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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ganz allgemein Gasturbinen, insbesondere Verfahren
und Vorrichtungen zum Zuführen
von Speiseluft in Turbinenbrennkammern.
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Bekannte
Turbinenmotoren weisen einen Verdichter auf, der dazu dient, geeignet
mit einem Brennstoff gemischte Luft zu verdichten und einer ringförmigen Brennkammer
zuzuführen,
in der das Gemisch gezündet
wird, um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Gase werden wenigstens einer Turbine
zugeführt,
die den Verbrennungsgasen Energie entzieht, um den Verdichter anzutreiben,
sowie Nutzleistung abzugeben, z.B. um ein Fahrzeug fortzubewegen.
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In
zumindest einigen bekannten Turbinenmotoren wird die Verdichterausgangsluft
in einem gesonderten Wärmetauscher
vorgewärmt,
bevor sie über
einen Kanal an die Brennkammer verzweigt wird. Insbesondere wird
die Speiseluft durch einen einzigen Zufuhr-Einlasspunkt in die Brennkammer verzweigt.
Obwohl die gesamte in den Einlass eintretende Luft in die Brennkammer
kanalisiert wird, kann es zu unnötigen
Druckverlusten und einer unzureichenden Verteilung der in die Brenn kammer
eingespeisten Luft kommen, da die Einspeisung der Speiseluft in
die ringförmige
Brennkammer möglicherweise
nicht gleichmäßig erfolgt.
Hierdurch kann es zu einer Reduzierung der Turbinenleistung und
einer Induzierung von in Umfangsrichtung um das Gehäuse verlaufenden
Temperaturgradienten kommen, das die Brennkammer umgibt. Im Laufe
der Zeit können derartige
Gradienten eine nicht in Umfangsrichtung verlaufende thermische
Ausdehnung hervorrufen, die sich möglicherweise nachteilig auf
Blattspitzentoleranzen der Turbomaschine auswirkt und/oder die Turbinenleistung
reduziert. Außerdem
kann ein anhaltender Betrieb mit solchen Temperaturgradienten die
Nutzungslebensdauer der Brennkammer reduzieren.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt ist ein Verfahren zum Zusammenbau eines Gasturbinenmotors
geschaffen. Zu dem Verfahren gehören
die Schritte: Bereitstellen einer Brennkammer, die einen Flammenstabilisator enthält, der
darin einen Brennraum definiert, und Ankoppeln eines Gehäuses innerhalb
des Gasturbinenmotors, so dass dieses sich um den Umfang des Brennkammerflammenstabilisators
erstreckt, wobei das Gehäuse
einen Einlass und einen Volutenkanal aufweist, der strömungsmäßig mit
dem Einlass verbunden ist und sich zumindest teilweise um den Umfang
des Flammenstabilisators erstreckt. Zu dem Verfahren gehört ferner
der Schritt, den Einlass in strömungsmäßiger Verbindung
an eine Speiseluftquelle anzuschließen.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Brennkammer für einen
Gasturbinenmotor geschaffen. Die Brennkammer enthält einen
Flammenstabilisator, der darin einen Brennraum definiert, und ein
Gehäuse,
das sich um den Umfang des Brennkammerflammenstabilisators erstreckt.
Das Gehäuse
weist einen in strömungsmäßiger Verbindung
an eine Speiseluftquelle angeschlossenen Einlass und einen strömungsmäßig an den
Einlass gekoppelten Volutenkanal auf. Der Volutenkanal erstreckt
sich zumindest teilweise um den Umfang des Flammenstabilisators.
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In
einem anderen Aspekt ist ein Gasturbinenmotor geschaffen. Der Gasturbinenmotor
enthält
einen Verdichter und eine stromaufwärts des Verdichters angeordnete
Brennkammer. Zu der Brennkammer gehören ein Flammenstabilisator,
der darin einen Brennraum definiert, und ein Gehäuse, das sich um den Umfang
des Brennkammerflammenstabilisators erstreckt. Das Gehäuse weist
einen in strömungsmäßiger Verbindung
mit dem Verdichter gekoppelten Einlass und einen Volutenkanal auf,
der in strömungsmäßiger Verbindung
an den Einlass gekoppelt ist und sich zumindest teilweise um den
Umfang des Flammenstabilisators erstreckt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt in einer schematischen
Darstellung einen Gasturbinenmotor.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht
eines Abschnitts des in 1 gezeigten
Gasturbinenmotors;
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3 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines in 2 gezeigten
Brennkammergehäuses,
von stromabwärts
her betrachtet;
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4 zeigt eine perspektivische
Teilansicht des in 3 gezeigten
Brennkammergehäuses, längs der
Schnittlinie 4-4.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 veranschaulicht schematisch
in einem Querschnitt einen Gasturbinenmotor 10, mit einem Niederdruckverdichter 12,
einem Hochdruckverdichter 14 und einer Brennkammer 16.
