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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Düsen bzw. Leiteinrichtungen
und Mäntel
von Gasturbinen in einem Heißgasströmungspfad
einer Turbine, wobei diese Düsen/Leiteinrichtungen
und Mäntel
vorzugsweise auf der Grundlage der Einlassbedingungen für die Düsen/Leiteinrichtungen
und Mäntel,
d. h. bekannter Strömungscharakteristika
der durch die Einlassebene der Düse/Leiteinrichtung
und die Einlassebene des Mantels strömenden heißen Verbrennungsgase, auf eine
sich in Umfangsrichtung erstreckende Brennkammeranordnung bezogen
platziert sind.
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In
konventionellen, für
industrielle Zwecke, d. h. zur Erzeugung elektrischen Stroms, konstruierten Gasturbinen,
weist das Brennkammersystem typischerweise eine ringförmige Anordnung
von in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Brennkammern
auf. Jede Brennkammer liefert heiße Verbrennungsgase durch ein
angeschlossenes Übergangsstück zur Leitung über einen
vorgegebenen Bereich der Düsen
bzw. Leiteinrichtungen der ersten Stufe, einen vorgegebenen Bereich
der Mäntel
der ersten Stufe, die den Turbinenlaufschaufeln der ersten Stufe
gegenüber
liegen, und dann durch die Düsen
bzw. Leiteinrichtungen und Mäntel
weiterer Stufen. Im Hinblick auf die Düsen, weist jede Düse ein Paar
in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneter, benachbarter
Leitschaufeln und innere und äußere Seitenwände auf,
die für
die heißen
Verbrennungsgase den Strömungspfad
durch die Düse
definieren. In der Konstruktion von Brennkammern gibt es bekannte
Schwankungen der längs des
Umfangs vorliegenden Strömungscharakteristika,
die verursachen, dass jede Düse
verschiedenen Einlassbedingungen aussetzt ist. So kann z. B. an der
Einlassebene einer Düse
der ersten Stufe oder im Wesentlichen an der Austrittsebene des Übergangsstücks eine
Düse von
deutlich anderen Wärmeübergangskoeffizienten
und/oder Temperaturen als eine benachbarte Düse begleitet sein, die heiße Verbrennungsgase
aus derselben Brennkammer und demselben Übergangsstück aufnimmt. Darüber hinaus
kann eine der Düsen
des Düsensatzes,
der heiße
Verbrennungsgase von einer einzelnen Brennkammer aufnimmt, an verschiedenen
Stellen entlang des Einlasses verschiedenen Strömungsbedingungen ausgesetzt
sein. Es ist verständlich,
dass z. B. in einem Verbrennungssystem einer Gasturbine, das vierzehn
Brennkammern und zweiundvierzig Düsen der ersten Stufe aufweist,
die in gleichem Abstand zueinander positionierten Brennkammer/Düsen-Anordnungen
jeweils drei Düsen
aufweisen, die heiße Verbrennungsgase
von einer einzelnen Brennkammer empfangen. Wegen der Schwankungen
der Strömungscharakteristika
unterscheiden sich die Einlassbedingungen, denen eine der Düsen ausgesetzt
ist, wesentlich von den Einlassbedingungen, denen die anderen zwei
Düsen ausgesetzt
sind.
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Genauer
gesagt, kann wegen der Verwirbelungseffekte der Brennstoffstömung innerhalb
der Brennkammer eine erste der drei Düsen nicht nur eine höhere Temperaturentwicklung
als die zwei benachbarten Düsen,
sondern auch eine höhere
Temperatur an einer Stelle entlang des Außenumfangs und neben einer äußeren Ecke
der Düse
aufweisen. Die anderen zwei Düsen
des Düsensatzes,
die heiße Verbrennungsgase
von der einen Brennkammer aufnehmen, können über dem Düseneinlass konstant im Wesentlichen
die gleiche Einlasstemperatur aufweisen. Auf diese Weise wird eine örtlich überhitzte
Stelle (Hot Spot) in einer Düse
der ersten Stufe eines jeden zu einer Brennkammer zugehörenden Düsensatzes
erzeugt, wobei die Temperatur der überhitzten Stelle sich um so
viel wie 500°F
von den verbleibenden Düsen
des Satzes unterscheiden kann. Die verschiedenen Strömungscharakteristika
rufen auch Druckschwankungen hervor.
