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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung betrifft allgemein die Turbinentechnologie. Insbesondere betrifft die Offenbarung einen Leitapparat mit veränderbarem Querschnitt zur Verwendung in einer mehrstufigen Turbine.
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Bei der Konstruktion von Gasturbinenantrieben wird der Fluiddurchfluss durch mehrere Statorleitschaufeln und Rotorlaufschaufeln variiert. Gewöhnlich richten stationäre Leitapparatsegmente eine Strömung eines Arbeitsfluids in die Stufen von Turbinenlaufschaufeln, die mit einem umlaufenden Rotor verbunden sind. Jeder Leitapparat weist eine Schaufelblatt- oder Leitschaufelgestalt auf, die derart konfiguriert ist, dass, wenn ein Satz Leitschaufeln rings um einen Rotor der Turbine angeordnet ist, diese die Gasströmung in optimaler Richtung und mit einem optimalen Druck gegen die Laufschaufeln lenken.
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Anforderungen in Bezug auf die Richtung und den Druck können bei Veränderungen der Betriebsbedingungen, einschließlich der Temperatur, des Massendurchsatzes des Antriebs und dergleichen, variieren. Stationäre Leitschaufeln können keine optimale Richtung und keinen optimalen Druck über ein gesamtes Spektrum der Betriebsbedingungen bieten, was einen verringerten Wirkungsgrad und/oder eine rauere Umgebung als notwendig für die Komponenten zur Folge hat. Ferner haben stationäre Leitschaufeln eine begrenzte Lebensdauer aufgrund der rauen Umgebung im Inneren einer Turbine, die unter einem beträchtlichen Druck und einer beträchtlichen Temperatur von z.B. 982-1093°C (1800-2000°F) gehalten werden kann. Eine Reparatur und ein Austausch von stationären Leitschaufeln erfordert gewöhnlich eine Demontage einer Turbine, was sowohl hinsichtlich der Arbeit als auch der Stillstandszeit für die Maschine kostspielig ist.
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In einem Bestreben, die Strömungsrichtung und den Druck der Strömung zu verbessern, haben etliche Konstruktionen variable, verstellbare Leitschaufeln aufgenommen. Es werden verstellbare Leitschaufeln verwendet, die einen Hohlkanal aufweisen, der eingerichtet ist, um eine Stützstrebe und eine innere Strebe aufzunehmen und um eine Kühlluftströmung zu der inneren Strebe in der Nähe der verstellbaren Leitschaufel zuzuführen. Eine Drehung der Leitschaufel zur Winkeleinstellung wird mittels Gleitlager bewerkstelligt. Jedoch kann diese Konstruktion aufgrund von Verschleißproblemen an den gepaarten Komponenten keinen längeren Feldeinsatz ermöglichen und eine regelmäßige Wartung erfordern.
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Es werden andere Konstruktionen verwendet, einschließlich eines Turbineneintrittsleitapparates mit veränderbarem Querschnitt, der bewegbare Leitschaufeln aufweist, die in der mittleren Stufe einer Turbine gedreht werden. Die bewegbaren Leitschaufeln sind gegen das Außengehäuse und den Rotor abgedichtet, um eine Luftleckage an diesen zu verhindern. Diese Konstruktion kann auch für einen längeren Feldeinsatz ungeeignet sein, wobei regelmäßige Wartungsmaßnahmen sowohl hinsichtlich der Arbeit als auch der Stillstandszeit einer Turbine kostspielig sind.
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US 2 819 732 A offenbart einen Leitapparat für eine Turbine, der eine Leitschaufel mit einer tragflächenprofilförmigen Gestalt und ein äußeres Mantelsegment zur Montage der Leitschaufel enthält, wobei das äußere Mantelsegment ein sich radial durch dieses hindurch erstreckendes Loch und einen sich radial erstreckenden Leitschaufeldurchgang aufweist, der ein radiales Entfernen der Leitschaufel durch diesen hindurch ermöglicht. Ein mit der Leitschaufel betriebsmäßig verbundener Leitschaufelverlängerungslagerzapfen ragt durch das Loch in dem äußere Mantelsegment radial nach außen vor und ist mit einem Aktuator zur Auslösung einer Drehung einer Leitschaufel betriebsmäßig verbunden, wobei die Drehung die Variation eines einem Fluidströmungspfad ausgesetzten Flächeninhalts der Leitschaufel ermöglicht.
