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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen allgemein die Kühlung von Turbomaschinen. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung einen Kühlversorgungskreis, einschließlich zugehöriger Turbinenräder und Gasturbinensysteme.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Gasturbinenanordnung T. Eine Gasturbine ist eine Art Verbrennungskraftmaschine, in der verdichtete Luft mit einer Brennstoffquelle reagiert, um eine Strömung heißer Luft zu erzeugen. Die heiße Luft tritt in einen Turbinenabschnitt hinein und strömt gegen einige Turbinenschaufeln, um Arbeit an einer drehbaren Welle zu verrichten. Die Welle kann sich in Reaktion auf die heiße Luftströmung drehen, wodurch mechanische Energie für den Antrieb einer oder mehrerer Lasten (z.B. Verdichter und/oder Generatoren), die mit der Welle gekoppelt sind, erzeugt wird. Brennkammern T1, die mit Brennstoffdüsen T2 verbunden sind, sind typischerweise zwischen dem Verdichter T3 und Abschnitten der Turbine T4 der Gasturbinenanordnung T angeordnet. Die Brennstoffdüsen T2 können einen Brennstoff in den Verdichter T1 einführen, der mit der aus dem Verdichter T3 gewonnenen verdichteten Luft reagiert. Luft T5 strömt nacheinander durch den Verdichter T3, die Brennkammer T1 und schließlich durch die Turbine T4 hindurch. Die an der drehbaren Welle T6 verrichtete Arbeit treibt zum Teil den Verdichter T3 an. Andere Formen von Turbomaschinen neben Gasturbinen (z.B. der Gasturbinenanordnung T) können eine ähnliche Anordnung von Komponenten aufweisen.
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Die Turbine T4 enthält typischerweise eine drehbare Welle T6 und verschiedene Turbinenräder, die auf der Welle T6 längs des Umfangs befestigt sind. In dem Beispiel eines Gasturbinensystems können diese Komponenten währen des Betriebs hohe Temperaturen erfahren. In einigen Fällen können diese Temperaturen bewirken, dass bestimmte Komponenten der Gasturbinenanordnung T im Laufe der Zeit verschleißen. Die Auswirkungen hoher Temperatur in einer Gasturbine können durch ein aktives Spülsystem kompensiert werden. Ein aktives Spülsystem kann eine Quelle von Kühlluft enthalten, die manchmal von einem Verdichter abgegeben wird und die axial in die Turbine T4 eingeleitet wird. Die Kühlluft in einem aktiven Spülsystem kann durch die gesamte Turbine T4 geleitet werden, um vielfältige Komponenten einer Turbomaschine zu kühlen.
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In 2 ist ein Querschnitt einer herkömmlichen Turbomaschine 10 und eines Turbinenrads 12 gezeigt. Das Turbinenrad 12 kann längs des Umfangs um einen Rotor 14 herum angeordnet sein und kann eine im Wesentlichen kreisringförmige Gestalt aufweisen. Das Turbinenrad 12 und der Rotor 14 sind in 2 gezeigt, wie sie im Wesentlichen entlang einer axialen Achse A ausgerichtet sind, von der aus sich eine radiale Achse R erstreckt. Einige Turbinenschaufeln 16 können an ein Turbinenrad 12 radial angekoppelt sein und erstrecken sich im Wesentlichen in die gleiche Richtung wie die radiale Achse R. Turbinenradzwischenräume 18 können zwischen jeder Turbinenschaufel 16 und dem Turbinenrad 12 angeordnet sein. Während sich im Betrieb der Rotor 14 und das Turbinenrad 12 drehen, kann die Temperatur der Turbinenschaufeln 16 zunehmen.