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Aufgrund
dieser erkannten Schwankungen der in Umfangsrichtung vorliegenden
Strömungs- und
Temperaturcharakteristika in der Einlassebene der Düsen, werden
die Düsenkomponenten
konventionell gleichförmig
konstruiert, um den schädlichsten Brennkammerbedingen
standzuhalten. In Folge dessen werden eine oder mehrere Düsen eines
jeden Düsensatzes überdimensioniert,
was negative Auswirkungen auf die Triebwerksleistung und die Kosten hat.
Die Düsen
der ersten Stufe z. B. werden in einer industriellen Gasturbine
Luft- oder dampfgekühlt. Durch
die gleiche Konstruktion aller Düsen
einer Stufe und die Auslegung für
das Schlimmstenfall-Szenario
kann die erste Düse,
die einer höheren
Einlasstemperatur ausgesetzt ist als die benachbarten Düsen des
Düsensatzes,
der Verbrennungsgase von derselben Brennkammer empfängt, für diese
Bedingung geeignet gekühlt
werden. Die andere(n) Düse(n)
dieses Satzes werden jedoch zu stark gekühlt, wobei wertvolle Kompressorauslassluft
oder Dampf verwendet wird, was negative Folgeeinflüsse auf
die Triebwerksleistung hat. Ferner sind Düsen für industrielle Gasturbinen
typischerweise in Form von Düsensegmenten
ausgebildet und in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Anordnung
befestigt, um Düsen
der ersten und der zweiten Stufe zu bilden. Ungeachtet strikter
Produktionskontrollen kann jedes Düsensegment eine andere Qualität aufweisen.
So können
z. B. die Schweißstellen
auf den Düsensegmenten
unterschiedlich sein oder die Stärke
der thermischen Wärmeschutzbarrierenbeschichtungen kann
ein wenig unterschiedlich sein. In Folge dessen können die
strukturellen Eigenschaften der Segmente geringe Schwankungen aufweisen, Eigenschaften der
Segmente geringe Schwankungen aufweisen, die zur Annahme oder Abweisung
der Segmente zur Verwendung in Gasturbinen führen können. Die strukturellen Eigenschaften
eines jeden Düsensegments
können
somit zur Ausbildung einer Düse
an einer örtlich überhitzten
Stelle („Hot
Spot") nicht akzeptabel,
aber für
eine Düse
an einer anderen Stelle innerhalb desselben Satzes, die weniger
strengen Bedingungen ausgesetzt ist, durchaus akzeptabel sein.
US-A-4 733 538 beschreibt
ein Verfahren und eine zugehörige
Gasturbine, die Hot Spots an dem Einlass einer Turbinendüse berücksichtigen
und die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und 5 aufweisen.
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Dasselbe
gilt für
die Mäntel,
die die Laufschaufeln verschiedener Turbinenstufen umgeben. Somit
sind die Mäntel
der verschiedenen Stufen in ähnlicher
Weise Schwankungen der längs
des Umfangs vorliegenden Strömungscharakteristika
entlang einer Manteleinlassebene ausgesetzt. Die Mäntel sind
von deutlich anderen Wärmeübergangskoeffizienten
und/oder Temperaturen als benachbarte Mäntel begleitet, die die heißen Verbrennungsgase von
der stromauf gelegenen Düsenstufe
aufnehmen. Ähnlich
wie die Düsen
sind die Mäntel
gleich konstruiert, um den schädlichsten
Strömungspfadbedingungen
standzuhalten, wobei die überdimensionierten Mäntel ähnlich negative
Auswirkungen auf die Triebwerksleistung und die Kosten wie die zuvor
beschriebenen Düsen
aufweisen.
