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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Der hier offenbarte Gegenstand der Erfindung betrifft Turbinenbaugruppen und insbesondere eine Verdichterauslassgehäuseanordnung.
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Eine Brennkammerbaugruppe einer Gasturbine ist so ausgelegt, dass sie aus einem Verdichter einen verdichteten, unter hohem Druck stehenden Luftstrom erhält, damit er zum Zwecke der Verbrennung mit einem Brennstoff gemischt wird. Das Leiten des verdichteten Luftstroms zur Brennkammer wird teilweise dadurch vereinfacht, dass der verdichtete Luftstrom einem Innenbereich eines Verdichterauslassgehäuses (VAG) zugeführt wird, das eine Rohrbrennkammer teilweise umgibt.
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Das VAG weist mindestens eine Strebe auf, die mit einem inneren Haltering eines Turbinengehäuses wirkverbunden ist. Der innere Haltering hält ein Ende einer Leitschaufel einer ersten Stufe, die sich nahe einem Einlass eines Turbinenabschnitts der Gasturbine befindet. Das andere Ende der Leitschaufel der ersten Stufe wird von einem äußeren Haltering gehalten. Die Strebe befindet sich nahe einem Austritt des Verdichters, so dass erwärmte Luft direkt auf den in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitt der Strebe auftrifft, wodurch bewirkt wird, dass sich die Strebe während des Anfahrens relativ schnell aufwärmt und während des Abfahrens relativ schnell abkühlt. Die schnelle Erwärmung der Strebe führt zu einer Wärmeausdehnung der Strebe, die auf den inneren Haltering drückt, der mit der Leitschaufel der ersten Stufe verbunden ist. Eine derartige Kraft auf die Leitschaufel der ersten Stufe bewirkt eine starke transiente Bewegung zwischen einem Übergangsteil und der Leitschaufel der ersten Stufe, wodurch mehr Luft zum Kühlen und Spülen dieser Bereiche eingesetzt werden muss. Die zum Kühlen und Spülen zusätzlich verwendete Luft wirkt sich unmittelbar auf den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine aus, da sämtliche Luft, die für einen anderen Zweck als zur Verbrennung verwendet wird, als Systemverlust angesehen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Verdichterauslassgehäuseanordnung einen Diffusor auf, der in der Nähe eines hinteren Bereichs eines Verdichterabschnitts angeordnet ist, wobei der Diffusor so ausgelegt ist, dass er einen verdichteten Luftstrom zu einem Innenbereich der Verdichterauslassgehäuseanordnung leitet. Ebenfalls enthalten ist eine Strebe, die im Innenbereich der Verdichterauslassgehäuseanordnung angeordnet ist und sich in der Nähe eines Austrittsbereichs des Diffusors befindet. Weiterhin ist ein Hitzeschild enthalten, der in der Nähe eines in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitts der Strebe angeordnet ist, wobei der Hitzeschild so ausgelegt ist, dass der verdichtete Luftstrom weniger stark auf die Strebe auftrifft.
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Die Strebe kann mit einer Trennwand des Verdichterauslassgehäuses und einem inneren Haltering wirkverbunden sein und dazwischen verlaufen.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Verdichterauslassgehäuseanordnung kann mit der Strebe wirkverbunden sein.
