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HINTERGRUND
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Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Turbomaschinen und spezieller Verfahren und Systeme zum Steuern von Ausströmleckagen in Verdichterstufen in Gasturbinen.
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Zumindest in einigen bekannten Gasturbinen wird über eine Luftansaugöffnung Umgebungsluft in einen Verdichterabschnitt der Gasturbine kanalisiert. Der Verdichterabschnitt verdichtet die Luft, bevor sie über einen Hauptluftstrompfad zu einem Brennkammerabschnitt geleitet wird, um mit einem Brennstoff verbannt zu werden. Zumindest in einigen bekannten Gasturbinen, kann verdichtete Luft, die in Verdichterstufen höherer Lage (d.h. in weiter stromabwärts gelegenen Stufen) vorhanden ist, dazu veranlasst werden, über Hohlräume, die in einem inneren Radraum des Verdichterabschnitts vorhanden sind, aus dem Hauptluftströmungspfad zu entweichen. Solche Hohlräume sind radial innerhalb des Hauptströmungspfads der zu verdichtenden Luft ausgerichtet. Spezieller wird verdichtete Luft in den höheren Verdichterstufen dazu veranlasst, sich stromaufwärts in Hohlräume zu bewegen, die auf stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Seiten benachbarter Laufräder ausgebildet sind, die sich in stromaufwärts gelegenen Verdichterstufen niedrigerer Lage befinden. Speziell sind diese Hohlräume, die die Leckstromluft aufnehmen, zwischen benachbarten Laufrad- und Distanzrädern angeordnet. Der Luftdruck in diesen Hohlräumen ist erhöht, was zu dem Luftleckstrom zurück hinaus in den Hauptluftströmungspfad in den Verdichterstufen niedrigerer Lage führt, wobei die Leckstromluft den Strom von Luft um die Schaufelblätter in den Verdichterstufen niedrigerer Lage stören kann.
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Zumindest in einigen bekannten Gasturbinen kann Frontleckage von Luft Bedingungen erzeugen, in denen die Gasturbine eine erhöhte Anfälligkeit für Strömungsabriss aufweisen kann. Erhöhte Umgebungslufttemperaturen können die Anfälligkeit für eine Gasturbine, einen Verdichterströmungsabriss zu erfahren, zusätzlich steigern. Um einen derartigen Leckstrom in einer klimatischen Hitzeperiode zu bewältigen, muss die Gasturbine möglicherweise mit einer Drehzahl betrieben werden, die geringer ist als ihre Nenndrehzahl, um das Auftreten von Verdichterströmungsabriss zu verhindern.
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KURZBESCHREIBUNG
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In einem Aspekt ist ein Verfahren zur Steuerung von Frontleckagen in einem Gasturbinenverdichter offenbart. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Verbinden eines ersten Verdichterlaufrads mit einer stromaufwärts gelegenen Stirnfläche eines Verdichterdistanzrads. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt: Verbinden eines zweiten Verdichterlaufrads mit einer stromabwärts gelegenen Stirnfläche des Verdichterdistanzrads, wobei das Verdichterdistanzrad aufweist: wenigstens eine Ansaugausnehmung, die in der stromabwärts gelegenen Stirnfläche ausgebildet ist; wenigstens eine Auslassausnehmung, die in der stromaufwärts gelegenen Stirnfläche ausgebildet ist; und wenigstens einen axialen Durchlasskanal, der die wenigstens eine Ansaugausnehmung mit der wenigstens einen Auslassausnehmung strömungsmäßig verbindet.
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Das Verfahren kann den Schritt beinhalten: Ausbilden wenigstens der wenigstens einen Ansaugausnehmung und/oder der wenigstens einen Auslassausnehmung in einer radialen Richtung an dem Verdichterdistanzrad.
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Jedes der oben erwähnten Verfahren kann den Schritt beinhalten: Ausbilden der wenigstens einen Ansaugausnehmung und/oder der wenigstens einen Auslassausnehmung, um einen halbkreisförmigen Querschnitt, einen ovalen Querschnitt, einen polygonalen Querschnitt und/oder einen Querschnitt aufzuweisen, der gekrümmte und gerade Abschnitte hat.
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Jedes der oben erwähnten Verfahren kann den Schritt beinhalten: Ausbilden der wenigstens einen Ansaugausnehmung und/oder der wenigstens einen Auslassausnehmung, um einen halbovalen Querschnitt aufzuweisen, wobei der halbovale Querschnitt eine Breite hat, die größer ist als eine Tiefe des Querschnitts.
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Jedes der oben erwähnten Verfahren kann den Schritt beinhalten: Ausbilden des wenigstens einen axialen Durchlasskanals, um eine Querschnittsgestalt aufzuweisen, die einen kreisförmigen Querschnitt, einen ovalen Querschnitt, einen polygonalen Querschnitt und/oder einen Querschnitt beinhaltet, der geradlinige und gekrümmte Abschnitte aufweist.
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Jedes der oben erwähnten Verfahren kann den Schritt beinhalten: Ausbilden der wenigstens einen Ansaugausnehmung, um sich ausgehend von einem hinteren Hohlraum, der in dem Distanzrad ausgebildet ist, zu dem axialen Durchlasskanal zu erstrecken.
