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HINTERGRUND
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Gasturbinen und insbesondere einen Strömungsinducer für Gasturbinen.
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Gasturbinentriebwerke weisen typischerweise eine Anzahl von Subsystemen, wie z.B. Verdichtersysteme, Brennkammersysteme, Arbeitsturbinensysteme und Kühlsysteme, auf. Jedes Subsystem kann bei der Erhöhung der Ausgangsleistung und/oder des Wirkungsgrads des Gasturbinentriebwerks hilfreich sein. Beispielsweise kann eine Vergrößerung der Abmessungen eines Subsystems die Ausgangsleistung und/oder den Wirkungsgrad dieses Subsystems und des Gasturbinentriebwerks insgesamt erhöhen. In bestimmten Anwendungen können jedoch hinsichtlich der Abmessungen des gesamten Profils der Gasturbine Beschränkungen bestehen. Diese Abmessungsbeschränkungen können die Länge in Längsrichtung der Gasturbine umfassen. In Folge solcher Abmessungsbeschränkungen kann es schwierig sein, die Ausgangsleistung und/oder den Wirkungsgrad jedes bestimmten Subsystems, geschweige denn des gesamten Gasturbinentriebwerks zu erhöhen.
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KURZBESCHREIBUNG
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Nachstehend sind bestimmte Ausführungsformen zusammengefasst, die im Umfang der ursprünglich beanspruchten Erfindung entsprechen. Es besteht nicht die Absicht, mit diesen Ausführungsformen den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken, vielmehr wird beabsichtigt, mit diesen Ausführungsformen eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung zu liefern. Die Erfindung kann in der Tat vielfältige Formen einnehmen, die den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform weist ein System ein Gasturbinentriebwerk auf, das einen Verdichter, eine Turbine, ein Gehäuse und einen Rotor aufweist. Das Gehäuse und der Rotor sind zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet, und das Gehäuse und der Rotor definieren einen Hohlraum zur Aufnahme einer Fluidströmung aus dem Verdichter. Die Gasturbine weist ferner einen Diffusor auf, der hinter dem Verdichter angeordnet ist. Der Diffusor ist eingerichtet, um die Fluidströmung von dem Verdichter aufzunehmen, und der Diffusor weist einen ersten Einlass in der Nähe des Verdichters und einen ersten Auslass körperfern von dem Verdichter auf. Das Gasturbinentriebwerk weist ferner eine Induceranordnung auf, die wenigstens einen Inducer enthält. Der wenigstens eine Inducer weist einen Strömungsdurchgang auf, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung in den Hohlraum hinein zu führen, wobei der Strömungsdurchgang einen zweiten Einlass, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung aufzunehmen, und einen zweiten Auslass enthält, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung in den Hohlraum hinein auszugeben, und wobei der zweite Auslass axial vor dem ersten Auslass des Diffusors angeordnet ist.
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In dem zuvor erwähnten System kann der Diffusor durch eine erste Wand und eine zweite Wand definiert sein, wobei die erste Wand radial näher an der Längsachse des Gasturbinentriebwerks als die zweite Wand angeordnet ist und wobei die erste Wand zwischen dem Diffusor und dem wenigstens einen Inducer angeordnet ist.
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Der zweite Einlass und der zweite Auslass des wenigstens einen Inducers können ferner radial innen von der ersten Wand in Richtung der Längsachse des Gasturbinentriebwerks angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Auslass des wenigstens einen Inducers axial vor einem körperfernen Ende der ersten Wand angeordnet sein, wobei sich das körperferne Ende der ersten Wand benachbart zu dem ersten Auslass befindet.
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In dem System des vorstehend erwähnten Typs kann der zweite Einlass des wenigstens einen Inducers axial vor dem körperfernen Ende der ersten Wand angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Einlass des wenigstens einen Inducers mit dem körperfernen Ende der ersten Wand axial ausgerichtet sein.
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In dem System jedes beliebigen Typs, der die vorstehend erwähnte erste Wand aufweist, können der zweite Einlass und der zweite Auslass des wenigstens einen Inducers radial zwischen der ersten Wand und der Längsachse des Gasturbinentriebwerks angeordnet sein.
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In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der zweite Einlass des Diffusors axial vor dem ersten Auslass des Diffusors angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Einlass mit dem ersten Auslass des Diffusors axial ausgerichtet sein.
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In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der wenigstens eine Inducer einen Axial-Inducer, einen Axial-Radial-Diffusor, einen Radial-Diffusor, einen Radial-Axial-Inducer oder jede beliebige Kombination von diesen aufweisen.
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In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der wenigstens eine Inducer mit der Induceranordnung integral oder von der Induceranordnung entfernbar sein.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist ein System ein Gasturbinentriebwerk auf, das einen Verdichter, eine Turbine, ein Gehäuse und einen Rotor aufweist. Das Gehäuse und der Rotor sind zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet, und das Gehäuse und der Rotor definieren einen Hohlraum zur Aufnahme einer Fluidströmung aus dem Verdichter. Die Gasturbine weist ferner einen Diffusor auf, der hinter dem Verdichter angeordnet ist. Der Diffusor ist eingerichtet, um die Fluidströmung aus dem Verdichter aufzunehmen, wobei der Diffusor von einer ersten Wand und einer zweiten Wand definiert ist, wobei die erste Wand radial näher an einer Längsachse des Gasturbinentriebwerks als die zweite Wand angeordnet ist und wobei der Diffusor einen ersten Einlass in der Nähe des Verdichters und einen ersten Auslass körperfern von dem Verdichter aufweist. Die Gasturbine weist ferner eine Induceranordnung auf, die wenigstens einen Inducer aufweist. Die erste Wand ist zwischen dem Diffusor und dem wenigstens einen Inducer angeordnet, wobei der wenigstens eine Inducer einen Strömungsdurchgang aufweist, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung in den Hohlraum hinein zu leiten. Der Strömungsdurchgang weist einen zweiten Einlass, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung aufzunehmen, und einen zweiten Auslass auf, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung in den Hohlraum hinein auszugeben. Der zweite Einlass und der zweite Auslass sind radial näher an der Längsachse des Gasturbinentriebwerks angeordnet als die erste Wand.