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US 4 861 228 A ,
US 3 652 177 A und
US 3 990 810 A beschreiben weitere Konstruktionen von Leitapparaten mit variablem Querschnitt für eine Turbine, der durch eine Drehung der Leitschaufeln mit einem Aktuator von außen eingestellt werden kann, und mit einem gesteuerten Kühlsystem, das gemäß den vorliegenden Betriebsbedingungen eingestellt werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Leitapparat mit variablem Querschnitt für eine Turbine mit einem gesteuerten Kühlsystem zu schaffen, der gemäß den vorliegenden Betriebsbedingungen eingestellt werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Leitapparat zu schaffen, dessen Leitschaufeln ohne Demontage der Turbine oder Entfernen des Gehäuses der Turbine repariert oder ausgetauscht werden können, so dass auf diese Weise sowohl Zeit als auch Kosten eingespart werden können.
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Diese Aufgabe wird durch den Leitapparat mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Weitere Aspekte, Vorteile und hervorstehenden Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offenkundig, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile überall in den Zeichnungen durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, Ausführungsformen der Erfindung offenbart.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Leitapparatgruppe in einer Turbine.
- 2 zeigt eine Perspektivansicht eines Teils eines Leitapparates.
- 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leitapparates gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
- 4-5 zeigen Perspektivansichten eines Leitapparates gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
- 6 zeigt eine explodierte Perspektivansicht eines Leitapparates gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
- 7 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des Leitapparates aus 3.
- 8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leitapparates gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
- 9 zeigt eine Perspektivansicht eines Leitapparates gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
- 10 zeigt eine ebene Ansicht einer Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
- 11 zeigt eine ebene Ansicht eines äußeren Mantelsegmentes gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf ihre Anwendung in Verbindung mit dem Betrieb einer Turbomaschine beschrieben. Obwohl Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf eine Turbomaschine in Form einer Gasturbine veranschaulicht sind, ist es zu verstehen, dass die Lehren in gleicher Weise auf andere Turbomaschinen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, andere Bauarten von Turbinen oder Verdichtern anwendbar sind. Ferner ist wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf eine Nenngröße und einschließlich eines Satzes Nennabmessungen beschrieben. Jedoch sollte für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf eine beliebige geeignete Turbine und/oder einen beliebigen geeigneten Verdichter anwendbar ist. Ferner sollte für Fachleute offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf verschiedene Maßstäbe der Nenngröße und/oder Nennabmessungen anwendbar ist.
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Wie oben erläutert, ergeben Aspekte der Erfindung einen Leitapparat für eine Turbine, der ohne Demontage der Turbine entfernt werden kann. Weitere Aspekte ergeben einen Leitapparat für eine Turbine, der Leitschaufeln mit veränderbarem Querschnitt enthält und eine gesteuerte Kühlung derselben.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Leitapparatgruppe innerhalb einer Turbine 12. Wie zu verstehen, enthält die Turbine 12 einen Rotor, der eine Drehwelle 14 enthält, die mehrere Laufschaufeln 16 aufweist, die sich an verschiedenen Stufen von dieser aus erstrecken. Die Laufschaufeln 16 erstrecken sich von der (mit Strichlinie veranschaulichten) Drehwelle 14 aus in Radialrichtung und dienen unter der Kraft einer Fluidströmung 15 dazu, die Drehwelle 14 drehend anzutreiben. Vor jeder Stufe mehrerer Laufschaufeln 16 ist eine Leitapparatgruppe positioniert, um die Fluidströmung 15 unter dem geeigneten Angriffswinkel und bei dem geeigneten Druck auf die mehreren Laufschaufeln zu richten. Ein Außengehäuse 130 umgibt ferner die Laufschaufeln 16 und enthält die Fluidströmung 15 und leitet sie durch die Stufen der Turbine 12.
