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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dampfgekühlte Gasturbine,
bei der Dampf als Gasturbinen-Kühlmittel
verwendet wird, und insbesondere auf eine integrale Dampfkammereinheit
für eine
solche dampfgekühlte
Gasturbine.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Als
Beispiel einer vorbekannten Gasturbinen-Kühlstruktur wird die Kühlung einer
luftgekühlten Leitschaufel
mit Bezug auf 4 erläutert.
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Bei
einer Gasturbine mit einem System zur Kühlung eines Hochtemperaturabschnitts
mittels Luft als Kühlmedium
wird Kühlluft
von einer äußeren Deckringseite
der Leitschaufel zugeführt,
wie durch Pfeile a gezeigt ist, und ein Teil der so zugeführten Luft
strömt
in die Schaufel zum Kühlen
einer Innenfläche
derselben und strömt
dann aus in der Schaufel vorgesehenen Löchern. aus, um entlang der
Schaufeloberfläche
zu deren Kühlung
zu strömen,
wie durch Pfeile b gezeigt ist, und wird in einen Verbrennungsgasdurchgang
ausgetragen, wie durch Pfeile e gezeigt ist.
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Ein
restlicher Teil der Luft strömt
nicht aus den in der Schaufel vorgesehenen Löchern aus, sondern wird zu
einem inneren Deckring der Leitschaufel geleitet, um den inneren
Deckring und einen unteren Schaufelabschnitt zu kühlen und
strömt
dann gemäß einem
Pfeil c, um in den Verbrennungsgasdurchgang ausgetragen zu werden.
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Um
nach der obigen Beschreibung zu verhindern, dass die so gemäß den Pfeilen
geleitete Luft direkt in den Verbrennungsgasdurchgang leckt, bevor sie
ihre ursprüngliche
Aufgabe erfüllt,
den Schaufelabschnitt und den unteren Schaufelabschnitt zu kühlen, sind
Dichtungen d an Kontaktflächen
zwischen der Schaufel und dem äußeren Deckring
sowie zwischen der Schaufel und dem inneren Deckring vorgesehen.
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Wie
oben erwähnt
wurde, wird die Luft in der luftgekühlten Gasturbine, nachdem sie
als Kühlmedium
den strukturellen Körper
der Leitschaufel, der Deckringe etc. gekühlt hat, in den Verbrennungsgasdurchgang
ausgetragen, ohne zurückgewonnen
zu werden, womit es in diesem System einen niedrigeren thermischen
Wirkungsgrad gibt.
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In
einer jüngsten
Tendenz, ein System mit besserem thermischen Wirkungsgrad zu erzielen,
ist eine dampfgekühlte
Gasturbine als weiteres Beispiel des Standes der Technik offenbart
worden, bei der als Kühlmedium
anstelle von Luft Dampf eingesetzt wird.
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Zu
diesem vorbekannten Beispiel fällt
zwar eine Darstellung weg, es wird aber Dampf als Kühlmedium
in zu kühlende
Abschnitte der Gasturbine mit dem strukturellen Körper der
Leitschaufel, der Deckringe etc. eingeleitet, und der Dampf, der
durch die Kühlung
der gekühlten
Abschnitte erwärmt
worden ist, wird zurückgewonnen,
so dass Wärme
des Dampfes wirksam eingesetzt wird und eine Verbesserung des thermischen
Wirkungsgrads erzielt werden kann.
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Bei
diesem dampfgekühlten
System wird jedoch, um eine Zurückgewinnung
der in den gekühlten
Abschnitten gewonnenen Wärme
zu gewährleisten,
eine präzise
und widerstandsfähige
Konstruktion der Kühldurchgänge benötigt, in
denen der Dampf nicht nur nicht in den Verbrennungsgasdurchgang leckt,
sondern auch nicht in den Durchgangsweg von Dampfströmungsdurchgängen.