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In dem zuvor erwähnten System der zweiten Ausführungsform kann der zweite Auslass des wenigstens einen Inducers axial vor dem ersten Auslass des Diffusors angeordnet sein.
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Ferner kann der zweite Einlass des wenigstens einen Inducers axial vor dem ersten Auslass des Diffusors angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Einlass des wenigstens einen Inducers mit dem ersten Auslass des Diffusors axial ausgerichtet sein.
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In dem System der zweiten Ausführungsform jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der zweite Auslass des wenigstens einen Inducers axial vor einem körperfernen Ende der ersten Wand angeordnet sein, wobei sich das körperferne Ende der ersten Wand benachbart zu dem ersten Auslass befindet.
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In dem zuvor erwähnten System der zweiten Ausführungsform kann der zweite Einlass des wenigstens einen Inducers axial vor dem körperfernen Ende der ersten Wand angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Einlass des wenigstens einen Inducers mit dem körperfernen Ende der ersten Wand axial ausgerichtet sein.
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In dem System der zweiten Ausführungsform jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs können der zweite Einlass und der zweite Auslass des wenigstens einen Inducers radial innen von der ersten Wand in Richtung der Längsachse des Gasturbinentriebwerks angeordnet sein.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform weist ein System wenigstens einen Inducer auf, der einen Strömungsdurchgang aufweist, der eingerichtet ist, um eine Fluidströmung in einen von einem Gehäuse und einem Rotor eines Gasturbinentriebwerks definierten Hohlraum hinein zu leiten, wobei der Strömungsdurchgang einen Einlass, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung von einem Verdichterdiffusor des Gasturbinentriebwerks aufzunehmen, und einen Auslass aufweist, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung in den Hohlraum hinein auszugeben. Der wenigstens eine Inducer ist eingerichtet, um innerhalb des Gasturbinentriebwerks so angeordnet zu sein, dass der zweite Auslass axial vor einem Diffusorauslass des Verdichterdiffusors angeordnet ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher, wenn die folgende detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezeichnungen gleiche Teile in allen Zeichnungen bezeichnen, wobei:
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1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Gasturbinentriebwerks, die einen Strömungsinducer verwenden kann;
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2 ist eine im Querschnitt gezeigte Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Gasturbinentriebwerks aus 1, die eine Induceranordnung mit wenigstens einem Strömungsdurchgang oder Inducer (z.B. Axial- oder Radial-Inducer) aufweist;
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3 ist eine im Querschnitt gezeigte Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Gasturbinentriebwerks aus 1, die eine Induceranordnung mit wenigstens einem Strömungsdurchgang oder Inducer (z.B. Axial- oder Radial-Inducer) aufweist;
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4 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Inducers, die entlang der Linie 4-4 der 3 geschnitten ist; und
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5 ist ein schematisches Diagramm einer Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Gasturbinentriebwerks aus 1, die eine Induceranordnung (z.B. integrale oder entfernbare Inducer) mit mehreren Strömungsdurchgängen aufweist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachstehend sind eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bestreben, eine knappe und präzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können gegebenenfalls in der Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung beschrieben sein. Es sollte verständlich sein, dass bei der Entwicklung jeder derartiger tatsächlicher Implementierung, wie bei jedem Entwicklungs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die speziellen Ziele der Entwickler zu erreichen, wie beispielsweise eine Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte es verständlich sein, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex und zeitintensiv sein könnte, aber dennoch für Fachleute mit dem Nutzen dieser Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen zur Konstruktion, Erzeugung und Herstellung darstellen würde.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein”, „eine”, „der”, „die”, „das” und „diese(r, s)” bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke „aufweisen”, „enthalten” und „umfassen” sollen inklusive sein und bedeuten, dass außer den aufgelisteten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke mit einer Induceranordnung zur Schaffung eines Kühlstroms in einem Hohlraum des Gasturbinentriebwerks. Der Inducer leitet eine Kühlströmung von dem Verdichter eines Gasturbinentriebwerks zu anderen Teilen des Triebwerks. Verdichtete Luft/Gase strömen durch einen Diffusor, der den Druck der Gase erhöht, bevor sie mit einem Brennstoff vermischt und in der Brennkammer verbrannt werden. Der Inducer leitet einen Teil der verdichteten Luft, bevor sie als ein Kühlstrom verbrannt wird, um. Anstatt den Inducer einfach an das Ende des Diffusors zu befestigen, wird der Inducer auf eine solche Weise gepackt, dass er vor einem Austritt eines Diffusorströmungspfads angeordnet ist. Somit wird die aus dem Diffusor ausströmende Luft zurück in Richtung des Verdichterabschnitts der Gasturbine geleitet, bevor sie durch den Inducer in die Kühlpfade durch den gesamten Rest des Triebwerks strömt.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Systems 10, das ein Gasturbinentriebwerk 12 enthält, das einen oder mehrere Inducer (z.B. eine Induceranordnung) verwenden kann, die eingerichtet sind, um, wie nachstehend detailliert beschrieben, ein Kühlfluid zu einem Hohlraum innerhalb des Gasturbinentriebwerks 12 zu leiten. In bestimmten Ausführungsformen kann das System 10 ein Flugzeug, ein Wasserfahrzeug, eine Lokomotive oder deren Kombinationen aufweisen. Das veranschaulichte Gasturbinentriebwerk 12 weist einen Lufteinlassabschnitt 16, einen Verdichter 18, einen Brennkammerabschnitt 20, eine Turbine 22 und einen Auslassabschnitt 24 auf. Die Turbine 22 ist über eine Welle 26 mit dem Verdichter 18 verbunden.