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Einige Kanäle 20 können sich von dem Rotor 14 aus radial durch einen Körper 22 des Turbinenrads 12 hindurch erstrecken. Ein Teil einer Rotorspülluft 24, die entlang des Rotors 14 strömt, kann in die Kanäle 20 eintreten, um durch den Körper 22 hindurch in Richtung der Turbinenschaufeln 16 und der Turbinenradzwischenräume 18 zu strömen. Der Körper 22 kann mit dem Rad 12 auf jedwede zur Zeit bekannte oder künftig entwickelte Art mechanischer Kopplung verbunden sein, wie z.B. durch ein Befestigungsmittel, einen Verschluss, einen Kopplungsmechanismus, usw., wobei ein Beispiel als ein Lochkreis 26 in 2 gezeigt ist. Der Lochkreis 26 kann sich in eine bestimmte Richtung (z.B. parallel zu der axialen Achse A) durch das Turbinenrad 12 und den Körper 22 hindurch erstrecken, um zu verhindern, dass der Körper 22 im Betrieb radial verlagert wird. Jeder Kanal 20 kann eine Fluidverbindung zwischen einem hohlen Innenraum 28 und einer radialen Außenseite 30 des Turbinenrads 12 schaffen und kann um den Lochkreis 26 herum oder an diesem vorbei verlaufen. Der Rotor 14 kann innerhalb des hohlen Innenraums 28 des Turbinenrads 12 angeordnet sein, während die Turbinenschaufeln 16 und die Turbinenradzwischenräume 18 mit der radialen Außenseite 30 verbunden sein können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Kühlversorgungskreis innerhalb eines Turbinenrads bereit. Der Kühlversorgungskreis kann enthalten: einen im Wesentlichen axialen Durchgang, der eingerichtet ist, um Luft entlang einer axialen Länge des Turbinenrads zu übertragen; einen im Wesentlichen radialen Einlass, der innerhalb des Turbinenrads zwischen einem hohlen Innenraum des Turbinenrads und dem im Wesentlichen axialen Durchgang angeordnet ist, wobei der Einlass eingerichtet ist, um eine Rotorspülluft in den im Wesentlichen axialen Durchgang einzuleiten; und einen im Wesentlichen radialen Auslass, der innerhalb des Turbinenrads zwischen dem im Wesentlichen axialen Durchgang und einer gekühlten Komponente angeordnet ist, die mit einer radialen Außenseite des Turbinenrads verbunden ist, wobei der Auslass eingerichtet ist, um die Rotorspülluft in Richtung der gekühlten Komponente zu leiten, wobei der Auslass zu dem Einlass axial versetzt ist.
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Der zuvor erwähnte Kühlversorgungskreis kann ferner eine Schaufelversorgungsluftquelle aufweisen, die mit dem im Wesentlichen axialen Durchgang in Fluidverbindung steht, wobei der im Wesentlichen axiale Durchgang ferner eingerichtet sein kann, um eine Kombination aus der Schaufelversorgungsluft und der Rotorspülluft in den Auslass hinein zu leiten.
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Die gekühlte Komponente kann entweder eine Turbinenschaufel oder einen Turbinenradzwischenraum aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann die gekühlte Komponente eine erste Turbinenschaufel aufweisen, und der Einlass kann mit einer zweiten Turbinenschaufel, die eine niedrigere Temperatur als die erste Turbinenschaufel aufweist, im Wesentlichen radial fluchtend ausgerichtet sein.
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In dem Kühlversorgungskreis einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der Einlass mehrere Einlässe aufweisen, und der Auslass kann einen einzigen Auslass aufweisen, der eingerichtet ist, um die Rotorspülluft aufzufangen, die aus den mehreren Einlässen in den im Wesentlichen axialen Durchgang abgegeben wird.
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Der Kühlversorgungskreis einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Lochkreis aufweisen, der innerhalb des im Wesentlichen axialen Durchgangs angeordnet ist.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Turbinenrad bereit. Das Turbinenrad kann enthalten: einen Körper, der einen im Wesentlichen hohlen Innenraum und eine radiale Außenseite aufweist; einen im Wesentlichen radialen Einlass, der innerhalb des Körpers zwischen dem hohlen Innenraum des Körpers und einem sich in diesem befindenden im Wesentlichen axialen Durchgang angeordnet ist, wobei der Einlass eingerichtet ist, um eine Rotorspülluft in den im Wesentlichen axialen Durchgang einzuleiten; und einen im Wesentlichen radialen Auslass, der innerhalb des Körpers zwischen dem im Wesentlichen axialen Durchgang und einer gekühlten Komponente angeordnet ist, die mit einer radialen Außenseite des Körpers verbunden ist, wobei der Auslass eingerichtet ist, um die Rotorspülluft in Richtung der gekühlten Komponente zu leiten, wobei der Auslass zu dem Einlass axial versetzt ist.
