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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Montageanordnung für einen
Luftabscheider, der Luft zum Kühlen
einer Laufschaufel in einer Gasturbine liefert.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Eine
Montageanordnung für
einen Luftabscheider umfasst einen Luftabscheider und eine Laufschaufel-Drehscheibe.
Die Montageanordnung empfängt
einen Teil der Druckluft, die von einem Kompressor komprimiert wird,
und liefert die Druckluft als Kühlluft
an die Laufschaufel.
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8 ist
ein Querschnitt einer Gasturbine um einen herkömmlichen Luftabscheider herum,
wie beispielsweise in der Japanischen offengelegten Patentanmeldung
Nr.
JP 11-013408
AA beschrieben. Die Gasturbine weist eine Leitschaufel
4 einer
ersten Stufe und eine Laufschaufel
5 der ersten Stufe auf,
einen Luftabscheider
3-2, einen Rotor
1, einen
Kompressor (nicht gezeigt), und einen Kühler (nicht gezeigt). Ein Anteil
der Luft, die von dem Kompressor komprimiert wird, und von dem Kühler gekühlt wird,
wird von einer rotorseitigen Öffnung
8 über einen
Zwischenraum
9 zwischen dem Luftabscheider
3-2 und
dem Rotor
1 aufgenommen, und dann ins Innere der Laufschaufel
5 der
ersten Stufe über
radiale Löcher
10 und
Kühlluftlöcher
11 einer
Drehscheibe
2 der Laufschaufel eingegeben, um die Laufschaufel
5 der
ersten Stufe mit Luft zu kühlen.
Die Drehscheibe
2 der Laufschaufel, welche die Laufschaufel
5 der
ersten Stufe aufweist, die an ihrem Umfangsende eingebettet ist,
ist so an dem Rotor
1 angebracht, dass die Drehscheibe
2 der
Laufschaufel sich zusammen mit dem Rotor
1 dreht. Andererseits
bestehen die Luftabscheider
3-1 und
3-2 aus einem
Paar zylindrischer Teile, die voneinander getrennt sind, wobei deren
eine Enden mit Flanschen
20-1 und
20-2 zur Befestigung der
Luftabscheider
3-1 und
3-2 versehen sind, und
ihre anderen Enden in der Nähe
der Öffnung
8 zum
Einlass von Kühlluft
angeordnet sind. Ein Luftabscheider
3-1 ist an dem Rotor
1 über dem
Flansch
20-1 durch einen Satz
6-1 aus einem Bolzen
und einer Mutter befestigt, während
der andere Luftabscheider
3-2 an der Drehscheibe
2 der
Laufschaufel über
den Flansch
20-2 über
einen Satz
6-2 aus einem Bolzen und einer Mutter befestigt
ist, so dass sich diese Luftabscheider zusammen mit dem Rotor
1 und
der Drehscheibe
2 der Laufschaufel drehen. Ein Anteil der
Kühlluft,
die von einem Kompressor (nicht gezeigt) über einen Luftkanal
43 zugeführt wird,
wird von der Öffnung
8,
die zwischen Dichtungsabschnitten
41 und
42 vorgesehen
ist, in den Luftabscheider
3-2 eingegeben. Weiterhin wird
die Kühlluft
einem Kühlluftloch
11 zugeführt, das
in der Drehscheibe
2 der Laufschaufel vorgesehen ist, über den
Zwischenraum
9, der zwischen dem Rotor
1 und dem
Luftabscheider
3-2 vorgesehen ist, und wird auch dem Radialloch
10 über ein
Luftloch (nicht gezeigt) zugeführt,
das in dem Flansch
20-2 des Luftabscheiders
3-2 vorgesehen
ist, so dass die Luft schließlich
den jeweiligen Laufschaufeln zugeführt wird.
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9 ist
eine Perspektivansicht des Luftabscheiders 3-2. Wenn in
dem Flansch 20-2 des Luftabscheiders 3-2, der
an der Drehscheibe 2 der Laufschaufel durch den Satz aus
einem Bolzen und einer Mutter 6-2 befestigt ist, ein Leck
der Kühlluft,
die über
den Zwischenraum 9 zwischen dem Rotor 1 und dem
Luftabscheider 3-2 aufgenommen wird, auftritt, kann die
Kühlluft
nicht ausreichend bis zu einem distalen Ende der Laufschaufel zugeführt werden,
wodurch die Laufschaufel infolge mangelnder Kühlung beschädigt werden kann. Daher werden
eine äußere Oberfläche der
Drehscheibe 2 der Laufschaufel und eine Berührungsoberfläche des
Flansches 20-2 in enge Berührung miteinander versetzt,
durch Befestigung des Flansches 20-2 an der Drehscheibe 2 der
Laufschaufel unter Verwendung des Satzes 6-2 aus Bolzen
und Mutter, und wird die Abdichtung durch die Befestigungskraft
des Satzes 6-2 aus Bolzen und Mutter durchgeführt, so
dass das Auftreten von Luftlecks am Flansch verhindert wird.
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Andererseits
wird, wenn die Gasturbine nach einem Anhalten erneut läuft, häufig ein
Warmstartvorgang durchgeführt.
Der Begriff „Warmstartvorgang” bezeichnet
einen Vorgang, eine Gasturbine (Einrichtung) dazu zu veranlassen,
erneut zu laufen, während
jeweilige Abschnitte in der Gasturbine noch relativ warm sind (beispielsweise
etwa 200°C),
nachdem die Einrichtung angehalten wurde.
