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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen Turbinenmotor und
insbesondere eine Entnahmeöffnungen
enthaltende Statoranordnung für
einen Verdichter eines Turbinenmotors.
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Hintergrund
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Gasturbinen
saugen Umgebungsluft aus der Atmosphäre an, verdichten die Umgebungsluft,
mischen die verdichtete Luft mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoff
und zünden
diese Mischung. Wenn die Mischung verbrennt, expandieren und bewegen
sich heiße
Gase mit hoher Geschwindigkeit, um ein Turbinenteil in Drehung zu
versetzen, wodurch eine nutzbare Leistung erzeugt wird. Aufgrund
der heftigen Verbrennung kann es notwendig sein, dass verschiedene
Motorteile während
des Betriebs im Hinblick auf deren Haltbarkeit und Lebensdauer gekühlt und
entkoppelt werden müssen.
Hierfür
werden dort, wo die Luft immer noch relativ kühl ist, zwischen den Stufen
befindliche Entnahmeöffnungen
im Verdichter vorgesehen, um einen Anteil des Luftstroms abzuziehen.
Die entnommene Luft kann dann zur Erzielung einer Kühlung und
Entkopplung und/oder, um mit dem Motor verknüpfte andere Systeme anzutreiben,
durch den Motor geleitet werden.
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Für diese
Zwecke werden kreisförmige
Entnahmeöffnungen
eingesetzt. Obwohl die kreisförmigen
Entnahmeöffnungen
möglicherweise
ausreichende Luftentnahmeeigenschaften aufweisen, besteht die Tendenz, dass
das Entnehmen von Luft durch eine solche Öffnungsform hindurch den Luftstrom
im Verdichterströmungspfad
stört und
sich dadurch der Motorwirkungsgrad und die Leistung verringern kann. Überdies
mag eine kreisförmige
Formgebung nicht die optimale Form darstellen, um den Druckverlust über die Öffnungen
zu minimieren, was für
den Luftentnahmewirkungsgrad wichtig ist. Deswegen bestand die Notwendigkeit,
Entnahmeöffnungen
zu schaffen, die verbesserte Eigenschaften in Bezug auf das Entnehmen
von Luft aufweisen, ohne dass der Luftstrom durch den Verdichter übermäßig gestört wird.
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Ein
Versuch zur Verbesserung der Luftentnahmeeigenschaften unter Verwendung
von Entnahmeöffnungen
ist in der US-Patentanmeldung Nr. 2006/0051199 (die '199-Anmeldung) von
Guemmer gezeigt, die am 9. März
2006 veröffentlicht
wurde. Im Einzelnen offenbart die '199-verbffentlichung Fluidentnahmeöffnungen für einen
Turbomotor, die eine Vielfalt von Öffnungsformen aufweisen. Die
Fluidentnahmeöffnungen
der '199-Veröffentlichung
sollen angeblich die Eigenschaften beim Entnehmen von Luft zwischen
zwei benachbarten Schaufeln verbessern. Die Fluidentnahmeöffnungen
sind aber in nächster
Nähe einer
Saugseite einer ersten Schaufel platziert, jedoch von der Druckseite
einer zweiten Schaufel beabstandet. Ferner sind die Fluidentnahmeöffnungen
zur Schaufelsaugseite im Wesentlichen konvex. Deswegen kann diese
Anordnung Störungen
im Luftstrom nicht so stark reduzieren, wie notwendig wäre, um den
gewünschten
Wirkungsgrad und die gewünschte
Leistung bereitzustellen. Genauer gesagt kann es sein, dass die
Platzierung, die Umrissform und die Ausrichtung der Fluidentnahmeöffnungen
wegen der Aufteilung des Luftstroms zwischen den Schaufeln, insbesondere
nahe der Saugseite der Schaufeln, übermäßige aerodynamische Verluste
bewirken.
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Die
Entnahmeöffnungen
der vorliegenden Offenbarung lösen
ein oder mehrere der oben erläuterten Probleme.