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Das zuvor erwähnte Turbinenrad kann ferner eine Schaufelversorgungsluftquelle in Fluidverbindung mit dem im Wesentlichen axialen Durchgang aufweisen, wobei der im Wesentlichen axiale Durchgang ferner eingerichtet sein kann, um eine Kombination aus der Schaufelversorgungsluft und der Rotorspülluft in den Auslass hinein zu leiten.
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Bei dem Turbinenrad einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die gekühlte Komponente entweder eine Turbinenschaufel und einen Turbinenradzwischenraum aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann die gekühlte Komponente eine erste Turbinenschaufel aufweisen, und der Einlass kann mit einer zweiten Turbinenschaufel, die eine niedrigere Temperatur als die erste Turbinenschaufel aufweist, im Wesentlichen radial fluchtend ausgerichtet sein.
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In dem Turbinenrad einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der Einlass mehrere Einlässe aufweisen, und der Auslass kann einen einzigen Auslass aufweisen, der eingerichtet ist, um die Rotorspülluft aufzufangen, die aus den mehreren Einlässen in den im Wesentlichen axialen Durchgang abgegeben wird.
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Das Turbinenrad einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Lochkreis aufweisen, der innerhalb des Körpers angeordnet ist, wobei der Lochkreis im Wesentlichen innerhalb des axialen Durchgangs angeordnet ist.
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In dem Turbinenrad einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der Körper eingerichtet sein, um innerhalb eines einzigen Turbinenabschnitts einer Turbomaschine angeordnet zu sein.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Gasturbinensystem bereit. Das Gasturbinensystem kann enthalten: eine Brennkammer; einen Verdichter in Fluidverbindung mit der Brennkammer; mehrere Brennstoffdüsen in Fluidverbindung mit der Brennkammer; und einen Turbinenabschnitt in Fluidverbindung mit der Brennkammer, wobei der Turbinenabschnitt ferner einen Rotor enthält; ein Turbinenrad, das längs des Umfangs um den Rotor herum angeordnet und eingerichtet ist, um mehrere Schaufeln an diesem zu halten; einen im Wesentlichen axialen Durchgang, der innerhalb des Turbinenrads angeordnet ist, wobei der im Wesentlichen axiale Durchgang eingerichtet ist, um Luft entlang einer axialen Länge des Turbinenrads zu übertragen; einen im Wesentlichen radialen Einlass, der innerhalb des Turbinenrads zwischen dem Rotor und dem im Wesentlichen axialen Durchgang angeordnet ist, wobei der Einlass eingerichtet ist, um eine Rotorspülluft in den im Wesentlichen axialen Durchgang hinein zu leiten; und einen im Wesentlichen radialen Auslass, der innerhalb des Turbinenrads zwischen dem im Wesentlichen axialen Durchgang und einer gekühlten Komponente angeordnet ist, die mit dem Turbinenrad verbunden ist, wobei der Auslass eingerichtet ist, um die Rotorspülluft in Richtung der gekühlten Komponente zu leiten, wobei der Auslass zu dem Einlass axial versetzt ist.
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Das zuvor erwähnte Gasturbinensystem kann ferner eine Schaufelversorgungsluftquelle aufweisen, die mit dem im Wesentlichen axialen Durchgang in Fluidverbindung steht, wobei der im Wesentlichen axiale Durchgang ferner eingerichtet sein kann, um eine Kombination aus der Schaufelversorgungsluft und der Rotorspülluft in den Auslass einzuleiten.
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In der Gasturbine einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die gekühlte Komponente entweder eine Turbinenschaufel oder einen Turbinenradzwischenraum aufweisen.
