung zwischen den Brennern über die
in der ringförmigen Brenneranordnung
sich ausbreitenden akustischen Wellen mitberücksichtigt.
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Nachfolgend
werden die Ergebnisse der Berechnungen betrachtet, die durchgeführt worden sind,
um den Einfluss der Ungleichmässigkeit
aufgrund unterschiedlicher Brennercharakteristiken auf die Wachstumsgeschwindigkeit
der Pulsationen aufzuklären.
Die Berechnungen sind für
eine reale Geometrie der Brenneranordnung durchgeführt worden. In
2 ist das Verhalten der
Pulsations-Wachstumsrate
eines einzelnen Brenners
in Abhängigkeit
von der zugehörigen
dimensionslosen Frequenz, Strouhalzahl Str, wiedergegeben. In dieser
Berechnung ist die Position der Flammenfront X
f/L
= 0,53. Man sieht im Ergebnis eine ausgeprägte (negative) Spitze bei einer Frequenz
von ungefähr
Str = 2, die auch in Experimenten festgestellt worden ist. In
3 ist die Abhängigkeit
der Wachstumsrate G.R. bei dieser Strouhalzahl von der Position
der Flammenfront (X
f/L) dargestellt. Man
erkennt eine starke Abhängigkeit
der Wachstumsrate von X
f/L. Eine Verschiebung der
Flammenfront von weniger als X
f/L = 0,53
bringt den (Str = 2)-Mode vom instabilen in den stabilen Zustand
und wieder zurück. Übertragen
auf die dimensionsbehafteten Grössen
heisst das, dass einer Verschiebung der Flammenfront um einige wenige
Zentimeter vom instabilen in den stabilen Zustand führt und
zurück.
Dieses Ergebnis stimmt mit Experimenten überein, die in einer Testanordnung
mit einem einzelnen Brenner durchgeführt worden sind.
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Die
Berechnungen für
einen einzelnen Brenner sind konsistent mit denen für eine ringförmige Brenneranordnung
mit n = 24 identischen Brennern. Nach den Berechnungen für die ringförmige Brenneranordnung
ist das System instabil, wenn die Flammenfronten aller 24 Brenner
die Koordinate Xf/L = 0,67 haben. Die Wachstumsrate
der Instabilität
ist in der Tabelle der 4 wiedergegeben.
Wenn die Flammenfronten aller 24 Brenner die Koordinate Xf/L = 0,4 haben, ist das System stabil.
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Die
Resultate der Berechnungen für
die gemischten Fälle,
in denen einige Brenner stabil und einige Brenner instabil sind,
sind in der Tabelle der 4 zusammengestellt.
Die Brenner sind in der azimuthalen Richtung aufeinanderfolgend
nummeriert. In der ersten Spalte der Tabelle sind die aufeinanderfolgenden
Ordnungsnummern der instabil betriebenen Brenner mit der dimensionslosen
Flammenfrontposition Xf/L = 0,67 aufgeführt. Alle übrigen Brenner sind
stabil betrieben und haben die Koordinate Xf/L
= 0,4. Bei den Berechnungen ist ausserdem der Einfluss der Brenner
untersucht worden, die bis zur Stabilität gedrosselt worden sind. Die
Drosselung ist dabei durch eine Reduktion der Brennstoffzufuhr zum jeweiligen
Brenner nachgebildet worden. Die dritte Spalte der Tabelle enthält die Nummern
der Brenner, die um 50% gedrosselt worden sind. In der vierten Spalte
ist die berechnete Wachstumsrate für die jeweilige Brennerkonfiguration
angegeben. Die Daten in der 10. Reihe der Tabelle bedeuten beispielsweise, dass
die drei Brenner 1, 2 und 3 die dimensionslose Flammenfrontposition
Xf/L = 0,67 haben und die Brenner 1 und
2 gedrosselt sind.
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Die
Berechnungen können
wie folgt zusammengefasst werden:
- 1. Die Stabilität hängt von
der Anzahl der instabilen Brenner ab. Je mehr instabile Brenner
vorhanden sind, desto grösser
ist die Wachstumsrate.
- 2. Die Stabilität
hängt von
der wechselseitigen Positionierung der instabilen Brenner ab. Vergleicht man
die Daten in den Reihen 5 und 7, kann man zu dem Schluss kommen,
dass in beiden Fällen
4 instabile Brenner vorhanden sind; jedoch ist der zweite Fall stabiler
(die Wachstumsrate ist kleiner). In den Reihen 3 und 4 gibt es drei
instabile Brenner; sie sind jedoch beide stabiler als der Fall in
Reihe 7.
