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Diese Vorrichtung verweist auf drei
gleichzeitig anhängige
U.S. Patentanmeldungen, von welchen jede am 25. September 1998 als
U.S. Patentanmeldung Serial Nr. 09/161,104, 09/161,114 bzw. 09/161,170
eingereicht wurden, von welchen jede gleichzeitig anhängige U.S.
Anmeldung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet von Gasturbinen bzw. Gasturbinenmotoren und spezifischer
auf eine verbesserte Gasturbine, die ein Kompressorfluid verwendet,
um eine thermale Grenzschicht bzw. -lage zwischen Turbinenschaufeln und
aufgeheiztem bzw. erwärmtem
Fluid von der Verbrennungseinrichtung aufrecht zu erhalten.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine Art von Gasturbinen des Standes
der Technik hat einen Kompressor, eine Kraftstoffquelle, eine Quelle
für Luft
zur Verbrennung, ein Gehäuse und
eine Verbrennungsvorrichtung, um ein aufgeheiztes bzw. erwärmtes Fluid
aus Kraftstoff und Verbrennungsluft vorzubereiten. Die Verbrennungsvorrichtung
hat eine Verbrennungszone, die mit der Kraftstoffquelle und der
Quelle für
Verbrennungsluft verbunden ist. Sie beinhaltet eine Kühlzone für ein Kühlen des
resultierenden aufgeheizten bzw. erwärmten Fluids, bevor es die
Turbine erreicht. Die Verbrennungsvorrichtungs- bzw. Verbrennerkühlzone ist
mit dem Kompressor verbunden. Die Temperatur des aufgeheizten bzw.
erwärmten
Fluids fluktuiert abhängig
von Betriebs- bzw. Arbeitsbedingungen. In konventionellen Gasturbinen
resultieren diese Temperaturfluktuationen bzw. -schwankungen in
starken, durch Temperatur induzierten Be lastungen bzw. Beanspruchungen,
welche auf die Motorkomponenten ausgeübt werden.
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In diesen Gasturbinen des Standes
der Technik wird nahezu der gesamte Kompressorfluidstrom zu der
Verbrennungsvorrichtung geleitet. Fluid, das in der Verbrennungsvorrichtung
aufgeheizt bzw. erwärmt
wird, wird durch den Kompressorfluidstrom in der Verbrennerkühlzone gekühlt. Dieser
Motor weist einen Turbinenrotorscheibe mit Schaufeln auf, die aufgeheiztes
bzw. erwärmtes
Fluid von der Verbrennungsvorrichtung aufnehmen. Die Temperatur
dieses aufgeheizten bzw. erwärmten
Fluids ist ziemlich hoch und unter bestimmten Bedingungen kann das
Fluid die Turbinenrotorscheibenschaufeln überhitzen. Um ein solches Überhitzen
zu verhindern, weist jede Schaufel einen internen Kanal auf, der
Luft von dem Kompressor aufnimmt. Als ein Resultat wird ein Teil des
Fluids, das von dem Kompressor kommt (ungefähr 3% bis 5% des gesamten Flusses
bzw. Stroms) zu dem inneren Kanal der Schaufeln zugeführt, um deren
Temperatur innerhalb Konstruktions- bzw. Designgrenzen zu halten.
Ein Beispiel dieses Gasturbinenmotors ist im US Patent 3,836,084
an Branstrom et al. geoffenbart.
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Das aufgeheizte bzw. erwärmte Fluid
muß auch
nach einer Kraftstoffverbrennung gekühlt werden. Normalerweise wird
dies in der Verbrennungsvorrichtung gemacht, zu welcher ein Hauptteil
des Fluids von dem Kompressor zugeführt bzw. zugelassen würde.
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Folglich wird in dieser Gasturbine
nach dem Stand der Technik im wesentlichen alles Fluid, das von
dem Kompressor kommt, zu der Verbrennerkühlzone zugeführt, um
das Fluid zu kühlen,
bevor es in die Turbine eintritt. Wenn Fluid von dem Kompressor mit
dem aufgeheizten bzw. erwärmten
Fluid in der Verbrennerkühlzone
gemischt wird, wird ungefähr 3%
bis 5% der Energie des Fluids verloren. Ein Ableiten von ungefähr 3% Fluid
von dem Kompressor zu den Turbinenrotorscheibenschaufeln resultiert
in weiteren 3% Verlusten. Zusätzlich
muß die
Verbrennungsvorrichtung für
diese Gasturbine des Standes der Technik größer gemacht werden, um die
Kühlzone
unterzubringen bzw. aufzunehmen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist ein Gegenstand der Erfindung,
eine Gasturbine bzw. einen Gasturbinenmotor zur Verfügung zu
stellen, die bzw. der eine bessere Effizienz und geringere schädliche belastende
Emissionen aufweisen würde.