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In einer Ausführungsform des Gasturbinensystems kann die gekühlte Komponente eine erste Turbinenschaufel der mehreren Laufschaufeln aufweisen, und der Einlass kann mit einer zweiten Turbinenschaufel der mehreren Laufschaufeln, die eine niedrigere Temperatur als die erste Turbinenschaufel aufweisen, im Wesentlichen radial fluchtend ausgerichtet sein.
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In dem Gasturbinensystem einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der Einlass mehrere Einlässe aufweisen, und der Auslass kann einen einzigen Auslass aufweisen, der eingerichtet ist, um die Rotorspülluft aufzufangen, die in den im Wesentlichen axialen Durchgang aus den mehreren Einlässen abgegeben wird.
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Das Gasturbinensystem einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Lochkreis aufweisen, der innerhalb des im Wesentlichen axialen Durchgangs des Turbinenrads angeordnet ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Turbinenrad vollständig innerhalb des Turbinenabschnitts angeordnet sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale der offenbarten Vorrichtung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen, in welchen:
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Gasturbinenanordnung.
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2 zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer herkömmlichen Turbinenrad- und Rotorspülluftanordnung.
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3 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Turbinenrads und eines Kühlversorgungskreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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4 und 5 zeigen ausschnittsweise quergeschnittene Vorderansichten eines Turbinenrads und eines Kühlversorgungskreises gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Aspekte der Erfindung darstellen und sollten daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung betrachtet werden. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In der folgenden Beschreibung wird auf beigefügte Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezielle Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die vorliegenden Lehren umgesetzt werden können. Diese Ausführungsformen sind ausreichend detailliert beschrieben, um Fachleute zu befähigen, die vorliegenden Lehren umzusetzen, und es soll verstanden sein, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Die nachstehende Beschreibung ist deswegen lediglich beispielhaft.
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Unter Bezugnahme auf die Turbomaschine nach 2 ist herausgefunden worden, dass Kühlkanäle 20, die gleichmäßig beabstandet sind und im Wesentlichen einheitliche Größe aufweisen, bewirken können, dass Turbinenschaufeln 16 und Turbinenradzwischenräume 18 während eines Betriebs ungleichmäßige Temperaturverteilungen aufweisen können. Insbesondere können in dieser Anordnung einige Turbinenschaufeln 16 und Turbinenradzwischenräume 18 zusätzliche Kühlung aus anderen Quellen erfordern. Andere Turbinenschaufeln 16 und Turbinenradzwischenräume 18 in derselben Turbomaschine 10 können jedoch mehr Rotorspülluft 24 erhalten, als für eine effektive Kühlung erforderlich ist.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Querschnittsansicht einer Turbomaschine 100 gezeigt, die einen Kühlversorgungskreis 102 und ein Turbinenrad 112 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. Der Kühlversorgungskreis 102 kann einige im Wesentlichen radiale Einlässe („Einlässe“) 120 enthalten, die innerhalb des Turbinenrads 112 angeordnet sind. Jeder Einlass 120 kann einen Körper 122 eines Turbinenrads 112 zwischen seinem im Wesentlichen hohlen Innenraum 28 (der darin einen Rotor 14 enthalten kann) und einem im Wesentlichen axialen Durchgang 130, der innerhalb des Turbinenrads 112 angeordnet ist, durchsetzen. Die Einlässe 120 können Rotorspülluft 24 aus dem Rotor 12 in den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 hinein übertragen.
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Der im Wesentlichen axiale Durchgang 130 kann innerhalb des Turbinenrads 112 angeordnet sein und kann in einer im Wesentlichen parallelen Anordnung mit einer axialen Richtung A ausgerichtet sein. In einer bestimmten Ausführungsform kann der axiale Durchgang 130 längsseits eines Lochkreises 26 angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen (wie z.B. in 5 gezeigt und hierin beschrieben) kann der Lochkreis 26 innerhalb des im Wesentlichen axialen Durchgangs 130 angeordnet sein. Der im Wesentlichen axiale Durchgang 130 kann die Rotorspülluft 24 aus verschiedenen Einlässen 120 einfangen, um die Rotorspülluft 24 aus einer Gruppe von Einlässen 120 in Richtung eines oder mehrerer versetzter Auslässe („Auslässe“) 140 axial zu lenken. Der axiale Versatz zwischen zumindest einem Einlass 120 und zumindest einem Auslass 140 durch den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 kann die Rotorspülluft 24 in Richtung von Komponenten einer Turbomaschine 100 lenken, wo die Kühlung eine größere Wirkung hat.