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Typischerweise
gibt es die gleiche Anzahl von Innenmänteln wie Düsen. Alternativ kann es eine unterschiedliche
Anzahl von Mänteln
und Düsen
geben, z. B. zwei Mäntel
für jede
Düse. In
jedem Falle werden, wie oben beschrieben, die verschiedenen Mäntel um
den Heißgaspfad
herum unterschiedlichen Einlassbedingungen ausgesetzt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung werden die Düsen bzw. Leiteinrichtungen
und Mäntel
eines jeden Satzes von Düsen/Leiteinrichtungen
und Mänteln
für jede
zugehörige
Brennkammer vorzugsweise entsprechend den zugehörigen Einlassbedingungen der
Düse (Leiteinrichtung)
und des Mantels platziert. Hinsichtlich der Düsen z. B., bei denen Hot Spots
in den Einlassbedingungen eines jeden Düsensatzes, das die heißen Verbrennungsgase
von einer zugehörigen Brennkammer
aufnimmt, identifiziert werden, kann die Düse an dieser Umfangsstelle
für diese
erhöhte Temperaturbedingung
ausgelegt werden. Somit kann diese Düse mit stärkerer Kühlung versehen werden, indem
z. B. der Luft- oder Dampfdurchfluss durch die Düse gesteigert wird, um die
Düse zur
Berücksichtigung
des Hot Spots weiter zu kühlen.
Umgekehrt muss die verbleibende Düse oder müssen die verbleibenden Düsen des
Satzes von Düsen,
die Verbrennungsgase aus derselben Brennkammer aufnehmen, nicht
für das
Schlimmstenfall-Szenario ausgelegt werden, sondern können ausgelegt
werden, um z. B. eine reduzierte Kühlströmung von Luft oder Dampf zu
liefern. Auf diese Weise wird eine Überdimensionierung der letztgenannten
Düse(n)
vermieden. Die Qualität
der Düsen,
die einen Düsensatz
bilden, der Verbrennungsgase von derselben Brennkammer empfängt, kann
ebenfalls unterschiedlich sein. Z. B. muss die strukturelle Qualität der Düsen, die
eine kühlere
Strömung
der heißen
Verbrennungsgase aufnehmen, nicht dieselbe strukturelle Qualität der Düsen dieses
Satzes aufweisen, der die heißere Strömung aus
derselben Brennkammer aufnimmt. Somit können Wandstärke oder Beschichtungen, wie z.
B. Wärmebarrierenbeschichtungen,
oder beides für
diejeni gen Düsen
verringert werden, bei denen kühlere
Strömungen
von Verbrennungsgasen festgestellt werden, verglichen mit der Wandstärke und/oder
den Beschichtungen der Düse
dieses Satzes, die die heißeren
Verbrennungsgase aufnimmt. Durch eine bevorzugte Auslegung der Düsen eines jeden
Satzes von diesen und eine bevorzugte Positionierung dieser Düsen abhängig von
den Einlassbedingungen von jeder Brennkammer kann die Triebwerksleistungsfähigkeit
und die Gesamtlebensdauer der Düsen
erhöht
werden. Man wird es zu schätzen wissen,
dass das Vorstehende sowohl auf die Düsen der ersten Stufe Als auch
auf die Düsen
der zweiten Stufe anwendbar ist.
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Ähnlich wie
im Falle der Düsen,
werden die Mäntel
vorzugsweise entsprechend den Bedingungen der entlang des Heißgaspfades
strömenden Heißgase an
einer Einlassebene zu der ringförmigen Anordnung
von Mänteln
der Rotorstufen platziert. Dort, wo z. B. Hot Spots in den Einlassbedingungen zu
den stromab von den Düsen
gelegenen Mäntel festgestellt
werden, kann der Mantel oder können
die Mäntel
an dieser Stelle für
diese erhöhte
Temperatur ausgelegt werden. Beispielsweise kann eine stärkere Kühlung geliefert
werden. Umgekehrt müssen
die Mäntel
des verbleibenden Satzes von Mänteln,
die die Verbrennungsgase von derselben Brennkammer empfangen, obgleich über die
stromauf gelegenen Düsen,
nicht für
das Schlimmstenfall-Szenario ausgelegt werden, sondern können dimensioniert
werden, um eine reduzierte Kühlung
oder eine reduzierte strukturelle Qualität zu erzielen. Darüber hinaus
können
Dicken oder Beschichtungen angepasst werden, um die reduzierte Temperatur
der Gase zu berücksichtigen.
