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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage, die den Auslass
eines Übergangsstücks einer
Gasturbine durch Benutzung von Kühlluft
kühlt.
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Stand der Technik
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Herkömmlicherweise
besitzen Gasturbinen an ihnen installierte Übergangsstücke, um in einer Brennkammer
erzeugtes Verbrennungsgas hoher Temperatur und hohen Drucks auf
effiziente Weise zu einem Turbinenabschnitt zu leiten. Der Einlassabschnitt
eines solchen Übergangsstücks hat
einen derartigen Aufbau, dass er mit einem Brennkammerkorb verbunden
ist, in welchem Verbrennungsgas erzeugt wird, während der Auslassabschnitt
so aufgebaut ist, dass er mit einem Durchflussweg der Turbine verbunden
ist. Der Hüllenabschnitt
des Übergangsstücks hat
einen geschweißten
Aufbau, bei dem Kühllöcher aufweisende
Platten verbunden sind. Des weiteren weist der Auslassabschnitt
eine daran befestigte Rippe zur Verstärkung auf.
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Zusätzlich ist
eine Übergangsstück-Dichtung sowohl
an der inneren Umfangsseite als auch an der äußeren Umfangsseite am Auslass
des Übergangsstücks angebracht,
wodurch ein Ausströmen
der Kühlluft
von einem mit dem Turbinenabschnitt verbundenen Abschnitt unterbunden
wird. Durch das Einführen
von Kühlluft
in den Auslassabschnitt des Übergangsstücks und
durch das Verhindern des Ausströmens
von Kühlluft
mittels der Übergangsstück-Dichtung wird auf
diese Weise der Auslass des Übergangsstücks unter
Benutzung der Abluft eines Kompressors gekühlt. Der Aufbau einer herkömmlichen
Brennkammer einer Gasturbine wird im Folgenden nochmals unter Bezug
auf die Zeichnungen erklärt.
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8 ist
eine schematische Zeichnung, die eine herkömmliche Brennkammer einer Gasturbine zeigt. 9 ist
eine von der Auslassseite her gesehene Ansicht eines Übergangsstücks der
Brennkammer. In 8 besteht die Brennkammer (100)
einer Gasturbine aus einem Brennkammerkorb (110) von zylindrischer
Form und einem Übergangsstück (120), welches
mit einer Öffnung
(111) des Brennkammerkorbs (110) in Eingriff steht.
Das Übergangsstück (120)
besteht aus einem zylinderförmigen
Glied, und eine Öffnung
(111) des Brennkammerkorbs (110) ist darin eingesetzt
und steht mit seinem Einlassabschnitt (121) in Eingriff.
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Das Übergangsstück (120)
weist eine sich allmählich
vom Einlassabschnitt (121) her verjüngende Querschnittsfläche auf,
und dessen Auslassabschnitt (122) hat, wie in 9 gezeigt,
eine rechteckige Form, welche kreisausschnittähnlich gebogen ist. Eine Zeichnung
zur Veranschaulichung des oben genannten geschweißten Aufbaus
eines Hüllenabschnitts
des Übergangsstücks (120),
in welchem Kühllöcher aufweisende
Platten miteinander verbunden sind, wird weggelassen. Der Auslassabschnitt (122)
des Übergangsstücks (120)
ist mit einem kreisförmigen
Dichtungshalterungsabschnitt (123) ausgestattet, der am
Rand einen konkaven Querschnitt aufweist. Der Dichtungshalterungsabschnitt
(123) ist in den Auslassabschnitt (122) des Übergangsstücks (120)
eingesetzt und durch Schweißen
befestigt.