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Wie durch die Pfeile angedeutet, kann Luft durch den Einlassabschnitt 16 in das Gasturbinentriebwerk 12 eintreten und in den Verdichter 18 hineinströmen, der die Luft verdichtet, bevor sie in den Brennkammerabschnitt 20 eintritt. Der veranschaulichte Brennkammerabschnitt 20 weist ein Brennkammergehäuse 28 auf, das zentral oder ringförmig um die Welle 26 herum zwischen dem Verdichter 18 und der Turbine 22 angeordnet ist. Die verdichtete Luft aus dem Verdichter 18 tritt in die Brennkammern 30 ein, wo sich die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischen und innerhalb der Brennkammern 30 verbrennen kann, um die Turbine 22 anzutreiben.
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Die heißen Gase strömen aus dem Brennkammerabschnitt 20 durch die Turbine 22 hindurch, wodurch sie den Verdichter 18 mittels der Welle 26 antreiben. Die Verbrennungsgase können beispielsweise Antriebskräfte auf die Turbinenlaufschaufeln innerhalb der Turbine 22 ausüben, um die Welle 26 zu drehen. Nachdem sie durch die Turbine 22 hindurch geströmt sind, können die heißen Verbrennungsgase das Gasturbinentriebwerk 12 durch den Auslassabschnitt 24 verlassen. Wie nachstehend beschrieben, kann die Turbine 22 einen oder mehrere Inducer 29 vor einem Diffusor 34 (z.B. einem Verdichterdiffusorbereich 34) aufweisen. Der Diffusor 34 kann das von dem Verdichter 18 verdichtete Gas ausbreiten, was den Druck erhöht und das Gas vorbereitet, um zu der Brennkammer 30 zu strömen und mit dem Brennstoff vermischt und verbrannt zu werden. Der Diffusor 34 kann auch ein Kühlfluid leiten, um die Welle 26 und die Turbine 22 zu kühlen. Eine Anordnung des einen oder der mehreren Inducer 29 vor dem Diffusor 34 ermöglicht, dass die Gesamtlänge und -weite des Gasturbinentriebwerks 12 (z.B. in Längsrichtung und in Radialrichtung) verkürzt werden kann, wodurch es möglich wird, das System 10 in einem kleineren Raum zu betreiben.
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2 ist eine ausschnittsweise im Querschnitt gezeigte Seitenansicht einer Ausführungsform eines Abschnitts des Gasturbinentriebwerks 12, das eine Fluidströmungsinduceranordnung 32 mit einem oder mehreren Inducern 29 (z.B. Axial- oder Radial-Inducern) zum Leiten einer Kühlfluidströmung (z.B. Luftströmung) in Richtung des Turbinenabschnitts 22 des Triebwerks 12 aufweist. Obwohl sie hinsichtlich eines Gasturbinentriebwerks 12 beschrieben sind, kann die Induceranordnung 32 oder können ihre Inducer 29 in anderen Anwendungen verwendet werden. Wie vorstehend beschrieben, weist das Gasturbinentriebwerk 12 den Verdichter 18, den Brennkammerabschnitt 20 und die Turbine 22 auf. Wie nachstehend beschrieben, sind der Verdichter 18 und die Turbine 22 über den Rotor miteinander verbunden. Der Verdichter 18 weist eine erste Wand 36, deren ein Abschnitt als ein Verdichterauslassgehäuse oder eine Verdichterstatorkomponente bekannt sein kann, und eine innere Rotorkomponente 38 (z.B. einen Verdichterrotor) auf. Ein Diffusor 34, der wenigstens teilweise durch die erste Wand 36 und eine zweite Wand 37, die auch als äußeres Gehäuse bekannt sein kann, definierter ist, ist hinter oder stromabwärts von dem Verdichter 18 angeordnet. Die erste Wand 36 definiert die innere Begrenzung des Diffusors 34, was bedeutet, dass die erste Wand 36 eine Begrenzung definiert, die der Längsachse 80 näher ist als die zweite Wand 37. Die gezeigte erste Wand 36 kann im Wesentlichen gerade (z.B. parallel zu der Achse 80) sein, so dass die erste Wand 36 eine zylindrische oder ringförmige Form aufweist. Die zweite Wand 37 definiert die äußere Begrenzung des Diffusors 34. Im Verlauf in axialer Richtung 54 divergiert die zweite Wand 37 von der Längsachse 80, so dass die zweite Wand 37 eine divergierende ringförmige Form aufweist. Die Form entweder der ersten Wand 36 oder der zweiten Wand 37 kann von der in 2 gezeigten Form verschieden sein. Entlang der axialen Richtung 54 kann die erste Wand 36 beispielsweise in die radiale Richtung 52 angewinkelt sein (z.B. in Richtung der Längsachse 80 konvergieren oder von ihr weg divergieren). Die zweite Wand 37 kann auch eine zylindrische Form aufweisen. In einer bestimmten Ausführungsform können jedoch die erste und die zweite Wand 36 und 37 des Diffusors 34 im Wesentlichen in die stromabwärts gerichtete axiale Richtung 54 voneinander divergieren, wodurch sie eine Ausbreitung der verdichteten Luftströmung in die axiale und/oder die radiale Richtung 54 und 52 bewirken. Somit können die erste und die zweite Wand 36 und 37 des Diffusors 34 im Wesentlichen einen sich ringförmig erweiternden Durchgang definieren.