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Jedes der oben erwähnten Verfahren kann den Schritt beinhalten: Ausbilden der wenigstens einen Auslassausnehmung, um sich ausgehend von einem vorderen Hohlraum, der in dem Distanzrad ausgebildet ist, zu dem axialen Durchlasskanal zu erstrecken.
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In einem weiteren Aspekt ist ein System zur Steuerung von Leckagen in einem Gasturbinenverdichter offenbart. Das System enthält ein erstes Verdichterlaufrad, das mit einer stromaufwärts gelegenen Stirnfläche eines Verdichterdistanzrads verbunden ist. Das System weist ferner ein zweites Verdichterlaufrad auf, das mit einer stromabwärts gelegenen Stirnfläche des Verdichterdistanzrads verbunden ist. Das Verdichterdistanzrad weist auf: wenigstens eine Ansaugausnehmung, die in der stromabwärts gelegenen Stirnfläche ausgebildet ist; wenigstens eine Auslassausnehmung, die in der stromaufwärts gelegenen Stirnfläche ausgebildet ist; und wenigstens einen axialen Durchlasskanal, der die wenigstens eine Ansaugausnehmung mit der wenigstens einen Auslassausnehmung strömungsmäßig verbindet.
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Die wenigstens eine Ansaugausnehmung und/oder die wenigstens eine Auslassausnehmung können an dem Verdichterdistanzrad in einer radialen Richtung ausgebildet sein.
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Die wenigstens eine Ansaugausnehmung und/oder die wenigstens eine Auslassausnehmung jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Querschnittsgestalt aufweisen, die auf halbkreisförmigen, halbovalen, polygonalen und/oder auf einer Kombination von gekrümmten und geraden Abschnitten basiert.
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Die wenigstens eine Ansaugausnehmung und/oder die wenigstens eine Auslassausnehmung jedes der oben erwähnten Systeme kann einen halbovalen Querschnitt aufweisen, wobei der halbovale Querschnitt eine Breite hat, die größer ist als eine Tiefe des Querschnitts.
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Mindestens ein axialer Durchlasskanal jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Querschnittsgestalt aufweisen, die auf kreisförmigen, ovalen, polygonalen und/oder einer Kombination von geradlinigen und gekrümmten Abschnitten basiert.
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Mindestens eine Ansaugausnehmung jedes der oben erwähnten Systeme kann sich ausgehend von einem hinteren Hohlraum, der in dem Distanzrad ausgebildet ist, zu dem axialen Durchlasskanal erstrecken.
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Mindestens eine Auslassausnehmung jedes der oben erwähnten Systeme kann sich ausgehend von einem vorderen Hohlraum, der in dem Distanzrad ausgebildet ist, zu dem axialen Durchlasskanal erstrecken.
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In noch einem weiteren Aspekt ist ein Gasturbinensystem offenbart. Das Gasturbinensystem weist einen Verdichterabschnitt auf. Das Gasturbinensystem enthält ferner ein Verbrennungssystem, das mit dem Verdichterabschnitt strömungsmäßig verbunden ist. Das Gasturbinensystem enthält außerdem einen Turbinenabschnitt, der mit dem Verbrennungssystem strömungsmäßig verbunden ist. Der Verdichterabschnitt enthält ein erstes Verdichterlaufrad, das mit einer stromaufwärts gelegenen Stirnfläche eines Verdichterdistanzrads verbunden ist. Der Verdichterabschnitt enthält ferner ein zweites Verdichterlaufrad, das mit einer stromabwärts gelegenen Stirnfläche des Verdichterdistanzrads verbunden ist. Das Verdichterdistanzrad weist auf: wenigstens eine Ansaugausnehmung, die in der stromabwärts gelegenen Stirnfläche ausgebildet ist; wenigstens eine Auslassausnehmung, die in der stromaufwärts gelegenen Stirnfläche ausgebildet ist; und wenigstens einen axialen Durchlasskanal, der die wenigstens eine Ansaugausnehmung mit der wenigstens einen Auslassausnehmung strömungsmäßig verbindet.
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Die wenigstens eine Ansaugausnehmung und/oder die wenigstens eine Auslassausnehmung jedes oben erwähnten Gasturbinensystems können an dem Verdichterdistanzrad in einer radialen Richtung ausgebildet sein.
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Die wenigstens eine Ansaugausnehmung und/oder die wenigstens eine Auslassausnehmung jedes oben erwähnten Gasturbinensystems können eine Querschnittsgestalt aufweisen, die auf halbkreisförmigen, halbovalen, polygonalen und/oder auf einer Kombination von gekrümmten und geraden Abschnitten basiert.
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Die wenigstens eine Ansaugausnehmung und/oder die wenigstens eine Auslassausnehmung jedes oben erwähnten Gasturbinensystems können einen halbovalen Querschnitt aufweisen, wobei der halbovale Querschnitt eine Breite hat, die größer ist als eine Tiefe des Querschnitts.
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Der wenigstens eine axiale Durchlasskanal jedes oben erwähnten Gasturbinensystems kann eine Querschnittsgestalt aufweisen, die auf kreisförmigen, ovalen, polygonalen und/oder auf einer Kombination von geradlinigen und gekrümmten Abschnitten basiert.