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Zurück bei 8 ist
nun bei einer Brennkammer (100) einer Gasturbine der Auslassabschnitt (122)
des Übergangsstücks (120)
mit einem Verbrennungsdurchgang (210) einer Turbine (200)
verbunden. Der Einlass des Verbrennungsdurchgangs (210) wird
durch ein inneres Abdeckblech (230) und ein äußeres Abdeckblech
(240) gebildet, welche die stationären Schaufeln (220)
der ersten Turbinenreihe an beiden Enden tragen. Der Auslassabschnitt
(122) des Übergangsstücks (120)
ist am Einlass des Verbrennungsdurchgangs (210) platziert
und an einem Gehäuse
(nicht gezeigt) befestigt. Ein Spalt zwischen dem Auslassabschnitt
(122) des Übergangsstücks (120)
und dem Verbrennungsdurchgang (210) der Turbine (200)
ist durch ein kreisförmiges
Dichtungselement (125) abgedichtet, welches einen Y-förmigen Querschnitt
aufweist.
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Eine
hakenförmige
Spitze (126) des Dichtungselements (125) ist in
einem konkaven Abschnitt eines Dichtungshalterungsabschnitts (123)
eingesetzt, der am Auslass (122) des Übergangsstücks (120) vorgesehen
ist, und ein zweigeteilter Abschnitt (127) des Dichtungselements
(125) steht mit den Abdeckblechen (230, 240)
der stationären
Schaufeln der ersten Turbinenreihe in Eingriff. Bei einer Brennkammer
(100) dieser Gasturbine wird im Brennkammerkorb (110)
erzeugte und gezündete,
vorgemischte Luft in einen Verbrennungsraum (128) des Übergangsstücks (120)
ausgestoßen
und brennt, wodurch sie zu einem Verbrennungsgas hoher Temperatur
wird. Das Verbrennungsgas strömt
durch das Innere des Übergangsstücks (120)
und wird dann in den Verbrennungsdurchgang (210) der Turbine
(200) aus dessen Auslassabschnitt (122) eingeblasen,
wie durch die Pfeile (C) gezeigt.
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Als
Ausführungsform
einer Kühlanordnung des
oben genannten Übergangsstücks ist
eine Kühlplatte
einer Gasturbine offenbart. (Siehe z. B.
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung 2002-511126 )
Ebenso ist eine Brennkammer einer Gasturbine offenbart. (Siehe z.
B.
japanische Patentoffenlegungsschrift
2003-65071 ).
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Jedoch
weisen die oben genannten herkömmlichen
Kühlanordnungen
eines Übergangsstücks ungleichmäßige Kühlwirkung
am Auslassabschnitt eines Übergangsstücks auf,
und deswegen besteht die Möglichkeit
einer Verformung verursacht dadurch, dass dieser Abschnitt dem Verbrennungsgas
ausgesetzt ist und aufgeheizt wird.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlanordnung
eines Übergangsstücks einer
Gasturbine zu entwickeln, welche die Kühlwirkung am Auslassabschnitt
des Übergangsstücks steigern
kann, obwohl sie auf einfache Weise aufgebaut ist.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu lösen, weist
entsprechend der Erfindung eine Gasturbine zwei in einer zum Hauptstrom
im Übergangsstück vertikalen
Richtung befestigte Vorsprünge
auf, außerhalb
des Innenumfangs der Gasturbine und in der Nähe des Auslassabschnitts des Übergangsstücks; und
(die Gasturbine) weist eine vielfach gelochte Platte auf, die zwischen
den Vorsprüngen
durch Befestigen an nur einem Vorsprung angebracht ist.
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Zusätzlich ist
in der Nähe
des Auslassabschnitts des Übergangsstücks und
außerhalb
des Innendurchmessers einer Gasturbine ein Prallkühlblech
angebracht, welches nur an einer Seite in freitragender Weise befestigt
ist. Der Spalt ist mittels einer elastischen Platte abgedichtet,
welche zwischen einem nicht befestigten Ende des Prallkühlblechs und
dem Übergangsstück angebracht
ist.
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Des
weiteren sind auf einer dem Prallkühlblech des Übergangsstücks gegenüberliegenden Oberfläche eine
Vielzahl von in Richtung des Verbrennungsgasflusses horizontalen
Löchern
vorhanden. Die Kühllöcher sind
in einer Vielzahl von Reihen lediglich im mittleren Abschnitt des Übergangsstückes angeordnet.
