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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke
und insbesondere auf deren Turbinen.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck
gesetzt und in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen. Den Gasen wird in einer Hochdruckturbine (HDT), die
den Verdichter antreibt, Energie entzogen.
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Außerdem wird
zusätzlich
in einer Niederdruckturbine (NDT), die ein stromauf liegendes Gebläse in einem
Turbofan-Flugtriebwerk oder bei Schiffs- und industriellen Anwendungen
eine externe Antriebswelle antreibt, Energie entzogen.
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Die
moderne Brennkammer ist ringförmig und
umfasst radial äußere und
innere Flammrohre, die von einem vorderen Dom stromab verlaufen,
um eine ringförmige
Verbrennungszone zu definieren. Eine Reihe von Brennstoffeinspritzdüsen und
mit diesen zusammenwirkenden Luftdrallbechern sind in dem Dom angebracht,
um luftzerstäubte
Brennstoffstrahlen auszulassen, die auf geeignete Weise entzündet werden,
um die Verbrennungsgase zu erzeugen.
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Die
Brennstoffeinspritzdüsen
sind in Umfangsrichtung üblicherweise
in einer gleichmäßigen Verteilung
beabstandet und verursachen dementsprechend relativ heiße Strähnen aus
Verbrennungsgasen, die stromab zu dem Auslass der Ringbrennkammer
strömen.
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Die
maximale Verbrennungsgastemperatur findet man entlang der Mitte
jeder heißen
Strähne und
dementsprechend nimmt die Verbrennungsgastemperatur von der Mittellinie
jeder heißen
Strähne radial
nach außen
ab, d. h. sowohl radial zwischen dem äußeren und inneren Flammrohr,
als auch in Umfangsrichtung um die Brennkammer herum zwischen den
in Umfangsrichtung beabstandeten heißen Strähnen.
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Das
resultierende Temperaturmuster der Verbrennungsgase an dem Ringbrennkammer-Auslass
variiert sowohl radial zwischen dem äußeren und dem inneren Brennkammerrohr,
als auch in Umfangsrichtung zwischen den heißen Strähnen, wobei die Gase niedrigerer
Temperatur zwischen den heißen
Strähnen üblicherweise
als kalte Strähnen
bezeichnet werden. Die Differenztemperatur zwischen den heißen und
den kalten Strähnen
kann mehrere hundert Grad betragen und beeinflusst die Leistung und
den Betrieb der stromab liegenden Turbinenkomponenten.
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Genauer
gesagt, werden die aus dem Brennkammerauslass ausgelassenen Verbrennungsgase als
Erstes von dem Turbinenleitapparat der ersten HDT-Stufe aufgenommen,
der die Gase zu der folgenden Reihe Turbinenrotorschaufeln leitet,
die am Umfang einer tragenden Rotorscheibe montiert ist. Der Turbinenleitapparat
umfasst eine Reihe hohler Leitschaufeln, die radial zwischen einem übereinstimmenden äußeren und
inneren Band angebracht sind.
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Der
Leitapparat ist üblicherweise
in Umfangsrichtung in eine übliche
Konfiguration von Doppel-Leitschaufeln gegliedert, wobei zwei Leitschaufeln
in einem übereinstimmenden
inneren und äußeren Bandsegment
integriert angebracht sind.
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Der
ringförmige
Leitapparat ist daher in Umfangsrichtung durch axiale Trennfugen
an übereinstimmenden
Endflächen
der Doppel-Düsen
geteilt. Die Endflächen
enthalten außerdem üblicherweise Schlitze
für den
Einbau von Keildichtungen, um die Kontinuität des Turbinenleitapparats
in Umfangsrichtung aufrechtzuerhalten und gegen inneren Verlust von
Kühlluft
abzudichten.
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Die
Anzahl von Leitschaufeln in der vollständigen Reihe ist wesentlich
größer als
die Anzahl von Brennstoffeinspritzdüsen in der Brennkammer und
ist üblicherweise
kein integeres Vielfaches davon. Dementsprechend variiert in der
Brennkammerbaugruppe relativ zu dem Turbinenleitapparat die relative
Umfangsposition der Brennstoffeinspritzdüsen zu den Anströmkanten
der Leitschaufel-Reihe.
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Die
beim Betrieb von den Brennstoffeinspritzdüsen erzeugten heißen Strähnen sind
daher in Umfangsrichtung von Schaufel zu Schaufel unterschiedlich
oder zufällig
ausgerichtet oder verteilt, und setzen die Schaufeln daher beim
Betrieb unterschiedlichen Wärmelasten
aus. Die heißen
Strähnen tauchen
die Leitschaufeln in Verbrennungsgase maximaler Temperatur, wobei
die in Umfangsrichtung dazwischenkommenden kalten Strähnen die
Leitschaufeln in relativ kühlere
Verbrennungsgase tauchen.
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Dementsprechend
ist der Turbinenleitapparat üblicherweise
in Umfangsrichtung gleichförmig konstruiert
und weist im Wesentlichen identische Leitschaufeln und Bandsegmente
auf, beispielsweise in der typischen Doppel-Konfiguration. Die Doppel-Düsen-Konfiguration weist
daher eine gerade Anzahl von Leitschaufeln auf, wobei zu jedem Doppel zwei
identische Leitschaufeln gehören.
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Die
Leitschaufeln weisen das typische Sichelprofil mit im Allgemeinen
konkaven Druckseiten und im Allgemeinen konvexen Saugseiten auf,
die axial in Sehnenrichtung zwischen einander entgegengesetzten
An- und Abströmkanten
verlaufen. Die Leitschaufeln einer jeden Doppel-Leitschaufel definieren
zwischeneinander einen inneren Strömungskanal, wobei die Leitschaufeln
zwischen Doppel-Leitschaufeln äußere Strömungskanäle definieren,
die die jeweiligen axialen Trennfugen enthalten.
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Die
inneren und äußeren Leitapparat-Kanäle konvergieren
in Stromabrichtung in einem Bereich mit minimaler Strömung, der üblicherweise
an der Abströmkante
einer Leitschaufel normal zu der Saugseite der benachbarten Leitschaufel
verläuft.
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Die
Verbrennungsgase werden üblicherweise
in einem schiefen Draliwinkel in Umfangsrichtung in die stromab
liegende Reihe von Turbinenlaufschaufeln ausgelassen, die die tragende
Rotorscheibe in die Richtung auf die Schaufel-Saugseiten relativ zu
den Schaufel- Druckseiten dreht.
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Jede
Doppel-Leitschaufel umfasst daher eine Führungs-Leitschaufel, über die
sich die Turbinenschaufeln zuerst bewegen, und eine Folge-Schaufel, über die
sich die Turbinenschaufeln während
der Rotation als Zweites bewegen.
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Die
kalten und heißen
Strähnen
aus der Brennkammer werden axial durch die Strömungskanäle des Turbinenleitapparats
geleitet und tauchen daher die Turbinenlaufschaufeln abwechselnd
gleichermaßen
in heiße
oder kalte Strähnen,
was ebenfalls die Leistung der Schaufeln während des Betriebs beeinflusst.
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Die
Turbinenschaufeln sind von einem ringförmigen Turbinendeckband umgeben,
dass die Verbrennungsgase samt der kalten und heißen Strähnen einschließt. Das
Deckband ist außerdem
auch in Umfangsrichtung unterteilt, wobei identische Turbinendeckbandsegmente
entsprechende Haken aufweisen, die von einem mit ihnen zusammenwirkenden Hänger getragen
werden, der von einem umgebenden Gehäuse oder einer Deckbandhalterung
herabhängt.