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Der Auslass 140 kann eine Fluidverbindung zwischen dem im Wesentlichen axialen Durchgang 130 und einer oder mehreren Komponenten für die Kühlung (auf die als „gekühlte Komponente(n)“ Bezug genommen wird), wie z.B. die Turbinenschaufeln 16 und die Turbinenradzwischenräume 18, schaffen. Die gekühlte Komponente kann mit dem Turbinenrad 112 an jeder beliebigen gewünschten Stelle verbunden sein, die durch den Auslass 140 hindurch zugänglich ist, und kann in einer bestimmten Ausführungsform mit einer radialen Außenseite 30 verbunden sein. Wenn die Turbinenschaufel 16 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gekühlt wird, kann die Turbinenschaufel 16 mit dem Turbinenrad 112 auf jede zur Zeit bekannte oder künftig entwickelte Art mechanischer Kupplung, wie z.B. durch einen Verschluss, einen Bolzen, eine Eingriffsfläche, usw, verbunden sein. Wenn der Turbinenradzwischenraum 18 gekühlt wird, kann der Turbinenradzwischenraum 18 eine Fläche innerhalb oder an der radialen Außenseite 30 sein und kann innerhalb des Strömungspfads der Rotorspülluft 24 durch den Kühlkreis 102 angeordnet ist. Auf jeden Fall kann zum Auffangen der für die Kühlung verwendeten Rotorspülluft 24 eine gekühlte Komponente (z.B. ein Turbinenrad 16 und/oder ein Turbinenradzwischenraum 18) zu dem zumindest einen Einlass 120 axial versetzt sein. In einigen Fällen kann ein Einlass 120 mit einem Auslass 140 radial fluchtend ausgerichtet sein (d.h. nicht zu diesem versetzt sein), aber auch mit einem oder mehreren Einlässen 120 in Verbindung stehen, die durch den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 zu dem Auslass 140 axial versetzt sind. Im Betrieb kann der Kühlkreis 102 zusätzliche Rotorspülluft 24 zu einer ersten Komponente (z.B. zu einer Turbinenschaufel 16 oder zu einem Turbinenradzwischenraum 18) mit einer höheren Temperatur als eine weitere gekühlte Komponente (z.B. eine axial versetzte Turbinenschaufel 16 oder ein axial versetzter Turbinenradzwischenraum 18), die mit dem Turbinenrad 112 verbunden ist, zuführen.
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Der Kühlkreis 102 kann, wenn erwünscht, an zusätzliche Kühlluftquellen angeschlossen sein. Eine Schaufelversorgungsluftquelle 150 kann an dem im Wesentlichen axialen Durchgang 130 angeschlossen sein, um Schaufelversorgungsluft 152, eine zusätzliche Art von Kühlluft, zuzuführen. Die Schaufelversorgungsluft 152 kann jede Art weiterverwendeter oder dedizierter Luftzufuhr für die Kühlung von Turbinenschaufeln 16 und/oder jeglicher zugehöriger Komponenten enthalten, die nicht aus derselben Quelle wie die Rotorspülluft 24 (z.B. dem Verdichter T3 (1)) abgegebenen wird. Die Schaufelversorgungsluft 152 kann mit der Rotorspülluft 24 innerhalb des im Wesentlichen axialen Durchgangs 130 vermischt werden, bevor sie durch den Auslass 140 strömt, um eine gekühlte Komponente zu erreichen. Die Schaufelversorgungsluftquelle 150 kann zusätzlich oder alternativ dazu mit anderen Bereichen des Turbinenrads 112 verbundenen sein. Z.B. kann die Schaufelversorgungsluftquelle 150 eine Schaufelversorgungsluft 152 zu den Einlässen 120, den Auslässen 140 und/oder anderen Hohlräumen zur Übertragung eines Kühlfluids zuführen.
