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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere
die Leistung und Kühlung
von Turbinendüsen.
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In
einer Gasturbine wird in einem Verdichter Luft verdichtet und mit
Brennstoff vermischt und anschließend in einem Brenner gezündet, um
heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen, die durch Turbinenstufen strömen, damit ihnen Energie entzogen
wird. In einem Mantelstromtriebwerk treibt eine Hochdruckturbine
den Verdichter, und eine Niederdruckturbine treibt einen stromaufwärts des
Verdichters angeordneten Bläser
an. Jede Turbine enthält
eine stationäre
Turbinendüse
mit zwischen einer inneren und einer äußeren Deckplatte montierten
Schaufeln, auf die wiederum eine Reihe Rotorschaufeln folgt, die sich
von einem Laufrad nach außen
erstrecken.
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Die
Hochdruckturbine ist am Auslass des Brenners angeordnet und empfängt von
diesem Verbrennungsgase mit der höchsten Temperatur, wobei die
Temperatur sinkt, wenn den Gasen in den stromabwärts angeordneten Turbinenstufen
Energie entzogen wird. Sowohl die Leitradschaufeln als auch die Rotorschaufeln
weisen hohle Schaufelblätter
auf, durch die zu deren Kühlung
ein Teil der aus dem Verdichter entwichenen Luft strömt. Aus
dem Verdichter entweichende Kühlluft
mindert zwangsläufig
den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine, und es ist daher erwünscht, dass
für die
adäquate
Kühlung
der Leitschaufeln und Rotorschaufeln so wenig Kühlluft wie möglich verwendet
wird.
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Das
Profil oder die Kontur der Turbinenschaufelblätter wird von dem spezifischen
thermodynamischen Betriebszyklus der Gasturbine und der damit zusammenhängenden
aerodynamischen Leistung bestimmt. Jedes Schaufelblatt weist eine
in der Regel konkave Druckseite und eine in der Regel konvexe Saugseite
auf, die sich axial zwischen einem vorderen und einem hinteren Rand
sowie radial zwischen einem Fuß und
einer Spitze erstreckt. Das Schaufelblatt nimmt unmittelbar nach
dem vorderen Rand an Dicke zu und verjüngt sich dann bei einer geringeren
Dicke bis zum hinteren Rand.
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Da
der vordere Rand dünn
ist, ist er während des
Betriebs schwer zu kühlen
und wird relativ heiß, was
sich auf die Nutzlebensdauer des Schaufelblatts auswirkt. Angesichts
der direkt vom Brenner kommenden heißen Verbrennungsgase, ist das
Kühlen des
vorderen Rands der Düse
in der ersten Stufe der Hochdruckturbine besonders wichtig.
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Die
Kühlung
des hinteren Rands kann auf verschiedene herkömmliche Weisen erfolgen, wobei die
Kühlluft
im Innern des Schaufelblatts direkt hinter dem hinteren Rand kanalisiert
und dort durch eine Reihe von Hinterrandlöchern abgegeben wird. In einem
Entwurf weisen die Hinterrandlöcher
entlang der Druckseite des Schaufelblatts Auslässe auf, die an einer Ausbruchlippe
vor dem hinteren Rand beginnen und direkt am hinteren Rand enden
(ein solcher Entwurfstyp ist im Dokument US-A-5 102 299 dargestellt).
Da die Dicke der Ausbruchlippe einen praktischen Minimalwert aufweist,
damit während
des Betriebs eine Schädigung
und Oxidation verhindert wird, ist der Ausbruchabstand vom hinteren
Rand zur Lippe relativ groß.
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Die
durch die Hinterrandlöcher
abgegebene Kühlluft
wird daher von den Verbrennungsgasen erwärmt, was ihre Fähigkeit
mindert, den hinteren Rand zu kühlen.
In der Folge kommt es darüber
hinaus hinter dem hinteren Rand zu einer lokalen Stagnation des
Gasstroms, was die Kühlung
des hinteren Rands selbst weiter erschwert.
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Weitere Überlegungen
zur Schaufelblattkühlung
beinhalten den allgemein bekannten Rückstrombereich und Abblasbereich.
Die Kühlluft
wird mit einem entsprechenden Druck aus dem Verdichter abgenommen,
damit ein geeignetes Druckgefälle zwischen
der Kühlluft
innerhalb des Schaufelblatts und dem Druck der Verbrennungsgase
außerhalb des
Schaufelblatts entsteht, um die Kühlluft durch das Schaufelblatt
strömen
zu lassen. Ein geeigneter Rückstrombereich
verhindert den Rückstrom
von Verbrennungsgasen in die Kühlluftlöcher des
Schaufelblatts. Ein geeigneter Abblasbereich verhindert, dass die
Kühlluft
beim Austreten aus den Kühllöchern mit
zu hoher Geschwindigkeit abgegeben wird.