Entsprechend können
die Mäntel, ähnlich wie
die Düsen,
für erhöhte Triebwerksleistungsfähigkeit
und Gesamtlebensdauer der Mäntel,
vorzugsweise in Abhängigkeit von
den Bedingungen der heißen
Verbrennungsgase konstruiert werden, die an den Mänteln vorbeiströmen. Man
wird es auch wertschätzen,
dass das Zuvorgenannte auf die Mäntel
jeder Turbinenstufe anwendbar ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist für
eine Gasturbine, die eine sich längs
des Umfangs erstreckende Anordnung von Komponenten, die zumindest
teilweise einen Heißgaspfad
durch die Turbine definieren, und mehrere Brennkammern aufweist,
um heiße
Verbrennungsgase durch zugehörige
Sätze von
Komponenten strömen
zu lassen, wobei erste und zweite Komponenten eines jeden Komponentensatzes
unterschiedlichen Einlassbedingungen der heißen Verbrennungsgase von einer
zugeordneten Brennkammer ausgesetzt sind, ein Verfahren zur aufeinander bezogenen
Platzierung der Komponenten und Brennkammern geschaffen, das den
Verfahrensschritt aufweist, die erste Komponente vorzugsweise bezogen
auf die zweite Komponente in jedem Satz von Komponenten an einer
auf die zugeordnete Brennkammer bezogenen Umfangsposition auf der Grundlage
der unterschiedlichen Einlassbedingungen für die Komponenten zu positionieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß vorliegender
Erfindung ist für
eine Gasturbine, die eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Anordnung
von Düsen
bzw. Leiteinrichtungen und mehrere Brennkammern zur Leitung heißer Verbrennungsgase
durch entsprechende Sätze
benachbarter Düsen
(Leiteinrichtungen) aufweist, wobei erste und zweite Düsen eines
jeden Düsensatzes
unterschiedlichen Einlassbedingungen der heißen Verbrennungsgase von einer
zugeordneten Brennkammer unterworfen sind, ein Verfahren zur Platzierung der
Düsen und
Brennkammern relativ zueinander geschaffen, das den Verfahrensschritt
aufweist, die erste Düse
vorzugsweise bezogen auf die zweite Düse in jedem Satz von Düsen an einer
auf die zugeordnete Brennkammer bezogenen Umfangsposition auf der
Grundlage der unterschiedlichen Einlassbedingungen für die Düsen zu positionieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist für
eine Gasturbine, die eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Anordnung
von Komponenten aufweist, die zumindest teilweise einen Heißgaspfad
durch die Turbine definieren, und mehrere Brennkammern für die Leitung
der heißen
Verbrennungsgase durch zugehörige
Sätze von
Komponenten aufweist, wobei ersten und zweite Komponenten eines
jeden Komponentensatzes unterschiedlichen Einlassbedingungen der
heißen
Verbrennungsgase von einer zugeordneten Brennkammer ausgesetzt sind,
ein Verfahren zur aufeinander bezogenen Platzierung der Komponenten
und Brennkammern geschaffen, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt
aufweist, die Turbinenleistungsfähigkeit
zu steigern, indem die erste Komponente bezogen auf die zweite Komponente
in jedem Satz von Komponenten vorzugsweise an einer auf die zugeordnete
Brennkammer bezogenen Umfangsposition, auf der Grundlage der unterschiedlichen
Einlassbedingungen positioniert wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist für
eine Gasturbine, die sich längs
des Umfangs erstreckende Anordnung von Komponenten, die zumindest
teilweise einen Heißgaspfad
durch die Turbine definieren, und mehrere Brennkammern für die Leitung
der heißen
Verbrennungsgase durch zugehörige
Sätze von
Komponenten aufweist, wobei erste und zweite Komponenten eines jeden
Komponentensatzes unterschiedlichen Einlassbe dingungen der heißen Verbrennungsgase
von einer zugeordneten Brennkammer ausgesetzt sind, ein Verfahren
zur aufeinander bezogenen Platzierung der Komponenten und Brennkammern