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Die wenigstens eine Ansaugausnehmung jedes oben erwähnten Gasturbinensystems kann sich ausgehend von einem hinteren Hohlraum, der in dem Distanzrad ausgebildet ist, zu dem axialen Durchlasskanal erstrecken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht in einem Graphen ein Diagramm eines Gasturbinenverdichterdruckverhältnisses in Abhängigkeit von dem Luftmassendurchsatz und stellt außerdem eine Verdichterdruckstoß-/Strömungsabrissbandbreite dar.
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2 veranschaulicht in einem Schema eine exemplarische Gasturbine.
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3 veranschaulicht anhand einer vergrößerten Ansicht der in 2 gezeigten Gasturbine exemplarische Leckpfade.
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4 veranschaulicht anhand einer vergrößerten Ansicht eines Verdichterabschnitts der in 2 gezeigten Gasturbine ein exemplarisches Leckagensteuerungssystem.
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5 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein exemplarisches Distanzrad für die Verwendung in der in 3 gezeigten Gasturbine.
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6 veranschaulicht das in 5 gezeigte Distanzrad in einer perspektivischen Querschnittsansicht.
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7 zeigt in einer perspektivischen Querschnittsansicht ein abgewandeltes exemplarisches Distanzrad.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In dem hier verwendeten Sinne beziehen sich die Begriffe "axial" und "in axialer Richtung" auf Richtungen und Ausrichtungen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse einer Gasturbine verlaufen. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe "radial" und "in radialer Richtung" auf Richtungen und Ausrichtungen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Gasturbine verlaufen. Weiter beziehen sich die Begriffe "um den Umfang angeordnet" und "entlang des Umfangs" in dem hier verwendeten Sinn auf Richtungen und Ausrichtungen, die bogenförmig um die Längsachse der Gasturbine verlaufen. Weiter sollte klar sein, dass der Begriff "Fluid" in dem hier verwendeten Sinne ein beliebiges Medium oder Material beinhaltet, das strömt, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Gas und/oder Luft.
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In einer Gasturbine gehören zu den Parametern, die bei der Berechnung des Betriebs eines Gasturbinenverdichterabschnitts in Betracht gezogen werden, das Verdichterdruckverhältnis für jede Stufe und der Luftmassendurchsatz durch den Verdichter. 1 zeigt einen Graphen 9, der ein exemplarisches Diagramm eines Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Luftmassendurchsatz für einen hypothetischen Verdichter darstellt. Eine gerade Linie 10 in dem Graphen 9, die häufig als eine Verdichterbetriebskennlinie bezeichnet wird, repräsentiert Bedingungen, die einem optimalen Betrieb des Verdichters entsprechen. Falls das Verdichtungsverhältnis (oder Druckverhältnis) einen vorbestimmten Wert für eine ausgewählte Turbinendrehzahl und für einen ausgewählten Luftmassendurchsatz, überschreitet, kann es zu einem Verdichterströmungsabriss kommen. Der Graph 9 enthält ferner Linien 14, 16, 18, 20 und 22 konstanter Drehzahl, wobei die Verdichterdrehzahl in Umdrehungen pro Minute ("U/min") gemessen wird. Eine Linie 12 verbindet beobachtete Druckverhältniswerte in Abhängigkeit von Luftmassendurchsätzen, wobei die Druckverhältniswerte Bedingungen entsprechen, in denen eine Wahrscheinlichkeit für einen Verdichterströmungsabriss besteht. Die Linie 12 wird gelegentlich als eine Druckstoß- oder Strömungsabrisslinie bezeichnet, und eine Druckstoß- oder Strömungsabrissbandbreite 24 ist als ein Bereich zwischen der Verdichterbetriebskennlinie 10 und der Druckstoßkennlinie 12 definiert.
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Zumindest in einigen bekannten Gasturbinen kann eine Frontleckage von Luft von Verdichterstufen höheren Drucks zu Verdichterstufen niedrigeren Drucks den Betrieb des Verdichterabschnitts dadurch beeinträchtigen, dass bei einem speziellen Luftmassendurchsatz und einer speziellen Turbinendrehzahl der Effekt eines Anstiegs des Druckverhältnisses auftritt. Dies führt wiederum zu einer Verringerung der Strömungsabrissbandbreite. Einige Umgebungsluftbedingungen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, eine verhältnismäßig hohe Lufttemperatur, können die Strömungsabrissbandbreite ("Strömungsabrissbandbreite bei heißer Witterung") zusätzlich reduzieren. Insbesondere kann turbulente oder übermäßig heiße Luft den Luftstrom, der sich durch die aufeinander folgenden Rotor- und Statorschaufelstufen bewegt, verändern, so dass Drücke zwischen einer Rotorstufe und einer benachbarten stromabwärts gelegenen Statorleitschaufelstufe zu hoch werden können. Zumindest in einigen bekannten Gasturbinen werden die Wirkungen derartiger veränderter Luftstrombedingungen in Stufen höherer Lage des Verdichterabschnitts möglicherweise gesteigert. Unter Bedingungen, in denen die Strömungsabrissbandbreite verringert ist, muss eine Gasturbine möglicherweise unterhalb ihrer Nenndrehzahl betrieben werden, um das Auftreten eines Verdichterströmungsabrisses zu vermeiden, was zu einer unerwünschten Verringerung der Ausgangsleistung der Gasturbine führt.