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Der Diffusor 34 weist einen Einlass 42 (z.B. eine ringförmige Öffnung oder einen ringförmigen Durchgang) in der Nähe des Verdichters 18 und einen ersten Auslass 43 (z.B. eine ringförmige Öffnung oder einen ringförmigen Durchgang) und einen zweiten Auslass 44 (z.B. eine ringförmige Öffnung oder einen ringförmigen Durchgang) an dem körperfernen Ende des Diffusors 34, weg von dem Kompressor 18 auf. Ein Fluid (z.B. Luft und/oder ein anderes Gas), auf das als eine Fluidströmung 46 Bezug genommen wird, strömt durch den Verdichter 18 hindurch und wird innerhalb dieses unter Druck gesetzt. Der Diffusor 34 führt einen Teil der Fluidströmung 46 in einer Längsrichtung 54 und etwas von einer radialen Richtung 52 weg, entlang eines Durchgangs 48 (z.B. eines ringförmigen Durchgangs) neben der zweiten Wand 37 und durch den ersten Auslass 43 zu den Brennkammern 20. Zusätzlich führt der Diffusor 34 einen weiteren Teil 50 der Fluidströmung 46 in der Längsrichtung 54 entlang eines Durchgangs 48 (z.B. eines ringförmigen Durchgangs) neben der ersten Wand 36. Wie veranschaulicht, können die Durchgänge 48 durch eine Trennwand oder eine Streuvorrichtung 49 (z.B. eine ringförmige Streuvorrichtung) voneinander getrennt sein, die zwischen den Wänden 36 und 37 in einer koaxialen Anordnung angeordnet ist. Die Streuvorrichtung 49 kann in die stromabwärts gerichtete axiale Richtung 54 divergieren, wodurch sie dabei unterstützt, die Fluidströmungen entlang der Wände 36 und 37 zu führen. Die erste Fluidströmung (z.B. Luft) strömt erneut entlang der Wand 37, unter einem Winkel radial von der Achse 80 weg, während die zweite Fluidströmung (z.B. Luft) entlang der Achse 80 strömt. Danach strömt der Fluidströmungsanteil 50 durch den zweiten Auslass 44 hindurch in eine nach innen gerichtete Richtung 52 zu der Achse 80 hin und dann in eine stromaufwärts gerichtete axiale Richtung entgegengesetzt zu der stromabwärts gerichteten axialen Richtung 54 zu der Induceranordnung 32 hin.
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Die Turbine 22 weist eine Turbinenstatorkomponente 58 und eine Innenrotorkomponente 60 (z.B. einen Turbinenrotor) auf. Die Rotorkomponente 60 kann mit einem oder mehreren Turbinenrädern 62, die in einem Turbinenradraum 64 angeordnet sind, verbunden sein. Verschiedene Turbinenlaufschaufeln 66 sind an den Turbinenrädern 62 montiert, während Turbinenstatorschaufeln oder Leitschaufeln 68 an festen Positionen in der Turbine 22 angeordnet sind. Die Laufschaufeln 66 und die Statorschaufeln 68 bilden Turbinenstufen. Die angrenzenden Enden des Verdichterrotors 38 und des Turbinenrotors 60 können miteinander verbunden (z.B. miteinander verschraubt) sein, um eine innere drehbare Komponente oder einen Rotor 70 zu bilden. Eine Rotorverbindung 72 kann die angrenzenden Enden der Rotoren 38, 60 verbinden. Die angrenzenden Enden der ersten Wand 36 und der Turbinenstatorkomponente 58 können miteinander verbunden (z.B. miteinander verschraubt) sein, um ein äußeres stationäres Gehäuse 74 zu bilden, das den Rotor 70 umgibt. In bestimmten Ausführungsformen bilden die erste Wand 36 und die Turbinenstatorkomponente 58 eine einzige Komponente ohne die Verwendung von Flanschen oder Verbindungen, um das Gehäuse 74 zu bilden. Die Komponenten des Verdichters 18 und der Turbine 22 definieren auf diese Weise den Rotor 70 und das Gehäuse 74. Wie gezeigt, definieren die Verdichter- und Turbinenkomponenten einen Hohlraum 76 (z.B. einen ringförmigen Hohlraum). Abhängig von der Lage der Induceranordnung 32 oder der Inducer 29 kann der Hohlraum 76 jedoch ausschließlich durch Turbinenkomponenten definiert sein. Die Induceranordnung 32 oder der Inducer 29 kann beispielsweise zwischen Turbinenstufen angeordnet sein.
