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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft einen tangentialen On-Bordinjektor mit einer
Hilfsversorgung von weiterer gekühlter
verdichteter Luft, beispielsweise von einem externen Wärmetauscher
oder einer luftgekühlten
Lagergalerie, was dazu beiträgt,
die Anforderungen an die Strömungsmenge
für Kühlluft zum
Kühlen eines
Rotors und von Laufschaufeln in einer Gasturbinenmaschine zu reduzieren.
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STAND DER
TECHNIK
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Die
Erfindung ist anwendbar auf Gasturbinenmaschinen-Kühlsysteme
und insbesondere eine verbesserte Versorgungsanordnung für Kühlluftströmung zum
Regulieren der Betriebstemperatur der Turbinenlaufschaufeln.
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Es
ist weit anerkannt, dass die Effizienz und die Energieabgabe einer
Gasturbinenmaschine durch Erhöhen
der Betriebstemperatur der Turbine erhöht werden können. Unter erhöhten Betriebstemperaturen
werden Gasturbinenmaschinenbauteile, wie beispielsweise die Turbinenrotoren
und die Laufschaufeln, durch eine Strömung verdichteter Luft gekühlt, die
mit einer relativ kühlen
Temperatur abgegeben wird. Die Kühlströmung über den
Turbinenrotor und durch das Innere der Laufschaufeln entfernt Wärme, um
so eine übermäßige Reduktion
der mechanischen Festigkeitseigenschaften der Laufschaufeln und
des Rotors zu verhindern.
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Deshalb
sind einerseits die Turbinenbetriebstemperatur, die Effizienz und
die Leitungsabgabe der Maschine durch die Hochtemperaturfähigkeiten der
verschiedenen Turbinenelemente und der Materialien begrenzt, aus
denen sie hergestellt sind. Generell gilt, dass je geringer die
Temperatur der Elemente ist, umso höher die Festigkeit und Beständigkeit
gegen Betriebsbelastungen ist. Andererseits ist die Leistung der
Gasturbinenmaschine sehr sensitiv auf die Menge an Luftströmung, die
zum Kühlen
der heißen
Turbinenbauteile verwendet wird. Je weniger Luft für Kühlzwecke
verwendet wird, umso besser sind die Effizienz und die Leistung
der Maschine.
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Zum
Kühlen
der Turbinenrotorlaufschaufeln wird typischerweise eine Kühlluftströmung bei
einem kleinen Radius so nahe wie möglich der Mittelachse der Maschine
eingebracht. Die Kühlströmung wird mit
einer Verwirbelung oder einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente
durch die Verwendung eines tangentialen On-Bordinjektors (TOBI – tangential
on board injector) mit Düsen
eingebracht, die auf die rotierende Nabe des Turbinenrotors gerichtet sind.
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Die
Effektivität
der Kühlluftströmung ist
verbessert, wenn die Temperatur der Kühlluftströmung, verglichen mit der Gaswegtemperatur,
reduziert ist. Kühlluftströmung wird
generell direkt von der Abgabestelle des Verdichters ohne zusätzliche
Verarbeitung abgeleitet. Die Temperatur der Luft nimmt zu, wenn
sie verdichtet wird. Die verdichtete Luft bleibt jedoch unterhalb
der Temperatur der Luft in der Brennkammer und dem Turbinengasweg,
was zu der Fähigkeit
zum Kühlen
des Turbinenrotors und der Turbinenlaufschaufeln führt.
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Natürlich gilt,
je niedriger die Temperatur der Kühlluftströmung ist, umso weniger Strömungsmenge
wird für
die gleiche Kühlwirkung
benötigt.
Die meisten Gasturbinenmaschinensysteme des Stands der Technik akzeptieren
jedoch die praktische Einschränkung
der Kühlluft
auf der Temperatur, bei der sie von dem Verdichter geliefert wird.
Konstrukteure erhöhen
lediglich die Strömungsmenge
der verdichteten Luft, um das Kühlen
der Turbinenbauteile zu erhöhen.
