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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft aerodynamische Verbesserungen an dem Durchfluss in einem Verdichterauslassgehäuse. Insbesondere betrifft der erfindungsgemäße Gegenstand die Kühlung eines Übergangsstücks der Brennkammer.
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In vielen Gasturbinensystemen ist ein relativ hochfrequentes Prüf-, Instandhaltungs- und Komponentenaustauschintervall durch Komponenten bedingt, die den rauen Bedingungen des Heißgaspfades ausgesetzt sind. Dieser Pfad enthält eine Brennkammer und Komponenten stromabwärts von dieser, wie beispielsweise Düsen, Auskleidungen und Übergangsstücke. Ein Übergangsstück ist eine Kanalkomponente, die einen heißen verbrannten Luftstrom aus der Brennkammer zu der Turbine durch ein Verdichterauslassrohr pumpt. Kühle Verdichterauslassluft tritt in das Verdichterauslassrohr ein und strömt normalerweise über das Übergangsstück, wodurch sie auf ihrem Weg von dem Verdichter zu der Brennkammer das Übergangsstück kühlt. Eine ausreichende Kühlung des Übergangsstücks reduziert Prüf-, Instandhaltungs- und Komponentenaustauschkosten durch Verlängerung der Lebensdauer des Übergangsstücks. Somit würde eine verbesserte Kühlung des Übergangsstücks in der Technik gut aufgenommen werden.
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US 6 484 505 B1 beschreibt ein Verdichterauslassrohr mit einem Übergangsstück und ein Verfahren zur Kühlung des Übergangsstücks. Eine Strömungsumleiteinrichtung, die eine Prallhülse mit einer Reihe von Pralllöchern aufweist, ist an dem Übergangsstück derart angeordnet ist, dass zwischen der Prallhülse und dem Übergangsstück ein Luftstromzwischenraum definiert ist, wobei durch die Strömungsumleiteinrichtung eine Rezirkulation der Strömung in dem Luftstromzwischenraum beeinflusst wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verdichterauslassrohr mit einem Übergangsstück und ein Verfahren zur Kühlung eines derartigen Übergangsstücks zu schaffe, die durch Verbesserung der Wärmeübertragung eine verbesserte Kühlung des Übergangsstücks ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verdichterauslassrohr mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 2 und ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Verdichterauslassrohr ein Übergangsstück und eine Strömungsumleiteinrichtung, die an dem Übergangsstück angeordnet ist, wobei ein Luftstromzwischenraum zwischen der Strömungsumleiteinrichtung und dem Übergangsstück angeordnet ist, wobei die Strömungsumleiteinrichtung konfiguriert ist, um eine Rezirkulation der Strömung in dem Luftstromzwischenraum zu reduzieren und die Strömungsgeschwindigkeit der Strömung in dem Luftstromzwischenraum zu erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Kühlen eines Übergangsstücks, das im Innern eines Verdichterauslassrohrs angeordnet ist, um einen heißen verbrannten Luftstrom aus einer Brennkammer durch das Verdichteauslassrohr zu einer Turbine zu leiten, ein Vorsehen einer Strömungsumleiteinrichtung, die an dem Übergangsstück angeordnet ist und einen Luftstromzwischenraum dazwischen definiert, wobei die Strömungsumleiteinrichtung konfiguriert ist, um eine Rezirkulation der Strömung in dem Luftstromzwischenraum zu reduzieren und die Strömungsgeschwindigkeit der Strömung in dem Luftstromzwischenraum zu erhöhen, ein Erhöhen der Geschwindigkeit eines Fluids, das über einer Oberfläche eines Übergangsstücks strömt, mit der Strömungsumleiteinrichtung und ein Reduzieren der Rezirkulation der Strömung des Fluids über der Oberfläche des Übergangsstücks mit der Strömungsumleiteinrichtung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
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1 eine aufgeschnittene Perspektivansicht eines Verdichterauslassrohrs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Perspektivansicht mehrerer Verdichterauslassrohre nach 1, die ein Verdichterauslassgehäuse aufweisen;
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3 eine aufgeschnittene Perspektivansicht eines Verdichterauslassrohrs gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine aufgeschnittene Perspektivansicht eines Verdichterauslassrohrs gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine aufgeschnittene Perspektivansicht eines Verdichterauslassrohrs gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine detaillierte Beschreibung der hier nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens ist hier zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht der Beschränkung unter Bezugnahme auf die Figuren angegeben.