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In den offenbarten Ausführungsformen unterstützt die Induceranordnung 32 eine Kühlung des Radzwischenraums 64 und/oder der Rotorverbindung 72. Der Inducer 29 kann von beliebiger Inducerbauart sein, einschließlich integrierter Inducer, die als ein Loch oder ein Durchgang in dem Gehäuse 74 ausgebildet sind. Der Inducer 29 kann auch modulare Inducer aufweisen, die gebildet sind, um in das Gehäuse 74 hineinzupassen, und eingerichtet sind, um während der Wartungsarbeiten entfernt oder ersetzt zu werden. Insbesondere um die Turbine 22 und/oder andere Teile des Gasturbinentriebwerks 12 zu kühlen, nimmt der Inducer 29 einen Teil 50 der Fluidströmung 46 aus dem Verdichter 18 durch einen Inducereinlass 31 auf. Der Inducereinlass 31 kann sich benachbart zu dem körperfernen Ende der ersten Wand 36 befinden, oder er kann, wie in 2 gezeigt, weiter weg von dem Ende der ersten Wand 36 angeordnet sein. Der Fluidströmungsanteil 50 kann auf diese Weise um die erste Wand 52 herum in radiale Richtung 52 und dann zurück in eine stromaufwärts gerichtete axiale Richtung, die der stromabwärts gerichteten axialen Richtung 54 entgegengesetzt ist, strömen, bevor er in den Inducereinlass 31 eintritt. Der Inducer 29 kann somit als sich unterhalb (z.B. radial nach innen gerichtet von) der ersten Wand 36 gekennzeichnet werden. Nach dem Inducereinlass 31 führt der Fluidströmungsanteil 50 durch einen Strömungsdurchgang 35, der durch die inneren Begrenzungen des Inducers 29 definiert ist. Wie gezeigt, leitet der Strömungsdurchgang 35 den Fluidströmungsanteil 50 im Wesentlichen in die radiale Richtung 52. Das Fluid verlässt dann die Induceranordnung 32 durch den Inducerauslass 33 und leitet den Fluidströmunganteil 50 in den Hohlraum 76 um, um eine Hohlraumfluidströmung 78 zu erzeugen. Der Inducerauslass 33 kann in Längsrichtung an einer ersten Position 82 entlang der in Längsrichtung verlaufenden Rotationsachse 80 angeordnet sein. Unterdessen kann der Auslass 44 des Diffusors 34 in Längsrichtung an einer zweiten Position 84, wie z.B. an der gezeigten Position an dem Ende der ersten Wand 36, angeordnet sein. Die Position des Inducers 29 kann in der radialen Richtung 52 unterhalb der ersten Wand 36 liegen.
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Wie in 2 gezeigt, kann die erste Position 82 in Längsrichtung vor (d.h. stromaufwärts von) der zweiten Position 84 in Längsrichtung liegen. D.h. die erste Position 82 in Längsrichtung kann axial näher an dem Verdichter 18 und axial weiter entfernt von der Turbine 22 liegen. Eine Überlappungsstrecke 86 zeigt die axiale Entfernung, um die die Induceranordnung 32 vor dem Auslass 44 angeordnet ist (d.h. die axiale Entfernung zwischen der ersten 82 und der zweiten 84 Stelle in Längsrichtung). Die Überlappungsstrecke 86 ist nicht nur auf die in der 2 wahrnehmbare Entfernung beschränkt. Die Überlappungsstrecke 86 zwischen den Stellen (d.h. zwischen der ersten Stelle 82 in Längsrichtung und der zweiten Stelle 84 in Längsrichtung) kann für ein bestimmtes Gasturbinentriebwerk 12 jede beliebige Entfernung sein. Die Überlappungsstrecke 86 kann beispielsweise Null betragen, wodurch der Inducereinlass 31 axial mit dem Diffusorauslass 44 ausgerichtet ist und der Einlass 31 mit dem körperfernen Ende der ersten Wand 36 axial ausgerichtet ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Inducerauslass 33 jedoch vor (d.h. axial stromaufwärts von) dem Diffusorauslass 44 angeordnet um zu ermöglichen, dass die Induceranordnung 32 und der Diffusor 34 weniger Länge 55 in Längsrichtung besetzen. Zusätzlich kann die Platzierung der Induceranordnung 32 unterhalb (z.B. radial innen von) der ersten Wand 36 dem Gasturbinentriebwerk 12 ermöglichen, weniger radialen 52 Raum einzunehmen, was die Höhe 53 der Induceranordnung 32 und/oder des Diffusors 34 reduziert. Die Reduktion der Höhe 53 und der Länge 55 dieser Bereiche (z.B. der Induceranordnung 32 und des Diffusors 34) des Gasturbinentriebwerks 12 ermöglicht es, auch die Gesamthöhe und -länge des Gasturbinentriebwerks 12 zu reduzieren. Alternativ kann die Gesamtlänge des Gasturbinentriebwerks 12 selbstverständlich konstant bleiben, während die Reduktion der Länge des Diffusors/Inducers durch eine proportionale Erhöhung der Länge anderer Bereiche des Gasturbinentriebwerks (z.B. des Einlasses 16, des Verdichters 18, der Turbine 22, des Auslasses 24) ausgeglichen wird. Die Ausgangsleistung/Längeneinheit des Gasturbinentriebwerks 12 kann auf diese Weise mit der offenbarten Ausführungsform des Diffusors 34 und der Induceranordnung 32 vergrößert werden.
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In bestimmten Ausführungsformen kann die Induceranordnung 32 den Fluidströmungsanteil 50 von einer Quelle (z.B. Fluidströmungsquelle) aufnehmen, die in Bezug auf die Gasturbine 10 extern ist (z.B. Abfallfluid eines integrierten Vergasungs-Kombinationszyklus-Systems, IGCC-Systems). Zusätzlich leitet der Inducer 29 den Fluidströmungsanteil 50 (z.B. die Inducerfluidströmung) im Wesentlichen in Umfangsrichtung 56, um diese um die Längsachse 80 (z.B. die Drehachse) des Gasturbinentriebwerks 12 herumzuwirbeln, damit sie sich zur Bildung eines Kühlmediums 90 (z.B. einer Kühlfluidströmung) mit der Hohlraumfluidströmung 78 vermischt. Die Kühlfluidströmung 90 und/oder die Hohlraumfluidströmung 78 kann/können in Richtung des Radzwischenraums 64 und/oder der Rotorverbindung 72 geleitet werden. Insbesondere kann ein Teil der Kühlfluidströmung 90 durch den Hohlraum 76 strömen, um mit dem Radzwischenraum 64 und/oder der Rotorverbindung 72 zu interagieren und diese zu kühlen.
