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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, die mit
einem Druckverhältnis
von 20 oder mehr arbeitet. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung
auf eine Gasturbine, die in der Lage ist, einen Verlust des Turbinen-Wirkungsgrads infolge
eines Stoßwellenverlustes
sicher zu verhindern.
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Hintergrund der Erfindung
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Im
folgenden wird eine herkömmliche
Gasturbine unter Bezugnahme auf 7 erläutert. Im
allgemeinen umfasst eine Gasturbine mehrere Stufen (in diesem Beispiel
vier Stufen) von Leitschaufeln 1C bis 4C, die
in einem Kreis um ein Gehäuse
(Schaufelring oder Kammer) 1 herum angeordnet sind, und mehrere
Stufen (in diesem Beispiel vier Stufen) von Laufschaufeln 1S bis 4S,
die in einem Kreis um einen Rotor (Nabe oder Basis) 2 herum
angeordnet sind. 7 zeigt nur die Leitschaufel 1C und
die Laufschaufel 1S der ersten Stufe, sowie die Leitschaufel 4C und
die Laufschaufel 4S der Endstufe, d.h. der vierten Stufe
(der Bereich, der durch eine Ellipse mit durchgezogener Linie angedeutet
ist).
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In
jüngster
Zeit ist beim Großteil
der Gasturbinen beispielsweise das Druckverhältnis (Expansionsverhältnis) aller
Stufen groß,
d.h. 20 oder mehr (π ≥ 20), und
die Turbineneinlass-Gastemperatur ist hoch, nämlich 1450°C oder mehr (TIT ≥ 1450°C). Bei einer
solchen Gasturbine beträgt
daher das Druckverhältnis
der Endstufe 2,0 oder mehr (π ≥ 2).
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Wenn
das Druckverhältnis
der Endstufe mehr als 2,0 beträgt,
wie 8 zeigt, befindet sich die mittlere Ausgangs-Machzahl
(M2) der Laufschaufel 4S der Endstufe in einem Bereich
von 0,95 bis 1,2 (0,95 ≤ M2 ≤ 1,2). Demgemäß befindet
sich durch Stoßwellenverlust
der Gesamt-Druckverlustkoeffizient
der Laufschaufeln 4S der Endstufe in einem plötzlich wachsenden
Bereich. Dies bedeutet eine Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads.
In 8 zeigt der Bereich der Machzahl von M2 < 0,95 in der Richtung
des Pfeils A den Bereich einer herkömmlichen Gasturbine zur Stromerzeugung
mit niedriger Last oder einer Gasturbine für ein Luftfahrzeug. Der Bereich
der Machzahl > 1,2
in der Richtung des Pfeils B zeigt den Bereich einer Dampfturbine.
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Im
folgenden wird der Mechanismus der Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads
infolge einer Stoßwelle
unter Bezugnahme auf die 9 und die 10(A) und
(B) erläutert.
Die Laufschaufel 4S der Endstufe besteht aus einer Vorderkante 3,
einer Hinterkante 4 und einer Wölbung 5 und einem
Rücken 6, der
die Vorderkante 3 und die Hinterkante 4 verbindet.
In 9 gibt der schwarze Pfeil die Drehrichtung der
Laufschaufel 4S der Endstufe an.
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Wenn
das Druckverhältnis
aller Stufen groß ist,
ist auch das Druckverhältnis
der Endstufe groß, und
die Machzahl ist bei der Laufschaufel 4S der Endstufe groß. Wie im
einzelnen bei der Machzahl-Verteilung an der Schaufeloberfläche in 10(B) gezeigt ist, ist die Machzahl auf
der Rückenseite 6 der
Laufschaufel 4S der Endstufe groß. Wenn die Machzahl 1 überschreitet,
wie in 9 gezeigt ist, wird eine Stoßwelle 7 erzeugt.