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Beispielsweise
weist die in einem herkömmlichen
Turbinendüsenentwurf
aus den druckseitigen Löchern
des hinteren Rands abgegebene Kühlluft
jedoch eine höhere
Geschwindigkeit als die dort entlangströmenden Verbrennungsgase auf.
Wenn die mit hoher Geschwindigkeit strömende Kühlluft auf die mit niedriger
Geschwindigkeit strömenden
Verbrennungsgase trifft, kommt es daher zu Vermischungsverlusten,
was sich sowohl auf die Gesamtleistung der Gasturbine als auch auf
die Kühlwirkung
am hinteren Rand des Schaufelblatts auswirkt.
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Es
ist daher erwünscht,
eine verbesserte Konfiguration des hinteren Rands von Turbinenschaufelblättern zu
schaffen, um die Vermischungsverluste zu reduzieren und die Kühlung des
hinteren Rands zu verbessern.
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Gemäß der Erfindung
enthält
ein Turbinenschaufelblatt eine Druckseite und eine Saugseite, die sich
zwischen einem vorderen und einem hinteren Rand erstrecken und einen
inneren Kühlluftkanal
bilden. Eine Reihe Löcher
des hinteren Rands ist in Strömungsverbindung
mit dem Luftkanal hinter dem hinteren Rand angeordnet. Das Schaufelblatt
ist in Verbindung mit einem benachbarten Schaufelblatt so dimensioniert,
dass die Verbrennungsgase längs
der Druckseite der Hinterrandlöcher
auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die wenigstens so
hoch ist wie die Geschwindigkeit der aus den Hinterrandlöchern abgegebenen
Kühlluft.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels detaillierter
beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen
wird:
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1 ist
eine axiale Teilschnittansicht eines Abschnitts einer am Auslass
eines Brenners angeordneten Hochdruckturbinendüse gemäß einer exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine entlang der Linie 2-2 erzeugte radiale, flächenförmige Schnittansicht eines
Abschnitts der in 1 dargestellten Düse.
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3 ist
eine entlang der Linie 3-3 erzeugte isometrische Teilschnittansicht
eines Hinterrandbereichs von einem der in 2 dargestellten
Schaufelblätter.
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4 ist
eine vergrößerte radiale
Schnittansicht der in den 2 und 3 dargestellten Schaufelblatthinterränder mit
einer zugehörigen Flussdiagrammdarstellung
eines Verfahrens zur Konstruktion des Schaufelblatts gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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1 stellt
eine Düse 10 einer
Hochdruckturbine dar, die am Auslassende eines ringförmigen Brenners 12 angeordnet
ist, der zu einem Teil dargestellt ist. Die Düse und der Brenner sind achsensymmetrisch
um eine Längsachse
oder Mit telachse 14 angeordnet und auf geeignete Weise
in einem ringförmigen
Gehäuse 16 montiert.
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Die
Düse und
der Brenner sind Teil einer Gasturbine mit einer beliebigen herkömmlichen
Konfiguration, in der Luft 18 in einem Mehrphasenverdichter
(nicht dargestellt) mit Druck beaufschlagt und anschließend im
Brenner mit Brennstoff vermischt und gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase 20 zu
erzeugen, die durch die Düse
an eine in der ersten Stufe befindliche Reihe Turbinenrotorschaufeln
(nicht dargestellt) abgegeben wird, die sich von einem stützenden
Laufrad nach außen
erstrecken. Der Verdichter wird von dieser ersten Turbine oder Hochdruckturbine
angetrieben, und eine Niederdruckturbine (nicht dargestellt) ist üblicherweise
stromabwärts
des Verdichters angeordnet, um den Verbrennungsgasen zusätzliche
Energie zum Antrieb eines herkömmlichen
Bläsers
(nicht dargestellt) zu entziehen, der in einer üblichen Ausführung eines
Mantelstromtriebwerks stromabwärts
des Verdichters angeordnet ist.
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Die
Turbinendüse 10 enthält eine
radiale innere Deckplatte oder Nabe 22 und eine radiale äußere Deckplatte 24,
zwischen denen eine Vielzahl von in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten
Leitschaufeln 36, üblicherweise
in Form eines einheitlichen Gussteils vollständig angeordnet sind.
