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Gegenstand
dieser Erfindung ist ein Ölrückführungs-
und Kühlsystem
für Gasturbinenlager.
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Bekanntlich
weisen Gasturbinen einen Verdichter auf, dem Außenluft zugeführt wird,
um unter Druck gesetzt zu werden.
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Die
verdichtete Luft tritt in eine Reihe von Brennkammern ein, die mit
einer Düse
enden, wobei in jeder der Brennkammern ein Injektor Brennstoff zuführt, der
sich mit der Luft mischt, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verbrennung
zu bilden.
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Anschließend werden
die verbrannten Gase der Turbine zugeführt, die den Wärmeinhalt
der Gase, die in der oben genannten Brennkammer verbrannt worden
sind, in für
einen Anwender verfügbare
mechanische Energie umwandelt.
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Zweiwellengasturbinen
weisen einen Gasgenerator und eine Arbeitsturbine mit unabhängigen Wellen
auf, die mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren.
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Der
Arbeitsrotor besteht aus einer Welle, die an einem Ende die Scheiben
der Niederdruckturbine und an dem anderen Ende den Lastanschluss
trägt.
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Die
in dem Gasgenerator erzeugten heißen Gase müssen durch eine Niederdruckturbine
in für
einen Anwender verfügbare
Energie umgewandelt werden.
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Die
Niederdruckdüsen
beschleunigen und lenken die heißen Gase auf die Rotorlaufschaufeln, die
die nutzbare Energie auf die Turbinenwelle übertragen.
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Um
die technischen Probleme, mit denen sich die vorliegende Erfindung
befasst, besser zu verstehen, wird an dieser Stelle auf den folgenden Stand
der Technik, insbesondere auf 1, Bezug genommen.
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1 stellt
ein Ölrückführungs-
und Kühlsystem
für Gasturbinenlager
dar, das sich auf eine Zweiwellenturbine nach dem Stand der Technik
bezieht, die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet
ist.
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In
diesem Falle ruht der Leistungsrotor auf einem Paar von Lagern,
die mit den Bezugszeichen 17 und 18 bezeichnet
sind.
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Die
Absätze
der Lager 17 und 18 sind auf einem starren Träger (Lagereinheit)
angebracht, der durch die Lagerträgereinheit gehaltert ist.
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Es
sollte erkannt werden, dass die Lagereinheit in einigen Fällen mit
der Lagerträgereinheit
integriert ausgebildet ist.
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Die
Versorgungsrohre 31 und 32 der Lager 17 und 18,
durch die das Schmieröl
und die Luft zum Beaufschlagen der Dichtungen auf der Welle mit Druck
strömt,
sind in dem an dem Lastanschlussflansch angrenzenden Bereich installiert.
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Jedes
der Lager 17 und 18 weist wenigstens ein Ölzufuhrrohr 31,
ein Rohr 60 für
die Barrieredichtungsluft und ein Rückführungsrohr 32 auf,
das für sowohl
das Schmieröl
als auch für
die Öldämpfe enthaltende
Dichtluft gemeinsam ist.
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Tatsächlich ist
der Zufuhr- und Rückführungsbereich
für das Öl und die
Barriereluft eine „schwierige
Umgebung", weil
er innerhalb des Rückführungsdiffusors 34 angeordnet
ist, dessen Wände 33,
die gewöhnlich
isoliert sind, als ein Ergebnis der Wärmebrücken, die gebildet werden und
zu deren Beseitigung es kein praktisches Mittel gibt, Bereiche mit
einer sehr hohen Temperatur aufweisen.
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Im
Falle eines Öllecks
kann die Isolierung von einer sich anschließenden Emission von Rauch oder
Flammen durchdrungen werden.
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Darüber hinaus
haben die jüngst
entwickelten Turbinen eine Umwandlung mit dem Ergebnis durchlaufen,
dass der Verbindungsbereich noch weniger zugänglich und noch kleiner ist.
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Demnach
müssen
Schmieröl
und Druckluft so zugeführt
werden, dass Öllecks
(oder im Falle von Rückführungsrohren
Lecks von Öldämpfen enthaltender
Luft) durch die statischen Dichtungen (Fugen zwischen Statorelementen)
hindurch verhindert werden.