Durch die Erzeugung dieser Stoßwelle 7 wird
eine Grenzschicht 8 (schattierter Bereich in 9 und 10(A)) in einem Bereich von hinter der
Stoßwelle 7 zu
der Hinterkante 4 auf der Rückenseite 6 der Laufschaufel 4S der
Endstufe gebildet. Diese Grenzschicht 8 nimmt zu, wenn
die Machzahl zunimmt. Durch das Wachsen der Grenzschicht 8 nimmt
der Druckverlust zu, und der Wirkungsgrad der Turbine wird gemindert. Das
heißt,
durch die Grenzschicht 8 wird die Strömung des Verbrennungsgases
G gestört
und der Wirkungsgrad der Turbine gemindert.
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Die
Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads infolge einer Stoßwelle tritt
deutlicher in dem Bereich der Spitzenseite bzw. Außenseite
in Erscheinung (beispielsweise der ovale Bereich in 7 in
unterbrochener Linie), insbesondere bei der Laufschaufel 4S der
Endstufe.
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JP-0-7094463
offenbart ein Diffusorgehäuse für eine Axialgasturbine,
bei der eine Diffusorgehäuse-Umfangswand
sich eine kleine Strecke von einem Ende der End-Laufschaufel der
Gasturbine parallel zu der Achse der Turbine erstreckt, bevor sich
die Umfangswand radial nach außen
neigt. Dieser Stand der Technik weist ferner eine geteilte Schaufel
auf, die an der Umfangswand des Diffusors so angebracht ist, dass
sie von diesem beabstandet ist und einen Strömungsweg bildet, in den ein
Hochgeschwindigkeits-Außenend-Leckstrahlstrom,
der das Außenende
der End-Laufschaufel passiert, für
den Zweck der Vermeidung einer Loslösung der Strömung von
der Innenumfangswandfläche
des Diffusorgehäuses
geleitet wird.
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EP-A-0953728
offenbart ein Turbogebläse-Triebwerk,
das mit einer Boosterstruktur versehen ist, bei der die Laufschaufel
des Boosters eine Tandem-Laufschaufel ist. Das Druckverhältnis einer
Stufe mit der Tandem-Laufschaufel wird mit 1,3 angegeben.
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Abriss der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbine bereitzustellen,
welche sicher die Abnahme eines Turbinen-Wirkungsgrads infolge eines
Stoßwellenverlusts
bei einer Gasturbine verhindert, die mit einem Druckverhältnis von
20 oder mehr arbeitet.
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Die
vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
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Weitere
Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 ein
erläuterndes
Diagramm einer Druckmessung, das erste bis sechste Beispiele von Gasturbinen
und Ausführungsformen
von Gasturbinen der Erfindung zeigt,
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2 ein
erläuterndes
Diagramm eines Abschnitts der Endstufe,
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3 ein
erläuterndes
Diagramm einer Skalierung der Laufschaufel der Endstufe,
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4 ein
Teil-Schnittansicht zur Darstellung einer Ausführungsform einer Gasturbine
der Erfindung,
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5 eine
vergrößerte Teil-Schnittansicht derselben,
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6 ein
erläuterndes
Diagramm eines Druckverhältnisses
derselben,
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7 ein
erläuterndes
Diagramm einer allgemeinen Gasturbine,
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8 eine
graphische Darstellung der Korrelation einer mittleren bestehenden
Machzahl und einem Gesamt-Druckverlustkoeffizient
der Gasturbinen-Laufschaufel der Endstufe,
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9 eine
Schnittansicht längs
einer Linie IX-IX in 7, und
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10(A) ein erläuterndes Diagramm eines Abschnitts
an einer Außenendseite
einer Laufschaufel der Endstufe, und 10(B) ein
erläuterndes
Diagramm einer Machzahl-Verteilung auf der Schaufeloberfläche an einer
Außenendseite
der Laufschaufel der Endstufe.
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Detaillierte
Beschreibung
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Im
folgenden werden Ausführungsformen der
Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschrieben.
Es ist anzumerken, dass die Gasturbine nicht nur auf diese dargestellten
Beispiele beschränkt
ist.