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Betriebszustände während des
Warmstartvorgangs werden unter Bezugnahme auf die 10 und 11 erläutert. 10 ist
ein Diagramm einer Änderung
einer Turbinendrehzahl während
des Warmstartvorgangs seit einem Betriebsstartzeitpunkt im Verlauf
der Zeit. In 10 ist auf der Vertikalachse
die Turbinendrehzahl aufgetragen, und auf der Horizontalachse die seit
dem Beginn des Betriebs vergangene Zeit. Die hauptsächlichen
Tatsachen in Bezug auf die Betriebszustände seit dem Beginn des Betriebs
bis zum stabilen Betrieb sind auf der Horizontalachse angegeben.
Ein Spülvorgang
mit einer konstanten Turbinendrehzahl (beispielsweise 500 bis 600
Umdrehungen pro Minute (rpm)) in der Einrichtung wird über einen
vorbestimmten Zeitraum seit dem Start des Gasturbinenbetriebs durchgeführt. Dann
wird eine Brennkammer gezündet,
und die Turbinendrehzahl weiter auf eine Nenndrehzahl erhöht (beispielsweise
3600 rpm), während
die Brennstoffmenge erhöht
wird. Nachdem die Turbinendrehzahl die Nenndrehzahl erreicht hat,
wird die Ausgangsleistung weiter dadurch erhöht, dass die Kraftstoffmenge
erhöht
wird, so dass ein Übergang
zum stabilen Betrieb (Betrieb mit maximaler Belastung) erfolgt.
Der Warmstartvorgang der Gasturbine wird auf diese Art und Weise durchgeführt.
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Eine Änderung
der Temperatur der Kühlluft
im Verlauf der Zeit entsprechend dem Warmstartvorgang der Gasturbine
wird unter Bezugnahme auf 11 erläutert. In 11 ist
auf der Vertikalachse die Temperatur der Kühlluft angegeben, welche den
Kühler
(nicht gezeigt) von dem Kompressor (nicht gezeigt) so verlässt, dass
sie in den Luftabscheider fließt,
wogegen auf der Horizontalachse die seit Start des Vorgangs vergangene Zeit
aufgetragen ist. Nachdem die Gasturbine in Gang gesetzt wurde, wird
während
des Spülvorgangs
die Temperatur auf etwa 50 bis 60°C
gehalten. Nachdem die Brennkammer gezündet wurde, steigt die Lufttemperatur
entsprechend der Erhöhung
der Turbinendrehzahl an, und erreicht die Lufttemperatur einen Wert
von etwa 150 bis 160°C,
wenn die Drehzahl die Nenndrehzahl erreicht. Danach wird, obwohl
die Lufttemperatur weiter entsprechend einer Erhöhung der Kraftstoffmenge zur
Erhöhung
der Ausgangsleistung in der Brennkammer erhöht wird, die Temperatur auf
einer vorbestimmten Temperatur von etwa 200°C gehalten, wenn der Betrieb
einen Zustand mit maximaler Belastung erreicht. Die Temperatur der
Kühlluft,
die in den Luftabscheider fließt, ändert sich
schnell seit dem Beginn des Betriebs auf diese Art und Weise, während die
Kühlluft
von der Öffnung 8 in
den Luftabscheider 3-2 fließt, um dem Radialloch 10 und
dem Kühlluftloch 11 über den
Zwischenraum zugeführt
zu werden, und den jeweiligen Laufschaufeln zugeführt zu werden,
wie dies in 8 gezeigt ist.
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Allerdings
können
die folgenden Probleme auftreten, da die Temperaturänderung
der Kühlluft,
die in den Luftabscheider fließt,
groß während des
Warmstartvorgangs der Gasturbine groß ist. Da der Luftabscheider
durch ein zylindrisches Teil gebildet wird, das dünner ist
als die Drehscheibe der Laufschaufel, die ein Teil mit großen Abmessungen
darstellt, ist die Wärmekapazität des erstgenannten
Teils kleiner als jene des letztgenannten Teils. Wie in 12 gezeigt,
sinkt daher die Temperatur des Luftabscheiders im Verlauf der Zeit
in der Anfangsstufe des Warmstartvorgangs ab, und stellt die niedrigste
Temperatur unmittelbar nach der Zündung dar; allerdings ist der
Temperaturabfall bei der Drehscheibe der Laufschaufel relativ gering.