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Dementsprechend
sind die Leitschaufeln des Leitapparats, die Laufschaufeln des Turbinenrotors
und deren Deckbänder üblicher weise
in jeder ihrer Reihen identisch und enthalten üblicherweise identische Kühlkreisläufe für ihre unterschiedlichen Umgebungen.
Für die
Kühlung
der Leitschaufeln, Laufschaufeln und Deckbänder, und um für das Triebwerk
die gewünschte
Grenznutzdauer zu erzielen, wird ein Anteil an Druckluft genutzt,
die von dem Verdichter abgezapft wird.
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Da
die aus dem Verdichter abgezapfte Luft nicht in der Brennkammer
genutzt wird, verringert sich der Gesamt-Wirkungsgrad des Triebwerks.
Die aus dem Verdichter abgezapfte Menge an Kühlluft sollte daher minimiert
werden, um den Wirkungsgrad des Triebwerks zu maximieren.
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Die
Leitschaufeln, Laufschaufeln und Deckbänder müssen jedoch nach herkömmlichen
Vorgehensweisen konstruiert werden, um sie in jeder Reihe gleichartig
zu kühlen
und die Schaufelblätter
vor den Maximaltemperaturen und Wärmelasten durch die von der
Brennkammer erzeugten heißen
Strähnen
zu schützen,
ungeachtet der deutlich niedrigeren Temperatur der kalten Strähnen, die
während
des Betriebs mit den heißen
Strähnen
abwechseln.
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Dementsprechend
besteht der Wunsch nach einer verbesserten Turbine, die bevorzugt
den heißen
und kalten Strähnen
in den Verbrennungsgasen angepasst ist, um die Leistung des Gasturbinentriebwerks
zu verbessern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Duplex-Turbinenleitapparat umfasst eine Reihe unterschiedlicher
erster und zweiter Leitschaufeln, die sich in Umfangsrichtung zwischen
dem radial äußeren und
dem radial inneren Band in der Form von Doppel-Leitschaufeln abwechseln
und zwischeneinander axiale Trennfugen aufweisen. Die Leitschaufeln
weisen in jeder Doppel-Leitschaufel voneinander beabstandet ei ne
Druck- und eine gegenüberliegende
Saugseite auf, um dazwischen einen inneren Strömungskanal und entsprechende äußere Strömungskanäle zwischen
den Doppel-Leitschaufeln zu definieren. Die Leitschaufeln weisen
unterschiedliche Muster aus Film-Kühlöffnungen
(62) auf, mit einer höheren
Kühlstromdichte
entlang den äußeren Kanälen als
entlang den inneren Kanälen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung gemäß bevorzugten
und beispielhaften Ausführungsformen
wird zusammen mit weiteren Gegenständen und Vorteilen in der folgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
genauer beschrieben. Die Zeichnungen stellen Folgendes dar:
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1 ist
ein axialer Schnitt des Turbinenabschnitts eines Gasturbinentriebwerks,
das von einer Ringbrennkammer angetrieben wird.
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2 ist
ein radialer, Draufsicht-Schnitt der Hochdruckturbine, die auf die
in 1 dargestellte Brennkammer folgt, entlang der
Schnittlinie 2-2.
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3 ist
eine Isometrie einer beispielhaften Doppel-Leitschaufel in dem Turbinenleitapparat
der ersten Stufe, der in den 1 und 2 dargestellt ist,
und zeigt Leitschaufel-Druckseiten
von deren Anströmkanten
aus gesehen.
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4 ist
eine Isometrie der in 3 dargestellten beispielhaften
Doppel-Leitschaufel und zeigt Saugseiten der Leitschaufeln von der
Anströmkante aus.
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5 ist
ein vergrößerter axialer
Schnitt des in 2 dargestellten Turbinendeckbands
entlang der Schnittlinie 5-5.
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6 ist
eine Draufsicht auf beispielhafte Duplex-Segmente des in 5 dargestellten
Turbinendeckbands entlang der Schnittlinie 6-6.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In 1 ist
ein Abschnitt eines Gasturbinentriebwerks 10 dargestellt,
der achsensymmetrisch zu einer Längsachse
oder axialen Mittellinie ist. Das Triebwerk umfasst einen mehrstufigen
Axialverdichter 12 zur Verdichtung von Luft 14.
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Eine
Ringbrennkammer 16 ist stromab des Verdichters installiert
und mischt die Druckluft 14 mit Brennstoff, der entzündet wird,
um heiße
Verbrennungsgase 18 zu erzeugen.
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Die
Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer in einen ringförmigen Turbinenleitapparat 20 der
ersten Stufe der HDT ausgelassen, der die Gase wiederum in eine
Reihe Turbinenlaufschaufeln 22 der ersten Stufe direkt
hinter dem Leitapparat leitet. Die Laufschaufeln sind auf geeignete
Weise an dem Umfang einer tragenden Rotorscheibe angebracht, die
wiederum mit dem Rotor des Verdichters 12 verbunden ist,
der während
des Betriebs von den Turbinenlaufschaufeln angetrieben wird.
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Die
Turbinenschaufeln umschließt
ein ringförmiges
Turbinendeckband 24, das auf herkömmliche Weise an einem umschließenden Turbinengehäuse 26 angebracht
ist.
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Die
NDT (zum Teil gezeigt) befindet sich stromab der HDT und umfasst
einen Turbinenleitapparat (dargestellt), gefolgt von zusätzlichen
Laufschaufeln, die üblicherweise
ein stromauf liegendes Gebläse
(nicht gezeigt) in einer Flugzeugtriebwerks-Konfiguration antreiben. In alternativen
Ausführungsformen
kann die NDT eine externe Antriebswelle für industrielle und Schiffsanwendungen
antreiben.
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Die
in 1 dargestellte Brennkammer 16 umfasst
eine radial äußere Brennkammerauskleidung
und eine koaxiale, radial innere Brennkammerauskleidung, zwischen
denen eine ringförmige Verbrennungszone
definiert ist. Die Auskleidungen erstrecken sich stromab eines ringförmigen Doms und
sind auf geeignete Weise in einem umschließenden Brennkammergehäuse angebracht.
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Der
Brennkammerdom umfasst eine Reihe von Brennstoffeinspritzdüsen 28,
die sich durch mit ihnen zusammenwirkende „Luft-Drallbecher" 30 erstrecken, die ein zerstäubtes Gemisch
aus Brennstoff und Luft in der Brennkammer bereitstellen, das dann auf
geeignete Weise entzündet
wird, um während des
Betriebs die heißen
Verbrennungsgase 18 zu erzeugen.
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Die
Ringbrennkammer 16 umfasst einen ringförmigen Auslass 32 an
ihrem stromab liegenden, hinteren Ende, durch den während des
Betriebs die heißen
Verbrennungsgase 18 ausgelassen werden. Die Reihe Brennstoffeinspritzdüsen 28 ist
an dem stromauf liegenden oder vorderen Dom-Ende der Brennkammer
angeordnet, wobei die einzelnen Einspritzdüsen in Umfangsrichtung um den
Dom herum gleichmäßig zueinander
beabstandet sind.
