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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und insbesondere Turbinenleitapparate in diesen.
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In einer Gasturbinenmaschine wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und in einer Brennkammer mit einem Brennstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. In einer Hochdruckturbine (HDT) wird den Gasen Energie entzogen, die den Verdichter antreibt. Ferner wird den Gasen in einer Niederdruckturbine (NDT) zusätzliche Energie entzogen, die in einer typischen Turbofan-Flugzeugtriebwerksanwendung einen Bläser antreibt.
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Die HDT enthält einen Turbinenleitapparat der ersten Stufe, der die heißen Verbrennungsgase unmittelbar aus der Brennkammer empfängt. Der Leitapparat enthält eine Reihe von hohlen Statorleitschaufeln, die in einem inneren und einem äußeren Band montiert sind, die zwischeneinander entsprechende Strömungskanäle zur Leitung der Verbrennungsgase in die nachfolgende Reihe von Turbinenrotorschaufeln der ersten Stufe definieren.
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In einer Ausführungsform enthält der Leitapparat einen sich von dem Innenband aus radial nach innen erstreckenden Montageflansch, der den gesamten Leitapparat von einem ringförmigen Rahmen aus trägt. Der Montageflansch definiert einen Hohlraum oder ein Plenum auf seiner Vorderseite, durch den bzw. das Kühlluft in die hohlen Leitschaufeln eingespeist werden kann. Der Montageflansch definiert ferner einen hinteren Hohlraum oder ein hinteres Plenum gemeinsam mit der Laufscheibe der Turbinenlaufschaufeln der ersten Stufe, durch den bzw. das während des Betriebs Spülluft geleitet wird.
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Die hohlen Leitschaufeln weisen in ihnen geeigneten Kühlkreisläufe auf, durch die ein Teil der Verdichterauslassluft zur Kühlung der Leitschaufeln und Bänder während des Betriebs geleitet wird. Die Kühlkreisläufe für den Turbinenleitapparat der ersten Stufe können verschiedene Konfigurationen für unterschiedliche Maschinenanwendungen und Betriebszyklen haben und sind ausgelegt, um die Lebensdauer des Leitapparates zu maximieren.
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Ein kommerzieller Einsatz eines Turbofan-Flugtriebwerks einer Bauart hat erhöhte Betriebstemperaturen in dem Innenband des Turbinenleitapparates der ersten Stufe offenbart, die eine unerwünschte Oxidation von diesem in weniger als den gewünschten Betriebszyklen hervorrufen. Insbesondere hat das hintere Innenband oberhalb des hinteren Spülhohlraums eine thermische Beeinträchtigung gezeigt, die einen frühzeitigen Austausch des Turbinenleitapparates mit entsprechenden Kosten und einer Stillstandszeit des Flugzeugs erfordert.
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Demgemäß ist es erwünscht, die Kühlkonfiguration dieser herkömmlichen Konstruktion zu modifizieren, um ihre Haltbarkeit und Lebensdauer zu verbessern und dabei den Kühlluftbedarf für diese zu minimieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein Turbinenleitapparat enthält eine hohle Leitschaufel, die zwischen einem Innen- und einem Außenband montiert ist. Das Innenband enthält einen Montageflansch zwischen einer vorderen und einer hinteren Lippe. In dem Innenband ist zwischen dem Flansch und der hinteren Lippe eine hintere Tasche angeordnet. Und eine Prallbohrung erstreckt sich durch den Flansch hindurch in die luvseitige Hälfte der Tasche hinein und ist nach hinten zu der gegenüberliegenden leeseitigen Hälfte der Tasche für einen Gleichdrall mit einem Spülstrom während des Betriebs gerichtet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung gemäß bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen ist gemeinsam mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:
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1 zeigt eine zum Teil aufgeschnittene schematisierte Ansicht eines Abschnitts eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks, in dem ein Turbinenleitapparat der ersten Stufe enthalten ist.
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2 zeigt eine flächenförmige Ansicht von oben auf den Turbinenleitapparat und zusammenwirkende Turbinenrotorschaufeln der ersten Stufe, wie sie in 1 veranschaulicht und entlang der Linie 2-2 aufgenommen sind.