Der Flansch des Luftabscheiders führt daher zu einer Zusammenziehung
unter Wärmeeinwirkung
zur Richtung radial zum Zentrum bei der Temperaturabnahme. Andererseits
tritt, da der Temperaturabfall der Drehscheibe der Laufschaufel
klein ist, deren Zusammenziehen infolge von Wärmeeinwirkung in Radialrichtung
kaum auf. Dies führt zu
einer Relativverschiebung auf einer Berührungsoberfläche zwischen
dem Flansch und der Drehscheibe der Laufschaufel in Radialrichtung
infolge eines Unterschieds in Bezug auf das Ausmaß des Zusammenziehens unter
Wärmeeinwirkung
zwischen diesen beiden Teilen. Da der befestigte Bolzen auf der
gleichen hohen Temperatur wie jener der Drehscheibe der Laufschaufel
gehalten wird, verbleibt er im erweiterten Zustand, jedoch nimmt
die Temperatur des Flansches infolge der Kühlluft ab, und zieht er sich
in Richtung seiner Dicke zusammen. Daher wird der Bolzen selbst
in einen relativ aufgeweiteten Zustand versetzt, so dass dessen
Befestigungskraft verringert wird. Die Relativverschiebung in Richtung
radial auf das Zentrum und die Verringerung der Bolzenbefestigungskraft
infolge des unterschiedlichen Zusammenziehens unter Wärmeeinwirkung
werden daher gleichzeitig auf einer Berührungsoberfläche des
Flansches und der Drehscheibe der Laufschaufel entsprechend der
Temperaturverringerung des Flansches hervorgerufen, so dass ein
Luftleck leicht auf der Berührungsoberfläche des
Flansches auftritt. Wenn eine schnelle Temperaturänderung
hervorgerufen wird, wie bei einem derartigen Warmstartvorgang, führt daher
das Verfahren zur Durchführung
einer Dichtung unter Verwendung der Bolzenbefestigungskraft zu einem
derartigen Problem, dass leicht ein Luftleck auftritt, und leicht Schwingungen
des Luftabscheiders hervorgerufen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, zumindest die Probleme
bei der herkömmlichen Technik
zu lösen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Montageanordnung für einen
Luftabscheider in einer Gasturbine einen Luftabscheider auf, der
ein zylindrisches Teil ist, das so angeordnet ist, dass ein Zwischenraum
ausgebildet wird, der mit einer Öffnung
zu einer Außenumfangsoberfläche eines Rotors
in Verbindung steht, und einen Flansch an seinem einen Ende aufweist;
und eine Drehscheibe einer Laufschaufel, die an ihrer Außenoberfläche mit
einem Scheibenausnehmungsabschnitt versehen ist, der eine ringförmige Ausnehmung
um das Zentrum in Axialrichtung des Rotors ausbildet. Eine gesamte
Oberfläche
einer Außenumfangsoberfläche des
Flansches, die an einem Außenumfang
des Flansches vorgesehen ist und parallel zum Zentrum in Axialrichtung
des Rotors verläuft,
und eine gesamte Oberfläche
einer Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche, entgegengesetzt zur Flanschaußenumfangsoberfläche, die
in dem Scheibenausnehmungsabschnitt vorgesehen ist und parallel
zum Zentrum in Axialrichtung des Rotors verläuft und ringförmig um
das Zentrum in Axialrichtung vorgesehen ist, bilden dadurch eine
Berührungsoberfläche als
eine Dichtfläche,
dass sie einander zugewandt sind. Der Luftabscheider ist dabei über den
Flansch an der Drehscheibe der Laufschaufel befestigt, so dass die
Drehscheibe der Laufschaufel und der Luftabscheider zusammen mit
dem Rotor gedreht werden.
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Gemäß einem
anderen, nicht beanspruchten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist
eine Montageanordnung für
einen Luftabscheider in einer Gasturbine einen Luftabscheider auf,
der ein zylindrisches Teil ist, das so ausgebildet ist, dass ein
Zwischenraum ausgebildet wird, der mit einer Öffnung zu einer Außenumfangsoberfläche eines
Rotors in Verbindung steht, und einen Flansch an seinem einen Ende
aufweist; und eine Drehscheibe einer Laufschaufel, die an ihrer
Außenoberfläche mit
einem Scheibenausnehmungsabschnitt versehen ist, der eine ringförmige Ausnehmung
um das Zentrum in Axialrichtung des Rotors bildet. Weiterhin ist eine Befestigungsanordnung
zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt eine Presspassung.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Gasturbine
eine Montageanordnung für
einen Luftabscheider gemäß der vorliegenden
Erfindung auf.
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Gemäß einem
weiteren, nicht beanspruchten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Montageverfahren für
einen Luftabscheider in einer Gasturbine zur Verfügung gestellt,
die eine Anordnung zum Liefern von Kühlluft zu einer Drehscheibe
einer Laufschaufel aufweist, wobei ein Flansch, der an einem Ende
des Luftabscheiders vorgesehen ist, in einen Scheibenausnehmungsabschnitt
eingeführt
und an diesem befestigt wird, der auf einer Außenoberfläche der Drehscheibe der Laufschaufel
vorgesehen ist, unter Einsatz einer Presspassung.
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Die
voranstehenden und weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und technische
und industrielle Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden
noch besser durch Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung momentan
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung verständlich,
unter Berücksichtigung
der beigefügten
Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Querschnitt um einen Abschnitt um einen Luftabscheider einer
Gasturbine herum gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Querschnitt eines Abschnitts um eine Montageanordnung des in 1 gezeigten
Luftabscheiders herum;
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3 ist
eine perspektivische, weggeschnittene Ansicht des in 1 dargestellten
Luftabscheiders;
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4 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts A in 2;
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5 ist
eine Querschnittsansicht um einen Flansch und einen Scheibenausnehmungsabschnitt
herum;
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6 ist
ein Diagramm einer Beziehung einer Turbinendrehzahl und einer Störung zwischen
dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt infolge einer Zentrifugalkraft
während
eines Warmstartvorgangs;
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7 ist
ein Diagramm einer Änderung
der Störung
zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt im Verlauf
der Zeit während
des Warmstartvorgangs;
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8 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts um einen Luftabscheider
einer herkömmlichen Gasturbine
herum;
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9 ist
eine perspektivische, weggeschnittene Ansicht eines in 8 gezeigten
Luftabscheiders;
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10 zeigt
eine Änderung
der Gasturbinendrehzahl im Verlauf der Zeit während eines Warmstartvorgangs;
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11 zeigt
eine Änderung
der Kühllufttemperatur
im Verlauf der Zeit während
des Warmstartvorgangs; und
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12 zeigt
eine Änderung
der Temperatur der Drehscheibe der Laufschaufel und des Flansches während des
Warmstartvorgangs.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Die nachstehend geschilderten Ausführungsformen sind nur erläuternd,
und nicht einschränkend,
und sämtliche Äquivalente
sind von der Erfindung umfasst, soweit sie einen Aufbau gemäß der Erfindung
aufweisen.
