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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese vorliegende Anmeldung betrifft Turbinentriebwerke. Insbesondere, jedoch keineswegs im Sinne einer Einschränkung, betrifft die vorliegende Anmeldung die Umfangspositionierung von Schaufelblättern in Bezug auf die Positionierung von Kühlluftausstoßöffnungen und den Strömungsweg der Kühlluft durch den Heißgaswegabschnitt der Turbine des Turbinentriebwerks.
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Ein Gasturbinentriebwerk enthält typischerweise einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine enthalten Reihen mit Schaufelblättern oder Schaufeln, die axial in Stufen angeordnet sind. Jede Stufe enthält im Wesentlichen eine Reihe von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Statorschaufeln, welche stationär sind, und einen Satz von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Rotorschaufeln, die sich um eine zentrale Achse oder Welle drehen. Obwohl es weitere Arten von Brennkammern gibt, besitzen Gasturbinentriebwerke oft zylinderförmige Brennkammern, welche oft als „Rohrbrennkammern“ bezeichnet werden. Wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, enthält eine Rohrbrennkammeranordnung im Wesentlichen mehrere einzelne „Rohre“, die in Umfangsrichtung in Abstand um das stromabwärts liegende Ende des Verdichters herum angeordnet sind.
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Im Wesentlichen arbeitet ein Gasturbinentriebwerk wie folgt. Rotorschaufeln in dem Verdichter drehen sich um die Welle, um einen Luftstrom zu verdichten. Die Zufuhr verdichteter Luft wird aufgeteilt und den einzelnen Verbrennungsrohren zugeführt, in welchen die Zufuhr verdichteter Luft dazu genutzt wird, einen zugeführten Brennstoff zu verbrennen. Der aus der Verbrennung resultierende Strom heißer Gase verlässt die Brennrohre und wird in die Turbine geleitet, in welcher der unter Druck stehende Strom expandiert wird. Die Expansion über die Turbine veranlasst die Turbinenrotorschaufeln, sich um die Welle zu drehen. Auf diese Weise wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der sich drehenden Turbinenrotorschaufeln umgewandelt, welche dazu genutzt werden kann, die Rotorschaufeln des Verdichters zum Erzeugen von verdichteter Luft und die Spulen eines Generators zum Erzeugen von Elektrizität zu drehen. Während des Betriebs sind aufgrund der extremen Temperaturen, der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und bezüglich der Rotorschaufeln aufgrund der Drehgeschwindigkeit der sich drehenden Teile, die Schaufelblätter sowohl durch den Verdichter als auch die Turbine hoch beanspruchte Teile. Demzufolge ist im Wesentlichen die Verringerung der thermischen Belastung der Schaufelblätter in der Turbine eine Daueraufgabe.
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Zum Verringern der thermischen Belastung wird Kühlluft aus dem Verdichter entnommen und durch Kühlkanäle geführt, die in den Rotor- und Statorschaufeln ausgebildet sind. Nach dem Passieren der Kühlkanäle der Schaufelblätter wird die Kühlluft im Allgemeinen wieder in den Hauptstrom durch die Turbine entlassen. Die Kühlluft hat jedoch einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Turbinentriebwerks. Daher sollte der auf diese Weise zum Kühlen der Turbinenschaufelblätter verwendete Anteil an Kühlluft soweit wie möglich minimiert werden.
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In den meisten Industrie-Gasturbinen wird die Kühlluft zum Kühlen der Brennkammerrohre und der Übergangsstücke der Brennkammeranordnung genutzt. Typischerweise wird Luft aus dem Verdichter entnommen und durch die Spalte zwischen den einzelnen Rohren geführt. Nach dem Durchlauf zwischen den Verbrennungsrohren wird jeder nicht in dem Verbrennungsprozess genutzte Strom in den Hauptstrom zurück entlassen. Dieses findet üblicherweise an dem Anfang des Turbinenabschnittes des Turbinentriebwerks und unmittelbar stromaufwärts vor der Statorschaufelreihe in der ersten Stufe statt. Insbesondere tritt die Kühlluft des hinteren Rahmens des Übergangsstückes in den Hauptstrom an durch den Bereich zwischen zwei benachbarten Verbrennungsrohren definierten diskreten Umfangsstellen wieder in den Hauptstrom ein. Jedoch nutzt eine herkömmliche Gasturbinentriebwerkskonstruktion nicht vollständig die Fähigkeit dieser Luft, die Statorschaufeln in den vorderen Stufen der Turbine zu kühlen. Unter der Voraussetzung, dass es oft die Unfähigkeit derzeitiger Materialien ist, höheren Verbrennungstemperaturen zu widerstehen, die die Konstruktion effizienterer Gasturbinentriebwerke verhindert, wären neue Betriebsverfahren, Vorrichtungen und/oder Anordnungen, welche diese Art der von einem Verdichter gelieferten Kühlluft vollständiger nutzen, sehr erwünscht. Ferner würden neue Betriebsverfahren, Vorrichtungen und/oder Gasturbinentriebwerksanordnungen, die den Anteil der aus dem Verdichter abgezweigten Kühlluft zur Durchführung durch die Schaufelblätter und Rückentlassung in den Hauptstrom des Arbeitsfluids minimieren, den Turbinenwirkungsgrad steigern und wären somit ebenfalls erwünscht.
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JP 2001-289 003 A beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinentriebwerks und eine Anordnung in einem Turbinentriebwerk, wobei das Turbinentriebwerk einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine mit wenigstens einer ersten Reihe von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Statorschaufeln aufweist. Die Anordnung weist mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Einspritzöffnungen auf, die stromaufwärts vor der ersten Reihe von Statorschaufeln in der Turbine angeordnet sind, wobei die Einspritzöffnungen eine Öffnung aufweisen, durch welche Kühlluft in den Heißgasweg der Turbine eingespritzt wird. Die Vorderkanten zumindest einiger Statorschaufeln der ersten Reihe von Statorschaufeln sind im Wesentlichen mit den Mittelpunkten der Einspritzöffnungen in den hinteren Rahmen der Übergangsstücke im Wesentlichen fluchtend ausgerichtet.
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DE 23 26 466 A offenbart eine Turbine mit mehreren einander abwechselnden Reihen von Statorschaufeln und Rotorschaufeln, wobei die Vorderkanten der Statorschaufeln von aufeinanderfolgenden Reihen von Statorschaufeln in Umfangsrichtung zueinander ausgerichtet sind.