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Wie in 2 veranschaulicht, enthält jeder Leitapparat 168 eine Leitschaufel 122, die an ihrem radial äußeren und ihrem radial inneren Ende mit einem radial äußeren Mantel 124 bzw. einem radial inneren Mantel 126 verbunden ist. Dort, wo die Leitschaufeln 122 mit dem äußeren und dem inneren Mantel 124, 126 unbewegbar gekoppelt sind, kann der Anstellwinkel festgelegt sein, um einen spezifischen Bereich oder Satz von Betriebsbedingungen zu berücksichtigen, zu denen die Temperatur, der Massendurchsatz der Maschine und dergleichen gehören. Ein Zwischenraum zwischen den Leitapparaten 168 an dem radial inneren Mantel 126 kann aufgrund von paarweise passenden Schaufelblattflächen nicht existent sein, oder er kann durch einen Plattenabschnitt des radial inneren Mantels 126 geschaffen sein. Ein Zwischenraum zwischen Leitapparaten 120 an dem radial äußeren Mantel 124 kann durch einen Plattenabschnitt des radial äußeren Mantels 124 geschaffen sein.
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Bezugnehmend auf die 3-11 sind nachstehend ein Leitapparat 120 und eine den Leitapparat 120 enthaltende Turbine gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
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Wie in den in den 3-5 dargestellten Ausführungsformen veranschaulicht, enthält der Leitapparat 120 einen inneren Mantel (ein inneres Deckband) 126, der einen Umfang einer Drehwelle (wie sie in 1 veranschaulicht ist) umgibt. Der innere Mantel 126 kann mehrere durch diesen hindurchführende Löcher 128 enthalten. Der Leitapparat 120 enthält ferner mehrere Leitschaufeln 122, die eine tragflächenprofilförmige Gestalt bzw. Schaufelblattgestalt aufweisen, wobei die Leitschaufeln 122 zwischen einem Außengehäuse 130 der Turbine 12 und dem Innenmantel 126 wie in den 4-5 drehbar angeordnet sind. Der Leitapparat 120 kann die gleiche Anzahl von Leitschaufeln 122 wie Löchern 128 in dem inneren Mantel 126 enthalten. Ein zylindrischer Flansch 140 kann als ein Lager dienen und kann an einem ersten, inneren Ende der Leitschaufel 122 angeordnet sein, um eine Vorderkante der Leitschaufel 122 an dem inneren Mantel 126 abzudichten. Der erste zylindrische Flansch 140 kann toroidal oder ringförmig gestaltet sein und kann einen Außendurchmesser aufweisen, der ungefähr gleich dem Durchmesser des Lochs 128 in dem inneren Mantel 126 ist.
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Wie ferner in den 3-5 dargestellt, ist jede der mehreren Leitschaufeln 122 ferner durch einen äußeren Mantel 124 gehaltert. Der äußere Mantel 124 besteht aus mehreren äußeren Mantelsegmenten 144, wobei jedes Segment 144 neben einem benachbarten äußeren Mantelsegment 144 in einer Ende-an-Ende-Beziehung angeordnet ist, wie in den 4-5 veranschaulicht. Der äußere Mantel 124 kann durch beliebige heutzutage bekannte oder später entwickelte Kopplungen, z.B. zueinander passende Haken, mit einer inneren Fläche des äußeren Gehäuses 130 verbunden sein (4-5).