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Darüber hinaus
ist eine Vielzahl von Übergangsstücken jeweils
mit einer Übergangsstückdichtung
versehen und weist einen an jedem Ende der einander gegenüberliegenden Übergangsstückdichtungen
angebrachten Vorsprung auf, dergestalt, dass sich die Vorsprünge gegenseitig überdecken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische longitudinale Schnittansicht einer Kühlanordnung
eines Übergangsstücks einer
Gasturbine entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine Draufsicht eines Prallkühlblechs
entsprechend der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Schnittansicht eines Übergangsstücks (1)
mit Kühllöchern (1e),
in Richtung des Verbrennungsgasflusses gesehen.
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4 ist
eine Schnittansicht eines Übergangsstücks (1)
mit Kühllöchern (1f),
aus der Richtung des Verbrennungsgasflusses gesehen.
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5 stellt
eine untere Fläche
eines Übergangsstücks (1)
dar.
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6A und 6B sind
transversale Schnittansichten, die einen Aufbau der Umgebung der
Enden des Prallkühlblechs
darstellen.
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7 stellt
den Aufbau einer Übergangsstückdichtung
entsprechend der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar.
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8 ist
eine schematische Ansicht, die eine herkömmliche Brennkammer einer Gasturbine
zeigt.
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9 ist
eine Ansicht eines herkömmlichen Übergangsstücks einer
Brennkammer, gesehen von der Auslassseite.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Unter
Bezug auf die Zeichnungen wird im Folgenden eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Jedoch wird die vorliegende Erfindung
nicht auf die vorliegenden Ausführungsformen
beschränkt. 1 ist
eine schematische longitudinale Schnittansicht einer Kühlanordnung
eines Übergangsstücks einer
Gasturbine entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Diese Figur zeigt den Zustand in der Umgebung des unteren
Teils eines Auslassabschnitts eines Übergangsstücks. In dieser Figur ist 1 ein Übergangsstück, 2 eine Übergangsstückdichtung
und 3 ist ein Schaufelblech der ersten (Turbinen-)Reihe.
An der unteren Fläche
eines Auslassabschnitts des Übergansstücks 1 erstrecken
sich krempenförmige
Rippen 1a und 1b abwärts (in Richtung des Innendruchmessers
einer Gasturbine), welche einen dazwischen ausgebildeten Schlitzabschnitt 1c aufweisen.
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Zusätzlich hat
die Übergangsstückdichtung 2,
deren Querschnitt ungefähr
hakenförmig
ist, eine Rippe 2a, welche in Form einer Krempe an dessen einem
Ende aufsteigt und mit dem oben genannten Schlitzabschnitt 1c in
Eingriff steht. Andererseits ist am anderen Ende der Übergangsstückdichtung 2 ein Schlitzabschnitt 2b ausgebildet,
mit welchem eine Rippe 3a, die sich vom turbinenseitigen
Schaufelblech 3 der ersten Reihe zur Seite des Übergangsstücks erstreckt,
in Eingriff steht. Entsprechend dem oben beschriebenen Aufbau sind
das Übergangsstück 1 und
das Schaufelblech 3 der ersten Reihe durch die Übergangsstückdichtung 2 verbunden
und abgedichtet. Hier stellt ein Abschnitt 3b, welcher
sich vom Schaufelblech 3 der ersten Reihe nach oben (in Richtung
der Außenseite
einer Gasturbine) erstreckt, eine stationäre Schaufel dar.
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Des
weiteren erstreckt sich auf der unteren Fläche des Übergangsstücks 1 (nämlich außerhalb der
inneren Umfangsseite der Gasturbine) eine krempenförmige Rippe 1d abwärts auf
der zur Rippe 1b stromaufwärts gelegenen Seite des Verbrennungsgases.