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Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinentriebwerks und eine Anordnung in einem Turbinentriebwerk zu schaffen, die eine effektive Nutzung von Kühlluft und effiziente Kühlung von Statorschaufeln vorderer Stufen einer Turbine zur Reduktion deren thermischer Belastung und Steigerung des Turbinenwirkungsgrads ermöglichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinentriebwerks, das die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, und eine Anordnung in einem Turbinentriebwerk mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 5 geschaffen. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei Betrachtung der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch sorgfältiges Studium der nachstehenden detaillierteren Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger verständlich und erkennbar, in welchen:
- 1 eine schematische Darstellung eines exemplarischen Turbinentriebwerks ist, in welchem Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden können;
- 2 eine Schnittansicht eines exemplarischen Verdichters ist, der in dem Gasturbinentriebwerk von 1 verwendet werden kann;
- 3 eine Schnittansicht einer exemplarischen Turbine ist, die in dem Gasturbinentriebwerk von 1 verwendet werden kann;
- 4 eine Schnittansicht einer exemplarischen Rohrbrennkammer ist, die in dem Gasturbinentriebwerk von 1 verwendet werden kann;
- 5 eine teilperspektivische Ansicht mehrerer Rohrbrennkammern ist, wie sie im Wesentlichen in einem Gasturbinentriebwerk positioniert sind, in welcher eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeiten kann;
- 6 eine schematische Darstellung des stromabwärts befindlichen Endes der Brennkammeranordnung und der ersten drei Schaufelblattreihen zeigt, die eine exemplarische Ausrichtungsbeziehung veranschaulichen, die als solche nicht der beanspruchten Ausrichtungsbeziehung entspricht;
- 7 eine schematische Darstellung des stromabwärts befindlichen Endes der Brennkammeranordnung und der ersten drei Schaufelblattreihen gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
- 8 eine schematische Darstellung von benachbarten Schaufelblattreihen zeigt, die eine exemplarische Ausrichtungsbeziehung veranschaulichen;
- 9 eine schematische Darstellung von benachbarten Schaufelblattreihen zeigt, die eine exemplarische Ausrichtungsbeziehung veranschaulichen;
- 10 eine schematische Darstellung von benachbarten Schaufelblattreihen zeigt, die eine exemplarische Ausrichtungsbeziehung veranschaulichen; und
- 11 eine schematische Darstellung von benachbarten Schaufelblattreihen zeigt, die eine exemplarische Ausrichtungsbeziehung veranschaulichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Von den Figuren stellt 1 eine schematische Darstellung eines Turbinentriebwerks 100, insbesondere Gasturbinentriebwerks, dar. Im Wesentlichen arbeiten Gasturbinentriebwerke durch Entziehen von Energie aus einem unter Druck stehendem Strom von heißem Gas, der durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft erzeugt wird. Gemäß Darstellung in 1 kann das Turbinentriebwerk 100 mit einem Verdichter 106, insbesondere Axialverdichter, der mechanisch durch eine gemeinsame Welle oder Rotor mit einem stromabwärts befindlichen Turbinenabschnitt oder einer Turbine 110 gekoppelt ist, und mit einem Verbrennungssystem bzw. einer Brennkammer 112, welche, wie dargestellt, eine Rohrbrennkammer ist, die zwischen dem Verdichter 106 und der Turbine 110 positioniert ist, konfiguriert sein. Man beachte, dass die nachfolgende Erfindung in allen Arten von Turbinentriebwerken einschließlich Gasturbinentriebwerken, Dampfturbinentriebwerken, Flugzeugtriebwerken und anderen genutzt werden kann. Hierin nachstehend wird die Erfindung in Bezug auf ein Gasturbinentriebwerk beschrieben. Diese Beschreibung ist nur exemplarisch und als in keiner Weise einschränkend gedacht.
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2 zeigt eine Ansicht eines exemplarischen mehrstufigen Verdichters 118 (Axialverdichters), der in einem Gasturbinentriebwerk eingesetzt werden kann. Gemäß Darstellung kann der Verdichter 118 mehrere Stufen enthalten. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 enthalten. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120, welche sich um eine zentrale Welle drehen, gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122, welche während des Betriebs stationär bleiben, enthalten. Die Verdichterstatorschaufeln 122 sind im Wesentlichen in Umfangsrichtung voneinander in Abstand angeordnet und um die Drehachse herum befestigt. Die Verdichterrotorschaufeln 120 sind in Umfangsrichtung um die Achse des Rotors in Abstand angeordnet und drehen sich während des Betriebs um die Welle. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, sind die Verdichterrotorschaufeln 120 so konfiguriert, dass, wenn sie sich um die Welle drehen, sie der durch den Verdichter 118 strömenden Luft oder dem Arbeitsfluid eine kinetische Energie verleihen. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann der Verdichter 118 viele weitere Stufen die Stufen hinaus enthalten, die in 2 dargestellt sind. Jede zusätzliche Stufe kann mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Verdichterrotorschaufeln 120 gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Verdichterstatorschaufeln 122 enthalten.
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3 zeigt eine Teilansicht eines exemplarischen Turbinenabschnittes oder einer Turbine 124, die in einem Gasturbinentriebwerk eingesetzt werden kann. Die Turbine 124 kann mehrere Stufen enthalten. Drei exemplarische Stufen sind dargestellt, aber mehr oder weniger Stufen können in der Turbine 124 vorhanden sein. Eine erste Stufe enthält mehrere Rotorschaufeln 126, welche sich um die Welle während des Betriebs drehen, und mehrere Leit- oder Statorschaufeln 128, welche während des Betriebs stationär bleiben. Die Statorschaufeln 128 sind im Wesentlichen in Umfangsrichtung voneinander in Abstand angeordnet und um die Drehungsachse herum befestigt. Die Rotorschaufeln 126 können auf einem (nicht dargestellten) Turbinenrad zur Drehung um die (nicht dargestellte) Welle montiert sein. Eine zweite Stufe der Turbine 124 ist ebenfalls dargestellt. Die zweite Stufe enthält in ähnlicher Weise mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Statorschaufeln 128, gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Rotorschaufeln 126, welche ebenfalls auf einem Turbinenrad zur Drehung montiert sind. Eine dritte Stufe ist ebenfalls dargestellt und enthält in ähnlicher Weise mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Statorschaufeln 128 und Rotorschaufeln 126. Man wird erkennen, dass die Statorschaufeln 128 und Rotorschaufeln 126 in dem Heißgasweg der Turbine 124 liegen. Die Strömungsrichtung der heißen Gase durch den Heißgasweg ist durch den Pfeil dargestellt. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann die Turbine 124 viele weitere Stufen über die in 3 dargestellten Stufen hinaus enthalten. Jede zusätzliche Stufe kann mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Statorschaufeln 128 gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Rotorschaufeln 126 enthalten.
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Man beachte, dass so wie hierin verwendet, ein Verweis ohne weitere Spezifizierung auf „Rotorschaufeln“ ein Verweis auf die sich drehenden Schaufeln entweder des Verdichters 118 oder der Turbine 124 ist, welche sowohl Verdichterrotorschaufeln 120 als auch Rotorschaufeln 126 umfassen. Ein Verweis ohne weitere Spezifizierung auf „Statorschaufeln“ ist ein Verweis auf die stationären Schaufeln entweder des Verdichters 118 oder der Turbinen 124, welche sowohl Verdichterstatorschaufeln 122 als auch Statorschaufeln 128 umfassen. Der Begriff „Schaufelblatt“ wird hierin zu Bezeichnung jedes Schaufeltyps verwendet. Somit beinhaltet ohne weitere Spezifizierung der Begriff „Schaufelblatt“ alle Arten von Turbinentriebwerksschaufeln, einschließlich Verdichterrotorschaufeln 120, Verdichterstatorschaufeln 122, Turbinenrotorschaufeln und Turbinenstatorschaufeln.
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4 stellt eine exemplarische Rohrbrennkammer 130 dar, die in einem Gasturbinentriebwerk eingesetzt werden kann, in welcher eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Wie ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann die Rohrbrennkammer 130 ein Kopfende 134 enthalten, welches im Wesentlichen verschiedene Verteiler, die die notwendige Luft und den Brennstoff an die Rohrbrennkammer liefern, und eine Endabdeckung 136 enthält. Mehrere Brennstoffdüsen 138 können an der Endabdeckung 136 befestigt sein. Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen wird, liefern in Gasturbinentriebwerken Brennstoffdüsen 138 ein Gemisch aus Brennstoff und Luft an die Rohrbrennkammer 130 zur Verbrennung. Der Brennstoff kann beispielsweise Erdgas sein und die Luft kann von einem (in 4 nicht dargestellten) axialen Verdichter, der Teil des Gasturbinentriebwerks ist, zugeführte verdichtete Luft sein. Die Brennstoffdüsen 138 können innerhalb eines vorderen Gehäuses 140 angeordnet sein, das an der Endabdeckung 136 befestigt ist und die Brennstoffdüsen 138 einschließt. Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, kann stromabwärts von den Brennstoffdüsen 138 ein hinteres Gehäuse 142 eine Strömungshülse 144 einschließen. Die Strömungshülse 144 kann wiederum einen Einsatz 146 einschließen. Ein Übergangsstück 148 führt die Strömung von einem kreisförmigen Querschnitt in einen ringförmigen Querschnitt bei seinem Verlauf stromabwärts zu dem (in 4 nicht dargestellten) Turbinenabschnitt des Gasturbinentriebwerks über. Eine Übergangsstückprallhülse 150 kann das Übergangsstück 148 unter Erzeugung eines Kanals zwischen der Übergangsstückprallhülse 150 und des Übergangsstücks 148 einschließen. An dem stromabwärts liegenden Ende des Übergangsstückes 148 kann ein hinterer Rahmen 152 des Übergangsstückes den Strom des Arbeitsfluids zu den Schaufelblättern führen, die in der ersten Stufe der Turbine 110 angeordnet sind.