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Häufig wird
bei dem dampfgekühlten
System dessen Aufbau vorzugsweise so vorgenommen, dass Dampfzuführöffnungen
und -rückführöffnungen soweit
wie möglich
eingeschränkt
werden und Leitschaufeln der ersten Stufe, der zweiten Stufe und nachfolgender
Stufen zu deren Kühlung über einen einzigen
Dampfdurchgang mit dem Kühldampf
versorgt werden und der Dampf dann zurückgewonnen wird.
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US-A-5
640 840 offenbart eine Dampfkammereinheit für eine dampfgekühlte Gasturbine,
bei der die Dampfdurchgänge
innerhalb der Dampfkammereinheit sowie etwaige Zweigverbindungen
von diesem Dampfdurchgang zu irgendwelchen Leitschaufel-Kühldampfdurchgängen durch
zwei Elemente oder Abschnitte gebildet werden, welche die Dampfkammereinheit
darstellen. Die Wartung oder Montage der Dampfkammereinheit erfordert
offensichtlich eine vollständige
Trennung dieser beiden Elemente.
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ABRISS DER
ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dampfkammereinheit für eine dampfgekühlte Gasturbine
mit einer kompakten Struktur bereitzustellen, für die Kühldampf in geeigneter Weise
zugeführt
werden kann, zur Kühlung
verwendet und zurückgewonnen
werden kann, und die eine leichtere Wartung bietet.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen,
stellt die vorliegende Erfindung eine Dampfkammereinheit für eine dampfgekühlte Gasturbine
bereit, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Diese Dampfkammereinheit
ist aus einer Einheit gebildet, die darin einen Dampfzuführdurchgang
zum Einleiten des Kühldampfs
aufweist, einen Dampfverbindungsdurchgang zum Durchleiten des Kühldampfs,
der eine vordere Stufe und eine nachfolgende Stufe gekühlt hat,
und einen Dampfrückführdurchgang
zum Zurückführen des Kühldampfs
durch diesen, nachdem mehrere Stufen von Leitschaufeln gekühlt worden
sind, wobei die Dampfdurchgänge
einen durchgehenden Kühldurchgang
bilden, der sich durch die Dampfkammereinheit erstreckt, und mehrere
Abzweigrohre, die jeweils in einem Element ausgebildet sind, das
von einer Außenumfangsseite
der Dampfkammereinheit in Einsetzabschnitte in der Dampfkammereinheit
eingesetzt ist und jeweils eine Öffnung
aufweist, die mit den jeweiligen Dampfdurchgängen kommuniziert und die jeweiligen
Dampfdurchgänge
mit Leitschaufel-Kühldampfdurchgängen der
Leitschaufeln verbinden kann.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung eine bevorzugte Ausführungsform
bereit, bei der das Abzweigrohr zu einem hohlen, bolzenartigen Element mit
einem Gewindeabschnitt ausgebildet und an einem Einsetzabschnitt
in der Dampfkammereinheit über
den Gewindeabschnitt befestigt ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
ist das Abzweigrohr zum Verbinden des Dampfzuführdurchgangs, des Dampfverbindungsdurchgangs
und des Dampfrückführdurchgangs
zu dem Leitschaufel-Kühldampfdurchgang
in dem bolzenartigen Element ausgebildet, und dieses bolzenartige
Element ist an der Dampfkammereinheit über den Gewindeabschnitt befestigt,
wodurch der gesamte Aufbau der Durchgänge zu einer besser kompaktierten
Form gestaltet ist und eine äußerst wirtschaftliche
und zuverlässige
Gasturbine erzielt werden kann.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung eine weitere bevorzugte Ausführungsform
bereit, bei der das Abzweigrohr zu einem hohlen rohrartigen Element
mit einem Flansch an dessen oberem Abschnitt ausgebildet und an
einem Einsetzabschnitt in einem Außenumfangsflächenabschnitt
in der Turbinen-Radialrichtung
der Dampfkammereinheit über
dem Flansch befestigt ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
ist das Abzweigrohr zum Verbinden des Dampfzuführdurchgangs, des Dampfverbindungsdurchgangs
und des Dampfrückführdurchgangs
zu dem Leitschaufel-Kühldampfdurchgang
in dem rohrartigen Element mit dem Flansch statt dem bolzenartigen
Element ausgebildet, und dieses rohrartige Element ist an der Dampfkammereinheit über den
Flansch befestigt, wodurch der gesamte Aufbau der Durchgänge ebenfalls
zu einer kompakten Form gestaltet ist, und eine äußerst wirtschaftliche und zuverlässige Gasturbine erzielt
werden kann.