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Jede Leitschaufel 122 kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung an einem äußeren Mantelsegment 144 montiert sein. Jedes äußere Mantelsegment 144 enthält ein im Wesentlichen zylindrisches Loch 146, das sich radial durch die volle Dicke des äußeren Mantelsegmentes 144 hindurch erstreckt. Eine Leitschaufelverlängerungshülse 148, die eine im Wesentlichen rohrförmige Gestalt aufweist, kann von einer radial äußeren Seite aus in das Loch 146 eingeführt sein, wobei sie als ein Stopfen in dem Loch 146 dient und hilft, einen Fluidströmungspfad 15 durch die Turbine 12 zu definieren. Wenn sie in das Loch 146 eingeführt wird, kann die Leitschaufelverlängerungshülse 148 nicht in die gesamte Dicke des Lochs 146 in dem äußeren Mantelsegment 144 eingesetzt werden, und sie kann aus dem Loch 146 in einer radial äußeren Richtung herausragen, wie dies in den 3 und 7 dargestellt ist. Die Leitschaufelverlängerungshülse 148 enthält ferner eine Buchse 160, die in dem Innenraum der Leitschaufelverlängerungshülse 148 angeordnet ist. Die Buchse 160 stellt eine Verschleißfläche auf einer Innenseite der Leitschaufelverlängerungshülse 148 bereit. Ferner ist in der Buchse 160 ein Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 angeordnet, der sich darin drehen kann.
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Der Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 kann wenigstens ein Flanschelement 142 und ein Wellenelement 143 enthalten, das sich von einer Stirnseite des Flanschelementes aus in einer t-förmigen Gestalt erstreckt, wie dies in 7 veranschaulicht ist. In verschiedenen Ausführungsformen können das Flanschelement 142 und das Wellenelement 143 als ein einstückiges Teil eines Leitschaufelverlängerungslagerzapfens 182 ausgebildet sein, oder sie können aus zwei oder mehreren gesonderten Teilen erzeugt sein. Das Flanschelement 142 weist eine im Wesentlichen toroidale, ringförmige Gestalt auf und kann einen Außendurchmesser aufweisen, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Lochs 146 entspricht. Das Wellenelement 143 kann einen Außendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als ein Innendurchmesser der Buchse 160. Das Wellenelement kann ferner hinreichend lang sein, so dass, wenn der Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 in der Buchse 160 angeordnet ist, das Wellenelement 143 sich radial nach außen über die Leitschaufelverlängerungshülse 148 hinaus und durch einen Flansch 164 hindurch erstrecken kann, der nachstehend näher erläutert ist. Der Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 kann in dem äußeren Mantelsegment 144 angeordnet sein, wobei das Wellenelement 143 in der Buchse 160 angeordnet ist und das Flanschelement 142 in dem Loch 146 radial innen von der Leitschaufelverlängerungshülse 148 angeordnet ist, wie dies in 7 veranschaulicht ist. Da sowohl das Flanschelement 142 als auch die Leitschaufelverlängerungshülse 148 jeweils einen Außendurchmesser aufweisen, der im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Lochs 146 ist, weisen sie im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser zueinander auf.
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Wie ferner in den 3 und 7 veranschaulicht, kann ein Flansch 164 verwendet werden, um den Leitapparat 120 zu verschließen und zu sichern. Der Flansch 164 ist radial außen von der Leitschaufelverlängerungshülse 148 sowie auf einer Außenseite des Gehäuses 130 angeordnet, wobei dem Wellenelement 143 ermöglicht ist, durch ein Loch durch diesen hindurchzutreten. Der Flansch 164 kann an der Leitschaufelverlängerungshülse 148 durch jedes beliebige von mehreren Mitteln, wie beispielsweise Bolzen 166, befestigt sein.