Danach ist ein Prallkühlblech 4,
dessen Querschnitt ungefähr
L-förmig
ist und das eine Vielzahl von Löchern
aufweist, in Richtung des Verbrennungsgasflusses gesehen horizontal
zwischen den Rippen 1b und 1d angebracht. Ein
Ende „a" auf der engen Seite
seines Querschnitts ist durch Verschweißen an der Rippe 1b befestigt,
während
das andere Ende „b" auf der breiteren
Seite des Querschnitts, das die Rippen 1b und 1d horizontal
bedeckt, ein freies Ende ist. Mit anderen Worten ist das Prallkühlblech 4 nur
an einem Ende in einem freitragenden Zustand befestigt. Zusätzlich weist
der breitere Seitenbereich des Prallkühlblechs 4 darin in
zwei Längsreihen
(vertikal zur Ebene des Papiers) angebrachte Prallkühllöcher 4c auf.
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Zusätzlich steht
in einer Umgebung des anderen Endes „b" des Prallkühlblechs 4 ein Stift 5 in
einem Raum, der mit der unteren Fläche des Übergangsstücks 1 gebildet wird
und welcher einen vorbestimmten Spalt zwischen dem Prallkühlblech 4 und dem Übergangsstück 1 bildet.
Andererseits ist in der Umgebung des anderen Endes „b" des Prallkühlblechs 4 eine
Blattfeder 6 angebracht, deren Querschnitt vom unteren
Teil her hakenförmig
ist. Dies macht es möglich,
dass eine Ende „c" der unteren Seite
durch Verschweißen
an der Rippe 1d befestigt ist, während das andere Ende „d" auf der oberen Seite
ein freies Ende ist, und dadurch in engen Kontakt mit der Umgebung
des anderen Endes „b" des Prallkühlblechs 4 aufgrund
seiner elastischen (Rückstell-)Kraft
gelangt. Dies stellt das Abdichten des oben genannten Spalts sicher,
welcher zwischen dem Prallkühlblech 4 und
dem Übergangsstück 1 auf der
Seite der Rippe 1d gebildet ist, und verhindert z. B.,
dass thermischer Stress, welcher in der Rippe 1d erzeugt
wird, das Prallkühlblech 4 beeinträchtigt.
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Obwohl
nicht dargestellt, kann das Prallkühlblech 4 des weiteren
so aufgebaut sein, dass es an irgendeiner der Rippen nur zwischen
den Rippen 1b und 1d, welche von der unteren Fläche des Übergangsstücks 1 hervorspringen,
befestigt ist, ohne Verwendung des Stifts 5 und der Blattfeder 6.
Konkret kann z. B. das Prallkühlblech 4 ein
Ende „a" an der Rippe 1b durch
Verschweißen
befestigt haben, und das andere Ende „b" als freies Ende haben, wodurch das
andere Ende „b" in engen Kontakt
mit der Rippe 1d aufgrund seiner elastischen (Rückstell-)Kraft
gelangen kann. Dies macht es möglich, den
oben genannten Spalt abzudichten, welcher zwischen dem Prallkühlblech 4 und
dem Übergangsstück 1 auf
der Seite der Rippe 1d gebildet ist, wodurch verhindert
wird, dass thermischer Stress das Prallkühlblech 4 beeinträchtigt,
und wodurch es z. B. ermöglicht
wird, die Anzahl der Komponenten und die Anzahl der zur Herstellung
nötigen
Mannstunden zu verringern.
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Des
weiteren sind auf der unteren Fläche des Übergangsstücks 1 Kühllöcher 1e und 1f zwischen
den Rippen 1b und 1d (nämlich auf einer dem Prallkühlblech
gegenüberliegenden
Fläche)
gebildet, und zwar in Reihe von der stromaufwärts gelegenen Seite des Verbrennungsgases,
unter Bildung eines vorbestimmten Winkels α mit der unteren Fläche des Übergangsstücks 1,
in Richtung der stromabwärts gelegenen
Seite des Verbrennungsgases. Dies dient zur intensiven Kühlung eines
Abschnitts, der eine hohe Temperatur erreicht, und zwar durch das
Anordnen von Kühllöchern in
zwei Reihen lediglich im mittleren Abschnitt am Auslass des Übergangsstücks 1, während sie
in der Umgebung in einer Reihe angeordnet werden. Dies wird später im Detail
beschrieben werden. Wie in der Figur durch die Pfeile A gezeigt,
tritt komprimierte Luft von einem nicht gezeigten Kompressor in
einen Spalt zwischen dem Prallkühlblech 4 und
dem Übergangsstück 1 durch
die Prallkühllöcher 4c ein;
fließt
in das Innere des Übergangsstücks 1 durch
die Kühllöcher 1e und 1f;
und fließt
dann, wie durch die Pfeile B gezeigt, entlang der inneren Wandfläche des Übergangsstücks 1 und verrichtet
dadurch Innenkühlung
(Filmkühlung).
