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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent betreffen allgemein Gasturbinen und betreffen insbesondere Auslassdiffusoren zur Verwendung bei Gasturbinen und dergleichen mit reduzierter Turbulenz und reduzierten Strömungsverlusten.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Gasturbinen enthalten allgemein einen Auslassdiffusor, der stromabwärts von der letzten Stufe einer Turbine positioniert ist. Allgemein beschrieben, wandelt der Auslassdiffusor die kinetische Energie der heißen Verbrennungsgase, die aus der letzten Stufe der Turbine austreten, in potentielle Energie in Form eines erhöhten statischen Druckes um. Der Auslassdiffusor leitet die heißen Verbrennungsgase durch ein Gehäuse mit vergrößerter Querschnittsfläche in der Richtung der Strömung. Der Auslassdiffusor enthält im Allgemeinen eine Anzahl von Streben, die an einer Nabe montiert und von dem Gehäuse umschlossen sind.
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Der erste Abschnitt des Auslassdiffusors kann zu einem Großteil der Druckerholung unter allen Lastpunkten beitragen. Die Streben in diesem Abschnitt können jedoch eine Turbulenz und Strömungsverluste hervorrufen, insbesondere, wenn die Streben oder die Laufschaufelplattform nach vorne aufgeweitet ist. Starke Einlassströmungsprofile der Nabe können ebenfalls insofern zu den Strömungsverlusten beitragen, als derartige Profile eine große Menge der heißen Verbrennungsgasströmung in der Nähe des Nabenströmungspfads mit Ablösung von dem Gehäuse konzentrieren können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen somit einen Auslassdiffusor für eine Gasturbine bereit. Der Auslassdiffusor kann eine Nabe, ein Gehäuse und eine Strebe enthalten, die sich zwischen der Nabe und dem Gehäuse erstreckt. Die Nabe kann eine gewinkelte Konfiguration an der Strebe und eine im Wesentlichen flache Konfiguration stromabwärts der gewinkelten Konfiguration enthalten.
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In dem zuvor erwähnten Auslassdiffusor kann die gewinkelte Konfiguration der Nabe an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Auslassdiffusors positioniert sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Auslassdiffusors kann die gewinkelte Konfiguration der Nabe an einem Einlass des Auslassdiffusors positioniert sein.
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In einigen vorteilhaften Konfigurationen der zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann die gewinkelte Konfiguration der Nabe etwa an dem Einlass beginnen und sich bis zu der Strebe erstrecken.
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In anderen vorteilhaften Konfigurationen der zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann die gewinkelte Konfiguration der Nabe stromabwärts des Einlasses beginnen und sich in die Strebe hinein erstrecken.
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In noch weiteren Konfigurationen der zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann die im Wesentlichen flache Konfiguration der Nabe stromabwärts des Einlasses in einem ersten flachen Nabenlängsstück beginnen und sich stromabwärts der Strebe in einem zweiten flachen Nabenlängsstück erstrecken.
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In dem letzten Fall kann die gewinkelte Konfiguration der Nabe sich vorzugsweise zwischen dem ersten flachen Nabenlängsstück und dem zweiten flachen Nabenlängsstück erstrecken.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Auslassdiffusor kann die gewinkelte Konfiguration der Nabe ein erstes gewinkeltes Nabenlängsstück mit einem ersten Nabenwinkel aufweisen.
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Zusätzlich kann die gewinkelte Konfiguration der Nabe ein zweites gewinkeltes Nabenlängsstück mit einem zweiten Nabenwinkel aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Auslassdiffusors kann die Strebe die im Wesentlichen flache Konfiguration der Nabe aufweisen.
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In anderen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Auslassdiffusors kann die Strebe zum Teil die gewinkelte Konfiguration der Nabe und zum Teil die im Wesentlichen flache Konfiguration der Nabe aufweisen.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Auslassdiffusor kann die Strebe eine Vorwärtsposition aufweisen.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann eine Vorderkante der Strebe einen Vorwärtswinkel aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Auslassdiffusors kann das Gehäuse eine gewinkelte Gehäusekonfiguration aufweisen.