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Insbesondere
im Falle von kleinen Gasturbinen mit niedriger Leistung ist es auch
notwenig, zu versuchen, die Größe der Lager 17 und 18,
der Dichtungen und der die Lager 17 und 18 selbst
tragenden Einheiten soweit wie möglich
zu begrenzen.
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Ein
weiterer, bei der Rückführung von Öl zu berücksichtigender
Schlüsselaspekt
ist die Maximaltemperatur, die das Öl erreichen kann.
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Tatsächlich darf
das Schmieröl
keine übermäßig hohen
Temperaturen erreichen, denn anderenfalls verschlechtert es sich und
verliert seine ihm eigenen physikalischen Fähigkeiten und Eigenschaften.
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Die
innere Einheit der Turbine, das ist die die Lager tragende Einheit,
ist zur Begrenzung der Kosten aus Materialien (z.B. Gusseisen) hergestellt,
die hohen Temperaturen nicht standhalten können, trägt aber den Rückführungsdiffusor 34,
in dem die Gase mit einer hohen Temperatur strömen.
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Folglich
ist das innere Element der Ölrückführungseinheit
der Turbine mit einer Isolationsschicht überzogen, und es ist immer
ein Kühlsystem für die Einheit
selbst vorhanden, um die Temperatur niedrig zu halten.
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Allgemein
ausgedrückt
kann jedoch beachtet werden, dass die Lagergehäuse in Arbeitsturbinen auf
die folgenden Arten installiert werden:
In einem ersten Beispiel
werden getrennte Lagergehäuse
geschaffen, wobei jedes zwei Enddichtungen aufweist, wo die Welle
hindurchtritt, und es sind Rohre vorhanden, die das Schmieröl führen und
gewöhnlich
in den Rückführungsrohren
und den Druckluftrohren enthalten sind.
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Die
zwei Lagergehäuse
sind in der Rückführungseinheit
der Turbine mit geeigneten Vorkehrungen installiert, um die unterschiedlichen
Ausdehnungen zwischen den Lagergehäusen und der Rückführungseinheit
zu berücksichtigen
und dennoch die Koaxialität
der Welle mit dem Gaskanal zu erhalten.
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In
einem zweiten Beispiel sind die Lager direkt in einer gemeinsamen
Einheit installiert, die die Wellenträgereinheit ist, die ihrerseits
an der Rückführungseinheit
befestigt ist.
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Die
Versorgungsrohre sind in dem Bereich des Lagers 18 angeflanscht,
das gewöhnlich
ein kombiniertes Trag- und Axialdrucklager ist, wobei die Verbindung
zur Öl-
und Druckluftzufuhr über
Rohre innerhalb der Einheit erfolgt und die die Ölrückleitung von dem Lager 17 durch
Mittel zum Leiten des Öls
zu der Unterseite der Wellenträgereinheit
erfolgt, wo es sich mit dem aus dem Lager 18 abgeführten Öl vereinigt.
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Die
Verbindung mit dem Rückführungsrohr, das
das Öl
in das Gehäuse
der Zentraleinheit führt, erfolgt
in dem Bereich des Lagers 18.
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Ein
drittes Beispiel aus dem Stand der Technik sieht drei Lager, zwei
Traglager und ein Drucklager, vor, die direkt auf der Turbinenrückführungseinheit
installiert sind. In diesem Fall ist die Einheit so aufgebaut, dass
sie die Fähigkeit
zum Sammeln des aus den Lagern abgeführten Öls hat.
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Die
Rückführungseinheit
der Turbine kann als eine Kombination aus der Wellenträgereinheit und
der Rückführungseinheit
selbst angesehen werden, wobei die Versorgungsfluidverbindungen
in dem Bereich des Lagers 18 angeordnet sind.
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In
DE-A-196 06 088 ist ein Ölrückführungs- und
Kühlsystem
für eine
Gasturbine gemäß dem Oberbegriff
des vorliegenden Anspruchs 1 beschrieben.