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5 ist eine teilperspektivische Ansicht von verschiedenen Rohrbrennkammern 130, wie sie in einem Gasturbinentriebwerk positioniert sein können. Wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, können bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in dem in 5 dargestellten Verbrennungssystem verwendet werden. Gemäß Darstellung können verschiedene Rohrbrennkammern 130 in regelmäßigen Intervallen um den Umfang des Turbinentriebwerks herum in Abstand angeordnet sein. Die stromabwärts liegenden Enden der Rohrbrennkammern 130, d.h., die Übergangsstücke 148 und der hintere Rahmen 152 des Übergangsstückes geben im Wesentlichen den Strom des Arbeitsfluids an die Statorschaufel 128 der ersten Stufe in der Turbine 110 ab.
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Wie beschrieben, wird zum Verringern der thermischen Belastung der Rotorschaufeln 126 und Statorschaufeln 128 der Turbine 110 oft Kühlluft aus dem Verdichter 106 entnommen und durch (nicht dargestellte) Kühlkanäle, die in den Schaufelblättern ausgebildet sind, geleitet. Nach dem Passieren der Kühlkanäle der Schaufelblätter verlässt die Luft im Wesentlichen die Schaufelblätter durch Oberflächenöffnungen und tritt somit wieder in den Hauptstrom durch die Turbine 110 ein. Wie jedoch der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, hat die Kühlluft einen negativen Einfluss auf den Triebwerkswirkungsgrad. Daher sollte der zum Kühlen der Turbinenschaufelblätter in dieser Weise verwendete Anteil der Kühlluft soweit wie möglich minimiert werden.
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Die Kühlluft wird auch zum Kühlen der Rohrbrennkammern 130 genutzt. Typischerweise wird Luft aus dem Verdichter entnommen und durch den Raum zwischen den Rohrbrennkammern hindurchgeführt. Der Kühlluftstrom zwischen den Rohrbrennkammern 130 wird in 5 durch Pfeile 154 dargestellt. Nach dem Durchlauf zwischen den Rohrbrennkammern 130 wird die Kühlluft des hinteren Rahmens des Übergangsstücks in den Hauptstrom durch Einspritzöffnungen 156, die sich zwischen benachbarten hinteren Rahmen 152 der Übergangsstücke befinden wieder eingespritzt. Wenn die Kühlluft wieder in den Hauptstrom eingespritzt wird, ist die Temperaturdifferenz zwischen ihr und dem Hauptstrom im Allgemeinen signifikant. So wie hierin verwendet, soll die Einspritzöffnung 156 einen Ausgabepunkt der Kühlluft in den Strom des Arbeitsfluids beschreiben, der nahe der Verbindungsstelle der Brennkammer 112 und der Turbine 110, d.h., unmittelbar stromaufwärts vor der ersten Stufe in der Turbine 110 liegt. Wie in 5 dargestellt, können sich die Einspritzöffnungen 156 in dem Bereich zwischen benachbarten hinteren Rahmen 152 der Übergangsstücke befinden.
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Im Einsatz kann die Rohrbrennkammer 130 wie folgt arbeiten. Eine Zufuhr verdichteter Luft aus einem axialen Verdichter kann in die Rohrbrennkammer 130 durch kleine Perforationen oder Löcher in der Übergangstückprallhülse 150 eintreten. Die verdichtete Luft kann sich dann in dem zwischen der Übergangstückprallhülse 150 des Übergangstücks und der Übergangsstückanordnung 148 ausgebildeten Kanal in der Richtung des Kopfendes 134 bewegen. Die Zufuhr verdichteter Luft kann sich in dieser Richtung durch den zwischen dem Einsatz 146 und der Strömungshülse 144 ausgebildeten Kanal fortsetzen. Von dort aus kann die verdichtete Luft in das von dem vorderen Gehäuse 140 begrenzte Volumen strömen und durch einen Einlassströmungsaufbereiter in die Brennstoffdüsen 138 eintreten. Bei den Brennstoffdüsen 138 kann im Wesentlichen die Zufuhr verdichteter Luft mit einer Brennstoffzufuhr vermischt werden, welche durch einen Brennstoffverteiler geliefert wird, der die Brennstoffdüsen 138 durch die Endabdeckung 136 hindurch verbindet. Die Zufuhr von verdichteter Luft und Brennstoff wird beim Austritt aus den Brennstoffdüsen 138 verbrannt, was einen Strom von sich rasch bewegenden heißen Gasen erzeugt, der stromabwärts durch das Übergangsstück 148 hindurch gerichtet ist, wo er in die Turbine 110 eintritt, in welchem die Energie des Stroms im Wesentlichen in die mechanische Energie sich drehender Turbinenschaufelblätter umgewandelt wird. Man beachte, dass die vorstehende Beschreibung der Rohrbrennkammer 130 lediglich exemplarisch gemeint ist. Die vorliegende Erfindung kann auch mit anderen Arten von Rohrbrennkammern oder ähnlichen Brennkammeranordnungen verwendet werden.
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Ein Gasturbinentriebwerk der vorstehend im Wesentlichen beschriebenen Art kann wie folgt arbeiten. Die Drehung der Verdichterrotorschaufeln 120 in dem axialen Verdichter 118 kann einen Luftstrom verdichten. In der Brennkammer 112 kann Energie freigesetzt werden, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Der resultierende Strom heißer Gase aus der Brennkammer 112 kann dann über die Rotorschaufeln 126 geleitet werden, welche die Drehung der Rotorschaufeln 126 um die Welle bewirken, und somit die Energie des heißen Stroms der Gase in die mechanische Energie der sich drehenden Welle umwandeln. Die mechanische Energie der Welle kann dann dazu genutzt werden, die Drehung der Verdichterrotorschaufeln 120 so zu bewirken, dass die notwendige Zufuhr verdichteter Luft erzeugt wird, und beispielsweise auch einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität anzutreiben.
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6 und 7 sind schematische Darstellungen des stromabwärts befindlichen Endes der Brennkammer und der ersten drei Schaufelblattreihen. 6 und 7 veranschaulichen auch ein Kühlluftstrommuster durch eine Auslegungskonfiguration, wobei die Auslegungskonfiguration gemäß 7 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. Gemäß Darstellung sind Einspritzöffnungen 156 zwischen benachbarten hinteren Rahmen 152 des Übergangsstückes definiert. Ein Pfeil 160 zeigt die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids. Eine erste Statorschaufelreihe 161 ist dargestellt. Wie bereits beschrieben, sind die Statorschaufeln fest und drehen sich während des Betriebs nicht. Somit verändert sich die Umfangsrichtungsbeziehung zwischen den Statorschaufeln 128 und den Einspritzöffnungen 156 (welche ebenfalls stationär sind) während des Betriebs nicht. Der ersten Statorschaufelreihe 161 folgt eine erste Reihe von Turbinenrotorschaufeln 162. Der Strom des Arbeitsfluids bewirkt eine Drehung der Rotorschaufeln 162, deren Richtung durch einen Pfeil 164 dargestellt ist. Der ersten Rotorschaufelreihe 162 folgt eine zweite Statorschaufelreihe 163, welche natürlich ebenfalls stationär ist und sich während des Betriebs nicht dreht.