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Eine
Montageanordnung für
einen Luftabscheider gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Die
Montageanordnung für
einen Luftabscheider weist eine Drehscheibe 2 für eine Laufschaufel
und einen Luftabscheider 3 auf. Der Luftabscheider 3 ist,
wie in 2 gezeigt, ein zylindrisches Teil, das an seinem
einen Ende einen Flansch 20 aufweist. Der Luftabscheider 3 deckt
einen Rotor 1 ab. Der Luftabscheider 3 ist an
der Drehscheibe 2 der Laufschaufel über den Flansch 20 befestigt,
unter Verwendung eines Satzes 6 aus einer Mutter und einem
Bolzen. Die Drehscheibe 2 und der Luftabscheider 3 drehen
sich zusammen mit dem Rotor 1. Als Luft zum Kühlen der
Laufschaufel wird ein Anteil der Druckluft verwendet, die von einem
Kompressor (nicht gezeigt) abgegeben wird, und über einen Kühler (nicht gezeigt) gekühlt wird.
Dieser Anteil der gekühlten
Druckluft wird von einer Öffnung 8 in
der Nähe
des Luftabscheiders 3 in den Luftabscheider 3 eingegeben.
Luft zur Laufschaufelkühlung,
die in den Luftabscheider 3 eingegeben wird, wird einem
Radialloch 10 und einem Kühlluftloch 11 zugeführt, das
in der Drehscheibe 2 der Laufschaufel vorgesehen ist, über einen
Zwischenraum 9 zwischen dem Rotor 1 und dem Luftabscheider 3,
und wird schließlich den
jeweiligen Laufschaufeln zugeführt.
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Eine
Konstruktionsansicht eines Abschnitts um die Montageanordnung für einen
Luftabscheider herum gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 2 gezeigt. Ein ringförmiger Scheibenausnehmungsabschnitt 30 um
das Zentrum in Axialrichtung des Rotors 1 herum ist auf
einer äußeren Oberfläche der
Drehscheibe 2 der Laufschaufel an der Seite des Luftabscheiders
vorgesehen, der Flansch 20 des Luftabscheiders 3 ist
in den Scheibenausnehmungsabschnitt 30 eingeführt und
dort befestigt, und der Flansch 20 ist an der Drehscheibe 2 der
Laufschaufel unter Verwendung des Satzes 6 aus Bolzen und
Mutter befestigt. Eine Presspassung wird als Befestigungsanordnung
zwischen dem Flansch 20 und dem Scheibenausnehmungsabschnitt 30 eingesetzt.
Der Luftabscheider 3 ist ein dünnes, zylindrisches Teil, dessen
eines Ende mit dem Flansch 20 versehen ist, und dessen
anderes Ende durch einen Rand 7 einer Öffnung festgelegt wird, so
dass Kühlluft
von der Öffnung
aus zugeführt
wird, und die Kühlluft
dem Radialloch 10 und dem Kühlluftloch 11 zugeführt wird.
Der Flansch 20 ist mit Luftlöchern (nicht gezeigt) versehen,
zum Zuführen
von Luft zum Radialloch 10, wie bei dem herkömmlichen
Luftabscheider.
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Eine
Ausbildung des Luftabscheiders gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in 3 gezeigt. Da der Luftabscheider 3 ein
einzelnes, zylindrisches Teil ist, ist sein Aufbau einfacher als
jener des herkömmlichen Luftabscheiders
des geteilten Typs, so dass die Anzahl an Zusammenbauschritten verringert
werden kann, und ein Vorteil in Bezug auf die Kosten erzielt werden
kann.
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4 ist
ein Querschnitt des Abschnitts A von 2. Der Flansch 20 wird
durch eine Flanschaußenumfangsoberfläche 22,
die an einem Außenumfang
des Flansches 20 parallel zum Zentrum in Axialrichtung des
Rotors 1 vorgesehen ist, und eine Flanschendoberfläche 21 orthogonal
zur Flanschaußenumfangsoberfläche 22 festgelegt.
Andererseits ist der Scheibenausnehmungsabschnitt 30 eine
ringförmige
Ausnehmung um das Zentrum in Axialrichtung des Rotors 1 herum,
und wird durch eine Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche 32,
die auf einer ringförmigen
Wandoberfläche
des Scheibenausnehmungsabschnitts 30 vorgesehen ist, und
eine Scheibenausnehmungsbodenoberfläche 31 orthogonal
zur Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche 32 festgelegt,
um einen Boden des Scheibenausnehmungsabschnitts 30 auszubilden. Die
Flanschaußenumfangsoberfläche 22 und
die Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche 32 entgegengesetzt
zu dieser werden in innere Berührung
miteinander versetzt, um eine ringförmige Berührungsoberfläche um das
Zentrum in Axialrichtung des Rotors auszubilden.
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Die
Flanschendoberfläche 21 und
die Scheibenausnehmungsbodenoberfläche 31 entgegengesetzt
zu dieser werden in Berührung
miteinander versetzt, um eine ringförmige Berührungsoberfläche um das
Zentrum in Axialrichtung des Rotors auf einer Oberfläche in der
Nähe der
Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche 32 und orthogonal
zur Scheibenausnehmungsbodenoberfläche 31 auszubilden.