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Außerdem stellt
die vorliegende Erfindung eine weitere bevorzugte Ausführungsform
bereit, bei der ein mit dem Dampfzuführdurchgang verbundenes Dampfzuführrohr vorgesehen
ist, um durch dieses den Kühldampf
in einen zu kühlenden
Abschnitt einer Brennkammer einzuleiten, sowie ein Dampfrückführrohr,
das mit dem Dampfverbindungsdurchgang verbunden ist, um durch dieses
den Kühldampf aus
dem zu kühlenden
Abschnitt der Brennkammer zurückzuführen.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird in dem Fall, bei dem die Kühlung
der Gasturbine nicht nur für die
Leitschaufel, sondern auch für
die Brennkammer vorzunehmen ist, der zu kühlende Abschnitt der Brennkammer
mit dem Dampfzuführdurchgang
in der Dampfkammereinheit über
das Dampfzuführrohr verbunden,
und mit dem Dampfverbindungsdurchgang in der Dampfkammereinheit über das
Dampfrückführrohr,
so dass nicht nur die Leitschaufel, sondern auch die Brennkammer
gekühlt
werden kann, und der gesamte Aufbau der Durchgänge zu einer kompakten Form
gestaltet ist und eine äußerst wirtschaftliche
und zuverlässige
Gasturbine erzielt werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht zur Darstellung eines Hauptteils einer
dampfgekühlten Gasturbine
einer ersten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht zur Darstellung eines Hauptteils einer
dampfgekühlten Gasturbine
einer zweiten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
schematische Schnittansicht zur Darstellung eines Hauptteils einer
dampfgekühlten Gasturbine
einer dritten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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4 eine
perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Beispiels einer vorbekannten
Gasturbinen-Leitschaufel-Kühlstruktur.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
erste Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf 1 beschrieben.
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 eine Dampfkammereinheit. Diese Dampfkammereinheit 1 ist
ein integral aufgebauter Körper,
der zu einer Einheit ausgebildet ist, welche für gewöhnlich durch Gießen oder Schweißen
hergestellt ist und worin ein Dampfzuführdurchgang 31, ein
Dampfverbindungsdurchgang 32 und ein Dampfrückführdurchgang 33 ausgebildet
sind, wobei in einem Innenumfangsflächenabschnitt derselben in
einer Turbinenradialrichtung auch ein wärmeisolierendes strukturelles
Element 8 vorgesehen ist, das einem Außenumfangsabschnitt einer Laufschaufel 9 zum
Isolieren von Wärme
von der Laufschaufel 9 und einem jeweiligen Halterungsabschnitt 7 einer
Leitschaufel 5 der vorderen Stufe und einer Leitschaufel 6 der
hinteren Stufe gegenüberliegt.
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Die
Bezugsziffer 2 bezeichnet ein Einlassrohr von Kühldampf
und die Bezugsziffer 3 bezeichnet ein Auslassrohr desselben.
Das Einlassrohr 2 verbindet mit einem stromaufwärtigen Ende
des Dampfzuführdurchgangs 31 der
Dampfkammereinheit 1, und das Auslassrohr 3 verbindet
zu einem stromabwärtigen
Ende des Dampfrückführdurchgangs 33 derselben.
Ein Hochdruck-Abgas von einer Dampfturbine (nicht gezeigt) oder
Dampf aus einem Heizkessel (nicht gezeigt) etc. wird in das Einlassrohr 2 als
Kühldampf
eingeleitet, und ein zurückgewonnener
Kühldampf
wird in einen Wiedererwärmungsabschnitt
des Heizkessels oder eine stromabwärtige Dampfturbine mit Zwischendruck
(nicht dargestellt) etc. über
das Auslassrohr 3 eingeleitet.