geschaffen, das den Schritt aufweist, die Lebensdauer der Komponenten
zu erhöhen,
indem die erste Komponente bezogen auf die zweite Komponente in
jedem Satz von Komponenten vorzugsweise an einer auf die zugeordnete
Brennkammer bezogenen Umfangsposition, auf der Grundlage der unterschiedlichen
Einlassbedingungen positioniert wird.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Gasturbine geschaffen, die eine sich in Umfangsrichtung erstreckende
Anordnung von Komponenten, die zumindest teilweise einen Heißgaspfad
durch die Turbine definieren, und mehrere Brennkammern aufweist, um
heiße
Verbrennungsgase entlang des Heißgaspfads durch zugehörige Sätze von
benachbarten Komponenten strömen
zu lassen, wobei erste und zweite Komponenten eines jeden Komponentensatzes
unterschiedlichen Einlassbedingungen der heißen Verbrennungsgase von einer
ihnen zugeordneten Brennkammer ausgesetzt sind, wobei die erste Komponente
jedes Satzes von diesen an einer auf die zweite Komponente ihres
Satzes und die zugehörige
Brennkammer bezogenen Umfangsposition auf der Grundlage der unterschiedlichen
Einlassbedingungen positioniert ist und einen Qualitätsunterschied
im Vergleich zu der zweiten Komponente aufweist.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Teilansicht der ersten und zweiten Stufe einer Turbine
unter Veranschaulichung des Heißgaspfads;
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2 eine
schematische Darstellung der gleichmäßigen Einteilung einer Düsenstufe;
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3 eine
schematische Darstellung einer gleichmäßigen Einteilung einer Brennkammerdüsenstufe;
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4 eine
gleichmäßig verteilte
Brennkammer/Düsen-Verbindung mit Blick
nach hinten von der Brennkammer in Richtung des Düseneinlasses
einer Düse
der ersten Stufe; und
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5 eine
zu der 4 ähnliche
Ansicht, die einen gleichmäßig eingeteilten
Verbund aus Mänteln,
Düsen und
Brennkammern relativ zueinander zeigt.
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Bezugnehmend
nun auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1., sind
dort eine erste und eine zweite Stufe von Düsen (Leiteinrichtungen) für eine Gasturbine
dargestellt, die allgemein mit 6 bzw. 8 bezeichnet
sind. Die Düsen
der ersten Stufe weisen mehrere Komponenten auf, d. h. Düsen N, die
jeweils durch ein Paar benachbarter Leitschaufeln 11 und eine
innere bzw. äußere Seitenwand 12 bzw. 14 definiert
sind, die teilweise den Heißgaspfad
durch die Düse
der ersten Stufe definieren. D. h., die heißen Verbrennungsgase aus Brennkammern 15 (3 und 4)
strömen
axial durch Übergangsstücke 16 zu
den Düsen
N der ersten Stufe und insbesondere zwischen jedem Paar in Umfangsrichtung
benachbarter Leitschaufeln 11 und der inneren und der äußeren Seitenwand 12 und 14.
Die heißen
Verbrennungsgase, die durch die Düsen N entlang der Heißgaspfade
strömen,
treiben selbstverständlich
die Turbinenlaufschaufeln 18 der ersten Stufe an. Die zweite Stufe 8 enthält ebenfalls
mehrere Düsen
bzw. Leiteinrichtungen N, von denen jede durch ein Paar benachbarter
Leitschaufeln 17 und durch eine innere und eine äußere Seitenwand 21 bzw. 23 definiert
ist, die teilweise den Heißgaspfad
durch die Düse/Leiteinrichtung 8 der
zweiten Stufe definieren. Die Laufschaufeln der zweiten Stufe sind
mit 26 gekennzeichnet.
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In 1 sind
ferner die inneren und äußeren Mäntel der
ersten und der zweiten Stufe dargestellt, die den Turbinenlaufschaufeln 18 bzw. 26 gegenüberliegend
angeordnet sind. Insbesondere sind der innere und der äußere Mantel 28 und 30 der
ersten Stufe sowie der innere und der äußere Mantel 32 und 34 der
zweiten Stufe dargestellt.