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Darstellung der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf eine Statoranordnung
für einen
Turbinenmotor gerichtet. Die Statoranordnung kann einen Leitschaufeltragring
und mehrere von dem Leitschaufeltragring radial einwärts vorstehende
Leitschaufeln beinhalten. Die Statoranordnung kann zumindest eine
Entnahmeöffnung
beinhalten, die an dem Leitschaufeltragring zwischen zumindest zwei
benachbarten Leitschaufeln der mehreren Leitschaufeln angeordnet
sind, wobei die zumindest eine Entnahmeöffnung einen länglichen
Umriss definiert, der ein erstes Ende aufweist, das nahe einer Eintrittskante
einer ersten Leitschaufel der zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln
aufhört,
und ein dem ersten Ende im Wesentlichen gegenüberliegendes zweites Ende aufweist,
das nahe einer Austrittskante einer zweiten Leitschaufel der zumindest
zwei benachbarten Leitschaufeln aufhört. Der Umriss kann zu einer
Saugseite der zweiten Leitschaufel der zumindest zwei benachbarten
Leitschaufeln konkav sein.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf einen Verdichter
für eine
Gasturbine gerichtet. Der Verdichter kann ein Gehäuse, zumindest
eine von dem Gehäuse
umhüllte
Rotoranordnung und zumindest eine stromabwärts der Rotoranordnung und
von dem Gehäuse
umhüllte
Statoranordnung umfassen. Die Statoranordnung kann einen Leitschaufeltragring
und mehrere von dem Leitschaufeltragring radial einwärts vorstehende
Leitschaufeln beinhalten. Die Anordnung mag auch zumindest eine
Entnahmeöffnung
umfassen, die auf dem Leitschaufeltragring zwischen zumindest zwei
benachbarten Leitschaufeln der mehreren Leitschaufeln angeordnet
ist. Die zumindest eine Entnahmeöffnung
mag einen länglichen
Umriss haben. Der Umriss kann ein erstes Ende beinhalten, dass nahe
einer Eintrittskante einer ersten Leitschaufel der zumindest zwei
benachbarten Leitschaufeln aufhört,
und ein dem ersten Ende im Wesentlichen gegenüberliegendes zweites Ende,
das nahe einer Austrittskante einer zweiten Leitschaufel der zumindest
zwei benachbarten Leitschaufeln aufhört. Der Umriss mag zu einer
Saugseite der zweiten Leitschaufel der zumindest zwei benachbarten
Leitschaufeln konkav sein.
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Noch
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Segment
einer Statoranordnung gerichtet. Das Segment mag ein Schaufelelement
umfassen, das von einem Leitschaufeltragringelement vorsteht. Eine
erste Seite des Leitschaufeltragringelements kann einen ersten Teil
einer ersten Entnahmeöffnung begrenzen
und eine der ersten Seite des Leitschaufeltragringelements entgegengesetzte
zweite Seite des Leitschaufeltragringelements mag ein ein Gegenstück bildender
zweiter Teil einer der ersten Entnahmeöffnung benachbarten zweiten
Entnahmeöffnung
begrenzen. Der erste Teil der ersten Entnahmeöffnung kann ein erstes Ende
begrenzen, das nahe einer Austrittskante des Schaufelelements aufhört, und
der ein Gegenstück
bildender zweite Teil der zweiten Entnahmeöffnung kann ein zweites Ende
begrenzen, das nahe einer Eintrittskante des Schaufelelements endet.
Der erste Teil der ersten Entnahmeöffnung kann zu einer Saugseite
des Schaufelelements konkav sein und der ein Gegenstück bildender
zweite Teil der zweiten Entnahmeöffnung kann
zu einer Druckseite des Schaufelelements konvex sein.
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Und
noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein
Verfahren zum Entnehmen von Luft in einem Turbinenmotor gerichtet.
Das Verfahren kann das Abzapfen von verdichteter Luft durch zumindest
eine Öffnung
hindurch beinhalten, die zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln
platziert ist. Die zumindest eine Öffnung kann einen länglichen
Umriss begrenzen, der ein erstes Ende hat, das nahe einer Eintrittskante
einer ersten Leitschaufel der zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln
aufhört,
und ein dem ersten Ende im Wesentlichen gegenüberliegendes zweites Ende,
das nahe einer Austrittskante einer zweiten Leitschaufel der zumindest
zwei benachbarten Leitschaufeln aufhört. Der Umriss kann zu einer
Saugseite der zweiten Leitschaufel der zumindest zwei benachbarten
Leitschaufeln konkav sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine ausgebrochene Darstellung eines beispielhaft offenbarten Turbinenmotors,
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines beispielhaft offenbarten Verdichters
für den
Turbinenmotor der 1,
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3 ist
eine Querschnittsansicht von oben einer beispielhaft offenbarten
Statoranordnung zur Verwendung mit dem Verdichter der 2,
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4A ist
eine bildliche Darstellung der beispielhaft offenbarten Statoranordnung
der 3, und
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4B und 4C sind
bildliche Darstellungen von beispielhaft offenbarten Segmenten,
die die Statoranordnung der 4A bilden.
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Detaillierte Beschreibung
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Die 1 zeigt
einen beispielhaften Turbinenmotor 10. Der Turbinenmotor 10 kann
einer stationären oder
mobilen Arbeitsmaschine zugeordnet sein, die zur Ausführung einer
vorbestimmten Arbeitstätigkeit
ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Turbinenmotor 10 die
primäre
Energiequelle eines Generatorsets verkörpern, das elektrischen Strom
erzeugt, oder sie kann die primäre
Energiequelle einer Pumpenanordnung sein, die eine Pumpfunktion
für ein
Fluid ausführt.
Der Turbinenmotor 10 kann alternativ das Antriebsaggregat
einer Erdbewegungsmaschine, eines Passagierfahrzeugs, eines Schiffes,
eines Luftfahrzeuges oder irgendeiner anderen im Stand der Technik
bekannten mobilen Maschine sein.