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Es ein weiterer Gegenstand der Erfindung, die
Kühlzonenverluste
der Verbrennungsvorrichtung des Standes der Technik zu reduzieren.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
ist es, einen kompakteren Gasturbinenmotor zur Verfügung zu
stellen.
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Ein weiter Gegenstand der Erfindung
ist es, die Lebensdauer der Gasturbinen zu verlängern.
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Die vorhergehenden Gegenstände bzw.
Ziele werden durch das Design bzw, die Konstruktion eines Gasturbinenmotors
erzielt, der einen Turbinenschaufelströmungsabschnitt aufweist, der
zwischen einer Schaufeleinlaßkante
und -auslaßkante
angeordnet ist, und einen Kompressor aufweist, um einen Kraftstofffluß, der einen
wesentlichen Teil bzw. Anteil einer Kompressorfluidausgabe umfaßt, entlang
der Außenseitenoberfläche des
Schaufelströmungsabschnitts
zuzuführen,
wodurch eine thermische isolierende Grenzschicht zur Verfügung gestellt
wird, über welche
aufgeheiztes bzw. erwärmtes
Fluid von der Verbrennungsvorrichtung fließt. Aufgeheiztes bzw. erwärmtes Fluid,
welches in der Verbrennungsvorrichtung gebildet wird, fließt ohne
weiteres Kühlen
direkt zu den Turbinenschaufeln, wodurch Verluste reduziert werden,
die im Zusammenhang mit einer Kühlung
stehen.
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Andere Gegenstände bzw. Ziele und Vorteile der
Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von
bevorzugten Ausführungen
und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Diagramm einer Gasturbine bzw. eines Gasturbinenmotors gemäß der Erfindung;
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2 zeigt
eine Seitenrißschnittansicht
eines Gasturbinenmotors gemäß der Erfindung
(der Kompressor wird nicht gezeigt);
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3 zeigt
verschiedene Ausführungen
von Turbinenrotorscheibenschaufeln (eine Querschnittansicht, genommen
entlang der Linie II-II in 2);
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4 zeigt
eine weitere Ausführung
eines Gasturbinenmotors gemäß der Erfindung
in einer Ansicht ähnlich
zu der in 2 gezeigten
(der Kompressor wird nicht gezeigt).
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 weist
eine Gasturbine bzw. ein Gasturbinenmotor ein Gehäuse (10),
einen Kompressor (12) zum Zufuhren eines komprimierten
Fluids, eine Turbinenrotorscheibe (14), wel che stromabwärts von dem
Kompressor (12) montiert ist, einen Verbrenner bzw. eine
Verbrennungsvorrichtung (16), um aufgeheiztes bzw. erwärmtes Fluid
für die
Turbine vorzubereiten, und eine Kompressorturbinenrotorscheibe (18)
auf, um den Kompressor (12) anzutreiben. Die Turbinenrotorscheibe
(14) rotiert in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen
der Kompressorrotorscheibe (18). Fluid fließt bzw.
strömt
von der Turbinenrotorscheibe (14) direkt zu der Kompressorturbinenrotorscheibe
(18). Die Verbrennungsvorrichtung (16) weist Düsen (21)
auf, um Kraftstoff einzulassen, der von einer Kraftstoffquelle (nicht
gezeigt) zugeführt
wird. Die Verbrennungsvorrichtung (16) definiert eine Verbrennungszone
(20), die im wesentlichen den gesamten inneren Raum der
Verbrennungsvorrichtung (16) in Anspruch nimmt. Verbrennungsluft wird
in der Richtung, die schematisch durch einen Pfeil A gezeigt wird,
zu dem Einlaßteil
der Verbrennungsvorrichtung (16) zugeführt, wo die Düsen (21) angeordnet
sind.