Zu dem Gasturbinenmotor 10 gehören ferner eine Hochdruckturbine 18 und
eine Niederdruckturbine 20. Der Verdichter 12 und
die Turbine 20 sind über
eine erste Welle 24 gekoppelt, und der Verdichter 14 und
die Turbine 18 sind über
eine zweite Welle 26 gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Gasturbinenmotor ein Motor des Typs LV100, der von General
Electric Company, Cincinnati, Ohio bezogen werden kann. In dem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
ist der Gasturbinenmotor 10 ein rekuperierter Motor.
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Im
Betrieb strömt
Luft durch den Niederdruckverdichter 12 und die verdichtete
Luft wird von dem Niederdruckverdichter 12 dem Hochdruckverdichter 14 zugeführt. Die
hochverdichtete Luft wird einer Brennkammer 16 zugeführt. Der
Luftstrom aus der Brennkammer 16 treibt vor seinem Austreten
aus dem Gasturbinenmotor 10 die Turbinen 18 und 20 an.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht
eines Abschnitts des Gasturbinenmotors 10, zu dem die Brennkammer 16 und
die Turbine 18 gehören. 3 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Brennkammergehäuses 40,
das sich in Umfangsrichtung um die Brennkammer 16 erstreckt. 4 zeigt eine perspektivische
Teilansicht des in 3 gezeigten Brennkammergehäuses 40,
längs der
Schnittlinie 4-4. Die Brennkammer 16 ist ringförmig und
enthält eine
Flammenstabilisatoranordnung 43, zu der ein innerer Flammenstabilisator 44 und
ein äußerer Flammenstabilisator 46 gehören, die
sich beide von einem stromaufwärts
gelegenen Ende 50 der Brennkammer 16 stromabwärts zu einer
Turbinendüsenvorrichtung 52 erstrecken.
Der innere Flammenstabilisator 44 ist radial von dem äußeren Flammenstabilisator 46 nach innen
hin beabstandet, so dass zwischen diesen ein Brennraum 54 definiert
ist. Die Brennkammer 16 ist gegenüber dem Brennkammergehäuse 40 in
radialer Richtung weiter innen angeordnet.
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Das
Brennkammergehäuse 40 ist
ringförmig und
erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Brennkammer 16.
Das Gehäuse 40 weist
einen Luftzufuhrabschnitt 60 und einen sich stromabwärts des Luftzufuhrabschnitts 60 erstreckenden
Befestigungsabschnitt 62 auf. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist der Luftzufuhrabschnitt 60 einstückig mit dem Befestigungsabschnitt 62 ausgebildet. Der
Befestigungsabschnitt 62 ist im Wesentlichen zylindrisch
und erstreckt sich stromabwärts
des Luftzufuhrabschnitts 60 zu einem Befestigungsflansch 64. Der
Flansch 64 ist ringförmig
und ist mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen 66 ausgebildet,
die so dimensioniert sind, dass sie eine Vielzahl von (nicht gezeigten)
sich durch diese hindurch erstreckenden Befestigungselementenaufnehmen,
die dazu dienen, ein stromabwärts
gelegenes Ende 68 des Gehäuses 40 innerhalb
des Gasturbinenmotors 10 zu halten. Der Befestigungsabschnitt 62 weist
ferner eine Vielzahl von Öffnungen 70 auf, die
sich zwischen dem Gehäuseabschnitt 60 und dem
Flansch 64 durch den Befestigungsabschnitt erstrecken.
Die Öffnungen 70 sind
jeweils so dimensioniert, dass sie ein sich durch diese hin durch
erstreckendes Befestigungselement 74 aufnehmen, um Motorkomponenten,
wie einen Turbinenrahmen 76, an dem Gehäuse 40 zu befestigen.
Die Öffnungen 70 ermöglichen
ferner, durch das Gehäuse 40 hindurch Turbinenwartungen
vorzunehmen.