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3 zeigt eine Ansicht der Unterseite eines beispielhaften Dubletten-Teils des ringförmigen Turbinenleitapparates, wie er in 1 veranschaulicht ist und aufgenommen im Wesentlichen entlang der Linie 3-3.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Unterseite eines Teils des Innenbandes, wie er in 3 veranschaulicht ist und aufgenommen im Wesentlichen entlang der Linie 4-4.
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5 zeigt eine umgedrehte axiale Schnittansicht durch das Innenband und die hintere Tasche, wie sie in 4 veranschaulicht sind und aufgenommen entlang der Linie 5-5.
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6 zeigt eine Schnittansicht längs des Umfangs durch das Innenband und die hintere Tasche, wie sie in 4 veranschaulicht sind und aufgenommen entlang der Linie 6-6.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 ist in schematisierter Weise ein Abschnitt eines Turbofan-Flugzeuggasturbinentriebwerks 10 veranschaulicht, das um eine Längs- oder axiale Mittellinienachse achsensymmetrisch ist. Das Triebwerk 10 enthält einen mehrstufigen Axialverdichter 12, der während des Betriebs Luft 14 unter Druck setzt. Die Druckluft wird in einer ringförmigen Brennkammer 16, deren hinterer Teil veranschaulicht ist, mit einem Brennstoff vermischt, um während des Betriebs heiße Verbrennungsgase 18 zu erzeugen.
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Das Triebwerk 10 enthält eine zweistufige HDT mit einem Turbinenleitapparat 20 der ersten Stufe, der an dem Auslass der Brennkammer 16 geeignet montiert ist, um während des Betriebs die heißen Verbrennungsgase 18 von dieser unmittelbar aufzunehmen. Direkt nach dem Leitapparat 20 folgt eine Reihe von Turbinenrotorschaufeln 22 der ersten Stufe, die sich von einer tragenden Rotorscheibe 24 aus radial nach außen erstrecken.
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Den Laufschaufeln 22 der ersten Stufe folgen ein Turbinenleitapparat der zweiten Stufe und damit zusammenwirkende Rotorschaufeln der zweiten Stufe, die gemeinsam wirken, um den Rotor des Verdichters 12 während des Betriebs über eine Antriebswelle anzutreiben.
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Der HDT folgt eine NDT, die in einer typischen Turbofan-Flugzeugtriebwerksanwendung einen (nicht veranschaulichten) stromaufwärtigen Bläser antreibt.
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2 zeigt eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt des Leitapparates 20, der mit den stromabwärtigen Rotorlaufschaufeln 22 zusammenwirkt, und 3 zeigt eine im Wesentlichen unterseitige oder untere Ansicht eines entsprechenden Abschnitts des Leitapparates 20.
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Der Turbinenleitapparat ist in Bezug auf die axiale Mittellinienachse des Triebwerks achsensymmetrisch und enthält eine Reihe von hohlen Statorschaufeln 26, die sich zwischen radial innerem und äußerem Band 28, 30 radial nach außen erstrecken. Die Bänder sind gewöhnlich in Umfangsrichtung segmentiert und verbinden integral gegenüberliegende Enden eines Paars der Leitschaufeln 26 in einer entsprechenden Leitapparatdublette.
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Auf diese Weise sind zwei Leitschaufeln an entgegengesetzten Enden mit entsprechenden Innen- und Außenbandsegmenten integral verbunden, und die entsprechenden volle Anzahl von Leitapparatdubletten sind in einer vollständigen Reihe angeordnet, die entsprechende Keilringdichtungen zwischen deren axialen Teilungslinien aufweisen.
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Wie am besten in 3 veranschaulicht, enthält jede Leitschaufel 26 eine im Wesentlichen konkave Druckseite 32 und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende, im Wesentlichen konvexe Saugseite 34. Die beiden Seiten erstrecken sich radial in Spannweitenrichtung zwischen den beiden Bändern und sind mit diesen integral verbunden, und sie erstrecken sich ferner axial in Sehnenrichtung zwischen gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten 36, 38.
