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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Dichtungssystem und die
Unterdrucksetzung eines Stützkissens
einer Gasturbine.
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Wie
bekannt, beinhalten Gasturbinen einen Verdichter, zu dem aus einer äußeren Umgebung entnommene
Luft geleitet wird, damit sie den Verdichter beaufschlagt.
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Die
verdichtete Luft strömt
in eine Reihe von Brennkammern hinein, die in einer Düse münden, wobei
in jede der Brennkammern eine Einspritzvorrichtung einen Brennstoff
zuführt,
der mit Luft vermischt wird, um ein entzündbares Gemisch zu bilden, das
verbrannt werden soll.
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Die
Turbine wandelt die Enthalpie der verbrannten Gase in der Brennkammer
in mechanische Energie um, die einem Anwender zur Verfügung steht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Bereich, der sich
auf den Austritt des Gasturbinenverdichters bezieht.
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Um
die technischen Probleme vorzustellen, die durch die vorliegende
Erfindung gelöst
werden, sollte beachtet werden, dass das ständige Streben nach Steigerungen
der Leistungsfähigkeit
von Gasturbinen eine Optimierung aller Strömungen innerhalb der Turbinen
erforderlich macht.
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Da
die Luft, die aus den Verdichtungsstufen erhalten wird, unter einer
deutlichen Erhöhung
der Thermodynamik verarbeitet worden ist, sollte sie insbesondere
weitestgehend für
die Verbrennung genutzt werden, anstatt sie für Kühlung und Vorhaltung zu nutzen,
die jedoch in den kritischsten heißen Bereichen notwendig sind.
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Das
Problem, das in diesem Zusammenhang auftritt, ist somit das der
korrekten Dosierung der Luft, die den Verdichterstufen in den verschiedenen
Bereichen entnommen wird, wenn man die Tatsache berücksichtigt,
dass die benötigte
Luftmenge abhängig
von den Betriebsbedingungen, dem Alter und dem Grad der Abnutzung
oder Unreinheit des Turbinentriebwerks und seiner Komponenten sowie den
Dimensionsschwankungen der Komponenten während der Übergangsphasen schwankt.
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In
der Tat sind, wenn ein ungenügender
Luftstrom vorhanden ist, die Folgen bestenfalls eine beachtliche
Lebensdauerminderung der Maschinenkomponenten mit der Möglichkeit
des Eintritts von Schaufelblattausfällen und Feuern.
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An
dieser Stelle sollte erwähnt
werden, dass diese Faktoren im Übrigen
dazu beitragen können, die
Kosten für
die Anwender zu erhöhen,
und dass es wichtig ist, sich dem Problem der korrekten Dosierung
von Luft für
den Fall der Verbesserung von bereits vorhandenen Maschinen zu stellen.
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Um
die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden technischen Probleme
besser zu verstehen, wird zuerst auf 1 bis 3 Bezug
genommen, die jeweils eine Querschnittsansicht einer Gasturbine
nach der bekannten Technik, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet
ist, eine vergrößerte Ansicht
des Austrittsbereichs des Verdichters 21 der Gasturbine 20 und
einen Auszug des sich auf ein Stützkissen 24 der
Turbine beziehenden Bereichs zeigen.
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Genauer
gesagt, zeigt 1 eine Gasturbine 20,
die mit einem Verdichter 21 ausgestattet ist, mit dem ein
Innengehäuse 23 und
ein Stützkissen 24 verbunden
sind; 1 zeigt unter anderem auch die Rotoren 25 und 26 der
Turbine 20.
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In
Wirklichkeit zeigt 2 eine konventionelle Lösung zur
Regelung der Kühlströme der Gasturbine 20,
die ortsfeste Löcher 22 in
dem Körper 50 des Innengehäuses 23 enthalten
kann; Pfeile deuten ferner die Richtung der Kühlströme an.
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Wenn 2 detaillierter
betrachtet wird, können
dort der Stator 27 und die zu den Endstufen des Verdichters 21 gehörenden Laufschaufeln 28,
der Austrittsdiffusor 29 des Verdichters 21, der
mit dem Stützkissen 24 verbundenen
Entlüftungsauslass 33 und
die Luftdichtungen 30 und 38 des Innengehäuses 23 ersehen
werden; 2 zeigt auch einen Abschnitt
des Rotors 32.