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Zu
dem Luftzufuhrabschnitt 60 des Gehäuses gehören ein ringförmiger Abschirmabschnitt 82, ein
Rekuperatorlufteinlass 84 und ein sich zwischen diesen
erstreckender Volutenkanal 86. Der ringförmige Abschirmabschnitt 82 definiert
ein steil vorspringendes stromaufwärts gelegenes Ende 88 des
Gehäuses 40 und
weist einen Befestigungsflansch 90 auf, der bezüglich des
stromaufwärts
gelegenen Endes 88 radial weiter innen und stromabwärts davon angeordnet
ist. Der Befestigungsflansch 90 ist mit einer Vielzahl
von in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen 92 ausgebildet,
die jeweils dimensioniert sind, um durch diese hindurch ein Befestigungselement 94 aufzunehmen,
um das stromaufwärts
gelegene Ende 88 des Gehäuses innerhalb des Gasturbinenmotors 10 zu
befestigen. Der Abschirmabschnitt 82 weist ferner eine
Vielzahl von Öffnungen 96 auf, die
sich zwischen dem stromaufwärts
gelegenen Ende 88 und dem Volutenkanal 86 durch
den Abschirmabschnitt erstrecken. Öffnungen 96 ermöglichen
es, durch diese hindurch Motorkomponenten einzubringen und/oder
Turbinenwartungen 100 vorzunehmen. In dem Ausführungsbeispiel
ragen beispielsweise eine Vielzahl von Einspritzaggregaten 102 durch
die Öffnungen 96.
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Die
Lufteinlassöffnung 84 ist
von stromaufwärts
her betrachtet in Umfangsrichtung etwa an einer "Ein-Uhr-Position" angeordnet. Die Lufteinlassöffnung 84 weist
einen im Wesentlichen zylindrischen Kanalabschnitt 110 auf,
der sich von ei ner stromabwärts
gelegenen Fläche 112 des
Volutenkanals 86 aus stromabwärts erstreckt. Die Lufteinlassöffnung 84 ist über den
Kanalabschnitt 110 strömungsmäßig an eine
Ausstoßöffnung des
(in 1 gezeigten) Verdichters 14 gekoppelt.
Lufteinlasskanalabschnitt 110 weist einen relativ zu einer
Innenfläche 112 des Kanalabschnitts 110 gemessenen
Innendurchmesser D1 auf.
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Der
Volutenkanal 86 ist hohl und erstreckt sich in strömungsmäßiger Verbindung
von der Lufteinlassöffnung 84 aus,
so dass der gesamte von dem Einlass 84 ausgestoßene Fluidstrom
in den Volutenkanal 86 eintritt. Dementsprechend weist
der Volutenkanal 86 unmittelbar benachbarte zu dem Einlass 84 eine
Einlassquerschnittsfläche 114 auf,
die mit einem Innendurchmesser D1 definiert
ist. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
weist der Volutenkanal 86 einen linken Volutenarm 120 und
einen zu dem Arm 120 spiegelbildlichen rechten Volutenarm 122 auf.
Die Volutenarme 120 und 122 sind beide gekrümmt und
erstrecken sich von dem Einlass 84 aus über einen Winkel von etwa 180°. In einem
alternativen Ausführungsbeispiel
weist der Volutenkanal 86 lediglich einen Arm 120 oder 122 auf,
der sich von dem Einlass 84 aus über einen Winkel von geringfügig weniger
als 360° erstreckt,
so dass der Arm ein Verteilen des Fluidstroms ermöglicht,
wie es weiter unten näher
erläutert
ist.
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Jeder
Volutenkanalarm 120 und 122 weist ein dem Einlass 84 benachbartes
Einlassende 130 und eine Auslassende 132 auf,
das entgegengesetzt zu dem Einlassende 130 angeordnet ist,
und ist gegenüber
dem Einlass 84 um etwa 180° versetzt ist.
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Die
Volutenkanalarme 120 und 122 sind miteinander
strömungsmäßig verbunden,
und jeder Arm 120 und 122 ist mit einer Vielzahl
von Öffnungen 134 ausgebildet,
die sich durch diese hindurch erstrecken. Insbesondere sind die Öffnungen 134 lediglich entlang
eines Innendurchmessers der Volutenkanalarme 120 und 122 ausgebildet
und erstrecken sich daher lediglich durch eine radial innenliegende
Fläche 136 jedes
Volutenkanalarms 120 und 122 und stehen auf diese
Weise mit einem innerhalb des Volutenkanals 84 definierten
Fluiddurchlass 140 in strömungsmäßiger Verbindung.