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Jede Leitschaufel ist hohl und enthält einen geeigneten inneren Kühlkreislauf 40, um einen Teil der Verdichterauslassdruckluft 14 während des Betriebs durch diesen hindurchzuleiten. In der in den 1 und 2 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform enthält der Kühlkreislauf einen Mittelsehnenteiler oder eine Trennwand, der bzw. die jede Leitschaufel in einen vorderen und einen hinteren Kühlkanal unterteilt. Der vordere Kanal wird mit Kühlluft durch einen Einlass in dem Innenband gespeist, und durch den hinteren Kanal wird Kühlluft durch einen entsprechenden Auslass in dem Außenband geleitet.
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Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, erstrecken sich benachbarte Leitschaufeln 26 in dem Leitapparat radial zwischen den beiden Bänder 28, 30, um entsprechende Strömungskanäle 42 zu definieren, durch die die heißen Verbrennungsgase während des Betrieb in der stromabwärtigen Richtung nach hinten strömen.
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Die innenliegenden Seiten der Bänder 28, 30 und die Außenflächen der Leitschaufeln 26 definieren die entsprechenden Strömungskanäle 42, die die heißen Verbrennungsgase während des Betriebs beschränken. Die einzelnen Leitschaufeln 26 werden mit durch die Kühlkreisläufe 40 geleiteter Druckluft 14 während des Betriebs intern gekühlt. Und die außenliegenden Seiten der beiden Leitapparatbänder sind entsprechend durch Teile der Druckluft 14 gekühlt, die während des Betriebs darüber strömt.
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Insbesondere enthält das in 3 veranschaulichte Innenband 28 eine vordere Lippe 44, die auf der stromaufwärtigen Seite der Leitschaufeln an deren Vorderkanten angeordnet ist, und eine axial gegenüberliegende hintere Lippe 46, die auf der stromabwärtigen Seite der Leitschaufeln an den Hinterkanten angeordnet ist.
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Ein Montageflansch 48 ist zwischen der vorderen und der gegenüberliegenden hinteren Lippe 44, 46 angeordnet und von der hinteren Lippe geeignet beabstandet, um den hinteren Teil des Innenbandes benachbart zu den Turbinenschaufeln der ersten Stufe freitragend zu halten.
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Wie in 1 veranschaulicht, ist der Montageflansch 48 durch Befestigungsmittel mit einem ringförmigen Tragrahmen 50 starr verbunden, um den gesamten Turbinenleitapparat zwischen der Brennkammer und den Turbinenlaufschaufeln zu haltern. Die vordere Auskragung des Innenbandes 28 umgibt ein vorderes Plenum oder einen vorderen Hohlraum 52, das bzw. der einen Teil der Verdichterauslassluft 14 empfängt, die anschließend durch den vorderen Einlass in dem Innenband hindurch in den vorderen Kühlkanal jeder Leitschaufel hineingeleitet wird.
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Die hintere Auskragung des Innenbandes ist nahe neben den Turbinenlaufschaufeln und der tragenden Rotorscheibe angeordnet und umgibt ein hinteres ringförmiges Plenum oder einen hinteren ringförmigen Hohlraum 54, durch das bzw. den ein Teil der Verdichterauslassluft 14 zur Spülung des hinteren Hohlraums während des Betriebs geleitet wird.
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3 veranschaulicht die Unterseite des Innenbandes sowie seinen vorderen und hinteren auskragenden Abschnitt. Insbesondere enthält die vordere Auskragung eine entsprechende vordere Tasche 56 unter jeder der Leitschaufeln und enthält einen zugehörigen Einlass zur Einleitung der Kühlluft in den vorderen Kanal jeder Leitschaufel.
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Die hintere Auskragung des Innenbandes enthält eine zugehörige hintere Tasche 58, die in der radial inneren außen liegenden Seite des Innenbandes unter dem hinteren Ende jeder Leitschaufel vertieft ausgebildet ist. Die hintere Tasche 58 beginnt nahe neben dem Montageflansch 48 und endet axial in der Nähe der hinteren Lippe 46.
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Die hintere Tasche 58 ist im Wesentlichen rechteckig und beginnt nahe neben der entsprechenden axialen Teilungslinie der Leitapparatdublette und endet in Umfangsrichtung in der Nähe der Mitte der Dublette unter Hinterlassung eines umgebenden dicken Stegs ringsherum.