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Dementsprechend
werden in den Verbrennungsgasen 18, die während des
Betriebs in der Brennkammer erzeugt werden, relativ heiße Strähnen H (in 2 gezeigt)
in Axialrichtung direkt hinter den einzelnen Brennstoffeinspritzdüsen 28 auftreten, wobei
entsprechende relativ kühlere „kalte
Strähnen" C, in Umfangsrichtung
zwischen diesen angeordnet sind. Die heißen und kalten Strähnen werden
daher stromab durch den Turbinenleitapparat 20 strömen, und
danach durch die erste Reihe Turbinenlaufschaufeln 22,
die ihnen Energie entzieht, um die tragende Scheibe zu drehen und
den Verdichter anzutreiben.
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Der
ringförmige
Turbinenleitapparat 20 wird in axialer Ansicht in 1 und
im Draufsicht-Schnitt in 2 gezeigt, im Zusammenwirken
mit der stromauf liegenden Brennkammer 16 und den stromab
liegenden Turbinenschaufeln 22, die das Turbinendeckband 24 umschließt. Der
Leitapparat 20 ist in Umfangsrichtung in eine Reihe Doppel-Leitschaufeln 34 gegliedert,
von denen jede zwei hohle Leitschaufeln 36, 38 umfasst,
die sich radial zwischen einem integrierten äußeren und inneren Band 40, 42 erstrecken.
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Die
ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 wechseln
sich in Umfangsrichtung in einer Reihe ab und definieren so den
Duplex-Leitapparat.
Das äußere und
das innere Band 40, 42 sind in Umfangsrichtung
gekrümmt
und definieren gemeinsam den Gesamtumfang des Leitapparats.
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Die
zwei Leitschaufel- und Bandsegmente können in einem einheitlichen
Guss einstückig
geformt werden oder getrennt hergestellt und auf geeignete Weise
verbunden werden, zum Beispiel durch Löten, um eine einheitliche Komponente
des Leitapparats zu bilden.
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Der
ringförmige
Leitapparat ist in Umfangsrichtung durch entsprechende axiale Trennfugen 44 gegliedert,
die durch übereinstimmende
Endflächen an
den entgegengesetzten Umfangs-Enden des äußeren und inneren Bandes 40, 42 jeder
Doppel-Leitschaufel definiert sind.
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3 zeigt
zwei der Endflächen
mit axialen Schlitzen, in denen herkömmliche Keildichtungen, dargestellt
in der Baugruppe in 2, angeordnet sind. Dementsprechend
definiert die vollständige Reihe
von Doppel-Leitschaufeln und Leitschaufeln einen vollständig ringförmigen Turbinenleitapparat, der
in Umfangsrich tung in dem äußeren und
inneren Band durch die entsprechenden Trennfugen gegliedert ist,
in denen sich die Keildichtungen befinden, um die Kontinuität des Leitapparats
in Umfangsrichtung aufrechtzuerhalten.
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In
der Reihe alternierender erster und zweiter Leitschaufeln 36, 38,
die in den 2 und 3 dargestellt
sind, weisen die Leitschaufeln identische aerodynamische Profile
auf und definieren im Wesentlichen identische Strömungskanäle zwischeneinander.
Zum Beispiel weist jede der Leitschaufeln 36, 38 eine
im Allgemeinen konkave Druckseite 46 und eine in Umfangsrichtung
entgegengesetzte, im Allgemeinen konvexe Saugseite 48 auf,
die sich axial in Sehnenrichtung zwischen einer Anströmkante und einer
entgegengesetzten Abströmkante 50, 52 erstrecken.
Die entgegengesetzten Seiten jeder Leitschaufel erstrecken sich
zwischen dem äußeren und inneren
Band 40, 42 in Spannenrichtung über die
radiale Höher
des Leitapparats.
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Jede
in 2 gezeigte Doppel-Leitschaufel umfasst nur die
zwei Leitschaufeln 36, 38, die einstückig mit
ihren jeweiligen gekrümmten
Bändern 40, 42 verbunden
sind. Die in 2 dargestellte Reihe Turbinenschaufeln 22 rotiert
während
des Betriebs, wobei ihre konvexe Saugseite der gegenüberliegenden konkaven
Druckseite vorangeht.
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Auf
diese Weise ist die erste Leitschaufel 36 jeder Doppel-Leitschaufel als
die Anström-
oder Führungsschaufel
definiert, über
die sich die Turbinenlaufschaufeln bei der Rotation als Erstes hinwegbewegen,
und die zweite Leitschaufel 38 ist als die Folge- oder
Abströmschaufel
jedes Leitapparatsegments definiert.
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Die
Druckseite 46 der ersten Leitschaufel 36 liegt
der Saugseite 48 der zweiten Leitschaufel 38 direkt
gegenüber
und definiert zusammen mit den Bändern
in Umfangsrichtung einen inneren Strömungskanal 54 zwischen
den Schaufeln, der keine Trennfuge aufweist. Die beiden gegenüberliegenden
Schaufelseiten, die den inneren Kanal 54 definieren, werden
dementsprechend auch als innere Leitschaufelseiten bezeichnet.
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Demgemäß sind die
Saugseite 48 der ersten Leitschaufel 36 und die
Druckseite 46 der zweiten Leitschaufel 38 in Umfangsrichtung
nach außen
zu den jeweiligen Endflächen
und axialen Trennfugen 44 der nächsten benachbarten Doppel-Leitschaufel hin
orientiert. Auf diese Weise wirkt die Saugseite 48 der
ersten Leitschaufel 36 mit der Druckseite 46 der zweiten
Leitschaufel 38 in der nächsten Doppel-Leitschaufel
zusammen und definiert gemeinsam mit den Bändern jeweils äußere Strömungskanäle 56 zwischen
den Doppel-Leitschaufeln, in die die jeweiligen axialen Trennfugen 44 einbezogen
sind.
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Die
Saugseite 48 der ersten Leitschaufel und die Druckseite 46 der
zweiten Leitschaufel jeder Doppel-Leitschaufel definieren daher äußere Leitschaufelseiten
und zusammen mit dem jeweiligen äußeren und
inneren Band entsprechende äußere Strömungskanäle, in die
die Trennfugen 44 einbezogen sind, während die inneren Strömungskanäle 54 im
Innern jeder Doppel-Leitschaufel frei von axialen Trennfugen sind.
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Eine
signifikante Leistungsverbesserung des in 2 gezeigten
Duplex-Turbinenleitapparats 20 lässt sich erreichen, indem man
die einzelnen Brennstoffeinspritzdüsen 28 der Brennkammer
in Umfangsrichtung mit entsprechenden äußeren Strömungskanälen 56 koordiniert
bzw. „taktet". Demzufolge ist
keine der Brennstoffeinspritzdüsen 28 mit
einem der inneren Strömungskanäle 54 in
der gesamten Reihe von Doppel-Leitschaufeln abgestimmt bzw. in Umfangsrichtung
koordiniert.
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Diese
Taktung oder Koordinierung in Umfangsrichtung der Leitapparat-Kanäle mit den
Brennstoffeinspritzdüsen
ist leicht zu erreichen, indem die doppelte Anzahl Leitschaufeln 36, 38 wie
Brennstoffeinspritzdüsen 28 verwendet
wird und die Doppel-Leitschaufeln 34 fest eingebaut werden,
sodass die äußeren Kanäle 56 stromab
axial mit entsprechenden Brennstoffeinspritzdüsen 28 koordiniert sind.
Dementsprechend sind die inneren Strömungskanäle 54 stromab axial
mit in Umkreisrichtung in der Mitte liegenden Punkten zwischen zwei
beliebigen benachbarten Brennstoffeinspritzdüsen 28 koordiniert.