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Der
tangentiale On-Bordinjektor nimmt verdichtete Luft von dem Verdichter
auf und liefert die Luft mit einem Wirbel oder einer tangentialen
Geschwindigkeitskomponente, ausgerichtet in Richtung auf die rotierenden
Rotornabenbauteile. Wenn die Kühlluftströmung über eine
rotierende Turbinennabe strömt,
steigt die Luftströmungstemperatur
in Folge des Pumpens der Strömung
von dem kleinen Injektionsradius in der Nähe der Mittellinie der Maschine auf
den hohen Radius bei dem Turbinenlaufschaufeleintrittsbereich. Effektiv
wirkt die rotierende Turbinennabe als ein Laufrad und pumpt die
Luft von dem Injektionsradius nahe an der Maschinenmittellinie. Wenn
die Luft radial durch das Rotieren der Turbine nach außen gedrängt wird,
steigt die Temperatur in der Folge der Verdichtung der Luft während des
radialen Pumpens sowie in Folge der Absorption von Wärme durch
die Nähe
zu dem Rotor an.
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Durch
das Einbringen einer Luftströmung von
dem tangentialen On-Bordinjektor mit einer Verwirbelung oder einer
Tangentialgeschwindigkeit ist der Temperaturanstieg der Kühlluftströmung, der durch
das Pumpphänomen
verursacht ist, verringert. Um eine Verwirbelung in die Luftströmung durch
den tangentialen On-Bordinjektor einzubringen, weist ein radialer
Injektor konventionell eine Anordnung von Injektorschaufeln auf,
die sich zwischen einer vorderen Injektorwand und einer hinteren
Injektorwand erstrecken, um Hauptströmungsdüsen zu definieren, die in einer
umfangsmäßigen Anordnung
zum Lenken einer verdichteten Hauptluftströmung tangential radial nach
innen angeordnet sind. Deshalb wird in dem tangentialen On-Bordinjektor
verdichtete Luft durch die Injektorschaufeln durch TOBI-Düsen umgelenkt,
um Luft mit einer Verwirbelung oder einer Tangentialgeschwindigkeitskomponente
in Richtung der rotierenden Turbinenrotorbauteile, die es zu kühlen gilt,
zu lenken. Die Tangentialgeschwindigkeit der injizierten Luftströmung ist
generell größer als
die Rotationsgeschwindigkeit des Turbinenrotors, um einer effiziente
Bewegung der Kühlluftströmung relativ
zu dem rotierenden Rotor zu ermöglichen.
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Im
Stand der Technik ist die Temperatur des für Kühlzwecke verfügbaren verdichteten
Luft nicht variabel oder unter der direkten Kontrolle des Konstrukteurs.
Verdichtete Luft wird von dem Verdichter bei einer vorgegebenen
Temperatur geliefert, die niedriger ist als die Gaswegtemperatur
und kann deshalb zum Kühlen
verwendet werden. Um die Kühlkapazität dieser
verdichteten Luftströmung
zu kontrollieren, erhöhen
oder verringern Konstrukteure das Volumen der Luftströmung, sie
haben im Stand der Technik bis heute jedoch nicht die Temperatur
angepasst.
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Jedoch
wird im Stand der Technik ein externer Wärmetauscher zum Entfernen von
Wärme von den
Lagern, die die rotierenden Wellen einer Maschine abstützen, verwendet,
um der Lagergalerie Kühlluft
zu liefern. Die relativ kleinen Mengen an Kühlluft, die den Lagern von
einem externen Wärmetauscher geliefert
werden, können
präzise
kontrolliert werden und der Lagergalerie bei einem breiten Bereich
gewählter
Temperaturen zugeführt
werden. Bis heute gibt es jedoch im Stand der Technik keinen externen Wärmetauschereingang
zu der über
Rotorturbinen und -laufschaufeln geleiteten Luftströmung.
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Ein
konventioneller TOBI ist in US-A-5 245 821 beschrieben.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, eine größere Kontrolle über die
Menge und Temperatur von Kühlluftströmung zu
schaffen, die von einem tangentialen On-Bordinjektor Turbinenrotoren und Laufschaufeln geliefert
wird.
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Es
ein weiteres Ziel der Erfindung, die von einem Wärmetauscher abgeleitete Kühlluft,
die zu Lagergalerien gelenkt wird, anzupassen, um die Kontrolle
und die Zufuhr von Kühlluft
von einem tangentialen On-Bordinjektorsystem zu verbessern.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen tangentialen On-Bordinjektor
mit verringertem Widerstand in Folge der Ejektion von Hilfsluft
durch die Injektorschaufeln zu schaffen.