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Auf diese Weise enthält jede Leitschaufel in jeder Leitapparatdublette die vordere Tasche 56 unter dem vorderen Ende der Leitschaufel und die hintere Tasche 58 unter dem hinteren Ende der Leitschaufel, wobei die Taschen entsprechend herkömmlicher Praxis die thermische Masse und das Gewicht des Innenbandes reduzieren.
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Insbesondere weist der Turbinenleitapparat 20, wie er vorstehend beschrieben ist, eine herkömmliche Konfiguration und Funktionsweise auf und ist für mehr als ein Jahr in den USA kommerziell öffentlich genutzt worden. Der Leitapparat ist für eine effiziente Leistung beim Antreiben des Triebwerks entworfen, wobei jedoch die Erfahrung während des Betriebs eine lokale thermische Beeinträchtigung der hinteren Auskragung des Innenbandes 28 aufgedeckt hat. Diese thermische Beeinträchtigung führt zu einer Reduktion der gewünschten Lebensdauer des Leitapparates, so dass hier nachstehend örtlich begrenzte Modifikationen von diesem offenbart sind, die die nutzbare Lebensdauer des Leitapparates, wenn er so modifiziert ist, deutlich, bis zu etwa der dreifachen ursprünglichen Lebensdauer erhöhen können.
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Genauer gesagt, ist jede der hinteren Taschen 58 derart modifiziert, dass sie eine gerade Prallbohrung 60 enthält, die sich durch die Basis des Montageflansches 48 hindurch erstreckt, um einen Teil der unter Druck stehenden Kühlluft 14 aus dem in 1 veranschaulichten vorderen Hohlraum 52 zu der Unterseite des Innenbandes an einer spezifischen Stelle im inneren der hinteren Tasche zur örtlich begrenzten Kühlung von dieser gegen die während des Betriebs erfahrene örtlich begrenzte Erwärmung, die ursprünglich zu der lokalen thermischen Beeinträchtigung führte, abzuleiten. Die Ableitung der Kühlluft durch die entsprechenden Prallbohrungen 60 reduziert entsprechend den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks, wobei dies durch die deutliche Verlängerung der Lebensdauer des Turbinenleitapparates mehr als ausgeglichen wird.
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Eine repräsentative einzelne der Reihe von hinteren Taschen 58 ist in größeren Einzelheiten in 4 veranschaulicht. Jede hintere Tasche 58 ist eine lokale Ausnehmung oder Vertiefung in der außenliegenden oder unterseitigen Oberfläche des Innenbandes 28 zwischen dem Montageflansch 48 und der hinteren Lippe 46. Die hintere Tasche 58 enthält eine vordere Wand 62, die eng benachbart zu dem Montageflansch 48 angeordnet ist, und eine axial gegenüberliegende hintere Wand 64, die eng benachbart zu der hinteren Lippe 46 angeordnet ist, um eine geeignete Dicke dieser hinteren Lippe aufrechtzuerhalten.
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Jede hintere Tasche 58 enthält ferner einen in Umfangsrichtung stromaufwärtigen oder luvseitigen Abschnitt oder eine entsprechende Hälfte 66 und einen in Umfangsrichtung gegenüberliegenden oder stromabwärtigen leeseitigen Abschnitt oder eine entsprechende Hälfte 68, die vorne und hinten von den entsprechenden Endwänden 62, 64 umgeben und in Seitenrichtung von entsprechenden Seitenwänden entlang der umgebenden Stege des Innenbandes umgeben sind.
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Wie zunächst in 2 veranschaulicht, bewirkt die aerodynamische Ausrichtung der Leitschaufeln 26 und der Laufschaufeln 22, dass die Laufschaufeln ihre tragende Scheibe drehen, wobei die konvexen Saugseiten der Laufschaufeln vor den konkaven Druckseiten der Laufschaufeln führen oder vorauseilen. Eine Drehung der Turbinenlaufscheibe der ersten Stufe bewirkt entsprechend eine drallbehaftete Drehbewegung der Spülluft 14 in dem hinteren Hohlraum 54, wie es in 1 veranschaulicht ist.
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Diese sekundäre Drallströmung der Spülluft 14 ist durch den Strömungsrichtungspfeil S, wie er in den 4, 5 und 6 veranschaulicht ist, gekennzeichnet.