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Die
Taktung der Reihe Brennstoffeinspritzdüsen 28, die während des
Betriebs die heißen
Strähnen
erzeugen, mit der Reihe Leitschaufeln 36, 38 ermöglicht eine
bevorzugte Kühlung
einzelner Leitschaufeln mit abweichender Leistung, um die begrenzte
Menge unter Druck stehender Kühlluft
besser zu nutzen, die von dem Verdichter abgezapft wird.
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Genauer
gesagt, besitzt jede der in den 1–3 gezeigten
ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 einen
ersten und entsprechend einen zweiten Kühlkreislauf 58, 60 zur
bevorzugten Kühlung
der Schaufelseiten. Die zwei Kühlkreisläufe 58, 60 können gemeinsame
Merkmale aufweisen, sind aber auf geeignete Weise für die unter-schiedliche
Kühlung
der verschiedenen Seiten der unterschiedlichen ersten und zweiten
Leitschaufeln, die die inneren und äußeren Strömungskanäle begrenzen, abgeändert.
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Zu
den gemeinsamen Merkmalen der beiden Kühlkreisläufe 58, 60 zählen der
vordere und hintere Hohlraum in jeder Leitschaufel, die durch eine
nicht unterbrochene Brücke
oder Rippe getrennt sind, die einstückig mit den einander gegenüberliegenden Schaufelseiten
gegossen ist. Die beiden Hohlräume werden
während
des Betriebs auf geeignete Weise mit Druckluft 14 aus dem
Verdichter gespeist, um sie mit Kühlluft zu versorgen.
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Jede
Leitschaufel kann im Innern ein Paar herkömmlicher perforierter Prallbleche
zur Verstärkung
der internen Prallkühlung
der Leitschaufeln aufweisen.
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Ein
weiteres gemeinsames Merkmal der Kühlkreisläufe 58, 60 ist
eine Vielzahl konventioneller Filmkühllöcher 62, die durch
die jeweiligen Druck- und Saugseiten jeder der zwei Schaufeln jeder
Doppel-Leitschaufel verlaufen, um die verbrauchte Kühlluft austreten
zu lassen. Typische Filmkühllöcher sind in
einem flachen Neigungswinkel geneigt und lassen unter Druck stehende
Kühlluft,
die eine wärmedämmende Luftschicht über der
Außenfläche der
Schaufel bildet, in einem flachen Austrittswinkel austreten.
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Obwohl
den Doppel-Leitschaufeln 36, 38 die üblichen
Filmkühllöcher 62 gemeinsam
sind, sind diese Löcher
bevorzugt in unterschiedlichen ersten und zweiten Mustern in den
jeweiligen ersten und zweiten Kühlkreisläufen 58, 60 angeordnet.
Insbesondere sind die Filmkühllöcher 62 in
den zwei Leitschaufeln 36, 38 so angeordnet, dass
die Kühlstromdichte
entlang den äußeren Kanälen 56 höher ist
als entlang den inneren Kanälen 54.
Ferner können
die Löcher 62 auch
so angeordnet sein, dass die Kühlstromdichte
in der Nähe
eines oder beider Bänder 40, 42 höher ist
als entlang dem Mittelfeld-Bereich der Leitschaufeln.
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Die
Kühlstromdichte
ist definiert als der Kühlstrom
pro Flächeneinheit,
beispielsweise in den Schaufel-Seitenwänden. Die begrenzte Menge von dem
Verdichter abgezapfter, unter Druck stehender Kühlluft 14 wird durch
die verschiedenen Triebwerkskomponenten verteilt, um diese selektiv
zu kühlen.
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Die
Kühlung
erfolgt durch jedes einzelne Kühlloch
und ist eine Funktion des Strömungsdurchmessers
des Loches und der Verteilung der Löcher durch seitliche Beabstandung.
Größere Löcher, die mehr
Kühlstrom
transportieren, verstärken örtlich die Küh lung. Mehr
Kühllöcher in
einer Flächeneinheit verstärken ebenfalls
die örtliche
Kühlung.
Die Verwendung von mehr Kühlluft
verringert jedoch entsprechend den Gesamt-Wirkungsgrad des Triebwerks,
da die aus dem Verdichter abgezapfte Kühlluft nicht für den Verbrennungsprozess
genutzt wird.
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Demzufolge
kann durch die bevorzugte Umverteilung der begrenzten Anzahl von
Kühllöchern in dem
Turbinenleitapparat die begrenzte Menge an Kühlluft dem unterschiedlichen
Wärmestrom
von den Verbrennungsgasen besser angepasst werden.
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Da
die heißen
Strähnen
H stromab von entsprechenden Brennstoffeinspritzdüsen 28 koordiniert oder
abgestimmt sind, dargestellt in 2, sind
bevorzugt die äußeren Kanäle mit ihnen
abgestimmt. Da die kalten Strähnen
C versetzt in der Mitte zwischen benachbarten Brennstoffeinspritzdüsen 28 angeordnet
sind, sind die inneren Strömungskanäle 54 bevorzugt
zu diesen ausgerichtet.
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Die
Taktung kann durch eine gleiche Anzahl A von Brennstoffeinspritzdüsen 28 und
Doppel-Leitschaufeln 34 bewirkt werden, wobei die Gesamtzahl B
der Leitschaufeln 36, 38 in der vollständigen Reihe genau
das Doppelte der Anzahl von Brennstoffeinspritzdüsen ist (B = 2A).
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Diese
Taktungs-Konfiguration des Duplex-Turbinenleitapparats 20 mit
den Brennstoffeinspritzdüsen 28 der
Brennkammer stellt sicher, dass die heißen Strähnen die äußeren Kanäle und die kalten Strähnen die
mit ihnen abwechselnden inneren Kanäle passieren.
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Dementsprechend
kann dann die begrenzte Anzahl von Filmkühllöchern 62 in den Doppel-Leitschaufeln 36, 38 so
umverteilt werden, dass statt herkömmlicher und in allen Leitschaufeln
gleicher Verteilungen unterschiedliche Verteilungen mit höherer Kühlstrom dichte
an der Grenze der äußeren Kanäle 56,
durch die die heißen
Strähnen
strömen,
und geringerer Kühlstromdichte
an der Grenze der inneren Kanäle,
durch die die kalten Strähnen
strömen,
entstehen.
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Auf
diese Weise wird bevorzugt in den äußeren Kanälen mehr Kühlluft zum Schutz gegen die
höheren
Wärmelasten
durch die heißen
Strähnen
genutzt, während
in den inneren Kanälen
weniger Kühlluft
gebraucht wird, da die kalten Strähnen einen geringeren Wärmestrom
erzeugen. Die resultierende bevorzugte Kühlung der Doppel-Leitschaufel
kann deren thermische Beanspruchung reduzieren, die Haltbarkeit
verbessern oder eine Reduzierung der gesamten von dem Verdichter
zur Kühlung
des Turbinenleitapparats abgezweigten Luftmenge ermöglichen.
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Außerdem wird
in den äußeren Kanälen eine größere Durchflussmenge
verbrauchter Kühlluft
aus den Kühllöchern ausgelassen
als in den inneren Kanälen,
wodurch die Temperaturänderung
in Umfangsrichtung der durch den Leitapparat ausgelassenen Verbrennungsgase
deutlich reduziert werden kann. Da außerdem zusätzliche Kühlluft an den herkömmlichen
Keildichtungen in den Leitapparat-Trennfugen 44 vorbei entweicht,
kann eine zusätzliche
Verdünnung
der heißen
Strähnen
erreicht und die Temperaturabweichung der Verbrennungsgase in Umfangsrichtung
begrenzt werden.