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Der
Turbinenmotor 10 kann entlang einer Motormittellinie 21 koaxial
angeordnet einen Einlauf 12, einen Verdichterteil 14,
einen Verbrennungsteil 16, einen Turbinenteil 18 und
einen Abgasteil 20 beinhalten. Gas kann durch den Turbinenmotor 10 im
Wesentlichen entlang der Richtung der Mittellinie 21 und
innerhalb eines Strömungspfads 22 strömen. Während des
Betriebs kann der Einlauf 12 Umgebungsluft in den Turbinenmotor 10 leiten
und die Umgebungsluft dem Verdichterteil 14 bereitstellen.
Der Verdichterteil 14 kann ein oder mehrere Stufen umfassen
und die Umgebungsluft auf einen gewünschten Druck verdichten. Die
verdichtete Luft kann dann zu dem Verbrennungsteil 16 stromabwärts geleitet
werden, um dort mit einem flüssigen
und/oder gasförmigen
Kraftstoff vermischt zu werden. Der Verbrennungsteil 16 kann
die Mischung zünden,
um erhitztes, hochenergetisches Gas zu erzeugen, das expandiert
und sich mit hoher Geschwindigkeit in den Turbinenteil 18 bewegt.
Der Turbinenteil 18 kann ein oder mehrere Düsenstufen
(nicht gezeigt) und Turbinenschaufeln 24 umfassen. Die
Turbinenschaufeln 24 können
an einer Abtriebswelle 26 fest angebracht sein. Wenn die
Turbinenschaufeln 24 mit hochenergetischem Gasstrom beaufschlagt
werden, kann durch die Schaufel 24 ein Drehmoment auf die
Abtriebswelle 26 ausgeübt
werden und bewirken, dass die Abtriebswelle sich dreht und hierdurch
der hochenergetische Gasstrom in eine nützliche mechanische (Dreh-)
Energie umgewandelt wird. Ein Teil dieser Energie kann zum Antreiben
des Verdichterteils 14 verwendet werden, während ein
anderer Teil hiervon aus dem Turbinenmotor 10 abgezogen
und für
eine Reihe von Zwecken, wie beispielsweise zum Antreiben externer
Einrichtungen (nicht gezeigt), verwendet werden mag. Der Abgasteil 20 mag
aus dem Verdichter- und Turbinenteil 14, 16 austretendes
Abgas aufbereiten (beispielsweise Verschmutzungen entfernen und/oder
Geräusche
dämpfen)
und das Abgas in die Atmosphäre
leiten.
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Die 2 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht des Verdichterteils 14.
Der Verdichterteil 14 kann stromabwärts des Einlaufs 12 angeordnet
sein und einen Außenmantel 28 umfassen,
der sich um ein oder mehrere koaxial angeordnete Verdichterstufen 30 erstreckt,
die die vom Einlauf 12 bereitgestellte Umgebungsluft nach
und nach verdichten können.
Gemäß einem
Aspekt kann jede der Stufen 30 ein eigenes Verdichtungsverhältnis aufweisen,
das einen Betrag definiert, um den die Umgebungsluft während des
Betriebs des Motors durch die Stufe verdichtet werden kann. Jede
der Stufen 30 kann eine Rotoranordnung 32 und
eine Statoranordnung 34 beinhalten. Die Rotoranordnung 32 kann
mehrere Laufschaufeln 36 umfassen, die von einer Mittelwelle 38 radial
auswärts
in den Strömungspfad 22 vorstehen.
In gleicher Weise kann die Statoranordnung 34 mehrere Leitschaufeln 40 umfassen,
die sich von einem stationären
Leitschaufeltragring 42 radial einwärts in den Strömungspfad 22 erstrecken.
Der Leitschaufeltragring 42 kann in das Verdichtergehäuse 28 eingebaut
oder anderweitig darin befestigt sein. Der Verdichter 14 kann
ferner einen Entnahmekanal 44 beinhalten, der zwischen
dem Gehäuse 28 und
dem Leitschaufeltragring 42 ausgebildet ist. Der Kanal 44 kann
radial auswärts
der Leitschaufeln 40 angeordnet sein und strömungstechnisch
mit dem Strömungspfad 22 in
Verbindung stehen. Ein Entnahmeluftrohrleitsystem 46 kann
mit dem Kanal 44 strömungstechnisch
in Verbindung stehen, um Entnahmeluft zu anderen mit dem Motor 10 verknüpften Komponenten
und/oder Systemen (nicht gezeigt) zu leiten.
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Wie
in der 3 gezeigt, kann die Statoranordnung 34 wenigstens
eine Entnahmeöffnung 48 umfassen,
die am Leitschaufeltragring 42 angeordnet ist. In einer
Ausführungsform
kann die Entnahmeöffnung 48 an
einer Stelle zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 40a, 40b der
mehreren Leitschaufeln 40 angeordnet sein. Während des
Betriebs des Motors kann die Position der Entnahmeöffnung 48 mit
einem Bereich 50 gleichmäßig hohen statischen Drucks übereinstimmen.