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In 4 verläuft die vom Rotor hervorgerufene Drallströmung S von rechts nach links und erreicht zunächst die Saugseite 34 jeder Leitschaufel, und sie verlässt anschließend jede Leitschaufel über deren Druckseite 32 in der Umfangsrichtung.
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Dementsprechend weist jede der hinteren Taschen 58 ihren luvseitigen Abschnitt 66 auf, der sich von der entsprechenden Saugseite 34 der Leitschaufel aus nach außen oder schräg erstreckt und während des Betriebs zuerst die Drallströmung S empfängt. Die verbleibende leeseitige Hälfte 68 jeder hinteren Tasche 58 erstreckt sich in Umfangsrichtung stromabwärts zu der Druckseite 32 der Leitschaufel hin und empfängt zuletzt die Drallluft S, die zunächst von der luvseitigen Hälfte empfangen wurde.
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Dementsprechend sind die entsprechenden Prallbohrungen 60, wie sie in 4 veranschaulicht sind, speziell derart eingeführt, dass sie sich lediglich in die luvseitigen Hälften 66 jeder hinteren Tasche hinein erstrecken und nach hinten zu den hinteren Wänden 64 hin sowie schräg zu den leeseitigen Hälften 68 der zugehörigen hinteren Taschen 58 hin gerichtet sind.
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Auf diese Weise tritt die aus der Prallbohrung 60 ausgegebene Prallluft 14 zunächst in die hintere Tasche 58 auf ihrer in Umfangsrichtung stromaufwärtigen oder windwärtigen Luvseite ein, um eine lokale Strömungsstagnation, wenn der Spülstrom S anfangs über der Tasche strömt, zu reduzieren oder zu eliminieren. Eine Elimination oder Reduktion der lokalen Strömungsstagnation erhöht entsprechend die Kühleffektivität und verringert dadurch die lokale Aufheizung, um die früher beobachtete thermische Beeinträchtigung zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Die Prallbohrung 60 ist am besten in 5 veranschaulicht und enthält einen Einlass 70 auf der Vorderseite der Basis des Montageflansches 48, um einen Teil der Kühlluft 14 aus dem vorderen Hohlraum 52 zu empfangen. Jede Bohrung 60 enthält ferner einen gegenüberliegenden Auslass 72 auf der entgegengesetzten hinteren oder stromabwärtigen Seite des Montageflansches 48 in der Vorderwand 62 der hinteren Tasche 58.
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Die Bohrung 60 verlängert gerade und ist radial nach außen in Richtung auf die hintere Lippe 46 geneigt, um zuerst auf die hintere Tasche in der Nähe der Mitte der luvseitigen Hälfte 66 aufzutreffen, bevor die hintere Wand 64 der hinteren Lippe 46 getroffen wird. Da das Innenband an der hinteren Tasche 58 lokal dünn ist, kühlt ein direkter Aufprall der Kühlluft innerhalb der luvseitigen Hälfte 66 das Innenband effektiver gegen den hohen Wärmestrom der Verbrennungsgase 18, der über der gegenüberliegenden innenliegenden Seite des Bandes strömt.
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Da die hintere Tasche 58, wie sie in 4 veranschaulicht ist, im Wesentlichen rechteckig ist, sind ihre vier Wände oder Seiten vorzugsweise an entsprechenden bogenförmigen Ecken miteinander verbunden, um eine örtlich begrenzte Belastung während des Betriebs zu reduzieren. Und insbesondere ist die Vorderwand 62 mit der Begrenzungswand der luvseitigen Hälfte 66 an einer bogenförmigen Ecke 74 verbunden, während der Bohrungsauslass 72 an dieser Ecke 74 angrenzt, um die luvseitige Einbringung der Prallluft in die hintere Tasche zu maximieren. Auf diese Weise kann eine Strömungsstagnation ausgehend von der in Umfangsrichtung stromaufwärtigen Wand der hinteren Tasche durch den in die Tasche eintretenden Prallluftstrahl deutlich reduziert oder eliminiert werden.
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Der Bohrungsauslass 72 ist vorzugsweise nicht in der bogenförmigen Ecke 74 selbst angeordnet, um eine lokale Vergrößerung unerwünschter Belastung an dieser zu vermeiden.