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In
dem auf 2 Bezug genommen und zuerst
die bevorzugte Positionierung der Düsen der ersten Stufe beschrieben
wird, sind die Leitschaufeln 11 in einer sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Anordnung von diesen angeordnet und um die Achse 20 der
Turbine in gleichen Abständen
zueinander positioniert. In 3 ist erkennbar,
dass die mehreren Brennkammern 15 in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Anordnung um die Achse 20 herum angeordnet sind und die
heißen
Verbrennungsgase über
die Übergangsstücke 16 zu
den Düsen 10 liefern.
Es ist verständlich,
dass jede einzelne Brennkammer 15 mehrere Brennstoffdüsen aufweist,
nicht gezeigt, die den Brennstoff und somit die heißen Verbrennungsgase
verwirbeln, die aus den Brennkammern 15 durch die Übergangsstücke 16 in
die Düsen strömen. Es
ist festgestellt worden, dass das Wirbelmuster heißer Verbrennungsgase
eine Schwankung der Strömungscharakteris tika
der von den Brennkammern 15 durch die Übergangsstücke 16 in die Düsen N strömenden heißen Verbrennungsgase
hervorruft. Diese Schwankungen enthalten Temperatur- und Druckschwankungen
entlang der Einlassebenen 19 der Düsen N.
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Bezug
nehmend nun auf 4, ist dort eine typische gleichmäßig verteilte
Brennkammer-Düsen-Verbundstruktur
dargestellt, wobei die Anordnung der Brennkammern 15, Übergangsstücke 16 und
Düsen N
in Bezug aufeinander veranschaulicht ist. In 4 sind es
insbesondere drei Düsen
N1, N2 und N3 veranschaulicht, die im Wesentlichen die Gesamtheit
der heißen
Verbrennungsgase von der zugehörigen
Brennkammer 16 durch ein zugehöriges Übergangsstück 15 empfangen. Während für jede Brennkammer
drei Düsen
dargestellt sind, ist es verständlich,
dass sich die Anzahl der Düsen
N pro Brennkammer von dem Verhältnis
3:1 unterscheiden kann und dass höhere oder niedrigere Verhältnisse geschaffen
werden können.
Die Anordnung von drei Düsen
N in Bezug auf eine Brennkammer ist somit lediglich beispielhaft
und soll nicht als eine Einschränkung
betrachtet werden. Es ist ferner verständlich, dass, obwohl sich die
vorliegende Beschreibung und Darstellung in ihren weiteren Verläufen insbesondere auf
die Düsen
der ersten Stufe beziehen, die Erfindung gleichwohl auf die Düsen der
zweiten Stufe anwendbar ist. Die Düsen der zweiten Stufe werden
aus ähnlichen
Gründen,
wie hierin beschrieben, rings um die Rotorachse relativ zu den Brennkammern
in gleichem Abstand zueinander positioniert, wobei die Düsen per
Definition auch die inneren und die äußeren Wände enthalten.
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Wie
zuvor erwähnt,
sind die Strömungscharakteristika
der heißen
Verbrennungsgase, die aus jeder Brennkammer
15 durch ihr
zugehöriges Übergangsstück
16 in
die zugehörigen Düsen N1,
N2 und N3 strömen,
unterschiedlich. So ist z. B. mit Hilfe von Computersimulationen
festgestellt worden, dass z. B. die Temperatureigenschaften der
heißen
Verbrennungsgase, die in die Düse
N1, insbesondere entlang ihres äußeren Umfangs,
eintreten, heißer
als die Gase sind, die durch den verbleibenden Teil der Düse N1 und
durch die Düsen
N2 und N3 strömen.
Eine derartige Temperaturschwankung kann sogar 500°F betragen.
Es ist deshalb verständlich,
dass z. B. Spülluft,
die durch die Spalte
22 und
24 (
1)
zwischen dem Übergangsstück
16 und
den Mänteln
12 bzw.