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Die
Bezugsziffer 4 bezeichnet ein bolzenartiges Element, welches
dem entspricht, was als Abzweigrohr bezeichnet wird. In einem annähernden Oberhälftenabschnitt
einer Gesamtlänge
eines Einsetzabschnitts in die Dampfkammereinheit 1, in
den das bolzenartige Element 4 eingesetzt ist, ist ein
Gewindeabschnitt 41 so vorgesehen, dass er über einem
Stufenabschnitt des Einsetzabschnitts liegt. Ferner ist annähernd in
einem Abschnitt der unteren Hälfte
einer Gesamtlänge
des bolzenartigen Elements 4 ein hohles Loch 42 gebohrt.
An einem oberen Endabschnitt des hohlen Lochs 42 des bolzenartigen
Elements 4 ist ein Öffnungsfenster 13 vorgesehen,
das eine nach außen
gerichtete Öffnung
hat.
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Das
bolzenartige Element 4 ist in zwei Teilen für jede Leitschaufel 5 der
vorderen Stufe und Leitschaufel 6 der hinteren Stufe vorgesehen.
Eines der beiden bolzenartigen Elemente 4, das der Leitschaufel 5 der
vorderen Stufe entspricht, hat das Öffnungsfenster 13 zum
Dampfzuführdurchgang 31 hin
geöffnet,
und das hohle Loch 42 ist mit einer Dampfeinlassdüse 15 am
stromaufwärtigen
Ende eines in der Leitschaufel 5 der vorderen Stufe ausgebildeten Kühldampfdurchgangs 17 verbunden,
wobei das andere bolzenartige Element das Öffnungsfenster 13 zum
Dampfverbindungsdurchgang 32 hin geöffnet hat, und das hohle Loch 42 ist
mit einer Dampfauslassdüse 16 am
stromabwärtigen
Ende des in der Leitschaufel 5 der vorderen Stufe ausgebildeten Kühldampfdurchgangs 17 verbunden
ist.
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Desgleichen
hat hinsichtlich der beiden bolzenartigen Elemente 4, die
der Leitschaufel 6 der hinteren Stufe entsprechen, eines
von diesen das Öffnungsfenster 13 zu
dem Dampfverbindungsdurchgang 32 hin geöffnet, und das hohle Loch 42 ist
zu einer Dampfeinlassdüse 15 an
einem stromaufwärtigen
Ende eines in der Leitschaufel 6 der hinteren Stufe ausgebildeten
Kühldampfdurchgangs 17 verbunden,
und das andere bolzenartige Element hat das Öffnungsfenster 13 zu
dem Dampf rückgewinnungsdurchgang 33 geöffnet und
das hohle Loch 42 ist zu einer Dampfauslassdüse 16 an
einem stromabwärtigen
Ende des in der Leitschaufel 6 der hinteren Stufe ausgebildeten
Kühldampfdurchgangs 17 verbunden.
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Somit
ist im großen
und ganzen ohne Details zwischen dem Einlassrohr 2 und
dem Auslassrohr 3 ein einzelner bzw. einziger konsekutiver
Kühldurchgang
mit dem Dampfzuführdurchgang 31,
dem bolzenartigen Element 4, dem Kühldampfdurchgang 17, dem
bolzenartigen Element 4, dem Dampfverbindungsdurchgang 32,
dem bolzenartigen Element 4, dem Kühldampfdurchgang 17,
dem bolzenartigen Element 4 und dem Dampfrückführdurchgang 33 in dieser
Reihenfolge ausgebildet.