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Durch
das Aufweisen der Prallkühllöcher 4c trägt das Prallkühlblech 4 zur
Verstärkung
des Prallkühleffekts
bei. Zusätzlich
wird durch das Optimieren der Flussgeschwindigkeit der in das Übergangsstück 1 hineinfließenden Kühlluft und
durch das Verhindern ihres energischen Eintretens in das Innere
des Verbrennungsgases der Innenkühleffekt
(Filmkühleffekt) verstärkt. Der
von der oben genannten unteren Fläche des Übergangsstücks 1 und den Kühllöchern 1e und 1f gebildete
Winkel α beträgt in der
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ungefähr
30°. Dies wird
durch das richtige Gleichgewicht zwischen Winkelbildung und Innenkühleffekt
(Filmkühleffekt)
bestimmt, ist aber nicht auf diesen Winkel beschränkt.
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2 ist
eine Draufsicht, die ein Prallkühlblech
entsprechend der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wie in der Figur gezeigt, sind Prallkühllöcher 4c in zwei Reihen
in einem Zick-Zack-Muster über
die gesamte Länge
in Längsrichtung
auf der oberen Fläche
(eine der oben genannten breiteren Seite entsprechende Fläche) des Prallkühlblechs 4 angeordnet.
Dies macht es möglich,
den Prallkühleffekt über die
ganze Länge
und die ganze Breite des Prallkühlblechs 4 zu
erreichen. Jedoch ist die Anordnung der Prallkühllöcher 4c nicht auf
diese Anordnung entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschränkt.
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3 bis 5 zeigen
Anordnungen der Kühllöcher, welche
im Übergangsstück entsprechend der
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebildet sind. Zuerst ist 3 eine
Schnittansicht des Übergangsstücks 1 mit
Kühllöchern 1e,
gesehen in Richtung des Verbrennungsgasflusses. 4 ist eine
Schnittansicht des Übergangsstücks 1 mit
Kühllöchern 1f,
gesehen in Richtung des Verbrennungsgasflusses. 5 zeigt
die untere Fläche
des Übergangsstücks. Diese
Figur stellt hauptsächlich
die Anordnung auf der rechten Seite dar, gesehen von der stromabwärts gelegenen
Seite des Verbrennungsgases.
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Wie
in diesen Figuren gezeigt, sind eine Vielzahl von Kühllöchern 1e und 1f symmetrisch
jeweils in einer Reihe auf der unteren Fläche des Übergangsstücks 1 angeordnet.
Die Kühllöcher 1e auf
der stromaufwärts
gelegenen Seite des Verbrennungsgases befinden sich in einer kurzen
Reihe und sind lediglich im mittleren Bereich angeordnet. Kühllöcher sind
nämlich
in zwei Reihen lediglich am Auslass des Übergangsstücks angeordnet, während sie
in der Umgebung in einer Reihe angeordnet sind, wodurch eine Anordnung
erreicht wird, um den eine hohe Temperatur erreichenden, mittleren
Abschnitt intensiv zu kühlen.
Jedoch kann der mittlere Abschnitt in einer solchen Weise aufgebaut
sein, dass die Kühllöcher darin
in einer Vielzahl von Reihen angeordnet sind, was nicht auf zwei
Reihen beschränkt
ist, sondern mehr als zwei sein kann.