Jede der Leitschaufeln 40 ist vorzugsweise als Tragfläche ausgebildet,
die eine Eintrittskante 52 und eine Austrittskante 54 besitzt.
Die Entnahmeöffnung 48 mag ein
längliches
Querschnittsprofil festlegen, das ein erstes Ende 48a,
welches nahe der Eintrittskante 52 einer ersten 40a der
zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln 40a, 40b aufhört, und
ein dem ersten Ende 48a im Wesentlichen gegenüberliegendes
zweites Ende 48b, das nahe der Austrittskante 54 einer
zweiten 40b der zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln 40a, 40b aufhört, aufweisen.
Gemäß einem
Aspekt kann das erste Ende 48a eine Kurve festlegen und
das zweite Ende 48b mag im Wesentlichen geradlinig sein.
Es ist aber klar, dass das erste und zweite Ende 48a, 48b andere
gewünschte
Umrisse zur Bildung der Entnahmeöffnung 48 festlegen
können,
die in ihrer Gesamtheit eine aerodynamisch effiziente Form haben.
Während
des Betriebs kann sich das erste Ende 48a stromaufwärts des
zweiten Endes 48b befinden, und die Eintrittskante 52 kann
sich in Bezug auf die Richtung des Strömungspfads 22 und/oder
der Motormittellinie 21 stromaufwärts der Austrittskante 54 befinden.
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Außerdem kann
das erste Ende 48a nahe einer Druckseite 56 der
ersten 40a der zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln 40a, 40b aufhören, während das
zweite Ende 48b nahe einer Saugseite 58 der zweiten 40b der
zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln 40a, 40b enden
kann. Als solche mag sich die Entnahmeöffnung 48 während des
Betriebs im Wesentlichen über
den Bereich 50 mit gleichmäßigerem statischem Hochdruck
erstrecken. In einer Ausführungsform,
die eine gewünschte
Leistung aufweist, kann das erste Ende 48a in einem Abstand
d1 von ungefähr
0,145 Inch von der Druckseite 56 der ersten Leitschaufel 40a enden,
wohingegen das zweite Ende 48b in einem Abstand d2 von
ungefähr
0,078 Inch von der Saugseite 58 der zweiten Leitschaufel 48b enden
kann. Des Weiteren mag das zweite Ende 48b in einem Abstand
d3 von ungefähr
0,077 Inch von der Eintrittskante 54 der zweiten Leitschaufel 48b der
zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln 40 in Bezug auf
die Richtung des Strömungspfads 22 und/oder
der Motormittellinie 21 abschließen. Diese Ausführungsform
kann für
eine Niederdruckverdichterstufe, wie beispielsweise eine achte Stufe, geeignet
sein. In einer anderen Ausführungsform,
die eine gewünschte
Leistung aufweist, können
die Abstände
d1, d2 und d3 ungefähr
0,081 Inch, 0,080 Inch bzw. 0,067 Inch betragen. Diese Ausführungsform
kann für eine
Hochdruckverdichterstufe, wie beispielsweise eine elfte Stufe, geeignet
sein. Es ist jedoch klar, dass die Positionierung einer Entnahmeöffnung 44 bezüglich benachbarter
Leitschaufeln 40a, 40b, falls notwendig, geändert werden
kann, um basierend auf Formgebungs- und/oder Herstellungsvorgaben
eine gewünschte
Leistung bei gegebenen Umständen,
zu erzielen. Des Weiteren kann der Entnahmeöffnungsumriss zur Druckseite 56 der
ersten 40a der zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln 40a, 40b hin
konvex sein und zur Saugseite 58 der zweiten 40b der
zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln 40a, 40b hin
konkav sein. Gemäß einem Aspekt
kann der Umriss die Form einer „Erdnuss" und/oder einer „Niere" oder dergleichen haben.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
kann eine Form des Umrisses der Entnahmeöffnung
48 im Wesentlichen
gemäß den in
den Tabellen I und/oder II genannten kartesischen Koordinaten ausgebildet
sein, die nur auf vier Dezimalstellen genannt sind und glatt ineinander übergehen,