Der Flansch 20 ist in dem Scheibenausnehmungsabschnitt 30 befestigt,
und ist darüber
hinaus an der Drehscheibe 2 der Laufschaufel auf der ringförmigen Berührungsoberfläche unter
Verwendung des Satzes 6 aus Bolzen und Mutter befestigt.
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Als
nächstes
wird ein Verbindungsverfahren für
den Flansch und den Scheibenausnehmungsabschnitt erläutert. Bei
dem herkömmlichen
Luftabscheider wird eine Flanschendoberfläche an einer Außenumfangsoberfläche einer
Drehscheibe einer Laufschaufel unter Verwendung eines Satzes aus
Bolzen und Mutter befestigt. Daher wird ein Flächendruck, der auf eine Berührungsoberfläche zwischen
der Flanschendoberfläche
und der Scheibenaußenoberfläche einwirkt,
durch die Befestigungskraft des Bolzens und der Mutter vergrößert, so dass
das Auftreten von Luftlecks verhindert wird.
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Andererseits
unterscheidet sich, wie in 4 gezeigt,
die vorliegende Erfindung von dem herkömmlichen Verbindungsverfahren
in der Hinsicht, dass der ringförmige
Scheibenausnehmungsabschnitt 30 um das Zentrum in Axialrichtung
des Rotors herum auf der Außenoberfläche der
Drehscheibe der Laufschaufel vorgesehen ist, die Befestigungsanordnung
an dem Flansch 20 des Luftabscheiders und des Scheibenausnehmungsabschnitts 30 vorgesehen
ist, und der Flansch 20 an der Drehscheibe 2 der
Laufschaufel dadurch befestigt wird, dass der Flansch 20 in
dem Scheibenausnehmungsabschnitt 30 befestigt wird, so
dass das Ausmaß der
engen Berührung
zwischen dem Flansch 20 und der Drehscheibe 2 der
Laufschaufel verbessert wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird daher der Flansch 20 des
Luftabscheiders so hergestellt, dass die minimale Außendurchmesserabmessung
der Flanschaußenumfangsoberfläche 22 etwas
größer ist
als die maximale Innendurchmesserabmessung der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche 32,
die auf der Drehscheibe der Laufschaufel vorgesehen ist, und eine
Presspassung, bei welcher das minimale Übermaß immer positiv (+) ist, als
die Befestigungsanordnung zwischen dem Flansch 20 und dem
Scheibenausnehmungsabschnitt 30 eingesetzt wird.
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5 ist
ein Diagramm einer Beziehung eines Übermaßes zwischen dem Scheibenausnehmungsabschnitt
und dem Flansch. Die Herstellungsgrößen des Flansches 20 und
des Scheibenausnehmungsabschnitts 30 umfassen Änderungen
innerhalb von Herstellungstoleranzen. Speziell wird in 5 angenommen, dass
in Bezug auf eine Außendurchmessergröße der Flanschaußenumfangsoberfläche 22 die
minimale Endbearbeitungsgröße innerhalb
der Herstellungstoleranz die Flanschminimumaußendurchmessergröße (X) ist, und
in Bezug die Innendurchmessergröße der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche 22 die
maximale Endbearbeitungsgröße innerhalb
der Herstellungstoleranz die Scheibenausnehmungsmaximalinnendurchmessergröße (Y) ist.
In diesem Fall ist das minimale Übermaß (Z) zwischen
dem Flansch 20 und dem Scheibenausnehmungsabschnitt 30 als
Differenz zwischen der Flanschminimumaußendurchmessergröße (X) und
der Scheibenausnehmungsmaximalinnendurchmessergröße (Y) festgelegt, nämlich als
Z = X – Y.
Wenn die Befestigungsanordnung eine Presspassung ist, wird deswegen,
da die Flanschminimumaußendurchmessergröße (X) immer
größer ist
als die Scheibenausnehmungsmaximuminnendurchmessergröße (Y) (X > Y), das minimale Übermaß (Z) immer
positiv (+).
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In
Bezug auf das Übermaß zwischen
dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt während des
Betriebs der Gasturbine wird das endgültige Übermaß zwischen dem Flansch und
dem Scheibenausnehmungsabschnitt nicht nur auf Grundlage des Übermaßes zwischen
diesen Teilen zum Zeitpunkt des Zusammenbaus einer Turbine festgelegt,
sondern auch in Bezug auf den Unterschied in Bezug auf das Ausdehnen und Zusammenziehen
bei Wärmeeinwirkung
zwischen dem Flansch und der Drehscheibe der Laufschaufel beim Betrieb,
und in Bezug auf die Zentrifugalkraft, die eine Vergrößerung beim
Drehen der Turbine hervorruft.
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Das
Aufweiten und das Zusammenziehen bei Wärmeeinwirkung des Flansches
des Luftabscheiders und der Drehscheibe der Laufschaufel während des
Warmstartvorgangs werden zuerst erläutert.
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Wie
in 12 gezeigt, tritt die maximale Temperaturdifferenz
zwischen der Drehscheibe der Laufschaufel und dem Luftabscheider
unmittelbar nach Zünden
der Brennkammer auf, und liegt der maximale Temperaturdifferenzwert
im Bereich von etwa 40 bis 50°C.