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3 zeigt
detailliert den das Stützkissen 24 der
Turbine betreffenden Bereich, in dem die Luftströme nach der bekannten Technik
durch Pfeile angezeigt werden.
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Die
zur Zeit verwendeten Lösungen
zur korrekten Dosierung der Luftströme, die für die Kühlung und Abdichtung ausgelegt
sind, weisen eine spezifische Festlegung von Öffnungen in dem Rohrleitungssystem
und in den Zuluftkanälen
und eine Bestimmung der Größen des
Speils zwischen den rotierenden Einheiten und den an den zusätzlichen
Statorkomponenten der Maschine vorgesehenen Labyrinthdichtungen
auf.
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Die Öffnungen
und Labyrinthdichtungen (siehe 2 bis 3)
sind auf diese Weise aus der Konstruktionssicht voneinander abhängig und
werden während
der Entwicklungsphase des Prototyps eindeutig bestimmt, um in der
Lage zu sein, extreme und vom Entwurf abweichende Situationen zu
beherrschen.
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Dies
bedeutet, dass diese Regeln und Grenzwerte so bleiben, wie sie von
dem Erbauer während
der Montagephase festgesetzt worden sind.
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Eine
direkte Folge dieser Situation ist es, dass es deshalb unmöglich ist,
die Luftmenge, die fortlaufend in die kritischen Bereiche der Turbine
eingespeist wird, gemäß den tatsächlichen
momentanen Anforderungen, die mit deutlichen Schwankungen der Umgebungs-
und Betriebsbedingungen in Zusammenhang stehen, zu korrigieren.
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Die
von den Kunden gestellte Anforderung an Leistungssteigerungen der
Maschinen macht es nun erforderlich, die Luftströme unter Verwendung zunehmend
hochleistungsfähiger
Dichtungen auf ein wesentliches Minimum zu begrenzen, wobei dies
den Nachteil, dass man vorbestimmte Regulierungen aufweist, die
unflexibel sind, verschlimmert.
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Insbesondere
besteht eine Tendenz, die aus dem Verdichter 21 in Richtung
der innersten Bereiche der Maschine 20 (1–3),
insbesondere in dem Bereich innerhalb des Innengehäuses 22,
entkommende Luftmenge zu verringern.
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Diese
Luft, die durch eine erste Labyrinthdichtungsbarriere 38 hindurchtritt,
entkommt dann aus der Entlüftung
des Stützkissens 24 des
Verdichters 21 durch den vorderen Spalt der ersten Turbinenschaufel,
durch die Labyrinthdichtung, die mit Engelflügeln an den Schäften der
Leitschaufeln versehen ist und durch die stationären Dichtungen, die an dem
Stator befestigt sind.
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Die
Funktion dieser Luft besteht somit darin, in dem Kissen 24 gegen Öldämpfe abzudichten,
in der Turbine 20 gegen heiße Gase abzudichten, die Turbinenscheibe
zu kühlen
und die durch die Lüftungsreibung
innerhalb des Innengehäuses 23 erzeugte
Wärme zu
entfernen.
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Es
ist deshalb offensichtlich, dass die Dosierung dieser Strömung im
Hinblick auf ihre Wirkung auf die Gesamtzuverlässigkeit und das Leistungsverhalten
im Sinne von Ausgangsleistung wichtig ist.
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Es
ist somit angemessen, Regulierungssysteme zu implementieren, die
in Echtzeit mit Hilfe der Bedienkonsole der Maschine direkt betätigt werden, so
dass Sie ein selbstanpassendes integriertes System bilden.
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In
konventionellen Luftregelungssystemen, die die Merkmale des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 aufweisen, wie sie z. B. in
US-A-4193603 und in
GB-A-852805 beschrieben
sind, wird die gesamte Luft, die zur Kühlung des Bereiches, der in
dem Innengehäuse
23 enthalten
ist, der Zwischen(Verdichter/Turbine)-Welle
34, des Kissens
24 und
des Hochdruckturbinenrotors notwendig ist, plus die Luft, die notwendig
ist, um das Kissen
24 gegen Öl und Dämpfe abzudichten, über die
Labyrinthdichtung erhalten, die die Verbindungsstelle des Innengehäuses/Zwischenwellenflansches
sperrt.