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Dementsprechend
besteht der Zweck dieser Erfindung in der Schaffung eines Ölrückführungs- und
Kühlsystems
für Gasturbinenlager,
das eine effizientere Zirkulation des Schmier- und Kühlöls ermöglicht,
um die Ausführung
der Rohre rationeller zu machen, wobei der in den jüngst entwickelten
Turbinen verfügbare,
zunehmend begrenztere Platz berücksichtigt
wird.
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Ein
weitere Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ölrückführungs-
und Kühlsystems
für Gasturbinenlager,
das zum Erzeugen einer ausreichenden Kühlwirkung dient, die so groß ist, dass
sie die Temperatur der Innenoberfläche der Rückführungseinheit der Turbine verringert
und zum Verhindern eines erheblichen und schädlichen Anstiegs der Temperatur
des Öls
selbst in der Lage ist.
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Ein
weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ölrückführungs-
und Kühlsystems
für Gasturbinenlager,
das ein hohes Maß an
Effizienz und mechanischer Zuverlässigkeit bietet und auf der ökonomischen
Ebene vorteilhaft ist.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Ölrückführungs-
und Kühlsystem
für eine
Gasturbine geschaffen, wobei die Gasturbine eine mit Lagern versehene Rotorwelle,
wobei die Lager mit Dichtluft gespeist werden, die von Zuführmitteln
eines Rückführungsdiffusorbereiches
geliefert wird, und eine Rückführungseinheit
enthält,
die aus zwei konzentrischen Ringen besteht, die jeweils einen äußeren bzw.
inneren Teil der Rückführungseinheit
bilden, wobei der innere Teil der Rückführungseinheit mittels mehrerer Speichen
mit dem äußeren Teil
verbunden ist, gekennzeichnet durch:
Schmier- und Kühlöl, das in
wenigstens einem ersten Rohr zirkuliert, das innerhalb einer ersten
Speiche der Rückführungseinheit
angeordnet ist, wobei das Öl
in die Rückführungseinheit
gesprüht
und mittels wenigstens eines zweiten Rohres abgeführt wird,
das wenigstens teilweise innerhalb einer zweiten Speiche (13)
der Rückführungseinheit
angeordnet ist.
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Die
oben erwähnten
Rohre können
in geeigneter Weise isoliert sein, wenn sie durch einen Bereich
führen,
dessen Temperatur hoch sein kann.
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Konkreter
kommt das Ölzufuhrrohr
innerhalb der Turbinenrückführungseinheit
an und verzweigt sich in zwei weitere Rohre, die das dritte und
vierte Lager der oben genannten Turbine speisen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung zieht das Axialdrucklager der Lageranordnung das Öl bei hohen
peripheren Geschwindigkeiten mit und erhöht sein Energieniveau, um einen
beschleunigenden Strahl zu erzeugen, um das Öl durch wenigstens eines der
oben genannten, innerhalb der Speichen angeordneten Rohre abzuführen.
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Weitere
kennzeichnende Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen festgelegt,
die dieser Patentanmeldung beigefügt sind.
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Die
weiteren Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung sowie ihre strukturellen
und funktionalen Kennzeichen werden durch Studium der folgenden Beschreibung
und der beigefügten
Zeichnungen deutlich, die nur als ein erläuterndes und nicht beschränkendes
Beispiel angegeben sind, wobei:
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1 im
Schnitt ein Detail einer Zweiwellenturbine darstellt, in der ein Ölrückführungs-
und Kühlsystem
für die
Turbinenlager zu sehen ist, das zum Stand der Technik gehört, und
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2 im
Schnitt ein Detail einer Zweiwellenturbine darstellt, in der das Ölrückführungs-
und Kühlsystem
für die
Turbinenlager gemäß dieser
Erfindung zu sehen ist.
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Nun
insbesondere unter Bezug auf 2: Das Ölrückführungs-
und Kühlsystem
für die
Lager einer Zweiwellengasturbine gemäß dieser Erfindung ist als
Ganzes mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
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In 2 ist
es möglich,
die Rückführungseinheit 11 der
Gasturbine zu erkennen, die aus zwei notwendigerweise konzentrischen
Ringen 40 und 41 besteht, die durch sechs Speichen
verbunden sind, von denen in 2 die Speichen 12 und 13 zu
sehen sind.