Allerdings ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Flansch und
dem Scheibenausnehmungsabschnitt kleiner als der voranstehend genannte
Wert. Da die Befestigungsanordnung zwischen dem Flansch und dem
Scheibenausnehmungsabschnitt als Presspassung ausgebildet ist, werden
die Flanschaußenumfangsoberfläche und
die Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche entgegengesetzt zu dieser
in enge Berührung
miteinander versetzt, selbst zum Zeitpunkt eines Warmstartvorgangs.
Selbst wenn eine Temperaturabnahme am zylindrischen Abschnitt des
Luftabscheiders infolge des Zuführens
von Kühlluft
nach Beginn des Betriebs auftritt, wird daher der Flansch in enger
Berührung
mit dem Scheibenausnehmungsabschnitt gehalten, so dass eine Wärmeübertragung
von dem Scheibenausnehmungsabschnitt der Drehscheibe der Laufschaufel
bei einer verringerten Temperaturänderung des Flansches infolge
von Wärmeleitung
auftritt.
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Wie
in 12 gezeigt, ist daher die maximale Temperaturdifferenz
zwischen der Drehscheibe der Laufschaufel und dem Flansch kleiner
als jene zwischen der Drehscheibe der Laufschaufel und dem zylindrischen
Abschnitt des Luftabscheiders, und liegt die Temperaturdifferenz
zwischen diesen Teilen im Bereich von etwa 20 bis 25°C unmittelbar
nach Zünden
der Brennkammer.
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In
diesem Fall ändert
sich, da der Temperaturabfall der Drehscheibe der Laufschaufel klein
ist, die Innendurchmessergröße der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche kaum,
jedoch zieht sich die Außendurchmessergröße der Flanschaußenumfangsoberfläche infolge
der Wärmeeinwirkung
zusammen, infolge der Temperaturabsenkung des Flansches, so dass
eine Relativbewegung der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche und
der Flanschaußenumfangsoberfläche in einer
Richtung auftritt, in welcher zwischen diesen Teilen ein Spalt hervorgerufen
wird. Die Größe „a” eines
Spaltes zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt
wird durch folgende Gleichung (1) berechnet. a = Rα(T1 – T2) (1)wobei
R einen Radius bezeichnet, α einen
linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
des verwendeten Materials bezeichnet, und T1 und T2 die Temperatur
des Scheibenausnehmungsabschnitts bzw. des Flansches bezeichnet.
Der Wert „a”, der mit
der Gleichung (1) berechnet wird, gibt die Differenz in Bezug auf
das Ausmaß des
Zusammenziehens zwischen dem Scheibenausnehmungsabschnitt und dem
Flansch infolge einer Temperaturdifferenz zwischen diesen Teilen
an, nämlich
die Größe eines
Spalts, der zwischen der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche und
der Flanschaußenumfangsoberfläche auftritt.
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Andererseits
werden der Luftabscheider und die Drehscheibe der Laufschaufel zusammen
mit dem Rotor gedreht, und tritt eine Ausdehnung in jedem Drehkörper auf,
nämlich
dem Luftabscheider, der Drehscheibe der Laufschaufel, oder dem Rotor,
in deren Radialrichtung, infolge der Zentrifugalkraft wegen der
Drehung. Das Ausmaß (b)
der Ausdehnung eines Außenrandabschnitts
des Drehkörpers
in Richtung radial nach außen
infolge der Drehkraft des Drehkörpers
wird durch folgende Gleichung (2) berechnet: b = KRγω2/E (2)wobei
R einen Radius bezeichnet, γ das
spezifische Gewicht des verwendeten Materials bezeichnet, ω eine Turbinendrehzahl
angibt, E den Elastizitätsmodul
angibt und K ein Koeffizient ist.
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Ein
zylindrischer oder hohler Drehkörper
und ein massiver Drehkörper
unterscheiden sich in Bezug auf die Ausdehnung in Radialrichtung
infolge der Zentrifugalkraft, selbst wenn sie die gleiche Außendurchmessergröße aufweisen,
und der erstgenannte Körper
eine stärkere
Relativausdehnung als letztere aufweist. Bei der vorliegenden Erfindung
weist daher der Luftabscheider eine größere Ausdehnung auf als die
Drehscheibe der Laufschaufel. Wenn die Drehscheibe der Laufschaufel
und der Luftabscheider zusammen gedreht werden, tritt daher beim
Flanschabschnitt des Luftabscheiders eine größere Erweiterung in Radialrichtung
als bei der Drehscheibe der Laufschaufel auf. Wenn die Flanschaußenumfangsoberfläche in Berührung mit
der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche gelangt, so dass deren
Erweiterung in Richtung radial nach außen eingeschränkt wird,
wirkt eine Andruckkraft von der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche auf
die Flanschaußenumfangsoberfläche ein,
infolge einer Zentrifugalkraft zwischen der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche und
der Flanschaußenumfangsoberfläche, was
zum Auftreten eines positiven (+) Übermaßes führt. Wenn die Turbinendrehzahl
zunimmt, nimmt auch das Übermaß zu. Speziell
werden die Ausmaße
der jeweiligen Ausdehnung der Flanschaußenumfangsoberfläche und
der Scheibenausnehmungsinnenoberfläche durch die Gleichung (2)
berechnet. Eine Differenz zwischen den Ausmaßen der Ausdehnung in Abhängigkeit
von einem Formunterschied wird in ein Übermaß umgewandelt. Eine Beziehung
zwischen dem Übermaß, das zwischen
dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt infolge der Zentrifugalkraft
und der Turbinendrehzahl auftritt, ist in 6 gezeigt.