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Das meiste von dem Fluid vom Kompressor (12)
wird der Turbinenrotorscheibe (14) unter Umgehen der Verbrennungsvorrichtung
(16), wie dies durch Pfeile B gezeigt ist, durch einen
Durchtritt bzw. Durchgang (22) im Gehäuse (10) zugeführt. Der
Bereich von Fluid, das direkt zur Turbine fließt, ist zwischen ungefähr 55% und
85% des gesamten Fluidflusses. Jeder Fluß wesentlich kleiner als 55%
würde nicht
die erforderliche Kühlung
für die
Turbinenschaufeln und zugehörigen
bzw. verbundenen Komponenten erzielen, und ein Fluß wesentlich
größer als
85% würde
Verluste einführen,
weil er zu einer unvollständigen
Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung führen würde. Dieser Fluidfluß wird zu der
Turbinenrotorscheibe (14) zugelassen, umgibt die Turbinenschaufeln
und gelangt zu der Kompressorturbinenro torscheibe (18),
um den Kompressor (12) anzutreiben. Ein Teil dieses Fluids
gelangt zu der Verbrennungsvorrichtung (16), wie unten
beschrieben. Abgase von der Kompressorturbinenrotorscheibe (18)
werden durch eine Abgas- bzw. Abluftsammelleitung (24)
in die Richtung entfernt, die durch Pfeile C gezeigt ist.
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Nur der Teil des gesamten Fluids,
der für eine
Kraftstoffzerstäubung
(ungefähr
25% der gesamten Menge von Fluid von dem Kompressor) eingesetzt
wird, wird der Verbrennungsvorrichtung (16) durch eine Öffnung (23)
zugeführt.
Die Verbrennungsvorrichtung (16) hat keine Kühlzone in
der Verbrennungsvorrichtung (16) und das Fluid gelangt
von der Verbrennungsvorrichtung (16) ungekühlt zu der Turbinenrotorscheibe
(10) in der Richtung, die schematisch durch Pfeile D gezeigt
ist. Das Fluid bewegt sich, wie dies durch Pfeile E gezeigt ist,
um sowohl das aufgewärmte
bzw. aufgeheizte Fluid zu kühlen, das
die Verbrennungsvorrichtung (16) verläßt, als auch die Schaufeln
der Turbinenrotorscheibe gegen Beschädigung zu beschützen.
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Unter Bezugnahme auf 2, in welcher gleiche Teile mit denselben
Bezugszeichen wie in 1 mit
Addition von 100, gezeigt werden, weist eine Turbinenrotorscheibe
(114) Schaufeln (115) auf, die mittels eines Wurzelteils
(115a) in der Rotorscheibe montiert bzw. angeordnet sind,
und ist unmittelbar stromabwärts
von der Verbrennungsvorrichtung (116) angeordnet, um das
aufgeheizte bzw. aufgewärmte
Fluid aufzunehmen, das in der Verbrennungszone (120) gebildet
wird, wie dies durch Pfeil D gezeigt ist. Die Verbrennungsvorrichtung
(116) erhält ebenfalls
Verbrennungsluft in der notwendigen Menge, wie dies Fachleuten gut
bekannt ist.
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Verbrennungsluft wird durch eine
separate Leitung, die nicht gezeigt ist, zugeführt.
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Eine Organisation der Zufuhr von
Verbrennungsluft ist Fachleuten gut bekannt und wird hier nicht
im Detail beschrieben. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß Luft tangential
zu der vorherrschenden bzw. maßgeblichen
Richtung des Flusses in der Verbrennungsvorrichtung (siehe Pfeile
D in 1) zugeführt bzw.
eingelassen werden könnte. Dies
ist eine bekannte Methode, um dem Fluß des aufgeheizten Fluids eine
Drehung bzw. einen Spin zu verleihen. Dies hilft, den Fluß des aufgeheizten
Fluids kompatibel mit der Rotation der Kompressorturbinenrotorscheibe
zu machen. Alternativ dazu können Winkel
eines Eintritts zu den Turbinenrotorschaufeln verwendet werden,
um ein ähnliches
bzw. identisches Resultat zu erzielen. In diesem Fall wird es keine
Notwendigkeit geben, Verbrennungsluft tangential zuzuführen.
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Eine Kompressorturbinenrotorscheibe
(118) ist stromabwärts
von einer Turbinenrotorscheibe (114) montiert und beinhaltet
Schaufeln (119). Ein Durchtritt (122) verbindet
den Raum zwischen der Turbinenrotorscheibe (114) und einem
Kompressor (nicht gezeigt) in einer Zone (124), welche
durch die innere ringförmige
Wand der Verbrennungsvorrichtung (116) definiert ist. Das
Fluid aus dem Kompressor bewegt sich in einer Richtung entlang dem
Pfeil B und wird zu den Turbinenrotorscheibenschaufeln (115)
zugeführt.
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In 3 beinhaltet
die Schaufel (115) einen internen Durchtritt bzw. Durchgang
(126) mit einer Einlaßöffnung (128),
einem geneigten bzw. sich verjüngenden
Abschnitt (130) und einem geraden Teil bzw. Abschnitt (132).