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Beispielhafte
Verteilungen der Filmkühllöcher 62 in
den verschiedenen Kühlkreisläufen 58, 60 sind
in den 3 und 4 dargestellt. Ein zusätzlicher
Vorteil der unterschiedlichen Verteilungen liegt in der Fähigkeit,
eine höhere
Kühlstromdichte
in der Nähe
des radial äußeren und/oder
inneren Bandes 40, 42 des Duplex-Leitapparats
im Verhältnis
zu den entsprechenden Mittelfeld-Bereichen der Leitschaufeln zu
erhalten. Auf diese Weise kann auch das radiale Temperaturprofil
der Verbrennungsgase in Verbindung mit dem Temperaturprofil in Umfangsrichtung
variiert werden.
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1 zeigt
schematisch das typische parabolische Temperaturprofil T, mit mittiger
Spitze, der aus dem ringförmigen
Auslass 32 der Brennkammer ausgelassenen Verbrennungsgase.
Die radial zentrierte Spitze wird bevorzugt, um die Temperatur und den
Wärmestrom
der Verbrennungsgase in der Nähe des
radial äußeren und
inneren Bandes zu reduzieren.
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Die
Spitze der ausgelassenen Verbrennungsgase kann jedoch radial auswärts zum äußeren Band
hin oder radial einwärts
zum inneren Band hin verzerrt sein, was von der speziellen Konstruktion des
Triebwerks abhängt.
Bei noch anderen Konstruktionen kann die Spitze auch weniger ausgeprägt und in
der Nähe
des Mittelfelds flacher sein.
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Demgemäß kann die
Umverteilung der finiten Anzahl der Filmkühllöcher 62 in dem Duplex-Turbinenleitapparat
zusätzlich
vorteilhaft genutzt werden, um das radiale Profil der aus der Brennkammer ausgelassenen
Verbrennungsgase abhängig
von der speziellen Triebwerkskonstruktion maßzuschneidern bzw. zu regulieren.
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Die 3 und 4 zeigen
schematisch repräsentative
Bereiche oder Zonen entlang den entgegengesetzten Druck- und Saugseiten
der beiden Leitschaufeln 36, 38 jeder Doppel-Leitschaufel.
Die Mittelfeld-Bereiche M1, 2 finden sich auf den jeweiligen Druckseiten
der zwei Leitschaufeln 36, 38, und die entsprechenden
Mittelfeld-Bereiche M3, 4 finden sich entsprechend auf den entgegengesetzten
Saugseiten der beiden Leitschaufeln 38,36. Die
Mittelfeld-Bereiche umfassen das radiale Mittelfeld jeder Leitschaufel
und erstrecken sich radial einwärts
bis zu circa 30 Prozent Spannenhöhe
vom inneren Band aus und radial auswärts bis zu circa 70 Prozent
von dem inneren Band aus, bzw. bis zu circa 30 Prozent von dem äußeren Band
aus.
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Dementsprechend
besitzen die beiden Leitschaufeln 36, 38 Fuß-Zonen
bzw. -Bereiche R1, 2 auf ihren Druckseiten und Fuß- Bereiche
R3, 4 auf ihren Saugseiten, die das untere Ende der Mittelfeld-Bereiche
an den Fuß-Enden
der Leitschaufeln begrenzen.
-
Die
zwei Leitschaufeln umfassen auch jeweilige Spitzen-Bereiche T1, 2 auf
den Druckseiten und T3, 4 auf den Saugseiten, die das äußere Ende
der Mittelfeld-Bereiche unterhalb der äußeren Bänder 40 begrenzen.
-
Auf
diese Weise weist jede der Duplex-Leitschaufeln 36, 38 drei
allgemeine Bereiche auf jeder ihrer beiden Seiten auf, die mit den
im Allgemeinen großen
Mittelfeld-Bereichen, begrenzt durch die relativ kleinen Fuß- und Spitzen-Bereiche,
die an das jeweilige innere und äußere Band
anschließen, übereinstimmen.
-
Die 3 und 4 zeigen
außerdem
schematisch eine beispielhafte Ausführungsform, in der eine gegebene
Anzahl der Filmkühllöcher 62 in
den zwei Leitschaufeln jeder Doppel-Leitschaufel umverteilt werden
kann – von
ansonsten identischen Verteilungsmustern auf deren jeweiligen Druck-
und Saugseiten, wie man sie in herkömmlichen Triebwerken findet,
zu anderen Verteilungen – um
die Anpassung an den unterschiedlichen Wärmestrom von den heißen und
kalten Strähnen
während
des Betriebs zu verbessern.
-
Grundsätzlich können Filmkühllöcher 62 von der
Druckseite der Führungs-Leitschaufel 36 zu
der Druckseite der Folge-Leitschaufel 38 umverteilt werden,
um deren Kühlstromdichte
zu erhöhen,
während die
Kühlstromdichte
auf der Führungs-Leitschaufel verringert
wird.
-
Dementsprechend
zeigt 4 die Umverteilung der Filmkühl löcher 62 von der Saugseite
der Folge-Leitschaufel 38 zu der jeweiligen Saugseite der Führungs-Leitschaufel 36,
um deren Kühlstromdichte zu
erhöhen,
während
die der Folge-Leitschaufel verringert wird.
-
Auf
diese Weise liefern die umverteilten Filmkühllöcher 62, die die äußeren Strömungskanäle 56 begrenzen,
eine höhere
Kühlstromdichte
als diejenigen, die die inneren Strömungskanäle 54 begrenzen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Filmkühllöcher 62 über einen
Mittelfeld-Bereich M2 der Druckseite 46 der zweiten Leitschaufel 38 verteilt
und weisen eine höhere
Kühlstromdichte
auf als ein entsprechender Mittelfeld-Bereich M1 der Druckseite 46 der
ersten Leitschaufel 36. Die Filmkühllöcher 62 sind ferner über einen
Mittelfeld-Bereich M4 der Saugseite 48 der ersten Leitschaufel 36 verteilt
und weisen eine höhere
Kühlstromdichte
auf als ein entsprechender Mittelfeld-Bereich M3 der Saugseite 48 der
zweiten Leitschaufel 38.
-
Außerdem können die
Löcher 62 ferner über die
Fuß-Bereiche
R1–4 oder
die Spitzen-Bereiche T1–4
der zwei Leitschaufeln 36, 38 verteilt sein und eine
höhere örtliche
Kühlstromdichte
aufweisen als deren jeweilige Mittelfeld-Bereiche M1–4.
-
In
der beispielhaften Ausführungsform,
die in den 3 und 4 gezeigt
wird, sind die Filmkühllöcher 62 sowohl über die
Fuß- als
auch über
die Spitzen-Bereiche R, T, 3, 1 der Saugseite 48 der ersten
Leitschaufel 36 und der Druckseite 46 der zweiten
Leitschaufel 38 verteilt und weisen eine höhere Kühlstromdichte
auf als über
deren Mittelfeld-Bereichen M4, 2. Dies stimmt mit den äußeren Strömungskanälen 56 überein,
die die heißen
Strähnen
begrenzen.
-
Dementsprechend
sind die Filmkühllöcher 62 auch über sowohl
die Fuß-
als auch die Spitzen-Bereiche R, T, 2, 4 der Druckseite 46 der
ersten Leitschaufel 36 und der Saugseite 48 der
zweiten Leitschaufel 38 verteilt und weisen eine höhere Kühlstromdichte
auf als über
deren entsprechenden Mittelfeld-Bereichen M1, 3. Dies stimmt mit
den inneren Strömungskanälen 54 überein,
die die kalten Strähnen
begrenzen.