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Weitere
Ziele der Erfindung werden aus der Durchsicht der Offenbarung, der
Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
tangentialer On-Bordinjektor mit einer Hilfszufuhr von weiterer
gekühlter
verdichteter Luft, beispielsweise von einem externen Wärmetauscher oder
einer luftgekühlten
Lagergalerie, dient zum Verringern des Volumens an Kühlluft, die
tangential in Richtung eines gekühlten
Rotors einer Gasturbinenmaschine gelenkt wird.
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Der
tangentiale On-Bordinjektor hat eine Anordnung von Injektorschaufeln
zwischen zwei Injektorwänden,
welche umfangsmäßige Hauptströmungsdüsen definieren
zum Lenken einer verdichteten Hauptluftströmung tangential radial nach
innen. Die Erfindung ist gleichermaßen anwendbar auf radiale und
axiale TOBI-Konfigurationen, da jeder Injektor Schaufeln aufweist.
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Jede
Schaufel hat eine Innenkammer in Strömungsverbindung mit einer Quelle
von verdichteter Hilfsluft mit mindestens einer Bohrung, welche
sich zwischen der Kammer und einer äußeren Oberfläche der
Schaufel erstreckt. Die Bohrungen werfen weitere gekühlte Luft
von dem Wärmetauscher
aus und vermischen mit der verdichteten primären Luft, welche durch die
Injektordüsen
strömt.
Die Bohrungen können
auch einen Kühlluftfilm
produzieren, der den Widerstand der Injektorschaufel verringert.
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Das
Einbringen von relativ kühler
verdichteter Luft, welche durch die hohlen TOBI-Schaufeln und die
Kühlbohrungen
ausgeworfen wird, führt
zu einigen Vorteilen. Die Hilfsluftversorgung aus einem externen
Wärmetauscher
addiert nur marginale Kosten zu der Maschine, da viele konventionelle
Maschinen eine Kühlluftversorgung
zu der dem TOBI benachbarten Lagergalerie haben. Lediglich durch
Verlängern
der Kühlluftversorgungsleitung
von der Lagergalerie zu dem TOBI-Schaufelbereich und das marginale
Erhöhen
des Luftströmungsvolumens kann
weitere Kühlluft
dem TOBI bei sehr geringem Aufwand zugeführt werden.
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Die
Vorteile beinhalten eine kontrollierbare Verringerung der Kühllufttemperatur
des tangentialen On-Bordinjektors und eine korrespondierende Reduktion
der Menge an erforderlicher Kühlluftströmung. Die
Hilfsversorgung von gekühlter
Luft von einem Wärmetauscher
trägt ein
signifikantes Maß an Kontrolle über die
Injektorströmungsmenge
und -temperatur bei, was eine feine Abstimmung der Zufuhr von Kühlluft zu
den Rotorlaufschaufeln ermöglicht.
Beispielsweise kann der Wärmetauscher
konfiguriert sein, zusätzliche
Kühlluft
bei einer vor bestimmten Temperatur und Strömungsmenge zu liefern. In der
Folge der verbesserten Kontrolle über die Lieferung an Kühlluft ist
die Haltbarkeit und die Nutzungslebensdauer von luftgekühlten Rotorlaufschaufeln
erhöht.
Wenn mehrere Bohrungen zum Liefern zusätzlicher Kühlluft verwendet werden, wird
durch die ausgeworfene Luft über
den Injektorschaufeln insbesondere in dem Bereich der Hinterkanten
ein Luftfilm gebildet, was zu verringerten Widerstandsverlusten
durch den TOBI und einer verringerten Anforderung an den Verdichter
führt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird eine Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft in den begleitenden Zeichnungen illustriert.
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1 ist
eine Axialschnittansicht durch die Brennkammer und den Hochdruckturbinenabschnitt einer
Gasturbinenmaschine gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Axialschnittansicht, die Details des der Lagergalerie benachbarten
radialen tangentialen On-Bordinjektors (TOBI – Tangential On Bordinjector)
und des HP-Turbinenrotors zeigt.
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3 ist
eine radiale Teilschnittansicht durch die Schaufeln des Injektors
(TOBI) entlang der Linie 3-3 von 2.