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2 veranschaulicht in einem Schema ein exemplarisches Gasturbinentriebwerk 100. Das Gasturbinentriebwerk 100 enthält einen Verdichterlaufradabschnitt 102 und eine Brennkammereinrichtung 104. Das Gasturbinentriebwerk 100 enthält zudem eine Turbine 108 und eine gemeinsame Verdichter-/Turbinenwelle 110 (die gelegentlich auch als Rotor oder Laufrad 110 bezeichnet wird).
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Durch den Verdichterlaufradabschnitt 102 geleitete Luft wird verdichtet und zu der Brennkammereinrichtung 104 geleitet. Brennstoff wird zu einer (nicht gezeigten) Verbrennungszone geleitet, die in der Brennkammereinrichtung 104 ausgebildet ist, in der der Brennstoff mit der verdichteten Luft vermischt und verbrannt wird. Sich ergebende Verbrennungsgase werden zu der Turbine 108 geleitet, in der thermische Energie des Gasstroms in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird. Die Turbine 108 ist drehfest mit dem Verdichterlaufrad 110 verbunden, um um eine Drehachse 106 zu rotieren.
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3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des (in 2 gezeigten) Gasturbinentriebwerks 100, speziell den Verdichterlaufradabschnitt 102. Ein Verdichterlufthauptstrom 166 wird durch den Verdichterlaufradabschnitt 102 hindurch geleitet. Der Verdichterlaufradabschnitt 102 enthält beispielsweise eine Laufschaufel 130 der ersten Stufe, die über eine Schwalbenschwanzverbindung 156 mit einem Laufrad 150 verbunden ist, eine Laufschaufel 132 der zweiten Stufe, die über eine Schwalbenschwanzverbindung 158 mit einem Laufrad 152 verbunden ist, und eine Laufschaufel 134 der dritten Stufe, die über eine Schwalbenschwanzverbindung 160 mit einem Laufrad 154 verbunden ist. Darüber hinaus enthält der Laufradabschnitt 102 eine Statorleitschaufel 140 der ersten Stufe, eine Statorleitschaufel 142 der zweiten Stufe und eine Statorleitschaufel 144 der dritten Stufe. Ein Distanzrad 155 trennt die Laufräder 150 und 152 und ein Distanzrad 157 trennt die Laufräder 152 und 154. Zwischen dem Laufrad 154 und dem Distanzrad 157 ist ein Hohlraum 159 ausgebildet. Desgleichen ist stromaufwärts des Distanzrads 157 zwischen dem Distanzrad 157 und dem Laufrad 152 ein Hohlraum 161 ausgebildet, stromaufwärts des Laufrads 152 zwischen dem Laufrad 152 und dem Distanzrad 155 ist ein Hohlraum 163 ausgebildet, und stromaufwärts des Distanzrads 155 zwischen dem Distanzrad 155 und dem Laufrad 150 ist ein Hohlraum 165 ausgebildet.
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Wie zuvor beschrieben, kann der Verdichterluftleckstrom 162 von einem Hochdruckbereich 180, der stromabwärts der Laufschaufel 134 der dritten Stufe angeordnet ist, veranlasst werden, radial nach innen zu entweichen, und dazu veranlasst werden, im Wesentlichen vorwärts durch den Verdichterlaufradabschnitt 102 als ein Leckstrom 164 zu strömen, der beispielsweise durch die Schwalbenschwanzverbindung 160 hindurch geleitet wird. Die Ströme 162 und 164 bewirken, dass der Luftdruck in den Hohlräumen 159 und 161 gesteigert wird. Ein Strömungsanteil 168 kann nach außen in einen Bereich 182 entweichen, der sich stromaufwärts der Laufschaufel 134 der dritten Stufe befindet, wobei ein Luftdruck in dem Bereich 182 geringer ist als ein Luftdruck in dem Bereich 180. Ein weiterer Teil 170 der Leckstromluft kann beispielsweise weiter nach vorne hinter einen Bereich 184, der stromaufwärts der Statorleitschaufel 142 der zweiten Stufe liegt, und durch die Schwalbenschwanzverbindung 158 geleitet werden. Der Luftdruck in den Hohlräumen 163 und 165 wird erhöht. Dementsprechend kann ein Strömungsanteil 172 des Strömungsanteils 170 in einen Bereich 186 weiter geleitet werden, der sich stromaufwärts der Laufschaufel 132 der zweiten Stufe befindet, wobei ein Luftdruck in dem Bereich 186 geringer ist als der Luftdruck in dem Bereich 182.