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3 zeigt
schematisch, dass die begrenzte Anzahl der ursprünglich vorgesehenen Filmkühllöcher 62 auf
der Druckseite 46 der Führungs-Leitschaufel 36 bevorzugt
zum Teil zu einer der drei Zonen M2, R1, T1 auf der entsprechenden
Druckseite der Folge-Leitschaufel 38 und
sogar zum Teil zu den Fuß-
und Spitzen-Bereichen
R2, T2 der Druckseite 46 der Führungs-Leitschaufel 36 selbst
umverteilt werden kann.
-
Dementsprechend
zeigt 4 schematisch, dass die begrenzte Anzahl der ursprünglich vorgesehenen
Filmkühllöcher 62 auf
der Saugseite 48 der Folge-Leitschaufel 38 zum
Teil zu der entsprechenden Saugseite 48 der Führungs-Leitschaufel 36 und je
nach Wunsch in deren Mittelfeld-, Fuß- und Spitzen-Bereiche M4,
R3, T3 umverteilt werden kann. Einige dieser Löcher können sogar zu den entsprechenden
Fuß- und
Spitzen-Bereichen R4, T4 der Saugseite 48 der Folge-Leitschaufel 38 selbst
umverteilt werden.
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Da
typische Filmkühllöcher einen
nominalen Strömungs-Durchmesser von circa
15–20
mils (0,38–0,51
mm) aufweisen, ordnet man bevorzugt deren Verteilung neu, anstatt
ihren Strömungs-Durchmesser örtlich zu
vergrößern. Bei
alternativen Konstruktionen kann jedoch der Strömungs-Durchmesser der einzelnen
Filmkühllöcher variiert
werden, um die gewünschte,
oben offenbarte Kühlstromdichte
zu erzielen.
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Jedoch
wird in der bevorzugten Ausführungsform,
die in den 3 und 4 dargestellt
ist, die Kühlstromdichte
bevorzugt durch die Menge oder Anzahl gleich großer Filmkühllöcher 62 pro Flächeneinheit
reguliert, wobei eine größere Anzahl
der Löcher 62 dafür benutzt
wird, um den Kühlstrom
durch sie zu vergrößern und
so die höhere
Kühlstromdichte zu
bewirken. Die örtlich
größere Menge
von Filmkühllöchern 62 in
den oben offenbarten bevorzugten Bereichen kann erreicht werden,
indem man einige der Filmkühllöcher aus
den jeweiligen Mittelfeld-Bereichen M1, 3 entfernt, die die inneren
Strömungskanäle begrenzen,
durch die die kalten Verbrennungssträhnen während des Betriebs strömen.
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Die 3 und 4 zeigen
auch die bevorzugte Ausrichtung oder Neigung der Filmkühllöcher 62,
die durch die dünnen
Seitenwände
der Druck- und Saugseiten der Leitschaufeln geneigt verlaufen. Die
einzelnen Löcher 62 selbst
sind üblicherweise
zylinderförmig,
mit kleinem Durchmesser, und in flachen Neigungswinkeln geneigt,
die zu ovalen oder elliptischen Auslässen auf der Außenfläche der
Leitschaufeln führen,
im Gegensatz zu einem kreisförmigen
Auslass als Folge eines senkrechten oder normalen Lochs.
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Dementsprechend
verlaufen die Filmkühllöcher 62 in
den Mittelfeld-Bereichen M1–4
auf beiden Seiten jeder Leitschaufel 36, 38 bevorzugt
in einem Winkel oder geneigt nach hinten, in Sehnenrichtung zwischen
den An- und Abströmkanten,
und bilden im Allgemeinen horizontale ovale Auslässe, die die Kühlluft 14 axial
nach hinten auslassen.
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Im
Gegensatz dazu sind die Filmkühllöcher 62 in
den Fuß-
und Spitzen-Bereichen R1–4,
T1–4 auf
beiden Seiten beider Leitschaufeln 36, 38 bevorzugt
radial in Spannenrichtung geneigt, mit vertikalen ovalen Auslässen, die
im Allgemeinen senkrecht zu den horizontalen ovalen Auslässen der
Mittelfeld-Filmkühllöcher verlaufen.
Die Fuß-
und Spitzen-Löcher 62 können auch
zum Teil vertikal und zum Teil im Winkel nach hinten verlaufen,
um eine zu sammengesetzte Neigung zu erzielen und die verbrauchte
Kühlluft
sowohl nach hinten und radial auswärts zu dem äußeren Band als auch radial
einwärts zu
dem inneren Band auszulassen.
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Bevorzugt
verlaufen die Filmkühllöcher 62 in den
vier Spitzen-Bereichen T1–4
der zwei Leitschaufeln 36, 38 im Winkel nach oben
zu dem äußeren Band 40,
um die verbrauchte Kühlluft
von dort radial nach außen
auszulassen. Die Filmkühllöcher 62 in den
vier Fuß-Bereichen
R1–4 verlaufen
bevorzugt im Winkel nach unten zu dem inneren Band 42,
um die verbrauchte Kühlluft
von dort radial nach innen auszulassen.
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Auf
diese Weise kann der beträchtliche
Impuls der Strahlen verbrauchter Kühlluft, die aus den Filmkühllöchern 62 in
den Fuß- und Spitzen-Bereichen
jeder Leitschaufel ausgelassen wird, zusätzlich zur Verdünnung der
Verbrennungsgase genutzt werden, die durch die Strömungskanäle 54, 56 geleitet werden,
und ferner deren radiales Temperaturprofil regulieren. Insbesondere
kann die örtliche
Zunahme verbrauchter Kühlluft
in der Nähe
des äußeren und inneren
Bandes dazu genutzt werden, die Steigung des radialen Temperaturprofils
T in 1 zu erhöhen,
indem die Temperatur der Verbrennungsgase in der Nähe des begrenzenden
inneren und äußeren Bandes örtlich reduziert
wird.
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In
der in 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform umfassen die zwei
Kühlkreisläufe 58, 60 für die zwei
Leitschaufeln 36, 38 bevorzugt auch ähnliche
Muster aus „Duschkopf"-Filmkühllöchern (showerhead
film cooling holes) 64 entlang den jeweiligen Anströmkanten 50.
Drei beispielhafte radiale Reihen oder Spalten der „Duschkopf"-Löcher 64 sind schematisch
dargestellt und stehen stellvertretend für jede geeignete Anzahl von
Spalten für
spezielle Turbinenkonstruktionen, je nach Wunsch.
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Die „Duschkopf"-Löcher 64 lassen
verbrauchte Kühlluft
in die einfallenden Verbrennungsgase aus und sorgen für eine verstärkte örtliche
Kühlung
der Anströmkante
selbst.
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Die „Duschkopf"-Löcher 64 in
der Nähe
des äußeren Bandes 40 verlaufen
bevorzugt im Winkel nach oben, mit vertikalen ovalen Auslässen, während die „Duschkopf"-Löcher 64 in
der Nähe
des inneren Bandes 42 bevorzugt im Winkel nach unten verlaufen und
vertikale ovale Auslässe
aufweisen. Auf diese Weise können
die Kühlluft-Strahlen,
die entlang der Anströmkante
ausgelassen werden, zusätzlich
vorteilhaft genutzt werden, um das radiale Profil der Verbrennungsgase
weiter zu regulieren, indem diese Gase in der Nähe des äußeren und inneren Bandes örtlich verdünnt oder
gekühlt
werden.