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4 ist
eine radiale Detailschnittansicht, die Details der Hauptinjektorluftströmung über die Schaufeln
und der gekühlten
Hilfsluftströmung,
die durch die innere Kammer der Schaufeln durch die Bohrungen zu
den Außenoberflächen der
Schaufeln ausgeworfen wird und einen Oberflächenluftfilm und das Vermischen
mit der Hauptluftströmung,
die tangential radial nach innen gerichtet ist, zeigt.
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Weitere
Details der Erfindung und ihre Vorteile werden aus der nachfolgend
angefügten
detaillierten Beschreibung ersichtlich.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
einen Axialschnitt durch die relevanten Bauteile einer Gasturbinenmaschine.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform
liefert ein Zentrifugalverdichterlaufrad 1 verdichtete
Luft über
einen Diffusor 2, einem Sammelraum 3, der die
Brennkammer 4 umgibt. Brennstoff wird der Brennkammer 4 über ein
Brennstoffrohr 5 zu einer Brennstoffsprühdüse 6 zugeführt. Durch
eine Serie von Einlässen 7 gelangt verdichtete
Luft aus dem Sammelraum 3 in das Innere der Brennkammern,
wird mit dem Brennstoff von der Düse 6 vermischt und
entzündet.
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Die
in der Brennkammer 4 erzeugten heißen Gase werden vorbei an einer
Anordnung von Statorlaufschaufeln 8 und vorbei an den Rotorlaufschaufeln 9,
die an Rotornaben 10 befestigt sind, gelenkt und drehen
so das Zentrifugallaufrad 1. Um die Welle 11, an
der die Rotoren 10 und das Laufrad 1 angebracht sind,
abzustützen,
ist ein Wälzlager 12 in
einer Lagergalerie 13 untergebracht.
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Der
innersten Kammer der Galerie 13 wird Schmieröl über eine Ölzufuhrleitung 14 zugeführt, und Öl wird mittels
einer (nicht gezeigten) Spülleitung entfernt.
Eine äußerste Kammer 15 der
Galerie 13 wird mit verdichteter Kühlluft ventiliert und ist mit Dichtungen 16 abgedichtet.
Der Kammer 15 der Lagergalerie 13 zugeführte verdichtete
Kühlluft
wird durch eine Luftversorgungsleitung (nicht gezeigt) bereitgestellt,
die zwischen der Luftkammer 15 und einem (nicht gezeigten) äußeren Wärmetauscher
eine Verbindung herstellen.
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Deshalb
wird die in den Sammelraum 3 untergebrachte verdichtete
Luft bei der Temperatur und dem Druck, der an der Austrittsfläche des
Laufrads 1 vorherrscht, durch den Diffusor 2 geliefert.
Andererseits wird die verdichtete Luft in der gekühlten Kammer 15 der
Lagergalerie 13 bei einer niedrigeren Temperatur von einem
externen Wärmetauscher
geliefert und ist von dem Sammelraum 3 durch die äußerste Wand
der Galerie 13 und die Dichtungen 16 getrennt.
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Unter
gleichzeitiger Bezugnahme auf die 2 und 3 wird
das Leiten von Luft von dem Sammelraum 3 zum Kühlen der
Rotornabe 10 und der Rotorlaufschaufeln 9 beschrieben.
Wie in der 3 gezeigt, gelangt verdichtete
Luft in den Sammelraum 3 durch die Serie von Lufteinlässen 7 in
das Innere der Brennkammer 4. Verdichtete Luft strömt auch
von dem Sammelraum 3 in den tangentialen On-Bordinjektor 17.
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Wie
durch die Pfeile in den 2 und 3 angezeigt,
befördert
der Injektor 17 verdichtete Kühlluft von dem Sammelraum 3 durch
eine perforierte Abdeckplatte 18 in Richtung zu der gekühlten Rotornabe 10. Öffnungen 19 in
der Abdeckplatte 18 schaffen Zugang für Luft, die von dem Injektor 17 gelenkt ist,
zwischen der Abdeckung 19 und der Rotornabe radial nach
außen
in Richtung zu den Laufschaufeln 9 zu strömen. Wie
durch die 2 angezeigt, tritt die Luftströmung unterhalb
der Plattformen der Laufschaufel 9 ein und wird durch innere
Passagen durch die Laufschaufel 9 geführt, um die Hinterkante der Laufschaufel 9 in
bekannter Weise in den heißen Gasweg
zu verlassen.