14 in
den Heißgaspfad
einströmt,
die erhöhte Temperatur
der Gase, die durch die Düse
N1 strömen,
im Vergleich zu der Temperatur der Gase, die durch die Düsen N2 und
N3 strömen,
ausgleichen muss. Darüber
hinaus können
die kühlenden
Luft- oder Dampfströmungen durch
die Düsen
auch angepasst werden, um diese höheren Temperaturen auszugleichen.
Für ein
repräsentatives
Beispiel einer Düse
der ersten Stufe mit einem durch sie strömenden Kühlmedium, vergleiche
U.S.- Patentschrift Nr. 6,079,943 ,
deren Offenbarung unter Bezug auf diese hierin einbezogen wird.
Die Qualität
der Düse
N1 muss ebenfalls an diese Temperaturschwankung angepasst sein.
Wie zuvor erwähnt,
wurden Düsen
in der Vergangenheit unter einheitlichen Standards konstruiert,
um Schlimmstenfall-Szenarios zu bewältigen. In Folge dessen sind
die Düsen
N2 und N3 im Vergleich zu der Düse
N1 im Hinblick auf Qualitäts- und
Kühlgesichtspunkte überdimensioniert.
Unter Qualität
wird die Wandstärke
der die Düse
bildenden Teile, die Stabilität
der Schweißstellen
und/oder allgemein die erwartete Lebensdauer oder Robustheit der
Teile verstanden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können die
Düsen N
vorzugsweise in einer ringförmigen
Anordnung von diesen gemäß den Einlassbedingungen positioniert
werden, denen jede Düse
bezüglich
ihrer zugehörigen
Brennkammer und ihres zugehörigen Übergangsstückes ausgesetzt
ist. Bspw. kann die Düse
N1, die Einlassbedingungen mit höheren
Temperaturen ausgesetzt ist als die Temperaturen, denen die Düsen N2 und
N3 ausgesetzt sind, eine erhöhte Kühlung im
Vergleich zu der Kühlung
aufweisen, die den Düsen
N2 und N3 zuteil wird. Die durch die Schlitze 22 und 24 zugeführte Spülluftmenge
kann vergrößert werden.
Umgekehrt erfordern die Düsen N2
und N3 einen verringerten Kühlstrom,
z. B. Temperatur, verglichen mit dem Kühlstrom oder der Temperatur
der Düse
N1. In Folge dessen kann eine erhöhte Triebwerksleistung durch
Reduktion der für
die Düsen
N2 und N3 benötigten
Kühlung
erzielt werden, die ansonsten notwendig wäre, wenn alle Düsen identisch
für das
Schlimmstenfall-Szenario ausgelegt wären, d. h. um die höhere Temperatur
der Strömung der
Verbrennungsgase durch die Düse
N1 zu berücksichtigen.
Darüber
hinaus kann die Qualität
der Düsen,
die den niedrigeren Temperaturen aus der zugehörigen Brennkammer ausgesetzt
sind, d. h. der Düsen
N2 und N3 vermindert werden. Unter Qualitätsminderung wird verstanden,
dass an die Düsen
N2 und N3 niedrigere strukturelle Anforderungen gestellt werden
können
und/oder diese geringere Beschichtungen aufweisen können, im
Vergleich zu jenen strukturellen und beschichtungsbezogenen Anforderungen,
die für
die Düse
N1 notwendig sind, um die höheren
Temperaturanteile der Verbrennungsgase auszuhalten. Z. B. werden
die Düsensegmente,
d. h. die äußeren und
inneren Wände 12 und 14 und
jede Leitschaufel oder Leitschaufeln, die ein Düsensegment bilden, mit bestimmten
Toleranzen hergestellt. Aufgrund von Schwankungen in der Herstellung
der Segmente innerhalb jener Toleranzen können Segmente, die robuster
als andere sind, identifiziert und an einer bevorzugten Stelle platziert,
d. h. den Brennkammern gegenüberliegend
positio niert werden, um bekannte Schwankungen in den Düseneinlassströmungen aufzunehmen.