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1 zeigt
ein erstes Beispiel einer Gasturbine, das zur Erläuterung
von Aspekten der Erfindung dient. In den Zeichnungen geben die gleichen Bezugsziffern
wie in 7 bis 10 entsprechende Teile
an.
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Die
obere Hälfte
von 1 dient zur Erklärung, wie ein Druck in der
Endstufe von Schaufeln ("Endstufe") gemessen wird.
In dem Diagramm bezeichnet der Punkt P1 den Druckmesspunkt an der Außenend-Einlassseite
der Leitschaufel 4C der Endstufe. Der Punkt P2 stellt die
Druckmesspunkte an der Außenend-Austrittsseite
der Leitschaufel 4C der Endstufe sowie an der Außenend-Einlassseite der Laufschaufel 4S der
Endstufe dar. Der Punkt P3 zeigt den Druckmesspunkt an der Außenend-Austrittsseite der
Laufschaufel 4S der Endstufe. Der Punkt P4 gibt den Druckmesspunkt
an der mittleren Einlassseite der Leitschaufel 4C der Endstufe
an. Der Punkt P5 stellt die Druckmesspunkte an der mittleren Austrittsseite
der Leitschaufel 4C der Endstufe der mittleren Einlassseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe dar. Der Punkt P6 zeigt
den Druckmesspunkt an der mittleren Austrittsseite der Laufschaufel 4S der
Endstufe.
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Die
untere Hälfte
von 1 gibt eine Erklärung, wie ein Druckverhältnis auf
der Basis der Druckmessung in der oberen Hälfte von 1 aufgebaut
ist. In dem Diagramm zeigt ΔP4S
das Druckverhältnis
an der Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe. ΔP4S' zeigt das Druckverhältnis (mittleres Druckverhältnis) in
der Mitte der Seite der Laufschaufel 4S der Endstufe. ΔP4C zeigt
das Druckverhältnis
an der Außenendseite
der Leitschaufel 4C der Endstufe, ΔP4C' zeigt das Druckverhältnis (mittleres Druckverhältnis) an
der Mitte der Seite der Leitschaufel 4C der Endstufe. ΔP4C,4S bezieht
sich auf das Druckverhältnis
an der Außenendseite
der Endstufe. ΔP4C',4S' gibt das Druckverhältnis (mittleres
Druckverhältnis)
an der Mittenseite der Seite der Endstufe an.
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Die
Gasturbine nach dem ersten Beispiel arbeitet mit einem Druckverhältnis von
20 oder mehr (π ≥ 20), wobei
die Struktur der stromabwärtigen
Seite mit der Leitschaufel 4C der Endstufe so gestaltet
ist, dass das Druckgefälle
an der Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe 0,15 MPa oder weniger betragen
kann (ΔP ≤ 0,15 MPa).
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Bei
der Gasturbine des ersten Beispiels kann der Druckunterschied ΔP an der
Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe, das heißt das Druckverhältnis ΔP4S an der
Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe gemäß 1(B) kleiner eingestellt
werden als das mittlere Druckverhältnis ΔP4S'. Infolgedessen kann die Machzahl bei der
Laufschaufel 4S der Endstufe kleiner gehalten werden, und
daher kann bei der mit einem Druckverhältnis von 20 oder mehr arbeitenden
Gasturbine eine Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads infolge eines Stoßwellenverlustes
sicher verhindert werden.
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2 und 3 zeigen
ein zweites Beispiel der Gasturbine, das zur Erläuterung bestimmter Aspekte
der Erfindung dient. In der Zeichnung beziehen sich die gleichen
Bezugsziffern wie in 1 und in 7 bis 10 auf entsprechende Teile.
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2 ist
ein erläuterndes
Diagramm des Abschnitts der Endstufe. Die Leitschaufel 4C der
Endstufe besteht aus einer Vorderkante 10, einer Hinterkante 11,
einer Wölbung 12 und
einem Rücken 13, welcher
die Vorderkante 10 und die Hinterkante 11 verbindet. 3 ist
ein erläuterndes
Diagramm zur Darstellung des Skalierungsverhältnisses der Leitschaufel der
Endstufe.