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Die
Turbinendüse
wird üblicherweise
in Form einer Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren
ausgebildet, von denen einer dargestellt ist, die eine entsprechend
bogenförmige
innere und äußere Deckplatte
aufweisen, die zwei oder mehr Schaufeln aufnehmen. Die Sektoren
sind in einem geschlossenen Ring angeordnet, der geeignete Abdichtungen
zur Reduzierung der darin auftretenden thermischen Beanspruchungen
aufweist, die während
des Betriebs durch die Ausdehnung und Kontraktion der den heißen Verbrennungsgasen 20 und der
Kühlluft 18 ausgesetzten
Komponenten hervorgerufen werden. Die Kühlluft wird bereitgestellt,
indem ein Teil der durch den Verdichter geleiteten Luft abgezapft
und auf geeignete Weise durch die einzelnen Schaufeln geleitet wird,
die hohl sind.
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Wie
in 2 dargestellt, bildet jede Schaufel 26 ein
Schaufelblatt mit einer im Wesentlichen konkaven Druckseite 28 und
einer im Wesentlichen konvexen Saugseite 30, die sich axial
zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand 32, 34 und
radial zwischen der inneren und der äußeren Deckplatte erstrecken.
Die Verbrennungsgase treffen zuerst auf die vorderen Ränder 32 und
teilen sich dann an den zwei Seiten der Schaufel, um über diese
hinweg und an den hinteren Rändern
vorbeizuströmen.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, ist jedes der
Schaufelblätter 26 hohl
und enthält
einen inneren Kühlluftkanal
oder -kreis 36, der zwischen der Druck- und der Saugseite
des Schaufelblatts und zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand
gebildet wird. Der Luftkanal 36 kann eine beliebige herkömmliche
Form aufweisen und enthält üblicherweise
mehrere durch dazwischenliegende radiale Rippen oder Stege voneinander
getrennte Kanäle,
um die Kühlluft
in einzelnen oder mehreren, serpentinenförmige Kanäle bildende Durchgängen durch
die Schaufel zu leiten. Das Innere der Schaufel kann Komponenten
zur Förderung
des Wärmeübergangs enthalten,
wie z.B. herkömmliche
Turbulatoren an beiden Seitenwänden
der Schaufel oder zwischen diesen verlaufende Querstifte.
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Jede
Schaufel weist außerdem
eine Reihe radial zueinander beabstandeter Hinterradlöcher 38 auf,
die in der Schaufel in Strömungsverbindung
mit dem inneren Luftkanal 36 hinter dem hinteren Rand 34 angeordnet
sind.
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Wie
in 3 noch detaillierter dargestellt, weist jedes
Hinterrandloch einen Einlass 40 auf, der stromaufwärts oder
vor dem hinteren Rand in Strömungsverbindung
mit dem Luftkanal 36 angeordnet ist, um die Kühlluft 18 aus
diesem aufzunehmen. Die Löcher 38 durchdringen
die Schaufel zwischen deren Druckseite und deren Saugseite axial
nach hinten, um in die entsprechenden Auslässe oder Schlitze 42 zu
münden,
die durch die Druckseite 28 der Schaufel ragen.
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Jeder
Auslass 42 weist eine Ausbruchlippe 44 auf, die
dessen vordersten Bereich bildet und stromaufwärts des hinteren Rands in einem
Ausbruchabstand A zu diesem angeordnet ist. Der Auslass 42 verläuft stromabwärts und
mündet
direkt in den hinteren Rand 34, ohne dort die Wandstärke zu verringern.
In der in 3 dargestellten exemplarischen
Ausführungsform
haben die einzelnen Auslässe 42 im
allgemeinen ein rechteckiges Profil – je nach Wunsch können sie
aber ein beliebiges geeignetes Profil aufweisen – mit entsprechenden Ausbruchlippen,
die stromaufwärts
vom hinteren Rand angeordnet sind.
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Wie
zuvor in 2 dargestellt, sind benachbarte
Schaufeln 26 in Umfangsrichtung zueinander beabstandet,
um entsprechende Düsenströmungskanäle 46 zu
bilden, die so beschaffen sind, dass sie die sie durchströmenden Verbrennungsgase 20 kanalisieren
oder beschleunigen. Jeder Schaufelhinterrand 34 ist so
zu einer entsprechenden Saugseite 30 einer benachbarten
Schaufel 26 beabstandet, dass eine Verengung 48 mit
einem minimalen Strömungsquerschnitt
im Düsenströmungskanal 46 gebildet wird.
Die Verbrennungsgase 20 treten zwischen den entsprechenden
vorderen Kanten von benachbarten Kanten in die einzelnen Düsenkanäle 46 ein
und werden beim Durchströmen
des Kanals beschleunigt, der sich zur Verengung 48 hin
verjüngt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Mittel bereitgestellt, um die Verbrennungsgase 20 längs der
Schaufeldruckseite 28 an den Hinterrandlöchern auf
eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die wenigstens so hoch ist
wie die Geschwindigkeit der aus den Hinterrandlöchern abgegebenen Kühlluft 18.