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Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ferner einen Auslassdiffusor für eine Gasturbine bereit. Der Auslassdiffusor kann eine Nabe, ein Gehäuse, eine Strebe, die sich zwischen der Nabe und dem Gehäuse erstreckt, und einen Einlass enthalten. Die Nabe kann eine gewinkelte Konfiguration, die sich stromabwärts des Einlasses zu der Strebe erstreckt, und eine im Wesentlichen flache Konfiguration stromabwärts der gewinkelten Konfiguration enthalten.
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Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ferner einen Auslassdiffusor für eine Gasturbine bereit. Der Auslassdiffusor kann eine Nabe, ein Gehäuse, eine Strebe, die sich zwischen der Nabe und dem Gehäuse erstreckt, und einen Einlass enthalten. Die Nabe kann eine gewinkelte Konfiguration, die sich stromabwärts des Einlasses bis zu etwa der Strebe erstreckt, und eine im Wesentlichen flache Konfiguration stromabwärts der gewinkelten Konfiguration enthalten.
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Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patentes werden für Fachleute auf dem Gebiet bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offenkundig.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine, einem Diffusor und einer Last.
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2 zeigt eine schematische Teilansicht eines bekannten Diffusors, der bei der Gasturbine nach 1 verwendet werden kann.
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3 zeigt eine schematische Teilansicht eines Auslassdiffusors, wie er hierin beschrieben sein kann.
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4 zeigt eine schematische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform eines Auslassdiffusors, wie er hierin beschrieben sein kann.
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5 zeigt eine schematische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform eines Auslassdiffusors, wie er hierin beschrieben sein kann.
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6 zeigt eine schematische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform eines Auslassdiffusors, wie er hierin beschrieben sein kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente überall in den verschiedenen Ansichten beziehen, zeigt 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine 10, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet eine ankommende Luftströmung 20. Der Verdichter 15 liefert die verdichtete Luftströmung 20 zu einer Brennkammer 25. Die Brennkammer 25 vermischt die verdichtete Luftströmung 20 mit einer unter Druck gesetzten Brennstoffströmung 30 und zündet das Gemisch, um eine Strömung von Verbrennungsgasen 35 zu erzeugen. Obwohl nur eine einzige Brennkammer 25 veranschaulicht ist, kann die Gasturbine 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 25 enthalten, die in einer kreisförmigen Anordnung und dergleichen eingerichtet sein können. Die Strömung der Verbrennungsgase 35 wird wiederum zu einer Turbine 40 geliefert. Die Strömung der Verbrennungsgase 35 treibt die Turbine 40 an, um so mechanische Arbeit zu verrichten. Die in der Turbine 40 verrichtete mechanische Arbeit treibt den Verdichter 15 über eine Welle 45 und eine externe Last 50, wie beispielsweise einen elektrischen Generator und dergleichen, an.
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Die Gasturbine 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas, Flüssigbrennstoffe und/oder andere Arten von Brennstoffen und deren Gemische verwenden. Die Gasturbine 10 kann eine beliebige von einer Anzahl verschiedener Gasturbinen sein, die von der General Electric Company aus Schenectady, New York, angeboten werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, beispielsweise derjenigen einer 7er oder 9er Reihe von Hochleistungsgasturbinen und dergleichen. Die Gasturbine 10 kann unterschiedliche Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Komponenten verwenden. Es können auch andere Typen von Gasturbinen hierin verwendet werden. Es können mehrere Gasturbinen, andere Turbinenarten und andere Arten von Energieerzeugungsausrüstung auch gemeinsam hierin verwendet werden.
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Wie in den 1 und 2 veranschaulicht, kann die Gasturbine 10 ferner einen Auslassdiffusor 55 enthalten. Der Auslassdiffusor 55 kann stromabwärts von und in Verbindung mit der Turbine 40 positioniert sein. Wie vorstehend beschrieben, kann der Auslassdiffusor 55 eine Anzahl von Streben 60 enthalten, die auf einer Nabe 65 montiert und innerhalb eines äußeren Gehäuses 70 eingeschlossen sind. Die Streben 50 dienen dazu, die Nabe 65 und das Gehäuse 70 in einer festen Beziehung zueinander zu halten. Der Auslassdiffusor 55 kann die Strömung der Verbrennungsgase 35 in eine radiale Richtung lenken. Ein stromaufwärtiger Abschnitt 75 des Auslassdiffusors 55 kann benachbart zu einer Laufschaufel 80 der letzten Stufe der Turbine 40 positioniert sein. Das Gehäuse 70 an dem stromaufwärtigen Abschnitt 75 kann eine gewinkelte Gehäusekonfiguration 85 haben, während die Nabe 65 an dem stromaufwärtigen Abschnitt 75 eine im Wesentlichen flache Nabenkonfiguration haben kann. Die im Wesentlichen flache Nabenkonfiguration 90 kann weitgehend parallel zu der Richtung der Welle 45 und weitgehend senkrecht zu einer Radiallinie 95 durch diese ausgerichtet sein. Es können andere Konfigurationen und andere Komponenten verwendet werden.