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4 veranschaulicht eine typische Konfiguration der hinteren Tasche 58, die in der Unterseite des Innenbandes 28 ausgespart ist. Die maximale ausgesparte Tiefe ist in der luvseitigen Hälfte 66 vorzufinden, wobei ein kleiner Absatz sich in der leeseitigen Hälfte erstreckt, der die Tiefe der Aussparung verringert. Dementsprechend ist die Vorderwand 62 relativ kurz oder klein und bietet dadurch wenig Raum für die Einführung der Prallbohrung 60.
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Die Prallbohrung 60 weist vorzugsweise einen Nenndurchmesser von etwa 30 Millizoll (0,76 mm) auf und ist, wie in 5 veranschaulicht, radial aufwärts mit einem Prallwinkel von etwa 20° gegen die hintere Tasche geneigt. Ferner verläuft in 4 der umfangsseitige Neigungswinkel der Prallbohrung 60 im Wesentlichen parallel zu der Seitenwand der luvseitigen Hälfte 66, und er weicht vorzugsweise in der axialen Richtung nach hinten um wenige Grad von diesem ab.
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Angesichts der schmalen vorderen Wand 62 ist der Bohrungsauslass 72 vorzugsweise in dieser vorderen Wand unter Verwendung herkömmlicher Bohrverfahren, wie beispielsweise funkenerosives Bohrverfahren (EDM), angesenkt. Die hintere Lippe 46 des Innenbandes ist relativ dünn, was einen unbeschränkten Sichtlinienzugang für die EDM-Elektrode bei dem flachen Neigungswinkel durch die vordere Wand 62 an der Basis des Montageflansches 48 ermöglicht.
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Der angesenkte Auslass 72 weist vorzugsweise ein divergierendes trichterförmiges Profil auf, um den eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Prallluftstrom lokal zu verbreiten und den Strom seitlich in die luvseitige Hälfte 66 der hinteren Tasche zu verteilen, wie dies schematisiert in 4 veranschaulicht ist.
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Jede der hinteren Taschen 58 enthält vorzugsweise eine einzige Prallbohrung 60, die, wie vorstehend beschrieben, in bevorzugter Weise angeordnet und in bevorzugter Weise geneigt ist, um durch Prallkühlung zunächst die luvseitige Hälfte 66 der hinteren Tasche zu kühlen und eine Stagnationsströmung in dieser zu reduzieren oder zu eliminieren, wobei der Prallstrahl während des Betriebs anschließend nach hinten weiterströmt, um auf die hintere Wand 64 aufzutreffen, während er unter der hinteren Lippe 46 ausgestoßen wird. Die Prallluft divergiert in Seitenrichtung oder Umfangsrichtung während ihrer Strömung entlang der luvseitigen Hälfte 66 und breitet sich auch nach hinten zu der leeseitigen Hälfte 68 aus.
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Demgemäß genießt die Einführung einer einzelnen Prallbohrung 60 in der ansonsten geschlossenen oder hinteren Blindtasche 58 deutliche Verbesserungen bei der örtlich begrenzten Kühlung des Innenbandes bei den relativ kleinen Kosten der durch den Montageflansch hindurch abgeleiteten Prallluft. Die Prallluft kühlt durch Aufprall lokal den tiefsten Teil der hinteren Tasche, wo das Innenband relativ dünn ist. Die Prallluft reduziert oder eliminiert eine Sekundärströmungsstagnation innerhalb der hinteren Tasche, um die Wärmeübertragungseffektivität bei der Kühlung zu verbessern. Ferner setzt die Prallluft die hintere Tasche unter Druck, wodurch sie eine aerodynamische Begrenzung für den sekundären Spülstrom über diese während des Betriebs schafft.
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Demgemäß kann eine deutliche Reduktion der lokalen Temperatur des Innenbandes zur entsprechenden Vergrößerung der nutzbaren Lebensdauer des Leitapparates realisiert werden.
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Jedoch kann die Lebensdauer des Leitapparates mit weiteren örtlich begrenzten Veränderungen des Leitapparataufbaus weiter deutlich verbessert werden.