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Die Verdichterauslassgehäuseanordnung einer beliebigen zuvor erwähnten Art kann ferner eine Leitschaufel umfassen, die in der Nähe eines Einlasses eines Turbinenabschnitts angeordnet ist, wobei die Leitschaufel mit dem inneren Haltering und einem äußeren Haltering wirkverbunden ist.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Verdichterauslassgehäuseanordnung kann so ausgelegt sein, dass er eine Rate der Wärmeausdehnung der Strebe senkt.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Verdichterauslassgehäuseanordnung kann so ausgelegt sein, dass er eine Relativbewegung zwischen einem Übergangsteil und der Leitschaufel reduziert.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Verdichterauslassgehäuseanordnung kann über eine gesamte Länge der Strebe die Strebe entlang verlaufen.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Verdichterauslassgehäuseanordnung kann mit dem inneren Haltering wirkverbunden sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Brennkammerbaugruppe eine Brennkammer zum Erzeugen eines Heißgasstroms auf. Ebenfalls enthalten ist ein Übergangsteil, das so ausgelegt ist, dass es den Heißgasstrom zu einem Einlass eines Turbinenabschnitts leitet. Ferner enthalten ist eine Verdichterauslassgehäuseanordnung, die einen Abschnitt der Brennkammerbaugruppe umgibt und so ausgelegt ist, dass sie einen verdichteten Luftstrom erhält, der zur Verbrennung in der Brennkammer verwendet werden soll. Weiterhin enthalten ist ein Diffusor, der so ausgelegt ist, dass er den verdichteten Luftstrom von einem Verdichterabschnitt zu einem Innenbereich der Verdichterauslassgehäuseanordnung leitet. Ebenfalls enthalten ist eine Strebe, die in der Nähe eines Austrittsbereichs des Diffusors angeordnet ist. Weiterhin ist ein Hitzeschild enthalten, der in der Nähe eines in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitts der Strebe angeordnet ist, wobei der Hitzeschild so ausgelegt ist, dass der verdichtete Luftstrom weniger stark auf die Strebe auftrifft.
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Die Strebe der zuvor erwähnten Brennkammerbaugruppe kann mit einer Trennwand des Verdichterauslassgehäuses und einem inneren Haltering wirkverbunden sein und verläuft dazwischen.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Brennkammerbaugruppe kann mit der Strebe wirkverbunden sein.
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Die Brennkammerbaugruppe einer beliebigen zuvor erwähnten Art kann ferner eine Leitschaufel umfassen, die in der Nähe des Einlasses des Turbinenabschnitts angeordnet ist, wobei die Leitschaufel mit dem inneren Haltering und einem äußeren Haltering wirkverbunden ist.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Brennkammerbaugruppe kann so ausgelegt sein, dass er eine Rate der Wärmeausdehnung der Strebe senkt.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Brennkammerbaugruppe kann so ausgelegt sein, dass er eine Relativbewegung zwischen dem Übergangsteil und der Leitschaufel reduziert.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Brennkammerbaugruppe kann über eine gesamte Länge der Strebe die Strebe entlang verlaufen.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Brennkammerbaugruppe kann mit dem inneren Haltering wirkverbunden sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Gasturbine einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt, einen Turbinenabschnitt und eine Verdichterauslassgehäuseanordnung auf. Die Verdichterauslassgehäuseanordnung weist einen Diffusor auf, der so ausgelegt ist, dass er einen verdichteten Luftstrom von dem Verdichterabschnitt zu einem Innenbereich der Verdichterauslassgehäuseanordnung leitet. Die Verdichterauslassgehäuseanordnung weist auch eine Strebe auf, die in der Nähe eines Austrittsbereichs des Diffusors angeordnet ist, wobei die Strebe mit einer Trennwand des Verdichterauslassgehäuses und einem inneren Haltering eines Turbinengehäuses des Turbinenabschnitts wirkverbunden ist und dazwischen verläuft. Die Verdichterauslassgehäuseanordnung weist ferner einen Hitzeschild auf, der in der Nähe eines in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitts der Strebe angeordnet ist, wobei der Hitzeschild so ausgelegt ist, dass der verdichtete Luftstrom weniger stark auf die Strebe auftrifft.
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Der Hitzeschild der zuvor erwähnten Gasturbine kann mit der Strebe wirkverbunden sein.
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Die Gasturbine einer beliebigen zuvor erwähnten Art kann ferner eine Leitschaufel umfassen, die in der Nähe eines Einlasses des Turbinenabschnitts angeordnet ist, wobei die Leitschaufel mit dem inneren Haltering und einem äußeren Haltering wirkverbunden ist, wobei der Hitzeschild so ausgelegt ist, dass er eine Rate der Wärmeausdehnung der Strebe senkt und eine Relativbewegung zwischen einem Übergangsteil und der Leitschaufel reduziert.