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In
dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist
zwischen der Lufteinlassöffnung 84 und
dem Volutenkanal 86 ein Strömungsteiler 200 angeordnet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel
enthält
das Gehäuse 40 den
Strömungsteiler 200 nicht.
Der Strömungsteiler 200 ist
mit einem geeigneten Umriss ausgebildet, um den aus der Lufteinlassöffnung 84 ausgestoßenen Fluidstrom
zu kanalisieren. Insbesondere ist der Strömungsteiler 200 in
dem Ausführungsbeispiel
einstückig
mit dem Gehäuse 40 ausgebildet
und lenkt einen Teil des von dem Einlass 84 ausgestoßenen Fluidstroms
in den Arm 120 und den übrigen
Fluidstrom in den Arm 122. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
lenkt der Strömungsteiler 200 etwa
50 % des gesamten ausgestoßenen
Fluidstroms in jeweils einen der Arme 120 bzw. 122. Dementsprechend
strömen
etwa 50 % des durch den Volutenkanal 86 strömenden Fluids
in Richtung des Uhrzeigersinns, und etwa 50 % des durch den Volutenkanal 86 strömenden Fluids
strömt
gegen den Uhrzeigersinn gerichtet.
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Jeder
Volutenkanalarm 120 und 122 weist ein veränderliches
Querschnittsprofil auf, das sich zwischen dem jeweiligen Einlassende 130 und
Auslassende 132 erstreckt. Der Volutenkanal 86 weist
an dem Auslassende 132 einen Innendurchmesser D2 auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser
D1 des Einlasses. Insbesondere weist der
Volutenkanal 86 eine veränderliche Querschnittsfläche auf,
die von dem Einlassende 130 des Volutenkanals hin zu dem Kanalauslassende 132 abnimmt.
Dementsprechend ist eine durch den Innendurchmesser D2 definierte Auslassquerschnittsfläche 204 kleiner
als die Einlassquerschnittsfläche 87 (114).
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Während des
Betriebes wird ein Teil der von dem Verdichter 14 ausgestoßenen verdichteten
Luft zu der Brennkammer 16 verzweigt, um als Speiseluft verwendet
zu werden. Insbesondere wird die Luft gegebenenfalls über den
Rekuperatorlufteinlass 84 zu dem Luftzufuhrabschnitt 60 des
Brennkammergehäuses
kanalisiert. Insbesondere trifft in dem Ausführungsbeispiel aus dem Einlass 84 ausgestoßene Luft auf
den Strömungsteiler 200,
und etwa 50 % des aus dem Einlass 84 austretenden Fluidstroms
wird in Richtung des Uhrzeigersinns in den Volutenkanalarm 122 gelenkt,
und der übrige
Fluidstrom wird gegen den Uhrzeigersinn in den Volutenkanalarm 120 gelenkt.
Durch den Volutenkanal 86 strömende Luft wird durch die Kanalöffnungen 134 gegen
die Brennkammerflammenstabilisatoranordnung 43 radial nach
innen gelenkt. Die Kombination der innerhalb des Volutenkanals 86 definierten,
sich verringernden Strömungsquerschnittsfläche mit
dem Beabstanden der Öffnungen 134 in
Umfangsrichtung sowie deren Bemessung ermöglicht es, eine im wesentlichen
gleichmäßige Strömung in
Richtung der Brenn kammerflammenstabilisatoranordnung 43 zu
erzielen. Insbesondere stellen die Öffnungen 134, da diese
sich zwischen den Einlass- und Auslassenden 130 bzw. 132 des
Volutenkanals erstrecken, eine in Umfangsrichtung verlaufende Strömung in
Richtung der Flammenstabilisatoranordnung 43 bereit.