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Bei
der Gasturbine des zweiten Beispiels beträgt das Skalierungsverhältnis der
Leitschaufel 4C der Endstufe, das heißt das außenendseitige Skalierungsverhältnis/nabenseitige
Skalierungsverhältnis 0,9
oder weniger (außenendseitige
Skalierung/nabenseitige Skalierung ≤ 0,9). Die Skalierung der Leitschaufel 4C der
Endstufe nimmt von der Außenendseite
zur Nabenseite zu, wie in 3 gezeigt
ist.
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Die
Skalierung wird festgelegt durch (Halslänge CO/Teilung CS). Die Halslänge CO ist
der kürzeste
Abstand von der Hinterkante 11 zur Rückseite 13 der angrenzenden
Leitschaufel 4C der Endstufe. Die Teilung CS ist der Abstand
zwischen den Vorderkanten 10 oder zwischen den Hinterkanten 11 der
angrenzenden Leitschaufel 4C der Endstufe.
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Bei
der Gasturbine des zweiten Beispiels, wie es in 3 gezeigt
ist, ist die Skalierung an der Außenendseite der Leitschaufel 4C der
Endstufe auf einen kleinen Wert reduziert. Infolgedessen ist, wie
in der unteren Hälfte
von 1 gezeigt ist, das Druckverhältnis ΔP4C an der Außenendseite
der Leitschaufel 4C der Endstufe für den Großteil des Druckverhältnisses ΔP4C,4S der
Endstufe verantwortlich, und das Druckverhältnis ΔP4S an der Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe kann verringert werdet,
so dass es kleiner ist als das durchschnittliche Druckverhältnis ΔP4S'. Infolgedessen kann
die Machzahl bei der Laufschaufel 4S der Endstufe kleiner
gestaltet werden, und eine Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads infolge
eines Stoßwellenverlustes
kann sicher verhindert werden.
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Ferner
kann durch Erhöhen
der Skalierung an der Nabenseite der Leitschaufel 4C der
Endstufe der Reaktionsgrad (Druckverhältnis von Laufschaufel/Druckverhältnis der
Stufe) an der Nabenseite der Endstufe (der von einer strichpunktierten
Linie in 7 umgrenzte Raum) verstärkt werden.
Wenn der Reaktionsgrad an der Außenendseite der Endstufe (das
Druckverhältnis
der Laufschaufel ΔP4S/das Druckverhältnis der
Stufe ΔP4C,4S)
durch Reduzieren der Skalierung an der Außenendseite der Endstufe geringer
wird, besteht daher kein spezielles Problem bei der Gestaltung der
Turbine.
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Außerdem wird
bei der Gasturbine des zweiten Beispiels durch Verwendung des Skalierungsverhältnisses
der in 3 gezeigten Leitschaufel 4C der Endstufe
als Parameter die Turbinengestaltung vereinfacht.
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Bei
der Gasturbine eines dritten Beispiels, wie es in 2 gezeigt
ist, beträgt
das Austrittswinkelverhältnis α2 (außenendseitiger
Austrittswinkel/nabenseitiger Austrittswinkel) der Leitschaufel 4C der
Endstufe 0,85 oder mehr (außenendseitiger
Austrittswinkel/nabenseitiger Austrittswinkel ≥ 0,85).
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Bei
der Gasturbine des dritten Beispiels ist ebenso wie bei der Gasturbine
des zweiten Beispiels der Austrittswinkel α2 an der Außenendseite der Leitschaufel 4C der
Endstufe reduziert. Infolgedessen ist, wie in der oberen Hälfte von 1 gezeigt
ist, das außenendseitige
Druckverhältnis ΔP4C der Leitschaufel 4C der
Endstufe für
den Großteil
des Druckverhältnisses ΔP4C,4S der
Endstufe verantwortlich, und das Druckverhältnis ΔP4S an der Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe kann verringert werden,
so dass es kleiner ist als das durchschnittliche Druckverhältnis ΔP4S'. Infolgedessen kann
die Machzahl bei der Laufschaufel 4S der Endstufe klein gehalten
werden, und eine Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads infolge eines
Stoßwellenverlustes
kann sicher verhindert werden.