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1 zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines Verdichterauslassrohrs oder -bechers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine typische Gasturbine weist eine Mehrzahl dieser Verdichterauslassrohre 100, die ein vollständig ringförmiges Verdichterauslassgehäuse 105 bilden, wie es in 2 veranschaulicht ist, auf. Das Verdichterauslassrohr 100 nimmt einen Verdichterauslassluftstrom 110 durch einen Luftstromeinlass 120 entgegen. Der Luftstrom 110 breitet sich natürlich durch das gesamte Verdichterauslassrohr 100 aus. Der Luftstrom 110 tritt aus dem Verdichterauslassrohr 100 durch einen Luftstromauslass 130 auf seinem Weg zu einer (nicht veranschaulichten) Brennkammer aus. Die Brennkammer verbrennt den Luftstrom 110 und gibt einen heißen verbrannten Luftstrom 140 in ein Übergangsstück 150 aus. Das Übergangsstück 150 ist im Inneren des Verdichterauslassrohrs 100 angeordnet und konfiguriert, um den heißen verbrannten Luftstrom 140 durch das Verdichterauslassrohr 100 zu einer (nicht veranschaulichten) Turbine zu leiten. Der verbrannte Luftstrom 140 heizt die Wände des Übergangsstücks 150 von innen auf, während der kühlere Verdichterauslassluftstrom 110 das Übergangsstück 150 von der Außenseite aus kühlt. Eine Strömungsumleiteinrichtung 170 ist konfiguriert, um den Luftstrom 110 innerhalb des Verdichterauslassrohrs 100 umzuleiten. Die Strömungsumleiteinrichtung 170 steigert eine Geschwindigkeit des Luftstroms 110 über einer Oberfläche 180 der Außenwand des Übergangsstücks 150 im Vergleich zu derjenigen Geschwindigkeit des Luftstroms 110, die über der Oberfläche 180 vorliegen würde, wenn die Strömungsumleiteinrichtung 170 nicht vorhanden wäre. Die erhöhte Geschwindigkeit des Luftstroms 110 über der Oberfläche 180 reduziert Temperaturen auf der Oberfläche 180 durch Steigerung der Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche und dem Luftstrom 110.
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Zusätzlich ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 konfiguriert, um die Rezirkulation des Luftstroms 110 über der Oberfläche 180 des Übergangsstücks 150 zu reduzieren. In einer anderen Ausführungsform ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 konfiguriert, um die mittlere Strömungsgeschwindigkeit über der Oberfläche 180, über der die Strömungsumleiteinrichtung 170 angeordnet ist, zu erhöhen. Die Strömungsumleiteinrichtung 170 enthält ferner eine Oberfläche, die dem Übergangsstück 150 zugewandt ist, und eine entgegengesetzte, antipodale Oberfläche, die von dem Übergangsstück 150 abgewandt ist. Die Strömugsumleiteinrichtung 170 ist konfiguriert, um eine Rezirkulationszone 190 von einer der Oberfläche 180 benachbarten Stelle zu einer der entgegengesetzten, antipodalen Oberfläche der Strömungsumleiteinrichtung 170 benachbarten Stelle zu überführen. In dieser Position kann die Rezirkulationszone 190 die Wärmeübertragung zwischen dem Übergangsstück 150 und dem Luftstrom 110 nicht reduzieren, weil sie nicht mit dem Übergangsstück 150 in Kontakt steht. In einer anderen Ausführungsform ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 konfiguriert, um einen Strömungsgeschwindigkeitsgradienten des Luftstroms 110 über der Außenwand des Übergangsstücks 150 zu reduzieren.