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Vor einer weiteren Beschreibung der Komponenten in den 6 und 7 werden die sog. Clocking- bzw. Ausrichtungskonfigurationen der 8 bis 11 eingeführt und erläutert. Dieses ermöglicht die als Teil der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Ausrichtungskonfigurationen deutlich und spezifisch zu schildern. Man beachte, dass die Ausrichtungskonfigurationen der 8 bis 11 Ausrichtungskonfigurationen zwischen Schaufelblättern von benachbarten oder in der Nähe liegenden Schaufelblattreihen betreffen. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, können dieselben Prinzipien, die zur Beschreibung von Ausrichtungskonfigurationen zwischen Schaufelblattreihen verwendet werden, beispielsweise auch zur Beschreibung von Ausrichtungskonfigurationen einer Reihe von Statorschaufeln 128 und den Einspritzöffnungen 156 verwendet werden.
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Oft können sowohl in Verdichtern 106 von Gasturbinentriebwerken als auch in Turbinen 110 in der Nähe liegende oder benachbarte Schaufelblattreihen im Wesentlichen dieselbe Konfiguration, d.h., dieselbe Anzahl von ähnlich großen Schaufelblättern, die in ähnlicher Weise in Abstand um den Umfang der Reihe angeordnet sind, haben. Wenn dieses der Fall ist und wenn zusätzlich zwei oder mehr Reihen so arbeiten, dass keine Relativbewegung dazwischen vorliegt (wie es beispielsweise der Fall zwischen zwei oder mehr Rotorschaufelreihen oder zwei oder mehr Statorschaufelreihen wäre), können die Schaufelblätter in diesen Reihen „clocked“ bzw. „zueinander ausgerichtet“ werden. So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „zueinander ausgerichtet“ oder „zueinander ausrichten“ auf eine feste Umfangspositionierung von Schaufelblättern in einer Reihe in Bezug auf die Umfangspositionierung von Schaufelblättern von in der Nähe liegenden Reihen. Wie in dem vorstehenden Kapitel dargestellt, kann zueinander ausrichten auch dazu genutzt werden, um die feste Umfangspositionierung von stationären Schaufelblättern und weiteren stationären Komponenten zu beschreiben.
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8 bis 11 zeigen vereinfachte schematische Darstellungen einer exemplarischen Ausrichtungskonfiguration von Schaufelblättern. Diese Figuren enthalten drei nebeneinander dargestellte Schaufelblattreihen 181. Die zwei äußeren Reihen der Schaufelblätter 180 in den 8 bis 11 können jeweils eine Rotorschaufelreihe darstellen und die Reihe in der Mitte kann eine Statorschaufelreihe darstellen oder, wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, können die zwei äußeren Reihen eine Statorschaufelreihe und die Reihe in der Mitte eine Rotorschaufelreihe darstellen. Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, haben die zwei äußeren Reihen unabhängig davon, ob sie Statorschaufel- oder Rotorschaufelreihen sind, im Wesentlichen keine Relativbewegung zwischen sich (d.h., beide bleiben stationär oder beide drehen sich während des Betriebs mit derselben Geschwindigkeit), während beide von den äußeren Reihen im Wesentlichen dieselbe Relativbewegung in Bezug auf die mittlere Reihe haben (d.h., beide äußeren Reihen drehen sich, während die mittlere Reihe stationär bleibt, oder beide äußeren Reihen bleiben stationär, während sich die mittlere Reihe dreht). Ferner müssen, damit, wie bereits beschrieben, die Ausrichtung zueinander zwischen den zwei äußeren Reihen am effektivsten ist, diese jeweils ähnlich konfiguriert sein. Somit kann angenommen werden, dass die zwei äußeren Reihen der 8 bis 11 im Wesentlichen dieselbe Anzahl von Schaufelblättern haben, und angenommen werden, dass die Schaufelblätter eine ähnliche Größe haben und um den Umfang jeder Reihe herum in Abstand angeordnet sind.
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Bezüglich der Beispiele in den 8 bis 11 wird die erste äußere Schaufelblattreihe als eine erste Schaufelblattreihe 184 bezeichnet, die mittlere Schaufelblattreihe wird als eine zweite Schaufelblattreihe 186 bezeichnet, die andere äußere Schaufelblattreihe als dritte Schaufelblattreihe 188 bezeichnet. Die Relativbewegung der ersten Schaufelblattreihe 184 und der dritten Schaufelblattreihe 188 wird durch Pfeile 190 dargestellt. Die Strömungsrichtung, welche die Richtung der Strömung entweder durch den Verdichter 118 oder die Turbine 124, je nachdem was der Fall ist, wird durch Pfeile 192 angezeigt. Man beachte, dass die in den 8 bis 11 verwendeten exemplarischen Schaufelblattreihen mit den Begriffen „erste“, „zweite“ und „dritte“ beschrieben werden. Diese Beschreibung trifft nur auf die relative Positionierung der dargestellten Reihen in Bezug auf die anderen Reihen in jeder der Figuren zu und zeigt keine Gesamtpositionierung in Bezug auf andere Schaufelblattreihen in dem Turbinentriebwerk an. Beispielsweise könnten weitere Schaufelblattreihen stromaufwärts vor der „ersten Schaufelblattreihe 184“ angeordnet sein (d.h., die erste Schaufelblattreihe 184 ist nicht notwendigerweise die erste Schaufelblattreihe in dem Turbinentriebwerk).
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Der „Teilungsabstand“ einer Schaufelblattreihe wird hierin verwendet, um sich auf den Messwert des sich um den Umfang wiederholenden Musters einer speziellen Reihe zu beziehen. Somit kann der Teilungsabstand als der Umfangsabstand beispielsweise zwischen der Vorderkante eines Schaufelblattes in einer speziellen Reihe und der Vorderkante von jedem der benachbarten Schaufelblätter in derselben Reihe beschrieben werden. Der Teilungsabstand kann beispielsweise auch den Umfangsabstand zwischen der Hinterkante eines Schaufelblattes in einer speziellen Reihe und der Hinterkante von jedem der benachbarten Schaufelblätter in derselben Reihe beschreiben. Man wird erkennen, dass für eine effektivere Ausrichtung zueinander die zwei Reihen im Wesentlichen ähnliche Teilungsabstandsmesswerte haben. Die erste Schaufelblattreihe 184 und die dritte Schaufelblattreihe 188 haben, wie dargestellt, im Wesentlichen denselben Teilungsabstand, welcher in der dritten Schaufelblattreihe 188 in 8 als ein Teilungsabstand 194 dargestellt ist. Man beachte auch, dass die Beispiele der Ausrichtung zueinander von 8 bis 11 so vorgesehen sind, dass ein konsistentes Beschreibungsverfahren verschiedener Ausrichtungsbeziehungen zwischen in der Nähe liegenden oder benachbarten Schaufelblattreihen oder zwischen festen Schaufelblättern und weiteren festen Komponenten geschildert und verstanden werden kann. Im Allgemeinen wird, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, die Ausrichtungsbeziehung zueinander zwischen zwei Reihen als der Prozentsatz des Teilungsabstandsmesswertes angegeben. D.h., es ist der Prozentsatz des Teilungsabstandsmesswertes, der den Abstand anzeigt, um welchen die Schaufelblätter auf den zwei Reihen zueinander ausgerichtet oder versetzt sind. Somit kann der Prozentsatz des Teilungsabstandsmesswertes den Umfangsabstand beschreiben, um welchen beispielsweise die Vorderkante eines Schaufelblattes in einer speziellen Reihe und die Vorderkante eines entsprechenden Schaufelblattes in einer zweiten Reihe zueinander versetzt sind.