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Es
ist anzumerken, dass die Bezugsziffer 10 eine Dichtung
bezeichnet, die in Abschnitten in 1, die durchgehend
schwarz gehalten sind, eingefügt
ist, beispielsweise Abschnitte, in denen kein Gewindeabschnitt an
dem Einsetzabschnitt der Dampfkammereinheit 1 ausgebildet
ist, in den das bolzenartige Element 4 eingesetzt ist,
Verbindungsabschnitte zwischen dem bolzenartigen Element 4 und
der Dampfeinlassdüse 15 oder
der Dampfauslassdüse 16,
Verbindungsabschnitte zwischen der Dampfkammereinheit 1 und
dem Einlassrohr 2 oder dem Auslassrohr 3 etc.,
wobei der Aufbau so vorgenommen ist, dass es zu keinem starken Entweichen des
Kühldampfs
aus dem Kühldurchgang
vom Einlassrohr 2 zum Auslassrohr 3 kommt.
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Das
heißt,
dass in der vorliegenden Ausführungsform
die Dampfkammereinheit 1 der integralen Struktur darin
den Dampfzuführdurchgang 31,
den Dampfverbindungsdurchgang 32 und den Dampfrückführdurchgang 33 aufweist
und auch in seinem Innenumfangsflächenabschnitt in der Turbinenradialrichtung
das Wärmeisolierende
Strukturelement 8 sowie die Halterungsabschnitte 7 der
Leitschaufeln 5, 6 der vorderen bzw. hinteren
Stufe aufweist, wobei mehrere der jeweiligen Leitschaufeln 5, 6 der
vorderen und hinteren Stufe an jeweiligen vorbestimmten Positionen
entlang des Innenumfangsflächenabschnitts
der Dampfkammereinheit 1 eingesetzt werden und dann, während mehrere
Dichtungen 10 eingesetzt werden, mehrere der bolzenartigen
Elemente 4 in der Turbinenradialrichtung von einer Außenumfangsseite
der Dampfkammereinheit 1 eingesetzt werden, um über den
Gewindeabschnitt 41 befestigt zu werden, so dass untere
Endabschnitte der bolzenartigen Elemente 4 mit der Dampfeinlassdüse 15 bzw.
der Dampfauslassdüse 16 zusammengefügt sind
bzw. werden.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
der durchgehende Dampfströmungsdurchgang durch
die Dampfkammereinheit 1 der integralen Struktur, das darin
eingesetzte bolzenartige Element 4, die Kühldampfdurchgänge 17 der
Leitschaufeln 5, 6 der vorderen und hinteren Stufe
sowie die erwähnten
Dampfdurchgänge 31, 32, 33 gebildet, wodurch eine
reibungslose und sichere Kühlung
der Gasturbinen-Leitschaufel erreicht werden kann.
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Ferner
sind die verschiedenen Dampfströmungsdurchgänge mit
einfachem Aufbau hergestellt, so dass die Dampfkammereinheit 1 durch
Gießen oder
Schweißen
integral zu einer Einheit ausgebildet ist, und nachdem die Leitschaufeln 5, 6 der
vorderen und hinteren Stufe entlang dem Innenumfangsflächenabschnitt
der Dampfkammereinheit 1 eingesetzt sind, werden die Dichtungen 10 und
die bolzenartigen Elemente von der Außenumfangsseite der Dampfkammereinheit 1 eingesetzt,
so dass Dampfeinlässe
und -auslässe
der jeweiligen Leitschaufeln 5, 6 gebildet werden
und der Dampf, der alle Leitschaufeln gekühlt hat, an einer Stelle gesammelt
wird, um sicher aus dem Auslassrohr 3 ausgetragen zu werden.
Dadurch wird sichergestellt, dass der Dampf, der in das Einlassrohr 2 eingetreten
ist, jeweils in die und aus den vorderen und hinteren Leitschaufeln 5, 6 strömt und kein
Entweichen des Dampfes in den Verbrennungsgasdurchgang zu befürchten ist.