Wegen des bekannten erheblichen Unterschieds der Einlassströmungsbedingungen
für die
Düsen können bestimmte
Düsen mit einer
strukturellen Robustheit hergestellt werden, d. h. Materialstärken können erhöht werden,
und so platziert werden, dass sie die ungünstigeren Bedingungen aushalten,
während
die verbleibenden Düsen
mit weniger struktureller Robustheit hergestellt und platziert werden
können,
um die weniger schadhaften Einlassbedingungen auszuhalten. In ähnlicher Weise
können
unterschiedliche thermische Barrierenbeschichtungen, d. h. Stärke oder
Materialien, für die
Düsen N
in Abhängigkeit
von ihrer Lage innerhalb der Düsenstufe,
geschaffen werden. Ebenso können verschiedene
Kühlungsanforderungen
und die Struktur, um diese verschiedenen Kühlungsanforderungen zu berücksichtigen,
für die
verschiedenen Düsen,
abhängig
von ihrer beabsichtigten Lage entlang der Düsenstufe, geschaffen werden.
Z. B. kann ein reduzierter Kühlungsstrom
denjenigen Düsen
zugeführt
werden, die in den zugehörigen
Brennkammern und Übergangsstücken gegenüberliegenden
Abschnitten positioniert sind, von denen bekannt ist, dass sie eine geringere
thermische Belastung aufweisen (sei es eine strömungsbedingte Erhöhung des
Wärmeübertragungskoeffizienten
oder eine Funktion des Temperaturprofils längs des Umfangs). In Folge
dessen kann jede Düse
in Bezug auf andere Düsen
der Stufe unterschiedliche strukturelle oder kühlungsbezogene Anforderungen
aufweisen, und diese sind somit innerhalb der Düsenstufe abhängig von
verschiedenen bekannten Einlassbedingungen um die Düsenstufe herum
an einer bevorzugten Stelle platziert.
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Die
vorstehende Beschreibung, wie sie auf die Düsen bzw. Leiteinrichtungen
angewandt worden ist, ist auch auf auf andere Turbinenkomponenten
anwendbar, z. B. Mäntel
der ersten Stufe und anderer Stufen der Turbine. Wenn die heißen Gase
durch die Düsen
strömen,
erzeugt das Wirbelmuster der heißen Verbrennungsgase aus den
Brennkammern auch Schwankungen der Strömungscharakteristika jener
heißen
Gase entlang der um die Laufschaufeln der Turbinenstufen angeordneten
Mantelelemente, z. B. der Mantelelemente 28 und 32.
Unter der Annahme dass z. B. ein innerer Mantel stromab jeder Düse einer
zugehörigen
Stufe vorhanden ist, ist es verständlich, dass das Strömungsmuster ähnliche Schwankungen
aufweist wie an dem Einlass zu den zugehörigen Düsen. Z. B. und Bezug nehmend
auf 5 werden die Temperatureigenschaften der durch
den Mantel S1 von der Düse
N1 aufgenommenen Strömung
heißer
als die der Gase, die durch die Mäntel S2 und S3 von den Düsen N2 und
N3 aufgenommen werden. Während
der Mantel oder die Mantelelemente, der bzw. die die heißesten Gase
von den Düsen
aufnimmt bzw. aufnehmen, sich an anderen Stellen längs des
Umfangs als die die heißesten Gase
aufnehmende Düse
N1 befinden kann/können, ist
die Wirkung ähnlich.
Deshalb kann der die heißesten
Gase aufnehmende Mantel S1 gegenüber
den die kühleren
Gase aufnehmenden Mänteln
S2 und S3 verschieden entworfen sein. Es kann eine zusätzliche
Kühlung
zugeführt
werden, oder es können
Beschichtungen verschiedener Qualität oder Dicke an den Abdeckungen
vorgesehen werden. Die Mäntel können strukturell
robuster sein als benachbarte Mäntel,
die die kühleren
Gase aufnehmen. In Folge dessen können die Mäntel der verschiedenen Stufen in
Abhängigkeit
von verschiedenen Bedingungen der heißen Gase, die in eine Einlassebene
der Mäntel einströmen, in
Bezug aufeinander rings um die Turbinenachse in der bevorzugten
Weise platziert werden.