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Der Hitzeschild einer beliebigen zuvor erwähnten Gasturbine kann über eine gesamte Länge der Strebe die Strebe entlang verlaufen.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der als die Erfindung betrachtete Gegenstand wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung besonders ausgeführt und deutlich beansprucht. Die vorangehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich, in denen:
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1 eine vereinfachte Darstellung einer Gasturbine ist;
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2 eine vereinfachte Querschnittdarstellung eines Verbrennungsabschnitts der Gasturbine ist, wobei der Verbrennungsabschnitt eine ihm zugehörige Verdichterauslassgehäuseanordnung aufweist;
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3 eine Seitenansicht einer Strebe der Verdichterauslassgehäuseanordnung ist; und
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4 eine vereinfachte Darstellung eines Hitzeschilds ist, der entlang einem in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitt der Strebe des Verdichterauslassgehäuses angeordnet ist.
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In der ausführlichen Beschreibung werden Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen als Beispiele unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezug nehmend auf 1 ist ein Turbinensystem, wie beispielsweise eine Gasturbine, vereinfacht mit dem Bezugszeichen 10 veranschaulicht. Die Gasturbine 10 weist einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammerabschnitt 14, einen Turbinenabschnitt 16, einen Rotor 17 und eine Brennstoffdüse 18 auf. Es sollte erkannt werden, dass eine Ausführungsform der Gasturbine 10 eine Mehrzahl von Verdichtern 12, Brennkammern 14, Turbinen 16, Rotoren 17 und Brennstoffdüsen 18 aufweisen kann. Der Verdichterabschnitt 12 und der Turbinenabschnitt 16 sind über den Rotor 17 gekoppelt.
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Bezogen auf 2 ist eine vereinfachte Zeichnung verschiedener Abschnitte der Gasturbine 10 dargestellt. Die Gasturbine 10 umfasst den Verdichterabschnitt 12 zum Unter-Druck-Setzen eines Arbeitsfluids, das als verdichteter Luftstrom 19 bezeichnet wird, der durch die Gasturbine 10 strömt. Der verdichtete Luftstrom 19, der aus dem Verdichterabschnitt 12 austritt, strömt in den Brennkammerabschnitt 14, der ganz allgemein durch eine Mehrzahl von Brennkammern gekennzeichnet ist (von denen nur eine in 1 und 2 dargestellt ist), die in einer ringförmigen Anordnung um eine Achse der Gasturbine 10 angeordnet sind. Der verdichtete Luftstrom 19, der in den Brennkammerabschnitt 14 strömt, wird mit Brennstoff, beispielsweise Erdgas oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit oder einem anderen geeigneten Gas, gemischt und verbrannt. Heiße Verbrennungsgase strömen von jeder Brennkammer zum Turbinenabschnitt 16, damit die Gasturbine 10 angetrieben und Strom erzeugt wird.
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Jede Brennkammer in der Gasturbine 10 kann verschiedene Bauteile zum Mischen und Verbrennen des verdichteten Luftstroms 19 und des Brennstoffs aufweisen. Die Brennkammer kann beispielsweise ein Gehäuse aufweisen, beispielsweise ein Verdichterauslassgehäuse (VAG) 20. Verschiedene Bleche, bei denen es sich ganz allgemein um ringförmige Bleche handeln kann, können zumindest teilweise in dem VAG 20 angeordnet sein. Es kann beispielsweise ein Brennkammer-Flammrohr 22 ganz allgemein einen Verbrennungsbereich 24 darin definieren. In dem Verbrennungsbereich 24 kann ganz allgemein eine Verbrennung des verdichteten Luftstroms 19, von Brennstoff und eines optionalen Oxidationsmittels stattfinden. Die entstehenden Verbrennungsheißgase können stromabwärts durch das Brennkammer-Flammrohr 22 in ein Übergangsteil 26 strömen. Ein Leitblech 30 kann ganz allgemein zumindest einen Abschnitt des Brennkammer-Flammrohrs 22 umgeben und einen Strömungsweg 32 dazwischen definieren. Ein Prallblech 34 kann ganz allgemein zumindest einen Abschnitt des Übergangsteils 26 umgeben und einen Strömungsweg 36 dazwischen definieren. Alternativ können ein einzelnes Flammrohr und ein einzelnes Blech einen einzigen Strömungsweg bilden. Der verdichtete Luftstrom 19, der in den Brennkammerabschnitt 14 hineinströmt, kann durch einen Außenring 38, der von dem VAG 20 definiert wird und zumindest teilweise die verschiedenen Bleche umgibt, in einen Innenbereich 37 des VAG 20 strömen. Zumindest ein Abschnitt des verdichteten Luftstroms 19 kann durch Bohrungen (nicht dargestellt), die in dem Strömungsblech 30 und dem Prallblech 34 definiert sind, in die Strömungswege 32 und 36 strömen. Wie nachstehend erörtert ist, kann das Arbeitsfluid dann zur Verbrennung in den Verbrennungsbereich 24 strömen.