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Andere Ausführungsformen des Kühlkreises 102 können Kühlfluide, wie z.B. die Rotorspülluft 24 und/oder die Schaufelversorgungsluft 152, auf bestimmte gekühlte Komponenten konzentrieren, ohne die Gesamtmenge des dem System zugeführten Kühlfluids (die auch als anrechenbare Strömung bezeichnet wird) zu erhöhen. Ein einziger Auslass 140 kann die Rotorspülluft 24 auffangen, die aus einigen Einlässen 120 in den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 abgegebenen wird. In dem in 3 gezeigten Beispiel sammeln zwei Auslässe 140 die von fünf Einlässen 120 zu dem im Wesentlichen axialen Durchgang 130 gelieferte Rotorspülluft 24, um die Konzentration des Kühlfluids zu den gekühlten Komponenten der Turbomaschine 100 zu erhöhen. Es versteht sich, dass die beispielhaften Ausführungsformen der 3 abgeändert werden können, um vielfältigen Kühlbedürfnissen zu genügen. Einige Ausführungsformen können einen einzigen Auslass 140 in Fluidverbindung mit Dutzenden, Hunderten, Tausenden, usw. von Einlässen 120 enthalten. Jede erdenkliche Anzahl von Einlässen 120 kann Rotorspülluft 24 zu jeder erdenklichen Anzahl von Auslässen 140 zuführen, indem die Rotorspülluft 24 entlang des im Wesentlichen axialen Durchgangs 130 axial übertragen wird. Die axiale Strömung von Rotorspülluft 24 und/oder Schaufelversorgungsluft 152 leitet eine höhere Konzentration der Kühlfluide zu den gekühlten Komponenten (z.B. den Turbinenschaufeln 16 und/oder Turbinenradzwischenräumen 18) mit höheren Temperaturen. Wenn erwünscht, kann die axiale Strömung entlang des im Wesentlichen axialen Durchgangs 130 weiter erhöht werden, indem einige Auslässe 140 eines bestehenden Turbinenrads 112 dichtend verschlossen werden. Ein oder mehrere Auslässe 140 können mit Hilfe eines beliebigen derzeit bekannten oder künftig entwickelten Verschließprozesses verschlossen werden, wie z.B. durch Schweißen, Einführen von Stopfen, durch Schließen von Ventilen, usw.
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Unter Bezugnahme auf 4 können Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Arten von Vorrichtungen als Zusatz oder eine Alternative zu dem Kühlkreis 102 angewendet werden. Die vorliegende Offenbarung kann beispielsweise in Form eines oder mehrerer Turbinenräder 112 verkörpert sein, die hergestellt, bearbeitet, verarbeitet werden, um die Auslässe 140 in Verbindung mit den axial versetzten Einlässen 120 zu enthalten. 5 zeigt einen entlang der Linie R-R eines Turbinenrads 112 geschnittenen Teilquerschnitt gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Einlässe 120 und Auslässe 140 des Turbinenrads 112 können über den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 dazwischen miteinander verbunden sein. Die axialen Durchgänge 130 können zwischen verschiedenen Lochkreisen 26 angeordnet sein. Die Rotorspülluft 24 kann in das Turbinenrad 112 durch den Einlass 120 eintreten, der sich an einer bestimmten Stelle entlang des Rotors 14 befinden kann. Die Rotorspülluft 24 ist gezeigt, wie sie zwischen dem Rotor 14 und dem Turbinenrad 112 in die Ebene der Seite durch einen mit „X“ markierten Strömungspfadvektor eingeströmt ist. Nachdem die Rotorspülluft 24 den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 erreicht, kann sie weiter in die Ebene der Seite entlang des in dem im Wesentlichen axialen Durchgang 130 mit „X“ gekennzeichneten Strömungspfadvektors strömen. Die Rotorspülluft 24 kann durch den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 hindurch strömen, um den (als mit gestrichelter Linie gezeigten) Auslass 140 an einer anderen axialen Stelle zu erreichen. Die Rotorspülluft 24 kann dann durch den Auslass 140 hindurchtreten, um eine gekühlte Komponente (z.B. eine Turbinenschaufel 16 (3) oder einen Turbinenradzwischenraum 18 (3)) zu erreichen.