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Innerhalb
der Rückführungseinheit 11 befindet
sich die Rotorwelle 19, die u.a. mit Lagern 17 und 18 verbunden
ist.
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Zusammengefasst
löst diese
Erfindung die Probleme des Standes der Technik mittels eines innovativen
Systems zur Rückführung des Öls durch die
sechs Speichen, die den inneren Teil 41 der Rückführungseinheit 11 der
Gasturbine mit ihrem äußeren Teil 40 verbinden.
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Mit
anderen Worten wird die Wahl getroffen, die Verbindungen zu installieren,
die durch den Rückführungsdiffusor 44 hindurchführen, der
in geeigneter Weise isolierte Wände 43 aufweist.
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Das Öl wird durch
ein Rohr 14 zugeführt,
das durch die Speiche 12 der Turbinenrückführungseinheit 11 hindurchführt.
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2 zeigt
durch Pfeile gekennzeichnet auch den Weg des Öls von der Zuführung in
die Rückführungseinheit 11 zum
Abführen.
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Die Ölrohre 20 und 14 sind
in geeigneter Weise isoliert, da sie durch einen Bereich mit einer Temperatur über 250°C führen und
das Öl
Schaden nehmen würde,
wenn es eine solche Temperatur erreichte.
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Das Ölzufuhrrohr,
das Rohr 14, kommt innerhalb der Rückführungseinheit 11 der
Turbine an und verzweigt sich hier in zwei weitere Rohre 15 und 16 (die
nicht isoliert sind), die das dritte und vierte Lager speisen, die
jeweils mit den Bezugszeichen 17 bzw. 18 bezeichnet
sind.
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Die
Dichtluft des Lagers 17 tritt durch geeignete (in der beigefügten Figur
aus Gründen
der Einfachheit nicht dargestellte) Längslöcher hindurch.
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Die
Dichtluft kommt durch konventionelle Mittel zur Speisung des Rückführungsdiffusorbereiches 44 an
dem Lager 18 an.
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Weder
das Lager 17 noch das Lager 18 weist auf der Seite,
die dem Inneren der Rückführungseinheit 11 der
Turbine zugewandt ist, Barrieredichtungen auf.
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Aus
diesem Grunde wird das Öl,
das den Lagern 17 und 18 (auch in bezogen auf
ihren Bedarf überschüssigen Mengen)
zugeführt
worden ist und aus dem zwischen der Lagereinheit 11 und
der Rotorwelle 19 vorhandenen Spalt austritt, zentrifugiert
und auf die innere Wand der Einheit gesprüht.
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Es
ist wichtig zu beachten, dass die innere Temperatur der Rückführungseinheit 11 der
Turbine ohne die Kühlwirkung
des Öls
sicher sehr hoch, bei geschätzten
150°C oder
darüber,
(ein Wert, der von der Dicke der Isolationsschicht abhängt) läge, und
als ein Ergebnis dieser unter Verwendung des Öls von den Lagern (Temperatur
von etwa 80°C)
durchgeführten
Spülung
wird die Rückführungseinheit
erheblich gekühlt.
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Die
Menge des in die Rückführungseinheit 11 gesprühten Öls ist so
bemessen, dass kein merklicher Anstieg der Temperatur des Öls selbst
stattfindet.
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Das Öl sammelt
sich dann in dem inneren Bodenbereich der Rückführungseinheit 11 der
Turbine und wird dann mittels zweier in den Speichen angeordneter
Rohre, von denen in 2 das Rohr 20 der Speiche 13 sichtbar
ist, in das Äußere der
Maschine geleitet.
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2 zeigt
auch das Rückführungsrohr 21, von
dem ein Teil innerhalb der Rückführungseinheit 11 und
ein Teil innerhalb einer der Speichen angeordnet ist.
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Aus
Platzgründen
ist der Durchmesser der oben genannten Rohre 20 und 21 beschränkt, aber es
ist aus drei wesentlichen Gründen
notwendig, dass das gesamte in der Rückführungseinheit 11 der Turbine
gesammelte Öl
abgeführt
wird.