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Es sollte problemlos zu erkennen sein, dass eine Brennkammer nicht wie zuvor beschrieben und hier veranschaulicht ausgelegt sein muss und ganz allgemein jede beliebige Gestaltung aufweisen kann, mit der Arbeitsfluid mit Brennstoff gemischt, verbrannt und an einen Turbinenabschnitt 16 der Gasturbine 10 übertragen werden kann. Die vorliegende Offenbarung umfasst beispielsweise Ringbrennkammern und Silobrennkammern sowie jede andere geeignete Brennkammer.
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Bezogen auf 3 ist das VAG 20 vereinfacht ausführlicher veranschaulicht, wobei die Brennkammer zur Veranschaulichung entfernt wurde, damit verschiedene Abschnitte des VAG 20 besser zu erkennen sind. Das VAG 20 weist eine VAG-Trennwand 40 auf, die mit einem äußeren Turbinengehäuse 42 in der Nähe eines radial äußeren Bereichs des VAG 20 wirkverbunden ist. Der hintere Bereich des Verdichterabschnitts 12 kann als Diffusor 44 beschrieben sein, der den verdichteten Luftstrom 19 in den Innenbereich 37 des VAG 20 austreten lässt. Das VAG 20 weist auch eine Strebe 46 auf, die in der Nähe des Austrittsbereichs des Diffusors 44 angeordnet ist. Die Strebe 46 ist mit der VAG-Trennwand 40 und einem inneren Turbinengehäuse 48 wirkverbunden und verläuft dazwischen. Das äußere Turbinengehäuse 42 weist einen äußeren Haltering 50 auf oder ist damit wirkverbunden, während das innere Turbinengehäuse 48 einen inneren Haltering 52 aufweist oder damit wirkverbunden ist. Der äußere Haltering 50 und der innere Haltering 52 halten ein äußeres Ende 54 beziehungsweise ein inneres Ende 56 einer Leitschaufel 58 (2) der ersten Stufe, die sich am Einlass des Turbinenabschnitts 16 befindet.
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Wie dargestellt ist, befindet sich die Strebe 46 in einem Bereich, in dem die Luft hoher Temperatur auftrifft, die aus dem Verdichterabschnitt 12 als verdichteter Luftstrom 19 ausströmt. Zum Verhindern einer raschen Erwärmung der Strebe 46 beispielsweise während des Anfahrens der Gasturbine 10 ist ein Hitzeschild 60 enthalten und befindet sich entlang einem in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitt 62 der Strebe 46. Der Hitzeschild 60 kann aus jedem beliebigen Material geformt sein, das sich eignet, den Betriebstemperaturen standzuhalten, die im Innenbereich 37 des VAG 20 herrschen. In einer Ausführungsform ist der Hitzeschild 60 mit der Strebe 46 wirkverbunden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Hitzeschild 60 ausschließlich mit dem inneren Turbinengehäuse 48 oder mit dem inneren Turbinengehäuse 48 und der Strebe 46 wirkverbunden. Alternativ kann der Hitzeschild 60 mit einem weiteren Bauteil des VAG 20 und/oder dem Diffusor 44 wirkverbunden sein. Unabhängig davon, mit welchem/welchen Bauteil(en) der Hitzeschild 60 gekoppelt ist, weist der Hitzeschild 60 einen Abstand zu dem in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitt 62 der Strebe 46 auf. Der Hitzeschild 60 verläuft entlang einer gesamten Länge des oder eines Abschnitts des in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitts 62 der Strebe 46, damit die Wärmestromdichte vermindert wird, die an der Strebe 46 auftritt. In einer Ausführungsform verläuft der Hitzeschild 60 entlang der Strebe 46 in der längsten Abmessung der Strebe 46 (d.h. entlang einer Gesamtlänge der Strebe 46). In einer weiteren Ausführungsform verläuft der Hitzeschild 60 lediglich entlang einem Abschnitt der Strebe 46, auf den die Luft hoher Temperatur, die aus dem Verdichterabschnitt 12 ausströmt, direkt auftrifft.