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In einer Ausführungsform ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 über der Oberfläche 180 angeordnet. Ein Luftstromzwischenraum 191 ist angrenzend an die Oberfläche 180 zwischen der Strömungsumleiteinrichtung 170 und dem Übergangsstück 150 angeordnet. In einer Ausführungsform ist eine Versatzgröße zwischen der Strömungsumleiteinrichtung 170 und dem Übergangsstück 150 im Wesentlichen konstant. Alternativ kann die Versatzgröße variieren. Die Strömungsumleiteinrichtung 170 ist veranschaulicht, wie sie radial außen von dem Übergangsstück 150 in Bezug auf eine Achse der Turbine 199 angeordnet ist, wie in 2 veranschaulicht. Jedoch kann die Strömungsumleiteinrichtung 170 an jeder beliebigen Stelle an dem Übergangsstück 150 angeordnet sein, und sie kann sich um bis zu 360° rings um das Übergangsstück 150 erstrecken. In einer Ausführungsform kann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem Luftstromzwischenraum 191 größer sein als die mittlere Strömungsgeschwindigkeit über einer antipodalen Oberfläche 205, die zu dem Luftstromzwischenraum 191 des Übergangsstücks 150 diametral gegenüberliegend angeordnet ist.
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Die Strömungsumleiteinrichtung 170 ist veranschaulicht, wie sie eine Gestalt aufweist, die rings um die Außenwand des Übergangsstück 150 profiliert ist. In dieser Ausführungsform kann die Strömungsumleiteinrichtung 170 eine im Wesentlichen ähnliche Gestalt wie das Übergangsstück 150 aufweisen, über dem sie anzuordnen ist. In einer noch weiteren Ausführungsform enthält die Strömungsumleiteinrichtung 170 wenigstens eine Öffnung 206, durch die normalerweise etwas Strömung eintreten kann.
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Die Strömungsumleiteinrichtung 170 ist in einer Ausführungsform an dem Verdichterauslassrohr 100 anbringbar. In dieser Ausführungsform ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 an der turbinenseitigen Rohrwand 220 des Verdichterauslassrohrs 100 anbringbar. Die Strömungsumleiteinrichtung 170 kann angeschweißt, angeschraubt, haftend angebracht oder durch jede beliebige sonstige Befestigungseinrichtung befestigt sein. Außerdem kann das Verdichterauslassrohr 100 ausgelegt sein, um die Strömungsumleiteinrichtung 170 zu enthalten, die während der Herstellung des Verdichterauslassrohrs 100 an einer Innenwand des Verdichterauslassrohrs 100 angebracht wird. In anderen Ausführungsformen ist die Strömungsum1eiteinrichtung 170 an mehreren als einer einzelnen Wand des Verdichterauslassrohrs 100 angebracht.
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In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 3 veranschaulicht ist, ist die Strömungsumleiteinrichtung 170, anstatt an dem Verdichterauslassrohr 100 angebracht zu sein, an der Außenwand des Übergangsstücks 150 anbringbar. In dieser Ausführungsform ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 an dem Übergangsstück 150 mittels jeder beliebigen sonstigen Einrichtung angebracht, die dem Luftstrom ermöglicht, die Außenfläche des Übergangsstücks 150 zu erreichen. Beispielsweise können eine oder mehrere Stützen 192 mit der Außenwand des Übergangsstücks 150 und der Strömungsumleiteinrichtung 170 verbunden sein. Die eine oder mehreren Stützen 192 halten die Strömungsumleiteinrichtung 170 von dem Übergangsstück 150 weg und ermöglichen auch dem Luftstrom, die Außenfläche des Übergangsstücks 150 zu erreichen. In einer anderen Ausführungsform enthält das Übergangsstück 150 speziell die Strömungsumleiteinrichtung 170, die während der Herstellung des Übergangsstücks 150 angebracht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 4 veranschaulicht ist, ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 an einer Hülse 195 des Luftstromauslasses 130 anbringbar. Die Strömungsumleiteinrichtung 170 kann wiederum an der Hülse 195 angeschweißt, angeschraubt, durch Kleben befestigt oder durch jede beliebige sonstige Befestigungseinrichtung angebracht sein. Alternativ kann die Strömungsumleiteinrichtung 170 eine teilweise Verlängerung der Hülse 195 über dem Übergangsstück 150 bilden.