Wände des
internen Durchtritts (126) werden an einem optimalen Eintrittswinkel
angeordnet, der ein sanftes bzw. mildes Auftreffen des Fluidstroms
auf die Wände
des Durchtritts sicherstellt, wobei ein derartiger optimaler Eintrittswinkel leicht
für Fachleute
bestimmbar bzw. feststellbar ist. Die Schaufel (115) beinhaltet
eine Einlaßkante
(134) auf der Seite der Verbrennungsvorrichtung (116)
und eine Auslaßkante
(136) auf der entgegengesetzten Seite. Die Einlaßkante bzw.
der Einlaßrand
hat entweder einen Fluidauslaßschlitz
(138), Öffnungen (138'), die entlang
der Einlaßkante
angeordnet sind, oder eine Vielzahl von Öffnungen (138''), die entlang von einigen Linien
angeordnet sind. Diverse Auslässe
können
in den Turbinenrotorscheibenschaufeln (115) zur Verfügung gestellt
sein, wie mehrfache Schlitze, Reihen von Öffnungen und dgl. Die Schaufeln
(115) der Turbinenrotorscheibe können keinen abnehmbaren Wurzelteil
beinhalten und können
mit der Rotorscheibe integral gemacht werden.
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Ein Abschnitt (140) zwischen
der Einlaßkante
und der Auslaßkante
der Schaufel (115) definiert einen Schaufelströmungsabschnitt,
entlang welchem sich das Fluid von dem Kompressor nach Verlassen des
geraden Abschnitts (132) des internen Durchtritts (126)
bewegt. Dieses Fluid umhüllt
einen Strömungsabschnitt
(140) einer Schaufel (115), wodurch eine Schicht
von Fluid über
der Schaufeloberfläche ausgebildet
und eine thermale isolierende Schicht gegen das aufgeheizte Fluid,
das von der Verbrennungsvorrichtung (116) kommt, zur Verfügung gestellt
wird. Das aufgeheizte Fluid wird in der Verbrennerverbrennungszone
(120) unter Verwendung von Kraftstoff gebildet, oder von
einer Kraftstoffquelle (nicht gezeigt) durch ein Rohr (117)
zugeführt
wird, und bewegt sich zu der Schaufel (115), ohne vorbereitend
gekühlt
zu werden. Wenn dieses aufgeheizte Fluid die Schaufel (115) erreicht,
wird es sich entlang eines Schaufelströmungsabschnitts (140) über die Schicht
des relativ kühlen
Fluids bewegen, das von dem Kompressor zugeführt wird, und vermischt sich nur
teilweise damit. Diese Schichtentrennung von heißem und kühlem Fluid schützt die
Schaufel vor Überhitzung.
Wie in 2 gesehen werden
kann, verläßt ein Teil
des Fluids von dem Kompressor den internen Durchtritt (126)
der Schaufel (115), bewegt sich entlang von Pfeil A und
kehrt zurück
zu der inneren Oberfläche
eines Abdeck- bzw.
Schutzblechs (142) der Schaufel (115). Zu der
selben Zeit passiert ein Teil des Fluids von einem Raum (124)
stromaufwärts
von der Turbinenrotorscheibe (114) durch einen Freiraum
bzw. Zwischenraum zwischen der Kante der inneren ringförmigen Wand
der Verbrennungsvorrichtung (116) und der Kante von Schaufel
(115), wie dies durch einen Pfeil B' gezeigt ist. Dieses Fluid schützt die
verbleibenden Oberflächen
in dem Zwischen-Schaufelraum.
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Wenn das aufgeheizte Fluid die Schaufeln (115)
der Turbinenrotorscheibe (114) verläßt, bewegt es sich zu der Schaufel
(119) der Kompressorturbinenrotorscheibe (118).
Es sollte angemerkt werden, daß das
Fluid von dem Kompressor, das die Turbinenschaufel (115)
umhüllt,
sich ebenfalls zu der Kompressorturbinenschaufel (119)
bewegt. Wenn das aufgeheizte Fluid und das Fluid von dem Kompressor
die Kompressorturbinenrotorscheibe erreichen, werden sie beide ungefähr dieselbe
Temperatur haben.
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Das Kühlfluid füllt einen ringförmigen Raum (144).
Dieses Fluid wird sich zwischen dem Gehäuse und Labyrinthdichtungen
(146) bewegen, um die innere Oberfläche des Gehäuses in dieser Gegend zu beschützen.