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Wie
voranstehend geschildert, tritt ein Spalt (negatives (–) Übermaß), berechnet
durch die Gleichung (1), zwischen der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche und
der Flanschaußenumfangsoberfläche auf,
infolge einer Differenz in Bezug auf das Schrumpfen bei Wärmeeinwirkung
zwischen dem Flanschabschnitt und der Drehscheibe der Laufschaufel.
Andererseits tritt, wie in 6 gezeigt,
ein positives (+) Übermaß infolge
der Zentrifugalkraft zwischen der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche und
der Flanschaußenumfangsoberfläche infolge
Gleichung (2) auf. Wenn daher das positive (+) Übermaß infolge der Zentrifugalkraft größer ist
als das negative (–) Übermaß infolge
des Schrumpfens bei Wärmeeinwirkung,
kann daher immer ein positives (+) Übermaß zwischen der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche und
der Flanschaußenumfangsoberfläche sichergestellt
werden.
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Wenn
der Flansch mit dem Scheibenausnehmungsabschnitt beim Zusammenbau
der Turbine zusammengebaut wird, kann ein weiter verlässliches Übermaß dadurch
sichergestellt werden, dass die Presspassung zum Zusammenpassen
und befestigen dieser Teile eingesetzt wird. Das Übermaß wird am
stärksten
unmittelbar nach dem Zünden
der Brennkammer für
den Warmstartvorgang verringert, was zu einem negativen (–) Übermaß führen kann.
Nimmt man ein derartiges negatives Übermaß an, kann ein Befestigungsübermaß, bei welchem
ein minimales positives (+) Übermaß erhalten
wird, vorher zum Zeitpunkt des Zusammenbaus festgelegt werden. Daher
wird die Presspassung zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt
im Betrieb unter Berücksichtigung
des Schrumpfens bei Wärmeeinwirkung
und der Zentrifugalkraft festgelegt. Die Presspassung zwischen dem
Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt beim Warmstartvorgang
im Verlauf der Zeit seit dem Beginn des Betriebs ist als ein Beispiel
in 7 dargestellt.
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Wie
voranstehend geschildert, kann durch Einsatz der Presspassung als
Befestigungsanordnung zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt,
und durch Einsatz einer derartigen Anordnung, dass ein positives
(+) minimales Übermaß zum Zeitpunkt
des Zusammenbaus der Turbine vorgesehen ist, die Berührungsoberfläche zwischen
der Flanschaußenumfangsoberfläche und
der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche ständig in einem engen Berührungszustand
gehalten werden, während
sämtlicher Schritte seit
dem Startzeitpunkt des Warmstartvorgangs bis zum stabilen Betrieb,
so dass negative Einflüsse
infolge eines schnellen Abfalls der Lufttemperatur an dem Flansch
unterdrückt
werden können.
Da der enge Berührungszustand
immer beibehalten werden kann, können
selbst dann, wenn eine Bolzenbefestigungskraft schwach wird, Schwingungen
infolge eines Lösens
des Luftabscheiders verhindert werden, und kann eine Verhinderung
von Rotorschwingungen erzielt werden.
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Als
nächstes
wird ein Dichtungseffekt zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt
erläutert,
der die Montageanordnung für
einen Luftabscheider bildet, wobei der Luftabscheider gemäß der Erfindung
mit einem herkömmlichen
Luftabscheider verglichen wird.
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Bei
dem herkömmlichen
Luftabscheider wird ein Druck der Berührungsoberfläche zwischen
der Flanschendoberfläche
und der Scheibenaußenoberfläche erhöht, infolge
einer Erhöhung
einer Befestigungskraft zwischen einem Bolzen und einer Mutter,
um eine Dichtungsoberfläche
auf der Scheibenaußenoberfläche auszubilden,
so dass das Auftreten von Luftlecks durch die gesamte Berührungsoberfläche verhindert
wird. Bei der Montageanordnung für
einen Luftabscheider gemäß der Ausführungsform
wird der Flansch in den Scheibenausnehmungsabschnitt eingeführt, und
darin mittels Presspassung befestigt, und wird die Außenumfangsoberfläche auf
die Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche entsprechend der Zentrifugalkraft
gedrückt,
während
ein positives (+) Übermaß ständig während dieser
Vorgänge
erzeugt wird. Daher wird eine Dichtungsoberfläche auf der Berührungsoberfläche ausgebildet,
so dass ein Luftleck verhindert wird.
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Dies
führt dazu,
dass das Auftreten eines Luftlecks verhindert wird, selbst wenn
die Bolzenbefestigungskraft schwach wird, und der Berührungsoberflächendruck
klein wird, infolge einer Differenz bezüglich des Schrumpfens bei Wärmeeinwirkung
während
eines Warmstartvorgangs zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt,
was zum Auftreten eines Luftlecks führen könnte, da eine Dichtungsoberfläche immer
auf der Berührungsoberfläche zwischen
der Flanschaußenumfangsoberfläche und
der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche orthogonal zueinander vorhanden
ist.