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Die Steigerung des Luftdrucks in den Hohlräumen 159, 161, 163 und/oder 165 trägt zu den Leckstromanteilen 168 und 172 bei, die den Strom verdichteter Luft durch den Verdichterlaufradabschnitt 102 beeinträchtigen können. Die hier beschriebenen Verfahren und Systeme zielen darauf ab, Leckstromanteile 168 und 172 zu bewältigen, indem ein Anstieg des Luftdrucks in den Hohlräumen 159, 161, 163 und/oder 165 verhindert wird. Dies kann erreicht werden, indem der Leckstrom 162 dazu veranlasst wird, als Strömungsanteile 174 und 176 sogar noch weiter durch den Verdichterlaufradabschnitt 102 hinter einen Bereich 188 stromabwärts der Laufschaufel 130 der ersten Stufe nach vorne geleitet zu werden, so dass der Luftleckstrom stromabwärts der Laufschaufel 130 der ersten Stufe als ein Strom 178 in einen Bereich 190 entlassen wird, wobei eventuelle Auswirkungen, die möglicherweise aufgrund der Einführung des Stroms 178 in den Verdichterlufthauptstrom 166 entstehen, vermindert werden.
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4 veranschaulicht in einer vergrößerten Querschnittsansicht des Verdichterlaufradabschnitts 102 ein exemplarisches Leckagensteuerungssystem 200. Ein Hauptluftstrom 199 von zu verdichtender Luft wird in Richtung des Pfeils ("in der stromabwärts verlaufenden Richtung") durch den Verdichterlaufradabschnitt 102 hindurch geleitet. Der Verdichterlaufradabschnitt 102 enthält wenigstens ein erstes, oder stromaufwärts gelegenes, Laufrad 202, das mit einem benachbarten Distanzrad 204 drehgekuppelt ist. Rund um das Laufrad 202 sind Laufschaufeln 201 in beabstandeten Intervallen mittels eines beliebigen geeigneten Befestigungsmechanismus angebracht, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, über Schwalbenschwanzverbindungen 203 zwischen den Laufschaufeln 201 und dem Laufrad 202. Das Distanzrad 204 ist mit einem zweiten, stromabwärts gelegenen Laufrad 206 drehgekuppelt. In dem Ausführungsbeispiel sind die Räder 202 und 206 mittels eines beliebigen geeigneten (nicht gezeigten) Verbindungsverfahrens, das es dem System 200 ermöglicht, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen, z.B. durch Schrauben, mit dem Distanzrad 204 verbunden. Um das Laufrad 206 sind, beispielsweise über Laufschaufelschwalbenschwanzverbindungen 211, in beabstandeten Intervallen mehrere (nicht gezeigte) Laufschaufeln angebracht. In dem Ausführungsbeispiel sind die Laufräder 202 und 206 in niedrigeren Stufen des Laufradabschnitts 102 angeordnet und sind zu den in 3 gezeigten Laufrädern 150 und 152 analog.
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In dem Ausführungsbeispiel erstreckt sich zwischen dem Laufrad 202 und dem Distanzrad 204 ein stromaufwärtiger Zwischenraum 205. Darüber hinaus erstreckt sich zwischen dem Distanzrad 204 und dem Laufrad 206 ein stromabwärtiger Zwischenraum 207. Außerdem bildet das Distanzrad 204 einen stromaufwärts gelegenen Hohlraum 208 und einen stromabwärts gelegenen Hohlraum 210. Das Leckagensteuerungssystem 200 enthält einen Ansaugkanal 212, der in dem Zwischenraum 207 ausgebildet ist, einen axialen Durchlasskanal 214, der mit dem Ansaugkanal 212 strömungsmäßig verbunden ist, und einen Auslasskanal 216, der in dem Zwischenraum 205 ausgebildet ist, der mit dem axialen Durchlasskanal 214 strömungsmäßig verbunden ist.
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Durch die Bereitstellung des Ansaugkanals 212, des axialen Durchlasskanals 214 und des Auslasskanals 216 wird hochverdichtete Luft in dem Hohlraum 210 dazu veranlasst, sich im Wesentlichen stromaufwärts durch das Distanzrad 204 hindurch und, beispielsweise über die Schwalbenschwanzverbindung 203, anschließend hinter das Laufrad 202 zu bewegen. Somit wird verhindert, dass der Luftdruck in den Hohlräumen 210 und 208 ansteigt, und dass Luft nach außen zurück in den Hauptluftstrom 199 entweicht. Weiter wird durch die Reduzierung des Luftdrucks in den Hohlräumen 210 und 208 und durch die Bereitstellung eines Luftstrompfads entlang der Durchlasskanäle 212, 214, 216 eine Steigerung des Luftdrucks in (nicht gezeigten) Laufrad/Distanzrad-Hohlräumen, die sich weiter stromabwärts befinden, verhindert oder vermindert, was außerdem ermöglicht, den Leckstroms zurück in den Hauptluftstrom 199 an jenen stromabwärts gelegenen Stellen zu verringern.
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In dem Ausführungsbeispiel ist das Laufrad 202 in dem Verdichterlaufradabschnitt 102 als Teil einer ersten Laufradstufe angeordnet, und das Laufrad 206 ist als Teil einer zweiten Laufradstufe in dem Verdichterlaufradabschnitt 102 angeordnet. In abgewandelten Ausführungsbeispielen sind die Laufräder 202 und 206 miteinander verbunden, um ein Paar benachbarter Laufradstufen zu bilden, die an einer beliebigen gewünschten Stelle in einem Gasturbinenverdichterabschnitt angeordnet sind.