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Wie in 3 veranschaulicht, kann der Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 mit der Leitschaufel 122 über das Flanschelement 142 und mit einem Aktuator 170 über das Wellenelement 143 betriebsmäßig verbunden sein, das durch den Flansch 164 hindurch radial nach außen vorragt, wie dies vorstehend erwähnt ist. Der Aktuator 170 kann eine Drehung der Leitschaufel 122 um eine Leitschaufelachse 134 herum auslösen bzw. steuern, die sich radial von einer Mittellinie der Turbine 12 aus erstreckt, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Diese Drehung verändert den Flächeninhalt der Leitschaufel 122, der einem Fluidströmungspfad 15 ausgesetzt ist, wodurch die Leitschaufel in und außer Phase mit dem strömenden Fluid gebracht wird. Der Aktuator 170 kann einen mechanischen Dreharm 172 in Betriebsverbindung mit dem Wellenelement 143 des Leitschaufelverlängerungslagerzapfens 182 enthalten. Der mechanische Arm 172 kann auf einer Außenseite des Gehäuses 130 angeordnet sein, so dass auf diese Weise eine feinstufige Einstellung der Winkelposition der Leitschaufeln 122 für einen maximal effizienten Betrieb bei einem gegebenen Satz Betriebsbedingungen ermöglicht wird, zu denen unter anderem die Antriebsdrehzahl, Umgebungsbedingungen und Lastanforderungen gehören.
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Wie in 11 veranschaulicht, enthält jedes äußere Mantelsegment 144 ferner einen Vorderkantendurchgang 150 und einen Hinterkantendurchgang 152. Der Vorderkanten- und der Hinterkantendurchgang 150, 152 sind jeweils benachbart zu dem sich radial erstreckenden Loch 146 und auf gegenüberliegenden Seiten von diesem angeordnet. Der Vorderkantendurchgang 150 weist eine Gestalt und eine Abmessung auf, die mit einer Gestalt und einer Abmessung eines Abschnitts einer Vorderkante 154 der Leitschaufel 122, der sich seitlich über das Loch 146 hinaus erstreckt, im Wesentlichen übereinstimmen. Der Vorderkantendurchgang 150 kann unmittelbar radial außen von und in Ausrichtung mit der Vorderkante 154 angeordnet sein. In ähnlicher Weise weist der Hinterkantendurchgang 152 eine Gestalt und eine Abmessung auf, die im Wesentlichen einer Gestalt und einer Abmessung des Teils der Hinterkante 156 der Leitschaufel 122 entsprechen, der sich seitlich über das Loch 146 hinaus erstreckt, und er kann unmittelbar radial außen von der Hinterkante 156 angeordnet und mit dieser ausgerichtet sein. Das Loch 146 sowie der Vorderkanten- und der Hinterkantendurchgang 150, 152 sind derart ausgerichtet, dass die Leitschaufel 122 durch den zusammenhängenden gemeinsamen Leitschaufeldurchgang 146, 150, 152 in dem äußeren Mantelsegment 144 hindurchführen kann, der durch die Durchgänge 150, 152 und das Loch 146 gebildet ist, wodurch ein Entfernen der Leitschaufel 122 in einer radial äußeren Richtung durch den äußeren Mantel 124 hindurch ermöglicht ist. Dies ermöglicht eine Wartung ohne Demontage des äußeren Mantels 124. Die Leitschaufeln 122 können ferner in der gleichen Weise in die Turbine 12 hinein, durch den äußeren Mantel 124 und das Gehäuse 130 hindurch über den gemeinsamen Durchgang, der durch das Loch 146 sowie den Vorderkanten- und den Hinterkantendurchgang 150, 152 gebildet ist, eingeführt werden.