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Die
aus der letzten Stufe des Verdichters 21 erhaltene Strömung wird
dann über
diese Labyrinthdichtung in den Bereich des Innengehäuses 23 eingelassen
und wird dann in zwei Ströme
aufgespalten, wovon einer den Turbinenrotor umströmt und dann
in einer gegen den Heißgaskanal
abgedichteten Weise entkommt und einer zu der äußeren Labyrinthdichtung des
Stützkissens 24 vordringt
und dann vor allem in dem Entlüftungsrohr 33 entkommt,
wobei die verbleibende Menge zu dem Ölauslauf des Stützkissens 24 in
dem unten gelegenen Sammelbehälter 35 strömt, nachdem
sie eine innere Labyrinthdichtung 36 durchströmt hat,
die gegen Öl
und Dämpfe
abgedichtet ist.
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Die
Luftmenge, die aus dem Entlüftungskanal 33 des
Kissens 24 entkommt, wird dann in Richtung des hinteren
Raumes der Niederdruckturbine, der eine Kühlfunktion erfüllt (wie
im Falle der Kreisläufe
des Typs FR3.2, die optional zu sonstigen Luftanzapfungen zu dem
Verdichter hinzugefügt
werden), oder zu der Außenumgebung
hin geleitet.
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Sei
diesem Typ des „festen" Kreislaufs ist die Verteilung
der Ströme
mit dem Spiel der verschiedenen Labyrinthdichtungen und ihrer Schwankungen während des
Einsatzes eng verknüpft,
der eindeutig nicht von der Regelungslogik, sondern von Abnutzungs-
und Abmessungsschwankungen der Komponenten abhängt, was mit der notwendigen
Genauigkeit schwer vorauszusehen ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein System zur
Abdichtung und Unterdrucksetzung eines Stützkissens einer Gasturbine
zu schaffen, das eine Regelung erlaubt, die während einer Zeitdauer angepasst
und fortlaufend erfolgt, ohne die Maschine anhalten zu müssen.
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Insbesondere
besteht die Aufgabe darin, eine Luftzufuhr zu erhalten, die kontinuierlich,
gemäß den tatsächlichen,
in jedem Moment auftretenden Anforderungen in der Gasturbine stattfindet.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur Abdichtung
und Unterdrucksetzung des Stützkissens
einer Gasturbine zu schaffen, das eine längere Nutzungsdauer der Komponenten
einer Gasturbine ermöglicht,
auf der es angebracht ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur Abdichtung
und Unterdrucksetzung eines Stützkissens
einer Gasturbine zu schaffen, das jegliche Entfernung von wesentlichen
Komponenten eines Turbinentriebwerks vermeidet, während es
ermöglicht,
die Luftströmung
zu dem Innengehäuse
zu variieren.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur Abdichtung
und Unterdrucksetzung eines Stützkissens
einer Gasturbine zu schaffen, das keinen radikalen Umbau der Maschine
erfordert, sondern leicht und ökonomisch
auch für
vorhandene Maschinen anpassbar ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur Abdichtung
und Unterdrucksetzung eines Stützkissens
einer Gasturbine zu schaffen, das im Wesentlichen einfach, sicher
und zuverlässig
ist.
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Diese
und andere Aufgaben werden durch ein System zur Abdichtung und Unterdrucksetzung eines
Stützkissens
einer Gasturbine gemäß Anspruch
1 erzielt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird ein erster Teil des Gesamtluftstroms
mittels einer in dem Entlüftungsrohr
geschaffenen Öffnung
in den Hohlraum des Innengehäuses
geleitet, und ein zweiter Teil des Gesamtluftstroms strömt durch
die äußere Labyrinthdichtung des
Kissens, beides, um eine Luftkreislauf in der umgekehrten Richtung
zu schaffen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ermöglicht
das Stützkissen
in Zusammenwirken mit seinen eigenen Labyrinthdichtungen es, den
Luftkreislauf in einer umgekehrten Richtung durch das Vorhandensein
eines Ventils, das die Luft drosseln kann und eines elektromechanischen
Stellglieds, das mit einem Ventilpositionssensor ausgestattet ist,
zu definieren.