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Insbesondere definiert, wie in 2 veranschaulicht, jedes Paar von Leitschaufeln 26 den entsprechenden Strömungskanal 42 zwischen den Bändern, der nach hinten zu einem Hals 76 mit minimalem Durchflussbereich für die Verbrennungsgase konvergiert. Der Hals erstreckt sich in Radialrichtung entlang beider Leitschaufeln zwischen den begrenzenden Innen- und Außenbändern 28, 30. Ferner erstreckt sich der Hals in Umfangsrichtung oder Seitenrichtung zwischen der Hinterkante einer Leitschaufel 26 und senkrecht zu der Saugseite 34 der nächsten Leitschaufel, die geeignet stromaufwärts von der Hinterkante von dieser angeordnet ist.
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Der Hals 76 ist im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase 18, die durch diesen hindurch ausgegeben werden, ausgerichtet und bildet das stromaufwärtige Ende eines dreieckigen Stegs 78, der sich nach hinten zu der hinteren Lippe 46 des Innenbandes hin zwischen den Hinterkanten benachbarter Leitschaufeln erstreckt.
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Dieser dreieckige Steg 78 ist vorzugsweise hinter dem Hals 76 auf der innenliegenden Seite des Innenbandes radial hinter den hinteren Taschen 58 auf der gegenüberliegenden Außenseite des Innenbandes mit einer Wärmeschutzbeschichtung (TBC, Thermal Barrier Coating) 80 überzogen. Die TBC 80 kann eine herkömmliche Konfiguration aufweisen und ist gewöhnlich ein keramischer Werkstoff, der eine Wärmedämmung gegen die Hitze der heißen Verbrennungsgase bietet.
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Die TBC 80 beginnt hinter dem Hals und erstreckt sich über dem dreieckigen Steg 78 entlang der restlichen Längserstreckung der Saugseiten 34 der Leitschaufel bis zu den Hinterkanten der Leitschaufeln und setzt sich nach hinten über der hinteren Lippe 46 des Innenbandes fort.
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Auf diese Weise wirkt die TBC 80 lokal mit der verstärkten Kühlung der hinteren Taschen 58 zusammen, und sie reduziert deutlich die früher beobachtete thermische Beeinträchtigung in diesem Bereich des Innenbandes, wobei sie gemeinsam, wie oben angegeben, die nutzbare Lebensdauer des Leitapparates vergrößern.
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Jeder der Strömungskanäle 42 ist außer an den entsprechenden dreieckigen Stegen 78 des Innenbandes vorzugsweise frei von irgendwelcher Wärmeschutzbeschichtung. Insbesondere ist jeder Strömungskanal frei von der TBC entlang der Druckseiten 32 der Leitschaufeln 26 zwischen der Vorder- und der Hinterkante 36, 38 und entlang der innenseitigen Oberfläche der Außenbänder 30 sowie entlang der innenseitigen Oberflächen der Innenbänder 28 stromaufwärts von dem entsprechenden Hals 76.
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Die TBC 80 ist vorzugsweise lokal auf der innenliegenden Seite des Innenbandes 28 entlang der entsprechenden Saugseiten der Leitschaufeln 26 zwischen dem Hals 76 und den Hinterkanten 38 eingeführt und endet an der hinteren Lippe 46.
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Der Hals 76 des Leitapparates, wie er in 2 veranschaulicht ist, stellt ein wesentliches Merkmal des Turbinenleitapparates dar, das die Maschinen- bzw. Triebwerkseffizienz steuert, und er weist folglich für jede Maschinenanwendung eine genaue Größe auf. Die TBC 80 ist in 2 in der Höhe oder im Profil veranschaulicht und weist eine im Wesentlichen konstante oder nominelle Dicke A von etwa 5–9 Milizoll (0,13–0,23 mm) auf. Um zu verhindern, dass die zusätzliche Dicke der TBC das Leistungsverhalten des Leitapparathalses 76 nachteilig beeinflusst, geht die TBC 80 vorzugsweise von dem dreieckigen Steg 78 mit einer abgeschrägten Kante, die sich bis zu einer Dicke von null an dem Hals verjüngt, zu dem Leitapparathals über.
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In anderen Worten, kann die TBC 80 unmittelbar an dem Leitapparathals 76 oder in dessen Nähe mit der Dicke null beginnen, und sie vergrößert sich schnell bis zu ihrer vollständigen nominellen Dicke unmittelbar hinter dem Hals z. B. in Form einer linearen Rampe.