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8 bis 11 stellen verschiedene Beispiele unterschiedlicher Ausrichtungsbeziehungen zueinander zwischen den zwei äußeren Reihen, d.h., der ersten Schaufelblattreihe 184 und der dritten Schaufelblattreihe 188 bereit. In 8 ist, wie man erkennt, die dritte Schaufelblattreihe 188 um angenähert 0 % des Teilungsabstands in Bezug auf die ersten Schaufelblattreihe 184 versetzt. Somit eilt, wie dargestellt, die Umfangsposition eines Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 dem entsprechenden Schaufelblatt 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 um einen Versatz von angenähert 0 % des Teilungsabstandsmesswertes nach, was natürlich bedeutet, dass das Schaufelblatt 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 im Wesentlichen dieselbe Umfangsposition wie das entsprechende Schaufelblatt 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 beibehält. Somit eilt eine Vorderkante eines Schaufelblattes 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 (wovon eine mit dem Bezugszeichen 198 bezeichnet ist), der Vorderkante des entsprechenden Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 (welche mit dem Bezugszeichen 199 bezeichnet ist) um eine Umfangsdistanz von angenähert 0 % des Teilungsabstandsmesswertes voraus, was bedeutet, dass die Vorderkanten der entsprechenden Schaufelblätter im Wesentlichen dieselbe Umfangsposition einnehmen.
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In 9 ist, wie man erkennen wird, die dritte Schaufelblattreihe 188 um angenähert 25 % des Teilungsabstands in Bezug auf die ersten Schaufelblattreihe 184 versetzt. Somit eilt, wie dargestellt, die Umfangsposition eines Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 (bei vorgegebener Richtung der Relativbewegung der äußeren Reihen) dem entsprechenden Schaufelblatt 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 um einen Versatz von angenähert 25 % des Teilungsabstandsmesswertes nach. Somit eilt eine Vorderkante eines Schaufelblattes 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 (wovon eine mit dem Bezugszeichen 204 bezeichnet ist) der Vorderkante des entsprechenden Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 (welche mit dem Bezugszeichen 206 bezeichnet ist) um einen Umfangsabstand von angenähert 25 % des Teilungsabstandsmesswertes vor.
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In 10 ist, wie man erkennen wird, die dritte Schaufelblattreihe 188 um angenähert 50 % des Teilungsabstands in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 184 versetzt. Somit eilt, wie dargestellt, die Umfangsposition eines Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 (bei vorgegebener Richtung der Relativbewegung der äußeren Reihen) dem entsprechenden Schaufelblatt 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 um einen Versatz von angenähert 50 % des Teilungsabstandsmesswertes nach. Somit eilt eine Vorderkante eines Schaufelblattes 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 (wovon eine mit dem Bezugszeichen 208 bezeichnet ist) der Vorderkante des entsprechenden Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 (welche mit dem Bezugszeichen 210 bezeichnet ist) um einen Umfangsabstand von angenähert 50 % des Teilungsabstandsmesswertes vor.
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In 11 ist, wie man erkennen wird, die dritte Schaufelblattreihe 188 um angenähert 75 % des Teilungsabstands in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 184 versetzt. Somit eilt, wie dargestellt, die Umfangsposition eines Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 (bei vorgegebener Richtung der Relativbewegung der äußeren Reihen) dem entsprechenden Schaufelblatt 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 um einen Versatz von angenähert 75 % des Teilungsabstandsmesswertes nach. Somit eilt eine Vorderkante eines Schaufelblattes 180 in der ersten Schaufelblattreihe 184 (wovon eine mit dem Bezugszeichen 212 bezeichnet ist) der Vorderkante des entsprechenden Schaufelblattes 180 in der dritten Schaufelblattreihe 188 (welche mit dem Bezugszeichen 214 bezeichnet ist) um einen Umfangsabstand von angenähert 75 % des Teilungsabstandsmesswertes vor. Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, sind diese Ausrichtungsbeziehungen zueinander exemplarisch und sollen nur ein Verfahren für die Beschreibung der Ausrichtungsbeziehungen zwischen einigen in der Nähe liegenden oder benachbarten Schaufelblattreihen oder festen Schaufelblattreihen und diese umgebenden stationären Komponenten verdeutlichen. Somit wird der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass weitere Verfahren zum Beschreiben von Ausrichtungsbeziehungen zueinander verwendet werden können. Das hierin beschriebene exemplarische Verfahren ist in keiner Weise als einschränkend gedacht. Stattdessen ist es die relative Positionierung zwischen in der Nähe liegenden Komponenten und Schaufelblättern, d.h., die Ausrichtungsbeziehung zueinander, wie nachstehend und in den Ansprüchen geschildert, das, was signifikant ist und nicht das Verfahren, mittels welchem die Ausrichtungsbeziehung zueinander beschrieben wird.
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Durch analytische Modellierung und experimentelle Daten hat es sich herausgestellt, dass bestimmte Ausrichtungskonfigurationen bestimmte betriebliche Vorteile für die Statorschaufeln 128 bieten. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass die von einigen der Statorschaufeln 128 während des Betriebs erfahrenen thermischen Belastungen signifikant durch die Ausrichtungsbeziehungen, die diese Schaufeln zu der Lage eines Kühlluftstroms, beispielsweise des Stroms der Kühlluft durch die Einspritzöffnungen 156 haben, beeinflusst werden können. Wie nachstehend detaillierter beschrieben, können bestimmte Ausrichtungsbeziehungen, die von einigen der Turbinenstatorschaufeln in den Anfangsstufen der Turbine erfahrenen thermischen Belastungen verringern.
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In den 6 und 7 sind, wie bereits im Wesentlichen beschrieben, das stromabwärts liegende Ende der Brennkammer und die ersten drei Schaufelblattreihen dargestellt. Einspritzöffnungen 156 sind zwischen benachbarten hinteren Rahmen 152 der Übergangsstücke definiert, wobei Pfeile 160 die allgemeine Richtung der Strömung des durch den hinteren Rahmen 152 aus dem Übergangsstück strömenden Arbeitsfluids darstellen. Eine erste Statorschaufelreihe 161 ist dargestellt. Die Statorschaufeln sind feststehend, und somit ist die Umfangsbeziehung zwischen den Statorschaufeln und den Einspritzöffnungen 156 feststehend und ändert sich während des Betriebs nicht. Der ersten Statorschaufelreihe 161 folgt eine erste Reihe von Rotorschaufelreihe 162. Der Strom des Arbeitsfluids bewirkt die Drehung der ersten Rotorschaufelreihe 162, deren Richtung durch einen Pfeil 164 angezeigt wird. Der ersten Rotorschaufelreihe 162 folgt eine zweite Statorschaufelreihe 163, welche natürlich ebenfalls feststehend ist und sich während des Betriebs nicht dreht.
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Es hat sich herausgestellt, dass sich der Kühlluftstrom aus den Einspritzöffnungen 156 nicht sofort mit dem Hauptstrom mit der höheren Temperatur vermischt. Tatsächlich wurde durch analytische Modellierung und experimentelle Daten herausgefunden, dass der Kühlluftstrom im Wesentlichen intakt bleibt, d.h., eine signifikante Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlluftstrom und dem Hauptstrom durch die ersten mehreren Stufen der Turbine 124 vorliegt. In den 6 und 7 ist der Kühlluftstrom durch verschiedene schattierte Bereiche dargestellt, die in den Einspritzöffnungen 156 entspringen. Diese schattierten Bereiche werden als „Kühlstrahlen 220“ bezeichnet, wobei diese Beschreibung jedoch nicht im einschränkenden Sinne gemeint ist. Gemäß Darstellung strömt jeder von den Kühlstrahlen 220 in einer im Wesentlichen stromabwärts verlaufenden Richtung, bis er auf die erste Statorschaufelreihe 161 auftrifft. Die Statorschaufeln 128 lenken die Kühlstrahlen 220 in eine Aufwärtsrichtung in der in 6 und 7 vorgegebenen Ausrichtung ab. Diese „Aufwärts“-Richtung kann genauer als die Richtung um den Umfang der Turbine beschrieben werden, die dieselbe Richtung wie die Drehung der ersten Rotorschaufelreihe 162 während des Betriebs (gemäß Darstellung durch den Pfeil 164) ist. Die Kühlstrahlen 220 können dann auf die sich drehenden Schaufeln der ersten Rotorschaufelreihe 162 auftreffen. Die Aufwärtsablenkung kann sich im Wesentlichen verflachen, während sich so die Kühlstrahlen 220 durch die Rotorschaufeln bewegen, dass die Kühlstrahlen 220 in einer im Wesentlichen axialen Richtung (d.h., in derselben Richtung wie der Pfeil 160) strömen. Die Kühlstrahlen 220 können dann auf die zweite Statorschaufelreihe 163 auftreffen, wo die Kühlstrahlen 220 wiederum „aufwärts“ abgelenkt werden. Dieses allgemeine Strömungsmuster kann sich durch die verschiedenen ersten Schaufelblattreihen fortsetzen, bis die Kühlstrahlen 220 im Wesentlichen mit der Hauptströmung des Arbeitsfluids so vermischt sind, dass keine signifikanten Temperaturdifferenzen mehr über dem Strom hinweg zu sehen sind.