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Bezug nehmend auf 5 ist eine alternative Ausführungsform eines Turbinenrads 112 gezeigt. Erneut ist ein entlang der Linie R-R geschnittener Teilquerschnitt eines Turbinenrads 112 gezeigt. In der alternativen Ausführungsform kann innerhalb des im Wesentlichen axialen Durchgangs 130 ein Lochkreis 26 untergebracht sein, so dass der Lochkreis 26 an einer axialen Wand oder einem Endpunkt des im Wesentlichen axialen Durchgangs 130 befestigt ist und/oder von dieser bzw. diesem auskragt. Die in den im Wesentlichen axialen Durchgang 130 eintretende Rotorspülluft 24 kann axial entlang des Lochkreises 26 strömen, während sie das Turbinenrad 112 durchströmt. Somit können vorhandene Lochkreise 26 in Ausführungsformen des Turbinenrads 112 verwendet werden, indem der im Wesentlichen axiale Durchgang 130 bemessen wird, um den Lochkreis 26 und eine axiale Strömung der Rotorspülluft 24 aufzunehmen.
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Das Turbinenrad 112 kann speziell hergestellt sein, um die Einlässe 120, die Auslässe 140 und/oder den axialen Durchgang 130 zu enthalten. Zusätzlich oder alternativ können die Einlässe 120, Auslässe 140 und/oder der axiale Durchgang 130 einem bestehenden Turbinenrad 112 durch derzeit bekannte oder künftig entwickelte Werkzeuge oder Prozesse zur Modifikation bestimmter Betriebsmittel (Bohrwerkzeuge, Schneidwerkzeuge, metallurgische, chemische Prozesse usw.) oder deren Kombinationen hinzugefügt werden. Der Kühlkreis 102 (3), das Turbinenrad 112 und/oder die Turbomaschine 100 (3) können vollständig innerhalb eines einzigen Turbinenabschnitts der Turbomaschine 100 (3) installiert sein. Der Kühlkreis 102 (3) und/oder das Turbinenrad 112 können deshalb in Form einer bezüglich anderer Abschnitte, beispielsweise solcher, die einen Verdichter T3 (1), eine Brennkammer T1 (1), Brennstoffdüsen T2 (1) usw. enthalten, unabhängigen oder eigenständigen Komponente vorliegen. Insbesondere kann das Turbinenrad 112 ein einzelner Abschnitt oder eine einzelne Stufe innerhalb einer größeren Turbine T4 (1) sein, die aus mehreren Stufen, Abschnitten usw. besteht, die entsprechend der Größe der verschiedenen Turbinenschaufeln 18 (1) unterteilt sein können.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können in anderen Formen geschaffen sein. Die Turbomaschine 100 (3) kann beispielsweise ein Gasturbinensystem, ein Dampfturbinensystem, ein Windturbinensystem und/oder ein beliebiger anderer Typ einer derzeit bekannten oder künftig entwickelten Turbinenanordnung sein, die angepasst ist, um den Kühlkreis 102 (3) und/oder das Turbinenrad 112 (3) zu enthalten. Ein Turbomaschinensystem gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Gasturbinensystem (z.B. die Gasturbine T (1)) enthalten, das im Wesentlichen aus der Brennkammer T1 (1), dem Verdichter T3 (1) in Fluidverbindung mit der Brennkammer T1 (1) und den mehreren Brennstoffdüsen T2 (1) besteht, die mit der Brennkammer T1 (1) in Fluidverbindung stehen. Ein oder mehrere Turbinenabschnitte T4 (1) können mit der Brennkammer T1 (1) in Fluidverbindung stehen und den Rotor 14 (3) mit dem Kühlkreis 102 (3) und/oder dem Turbinenrad 112 (3) gemäß Ausführungsformen der hierin beschriebenen Offenbarung enthalten. Die Gasturbine T (1) kann auch einen Abschnitt oder eine Stufe der Turbine T4 (1) enthalten, der bzw. die das Turbinenrad 112 (3) mit den Einlässen 120 (3), dem im Wesentlichen axialen Durchgang 130 (3) und/oder den Auslässen 140 (3) vollständig enthält, ohne dass irgendeine dieser Komponenten in andere Turbinenstufen oder -abschnitte hineinragt.