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Die Beschreibung dieser Ausführung zeigt, daß es keine
Kühlzone
in der Verbrennungsvorrichtung (116) gibt. Die Abwesenheit
einer Kühlzone
in einer Verbrennungsvorrichtung (116) bedeutet eine kleinere
Verbrennergröße und eliminiert
Kühlzonenverluste,
die beim Mischen des erhitzten Fluids mit einem kühleren Fluid
auftreten. Wenn sich das aufgeheizte bzw. erhitzte Fluid entlang
von Strömungsabschnitten
(140) der Schaufeln (114) über die Fluidschicht von dem
Kompressor bewegt, gibt es nur eine unvollständige Mischung der zwei Fluide,
wodurch die Verluste in dieser Zone minimiert werden. Weil das Kompressorfluid
kühler
ist, hat es eine niedrigere Viskosität. Dieses Fluid niedriger Viskosität bewegt sich
entlang der Schaufeloberfläche
und bestimmt die Grenzverluste. Gemäß den Prinzipien der Fluidmechanik
wird, weil das aufgeheizte Fluid, welches sich bei einer Temperatur
von ungefähr
2000 K befindet, eine höhere
Viskosität
hat, es durch ein Fluid niedriger Viskosität gehindert, daß es sich über die Schaufeloberfläche bewegt.
Es gibt keinen direkten Kontakt zwischen dem aufgeheizten Fluid
und der Oberfläche
der Motorkomponenten, so daß diese Komponenten
nicht derselben thermisch induzierten Beanspruchung in demselben
Grad wie Gasturbinen des Standes der Technik unterliegen. Darüber hinaus reduziert
die Zusammensetzung und Temperatur des kühleren Fluids, das von dem
Kompressor zugeführt wird – welches
das Schaufelmaterial kontaktiert – die Korrosivität dieses
Fluids auf das Schaufelmaterial relativ zu der Korrosivität des aufgeheizten
Fluids, das direkt von der Verbrennungsvorrichtung kommt. Dies verlängert die
Schaufellebensdauer.
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Zusätzlich zum Unterliegen einer
unvollständigen
Mischung expandieren das aufgeheizte Fluid und das Fluid von dem
Kompressor, wenn sie sich treffen, was ihre Temperatur er niedrigt.
Dementsprechend werden die Oxidationsreaktionen stromabwärts von
der Verbrennungsvorrichtung nicht so intensiv sein wie in den Motoren
des Standes der Technik. Dies bedeutet, daß weniger NOx gebildet
wird und daß der
Motor gemäß der Erfindung
weniger schädlich
für die
Umwelt sein wird.
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Wenn Fluid von dem Kompressor auf
die Turbinenschaufeln zugeführt
bzw. gespeist wird, trägt es
eine große
Menge an Energie. Dieses Fluid dehnt sich in dem Gebiet zwischen
den Einlaß-
und Auslaßkanten
der Schaufeln aus. In Motoren des Standes der Technik verlor dieses
Fluid einen Teil seiner Energie in der Verbrennerkühlzone.
Diese Kühlverluste werden
in dieser Erfindung verhindert. Die Arbeit, die bei dieser Expansion
bzw. Ausdehnung ausgeführt wird,
ist ungefähr
die Hälfte
der Turbinenleistung. Die Menge dieses Fluids ist größer als
die Menge der heißen
Gase, die von der Verbrennungsvorrichtung kommen, aber es ist kühler, was
erklärt,
warum die Menge der Arbeit nur eine Hälfte der Turbinenleistung ist.
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In einer weiteren Ausführung, die
in 4 gezeigt wird, die ähnliche
bzw. idente Teile mit denselben Bezugszeichen wie in 2 mit einer Addition von
100 gezeigt werden, ist der einzige Unterschied, daß der Gasturbinemotor
eine Turbinenrotorscheibe (214) und einen Kompressor (212)
beinhaltet, der durch eine Welle (248) angetrieben wird.
Sonst sind das Design und der Betrieb der Ausführung dieselbe.
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Die bevorzugten Ausführungen
der Erfindung wurden oben beschrieben. Es ist jedoch verständlich,
daß verschiedene
Modifikationen und Änderungen
an den hier vorgestellten Ausführungen möglich sind,
ohne über
den Geist und den Bereich der Erfindung hinauszugehen, die in den
angeschlossenen Ansprüchen
definiert ist.
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Diese Erfindung ist eine Verbesserung
gegenüber
dem Stand der Technik. US Patent an Branstrom et al. (Pat. 3,826,084)
(D1) offenbart einen Gasturbinenmotor, während das deutsche Patent an General
Electric Co. (Pat.