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In
dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird
aufgrund der sich verringernden Strömungsquerschnittsfläche, die
innerhalb des Volutenkanals 86 und den Öffnungen 134 definiert
ist, die gesamte durch den Volutenkanal 86 strömende Speiseluft, nachdem
sie sich um etwa 180° von
dem Einlass 84 entfernt hat, ins Freie entlassen. Da die
Speiseluft um die Brennkammerflammenstabilisatoranordnung 43 herum
im Wesentlichen gleichmäßig zugeführt wird, wird
es ermöglicht,
innerhalb der Flammenstabilisatoranordnung 43 induzierte
Temperaturgradienten und ein Verziehen der Flammenstabilisatoranordnung 43 aufgrund
thermischer Ausdehnung zu reduzieren. Außerdem ermöglicht der Volutenkanal 86 auch,
den Faktor des Verbrennungsmusters zu verbessern, mit dem Ergebnis
einer Verbesserung der Brennkammerleistung und/oder eine Verlängerung der
Nutzungslebensdauer der Brennkammer 16. Darüber hinaus
verbessert der Volutenkanal 86, da es ermöglicht ist,
ein Verziehen der Flammenstabilisatoranordnung 43 aufgrund
von thermischer Ausdehnung zu reduzieren, ferner ein Einhalten von Blattspitzentoleranzen
bei Turbomaschinen.
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Das
oben beschriebene Brennkammergehäuse
stellt ein kostengünstiges
und zuverlässiges Mittel
bereit, um innerhalb des Brennkammerflammenstabilisators induzierte
Temperaturgradienten zu reduzieren. Insbesondere lenkt das Gehäuse Speise luft
im wesentlichen gleichmäßig und
in Umfangsrichtung auf den Brennkammerflammenstabilisator. Als Folge
hiervon wird es ermöglicht,
ein auf thermische Ausdehnung zurückzuführendes Verziehen des Flammenstabilisators
zu reduzieren. Darüber
hinaus ermöglicht
das Brennkammergehäuse
eine kostengünstige
und zuverlässige
Verlängerung
der Nutzungslebensdauer der Brennkammer.
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Vorausgehend
ist ein Ausführungsbeispiel eines
Brennkammergehäuses
im Einzelnen beschrieben. Das veranschaulichte Gehäuse ist
nicht auf die speziellen hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr
können
deren Komponenten unabhängig
und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten verwendet
werden.
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Brennkammer 16 für einen
Gasturbinenmotor, zu der gehören:
ein Flammenstabilisator 43, der darin einen Brennraum 54 definiert,
und ein Gehäuse 40,
das sich um den Umfang des Brennkammerflammenstabilisators erstreckt,
wobei das Gehäuse
einen strömungsmäßig mit
einer Speiseluftquelle verbundenen Einlass 84 und einen
Volutenkanal aufweist 86, der strömungsmäßig mit dem Einlass verbunden ist
und sich zumindest teilweise um den Umfang des Flammenstabilisators
erstreckt.
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Während die
Erfindung anhand vielfältiger spezieller
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass es möglich ist, die
Erfindung mit Abwandlungen zu verwirklichen, ohne von dem Schutzbereich
der Ansprüche
abzuweichen.
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- 10
- Gasturbinenmotor
- 12
- Niederdruckverdichter
- 14
- Hochdruckverdichter
- 16
- Brennkammer
- 18
- Hochdruckturbine
- 20
- Turbine
- 24
- Erste
Welle
- 26
- Zweite
Welle
- 40
- Brennkammergehäuse
- 43
- Flammenstabilisatoranordnung
- 44
- Innerer
Flammenstabilisator
- 46
- Äußerer Flammenstabilisator
- 50
- Stromaufwärts gelegenes
Ende
- 52
- Turbinendüsenvorrichtung
- 54
- Brennraum
- 60
- Gehäuse
- 62
- Befestigungsabschnitt
- 64
- Befestigungsflansch
- 66
- Öffnungen
- 68
- Stromabwärts gelegenes
Ende
- 70
- Öffnungen
- 74
- Befestigungselement
- 76
- Turbinenrahmen
- 82
- Ringförmiger Abschirmabschnitt
- 84
- Rekuperatorlufteinlass
- 86
- Volutenkanal
- 88
- Nicht
stromlinienförmiges/steiles
stromaufwärts
-
- gelegenes
Ende
- 90
- Befestigungsflansch
- 92
- Öffnungen
- 94
- Befestigungselement
- 96
- Öffnungen
- 100
- Turbinenwartungszugang
- 102
- Einspritzaggregate
- 110
- Kanalabschnitt
- 112
- Stromabwärts gelegene
Fläche
- D1
- Innendurchmesser
- 114
- Einlassquerschnittsfläche
- 120
- Volutenarm
- 122
- Volutenarm
- 130
- Einlassende
- 132
- Auslassende
- 134
- Öffnungen
- 136
- Innenfläche
- 140
- Fluiddurchlass
- 200
- Strömungsteiler
- D2
- Innendurchmesser
- 204
- Auslassquerschnittsfläche