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Erneut bezugnehmend auf 7 enthält das äußere Mantelsegment 144 ferner einen ersten Kühlkanal 158, der durch das äußere Mantelsegment 144 von einer Außenfläche zu einer Innenfläche des Lochs 146 verläuft. Der erste Kühlkanal 158 endet an einer statischen Öffnung 159, die in der Nähe einer Innenfläche des Lochs 146 angeordnet ist. Die statische Öffnung 159 kann gestaltet und bemessen sein, um eine Dosierung eines Durchflusses durch diese hindurch, der an eine Wärmebelastung der Fluidströmung 15 bei jedem Winkel der Leitschaufeln 122 angepasst ist, zu ermöglichen. Die Öffnung 159 kann rund oder rechteckig gestaltet sein, wobei sie auch eine beliebige sonstige geometrische Gestalt aufweisen kann, die eine derartige Einstellung der Durchflussrate ermöglicht. Ein zweiter Kühlkanal 136, der ein erstes Ende 135 und ein zweites Ende 137 aufweist, kann in dem Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 angeordnet sein. Der zweite Kühlkanal 136 kann an dem ersten Ende 135 mit dem ersten Kühlkanal 158 an der statischen Öffnung 159 in Fluidströmungsverbindung stehen. Der zweite Kühlkanal 136 kann sich seitlich durch die Buchse 160 und das Wellenelement 143 des Leitschaufelverlängerungslagerzapfens 182 ungefähr so weit wie bis zu der Achse 134 fortsetzen. Die Buchse 160 ist derart verkeilt bzw. eingespannt, dass ihre Form wirksam ist, um den Vorder- und den Hinterkantendurchgang 150, 152 in dem äußeren Mantelsegment 144 abzudichten, und sie nimmt den ersten Kühlkanal 158 auf. Eine Dichtung 162 (7) oder mehrere Dichtungen tragen zur Abdichtung bei, die um die Leitschaufelverlängerungshülse 148 herum geschaffen ist. Die Dichtung 162 kann zwischen der Leitschaufelverlängerungshülse 148 und dem Leitschaufelverlängerungsflanschelement 142 angeordnet sein. Diese Dichtungen verhindern im Wesentlichen eine Leckage eines Fluids aus dem Strömungspfad 15 unter Aufrechterhaltung der Effizienz der Turbine 12.
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Sobald der zweite Kühlkanal 136 ungefähr die Leitschaufelachse 134 erreicht, kann der zweite Kühlkanal 136 radial nach innen abbiegen, wobei er die Längsachse 134 der Welle 143 durchläuft, um das Fluid radial nach innen entlang der Achse 134 zu leiten. Der zweite Kühlkanal 136 endet an dem zweiten Ende 137 an einer Einlasssammelkammer 139.
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Ein dritter Kühlkanal 138, der in der Leitschaufel 122 angeordnet und in Einzelheiten in den 8-9 veranschaulicht ist, dient dazu, die Leitschaufel 122 während des Turbinenbetriebs zu kühlen. In verschiedenen Ausführungsformen können die Kühlkanäle 138 ein einzelner Kanal sein, oder sie können mehrere strömungsmäßig miteinander verbundene Durchgänge aufweisen, die eingerichtet sind, um die Leitschaufel 122 zu kühlen. Der dritte Kühlkanal 138 kann mit dem zweiten Kühlkanal 136 an der Einlasssammelkammer 139 in Fluidströmungsverbindung stehen.
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In einer Ausführungsform ist der innere Mantel 126 mit einem stationären Leitapparat 168 integral gegossen, der benachbart zu dem Leitapparat 120 innerhalb der Turbine 12 angeordnet ist, wie dies in den 4-5 veranschaulicht ist. Eine innere Leitschaufelverlängerungshülse 178, ähnlich der Leitschaufelverlängerungshülse 148, kann in den Löchern 128 in dem inneren Mantel 126 zur Sicherung der Leitschaufeln 122 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der stationäre Leitapparat 168 derart montiert sein, dass er dem Leitapparat 120 in dem Strömungspfad 15 vorangestellt ist, so dass das Fluid über den stationären Leitapparat 168 strömt, bevor es den Leitapparat 120 erreicht. Der stationäre Leitapparat 168 kann ferner einen vierten Kühlkanal 174 in Fluidströmungsverbindung mit dem ersten Kühlkanal 158 enthalten, wie dies in 7 veranschaulicht ist. Ein Fluid strömt durch die vorstehenden strömungsmäßig verbundenen Kühlkanäle in einer Richtung von dem vierten Kühlkanal 174 zu dem ersten Kühlkanal 158, zu dem zweiten Kühlkanal 136, zu dem dritten Kühlkanal 138.