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3 zeigt einen Teil eines Auslassdiffusors 100, wie er hierin beschrieben sein kann. Insbesondere ist ein stromaufwärtiger Abschnitt 110 des Auslassdiffusors 100 veranschaulicht. Der stromaufwärtige Abschnitt 110 kann einen Einlass 120 aufweisen, der an der Laufschaufel 80 der letzten Stufe der Turbine 40 positioniert ist. Der Auslassdiffusor 100 kann eine Anzahl von Streben 130 enthalten, die an einer Nabe 140 montiert und innerhalb eines Außengehäuses 150 eingeschlossen sind. Es kann eine beliebige Anzahl von Streben 130 hierin verwendet werden. In diesem Beispiel können die Streben 130 eine Vorwärtsposition 160 näher an dem Einlass 110 haben. In anderen Worten können die Streben 130 näher an dem Einlass 120 des ersten Abschnitts 110 und der Laufschaufel 80 der letzten Stufe als die typische Konfiguration, die vorstehend erläutert ist, positioniert sein, unter Berücksichtigung dessen, dass eine Verlagerung der Strebe 130 nach vorne im Allgemeinen zu einer Turbulenz und zu Strömungsverlusten beiträgt.
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Das Außengehäuse 150 kann eine gewinkelte Gehäusekonfiguration 170 ähnlich derjenigen, die vorstehend beschrieben ist, aufweisen. In diesem Beispiel kann die Nabe 140 an dem stromaufwärtigen Abschnitt 110 eine gewinkelte Nabenkonfiguration 180 enthalten. Die gewinkelte Nabenkonfiguration 180 kann von etwa dem Einlass 120 des stromaufwärtigen Abschnitts 110 aus bis zu etwa der Strebe 130 abwärts gewinkelt bzw. geneigt sein. Es können andere Längen hierin verwendet werden. Die gewinkelte Nabenkonfiguration 180 kann einen Nabenwinkel 190 enthalten. Insbesondere kann sich der Nabenwinkel 190 von einer Nabenlinie 200 aus, die im Wesentlichen senkrecht zu der Radiallinie 95 ausgerichtet ist, abwärts erstrecken. Der Nabenwinkel 190 kann sich über bis zu etwa 6 Grad (6°) oder weniger erstrecken, obwohl andere Winkel hierin verwendet werden können. Die Nabe 140 kann sich dann in einer im Wesentlichen flachen Nabenkonfiguration 210 stromabwärts von der gewinkelten Nabenkonfiguration 180 und der Strebe 130 entlang der Nabenlinie 200 fortsetzen. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
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Die Verwendung des Nabenwinkels 190 kann den Auslassdiffusor 100 für starke Nabenströmungsprofile optimieren, um so die gesamte Diffusorleistung zu erhöhen. Außerdem ermöglicht der Nabenwinkel 190 ferner den Streben 130, nach vorne verlagert zu werden, ohne dass eine Erhöhung der Turbulenz und der Strömungsverluste, wie vorstehend beschrieben, hervorgerufen werden. Es können auch größere Turbinenöffnungswinkel an der Nabe 140 vorgesehen sein. Im Gegensatz hierzu kann eine Vergrößerung des Winkels des Gehäuses 150 anstelle des Nabenwinkels 190 die Liefergrenze erhöhen, um so den Diffusor übermäßig empfindlich für Strömungsablösung zu machen. Die Verwendung des Nabenwinkels 190 kann somit die Gesamtleistung unter Bedingungen mit voller Drehzahl, voller Leistung aufrechterhalten, während die Leistung bei Teillasten und dergleichen vergrößert wird.