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3 zeigt
auch eine Reihe druckseitiger Abströmkanten-Auslassöffnungen, die jede herkömmliche
Gestaltung aufweisen können
und üblicherweise
entlang der gesamten Anströmkante,
vom Fuß bis
zur Spitze der Leitschaufeln, identisch bzw. einheitlich sind. Da
die Abströmkanten-Löcher sich an
den Hinterenden der Leitschaufeln befinden, haben sie wenn überhaupt
nur eine geringe Auswirkung auf das radiale Temperaturprofil der
Verbrennungsgase.
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Dementsprechend
können
die Filmkühllöcher 62 entlang
beiden Seiten jeder Leitschaufel dafür genutzt werden, bevorzugt
die Leitschaufeln zu kühlen,
und bevorzugt sowohl das Umfangs- als auch das radiale Temperaturprofil
der Verbrennungsgase zu regulieren, während diese durch die inneren
und äußeren Strömungskanäle 54, 56 strömen. Die „Duschkopf"-Löcher 64 der
Anströmkante
können ebenfalls
vorteilhaft genutzt werden, um das radiale Temperaturprofil der
Verbrennungsgase weiter zu regulieren.
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Da
die beiden Leitschaufeln und beide Bänder die Strömungskanäle 54, 56 begrenzen,
kann eine zusätzliche
Verbesserung durch die Einführung unterschiedlicher
Muster aus Band-Kühllöchern 66 erreicht
werden, die radial durch das äußere und
innere Band 40, 42 verlaufen, bevorzugt in der
Nähe von
deren Anströmkanten,
die mit den Anströmkanten
der Leitschaufeln übereinstimmen.
Die Band-Löcher 66 werden
mit Druckluft 14 versorgt, die auf geeignete Weise dem
Verdichter abgezapft und getrennt zu den beiden Bändern geleitet
wird. Die Muster der Band-Löcher 66 werden
mit dem Zweck ausgewählt,
entlang den äußeren Strömungskanälen 56 eine
größere Kühlstromdichte
zu bewirken als entlang den inneren Strömungskanälen 54 in der Nähe der Leitschaufel-
und Band-Anströmkanten.
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Die
Band-Löcher 66 sind
beispielsweise bevorzugt entlang den Anströmkanten der Bänder verteilt,
in größerer Anzahl
auf der Saugseite 48 der Führungs-Leitschaufeln 36 als
auf ihrer Druckseite 46. Die Anzahl der Band-Löcher 66 ist
auch auf der Druckseite 46 der Folge-Leitschaufeln 38 größer als auf
deren Saugseiten 48.
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3 zeigt
schematisch vier Zonen B1–4 entlang
der Anströmkante
des äußeren Bandes 40, die
mit den entgegengesetzten Druck- und Saugseiten der zwei Leitschaufeln übereinstimmen,
sowie vier Zonen B5–8
entlang der Anströmkante
of des inneren Bandes 42, die wiederum mit den entgegengesetzten
Seiten der zwei Leitschaufeln übereinstimmen.
-
In
einer herkömmlichen
Konfiguration, die ähnliche
Band-Löcher 66 nutzt,
würden
derartige Löcher
aufgrund der Forderung nach Einheitlichkeit der Konfiguration und
der Auslegung der Kühlung
identische Muster oder Verteilungen auf entgegengesetzten Seiten
der zwei Leitschaufeln und entlang des äußeren und inneren Bandes aufweisen.
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Indem
jedoch die inneren und äußeren Strömungskanäle 54, 56 wie
oben beschrieben mit den kalten und heißen Strähnen ausgerichtet werden, können die
Muster der Band-Löcher 66 bevorzugt geändert werden,
um die örtliche
Kühlung
der Bänder selbst
zu verbessern und außerdem
das Temperaturprofil der Verbrennungsgase zu regulieren.
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3 zeigt
schematisch, dass die Band-Löcher 66 bevorzugt
von den inneren Strömungskanälen 54 zu
den äußeren Strömungskanälen 56 umverteilt
werden können,
um die Kühlstromdichte
um die entsprechenden heißen
Strähnen
zu erhöhen.
Die Band-Löcher 66 können von
der Saugseite der Folge-Leitschaufel 38 zu deren Druckseite
umverteilt werden, zwischen den entsprechenden Zonen B1–2 und B5–6 an beiden
Bändern.
Die Band-Löcher 66 können außerdem auch
in den entsprechenden Band-Zonen B3–4 und B7–8 an beiden Bändern von der
Druckseite der Führungs-Leitschaufel 36 zu
deren Saugseite umverteilt werden.
-
Auf
diese Weise kann die Anzahl der Band-Löcher 66, wie die Anzahl
der Filmkühllöcher 62,
in den äußeren Strömungskanälen örtlich vergrößert werden
und in den inneren Strömungskanälen 54 örtlich verringert
werden, um eine Anpassung an den unterschiedlichen Wärmestrom
der heißen
und kalten Verbrennungssträhnen
zu erreichen.
-
Durch
die oben beschriebene Taktung der inneren und äußeren Strömungskanäle mit den stromauf liegenden
Brennstoffeinspritzdüsen
kann die begrenzte Anzahl der verschieden geformten Kühllöcher in
dem Turbinenleitapparat selbst bevorzugt umverteilt werden, um nicht
nur die Kühlleistung
des Turbinenleitapparats selbst zu verbessern, sondern auch das
Temperaturprofil der Verbrennungsgase zu regulieren und so die thermodynamische
Leistung in stromab liegenden Turbinenstufen zu verbessern.
-
Wie
zu Anfang in den 1 und 2 gezeigt,
werden die Verbrennungsgase bevorzugt durch die Turbinenleitapparat-Leitschaufeln 36, 38 in die
stromab liegende Stufe der Turbinenlauf schaufeln 22 geleitet,
die den Verbrennungsgasen Energie entziehen. Da die Turbinenschaufeln
während
des Betriebs rotieren, vermischen sie die heißen und kalten Strähnen, während sie
gleichzeitig die Vorteile von deren örtlich niedrigerer Temperatur
in der Nähe der
radial inneren und äußeren Grenzen
des Strömungswegs
nutzen.
-
Die 5 und 6 stellen
das Duplex-Turbinendeckband 24 detaillierter dar, das bevorzugt
mit dem Duplex-Turbinenleitapparat 20 zusammenwirkt, wobei
beide, wie oben beschrieben, mit den heißen und kalten Verbrennungsgassträhnen koordiniert sind.
-
2 zeigt,
dass die ersten Deckbandsegmente 68 jeweils mit den äußeren Strömungskanälen 56 koordiniert
sind, um aus diesen die heißen
Verbrennungssträhnen
H aufnehmen. Die zweiten Deckbandsegmente 70 wechseln sich
in Umfangsrichtung mit den ersten Segmenten 68 ab und sind
jeweils mit den inneren Strömungskanälen 54 koordiniert,
um aus diesen die kalten Verbrennungssträhnen C aufzunehmen.
-
Die
Verbrennungsgase treten aus den schrägen Leitschaufeln 36, 38 in
dem schiefen Drallwinkel aus. Die entsprechenden Deckbandsegmente 68, 70 sind
in Umfangsrichtung mit den Leitschaufeln koordiniert, sodass die
heißen
Strähnen
H innerhalb der Grenzen der ersten Segmente 68 und die
kalten Strähnen
C innerhalb der Grenzen der zweiten Segmente 70 strömen.