DE 3,713,923 )
(D2) eine Verbesserung gegenüber
D1 beschreibt und nicht alleine da steht. Der Stand der Technik
offenbart einen Gasturbinenmotor, in welchem ein Kühlluftfluß tatsächlich von
dem Kompressor zu der Turbinenschaufel einer ersten Stufe durch
einen Durchtritt geleitet wird. Diese Luft kühlt die Schaufeloberflächen tatsächlich.
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Die Verbrennungsvorrichtung in D1
(welche als ein Brenner bezeichnet wird) hat eine Verbrennungszone
und eine Mischungs- oder Verdünnungszone
zwischen der Verbrennungszone und den Turbinenschaufeln des ersten
Bereichs bzw. der ersten Stufe. Der Hauptstrom von dem Kompressor
geht zu der Misch- oder Verdünnungszone
der Verbrennungsvorrichtung durch nicht referenzierten Durchtritt.
Der Fluß bzw.
Strom von aufgeheiztem Gas von der Verbrennungszone der Verbrennungsvorrichtung wird
mit dem Hauptstrom von Luft von dem Kompressor verdünnt, um
die Temperatur des heißen
Gases zu senken, bevor es die Turbinenschaufeln der ersten Stufe
trifft. Dies erklärt,
warum der Fluß von
Luft durch den Durchtritt relativ klein ist (normalerweise 2 bis
10% des gesamten Kompressorluftstroms). Dies deshalb, da das Gas,
das die Verbrennungsvorrichtung verläßt und auf die Schaufeln der
ersten Turbinenstufe trifft, bereits in der Misch- oder Verdünnungszone
heruntergekühlt
ist. Die zusätzliche
Kühlung
mit dem System, das in der angewandten Literaturstelle geoffenbart
ist, wird als ein Ausgleich bzw. Kompro miß gebraucht, um nicht mehr
Luft zu der Verbrennungsvorrichtung hinzuzugeben. Dieses zusätzliche
Kühlen
ist notwendig wegen der drei ungünstigen
Phänomene,
die mit der Misch- oder Verdünnungszone
verbunden sind:
- – Mehr Luft in der Misch- oder
Verdünnungszone resultiert
in einer kleineren Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Gas
und dem Turbinenschaufelmetall, welches ein Erhöhen der Leistung der ersten
Stufe verhindert.
- – Mehr
Luft in der Misch- oder Verdünnungszone resultiert
in höheren
Mischverlusten, wenn die zwei Ströme (heißes Gas von der Verbrennungszone
und kühle
Luft von dem Kompressor) aufeinander treffen, weil sie unterschiedliche
Temperatur haben, und das Mischen ist heftig und durchgehend.
- – Mehr
Luft in der Misch- oder Verdünnungszone resultiert
in höheren
NOx-Niveaus.
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Dies ist der Grund, weshalb die Gasturbinenmotorenentwickler
nach einem Ausgleich bzw. Kompromiß gesucht haben, bei dem auf
der einen Seite die Menge an Luft, die der Mischzone zugeführt wird, ausreichend
ist, um die Temperatur des heißen
Gases auf eine mehr oder weniger akzeptable Grenze vom Standpunkt
bzw. Blickwinkel der Schaufelmaterialtechnologie aus gesehen zu
erniedrigen, und auf der anderen Seite die Menge eines kühlenden
bzw. Kühlgases
in der Mischzone nicht zu groß ist,
um die oben erwähnten
nachteiligen bzw. ungünstigen
Effekte zu lindern. Indem sie es so machen, finden Entwickler, daß die Temperatur
des heißen
Gases nach der Misch- oder Verdünnungszone
noch immer zu hoch für
die Schaufeln der ersten Turbinenstufe ist, wenn sie einen großen Temperaturunterschied
haben wollen, um mehr Leistung von der ersten Turbinenstufe zu bekommen.
Deshalb wird ein separates Kühlsystem
für die
Schaufeln verwendet, wobei die kühle
und saubere Luft direkt von dem Kompressor auf die Turbinenschaufeloberflächen zugeführt wird.
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Genauer gesagt, ist ein Anstieg in
der Leistung des ersten Abschnitts bzw. der ersten Stufe eng verbunden
mit der Differenz zwischen der Temperatur des Gases vor der Turbine
und der Schaufelmetalltemperatur. Folglich "es ist bekannt, daß die Differenz der Temperatur
des Gases vor der Turbine und die Schaufelmetalltemperatur ρT
= Tc – Tw ≈ (c2
1 – w2
1)/2cp abhängt von
der Differenz der Hitze über
der ersten Stufe und von der Reaktivität, und diese Temperaturdifferenz
normalerweise ρT
= 30°C bis
60°C ist.