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4 zeigt ein Beispiel einer alternativen Ausführungsform eines Auslassdiffusors 220, wie er hierin beschrieben sein kann. In diesem Beispiel kann die Nabe 140 die im Wesentlichen flache Nabenkonfiguration 210 in Form eines ersten flachen Längsstücks 230 haben. Das erste flache Längsstück 230 kann sich von etwa dem Einlass 120 des stromaufwärtigen Abschnitts 110 aus entlang der Nabenlinie 200 erstrecken. Es können andere Längen hierin verwendet werden. Die Nabe 140 kann dann die gewinkelte Nabenkonfiguration 180 in Form eines gewinkelten Nabenlängsstücks 240 haben. Das gewinkelte Nabenlängsstück 240 kann sich von dem ersten flachen Längsstück 230 stromaufwärts der Strebe 130 aus bis zu einem Punkt entlang der Längserstreckung der Strebe 130 erstrecken. Es können andere Längen hierin verwendet werden. Das gewinkelte Nabenlängsstück 240 kann den Nabenwinkel 190 enthalten. Der Nabenwinkel 190 kann der gleiche oder ähnlich wie der vorstehend beschriebene sein. Die Nabe 140 kann sich dann in der im Wesentlichen flachen Nabenkonfiguration 210 in Form eines zweiten flachen Längsstücks 250 fortsetzen. Das zweite flache Längsstück 250 kann sich stromabwärts entlang der Nabenlinie 200 fortsetzen. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Auslassdiffusors 260, wie er hierin beschreiben sein kann. In diesem Beispiel kann die Nabe 140 die gewinkelte Nabenkonfiguration 180 in Form eines ersten gewinkelten Nabenlängsstücks 270 haben. Das erste gewinkelte Nabenlängsstück 270 kann sich von etwa dem Einlass 120 aus bis zu einem Punkt stromaufwärts von der Nabe 130 erstrecken. Es können andere Längen hierin verwendet werden. Das erste gewinkelte Nabenlängsstück 270 kann einen ersten Nabenwinkel 280 haben. Der erste Nabenwinkel 280 kann variieren. Die Nabe 140 kann anschließend ein zweites gewinkeltes Nabenlängsstück 290 haben. Das zweite gewinkelte Nabenlängsstück 290 kann sich von dem ersten gewinkelten Nabenlängsstück 270 stromaufwärts von der Strebe 130 aus bis zu einem Punkt entlang der Längserstreckung der Strebe 130 erstrecken. Es können andere Längen hierin verwendet werden. Das zweite gewinkelte Nabenlängsstück 290 kann einen zweiten Nabenwinkel 300 haben. Der zweite Nabenwinkel 300 kann variieren. Die Nabe 140 kann sich dann in der im Wesentlichen flachen Nabenkonfiguration 210 in Form eines flachen Nabenlängsstücks 310 fortsetzen, der sich von dem zweiten gewinkelten Nabenlängsstück 290 aus entlang der Nabenlinie 200 stromabwärts von diesem erstreckt. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
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6 zeigt ein Beispiel einer alternativen Ausführungsform eines Auslassdiffusors 320, wie er hierin beschrieben sein kann. In einer ähnlichen Weise wie derjenigen nach 3 kann die Nabe 140 an dem stromaufwärtigen Abschnitt 110 die gewinkelte Nabenkonfiguration 180 enthalten. Die gewinkelte Nabenkonfiguration 180 kann von etwa dem Einlass 120 des stromaufwärtigen Abschnitts 110 aus zu und entlang der Strebe abwärts gewinkelt sein. Es können andere Längen hierin verwendet werden. Die gewinkelte Nabenkonfiguration 180 kann den Nabenwinkel 190 haben. Insbesondere kann sich der Nabenwinkel 190 von der Nabenlinie 200, die im Wesentlichen senkrecht zu der Radiallinie 95 ausgerichtet ist, abwärts erstrecken. Der Nabenwinkel 190 kann sich um bis zu etwa 6 Grad (6°) oder weniger erstrecken, obwohl andere Winkel hierin verwendet werden können. Die Nabe kann sich anschließend in der im Wesentlichen flachen Nabenkonfiguration 210 stromabwärts von der gewinkelten Nabenkonfiguration 180 entlang der Nabenlinie 200 fortsetzen. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