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6 ist eine transversale Schnittansicht, die
einen Aufbau einer Umgebung eines Endabschnitts des Prallkühlblechs
entsprechend der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. 6a zeigt
die linke Seite gesehen von einer stromabwärts gelegenen Seite des Verbrennungsgases und 6b zeigt
die rechte Seite. Wie in diesen Figuren gezeigt, ist in der Umgebung
jedes Endabschnitts des Prallkühlblechs 4 eine
Deckplatte 7 installiert, deren Querschnitt ungefähr S-förmig ist. Ein
Ende „e" auf ihrer oberen
Seite ist an dem Übergangsstück 1 durch
Verschweißen
befestigt, während
das andere Ende „f" auf ihrer unteren
Seite ein freies Ende ist, welches mit der unteren Fläche des Prallkühlblechs 4 aufgrund
ihrer eigenen elastischen (Rückstell-)Kraft
in Berührung
kommt.
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Der
oben genannte Zustand wird es ermöglichen zu verhindern, dass
in der Rippe 1d erzeugter thermischer Stress das Prallkühlblech 4 beeinträchtigt,
und z. B. den oben genannten Spalt, der zwischen dem Prallkühlblech 4 und
dem Übergangsstück 1 sowohl
auf der rechten als auch auf der linken Seite ausgebildet ist, abzudichten.
Aufgrund dieser Dichtungsanordnung und aufgrund der oben genannten
Dichtungsanordnung auf der Seite der Rippe 1d, wird komprimierte
Luft vom Kompressor effizient in das Prallkühlloch 4c eingeführt, wodurch
der Prallkühleffekt
erhöht
wird.
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7 zeigt
den Aufbau einer Übergangsstückdichtung
entsprechend der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Diese Figur zeigt die Übergangsstückdichtung gesehen von der
stromabwärtsliegenden
Seite des Verbrennungsgases. Wie in der Figur gezeigt, weist das
rechte Ende der Übergangsstückdichtung 2 auf
der in der Zeichnung linken Seite einen sich unmittelbar anschließenden vorspringenden
Abschnitt 2d auf, und um die jeweiligen Abschnitte miteinander
in Eingriff zu bringen, sind ein Vorsprung 2d und ein Schlitzabschnitt 2c daran
anschließend
am linken Ende der Übergangsstückdichtung
auf der rechten Seite der Figur angebracht. Dann werden die Vorsprünge 2d jeweils
in die gegenüberliegenden
Schlitzabschnitte 2c eingesetzt, sodass sie einander überdecken.
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Eine
Vielzahl von Übergangsstückdichtungen 2 sind
nicht nur an einer Brennkammer, die nicht dargestellt ist, sondern
auch an einem Übergangsstück vorgesehen
und sind über
den ganzen Umfang einer Gasturbine in fortlaufendem Kontakt miteinander
angeordnet. Ein Spalt zwischen den Übergangsstückdichtungen 2 ist,
wie in 7 gezeigt, mit einer überdeckenden Anordnung versehen,
welche es ermöglicht,
zu verhindern, dass komprimierte Luft vom Kompressor durch den von
den Übergangsstückdichtungen 2 gebildeten
Spalt entweicht, wodurch der nutzlose Verbrauch von Kühlluft verringert
wird und der gesamte Kühleffekt
am Auslass des Übergansstücks erhöht wird.
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Die
Schaffung der oben genannten Kühlanordnung
führt im
Vergleich mit einer herkömmlichen Kühlanordnung
zum Ergebnis, dass z. B. eine Temperatursenkung in der Größenordnung
von 56 bis 102°C
im mittleren Abschnitt am Auslass des Übergangsstücks und im Bereich von 9 bis
23°C in
der Umgebung beobachtet werden konnte und ein günstiger Kühleffekt erzielt werden konnte.
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Während hier
als bevorzugt anzusehende Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist es möglich, andere Änderungen
und Variationen der Erfindung zu verwirklichen, vorausgesetzt, dass
alle solche Änderungen
im Rahmen und im Schutzbereich der Erfindung bleiben.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
oben beschrieben, ist es mit den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung möglich, eine
Kühlanordnung
eines Übergangsstücks einer Gasturbine
zu entwickeln, welche einfach aufgebaut ist, aber dennoch den Kühleffekt
am Auslassabschnitt des Übergangsstücks verstärken kann.