Weiters ist ein Anstieg der Temperatur [Tc – vor der Turbine] durch eine
Verwendung gekühlter
Schaufeln möglich.
Die Verwendung von gekühlten
Schaufeln ist mit zusätzlichen
Energieverlusten verbunden ..." (A.
G. Kostyuk, A. M. Sherstyuk. Gas Turbine Units, M. Vyscshaya Shkola
Publishing House. 1979, Seite 79).
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Dieselbe Quelle gibt die folgenden
Daten für den
Effekt des Schaufelkühlens
auf die Effizienz des Gasturbinenmotors: "Überlegen
wir uns den Effekt der zusätzlichen
Kühlverluste
auf die Wirtschaftlichkeit einer Gasturbineneinheit (GTU), wie sie
auf eine einfache luftgekühlte
GTU angewandt wird. Die Luftkühlung
der Turbine wird mit Luft, die von dem Kompressor genommen wird,
ausgeführt.
Der Kühlluftstrom
ist 2 bis 4% und mehr des gesamten bzw. totalen Luftstroms. Um die
Arbeits- bzw. Betriebstemperatur der Schaufeln um 250 °C zu reduzieren,
sollten ungefähr
2% Luft verwendet werden. Diese Luft verrichtet keine Arbeit und
tritt in die nächste
Stufe mit einer viel geringeren Temperatur und der Gastemperatur
ein." (ibid, Seite
79). Weiters, "In
anderen Worten, wenn der Kühlluftstrom
1% ist, sinkt die GTU-Effizienz um 1,2% ab." (ibid, Seite 80). Es wird verstanden
werden, daß die
Verwendung von 4% des Luftflusses zum Kühlen in einem Verlust von ungefähr 5% an
Effizienz resultieren wird.
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In der beanspruchten Erfindung wird
die Schaufelkühlung
sichergestellt dadurch, daß 55% und
mehr des Fluidstroms zu den Schaufeln der ersten Stufe geleitet
werden. Man könnte
sagen, daß dies
in einer Null-Effizienz des Gasturbinenmotors unter Bezugnahme auf
die obigen Daten hinauslaufen wird. Die Frage ist, warum dies nicht
in dem beanspruchten Gasturbinenmotor passiert?
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Die Antwort auf diese Frage ist,
daß die Schaufelkühlung und
die Mischung oder Verdünnung in
dem beanspruchten Gasturbinenmotor kombiniert werden und beide Prozesse
in derselben Zone auftreten, die ebenfalls als eine Mischzone in
Anlehnung an den Stand der Technik bezeichnet werden kann. Der Unterschied
zu dem Stand der Technik ist, daß das Mischen (Verdünnungszone)
von der Verbrennungsvorrichtung in den ersten Turbinenabschnitt neu
angeordnet wird und nun (gemäß der beanspruchten
Erfindung) zwischen der Einlaßkante
und der Auslaßkante
der Turbinenschaufel der ersten Stufe angeordnet ist. Ähnlich bzw.
identisch zu herkömmlichen
Gasturbinen folgt die Mischzone unmittelbar auf die Verbrennungszone,
exakt wie dies in D1 der Fall ist, weil es keine Leitschaufeln zwischen der
Verbrennungsvorrichtung und dem ersten Abschnitt in der beanspruchten
Erfindung gibt. Das beanspruchte System weist eine Verbrennungszone auf,
welche den gesamten inneren Raum der Verbrennungsvor richtung einnimmt,
während
die Misch- oder Verdünnungszone
in der ersten Turbinenstufe entlang der Schaufel der Turbine angeordnet
ist. Der Hauptstrom an Luft von dem Kompressor, 55% bis 85%, geht
an diese Misch- oder Verdünnungszone. Dies
bedeutet, daß die
Mischung oder Verdünnung des
heißen
Fluids von der Verbrennungszone in der Mischzone innerhalb des ersten
Turbinenabschnitts stattfindet. Aber dies ist die einzige Ähnlichkeit
mit dem Stand der Technik.
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Wenn Luft von dem Kompressor in die Mischzone
einer herkömmlichen
Verbrennungsvorrichtung gespeist wird, wird diese Luft heftig und gründlich bzw.
genau mit dem heißen
Gas vermischt und dann bewegen sich sowohl das Gas als auch diese
Luft durch die Leitschaufeln in D1, bevor sie auf die Schaufeln
des ersten Abschnitts treffen. Dies resultiert in zwei Dingen, die
passieren:
- – die absolute Geschwindigkeit
des kombinierten Gas- und Luftstroms erhöht sich auf ungefähr 650 m/s;
- – der
Druck in der Zone innerhalb der Turbinenschaufel der ersten Stufe
sinkt wesentlich ab (um einen Faktor von ungefähr zwei).