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2 veranschaulicht ferner, dass der Hals die Hinterkante einer Leitschaufel und die Saugseite der nächsten Leitschaufel überbrückt, wobei er hierzu senkrecht ausgerichtet ist, und dass die Übergangsrampe dazwischen in ihrer axialen Länge variiert. Z. B. kann die Übergangsrampe sich um etwa 40 Millizoll (1,0 mm) nach hinten von dem Hals 76 entlang der Saugseite der nächsten Leitschaufel erstrecken, und ihre axiale Länge nimmt zu der Hinterkante der nächsten Leitschaufel ab.
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2 veranschaulicht die dreieckig gestaltete oder sägezahnförmige Konfiguration der TBC 80, die den Leitapparatauslass entlang der innenliegenden Seite des Innenbandes schützt. 4 veranschaulicht die verbesserte Kühlkonfiguration der Reihe von hinteren Taschen 58 in der Unterseite des Innenbandes auf der gegenüberliegenden Seite zu der TBC.
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5 und 6 veranschaulichen die kombinierte und zusammenwirkende Konfiguration der hinteren Taschen 58, die Prallluft von den entsprechenden Prallbohrungen 60 auf einer Seite empfangen und die ferner durch die örtlich begrenzte Einbringung der TBC 80 auf der gegenüberliegenden Seite weiter geschützt sind.
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Die Einführung der Prallbohrungen 60 und die örtlich begrenzte Einbringung der TBC 80 reduzieren einzeln entsprechend die thermische Beeinträchtigung und erhöhen folglich die Haltbarkeit und Lebensdauer des Leitapparates. Und gemeinsam verringern die zusammenwirkenden Merkmale deutlich die thermische Beeinträchtigung und erhöhen deutlich die Leitapparatlebensdauer bei dem kleinen aufrechenbaren Aufwand der Ableitung von Kühlluft durch den Montageflansch.
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Während hier das, was als die bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen wird, beschrieben ist, sollen weitere Modifikationen der Erfindung für Fachleute auf dem Gebiet ausgehend von der hierin angegebenen Lehre offensichtlich sein, und es ist folglich erwünscht, in den beigefügten Ansprüchen all derartige Modifikationen mit zu schützen, sofern sie in den wahren Rahmen und Schutzumfang der Erfindung fallen.
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Demgemäß ist das, was wunschgemäß durch die Patenturkunde der Vereinigten Staaten geschützt sein soll, die Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert und abgegrenzt ist, in denen wir folgendes beanspruchen:
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Zusammenfassung:
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Ein Turbinenleitapparat (20) weist auf: eine Reihe von Leitschaufeln (26), die sich in Radialrichtung zwischen einem Innen- und einem Außenband (28, 30) erstrecken und gegenüberliegende Druck- und Saugseiten (32, 34) aufweisen, die entsprechende Strömungskanäle definieren, die zwischen gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten (36, 38) konvergieren; wobei das Innenband eine innenliegende Seite (28), die die Strömungskanäle begrenzt, eine gegenüberliegende außenliegende Seite (30), die radial nach innen weist, einen Montageflansch (48), der zwischen einer vorderen und einer gegenüberliegenden hinteren Lippe (44, 46) angeordnet ist, und eine Reihe von hinteren Taschen (58) enthält, die in der außenliegenden Seite zwischen dem Flansch und der hinteren Lippe vertieft ausgebildet sind, und zugehörige Prallbohrungen (60), die sich durch den Flansch hindurch in jede der hinteren Taschen hinein erstrecken; wobei die hinteren Taschen eine vordere Wand (62) entlang des Flansches, eine hintere Wand (64) entlang der hinteren Lippe, eine luvseitige Hälfte (66), die sich von der Saugseite der Leitschaufel nach außen erstreckt, und eine gegenüberliegende leeseitige Hälfte (68) enthalten; und wobei sich die Prallbohrungen in die luvseitigen Hälften hinein erstrecken und nach hinten in Richtung auf die hinteren Wände und die leeseitigen Hälften der Taschen für einen Gleichdrall mit der Spülströmung während des Betriebs gerichtet sind.