um eine komplette Entnahmeöffnungsform
zu bilden. Jeder „X"- und „Y"-Wert kann in einer
X-Y Ebene bezüglich
dem Ursprung einen Punkt entlang des Umrisses der Entnahmeöffnung
34 festlegen. „X" definiert eine Achse,
die sich in eine Richtung parallel zur Motormittellinie
21 erstreckt,
während „Y" eine Achse definiert,
die sich tangential oder in Drehrichtung erstreckt. Falls gewünscht, können Entnahmeöffnungen
48,
wie sie in der Tabelle I und/oder II definiert sind, in einer oder
mehreren Verdichterstufen irgend einer gewünschten Art von Turbine eingesetzt
werden. Des Weiteren können
diese Umrissformen vergrößert oder
verkleinert werden, abhängig
von der gewünschten Entnahmeluftmenge
(beispielsweise ein erforderliches Entnahmeverhältnis). Es ist jedoch klar,
dass andere ähnliche
Entnahmeöffnungsformen
gleicher und/oder unterschiedlicher Größe innerhalb des vorliegenden
Offenbarungsgehalts liegen. Tabelle I
| X
(Inch) | Y
(Inch) |
| 0.459 | –0.139 |
| 0.476 | –0.134 |
| 0.495 | –0.128 |
| 0.501 | –0.125 |
| 0.506 | –0.120 |
| 0.511 | –0.112 |
| 0.513 | –0.100 |
| 0.511 | –0.091 |
| 0.503 | –0.079 |
| 0.489 | –0.063 |
| 0.474 | –0.048 |
| 0.453 | –0.027 |
| 0.426 | 0.000 |
| 0.380 | 0.039 |
| 0.314 | 0.088 |
| 0.246 | 0.132 |
| 0.142 | 0.171 |
| 0.015 | 0.188 |
| –0.090 | 0.184 |
| –0.186 | 0.155 |
| –0.255 | 0.120 |
| –0.376 | 0.085 |
| –0.343 | 0.044 |
| –0.357 | 0.012 |
| –0.355 | –0.031 |
| –0.330 | –0.066 |
| –0.291 | –0.081 |
| –0.246 | –0.081 |
| –0.195 | –0.071 |
| –0.145 | –0.055 |
| –0.071 | –0.039 |
| 0.031 | –0.039 |
| 0.151 | –0.075 |
| 0.221 | –0.122 |
| 0.262 | –0.156 |
| 0.291 | –0.175 |
| 0.300 | –0.179 |
| 0.313 | –0.182 |
| 0.323 | –0.181 |
| 0.327 | –0.179 |
| 0.347 | –0.173 |
| 0.386 | –0.162 |
| 0.425 | –0.149 |
| 0.459 | –0.139 |
Tabelle II
| X
(Inch) | Y
(Inch) |
| 0.398 | –0.115 |
| 0.414 | –0.111 |
| 0.427 | –0.107 |
| 0.438 | –0.096 |
| 0.440 | –0.082 |
| 0.434 | –0.068 |
| 0.418 | –0.054 |
| 0.405 | –0.042 |
| 0.382 | –0.022 |
| 0.351 | 0.002 |
| 0.309 | 0.033 |
| 0.265 | 0.060 |
| 0.203 | 0.083 |
| 0.143 | 0.093 |
| 0.072 | 0.091 |
| 0.0203 | 0.079 |
| –0.031 | 0.059 |
| –0.075 | 0.038 |
| –0.116 | 0.014 |
| –0.155 | –0.012 |
| –0.178 | –0.036 |
| –0.183 | –0.059 |
| –0.172 | –0.088 |
| –0.150 | –0.101 |
| –0.116 | –0.100 |
| –0.083 | –0.092 |
| –0.042 | –0.081 |
| 0.003 | –0.070 |
| 0.059 | –0.060 |
| 0.122 | –0.063 |
| 0.167 | –0.076 |
| 0.204 | –0.094 |
| 0.232 | –0.114 |
| 0.249 | –0.129 |
| 0.256 | –0.135 |
| 0.263 | –0.142 |
| 0.273 | –0.146 |
| 0.289 | –0.144 |
| 0.305 | –0.139 |
| 0.323 | –0.134 |
| 0.343 | –0.130 |
| 0.362 | –0.124 |
| 0.381 | –0.120 |
| 0.398 | –0.115 |
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Vorzugsweise
können
die Statoranordnung 34, zumindest eine Entnahmeöffnung 48 und/oder
der Entnahmeluftkanal 44 in einer oder mehreren Verdichterstufen 30 enthalten
sein. In einem Ausführungsbeispiel können jedoch
die Statoranordnung 34, zumindest eine Entnahmeöffnung 48 und/oder
der Entnahmeluftkanal 44 in der achten Stufe 30a und
der elften Stufe 30b (2) des Verdichters 14 enthalten
sein, um eine gewünschte
Leistung zu erzielen.
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Die 4A–4C zeigen
bildliche Darstellungen einer beispielhaften Statoranordnung 34.
Unter Bezugnahme auf die 4A kann
die Statoranordnung 34 einen gekrümmten Leitschaufeltragring 42 umfassen,
der mehrere Entnahmeöffnungen 48 aufweist
und von dem mehrere Leitschaufeln 40 radial einwärts vorstehen.
In einem Ausführungsbeispiel
können
die Leitschaufeln 40 im Wesentlichen senkrecht zum Leitschaufeltragring 42 stehen.
Innen- und Außenränder 59a, 59b bzw.