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Es hat sich herausgestellt, dass bestimmte Ausrichtungskonfigurationen der Statorschaufeln in den wenigen ersten Stufen in Bezug auf die Einspritzöffnungen 156 (oder andere derartige ähnliche Kühllufteinspritzkomponenten) die Kühlstrahlen 220 besser nutzen, sodass das Turbinentriebwerk effizienter betrieben werden kann. Beispielsweise können, wenn die erste Statorschaufelreihe 161 in Umfangsrichtung so positioniert oder ausgerichtet ist, das eine oder mehrere von den Statorschaufeln in dieser Reihe in einer Linie zu einer der Einspritzöffnungen 156 liegen, die Kühlstrahlen 220 aus der Einspritzöffnung 156 zum Kühlen der Statorschaufel verwendet werden. Dieses Kühlen der Statorschaufeln kann die Realisierung von einem oder mehreren der nachstehenden betrieblichen Wirkungsgrade ermöglichen. Erstens kann die Teilelebensdauer der Statorschaufeln verlängert werden, da sie nicht den hohen Temperaturen unterliegen, denen sie ohne den Kühlstrahl 220 unterliegen. Zweitens kann weniger Kühlluft für die Zirkulation durch die Statorschaufel für deren Betriebskühlung erforderlich sein. Wie beschrieben, wird die Kühlluft, die für die Zirkulation durch die Statorschaufel benötigt wird, aus dem Verdichter abgezweigt und in den Hauptstrom nach dem Passieren der Statorschaufel entlassen. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, verringert das Entlassen von Abzweigverdichterluft in den Hauptstrom den Wirkungsgrad des Turbinentriebwerks. Drittens können die Statorschaufeln, die durch die Kühlstrahlen 220 gekühlt werden, aus weniger teuren Materialien hergestellt werden, da die Betriebstemperaturen wesentlich verringert werden. Viertens können Turbinentriebwerke mit höherer Brenntemperatur ohne neue Materialfortschritte konstruiert werden, da die Kühlstrahlen 220 höhere Temperaturen verhindern. Natürlich führen höhere Turbinenbrenntemperaturen im Wesentlichen zu einem größeren Triebwerkswirkungsgrad. Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, können weitere betriebliche Vorteile durch die Ausrichtungskonfigurationen realisiert werden, die den Strom der Kühlstrahlen 220 besser nutzen.
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6 und 7 zeigen, wie nachstehend detaillierter beschrieben, schematische Darstellungen einer Ausrichtungskonfiguration, wobei die Auslegungskonfiguration gemäß 7 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. Wie beschrieben, enthalten 6 und 7 drei Reihen von nebeneinanderliegend dargestellten Schaufelblättern: die erste Statorschaufelreihe 161, die zweite Rotorschaufelreihe 162 und die zweite Statorschaufelreihe 163. Ferner sind die erste Statorschaufelreihe 161 und die zweite Statorschaufelreihe 163 feststehend und haben im Wesentlichen keine Relativbewegung zueinander und gegenüber der Einspritzöffnung 156, welche ebenfalls während des Betriebs feststehend ist. Somit kann eine Ausrichtungsbeziehung zwischen diesen Komponenten hergestellt werden. Um diese Ausrichtungsbeziehungen besser zu definieren, sollten zwei zusätzliche Bezugspunkte angegeben werden. Erstens, eine Vorderkante 222 ist die stromaufwärts liegende Kante der Schaufelblätter. Zweitens ein Einspritzöffnungsmittelpunkt 224 ist der Mittelpunkt der Einspritzöffnung 156.
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In 6, die als solche nicht die beanspruchte Auslegungskonfiguration zeigt, kann die Vorderkante 222 von einer der Statorschaufeln 128 in der ersten Statorschaufelreihe 161 so ausgerichtet sein, dass sie angenähert an derselben Umfangsposition wie der Einspritzöffnungsmittelpunkt 224 positioniert ist. Durch die Positionierung in dieser Lage, wie es allgemein in 6 dargestellt ist, kann der Kühlluftstrom aus der Einspritzöffnung 156 über die Statorschaufel 128 strömen und es, wie es vorstehend detaillierter beschrieben ist, kühlen. Eine analytische Modellierung und experimentelle Daten haben bestätigt, dass eine Statorschaufel 128 in dieser Position eine erhebliche Verringerung der thermischen Belastung während des Betriebs erfährt. Zusätzlich wurde ermittelt, dass die genaue Positionierung der Statorschaufel 128 zur Erzielung signifikanter Verringerungen der thermischen Belastungen nicht kritisch ist. Insbesondere können signifikante Verringerungen der thermischen Belastungen erzielt werden, wenn die Vorderkante 222 der Statorschaufel 128 innerhalb ± 15 % des Teilungsabstands von der Umfangsstelle des Einspritzöffnungsmittelpunktes 224 positioniert ist.
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Man wird erkennen, dass die Einspritzöffnungen 156 zwei Seiten besitzen, die die Umfangsbegrenzungen der Öffnung dort definieren, wo die Kühlluft austritt. In 6 und 7 sind eine erste Seite 226 und auch eine zweite Seite 228 bezeichnet. Unter Nutzung der Drehrichtung der Rotorschaufeln 126 der ersten Rotorschaufelreihe 162 (d.h., der Richtung des Pfeils 164) zum Unterscheiden der relativen Umfangsstellen der ersten Seite 226 und der zweiten Seite 228 kann die erste Seite 226 als „stromaufwärts“ von der zweiten Seite 228 oder als vordere Seite oder Umfangsbegrenzung der Öffnung beschrieben werden. Wie in 7 dargestellt, kann gemäß der Erfindung die Vorderkante 222 von einer der Statorschaufeln 128 der ersten Statorschaufelreihe 161 so ausgerichtet sein, dass sie angenähert in derselben Umfangsposition wie die erste Seite 226 (d.h., die stromaufwärts liegende Seite) der Einspritzöffnung 156 liegt. Durch die Positionierung an dieser Stelle, wie es allgemein in 7 dargestellt ist, trifft im Wesentlichen der gesamte Kühlstrahl 220 aus der Einspritzöffnung 156 auf der Druckseite 230 der Statorschaufel 128 auf und der Kühlstrahl 220 wird im Wesentlichen nicht durch die Vorderkante 222 der Statorschaufel 128 geteilt. Dass der Kühlstrahl 220 auf diese Weise insgesamt intakt bleibt (d.h., nicht geteilt wird), ermöglicht, dass der Kühlluftstrom stromabwärts einen stärkeren Kühleinfluss aufweist. Ferner wurde ermittelt, dass die genaue Positionierung der Statorschaufel 128 in einer derartigen Ausführungsform nicht übermäßig kritisch für die Erzielung nützlicher Ergebnisse ist. Somit kann die Vorderkante 222 der Statorschaufel 128 innerhalb ± 15 % des Teilungsabstands von der Umfangsstelle der ersten Seite 226 der Einspritzöffnung 156 positioniert sein.