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Wenn
ein positives (+) Übermaß ständig auf
der Berührungsoberfläche zwischen
dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt aufrechterhalten
wird, wird das Übermaß weiter
entsprechend einer Erhöhung
der Drehzahl vergrößert, und
wird der Berührungsoberflächendruck
vergrößert, so
dass sich eine verlässliche
Dichtwirkung immer vom Zeitpunkt des Starts des Betriebs bis zum
Zeitpunkt des stabilen Betriebs erwarten lässt. Ein derartiger Dichtungseffekt
kann bei dem herkömmlichen
Luftabscheider nicht erwartet werden. Tabelle 1
| Gegenstand | Numerischer
Wert |
| Größe des Außendurchmessers
der Flanschaußenumfangsoberfläche | 1300
+ 0,05 mm |
| Größe des Innendurchmessers
der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche | 1300
mm – 0,05
mm |
| Minimale
Presspassung | 0,1
mm |
| Einführungs-
und Befestigungsvorgang | Abkühlungspassung |
| Dichte
des Materials | 7,6 |
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Ein
spezielles Beispiel für
die vorliegende Erfindung ist in Tabelle 1 angegeben; allerdings
ist die Montageanordnung nicht auf das Beispiel beschränkt.
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Als
Vorrichtung zum Einführung
und Befestigen des Flansches in dem Scheibenausnehmungsabschnitt
kann eine vorhandene Druckbefestigungseinheit oder eine Abkühlungspassung
eingesetzt werden. Wenn eine Befestigungsanordnung gewünscht wird,
bei welcher das minimale Übermaß groß ist, ist
eine Abkühlungspresspassung
vorteilhaft. Während
eine Abkühlungspassung
als die Vorrichtung zum Einführen
und Befestigen des Flansches in den Scheibenausnehmungsabschnitt
bei dem Beispiel verwendet wird, kann auch eine Druckeinpasseinheit
eingesetzt werden. Da eine vorhandene Druckbefestigungsvorrichtung
wie beispielsweise ein Hydraulikwerkzeug eingesetzt werden kann,
wird die Druckbefestigungseinheit weiter vereinfacht.
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Daher
kann eine Verbesserung der Dichtwirkung zwischen dem Flansch und
dem Scheibenausnehmungsabschnitt erreicht werden, infolge der Ausbildung
der Dichtungsoberfläche
auf der Berührungsoberfläche der
Flanschaußenumfangsoberfläche und
der Scheibenausnehmungsinnenumfangsoberfläche. Da der Flansch in den
Scheibenausnehmungsabschnitt durch eine Presspassung eingeführt und
dort befestigt wird, so dass ein positives (+) Übermaß immer sichergestellt werden
kann, ist selbst dann, wenn die Temperaturänderung während des Warmstartvorgangs
groß ist,
die Dichtungsoberfläche
immer auf der Berührungsoberfläche vorhanden,
so dass ein Luftleck verhindert werden kann, und auch das Auftreten
von Schwingungen des Luftabscheiders bei sämtlichen Schritten vom Zeitpunkt
des Beginns des Betriebs bis zum Zeitpunkt des stabilen Betriebs
verhindert werden kann.
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Selbst
wenn die Temperatur des Luftabscheiders schnell in einer Anfangsstufe
des Warmstartvorgangs abnimmt, werden diese beiden Teile, da die
Passung zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt
eine Presspassung ist, immer in enge Berührung miteinander versetzt,
so dass ein Auftreten von Luftlecks verlässlich bei dem Flansch verhindert
werden kann. Da kein Spalt zwischen der Flanschaußenumfangsoberfläche und
der Innenumfangsoberfläche
des Scheibenausnehmungsabschnitts hervorgerufen wird, werden keine
Schwingungen des Luftabscheiders hervorgerufen, und können auch
Schwingungen des Rotors verhindert werden.
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Da
der Schrumpfsitz mittels Abkühlen
als die Presspassung eingesetzt wird, kann darüber hinaus die vorliegende
Erfindung bei einer Presspassung mit einem großen minimalen Übermaß eingesetzt
werden, so dass das Ausmaß der
engen Berührung
zwischen dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt verbessert
wird, und die Dichtwirkung weiter verbessert wird.
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Weiterhin
wird ein Luftleck von dem Flansch des Luftabscheiders verhindert,
so dass die Sicherheit der Gasturbine verbessert wird, was einen
Betrieb über
lange Zeit ermöglicht.
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Gemäß dem Montageverfahren
der vorliegenden Erfindung wird, da der Flansch auf dem Scheibenausnehmungsabschnitt
durch die Presspassung angebracht wird, das Ausmaß der engen
Berührung
auf der Berührungsoberfläche vergrößert, und
kann ein Luftleck verhindert werden. Daher werden Schwingungen des Luftabscheiders
verhindert.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird, da die Schrumpfpassung durch Abkühlung als
die Presspassung eingesetzt wird, das Ausmaß der engen Berührung zwischen
dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt weiter vergrößert, so
dass ein besserer Dichtungseffekt erzielt werden kann.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung kann, da eine Dichtungsoberfläche ständig auf
der Berührungsoberfläche zwischen
dem Flansch und dem Scheibenausnehmungsabschnitt während sämtlicher Schritte
vom Zeitpunkt des Beginns des Betriebs des Warmstartvorgangs bis
zum stabilen Betrieb vorhanden ist, eine noch verlässlichere
Dichtungswirkung erwartet werden, und wird ein sicherer Betrieb
ermöglicht.
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Zwar
wurde die Erfindung in Bezug auf eine spezielle Ausführungsform
zum Zwecke einer vollständigen
und deutlichen Offenbarung beschrieben, jedoch sollen die beigefügten Patentansprüche nicht
hierdurch eingeschränkt
werden, sondern sollen so verstanden werden, dass sie sämtliche
Abänderungen
und alternativen Konstruktionen umfassen, die Fachleuten auf diesem
Gebiet einfallen, welche im Wesentlichen von der grundlegenden Lehre
umfasst werden, die hier geschildert wurde.