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3 ist eine im Querschnitt gezeigte ausschnittsweise Seitenansicht einer Ausführungsform eines Abschnitts des Gasturbinentriebwerks 12 mit der Fluidströmungsinduceranordnung 32, die einen oder mehrere Inducer 29 (z.B. Axial-Radial-Inducer) aufweist, um die Kühlfluidströmung (z.B. Luftströmung) in Richtung des Turbinenabschnitts 22 des Triebwerks 12 zu leiten. Obwohl sie hinsichtlich des Gasturbinentriebwerks 12 beschrieben ist, können die Induceranordnung 32 oder die Inducer 29 in anderen Anwendungen verwendet werden. Wie in der in 2 gezeigten, vorstehend beschriebenen Ausführungsform, weist das Gasturbinentriebwerk 12 den Verdichter 18, den Brennkammerabschnitt 20 und die Turbine 22 auf. Der Verdichter 18 weist eine erste Wand 36 auf, deren ein Abschnitt als ein Verdichterauslassgehäuse oder eine Verdichterstatorkomponente bezeichnet werden kann, und eine innere Rotorkomponente 38 (z.B. einen Verdichterrotor) auf. Ein Diffusor 34, der wenigstens teilweise durch die erste Wand 36 und eine zweite Wand 37 definiert ist, die auch als ein äußeres Gehäuse bezeichnet werden kann, ist hinter oder stromabwärts von dem Verdichter 18 angeordnet. Die erste Wand 36 definiert die innere Begrenzung des Diffusors 34, was bedeutet, dass die erste Wand 36 eine Begrenzung definiert, die näher an einer Längsachse 80 liegt als die zweite Wand 37. Die veranschaulichte erste Wand 36 kann im Wesentlichen gerade (z.B. parallel zur Achse 80) verlaufen, so dass die erste Wand 36 eine zylindrische oder ringförmige Form aufweist. Die zweite Wand 37 definiert die äußere Begrenzung des Diffusors 34. In ihrem Verlauf in axialer Richtung 54 divergiert die zweite Wand 37 von der Längsachse 80, so dass die zweite Wand 37 eine divergierende ringförmige Form aufweist. Die Form entweder der ersten Wand 36 oder der zweiten Wand 37 kann von der in 2 gezeigten Form verschieden sein. In ihrem Verlauf in axialer Richtung 54 kann die erste Wand 36 beispielsweise in die radiale Richtung 52 angewinkelt sein (z.B. zu der Längsachse 80 hin konvergieren oder von ihr weg divergieren). Auch kann die zweite Wand 37 eine zylindrische Form aufweisen. In einer bestimmten Ausführungsform können die erste und zweite Wand 36 und 37 des Diffusors 34 jedoch allgemein in die stromabwärts gerichtete axiale Richtung 54 voneinander divergieren, wodurch sie eine Ausbreitung der verdichteten Luftströmung in die axiale und/oder radiale Richtung 54 und 52 bewirken. Somit können die erste und zweite Wand 36 und 37 des Diffusors 34 allgemein einen sich erweiternden ringförmigen Durchgang definieren.
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Wie in 2 weist das Gasturbinentriebwerk 12 der 3 vielfältige Komponenten für die Turbine 22, wie z.B. Räder 62 und Schaufeln 66, 68, auf. Die angrenzenden Enden des Verdichterrotors 38 und des Turbinenrotors 60 können miteinander verbunden (z.B. miteinander verschraubt) sein, um eine innere drehbare Komponente oder den Rotor 70 zu bilden. Die Rotorverbindung 72 kann die angrenzenden Enden der Rotoren 38, 60 verbinden. Die angrenzenden Enden der ersten Wand 36 und der Turbinenstatorkomponente 58 können miteinander verbunden (z.B. miteinander verschraubt) sein, um ein äußeres stationäres Gehäuse 74 zu bilden, das den Rotor 70 umgibt. In bestimmten Ausführungsformen bilden die erste Wand 36 und die Turbinenstatorkomponente 58 eine einzige Komponente ohne die Verwendung von Flanschen oder Verbindungen, um das Gehäuse 74 zu bilden. Die Komponenten des Verdichters 18 und der Turbine 22 definieren auf diese Weise den Rotor 70 und das Gehäuse 74. Wie gezeigt, definieren die Verdichter- und Turbinenkomponenten einen Hohlraum 76 (z.B. einen ringförmigen Hohlraum). Abhängig von der Lage der Induceranordnung 32 oder der Inducer 29 kann der Hohlraum 76 jedoch ausschließlich durch Turbinenkomponenten definiert sein. Die Induceranordnung 32 oder der Inducer 29 kann beispielsweise zwischen Turbinenstufen angeordnet sein.