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In einigen Ausführungsformen kann eine Ausrichtungsbeziehung zwischen den Einspritzöffnungen 156, der ersten Statorschaufelreihe 161 und der zweiten Statorschaufelreihe 163 so festgelegt sein, dass zusätzliche betriebliche Vorteile einschließlich der Kühlung zusätzlicher Reihen von Statorschaufeln erzielt werden. Gemäß Darstellung in 6 werden die Kühlstrahlen 220 durch die erste Statorschaufelreihe 161 abgelenkt und bleiben weitere bis zu der zweiten Statorschaufelreihe 163 relativ intakt. Somit können, wenn die zweite Statorschaufelreihe 163 so konfiguriert ist, dass eine Statorschaufel 128 auf die Strömung des Kühlstrahls 220 trifft, die Statorschaufel 128 ausreichend ohne die Notwendigkeit einer Zirkulation von Kühlluft durch die Innenkühlhohlräume der Schaufel oder so, dass nur ein verringerter Kühlluftstrom durch die Innenkühlhohlräume erforderlich ist, gekühlt werden. Im Wesentlichen hat es sich herausgestellt, dass die Ausrichtungskonfiguration zwischen der ersten Statorschaufelreihe 161 der in 6 dargestellten zweiten Statorschaufelreihe 163 im Wesentlichen eine Statorschaufel 128 in einer Position platziert, dass sie der Kühlstrahl 220 trifft. Wie man erkennt, ist die zweite Statorschaufelreihe 163 um angenähert 0 % des Teilungsabstands in Bezug auf die erste Statorschaufelreihe 161 versetzt. Somit eilt, wie dargestellt, die Umfangsposition einer Statorschaufel 128 in der zweiten Statorschaufelreihe 163 der entsprechenden Statorschaufel 128 in der ersten Statorschaufelreihe 161 um einen Versatz von angenähert 0 % des Teilungsabstandsmesswertes nach, was natürlich bedeutet, dass die Statorschaufel in der zweiten Statorschaufelreihe 163 im Wesentlichen dieselbe Umfangsposition wie die entsprechende Statorschaufel 128 in der ersten Statorschaufelreihe 161 einhält. Somit eilt eine Vorderkante einer Statorschaufel 128 in der ersten Statorschaufelreihe 161 der Vorderkante der entsprechenden Statorschaufel 128 in der zweiten Statorschaufelreihe 163 um einen Umfangsabstand von angenähert 0 % des Teilungsabstandsmesswertes voraus, was bedeutet, dass die Vorderkanten der entsprechenden Schaufelblätter im Wesentlichen dieselbe Umfangsposition einnehmen. Zusätzlich wurde ermittelt, dass die genaue Positionierung der Statorschaufel 128 in der zweiten Statorschaufelreihe 163 für die Erzielung signifikanter Verringerungen in der thermischen Belastung nicht kritisch ist. Insbesondere können signifikante Verringerungen in der thermischen Belastung (erkennbar in der Nähe des maximalen thermischen Belastungsverringerungspegels) dort erzielt werden, wo die Vorderkante 222 der Statorschaufel 128 innerhalb von ± 15 % des Teilungsabstands des 0%-Teilungsabstandswertes positioniert ist. D.h., signifikante Verringerungen in der thermischen Belastung können dort erzielt werden, wo die erste Statorschaufelreihe 161 und die zweite Statorschaufelreihe 163 eine Ausrichtungsbeziehung zwischen +15 % des Teilungsabstands und -15 % des Teilungsabstands einhält. Wie ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, können anschließende Statorschaufelreihen stromabwärts von der zweiten Statorschaufelreihe 163 in Bezug auf die erste Statorschaufelreihe 161 und die zweite Statorschaufelreihe 163 in einer ähnlichen Weise ausgerichtet sein.
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Gemäß Darstellung in 6 und 7 könnte eine gleiche Anzahl von Einspritzöffnungen 156 und Statorschaufeln 128 in der ersten Statorschaufelreihe 161 oder der zweiten Statorschaufelreihe 163 vorliegen. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen, gemäß Darstellung die Statorschaufeln 128 die Einspritzöffnungen 156 in einem 2-1 Verhältnis, d.h., mit zwei Statorschaufeln 128 auf jeweils eine Einspritzöffnung 156 übertreffen. Derselbe Unterschied kann in der zweiten Statorschaufelreihe 163 beibehalten werden. In derartigen Ausführungsformen kann jede zweite Statorschaufel 128 durch einen Kühlstrahl 220 gekühlt werden, wenn eine Ausrichtungsbeziehung gemäß 6 oder 7 eingehalten wird. Weitere Ausführungsformen können beispielsweise eine 1-1 Beziehung zwischen den Statorschaufeln 128 und den Einspritzöffnungen 156 so beinhalten, dass jede Statorschaufel 128 durch einen von den Einspritzöffnungen 156 ausgehenden Kühlstrahl 220 gekühlt werden kann. Weitere Ausführungsformen können beispielsweise eine 3-1 Beziehung zwischen den Statorschaufeln 128 und den Einspritzöffnungen 156 so beinhalten, dass jede dritte Statorschaufel 128 durch einen von einer der Einspritzöffnungen 156 ausgehenden Kühlstrahl gekühlt werden kann. In Übereinstimmung damit kann die Anzahl der Statorschaufeln 128 oft ein ganzzahliges Produkt der Anzahl der Einspritzöffnungen 156 sein. Beispielsweise könnten, wenn zwölf Einspritzöffnungen vorhanden sind, 12, 24, 36, 48, 60 (usw.) Statorschaufeln 128 in der ersten Statorschaufelreihe 161 und/oder der zweiten Statorschaufelreihe 163 oder in den anschließenden Statorschaufelreihen vorhanden sein. Man beachte, dass die hierin beschriebene Erfindung in jeder Situation eingesetzt werden kann, in welcher eine oder mehrere Statorschaufeln 128 durch eine stromaufwärts stattfindende Freisetzung von Kühlluft gekühlt werden können. Die Kühlung selbst nur einer einzigen Statorschaufel 128, wie vorstehend beschrieben, ermöglicht im Allgemeinen wenigstens eine Verringerung der Kühlluft, die durch die Statorschaufel 128 zur Kühlung zirkuliert, und ermöglicht somit einen effizienteren Betrieb des Turbinentriebwerks.
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In alternativen Ausführungsformen können, wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, die Ausrichtungsbeziehungen zwischen den Einlassöffnungen 156, der ersten Statorschaufelreihe 161 und der zweiten Statorschaufelreihe 163 und/oder nachfolgender Statorschaufelreihen durch den Einsatz von Berechnungen dreidimensionaler unstetiger Strömungen und/oder ähnlicher Verfahren ermittelt werden. Derartige Berechnungen können dazu genutzt werden, das Strömungsmuster des Kühlstrahls 220 von der Einspritzöffnung 156 durch die verschiedenen Schaufelblattreihen für einen vorgegebenen Betriebszustand vorherzusagen. Somit kann der Weg des Kühlstrahls 220 so vorhergesagt werden, dass eine effektive Platzierung der Statorschaufel 128 erzielt werden kann, d.h., eine Platzierung, die das Auftreten einer verbesserten Kühlung ermöglicht.