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Es kann jedes beliebige Wärmeübertragungsmedium verwendet werden, um durch die vorstehenden, miteinander in Strömungsverbindung stehenden Kühlkanäle zu strömen, um innere Teile der Leitschaufel 122 zu kühlen. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein beliebiger einzelner oder können mehrere von dem ersten Kühlkanal 158, dem zweiten Kühlkanal 136, dem dritten Kühlkanal 138 und/oder dem vierten Kühlkanal 174 ferner mit einer Wärmeübertragung verbessernden Oberfläche, wie beispielsweise mit Stiften, Turbulatoren, etc., zur Verstärkung der Kühlung von Elementen des Leitapparates 120 ausgestattet sein.
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Die Leitschaufeln 122 können ferner im Wesentlichen mit Kernlöchern versehen oder hohl sein, wie dies in 10 veranschaulicht ist. Wenn die Leitschaufel 122 mittels des Leitschaufelverlängerungslagerzapfens 182 und durch den Aktuator 170 verdreht wird, bewegt sich die Leitschaufel 122 in und aus der Phase mit dem Fluidströmungspfad 15 heraus, wobei die Größe des Flächeninhalts der Leitschaufel 122, der dem Fluidpfad 15 ausgesetzt ist, variiert wird. Auf diese Weise kann der Strömungspfad 15 durch die Position der Leitschaufeln 122 deutlich geöffnet und geschlossen werden. Dies ermöglicht eine Balance zwischen Turbinenwirkungsgrad und Kühlung. Wenn die Leitschaufeln 122 im Wesentlichen geschlossen sind, d.h. eine große Fläche der Leitschaufel 122 dem Strömungspfad 15 ausgesetzt ist, wird mehr Kühlung benötigt, wobei jedoch die Turbine 12 effizienter arbeitet. Wenn die Leitschaufeln 122 im Wesentlichen geöffnet sind, d.h. eine geringere Fläche der Leitschaufeln 122 dem Strömungspfad 15 ausgesetzt ist, wird weniger Kühlung benötigt, wobei jedoch die Turbine 12 weniger effizient arbeitet.
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Über die durch den Aktuator 170 ausgelöste Bewegung können der Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 und die Leitschaufel 122 um die Leitschaufelachse 134 herum gedreht werden, wodurch zusätzlich zur Einstellung der Position der Leitschaufel 122 der zweite Kühlkanal 136 in dem Leitschaufelverlängerungslagerzapfen 182 veranlasst wird, sich an der statischen Öffnung 159 (7) vorbei zu drehen oder zu gleiten. Auf diese Weise kann die in den dritten Kühlkanal 138 und den Strömungspfad 15 eintretende Fluidströmung gesteuert oder beeinflusst werden. Das in den Kühlkanal 136 in der Leitschaufel 122 eintretende Fluid kann gemäß einer Kühlanforderung der Leitschaufel 122, wie dies auf der Basis von Betriebsparametern oder Betriebsbedingungen der Turbine 12 bestimmt wird, gesteuert bzw. beeinflusst werden.
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Technische Effekte der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die Bereitstellung eines Leitapparates 120 mit variablem Querschnitt für eine Turbine 12 mit einem gesteuerten Kühlsystem, das gemäß den vorliegenden Betriebsbedingungen eingestellt werden kann. Weitere technische Effekte, die mit den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbunden sind, umfassen die Bereitstellung eines Leitapparates 120, dessen Leitschaufeln 122 ohne Demontage der Turbine 12 oder Entfernen des Gehäuses 130 repariert oder ausgetauscht werden können, so dass auf diese Weise sowohl Zeit als auch Kosten eingespart werden können.