-bänder
des Leitschaufeltragrings 42 mögen einen Hohlraum 60 bilden,
um die Entnahmeöffnungen 48 mit
dem Entnahmeluftkanal 44 strömungstechnisch zu verbinden.
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Es
wird nun Bezug genommen auf die 4B und 4C.
Die Statoranordnung 34 kann mehrere Segmente 34a umfassen,
die zur Bildung einer vollständigen
Statoranordnung 34 angeordnet sind. Jedes Segment 34a kann
ein Leitschaufelelement 40c umfassen, das von dem Leitschaufeltragringelement 42a vorsteht. Ein
Schaufelelement 40c kann eine individuelle Schaufel mit
Tragflächenprofil
sein, die senkrecht zum Leitschaufeltragringelement 42a angeordnet
ist. In einem Ausführungsbeispiel
können
das Schaufelelement 40c und das Leitschaufeltragringelement 42a einstückig ausgebildet
sein. Alternativ kann das Schaufelelement 40c an dem Innen-
und/oder Außenband 59a, 59b des
Leitschaufeltragringelements 42a fest angebracht oder sonst
wie befestigt sein. Segmente 34a können aus Metall, Keramik oder
irgendeinem anderen geeigneten, im Stand der Technik bekannten Material
bestehen.
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Ferner
kann eine erste Seite 62a des Leitschaufeltragringelements 42a einen
ersten Abschnitt 64a einer ersten Entnahmeöffnung 64 begrenzen.
Eine zweite Seite 62b der Leitschaufeltragringelements 42a,
die der ersten Seite 62a gegenüberliegt, kann einen ein Gegenstück bildenden
zweiten Abschnitt 66b einer zweiten Entnahmeöffnung 66,
die der ersten Entnahmeöffnung 64 benachbart
ist, begrenzen. Somit kann der erste Abschnitt 64a einer
Saugseite 56 des Schaufelelements 40c gegenüberliegen,
während
der ein Gegenstück bildende
zweite Abschnitt 66b einer Druckseite 54 des Schaufelelements 40c gegenüberliegen
kann.
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Jede
der ersten und zweiten Entnahmeöffnungen 64, 66 kann
einen wie oben beschriebenen länglichen
Umriss aufweisen. Insbesondere kann der erste Abschnitt 64a der
ersten Entnahmeöffnung 64 ein
erstes Ende 68a festlegen, das nahe einer Austrittskante 54 des
Schaufelelements 40c endet, und der ein Gegenstück bildende
zweite Abschnitt 66b der zweiten Entnahmeöffnung 66 kann
ein zweites Ende 68b begrenzen, das nahe einer Eintrittskante 52 des
Schaufelelements 40c aufhört. Wie zuvor erläutert, kann
das erste Ende 68a im Wesentlichen geradlinig sein, während das
zweite Ende 68b eine Kurve festlegen mag. Es ist jedoch klar,
dass der gesamte Umfang mit dem ersten und zweiten Ende 68a, 68b irgendeine
andere aerodynamisch effiziente Form haben kann, wenn dies gewünscht wird.
Ferner kann der erste Abschnitt 64a der ersten Entnahmeöffnung 64 zur
Saugseite 58 des Schaufelelements 40c konkav sein
und der zweite Abschnitt 66b der zweiten Entnahmeöffnung 66 kann
zur Druckseite 56 eines Schaufelelements 40c konvex
sein. Das erste Ende 68a der ersten Entnahmeöffnung 64 kann
nahe der Saugseite 58 des Schaufelelements 40c enden
und das zweite Ende 68b der zweiten Entnahmeöffnung 66 kann
nahe der Saugseite 56 des Schaufelelements 40c enden.
Es ist klar, dass die Form und/oder Anordnung der Entnahmeöffnungen 64, 66 gemäß den in
der Tabelle I und/oder II genannten Koordinaten und/oder den zuvor
genannten Abständen
d1, d2 und/oder d3 ausgebildet sein können, um die gewünschte Leistung
zu erzielen. Alternativ können
die Form und/oder die Anordnung der Entnahmeöffnungen 64, 66 entsprechend
vorbestimmten Design- und/oder Herstellungsspezifikationen vorgesehen
sein.
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Auf
diese Weise können
zwei der Segmente 34a so miteinander gepaart werden, dass
die erste Seite 62a des ersten Segments eine zweite Seite 62b eines
zweiten Segments, das dem ersten Segment benachbart ist, berührt und
dazwischen eine vollständige
Entnahmeöffnung 48 gebildet
wird, die den zuvor erläuterten Umriss
aufweist. Als solche können
mehrere Segmente 34 kreisförmig angeordnet sein, um eine
vollständige Statoranordnung 34 zu
bilden, die einen Leitschaufeltragring 42 umfasst, der
eine Entnahmeöffnung 48 aufweist,
die zwischen zwei nebeneinander liegenden Leitschaufeln einer Anzahl
von vom Leitschaufeltragring 42 radial einwärts vorstehenden
Leitschaufeln 40 angeordnet ist.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
offenbarte Statoranordnung und die Entnahmeöffnungen können in irgendeinem im Stand
der Technik bekannten Turbinenmotor eingesetzt werden. Insbesondere
können
die offenbarte Statoranordnung und die Entnahmeöffnungen in Situationen vorteilhaft
sein, in denen unter Umständen
eine erhöhte
Motoreffizienz und eine erhöhte
Leistung erzielt werden, indem Störungen des Luftstroms durch
den Verdichterströmungspfad
verringert werden und die Effektivität des Entnehmens von Entnahmeluft
durch die Entnahmeöffnungen
hindurch verbessert wird. Es wird nun die Funktionsweise des Turbinenmotors 10 und
der Statoranordnung 34 beschrieben.