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Zusätzlich wird
das automatisierte Ventil direkt von der Maschinenbedienkonsole
aus gesteuert, so dass es nach einem geeigneten Algorithmus zur Verarbeitung
der Daten, die von der gemeinsam mit der Gasturbine gelieferten
standardgemäßen Sensorvorrichtung
geliefert werden, praktisch unverzüglich auf Schwankungen von
Funktionsbedingungen reagieren kann.
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Schließlich wird
die verwendete Kühlluft
zu der zehnten Stufe des Verdichters geleitet, während die zweite Turbinenscheibe
durch die Lieferung der Zapfluft zu der zehnten Stufe direkt gekühlt wird.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind durch die der vorliegenden Patentanmeldung
beigefügten Ansprüche definiert.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung und ihre spezifischen
strukturellen und funktionellen Merkmale werden aus dem Studium
der folgenden Beschreibung und der dieser beigefügten Zeichnungen offensichtlich,
die lediglich als exemplarisches, nicht einschränkendes Beispiel dargelegt werden
und in welchen zeigen:
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1 eine
Aussicht einer Gasturbine, gemäß dem Stand
der Technik im Querschnitt;
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2 eine
Querschnittsansicht eines vergrößerten Austrittsbereichs
des Gasturbinenverdichters nach 1;
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3 eine
Querschnittsansicht eines das Stützkissen
der Turbine betreffenden Ausschnitts mit den Luftströmen gemäß dem Stand
der Technik;
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4 eine
Querschnittsansicht des Systems zur Abdichtung und Unterdrucksetzung
des Stützkissens
einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
Querschnittsansicht eines das Stützkissen
der Turbine betreffenden Ausschnittsbereichs mit den Luftströmen gemäß vorliegender
Erfindung;
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6 eine
Querschnittsansicht eines die Labyrinthdichtung zur Abdichtung des
Stützkissens
betreffenden Ausschnitts; und
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7 eine
Draufsicht auf die Labyrinthdichtung zur Abdichtung des Stützkissens.
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Indem
an dieser Stelle besonders auf 4–7 Bezug
genommen wird, ist das System zur Abdichtung und Unterdrucksetzung
des Stützkissens
einer Gasturbine gemäß vorliegender
Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
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In
dem System zur Abdichtung und Unterdrucksetzung 10 gemäß vorliegender
Erfindung wird die Luft in das Innengehäuse 23 unter Verwendung des
Entlüftungsrohrs 33 des
Stütz kissens 24 mit
einer Strömung
geleitet, die im Vergleich zu der bereits gemäß dem Stand der Technik umgekehrt
gerichtet ist, wobei auf diese Weise die Luftströmung in der Labyrinthdichtung
so weit wie möglich
reduziert wird.
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Der
Gesamtluftstrom wird auf diese Weise vor allem durch die Öffnung und
teilweise durch die äußere Labyrinthdichtung
des Kissens 24 und mit einer Strömung, die so weit wie möglich reduziert
ist, und in eine Richtung, die zu der der ursprünglichen Bauart umkehrt ist,
zurück
in den Hohlraum geleitet.
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Der
verbleibende Teil der Luft, der in das Gehäuse des Kissens 24 eintritt,
tritt auf diese Weise in den Bereich der Bänder bzw. Wände 37 ein, so dass folglich
Leckagen von Öl
und Dämpfen
vermieden werden.
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Es
kann deshalb erwähnt
werden, dass das Stützkissen 24 in
Zusammenwirken mit den Labyrinthdichtungen 38 und 39 es
ermöglicht,
durch die Gegenwart eines Luft drosselnden Ventils und eines elektromechanischen
Stellglieds mit einem Ventilpositionssensor einen neuen Luftkreislauf
festzulegen.
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Die Öffnung des
Entlüftungsrohrs 34 des Stützkissens 24 ist
ferner mit dem Loch 42 und mit der Form und Flanschausführung der
derzeitigen Rohrleitung versehen, um den Kreislauf gemäß der Erfindung
auszuführen.