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In dem hierin verwendeten Sinne bezeichnen die Ausdrücke „erste“, „zweite“ und dergleichen keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke „ein“ und „eine“, wie sie hierin verwendet werden, bezeichnen keine Mengenbeschränkung, sondern bezeichnen vielmehr die Gegenwart wenigstens eines in Bezug genommenen Elementes. Die Modifizierung „etwa“, wie sie in Verbindung mit einer Menge verwendet wird, bedeutet einschließlich des angegebenen Wertes und hat die durch den Kontext vorgegebene Bedeutung (z.B. enthält den Federgrad, der mit einer Messung einer bestimmten Größe verbunden ist). Der Zusatz „(e)“ bzw. „(en)“, wie er hierin verwendet wird, soll sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl des Ausdrucks, den er modifiziert, umfassen, so dass dadurch ein oder mehrere von diesem Ausdruck enthalten sind (z.B. enthält Metall(e) ein oder mehrere Metalle). Bereiche, die hierin offenbart sind, sind inklusiv und unabhängig kombinierbar (z.B. schließen Bereiche von „bis zu etwa 25 mm oder insbesondere etwa 5 mm bis etwa 20 mm“ die Endpunkte und alle Zwischenwerte der Bereiche von „etwa 5 mm bis etwa 25 mm“, etc. mit ein) .
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Während verschiedene Ausführungsformen hierin beschrieben sind, versteht es sich aus der Beschreibung, dass verschiedene Kombinationen von Elementen, Varianten oder Verbesserungen an diesen durch Fachleute auf dem Gebiet vorgenommen werden können und in dem Umfang der Erfindung liegen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Rahmen abzuweichen. Folglich besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein soll, die als die beste zur Ausführung dieser Erfindung vorgesehene Art offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen soll, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
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Es ist ein Leitapparat 120 zur Verwendung in einer Turbine 12 oder einem Verdichter offenbart. In einer Ausführungsform ist jede von mehreren Leitschaufeln 122 durch einen äußeren Mantel 125 gehaltert, der mehrere äußere Mantelsegmente 144 enthält, die angrenzend an benachbarte Segmente 144 in einer Ende-an-Ende-Anordnung angeordnet sind. Jedes Segment 144 enthält ein durch diesen hindurchführendes Loch 146, das bemessen ist, um eine Leitschaufelverlängerungshülse 148 aufzunehmen. Dieses System kann in Verbindung mit einem gesteuerten Kühlsystem verwendet werden und kann eine verbesserte Entnahme zwecks Wartung ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 12
- Turbine
- 14
- Drehwelle
- 15
- Fluidströmungspfad
- 16
- Laufschaufel
- 120
- Leitapparat
- 122
- Leitschaufel
- 124
- äußerer Mantel
- 126
- innerer Mantel
- 128
- Löcher in 126
- 130
- äußeres Gehäuse
- 134
- Leitschaufelachse
- 135
- erstes Ende des zweiten Kühlkanals 136
- 136
- zweiter Kühlkanal
- 137
- zweites Ende des zweiten Kühlkanals 136
- 138
- dritter Kühlkanal in der Leitschaufel 122
- 139
- Einlasssammelkammer
- 140
- zylindrischer Flansch
- 142
- Leitschaufelverlängerungsflanschelement
- 143
- Leitschaufelverlängerungswellenelement
- 144
- äußeres Mantelsegment
- 146
- sich radial erstreckendes Loch im äußeren Mantelsegment
- 148
- Leitschaufelverlängerungshülse
- 150
- Vorderkantendurchgang
- 152
- Hinterkantendurchgang
- 154
- Vorderkante der Leitschaufel 122
- 156
- Hinterkante der Leitschaufel 122
- 158
- erster Kühlkanal
- 159
- statische Öffnung
- 160
- Buchse
- 162
- Dichtung
- 164
- Flansch
- 166
- Bolzen
- 168
- stationärer Leitapparat
- 170
- Aktuator
- 172
- mechanischer Arm, Dreharm
- 174
- vierter Kühlkanal
- 178
- innere Leitschaufelverlängerungshülse
- 182
- Leitschaufelverlängerungslagerzapfen