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5 zeigt in einer perspektivischen Querschnittsansicht von hinten das Distanzrad 204, das in dem (in 2 gezeigten) Gasturbinentriebwerk 100 verwendet wird. In dem Ausführungsbeispiel weist das Distanzrad 204 einen um den Umfang angeordneten vorderen Flansch 209 auf. Jeder Ansaugkanal 212 (4) ist zum Teil durch eine Ansaugausnehmung 213 gebildet, die in einer hinteren Stirnfläche 223 des Distanzrads 204 ausgebildet ist. Jeder Auslasskanal 216 (4) ist zum Teil durch eine Auslassausnehmung 219 gebildet, die in einer vorderen Stirnfläche 221 des Distanzrads 204 ausgebildet ist. In 5 ist eine Hälfte der Ausnehmung 219 dargestellt. Entsprechende Paare von Ausnehmungen 213 und 219 sind über axiale Durchlasskanäle 214 miteinander strömungstechnisch verbunden. In dem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen 213 und/oder 219 (wie in 2 gezeigt) in Bezug auf die Achse 106 im Wesentlichen radial. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 213 und/oder 219 in einer beliebigen Weise ausgebildet, die es dem System 200 erlaubt, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen. Die Ausnehmungen 213 und 219 und die axialen Durchlasskanäle 214 können mittels eines beliebigen geeigneten Ausbildungsverfahrens in dem Distanzrad 204 ausgebildet werden, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, durch Gießen, Bohren und/oder Fräsen.
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6 zeigt das Distanzrad 204 in einer perspektivischen Querschnittsansicht von vorne. In 6 ist eine Hälfte der Auslassausnehmung 219 veranschaulicht. Die Auslassausnehmung 219 ist wenigstens teilweise durch eine gekrümmte Wand 218 gebildet. In dem Ausführungsbeispiel weist die Auslassausnehmung 219 einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt auf, so dass die Abstände 222 und 224 als Radien der Auslassausnehmung 219 übereinstimmen. Ein Rand 220 definiert zum Teil die (in 4 gezeigte) Auslassöffnung 215. In der Nähe der Auslassausnehmung 219 weist der Flansch 209 eine Restdicke 226 auf. Der axiale Durchlasskanal 214 weist einen Durchmesser 228 auf. In dem Ausführungsbeispiel ist ein Durchmesser (d.h. das Doppelte der Radien 222 oder 224) der Auslassausnehmung 219 größer als ein Durchmesser 228 des axialen Durchlasskanals 214. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel können die Auslassausnehmung 219, die Ansaugausnehmung 213 und der axiale Durchlasskanal 214 beliebige Maße aufweisen, die es dem System 200 ermöglichen, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen.
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7 zeigt in einer perspektivischen Querschnittsansicht von vorne ein abgewandeltes exemplarisches Distanzrad 304, das einen um den Umfang angeordneten Flansch 309 aufweist. In dem Distanzrad 304 ist eine Ausnehmung 316 (von der in 7 eine Hälfte dargestellt ist) in einer vorderen Stirnfläche 305 des Distanzrads 304 ausgebildet und weist eine von der Kreisform abweichende gekrümmte Wand 318 und einen Mündungsrand 320 auf. Die Ausnehmung 316 ist mit einem Querschnitt in Form eines Halbovals oder einer Halbellipse ausgebildet. Dementsprechend weist die Ausnehmung 316 in dem Ausführungsbeispiel eine Tiefe oder einen kleineren Radius 322 und eine halbe Breite oder einen größeren Radius 324 auf, wobei der größere Radius 324 wesentlich größer ist als der kleinere Radius 322. Im Falle einer Ausnehmung 316, die eine Querschnittsfläche aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Querschnittsfläche der (in 5 gezeigten) Auslassausnehmung 219 ist, ist eine Restdicke 326 des Flansches 309 daher größer als die Restdicke 226 des (in 5 gezeigten) Flansches 209. Durch die Bereitstellung der Restdicke 326 ist das Distanzrad 304 in Bereichen, in denen die Ausnehmungen 316 in dem Flansch 309 angeordnet sind, fester als ein vergleichbar dimensioniertes Distanzrad 204. In dem Ausführungsbeispiel weist die Ausnehmung 316 eine Gesamtbreite (das Doppelte des größeren Radius 324) auf, die größer ist als ein Durchmesser 328 eines axialen Durchlasskanals 314. In dem Ausführungsbeispiel verbindet der axiale Durchlasskanal 314 die Ausnehmung 316 strömungsmäßig mit einer (nicht gezeigten) hinteren Ausnehmung, wie mit Bezug auf Ausnehmungen 219 und 213 beschrieben, die im Vorausgehenden erläutert sind. Außerdem können die Ausnehmungen 316 und die axialen Durchlasskanäle 314 mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens erzeugt werden, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, durch Gießen, Bohren und/oder Fräsen.