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Ferner
kann durch Erhöhen
des Austrittswinkels α2
an der Nabenseite der Leitschaufel 4C der Endstufe der
Reaktionsgrad an der Nabenseite der Endstufe (Druckverhältnis der
Laufschaufel/Druckverhältnis
der Stufe) verbessert werden. Wenn der Reaktionsgrad an der Außenendseite
der Endstufe (Druckverhältnis ΔP4S der Laufschaufel/Druckverhältnis ΔP4C,4S der
Stufe) durch Verkleinern des Austrittswinkels α2 an der Außenendseite der Endstufe kleiner
wird, besteht daher kein spezielles Problem bei der Gestaltung der
Turbine.
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Gemäß der Gasturbine
des dritten Beispiels wird ebenso wie bei der Gasturbine des zweiten
Beispiels durch Verwendung des Austrittswinkelverhältnisses α2 der Leitschaufel 4C der
Endstufe als Parameter die Turbinengestaltung vereinfacht.
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Bei
der Gasturbine eines vierten Beispiels beträgt das Nabenverhältnis an
der Austrittsseite der Laufschaufel 4S der Endstufe (Nabenradius
R1/Außenendradius
R2) 0,4 oder mehr bis 0,65 oder weniger (0,4 ≤ Nabenradius/Außenendradius ≤ 0,65). Der Nabenradius
R1 und der Außenendradius
R2 sind wie in 7 definiert.
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Bei
der Gasturbine des vierten Beispiels ist das Nabenverhältnis an
der Austrittsseite der Laufschaufel 4S der Endstufe in
einem Bereich von 0,4 bis 0,65 definiert. Infolgedessen kann das
Skalierungsverhältnis
der Leitschaufel 4C der Endstufe der Gasturbine in dem
zweiten Beispiel und das Austrittswinkelverhältnis α2 der Leitschaufel 4C der
Endstufe der Gasturbine in dem dritten Beispiel in geeigneter Weise
festgelegt werden.
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Bei
der Gasturbine eines fünften
Beispiels beträgt
der mittlere Reaktionsgrad der Endstufe 0,3 oder mehr bis 0,6 oder
weniger (0,3 ≤ Reaktionsgrad ≤ 0,6).
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Infolgedessen
kann bei der Gasturbine des fünften
Beispiels durch Definieren des mittleren Reaktionsgrades der Endstufe
in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,6 der durchschnittliche Reaktionsgrad
der Endstufe zufriedenstellend beibehalten werden, und es besteht
kein spezielles Problem bei der Turbinengestaltung.
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Bei
der Gasturbine eines sechsten Beispiels, wie sie in 2 gezeigt
ist, beträgt
die Krümmung von
dem Hals So der Rückseite 6 zur
Hinterkante 4 der Laufschaufel 4S der Endstufe
(Krümmungsradius Se
der Rückseite 6 von
der Teilung SS/Hals SO zu der Hinterkante 4 der Laufschaufel 4S der
Endstufe) 0 oder mehr bis 0,15 oder weniger (0 ≤ Krümmungsradius Se der Rückseite 6 von
der Teilung SS/Hals SO zu der Hinterkante 4 der Laufschaufel 4S der Endstufe ≤ 0,15).
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Bei
der Gasturbine des sechsten Beispiels ist die Krümmung von dem Hals SO der Rückseite 6 zur Hinterkante 6 der
Laufschaufel 4S der Endstufe in einem Bereich von 0 bis
0,15 definiert. Infolgedessen kann das Skalierungsverhältnis der
Leitschaufel 4C der Endstufe der Gasturbine bei dem zweiten
Beispiel sowie das Austrittswinkelverhältnis α2 der Leitschaufel 4C der
Endstufe der Gasturbine in dem dritten Beispiel in geeigneter Weise
festgelegt werden.