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In alternativen Ausführungsformen, wie ebenfalls in 4 veranschaulicht, ist eine Prallhülse 200 zwischen dem Übergangsstück 150 und der Strömungsumleiteinrichtung 170 angeordnet. Die Prallhülse 200 weist mehrere Löcher 201 auf. Die Prallhülse 200 umgibt das Übergangsstück 150 und unterstützt eine Prallkühlung des Übergangsstücks 150. In dieser Ausführungsform erhöht die Strömungsumleiteinrichtung 170 die Geschwindigkeit des Luftstroms über einer Oberfläche 202 der Prallhülse 200. Diese erhöhte Geschwindigkeit wird auf eine ähnliche Weise wie der weise erzielt, in der die Geschwindigkeit über der Oberfläche 180 des Übergangsstücks 150 durch die Strömungsumleiteinrichtung 170 in Ausführungsformen ohne die Prallhülse 200 erhöht wird. Die Strömungsumleiteinrichtung 170 ist auch an der Prallhülse 200 des Übergangsstücks 150 anbringbar.
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Es ist auch vorgesehen, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Strömungsumleiteinrichtungen 170 enthält, um die Strömung in dem Verdichterauslassrohr 100 umzuleiten, wie dies in 5 veranschaulicht ist. Die Strömungsumleiteinrichtungen 170 in dieser Ausführungsform sind veranschaulicht, wie sie durch zwei Blechstücke gebildet sind, die in Bezug auf die Achse des Übergangsstücks 150 (um 0 bis 180 Grad) geneigt sind, wobei optional eine andere Blechanzahl vorgesehen ist. Alternativ könnten die Strömungsumleiteinrichtungen 170 eine halbkreisringförmige Haubengestalt mit einem gekrümmten Profil aufweisen. Ferner ist, wie veranschaulicht, jede der Strömungsumleiteinrichtungen 170 an dem Übergangsstück 150 angebracht; jedoch kann in alternativen Ausführungsformen wenigstens eine der mehreren Strömungsumleiteinrichtungen 170 auch an der Prallhülse 200 angebracht sein.
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In einer Ausführungsform ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, der sowohl Eisenmetalle, wie beispielsweise Kohlenstoffstahl oder Edelstahl, als auch Nichteisenmetalle, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Titan und Magnesium, enthält. Alternativ ist die Strömungsumleiteinrichtung 170 aus einem nicht metallischen Werkstoff oder jedem beliebigen sonstigen Material ausgebildet, das eingerichtet werden kann, um einen Luftstrom im Inneren des Verdichterauslassrohrs 100 effizient umzuleiten. Die Strömungsumleiteinrichtung 170 kann aus einer Kombination von beliebigen der obigen Materialien hergestellt sein.
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Erneut bezugnehmend auf 1 enthält das Verdichterauslassrohr bzw. der Verdichterauslassbecher 100 ferner eine brennkammerseitige Rohr- bzw. Becherwand 210 und eine turbinenseitige Rohr- bzw. Becherwand 220, eine äußere Rohr- bzw. Becherwand 230 und eine innere Rohr- bzw. Becherwand 240. Die brennkammerseitige Rohrwand 210 weist eine Auslassöffnung 250 auf. Die Auslassöffnung 250 ist so ausgebildet, dass sie dem Luftstrom nur ermöglicht, aus dem Verdichterauslassrohr 100 über den Auslass 130 auszutreten. Der (nicht veranschaulichte) Brennkammerabschnitt der Turbine ist proximal zu der brennkammerseitigen Rohrwand 210 angeordnet. Die turbinenseitige Rohrwand 220 weist eine Übergangsstücköffnung 260 auf. Die Übergangsstücköffnung 260 ist an der turbinenseitigen Rohrwand 220 abgedichtet, um nicht zuzulassen, dass ein Luftstrom dazwischen austritt. Die turbinenseitige Rohrwand 220 ist proximal zu einem (nicht veranschaulichten) Turbinenabschnitt angeordnet.
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Während die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine Vielzahl beliebiger Veränderungen, Modifikationen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen zu enthalten, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Umfang der Erfindung entsprechen. Außerdem ist zu verstehen, dass, während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern sie ist nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
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Es ist ein Verdichterauslassrohr 100 offenbart, das ein Übergangsstück 150 und eine an dem Übergangsstück 150 angeordnete Strömungsumleiteinrichtung 105 enthält, die einen Luftstromzwischenraum 191 zwischeneinander definieren, wobei die Strömungsumleiteinrichtung 105 eingerichtet ist, um die Strömungsrezirkulation in dem Luftstromzwischenraum (191) zu reduzieren.