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Es
wird nun Bezug genommen auf die 1. Während des
Betriebs des Motors kann Umgebungsluft aus der Atmosphäre in den
Einlaufkanal 12 geleitet werden. Die Umgebungsluft kann
entlang des Strömungspfads 22 stromabwärts und
in den Verdichterteil 14 strömen. Im Verdichterteil 14 kann
eine Reihe von Verdichterstufen, von denen jede eine Rotoranordnung 32 mit
mehreren Rotorschaufeln 36, die um eine Mittelwelle 38 drehen,
enthalten, nach und nach die Umgebungsluft auf einen gewünschten
Druck verdichten. Jede Statoranordnung 34, die unmittelbar
stromabwärts
von einer jeweiligen Rotoranordnung 32 angeordnet ist,
kann die Verdichtung erleichtern, in dem die Luftgeschwindigkeit
verringert wird, der statische Druck erhöht wird und der durch Rotoranordnung 32 tangential
verwirbelte Luftstrom reduziert.
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Es
wird nun Bezug genommen auf die 2, 3 und 4A.
Nach dem Verdichten kann der Hauptteil der verdichteten Luft (beispielsweise
im Bereich von 90%–96%)
entlang des Strömungspfads 22 zu den
verbleibenden Teilen des Turbinenmotors 10 gelangen, wie
es zuvor erläutert
wurde. In einem Ausführungsbeispiel
kann ein kleinerer Teil der verdichteten Luft (beispielsweise im
Bereich von 2%–10%)
aus dem Verdichter 14 mittels Entnahmeöffnungen 48 in der
achten Verdichterstufe 30a und der elften Verdichterstufe 30b entnommen
werden. Es ist aber zu beachten, dass die verdichtete Luft, möglicherweise
auch in irgendeiner anderen Stufe oder anderen Stufen entnommen
werden kann. Der statische Druck erhöht sich, wenn die Luft durch
die Statoranordnung 34 strömt. Die Entnahmeöffnungen 48,
die am Leitschaufeltragring 42 in Durchgängen zwischen
Leitschaufeln 40 liegen, können den kleineren Teil der
verdichteten Luft in den Entnahmeluftkanal 44 absaugen.
Die entnommen Luft kann dann mittels des Entnahmeluftrohrleitsystems 46 zu
Kühl- und/oder
Pufferzwecken zu anderen Bauteilen und Systemen des Motors 10 geleitet
werden.
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Die
Form und Ausrichtung der offenbarten Entnahmeöffnungen 48 können der
natürlichen
Form des Bereichs folgen, wo die Höhenlinien statischen Drucks
soweit als möglich
gleich sind. Somit kann die verdichtete Luft innerhalb des Strömungspfads 22 in
der Nähe
einer Entnahmeöffnung 48 im
Wesentlichen reduzierte Geschwindigkeitsgradienten erfahren. Eine
derartige Gleichförmigkeit
der Geschwindigkeits- und statischen Druckgradienten können die
Effekte reduzieren, die beim Entnehmen von Luft aus der Strömung (beispielsweise
Entnahmeluft) entstehen. Mit anderen Worten: Die offenbarten Entnahmeöffnungen 48 können bewirken,
dass die Geschwindigkeits- und Druckgradienten innerhalb des Strömungspfads 21 ähnlich den
Geschwindigkeits- und Druckgradienten sind, die bei einer glatten
Ausgestaltung ohne Entnahme besteht (d. h. überhaupt keine Störungen durch Entnahmeöffnungen)
vorhanden waren. Aufgrund dessen kann die Leistungseinbuße, die
durch Störungen
bei einer Entnahme bedingt sind, reduziert werden.
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Außerdem kann
es unter Umständen
durch das Verringern dieser Geschwindigkeitsgradienten möglich sein,
dass sich die Leitschaufeln 40 und/oder die Anordnung 34 in
der Nähe
der abgezweigten Entnahmeluft aerodynamisch so verhalten hat, als
wäre eine
glatte Ausgestaltung gegeben (d. h. als waren die Entnahmeöffnungen
nicht vorhanden). Ansonsten können
derartige Geschwindigkeitsgradienten möglicherweise bewirken, dass
lokale, aber dominante Ablösungen
des Luftstroms an der Saugseite 58 des Tragflügels erfolgen, die
eine starke Quelle für
aerodynamische Durchflussdruckverluste sind. Es ist allerdings klar,
dass Durchflussdruckverluste die Verdichtereffektivität in aerodynamischer
Hinsicht reduzieren können
und letztendlich die abgegebene Leistung und die Wärmeeffizienz
eines Turbinenmotors verringern.