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Durch Senken der Wärmestromdichte an der Strebe 46 wird eine weniger rasche Wärmeausdehnung der Strebe 46 erreicht. Die sich daraus ergebende Verminderung der Wärmeübertragung vereinfacht vorteilhafterweise eine ausgeglichenere Wärmestromdichte und deshalb eine gleichmäßigere Rate der Wärmeausdehnung sämtlicher Bauteile des VAG 20. Durch eine gleichmäßigere Ausdehnungsrate werden transiente Bewegungen und die Relativbewegung zwischen zugehörigen Bauteilen reduziert. Durch Vermindern der Rate der Wärmeausdehnung der Strebe 46 nimmt beispielsweise die Kraft, die von der Strebe 46 auf den inneren Haltering 52 ausgeübt wird, mit einer niedrigeren Rate zu, als es ohne den Hitzeschild 60 zu beobachten wäre, wodurch die Relativbewegung zwischen dem Übergangsteil 26 und der Leitschaufel 58 der ersten Stufe reduziert wird.
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Die Erfindung ist zwar ausführlich in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Zahl von Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch sollte es ohne Weiteres nachvollziehbar sein, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Die Erfindung kann vielmehr abgeändert werden, damit sie jede beliebige Zahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder gleichwertigen Anordnungen umfasst, die bisher nicht beschrieben wurden, jedoch dem Geist und Geltungsbereich der Erfindung entsprechen. Zusätzlich versteht es sich, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen. Die Erfindung ist folglich nicht so zu verstehen, dass sie durch die vorangehende Beschreibung beschränkt ist, sondern ist lediglich durch den Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche beschränkt.
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Eine Verdichterauslassgehäuseanordnung weist einen Diffusor auf, der in der Nähe eines hinteren Bereichs eines Verdichterabschnitts angeordnet ist, wobei der Diffusor so ausgelegt ist, dass er einen verdichteten Luftstrom zu einem Innenbereich der Verdichterauslassgehäuseanordnung leitet. Ebenfalls enthalten ist eine Strebe, die im Innenbereich der Verdichterauslassgehäuseanordnung angeordnet ist und sich in der Nähe eines Austrittsbereichs des Diffusors befindet. Weiterhin ist ein Hitzeschild enthalten, der in der Nähe eines in Strömungsrichtung vorn befindlichen Abschnitts der Strebe angeordnet ist, wobei der Hitzeschild so ausgelegt ist, dass der verdichtete Luftstrom weniger stark auf die Strebe auftrifft.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Verdichterabschnitt
- 14
- Brennkammerabschnitt
- 16
- Turbinenabschnitt
- 17
- Rotor
- 18
- Brennstoffdüse
- 19
- Luftstrom
- 20
- Verdichterauslassgehäuse (VAG)
- 22
- Brennkammer-Flammrohr
- 24
- Verbrennungsbereich
- 26
- Übergangsteil
- 30
- Leitblech
- 32
- Strömungsweg
- 34
- Prallblech
- 36
- Strömungsweg
- 38
- Außenring
- 40
- VAG-Trennwand
- 42
- äußeres Turbinengehäuse
- 44
- Diffusor
- 46
- Strebe
- 48
- inneres Turbinengehäuse
- 50
- äußerer Haltering
- 52
- innerer Haltering
- 54
- äußeres Ende
- 56
- inneres Ende
- 58
- Leitschaufel der ersten Stufe
- 60
- Hitzeschild
- 62
- in Strömungsrichtung vorn befindlicher Abschnitt