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Es
ist anzumerken, dass das bolzenartige Element 4, welches
dem Abzweigrohr nach obiger Beschreibung entspricht, zwar einen
Dampfströmungsdurchgang
zwischen dem entsprechenden Dampfdurchgang in der Dampfkammereinheit 1 und der
entsprechenden Leitschaufel bildet, das aber die Länge des
hohlen Lochs 42 des bolzenartigen Elements 4 und
die Position des Öffnungsfensters 13 zum
Verbinden des hohlen Lochs 42 mit dem entsprechenden Dampfdurchgang
gemäß der Position des
einströmenden
und ausströmenden
Dampfes geändert
und angepasst werden kann.
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Als
nächstes
wird eine zweite Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf 2 beschrieben. Es ist anzumerken,
dass gleiche Teile wie bei der ersten Ausführungsform in der Figur mit
den gleichen Bezugsziffern versehen werden, wobei eine Wiederholung
der Beschreibung wegfällt.
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Das
heißt,
in der vorliegenden Ausführungsform
wird anstelle des bolzenartigen Elements 4 in der ersten
Ausführungsform
ein rohrartiges Element 18 verwendet, das einen Flansch 34 an
seinem oberen Abschnitt aufweist, wobei dieses rohrartige Element 18 die
gleiche Funktion erfüllt
wie das Abzweigrohr, um den Kühldampf
in die vorbestimmten Durchgänge
zu leiten.
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Während das
bolzenartige Element 4 der ersten Ausführungsform über den Gewindeabschnitt 41 an
der Dampfkammereinheit 1 befestigt ist, ist in diesem Fall
das rohrartige Element 18 der vorliegenden Ausführungsform
an der Dampfkammereinheit 1 durch den Flansch 34 befestigt,
der über
einen Befestigungsbolzen 19 an der Dampfkammer 1 befestigt
ist.
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Gemäß der so
aufgebauten vorliegenden Ausführungsform
wird eine Montage und Befestigung des rohrartigen Elements 18 an
der Dampfkammereinheit 1 erleichtert, wodurch ein Vorteil
der Kompaktheit bei allen Aspekten der Gestaltung, Herstellung, Montage,
Wartungsinspektion etc. erzielt wird.
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Als
nächstes
wird eine dritte Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf 3 beschrieben. Die vorliegende
Ausführungsform
ist auf der Basis der ersten oder zweiten Ausführungsform mit dem Zusatz einer
Teilstruktur vorgenommen, um so die Funktion des Basisaufbaus weiter
zu verbessern.
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3 zeigt
eine auf der Basis der zweiten Ausführungsform hergestellte Ausführungsform,
wobei ein Brennkammer-Kühldampfzuführrohr 11 mit
einem stromabwärtigen
Abschnitt des Dampfzuführdurchgangs 31 in
der Dampfkammereinheit 1 verbunden ist, um durch diesen
einen Kühldampf
einer Brennkammer (nicht dargestellt) zuzuführen, und ein Brennkammer-Kühldampfrückführrohr 12 mit dem Dampfverbindungsdurchgang 32 in
der Dampfkammereinheit 1 verbunden ist, um durch diesen
den Kühldampf
aus der Brennkammer zurückzuführen.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform können als
zu kühlende
Abschnitte der Gasturbine nicht nur der Leitschaufelabschnitt, sondern
auch der Brennkammerabschnitt, beispielsweise ein Brennkammer-Endrohrabschnitt
zusammen gekühlt
werden, wobei ihre Kühlstruktur
trotzdem in sehr kompakter Form hergestellt werden kann.
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Der
Aufbau, die Funktion und die Wirkung anderer Teile der dritten Ausführungsform
sind im wesentlichen die gleichen wie die der vorausgehenden Ausführungsformen,
besonders der zweiten Ausführungsform,
und Teile der dritten Ausführungsform,
die gleich denen der zweiten Ausführungsform sind, werden, in 3 mit
den gleichen Bezugsziffern versehen, wobei eine wiederholte Beschreibung wegfällt.
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Die
Erfindung ist in bezug auf die dargestellten Ausführungsformen
beschrieben worden, die Erfindung ist aber nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern
es können
verschiedene Modifikationen im konkreten Aufbau innerhalb des Schutzumfangs
der Erfindung, wie sie nachstehend beansprucht wird, hinzugefügt werden.