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Die
Entnahmeöffnungen 48 der
vorliegenden Offenbarung können
auch dahingehend vorteilhaft sein, dass ein Druckabfall, dem der
Mindestanteil der verdichteten Luft unterliegt, wenn er durch Entnahmeöffnung 48 und
in den Hohlraum 60 und den Entnahmeluftkanal 44 strömt, reduziert
wird. Der Druckverlust kann ein kombinierter Druckverlust über das
Innenband 59a, den Hohlraum 60 und das Außenband 59b des
Leitschaufeltragrings 42 sein. Die Verringerung des Druckverlustes
mag direkt oder indirekt selbst zu einem Systemleistungsvorteil
führen.
Außerdem
können
die Entnahmeöffnungen 48 trotz
des reduzierten Druckabfalls eine signifikante Entnahmerate aufweisen.
Des Weiteren ist es beachtenswert, dass die offenbarten Entnahmeöffnungen 48 mit
kleinerer Durchtrittsfläche
die gleiche Menge von Entnahmeluft absaugen können wie die Entnahmeöffnungen
des Standes der Technik (die beispielsweise kreisförmig sind).
Aus diesen Gründen
kann eine vorgegebene Druckluftmenge entnommen werden, ohne dass übermäßig Motorleistung
geopfert wird.
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Die
Form und Ausrichtung der offenbarten Entnahmeöffnungen 44 können auch
dabei mithelfen, einen höheren
adiabatischen und polytropischen Wirkungsgrad des Verdichters zu
erzielen. Mit anderen Worten: Es kann u. U. ein relativ geringer
Arbeitsaufwand notwendig sein, um die Umgebungsluft auf einen gewünschten Druck
zu verdichten. Demgemäß kann der
Mindestanteil der verdichteten Luft vom Verdichter 14 bei
einer relativ niedrigen Temperatur entnommen werden. Entnahmeluft
mit niedriger Temperatur kann, wenn sie durch das System oder andere
Komponenten, die mit dem Motor 10 verknüpft sind, zirkuliert, vorteilhaft
sein bei der Verbesserung der Kühlung
und der Puffereigenschaften und hierdurch die Motorleistung und
die Lebensdauer der Komponenten verbessern.
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Es
ist für
Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Abänderungen
an der Statoranordnung und/oder den Entnahmeöffnungen der vorliegenden Offenbarung
vorgenommen werden können,
ohne dass der Grundgedanke der Offenbarung verlassen wird. Die Statoranordnung
und/oder die Entnahmeöffnungen,
die hier offenbart sind, können
in irgendeiner gewünschten
Verdichterstufe oder irgendwelchen Stufen irgendeiner Art von Turbinenmotor
enthalten sein und bieten vorteilhafte Verdichterluftstromcharakteristika
und/oder eine verbesserte Motorleistung. Weitere Ausführungsbeispiele
werden für
Fachleute unter Heranziehung der Beschreibung und bei der Umsetzung
der hier offenbarten Statoranordnung klar. Die Beschreibung und
Beispiele sind nur als beispielhaft anzusehen, wobei der wahre Offenbarungsgehalt
durch die nachfolgenden Ansprüche
und deren Äquivalente
angedeutet wird.
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Zusammenfassung
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Es
ist eine Statoranordnung (34) für einen Turbinenmotor (10)
offenbart. Die Statoranordnung (34) kann einen Leitschaufeltragring
(42), mehrere Leitschaufeln (40), die von dem
Leitschaufeltragring (42) radial einwärts vorstehen, und zumindest
eine Entnahmeöffnung
(48) umfassen, die auf dem Leitschaufeltragring (42)
in einem Bereich (50) mit hohem statischen Druck zwischen
zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln (40a, 40b)
der mehreren Leitschaufeln (40) angeordnet ist. Die zumindest
eine Entnahmeöffnung
(48) kann einen länglichen
Umriss begrenzen. Der Umriss mag ein erstes Ende (48a),
das nahe einer Eintrittskante (52) einer ersten Leitschaufel
(40a) der zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln (40a, 40b)
aufhört,
und ein dem ersten Ende (48a) im Wesentlichen gegenüberliegendes
zweites Ende (48b), das nahe einer Austrittskante (54)
einer zweiten Leitschaufel (40b) der zumindest zwei benachbarten
Leitschaufeln (40a, 40b) aufhört, umfassen. Der Umriss kann
zu einer Saugseite (58) der zweiten Leitschaufel (40b)
der zumindest zwei benachbarten Leitschaufeln (40a, 40b)
konkav sein.