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Erstens
würde das Öl als Folge
einer übermäßigen Erhitzung
Schaden nehmen, wenn es für eine
lange Zeitdauer in der Rückführungseinheit 11 der
Turbine bleiben müsste.
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Zweitens
würde es
zu einem erheblichen Anstieg der abgeführten Energie führen und
es könnten dynamische
Probleme auftreten, wenn der Ölstand den
Rotor erreichen würde.
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Schließlich würde das Öl durch
die Dichtungen selbst in den Hauptkanal, durch den die heißen Gase
strömen,
die ihre Expansion in der Turbine abgeschlossen haben, oder in den
Bereich des Rückführungsflansches 22 und
dadurch auf den Rückführungsdiffusor
strömen,
wenn das Öl
das Niveau der Lagerdichtungen erreichte.
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In
beiden Fällen
verursacht die Ölströmung Maschinenbrände.
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Das
Problem ist gelöst
worden, indem von der Energie Gebrauch gemacht wird, die das Drucklager 23 des
Lagers 18 dem Öl
selbst zu liefern in der Lage ist.
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Tatsächlich zieht
das Drucklager 23 das Öl bei
hohen Umfangsgeschwindigkeiten (120 m/s) mit und erhöht sein
Energieniveau (mit anderen Worten die kinetische Energie).
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Diese
kinetische Energie wird von dem Rohr 21 in 2 verwendet,
um einen beschleunigenden Strahl (das ist ein Ejektorstrahl) zum
Abführen
des Öls
zu erzeugen.
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Eine
insbesondere von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus vorzuziehende
Lösung
dieser Erfindung betrifft die Verwendung eines einzelnen Rohres 20 als
einziges Rückführungsrohr
innerhalb einer Speiche 13, wenn sein Vorhandensein zur Rückführung des
in der Rückführungseinheit 11 der Turbine
vorhandenen Öls
tatsächlich
ausreichend ist.
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Während der
Hochfahr-, Herunterfahr- und Schmierkühlungsphasen ist die potentielle
Energie des Öls
(oder ihr Niveau) ausreichend, um einen Druck zu garantieren, um
die Verluste der Last entlang der zwei Rückführungsrohre 20 und 21 zu überwinden,
um die oben erwähnten
Probleme zu vermeiden.
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Offensichtlich
ist während
diesen Phasen das Ölniveau
höher als
unter normalen Betriebsbedingungen, d.h. wenn die Welle 19 der
Maschine rotiert.
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Aus
der gegebenen Beschreibung werden die kennzeichnenden Merkmale des Ölrückführungs- und
Kühlsystems
für Gasturbinen lager,
die der Gegenstand dieser Erfindung sind, wie auch die Vorteile klar.
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Die
folgenden abschließenden
Kommentare und Bemerkungen werden gemacht, um die Vorteile genauer
und klarer zu definieren.
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Wenn
durch die praktische Umsetzung dieses Systems das Schmieröl durch
die Speichen zugeführt
und abgeführt
wird, wird ein effizienterer Umlauf des Öls sowie eine rationellere
Nutzung des innerhalb des Rückführungsbereiches
der Turbine verfügbaren
verringerten Platzes erreicht.
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Darüber hinaus
ist das System dabei erfolgreich, von der von dem Drucklager 23 gelieferten
kinetischen Energie zum Aufbringen von Druck auf das Öl Gebrauch
zu machen.
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Es
ist klar, dass das Ölrückführungs-
und Kühlsystem
für Gasturbinenlager,
das der Gegenstand dieser Erfindung ist, auf zahlreicher Arten abgewandelt
werden kann, ohne von den in dem dargestellten erfinderischen Konzept
enthaltenen innovativen Prinzipien abzuweichen.
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Schließlich ist
klar, dass bei der praktischen Umsetzung der Erfindung gemäß den Anforderungen beliebige
Materialien, Formen und Abmessungen der dargestellten Einzelheiten
verwendet und sie durch andere, von einem technischen Standpunkt
aus äquivalente
Elemente ersetzt werden können.
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Der
Schutzbereich der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche festgelegt.