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In den offenbarten Ausführungsformen unterstützt die Induceranordnung 32 eine Kühlung des Radzwischenraums 64 und/oder der Rotorverbindung 72. Der Inducer 29 kann erneut von beliebiger Inducerbauart sein, einschließlich integrierter Inducer, die als ein Loch oder ein Durchgang in dem Gehäuse 74 ausgebildet sind. Der Inducer 29 kann auch modulare Inducer aufweisen, die gebildet sind, um in das Gehäuse 74 hineinzupassen, und eingerichtet sind, um während Wartungsarbeiten entfernt oder ersetzt zu werden. Insbesondere nimmt die Induceranordnung 32 einen Teil 50 der Fluidströmung 46 aus dem Verdichter 18 über den Diffusor 34 durch einen Inducereinlass 31 auf. Die Induceranordnung 32 lenkt den Fluidströmungsanteil 50 im Wesentlichen in die radial 52-zu axial 54-Richtung. Dies ist weiter in der sich auf 4 beziehenden Beschreibung erläutert. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, bildet das Gasturbinentriebwerk 12 während des Betriebs einen Hohlraum 76 zwischen dem Gehäuse 74 und dem Rotor 70. Der Inducerauslass 33 kann in Längsrichtung an einer ersten Position 82 entlang der in Längsrichtung verlaufenden Rotationsachse 80 angeordnet sein. Unterdessen kann der Auslass 44 des Diffusors 34 in Längsrichtung an einer zweiten Position 84 an dem körperfernen Ende der ersten Wand 36, wie z.B. an der gezeigten Position an dem körperfernen Ende der ersten Wand 36, angeordnet sein. Die Position des Inducers 29 (d.h. des Inducereinlasses 31 und des Inducerauslasses 33) kann in der radialen Richtung 52 unterhalb der ersten Wand 36 liegen.
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Wie die in 2 gezeigte Ausführungsform kann die erste Position 82 in Längsrichtung vor (d.h. stromaufwärts von) der zweiten Position 84 in Längsrichtung liegen. D.h. die erste Position 82 in Längsrichtung kann axial näher an dem Verdichter 18 und axial weiter entfernt von der Turbine 22 liegen. Eine Überlappungsstrecke Distanz 86 zeigt die axiale Entfernung, um die die Induceranordnung 32 vor dem Auslass 44 angeordnet ist (d.h. die axiale Entfernung zwischen der ersten 82 und der zweiten 84 Stelle in Längsrichtung). Die Überlappungsstrecke 86 ist nicht nur auf die in der 2 wahrnehmbare Entfernung beschränkt. Die Überlappungsstrecke 86 zwischen den Stellen (d.h. zwischen der ersten Stelle 82 in Längsrichtung und der zweiten Stelle 84 in Längsrichtung) kann für ein bestimmtes Gasturbinentriebwerk 12 jede beliebige Entfernung sein. Die Überlappungsstrecke 86 kann beispielsweise Null betragen, wodurch der Inducereinlass 31 axial mit dem Diffusorauslass 44 ausgerichtet ist. Dadurch dass der Inducerauslass 33 vor dem Diffusorauslass 44 angeordnet ist, wird ermöglicht, dass die Induceranordnung 32 und der Diffusor 34 weniger Länge in Längsrichtung besetzen. Zusätzlich kann die Platzierung der Induceranordnung 32 unterhalb (z.B. radial innen von) der ersten Wand 36 dem Gasturbinentriebwerk 12 ermöglichen, weniger radialen 52 Raum zu besetzen, was die Höhe der Induceranordnung 32 und/oder des Diffusors 34 reduziert. Die Reduktion der Höhe und der Länge dieser Bereiche (z.B. der Induceranordnung 32 und des Diffusors 34) des Gasturbinentriebwerks 12 ermöglicht es, auch die Gesamthöhe und -länge des Gasturbinentriebwerks 12 zu reduzieren. Alternativ kann die Gesamtlänge des Gasturbinentriebwerks 12 selbstverständlich konstant bleiben, während die Reduktion der Länge des Diffusors/Inducers durch eine proportionale Erhöhung der Länge anderer Bereiche des Gasturbinentriebwerks (z.B. des Einlasses 16, des Verdichters 18, der Turbine 22, des Auslasses 24) ausgeglichen wird. Die Ausgangsleistung/Längeneinheit des Gasturbinentriebwerks 12 kann auf diese Weise mit den offenbarten Ausführungsformen des Diffusors 34 und der Induceranordnung 32 erhöht werden.
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In bestimmten Ausführungsformen kann die Induceranordnung 32 den Fluidströmungsanteil 50 von einer Quelle (z.B. Fluidströmungsquelle) aufnehmen, die für die Gasturbine 10 extern ist (z.B. Abfallfluid eines integrierten Vergasungs-Kombinationszyklus-Systems, IGCC-Systems). Zusätzlich leitet der Inducer 29 den Fluidströmungsanteil 50 (z.B. die Inducerfluidströmung) im Wesentlichen in eine Umfangsrichtung 56, um sie um die Längsachse 80 (z.B. die Drehachse) des Gasturbinentriebwerks 12 herumzuwirbeln, um sie zur Bildung eines Kühlmediums 90 (z.B. einer Kühlfluidströmung) mit der Hohlraumfluidströmung 78 zu vermischen.
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Die Kühlfluidströmung 90 und/oder die Hohlraumfluidströmung 78 können in Richtung des Radzwischenraums 64 und/oder der Rotorverbindung 72 gerichtet werden. Insbesondere kann ein Teil der Kühlfluidströmung 90 durch den Hohlraum 76 strömen, um mit dem Radzwischenraum 64 und/oder der Rotorverbindung 72 zu interagieren und diese zu kühlen.