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In dem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 213, 219 und 316 und die axialen Durchlasskanäle 214 und 314 als kreisförmige, elliptische oder sonstige abgerundete Querschnitte aufweisend beschrieben. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel können die Ausnehmungen und die axialen Durchlasskanäle Querschnitte einer beliebigen geometrischen Gestalt aufweisen, die es dem System 200 erlaubt, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, eine abgerundete Gestalt, eine polygonale Gestalt, oder eine Gestalt, die auf einer Kombination von abgerundeten und geradlinig ausgebildeten Abschnitten basiert.
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Indem wieder Bezug auf 4 genommen wird, wird im Betrieb eines (in 1 gezeigten) exemplarischen Gasturbinentriebwerks 100, das das System 200 verwendet, Umgebungsluft in das Verdichterlaufradabschnitt 102 gesaugt, wenn das Laufrad 110 zu rotieren beginnt. Ein Luftstrom 250, der von (nicht gezeigten) Verdichterstufen höheren Drucks stammt, wird veranlasst, nach vorne, d.h. in einer mit Pfeil A bezeichneten stromaufwärts verlaufenden Richtung, zu entweichen und wird, beispielsweise entlang der Schwalbenschwanzverbindungen 211 durch das Laufrad 206 hindurch in den Hohlraum 210 geleitet. Der Luftstrom 250 in dem Hohlraum 210 wird über die Einlassöffnung 217 weiter in den Ansaugkanal 212 geleitet. Der Luftstrom 250 wird anschließend in den axialen Durchlasskanal 214, durch den Auslasskanal 216 und in den Hohlraum 208 geleitet. Ausgehend von dem Hohlraum 208 wird der Luftstrom 250 durch (nicht gezeigte) Leckpfade, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, durch Pfade entlang der Schwalbenschwanzverbindungen 203, nach vorne weiter geleitet. Der Luftstrom 250 wird anschließend stromaufwärts des Laufrad 202 zurück in einen (nicht gezeigten) Hohlraum entlassen. In dem Ausführungsbeispiel sollte ein Leckstrom des Luftstroms 250 zurück in den (in 4 gezeigten) Hauptluftstrom 199 an einer stromaufwärts des Laufrads 202 gelegenen Stelle den Hauptluftstrom 199 nicht nachteilig beeinflussen. Indem, wie zuvor beschrieben, Leckstromluft durch die Durchlasskanäle 212, 214 und 216, geleitet wird, wird verhindert, dass der Luftdruck in den Hohlräumen 210 und 208 und in weiter stromabwärts gelegenen Hohlräumen, z.B. in den (in 3 gezeigten) Hohlräumen 159 und 161, ansteigt und anschließend nachteilig zurück in den Hauptluftstrom 199 (oder in den in 3 gezeigten Luftstrom 166) hinaus entweicht. Während der Leckstrom als zwischen den hier beschriebenen und in den Figuren gezeigten speziellen Verdichterbauteilen auftretend beschrieben ist, versteht sich, dass eine Frontleckage in zumindest einigen Verdichterabschnitten von Gasturbinen zwischen beliebigen Paaren oder Reihen benachbarter Verdichterabschnittbauteile auftreten kann. Dementsprechend können die hier unterbreiteten Verfahren und Systeme an einer beliebigen Stelle in einem Verdichterabschnitt einer Gasturbine genutzt werden.
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Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren beseitigen zumindest einige Nachteile bekannter Gasturbinen. Insbesondere stellen die hier beschriebenen Systeme und Verfahren gesteuerte Pfade für Leckstromluft von Verdichterstufen höheren Drucks zu Stufen niedrigeren Drucks bereit, wobei es weniger wahrscheinlich ist, dass die Verdichterleistung durch ein Entweichen der Leckstromluft zurück in den Hauptluftstrompfad nachteilig beeinflusst wird. Dadurch dass Leckstromluft entlang des Verdichterabschnitt weiter nach vorne gedrängt wird, wird ein unerwünschter Luftleckstrom in den Hauptluftstrompfad an Orten vermieden, an denen die Leckstromluft das Verdichtungsverhältnis erhöhen kann. Im Ergebnis ist die Strömungsabrissbandbreite des Verdichterabschnitts, insbesondere die Strömungsabrissbandbreite, während einer Hitzeperiode, verbessert.
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Im Vorausgehenden sind Ausführungsbeispiele eines Verfahrens und eines Systems zum Steuern von Verdichterleckagen im Einzelnen beschrieben. Das Verfahren und System sind nicht auf die hierin unterbreiteten speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr können Teile von Systemen und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und getrennt von hier beschriebenen anderen Komponenten und/oder Schritten genutzt werden. Beispielsweise kann das Verfahren auch in Verbindung mit anderen Turbinenkomponenten genutzt werden und ist nicht lediglich auf die Verwendung in Zusammenhang mit einem Gasturbinenverdichterabschnitt beschränkt, wie er hier beschrieben ist. Vielmehr kann das Ausführungsbeispiel in Verbindung mit vielen sonstigen Rotationsmaschinenanwendungen verwirklicht und genutzt werden.
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Die hier beschriebenen Verfahrensschritte sind lediglich Beispiele. Es können viele Veränderungen an den darin beschriebenen Schritten (oder Arbeitsschritten) vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Beschreibung abzuweichen. Beispielsweise können die Schritte in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, oder es können Schritte hinzugefügt, weggelassen oder modifiziert werden, es sei denn, es ist ausdrücklich Anderslautendes vermerkt. Sämtliche dieser Abwandlungen werden als Teil der vorliegenden Erfindung erachtet.