-
Die
Deckbandsegmente 68, 70 können eine identische Konfiguration
und Größe sowie
vordere und hintere Haken aufweisen, die die Segmente auf geeignete
Weise an entsprechenden von dem Außengehäuse 26 ausgehenden
Hängern
befestigen, wie es in 5 auf herkömmliche Weise dargestellt ist.
-
Die
Deckbandsegmente 68, 70 können außerdem identische Kühl- Konfigurationen aufweisen, soweit
diese nicht modifiziert wurden, um sie an die unterschiedlichen
heißen
und kalten Strähnen
anzupassen, die von den Segmenten eingegrenzt werden.
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Genauer
gesagt, weisen die ersten und zweiten Deckbandsegmente 68, 70 übereinstimmende Muster
aus Kühllöchern auf,
die radial durch sie verlaufen und erste und entsprechend zweite
geneigte Filmkühllöcher 72, 74 umfassen.
Die ersten Kühllöcher 72 sind
in einer Reihe zwischen an einer Trennfuge endenden Segmentenden
angeordnet und auf einen Bereich stromauf und unterhalb des vorderen Hakens
der ersten Segmente 68 ausgerichtet.
-
In
gleicher Weise sind die zweiten Kühllöcher 74 in einer Reihe
zwischen an einer Trennfuge endenden Segmentenden angeordnet und
ebenfalls auf einen Bereich stromauf und unterhalb des vorderen
Hakens der zweiten Segmente 70 ausgerichtet.
-
Auf
diese Weise bilden die ersten und zweiten Kühllöcher 72, 74 die
ersten, stromauf liegenden Reihen kühlenden Schutzes entlang den
Anströmkanten
der Segmente, die sich in Überhänge der
Anströmkanten
der Turbinenlaufschaufeln 22 erstrecken.
-
Die
Reihe erster Löcher 72 in
den ersten Segmenten 68 weist im Vergleich mit der Reihe
zweiter Löcher 74 in
den zweiten Segmenten 70 eine größere Kühlstromdichte auf, um den heißen Strähnen standzuhalten,
während
die geringere Kühlstromdichte
der Reihe zweiter Löcher 74 in
den zweiten Segmenten 70 Schutz gegen die kalten Strähnen bietet.
-
Die
Anzahl erster und zweiter Löcher 72, 74 kann
in den zwei Segmenten gleich sein, beispielsweise neun, wobei der
Strömungs-Durchmesser D der
ersten Löcher 72 auf
geeignete Weise größer ist als
der Strömungs-Durchmesser
E der zweiten Löcher 74.
Der erste Durchmesser D kann am oberen Ende der typischen Spanne
von 15– 25
mil (0,38–0,63 mm)
für die
Deckband-Kühllöcher liegen,
während der
kleinere zweite Durchmesser E am unteren Ende dieser Spanne liegen
kann.
-
Auf
diese Weise verfügen
die ersten Deckbandsegmente 68 über eine höhere Kühlstromdichte entlang ihrer
Anströmkante,
die eine verbesserte Kühlung
gegen den größeren Wärmestrom
von den heißen
Strähnen
H bietet. Die zweiten Löcher 74 entlang
der Anströmkante
der zweiten Segmente 70 verfügen entsprechend über eine
geringere Kühlstromdichte,
die eine wirksame Kühlung
gegen den geringeren Wärmestrom
von den kalten Strähnen
C bietet.
-
Die
begrenzte Menge Kühlluft,
die dem Duplex-Turbinendeckband 24 zugeführt wird,
kann daher bevorzugt über
die Segmente umverteilt werden, die die unterschiedlichen heißen und
kalten Strähnen begrenzen.
-
Die
zwei Segmente 68, 70 können weitere Reihen Filmkühllöcher, wie
beispielsweise die dargestellten zwei Reihen, sowie Eck-Kühllöcher aufweisen,
die gleich ausgebildet sein können,
um auf gleiche Weise den Rest der Deckbandsegmente zu kühlen.
-
Durch
die Anpassung der Gesamtzahl der Deckbandsegmente 68, 70 an
die Gesamtzahl der Leitschaufeln 36, 38, wobei
die Anzahl der Leitschaufeln doppelt so groß ist wie die Anzahl der Brennstoffeinspritzdüsen 28 (schematisch
in 2 dargestellt), können sowohl der Duplex-Turbinenleitapparat 20 und
das Duplex-Turbinendeckband 24 bevorzugt
in Umfangsrichtung mit den Brennstoffeinspritzdüsen 28 koordiniert
werden, um die heißen
Strähnen
H durch die äußeren Strömungskanäle 56 und die
kalten Strähnen
C durch die inneren Strömungskanäle 54 zu
leiten.
-
Indem
der Strom der heißen
und kalten Strähnen
so beschränkt
wird, kann die entsprechende Verteilung der Kühllöcher in dem Leitapparat und dem
Deckband maßgeschneidert
werden, um für eine
verstärkte
Kühlung über den
heißen
Strähnen und
eine verringerte Kühlung über den
kalten Strähnen
zu sorgen. Der Wirkungsgrad der Kühlung wird daher verbessert,
was zu geringeren thermischen Beanspruchungen der Strömungsweg-Komponenten führen kann.
-
Außerdem kann
die Umverteilung der Kühllöcher weiteren
Nutzen bringen, indem sowohl das Umfangs- als auch das radiale Temperaturprofil
der Verbrennungsgase reguliert wird, was einen zusätzlichen
Vorteil für
die verschiedenen, ihm ausgesetzten Turbinenkomponenten darstellt.
-
Während hier
die als bevorzugt und beispielhaft betrachteten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, werden für Fachleute
durch die Lehren hierin andere Abwandlungen der Erfindung ersichtlich
sein, und es wird daher gewünscht,
dass in den angefügten
Patentansprüchen alle
derartigen Abwandlungen geschützt
sind, die unter das wahre Wesen und den wahren Umfang der Erfindung
fallen.
-
Was
dementsprechend durch die Patenturkunde der Vereinigten Staaten
geschützt
werden soll, ist die Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert
und differenziert wird, in denen wir beanspruchen:
-
- 10
- Triebwerk
- 12
- Verdichter
- 14
- Luft
- 16
- Brennkammer
- 18
- Verbrennungsgase
- 20
- Turbinenleitapparat
- 22
- Laufschaufeln
- 24
- Turbinen-Deckband
- 26
- Turbinengehäuse
- 28
- Brennstoffeinspritzdüsen
- 30
- Drallbecher
- 32
- Auslass
- 34
- Doppel-Leitschaufeln
- 36
- erste
Leitschaufeln
- 38
- zweite
Leitschaufeln
- 40
- äußere Bänder
- 42
- innere
Bänder
- 44
- axiale
Trennfugen
- 46
- Druckseite
- 48
- Saugseite
- 50
- Anströmkante
- 52
- Abströmkante
- 54
- innerer
Strömungskanal
- 56
- äußerer Strömungskanal
- 58
- erster
Kühlkreislauf
- 60
- zweiter
Kühlkreislauf
- 62
- Filmkühllöcher
- 64
- „Duschkopf"-Kühllöcher
- 66
- Band-Kühllöcher
- 68
- erste
Deckbandsegmente
- 70
- zweite
Deckbandsegmente
- 72
- erste
Kühllöcher
- 74
- zweite
Kühllöcher