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Anstelle der vorstehend beschriebenen Streben 130 mit einer Vorderkante 330, die weitgehend parallel zu der Radiallinie 95 und weitgehend senkrecht zu der Nabenlinie 200 verläuft, kann in diesem Beispiel eine Strebe 340 die Vorderkante 330 mit einem Vorwärtswinkel 350 aufweisen. Insbesondere kann die Vorderkante 330 an der Nabe 140 näher an der Laufschaufel 80 der letzten Stufe im Vergleich zu etwa dem Gehäuse 150 entlang einer im Wesentlichen geraden Linie angeordnet sein. Es können andere Winkel hierin verwendet werden. Die Strebe 340 kann auch eine Hinterkante 360 mit dem gleichen oder einem ähnlichen Vorwärtswinkel 350 aufweisen. Alternativ kann die Hinterkante 360 weitgehend senkrecht zu der Nabenlinie 200 oder in einer beliebigen geeigneten Konfiguration verlaufen. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
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Die Strebe 340 mit dem Vorwärtswinkel 350 kann bei jedem beliebigen der hierin beschriebenen Beispiele von Auslassdiffusoren und dergleichen verwendet werden. Die Verwendung des Vorwärtswinkels 350 sowie der Vorwärtsposition 160 reduziert eine Blockade und Strömungsverluste, die durch die Streben hervorgerufen werden, durch Reduktion des Widerstands an diesen.
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Die verschieden gewinkelten Nabenkonfigurationen, Strebenkonfigurationen und dergleichen, wie sie hierin beschrieben sind, dienen lediglich beispielhaften Zwecken. Es können andere Konfigurationen und Kombinationen von diesen hierin verwendet werden.
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Es sollte offensichtlich sein, dass das Vorstehende nur bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patentes anbetrifft. Es können zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran durch einen Fachmann auf dem Gebiet vorgenommen werden, ohne von dem allgemeinen Rahmen und Umfang der Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalenten definiert, abzuweichen.
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Die vorliegende Anmeldung sieht einen Auslassdiffusor 100 für eine Gasturbine 10 vor. Der Auslassdiffusor 100 kann eine Nabe 140, ein Gehäuse 150 und eine Strebe 130 enthalten, die sich zwischen der Nabe 140 und dem Gehäuse 150 erstreckt. Die Nabe 140 kann eine gewinkelte Konfiguration 180 an der Strebe 130 und eine im Wesentlichen flache Konfiguration 210 stromabwärts von der gewinkelten Konfiguration 180 enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 15
- Verdichter
- 20
- Luft
- 25
- Brennkammer
- 30
- Brennstoff
- 35
- Verbrennungsgase
- 40
- Turbine
- 45
- Welle
- 50
- Last
- 55
- Auslassdiffusor
- 60
- Streben
- 65
- Nabe
- 70
- Gehäuse
- 75
- stromaufwärtiger Abschnitt
- 80
- Laufschaufel der letzten Stufe
- 85
- gewinkelte Gehäusekonfiguration
- 90
- flache Nabenkonfiguration
- 95
- Radiallinie
- 100
- Auslassdiffusor
- 110
- stromaufwärtiger Abschnitt
- 120
- Einlass
- 130
- Streben
- 140
- Nabe
- 150
- Gehäuse
- 160
- Vorwärtsposition
- 170
- gewinkelte Gehäusekonfiguration
- 180
- gewinkelte Nabenkonfiguration
- 190
- Nabenwinkel
- 200
- Nabenlinie
- 210
- flache Nabenkonfiguration
- 220
- Auslassdiffusor
- 230
- erstes flaches Längsstück
- 240
- gewinkeltes Nabenlängsstück
- 250
- zweites flaches Längsstück
- 260
- Auslassdiffusor
- 270
- erstes gewinkeltes Nabenlängsstück
- 280
- erster Nabenwinkel
- 290
- zweites gewinkeltes Nabenlängsstück
- 300
- zweiter Nabenwinkel
- 310
- flaches Nabenlängsstück
- 320
- Auslassdiffusor
- 330
- Vorderkante
- 340
- Strebe
- 350
- Vorwärtswinkel
- 360
- Hinterkante