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Das
System ist entworfen, um eine automatisierte Steuerung des Ventils
direkt von der Maschinenbedienkonsole aus zu haben, so dass sie
praktisch unverzüglich
auf Schwankungen von Funktionsbedingungen nach einem geeigneten
Algorithmus zur Verarbeitung der Daten, die von der gemeinsam mit
der Gasturbine gelieferten standardgemäßen Sensorvorrichtung empfangen
werden, reagieren kann.
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6 stellt
ferner eine Querschnittsansicht eines die Labyrinthdichtung zur
Abdichtung des Stützkissens 24 betreffenden
Ausschnitts mit der Luftdurchgangsbohrung 40 und dem Dichtungszahnsatz 41 dar.
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Die
vorliegende Beschreibung verdeutlicht die Merkmale und Vorteile
des erfindungsgemäßen Systems
zur Abdichtung und Unterdrucksetzung des Stützkissens einer Gasturbine.
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Die
folgenden Betrachtungen und Kommentare werden nun dargeboten, um
die Vorteile deutlicher und genauer zu definieren.
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Die
vorgeschlagene Lösung
ist geschaffen, um in der Lage zu sein, den in das Innengehäuse gelieferten
Luftstrom zu variieren, ohne irgendeine wesentliche Komponente der
Gasturbine ersetzen oder ausbauen zu müssen, sondern einfach durch
Einwirken auf ein geeignetes Drosselventil, das in dem vorstehend
beschriebenen innovativen System zur Kühlung und Entlüftung geliefert
wird, ohne Durchbrechung der Kontinuität.
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Dies
ist, damit eine über
eine Zeitdauer hinweg kontinuierliche, angepasste Regulierung ohne Maschinenunterbrechung
ermöglicht
wird.
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Der
Hauptvorteil besteht in der Möglichkeit, die
Verbindungsstelle zwischen dem Innengehäuse und der Achse des Verdichters
auf bestmöglichste Weise
abzudichten, wobei optional die neuen Dichtungen der Bürstenbauart
verwendet werden, um somit den erforderlichen Luftstrom zu regulieren
und dabei in der Lage zu sein, von Dimensionsschwankungen während einer
Zeitdauer vollständig
unabhängig
zu sein.
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Es
ist deshalb möglich,
auch die äußere Labyrinthdichtung
der Luftdichtung an dem Stützkissen 24 auf
die bestmögliche
Weise abzudichten, wobei zusätzlich
auf der Tatsache gebaut wird, dass, da der zwischen der inneren
und der äußeren Labyrinthdichtung
enthaltene Kanal unter Druck gesetzt ist, dies ermöglicht,
das Risiko der Verunreinigung der äußeren Dichtung durch Berührung mit Öl zu begrenzen.
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Die
Luft, die notwendig ist, um durch die Welle erzeugte Wärme durch
Entlüftung
abzuführen,
und die dann die Turbinenscheibe umspült und schließlich den
Heißgaspfad
abdichtet, wird durch das externe Ventil vollständig und endgültig.
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Die
Abstimmung ist deshalb sichergestellt und findet während der
Betriebsdauer des Turbinentriebwerks fortlaufend statt, wobei ferner
die verwendete Kühlluft
kälter
ist als die, die in die fünfzehnte Stufe
geleitet wird (von der zehnten Stufe erhalten wird), wobei auf diese
Weise eine weitere Reduktion möglicht
wird.
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Die
zweite Turbinenscheibe wird direkt durch Zuführung der Zapfluft zu der zehnten
Stufe gekühlt.
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Die
theoretischen und experimentellen Ergebnisse sind zufriedenstellend,
dass sie zeigen, dass das System für weit gefächerte Gasturbinen verwendet
werden kann.
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Es
ist offensichtlich, dass an dem erfindungsgemäßen System zur Abdichtung und
Unterdrucksetzung des Stützkissens einer
Gasturbine, das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet,
viele Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne von den Prinzipien der Neuheit, die dem veranschaulichten erfinderischen
Konzept innewohnen, abzuweichen.
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Schließlich ist
es offensichtlich, dass in der praktischen Ausführungsform der Erfindung gemäß den Anforderungen
irgendwelche Materialien, Formen und Abmessungen anstatt der dargestellten
Einzelheiten verwendet und durch andere ersetzt werden können, die
aus technischer Sicht äquivalent sind.
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Der
Schutzumfang der Erfindung ist durch die beigeführten Ansprüche definiert.