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Obwohl spezielle Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Erfindung in einigen Zeichnungen gezeigt sein können und in anderen nicht, dient dies lediglich einer Vereinfachung der Darstellung. Gemäß den Grundzügen der Erfindung kann jedes Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit jedem Merkmal jeder der übrigen Zeichnungen herangezogen und/oder in den Schutzumfang einbezogen sein.
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Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die hier beschriebenen Verfahren und Systeme, einschließlich der besten Ausführungsart zu erläutern und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Beschreibung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die nur unwesentlich von dem Wortsinn der Ansprüche abweichen.
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Während die Beschreibung anhand von vielfältigen speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung in der Praxis innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche mit Abwandlungen durchgeführt werden kann.
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Offenbart ist ein System
200 zur Steuerung von Verdichterfrontleckagen in den Verdichterströmungspfad in einer Gasturbine. Das System enthält ein erstes Verdichterlaufrad
202, das mit einer stromaufwärts gelegenen Stirnfläche eines Verdichterdistanzrads
204 verbunden ist. Ein zweites Verdichterlaufrad
206 ist mit einer stromabwärts gelegenen Stirnfläche des Verdichterdistanzrads verbunden. Das Verdichterdistanzrad weist auf: wenigstens eine Ansaugausnehmung
213, die in der stromabwärts gelegenen Stirnfläche ausgebildet ist; wenigstens eine Auslassausnehmung, die in der stromaufwärts gelegenen Stirnfläche
219 ausgebildet ist; und wenigstens einen axialen Durchlasskanal
214, der die wenigstens eine Ansaugausnehmung mit der wenigstens einen Auslassausnehmung strömungsmäßig verbindet. BEZUGSZEICHENLISTE
| 9 | Graph |
| 10 | Verdichterbetriebskennlinie |
| 12 | Druckstoßkennlinie |
| 14 | Linie konstanter Drehzahl |
| 16 | Linie konstanter Drehzahl |
| 18 | Linie konstanter Drehzahl |
| 20 | Linie konstanter Drehzahl |
| 22 | Linie konstanter Drehzahl |
| 24 | Druckstoß-/Strömungsabrissbandbreite |
| 100 | Gasturbine |
| 102 | Verdichterlaufradabschnitt |
| 104 | Brennkammereinrichtung |
| 106 | Rotationsachse |
| 108 | Turbine |
| 110 | Laufrad |
| 130 | Laufschaufel der ersten Stufe |
| 132 | Laufschaufel der zweiten Stufe |
| 134 | Laufschaufel der dritten Stufe |
| 140 | Statorleitschaufel der ersten Stufe |
| 142 | Statorleitschaufel der zweiten Stufe |
| 144 | Statorleitschaufel der dritten Stufe |
| 150 | Laufrad |
| 152 | Laufrad |
| 154 | Laufrad |
| 155 | Distanzrad |
| 156 | Schwalbenschwanzverbindung |
| 157 | Distanzrad |
| 158 | Schwalbenschwanzverbindung |
| 160 | Schwalbenschwanzverbindung |
| 162 | Verdichterluftleckstrom |
| 164 | Leckstrom |
| 166 | Verdichterlufthauptstrom |
| 168 | Strömungsanteil |
| 170 | Strömungsanteil |
| 172 | Strömungsanteil |
| 174 | Strömungsanteil |
| 176 | Strömungsanteil |
| 178 | Strom |
| 180 | Hochdruckbereich |
| 182 | Bereich |
| 184 | Bereich |
| 186 | Bereich |
| 188 | Bereich |
| 190 | Bereich |
| 199 | Hauptluftstrom |
| 200 | System |
| 201 | Laufschaufel |
| 202 | Laufrad |
| 203 | Schwalbenschwanzverbindung |
| 204 | Distanzrad |
| 205 | Zwischenraum |
| 206 | Laufrad |
| 207 | Zwischenraum |
| 208 | Hohlraum |
| 209 | Flansch |
| 210 | Hohlraum |
| 211 | Schwalbenschwanzverbindung |
| 212 | Ansaugkanal |
| 213 | Ansaugausnehmung |
| 214 | Axialer Durchlasskanal |
| 215 | Auslassöffnung |
| 216 | Auslasskanal |
| 217 | Ansaugöffnung |
| 218 | Gekrümmte Wand |
| 219 | Auslassausnehmung |
| 220 | Rand |
| 221 | Vordere Stirnfläche |
| 222 | Abstand/Radius |
| 223 | Hintere Stirnfläche |
| 224 | Abstand/Radius |
| 226 | Restdicke |
| 228 | Durchmesser |
| 250 | Luftstrom |
| 304 | Distanzrad |
| 305 | Vordere Stirnfläche |
| 309 | Flansch |
| 314 | Axialer Durchlasskanal |
| 316 | Ausnehmung |
| 318 | Gekrümmte Wand |
| 320 | Mündungsrand |
| 322 | Kleinerer Radius |
| 324 | Größerer Radius |
| 326 | Restdicke |
| 328 | Durchmesser |