- 3. Die Stabilität
wird auch stark durch die Anzahl und Position der gedrosselten Brenner
bestimmt.
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Aus
der Analyse können
die folgenden Schlüsse
gezogen werden:
- – Kleine Änderungen im Ort der Flammenfront
bei jedem der einzelnen Brenner schieben das System in einen stabilen
Betriebsbereich hinein bzw. aus dem Bereich heraus.
- – Die
steuernden Parameter des Systems sind bei vorgegebener Geometrie
und akustischen Randbedingungen
– Einlasstemperatur,
– Wärmefreisetzung
in der Brenneranordnung,
– Druckabfall
in der Brennstoffdüse,
und
– Mischungs-
und Zündzeit.
- – In
einem ringförmigen
System mit einer Mehrzahl von Brennern hat die jeweilige Kombination von
instabilen und stabilen Brennern einen entscheidenden Einfluss auf
die resultierende Wachstumsrate der Instabilität.
- – Die
Stabilität
des Gesamtsystems hängt
von der Anzahl der instabilen Brenner ab. Je mehr Brenner instabil
sind, umso grösser
ist die Wachstumsrate.
- – Die
Stabilität
der Brenneranordnung hängt
von der relativen Position der instabilen Brenner innerhalb des
Systems ab. Eine zusammenhängende Gruppe
von instabilen Brennern macht das gesamte System instabil. Statistisch
verteilte instabile Brenner führen
nicht notwendigerweise zu einem instabilen Verbrennungssystem.
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Aus
der Analyse kann nun ein Betriebskonzept gemäss der Erfindung entwickelt
werden, in welchem die Einführung
von kleinen, aber kontrollierten Inhomogeni täten in die Zwischenerhitzungs-Brenneranordnung
benutzt werden kann, um wirkungsvoll das Auftreten von hochfrequenten
Schwingungen zu vermeiden. Diese Inhomogenitäten können entweder in die Zwischenerhitzungs-Brenneranordnung
selbst eingeführt
werden, oder sie können
stromaufwärts
in der Brenneranordnung der ersten Stufe eingeführt werden, derart, dass ein
azimuthal inhomogenes Temperaturfeld in die Zwischenerhitzungs-Brenneranordnung
hineinreicht.
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Zur
Unterdrückung
von bei der Verbrennung auftretenden hochfrequenten Instabilitäten wird
dabei in einem vorgegebenen instabilen Betriebsbereich der Brenneranordnung 10 wenigstens
ein ausgewählter
Teil der Brenner B1, .., Bi, .., Bn für sich genommen in einem stabilen
Betriebsbereich betrieben.
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Dies
kann einerseits dadurch geschehen, dass in den ausgewählten Brennern
die Wärmefreisetzung
gegenüber
den anderen Brennern geändert ist,
wobei insbesondere die geänderte
Wärmefreisetzung
in den ausgewählten
Brennern durch eine Veränderung
der Brennstoffzufuhr erreicht wird. Zur Veränderung der Brennstoffzufuhr
wird dabei vorzugsweise ein steuerbares Ventil oder eine Verengung
in der Brennstoffzufuhr verwendet.
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Alternativ
kann in den ausgewählten
Brennern die Einlasstemperatur gegenüber den anderen Brennern geändert sein,
wobei insbesondere die geänderte
Einlasstemperatur in den ausgewählten Brennern
durch eine gezielte Veränderung
der Brennstoffzufuhr in der Brenneranordnung der ersten Stufe der
Verbrennungseinrichtung erreicht wird.
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Wenn
die Brenneranordnung in einem Betriebsbereich mit Zusatz von Wasser
betrieben wird, kann aber auch die geänderte Einlasstemperatur in den
ausgewählten
Brennern durch eine gezielte Veränderung
der Wasserzufuhr erreicht werden.
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- 10
- Brenneranordnung
(ringförmig)
- 11
- Brennkammer
- 12
- Brennkammerauslass
- B1,
B2, Bi, Bn
- Brenner
- F1,
F2, Fi, Fn
- Flamme
- x
- axiale
Koordinate
- Z
- Umfangs-Koordinate