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Die Merkmale der hierin beschriebenen vorliegenden Offenbarung können einige technische und kommerzielle Vorteile bieten, von denen einige als veranschaulichende Beispiele erläutert sind. Indem ein Teil der Rotorspülluft 24 (3) zur Kühlung bestimmter Turbinenschaufeln 16 (3) und Turbinenradzwischenräume 18 (3) abgezogen und wiederverwendet wird, wird die Kühlluftmenge, die aus anderen Quellen abgeschöpft wird, verringert. Insbesondere kann die Verwendung von Rotorspülluft 24 (3) zur Kühlung von Turbinenkomponenten, wie hierin offenbart ist, die Gesamtmenge an Kühlluft (die auch als anrechenbare Strömung bezeichnet wird) reduzieren, die der Turbomaschine 10 (3) zugeführt wird. Eine Verringerung des Abschöpfens der Luftversorgung aus anderen Vorräten (z.B. aus der Schaufelversorgungsluftquelle 150 (3)) kann die Leistung der Turbomaschinen, wie z.B. der Gasturbinenanordnungen T (1), während eines Übergangsbetriebs, wenn ihre Komponenten höheren Temperaturen ausgesetzt sind, erhöhen. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auch Komponenten der Turbomaschinen (z.B. Turbinenschaufeln 16 (3) und Turbinenradzwischenräume 18 (3)) kühlen, indem die Rotorspülluft 24 (3) allein oder in Kombination mit der Schaufelversorgungsluft 152 (3) verwendet wird.
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Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht die Erfindung einschränken. So wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „einer, eine, eines” und „der, die, das” auch die Pluralformen mit einschließen, soweit der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt. Es dürfte sich ferner verstehen, dass die Begriffe „aufweist” und/oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsart zu offenbaren und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung, einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Vorrichtungen und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren, in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten einen Kühlversorgungskreis innerhalb eines Turbinenrads, der enthalten kann: einen im Wesentlichen axialen Durchgang, der eingerichtet ist, um Luft entlang einer axialen Länge des Turbinenrads zu übertragen; einen im Wesentlichen radialen Einlass, der innerhalb des Turbinenrads zwischen einem hohlen Innenraum des Turbinenrads und dem im Wesentlichen axialen Durchgang angeordnet ist, wobei der Einlass eingerichtet ist, um Rotorspülluft in den im Wesentlichen axialen Durchgang einzuleiten; und einen im Wesentlichen radialen Auslass, der innerhalb des Turbinenrads zwischen dem im Wesentlichen axialen Durchgang und einer gekühlten Komponente angeordnet ist, die mit einer radialen Außenseite des Turbinenrads verbunden ist, wobei der Auslass eingerichtet ist, um die Rotorspülluft in Richtung der gekühlten Komponente zu leiten, wobei der Auslass zu dem Einlass axial versetzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbomaschine
- 12
- Turbinenrad
- 14
- Rotor
- 16
- Turbinenschaufeln
- 18
- Turbinenradzwischenräume
- 20
- Kühlkanäle
- 24
- Rotorspülluft
- 26
- Lochkreis
- 28
- hohler Innenraum
- 100
- Turbomaschine
- 102
- Kühlversorgungskreis
- 112
- Turbinenrad
- 120
- radiale Einlässe (“Einlässe”)
- 122
- Körper
- 130
- axialer Durchgang
- 140
- Auslässe
- 150
- Schaufelversorgungsluftquelle
- 152
- Schaufelversorgungsluft
- T
- Gasturbinenanordnung
- T1
- Brennkammer
- T2
- Brennstoffdüsen
- T3
- Verdichter
- T4
- Größere Turbine