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Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, strömt der Kühlstrahl 220 im Wesentlichen in einer axialen Richtung beim Verlassen der Einspritzöffnung 156. Mit bekannten Eigenschaften des Kühlstrahls 220, während er die Einspritzöffnung 156 verlässt und des Abstandes zwischen der Einspritzöffnung 156 und der ersten Statorschaufelreihe 161 kann ein Eintrittspunkt in die erste Statorschaufelreihe 161 berechnet werden. Ähnlich zu der vorstehenden Diskussion sollten zur Optimierung der Verringerung der thermischen Belastung an der ersten Statorschaufelreihe 161 eine oder mehrere Statorschaufeln so ausgerichtet werden, dass beispielsweise der Kühlstrahl 220 in die erste Statorschaufelreihe 161 angenähert bei der Vorderkante der Statorschaufeln 128 eintritt. Bei der ersten Statorschaufelreihe 161 wird der Kühlstrahl 220 „aufwärts“ so abgelenkt, dass er in die erste Rotorschaufelreihe 162 in einem Winkel eintritt. Wenn Geschwindigkeit und Winkel des Kühlstrahls 220 bekannt sind, kann der Weg, den er von der Einspritzöffnung 156 bis zu der Eintrittsstelle bei der ersten Rotorschaufelreihe 162 annimmt, berechnet werden. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, legen bekannte Berechnungen des Strömungsgeschwindigkeitsdreiecks den Kühlstrahl 220 durch die Rotorschaufeln der ersten Rotorschaufelreihe 162 fest, was zu der Richtung und Geschwindigkeit des diese Reihe verlassenden Kühlstrahls 220 führt. Somit kann bei Kenntnis des Abstands zwischen der ersten Rotorschaufelreihe 162 und der zweiten Statorschaufelreihe 163 ein Eintrittspunkt in die zweite Statorschaufelreihe 163 berechnet werden. Ähnlich zu der vorstehenden Diskussion sollten, um die Verhinderung der thermischen Belastung an der zweiten Statorschaufelreihe 163 zu optimieren, eine oder mehrere von den Statorschaufeln so ausgerichtet werden, dass beispielsweise der Kühlstrahl 220 in die zweite Statorschaufelreihe 163 angenähert bei der Vorderkante der Statorschaufel eintritt (Man beachte, dass weitere Ausführungsformen wie z.B. solche, welche den gesamten Kühlstrahl 220 auf die Druckseite der Statorschaufel 128 auftreffen lassen, ebenfalls möglich sind). Dieses ermöglicht der Kühlluft, die Statorschaufel effektiver zu kühlen. Zusätzlich lehren experimentelle Daten, dass die Genauigkeit dieser Stelle für die Realisierung deutlicher Vorteile nicht übermäßig kritisch ist, und dass die Stellen innerhalb ± 15 % des Teilungsabstandes der optimalen Stelle erhebliche thermische Belastungsverringerungen ergeben. Somit können eine oder mehrere Statorschaufeln so ausgerichtet werden, dass der Kühlstrahl in die erste oder zweite Statorschaufelreihe bei plus/minus 15 % des Teilungsabstands der Vorderkante 222 eintritt.
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Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, können Berechnungen dreidimensionaler unstetiger Strömungen durchgeführt werden, um den die Einspritzöffnungen 156 verlassenden Kühlstrahl 220, die in die erste Statorschaufelreihe 161 eintretenden und diese verlassenden Kühlstrahlen 220, die in die erste Rotorschaufelreihe 162 eintretenden und diese verlassenden Kühlstrahlen 220 und die in die zweite Statorschaufelreihe 163 eintretenden und diese verlassenden Kühlstrahlen 220 zu bestimmen. Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen dieser gleiche Prozess für anschließende Statorschaufelreihen dergestalt ausgeführt werden, dass eine verbesserte Kühlung über die Kühlstrahlen 220 auch stromabwärts zu fühlen ist.
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Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, kann für diese Berechnung der die erste Statorschaufelreihe 161 verlassende Kühlstrahl 220 erzeugt werden, indem ein kalibriertes Oberflächenscherungsmodell auf den Impulssatz als den Quellenterm angewendet wird. Den Strom des Kühlstrahls 220 kann man dann so nicht-viskos durch die erste Rotorschaufelreihe 162 strömen lassen, dass dessen Bewegungsbahn mit Entropiekonturen gesehen werden kann. Der Kühlstrahl 220 wird durch die Relativbewegung der ersten Rotorschaufelreihe 162 in diskrete Impulse zerhackt, die den Kanal an besten Umfangspositionen in Bezug auf die erste Rotorschaufelreihe 162 verlassen. Wenn der Kühlstrahl 220 zeitlich gemittelt wird, erscheinen diese Impulse als ein kontinuierlicher Strom in die zweite Statorschaufelreihe 163. Es ist dieser zeitlich gemittelte in die zweite Statorschaufelreihe 163 eintretende Kühlstrahlstrom, der dazu genutzt werden kann, die Ausrichtung der zweiten Statorschaufelreihe 163 (d.h., die Umfangspositionierung) in Bezug auf die erste Statorschaufelreihe 161 festzulegen.
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Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, arbeiten Turbinentriebwerke abhängig von bestimmten Kriterien im Wesentlichen bei mehreren unterschiedlichen Lastpegeln oder Betriebsbedingungen. Bei der Analyse des Wegs der sog. Wake- bzw. Nachlaufströmung und wo dieser eine stromabwärts liegende Schaufelblattreihe schneidet oder in diese eintritt, kann in einigen Ausführungsformen sich eine Ermittlung des Wegs für einen Satz von Betriebsbedingungen von einem anderen Satz von Betriebsbedingungen unterscheiden. Somit könnten unterschiedliche Sätze von Betriebsbedingungen unterschiedliche Ausrichtungsbeziehungen zwischen den ersten und dritten Schaufelblattreihen (und in einigen Ausführungsformen der fünften Schaufelblattreihe) erfordern. Somit kann dann, wenn die Umfangspositionierung von Schaufelblättern fest oder zeitaufwendig zu erzielen ist, ein gewünschter Betriebszustand gewählt werden und die Schaufelblätter gemäß diesen ausgerichtet werden. Der gewählte Betriebszustand kann oft der am längsten andauernde Betriebszustand sein, sodass die Vorteile signifikanter sind.
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Verfahren zum Betreiben eines Turbinentriebwerks 100, wobei das Turbinentriebwerk 100 einen Verdichter 106, eine Brennkammer 112, eine Turbine 110, mehrere aufeinanderfolgende in Axialrichtung angeordnete Stufen enthält, die eine Reihe von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Statorschaufeln 128 und in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Rotorschaufeln 126 und mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Einspritzöffnungen 156 enthalten, die stromaufwärts vor einer ersten Reihe von Statorschaufeln 128 in der Turbine 110 angeordnet sind; wobei die Einspritzöffnungen 156 eine Öffnung aufweisen, durch welche Kühlluft in den Heißgasweg der Turbine 110 eingespritzt wird, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Konfigurieren der Statorschaufeln 128 in der ersten Reihe von Statorschaufeln 128 so, dass die Umfangsposition einer Vorderkante 222 von einer der Statorschaufeln 128 innerhalb ± 15 % des Teilungsabstands der ersten Reihe von Statorschaufeln 128 von der Umfangsstelle des Einspritzöffnungsmittelpunktes 224 von wenigstens einem Großteil der Einspritzöffnungen 156 liegt.
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Bezugszeichenliste:
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- 100
- Gasturbinentriebwerk
- 106
- Verdichter
- 110
- Turbine
- 112
- Brennkammer
- 118
- Verdichter
- 120
- Verdichterrotorschaufeln
- 122
- Verdichterstatorschaufeln
- 124
- Turbine
- 126
- Rotorschaufeln
- 128
- Statorschaufeln
- 130
- Rohrbrennkammer
- 134
- Kopfende
- 136
- Endabdeckung
- 138
- Brennstoffdüsen
- 140
- vorderes Gehäuse
- 142
- hinteres Gehäuse
- 144
- Strömungshülse
- 146
- Einsatz
- 148
- Übergangsstück
- 150
- Übergangsstückprallhülse
- 152
- hinterer Rahmen
- 154
- Pfeile
- 156
- Einspritzöffnungen
- 160
- Pfeile
- 161
- erste Statorschaufelreihe
- 162
- erste Rotorschaufelreihe
- 163
- zweite Statorschaufelreihe
- 164
- Pfeile
- 180
- Schaufelblätter
- 184
- erste Schaufelblattreihe
- 186
- zweite Schaufelblattreihe
- 188
- dritte Schaufelblattreihe
- 190
- Pfeile
- 192
- Pfeile
- 194
- Teilungsabstand
- 220
- Kühlstrahl
- 222
- Vorderkante
- 224
- Einspritzöffnungsmittelpunkt
- 226
- erste Seite
- 228
- zweite Seite
- 230
- Druckseite