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Das Resultat dieser Phänomene ist,
daß die absolute
Geschwindigkeit des Gasstroms, der auf die Turbinenschaufel des
ersten Abschnitts auftrifft, 650 m/s beträgt und die absolute Geschwindigkeit
des Schaufelkühlluftstroms
ist etwa 450 m/s als ein Resultat der oben erwähnten, wesentlichen Druckreduktion
beträgt.
Da die Werte der absoluten Geschwindigkeiten beim Abschätzen der
zusätzlichen Schaufelkühlverluste
quadriert werden, erklärt
dieser Geschwindigkeitsunterschied die hohen Schaufelkühlverluste,
auf die oben Bezug genommen wurde.
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In diesem Fall der beanspruchten
Erfindung gibt es stromaufwärts
der Turbinenschaufeln des ersten Abschnitts keine Leitschaufeln
als ein Resultat davon, daß die
Einlaßkante
unmittelbar stromabwärts
von der Verbrennungszone positioniert ist, um aufgeheiztes Fluid
von der Verbrennungszone aufzunehmen bzw. zu erhalten. Aus diesem
Grund ist die absolute Geschwindigkeit des Gasstroms von der Verbrennungszone
ungefähr
120 m/s. Weil es keine Leitschaufeln stromaufwärts des ersten Turbinenabschnitts
gibt, gibt es keine wesentliche Druckreduktion und der Strom des
Fluids, der für
die Schaufelkühlung
zugeführt
wird, hat eine absolute Geschwindigkeit von ungefähr 60 bis
90 m/s, was sehr niedrige Verluste in der Mischungs-(Verdünnungs-)zone
des beanspruchten Gasturbinenmotors erklärt. Diese Verluste werden bestimmt
durch eine geringe absolute Geschwindigkeitsdifferenz (oder durch
geringe absolute Werte der absoluten Geschwindigkeiten).
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Es sollte hinzugefügt werden,
daß diese
geringe Geschwindigkeitsdifferenz genau wie die vergleichbaren Massenflüsse bzw.
-ströme
des heißen Gases
von der Verbrennungszone und des Fluids, das zu den Schaufeln für ein Kühlen geleitet
wird, in den zwei Flüssen
bzw. Strömen
resultieren, die sich in separaten Schichten entlang der Turbinenschaufel des
ersten Abschnitts bewegen, wobei das Fluid, das kühler ist,
das Schaufelmetall gegen Überhitzen
abdeckt und schützt.
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Auch wenn es bestimmte Verluste,
wenn sich die zwei Ströme
in der Turbine der ersten Stufe treffen, wegen einer Differenz der
Geschwindigkeiten gibt, sind sie geringer bzw. kleiner als die Mischungsverluste
in der Verbrennungsvorrichtung des Standes der Technik, weil die
zwei Schichten nicht so stark und vollständig, wie in der Mischzone
der Verbrennungsvorrichtung des Standes der Technik gemischt werden.
Das Mischen in der beanspruchten Erfindung tritt zwischen den Schichten
vorwiegend unter dem Effekt des Temperaturgradienten auf, weil die Unterschiede
in Geschwindigkeit und Druck zwischen den beiden Flüssen sehr
gering sind. Die Mischungsverluste, die in dem ersten Turbinenabschnitt
auftreten, werden mehr als kompensiert durch das Fehlen der zusätzlichen
Schaufelkühlungsverlusten,
welche in Gasturbinen des Standes der Technik auftreten.
-
Folglich sind die Vorteile der beanspruchten Erfindung
gegenüber
dem Stand der Technik:
- – die Mischverluste sind geringer
als die Mischverluste in der Verbrennungsvorrichtung nach dem Stand
der Technik.
- – sowohl
heißes
Gas von der Verbrennungszone als auch das Kühlgas von dem Kompressor, welches
sich zur Schaufelkühlung
eignet), werden in der Turbine expandiert und beide verrichten Arbeit,
wobei das heiße
Gas mehr Energie vor der Expansion bzw. Ausdehnung wegen des Fehlens eines
Vorkühlens
in der Mischzone und wegen des Fehlens der Mischverluste beinhaltet.
- – keine
Luft wird zu der Verbrenneraustrittszone (welche sich auf einer
sehr hohen Temperatur befindet) zugeführt, so daß NOx-Niveaus niedriger sind.