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Wie
in der 2 gezeigt, halten Dichtungen 20 an beiden
Seiten des inneren Bereichs des Injektors 17 die verdichtete
Luftströmung
zwischen dem stationären
Injektor 17 und der rotierenden Abdeckplatte 18,
um die Luft in einer Tangentialausrichtung durch die Öffnungen 19 zu
lenken, wie in 3 gezeigt.
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Der
tangentiale On-Bordinjektor 17 weist eine umfangsmäßig beabstandete
Anordnung von Injektorschaufeln 21 zwischen einer vorderen
Injektorwand 22 und einer hinteren Injektorwand 23 auf, um
so tangential gerichtete Hauptströmungsdüsen 24 zu definieren,
die die verdichtete Hauptluftströmung
tangential radial nach innen, wie in der 3 gezeigt,
zu lenken. Die Erfindung ist gleichermaßen anwendbar auf eine axiale
TOBI-Anordnung, wo Schaufeln zwischen einer äußeren und einer inneren Wand
angeordnet sind (nicht gezeigt).
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Wie
am besten in 4 gezeigt, sind die Schaufeln 21 hohl
und haben eine Innenkammer 25, die mit der Luftkammer 15 der
Lagergalerie 13 mittels Leitung 26 verbunden ist.
Auf diese Weise kann die relativ kühlere Luft, die der Lagergalerieluftkammer 15 zugeführt wird,
seitlich durch die Leitung 26 zu der Innenkammer 25 einer
jeden Schaufel 21 geleitet werden. Es ergeben sich eine
minimale Kostenzunahme und Luftströmungsanforderung von dem Wärmetauscher.
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Wie
am besten in der 4 gezeigt, schafft die verdichtete
Hilfsluft von der luftgekühlten
Maschinenlagergalerie 13 und dem externen Wärmetauscher
(nicht gezeigt) eine Druckbeaufschlagung der inneren Kammer 25 mit
relativ kühler
Luft, die durch Bohrungen 27 und 29, die sich
zwischen der Kammer 25 und den Außenoberflächen der Schaufel 21 erstrecken,
befördert
wird.
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Wie
in der 4 gezeigt, trägt
in der bevorzugten Ausführungsform
eine Verschmelzungsströmungsbohrung 27 den
Hauptteil der verdichteten Luft von der Kammer 25 durch
eine Sogoberfläche
der Schaufel 21 der Hinterkante der Schaufel 21 benachbart.
Um die Luftströmung
aus der Kammer 25 weiter mit der Hauptluftströmung, die
durch die Düse 24 geleitet
wird, zu vermischen, sind zusätzliche
Luftströmungsbohrungen 28 in
der Nähe
der Hinterkante der Schaufel 21 vorgesehen. Saugströmungsbohrungen 29 sorgen
für eine
zusätzliche
Luftströmung
und -vermischung.
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Deshalb
wird Luft mit relativ niedriger Temperatur in die hohlen Schaufeln 21 eingebracht
und vermischt sich mit der Hauptluftströmung durch die in Injektordüsen 24 so
eng wie praktisch möglich.
Die Luftströmung
unterschiedlicher Temperaturen, die radial nach innen gerichtet
ist, vermischt sich tendenziell schnell, wenn sie durch die rotierende
Geometrie der Abdeckplatte 18 durch Öffnungen 19 gelangt. Das
Vermischen wird somit ohne einen übermäßigen Druckverlust erreicht,
und die vermischte Luft wird zur Abgabe zwischen der Abdeckplatte 18 und
der Rotornabe 10 in Richtung zu dem Schaufelzuführsystem
an der Peripherie der Rotornabe 10 gepumpt.
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Die
Zugabe von kühlerer
Luft durch die Bohrungen 27, 28, 29 und
die Zentralkammer 25 bringt kühlere Luft von dem Wärmetauscher
ein, um sich mit der von dem Verdichter 1 zu dem die heiße Brennkammer 4 umgebenden
Sammelraum 3 gelieferten Luft zu vermischen. In der Folge
sind das Volumen und die Temperatur der durch die TOBI-Düse 24 gelieferten
Luft präzise
kontrolliert.
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Obwohl
die vorangegangene Beschreibung eine spezielle bevorzugte Ausführungsform
betrifft, so wie sie momentan von dem Erfinder angedacht ist, wird
man verstehen, dass die Erfindung in ihrem breiten Aspekt mechanische
und funktionale Äquivalente der
hier beschriebenen Elemente beinhaltet.