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4 bis 6 zeigen
eine Ausführungsform
der Gasturbine. In den Zeichnungen sind gleiche Teile wie in den 1 bis 3 und
den 7 bis 10 mit den
gleichen Bezugsziffern versehen.
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In
den Zeichnungen ist die Bezugsziffer 14 ein Kanal, der
einen Diffusordurchgang 15 bildet, welcher mit der End-Austrittsseite der
Gasturbine in Verbindung steht. Dieser Kanal 14 ist beispielsweise mit
einem Abgas-Heizkessel (nicht dargestellt) verbunden.
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Von
dem Kanal 14 ist die Kanalwand 16 in dem Abschnitt
des spezifizierten Abstands L von dem der Gasturbine gegenüberliegenden
Ende innenseitig einer Linie parallel zu der Welle O-O der Gasturbine
gezeichnet (0° ≤ θ ≤ 5°).
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Der
Abstand L der Kanalwand 16 beträgt das 0,5fache oder mehr bis
3fache oder weniger der Schaufel-Sehnenlänge C von der Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe (0,5C ≤ L ≤ 3C). Ferner sind die stromabseitigen
Kanalwände 17, 18, 19 der Kanalwand 16 in
zwei Stufen gefaltet, so dass sie ebenso wie bei dem herkömmlichen
Kanal geneigt sind (durch eine Doppel-Strichpunktlinie in 4 und 5 angedeutet).
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Bei
der Gasturbine der Ausführungsform
ist der Druck in der Kanalwand 16 (mit einem Kreis in unterbrochener
Linie in 4 angedeutet) größer, die
parallel oder an der Innenseite aus dem Diffusordurchgang 15 heraus
gezeichnet ist. Dementsprechend erhöht sich der Druck P3 an der
Außenend-Austrittsseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe gegenüber der Kanalwand 16,
und das Druckverhältnis ΔP4S an der
Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe ist kleiner. Folglich
kann die Machzahl bei der Laufschaufel der Endstufe klein gehalten
werden, und eine Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads infolge eines
Stoßwellenverlusts
kann sicher verhindert werden.
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Da
das Druckverhältnis
an der Nabenseite der Laufschaufel 4S der Endstufe unverändert ist, bleibt
der Reaktionsgrad an der Nabenseite der Endstufe (Druckverhältnis der
Laufschaufel/Druckverhältnis
der Stufe) der gleiche. Wenn der Reaktionsgrad an der Außenendseite
der Endstufe (Druckverhältnis ΔP4S der Laufschaufel/Druckverhältnis ΔP4C,4S der
Stufe) durch Verringern des Druckverhältnisses ΔP4S an der Außenendseite
der Laufschaufel 4S der Endstufe kleiner wird, gibt es
daher kein spezielles Problem bei der Gestaltung der Turbine.
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Bei
der Gasturbine dieser Erfindung ist der Druck in der parallel oder
innenseitig aus der Diffusorpassage gezogenen Kanalwand größer. Demgemäß erhöht sich
der Druck an der Außenend-Austrittsseite
der Leitschaufel der Endstufe gegenüber der Kanalwand, und das
Druckverhältnis
an der Außenendseite
der Laufschaufel der Endstufe ist kleiner.
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Folglich
kann die Machzahl bei der Laufschaufel der Endstufe klein gehalten
werden, und eine Abnahme des Turbinen-Wirkungsgrads infolge eines Stoßwellenverlusts
kann sicher verhindert werden. Da das Druckverhältnis an der Nabenseite der Laufschaufel
der Endstufe unverändert
ist, bleibt der Reaktionsgrad an der Nabenseite der Endstufe (Druckverhältnis der
Laufschaufel/Druckverhältnis der
Stufe) der gleiche. Falls der Reaktionsgrad an der Außenendseite
der Endstufe durch Reduzieren des Druckverhältnisses an der Außenendseite
der Laufschaufel der Endstufe kleiner wird, besteht daher kein spezielles
Problem bei der Gestaltung der Turbine.