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4 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Inducers 88 der Induceranordnung 32. Der in 4 gezeigte Inducer 88 kann ein modularer Inducer sein, der eingerichtet ist, um aus dem Gehäuse 74 entfernbar zu sein, wenn das Triebwerk 12 nicht in Betrieb ist. Beispielsweise kann das Gehäuse 74 während einer Wartungsmaßnahme von dem Rotor 70 getrennt werden, wodurch der Zugang zu dem Inducer 88 und der Induceranordnung 32 erleichtert wird. Der Inducer 88 kann unter Verwendung von Befestigungsmitteln installiert werden, die durch die Bolzenlöcher 96 hindurch gesichert werden. Der Inducer 88 weist den Einlass 31 und den Auslass 33 auf, die in 2 und 3 gezeigt sind. Wie vorstehend beschrieben, führt der Inducer 88 den Fluidströmungsanteil 50 durch den Strömungsdurchgang 35 hindurch in Richtung des Hohlraums 76. Der Fluidströmungsanteil 50 verlässt dann die Induceranordnung 32 durch den Inducerauslass 33, und der Fluidströmunganteil 50 wird in den Hohlraum 76 hinein geleitet, um eine Hohlraumfluidströmung 78 zu erzeugen. Der gezeigte Inducer 88 veranschaulicht einen Radial-Axial-Inducer. D.h., die Fluidströmung 50 strömt zunächst in eine radiale Richtung 52, wird aber dann durch den Strömungsdurchgang 35 in die axiale Richtung 54 umgelenkt. Es können andere Inducer 88 vorhanden sein, die einen Strömungsdurchgang 35 aufweisen, der die Fluidströmung 50 nur in die radiale Richtung 52 oder nur in die axiale Richtung 54 leitet. Wie ebenfalls veranschaulicht, kann der Inducer eine Einlassweite 92 aufweisen, die größer als eine Auslassweite 94 ist. Die Differenz zwischen den Weiten (z.B. der Einlassweite 92 und der Auslassweite 94) können der Fluidströmung 50 ermöglichen, ihre Geschwindigkeit zu erhöhen, während sie aus dem Auslass 33 austritt und in den Hohlraum 76 eintritt. Eine Erhöhung der Fluidströmungsgeschwindigkeit kann eine stärkere Konvektionskühlfluidströmung schaffen, die zu einer schnelleren Kühlung des Turbinenabschnitts 22 führt, da die Fluidströmung 50 den Turbinenabschnitt 22 schneller erreicht. Einige Ausführungsformen können auch Inducer 88 aufweisen, die eine umlaufende 56 Drehung schaffen, die einen Drall in der gleichen Richtung hervorruft, in die sich der Rotor 70 dreht. Dieser Drall in Umfangsrichtung 56 ermöglicht einen geringeren Luftwiderstand an dem Rotor 70, wenn dieser um die Längsachse 80 rotiert.
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5 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des Gasturbinentriebwerks 12 aus 1, die den Diffusor 34 und die Diffusoranordnung 32 mit mehreren Strömungsdurchgängen 35 (z.B. modularen Inducern 88) aufweist. Wie veranschaulicht, weist der Diffusor 34 die erste Wand 36 auf, die axial näher an der Längsachse 80 ist, und die zweite Wand 37, die axial weiter entfernt von der Längsachse 80 ist. Wie ebenfalls dargestellt, weist die Induceranordnung 32 vier Inducer 29, 88 auf, die längs des Umfangs um die Achse 80 herum voneinander beabstandet sind. Andere Ausführungsformen können mehr oder weniger Inducer 29, 88 aufweisen. Beispielsweise kann die Induceranordnung 32 1, 2, 3, 10, 25 oder mehr Inducer 29, 88 aufweisen. Jeder Inducer 29 kann den Einlass (z.B. den Einlass 31) und den Auslass (z.B. den Auslass 33) aufweisen. Wie veranschaulicht, können die Inducer 29, 88 modulare Inducersteckeinsätze sein. Die modularen Inducereinsätze können entfernbar sein, wie durch den Inducer 88 veranschaulicht, der aus der Induceranordnung 32 teilweise entfernt gezeigt ist. Die Inducer 29 können der Fluidströmung 46 ermöglichen, durch den Inducerströmungsdurchgang 35 zu dem Hohlraum 76 zu strömen. Die Inducer 29, 88 können vor einem Auslass 44 für den Diffusors 34 installiert sein, was dem Diffusor 34 und/oder der Induceranordnung 32 ermöglicht, weniger Raum in Längsrichtung 54 und/oder in Radialrichtung 52 einzunehmen.
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Technische Effekte der offenbarten Ausführungsformen umfassen die Schaffung einer Induceranordnung 32 mit einem oder mehreren Inducern 29, 88 auf (z.B. Axial-, Axial-Radial- oder Radial-Inducern) für das Gasturbinentriebwerk 12. Insbesondere kann die Induceranordnung 32 eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Gasturbinentriebwerks 12 ermöglichen, indem sie die Länge des Diffusors 34 und der Abschnitte der Induceranordnung 32 des Gasturbinentriebwerks 12 in Längsrichtung minimiert. Die Induceranordnung 32 ist axial vor dem Auslass 44 des Diffusors 34 angeordnet und kann einen oder mehrere Inducer 29, 88 aufweisen. Die kürzere Länge des Diffusors 34 und der Abschnitte der Induceranordnung 32 kann es anderen Abschnitten des Gasturbinentriebwerks 12 ermöglichen, ihre Abmessung und Leistungserzeugung zu vergrößern, oder kann dem Gasturbinentriebwerk 12 ermöglichen, in Bereiche mit kleineren Größenbeschränkungen hinein zu passen.
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Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie Strukturelemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Ein System enthält wenigstens einen Inducer, der einen Strömungsdurchgang aufweist, der eingerichtet ist, um eine Fluidströmung in einen Hohlraum hinein zu leiten, der von einem Gehäuse und einem Rotor eines Gasturbinentriebwerks definiert ist, wobei der Strömungsdurchgang einen Einlass, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung von einem Verdichterdiffusor des Gasturbinentriebwerks aufzunehmen, und einen Auslass enthält, der eingerichtet ist, um die Fluidströmung in den Hohlraum hinein auszugeben. Der wenigstens eine Inducer ist eingerichtet, um innerhalb des Gasturbinentriebwerks angeordnet zu sein, so dass der Auslass axial vor einem Diffusorauslass des Verdichterdiffusors angeordnet ist.