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In
einem herkömmlichen
Düsenentwurf
weist die aus den druckseitigen Löchern des hinteren Rands abgegebene
Kühlluft
eine wesentlich höhere Geschwindigkeit
als die dort befindlichen Verbrennungsgase auf. Wenn sich die Kühlluft beim
Austreten aus der Schaufel mit den Verbrennungsgasen vermischt,
kommt es daher zu erheblichen Vermischungsverlusten, die nicht nur
den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine, sondern auch die Fähigkeit
der Kühlluft
mindert, die hinteren Ränder
der Schaufeln zu kühlen.
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Indem
die Schaufeln selektiv so konzipiert werden, dass Kühlluft an
den Hinterrandlöchern
mit einer Geschwindigkeit abgegeben wird, die kleiner oder gleich
der ungefähren
Geschwindigkeit der Verbrennungsgase ist, kommt es gemäß der vorliegenden
Erfindung zu geringeren Vermischungsverlusten und zu einer entsprechenden
Verstärkung
der Kühlwirkung
der am hinteren Rand abgegebenen Luft.
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4 enthält eine
zur Verdeutlichung stark vergrößerte Darstellung
einer exemplarischen Konfiguration des Hinterrandbereichs von einem
der in den 2 und 3 dargestellten
Schaufelblätter. Die
Seitenwände
jeder Schaufel 26, die die Druckseite und die Saugseite
bilden, weisen eine für
die jeweilige Verwendung der Gasturbine geeignete minimale Dicke
auf, wobei die Saugseite 30 eine im Wesentlichen einheitliche
Dicke aufweist, die an einer entsprechenden minimalen Dicke B des
hinteren Rands 34 endet. Die Dicke B des hinteren Rands
kann beispielsweise ungefähr
25–30
mils (0,64–0,76
mm) betragen.
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Jede
Schaufel weist eine Dicke C quer durch die Druck- und Saugseite an der Lippe 44 auf.
Die Mittel zur lokalen Beschleunigung der Verbrennungsgase 20 beinhalten
das vorab festgelegte Auswählen der
Schaufelstärke
C an der Ausbruchlippe 44 mit dem Ziel, den Strömungsquerschnitt
des Düsenkanals 46 an
der Ausbruchlippe 44 und wenigstens teilweise stromaufwärts von
dieser lokal zu verkleinern, um die an der Lippe vorbeiströmenden Verbrennungsgase
lokal auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die wenigstens
so hoch ist wie die Geschwindigkeit der an der Ausbruchlippe 44 abgegebenen
Kühlluft 18.
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Wie
in 4 dargestellt, variiert die Schaufelstärke C längs der
Druckseite 28 vom hinteren Rand 34 stromaufwärts auf
einer Länge
D, wie in 2 dargestellt, bis kurz vor
dem vorderen Rand 32 der Schaufel, um die Verbrennungsgase
lokal auf die gewünschte
Geschwindigkeit an den Hinterrandlöchern zu beschleunigen.
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4 veranschaulicht
schematisch in Form eines Flussdiagramms ein exemplarisches Verfahren,
nach dem die Turbinendüse
so gestaltet wird, dass an den hinteren Rändern eine höhere Leistung erzielt
wird. Zu Beginn des Verfahrens werden in einer beliebigen herkömmlichen
Weise die aerodynamischen Konturen oder Profile der Schaufeln 26 festgelegt,
um die Verbrennungsgase 20 beim Durchströmen der
entsprechenden Düsenströmungskanäle 46 zu
beschleunigen, die zwischen benach barten Schaufeln von deren vorderen
zu deren hinteren Rändern
gebildet werden. Die ursprüngliche
aerodynamische Kontur 50, der in Teilen in 4 dargestellten
Schaufelblätter
wird längs
der Saugseite als durchgezogene Linie und längs der Druckseite als gestrichelte
Linie angezeigt, wobei sich die ursprüngliche druckseitige aerodynamische
Kontur vom hinteren Rand zum vorderen Rand unter Einschluss der
in 2 dargestellten Länge D erstreckt.
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Nach
der ursprünglichen
Festlegung der Schaufelprofile ist die Reihe der Hinterrandlöcher 38 im
Innern der Schaufeln hinter den Hinterrändern 34 angeordnet,
wobei die entsprechenden Auslässe 42 zur
Abgabe der Kühlluft
durch die Druckseiten 28 ragen. Im ursprünglichen
Entwurf ist die Ausbruchlippe 44a stromaufwärts des
hinteren Rands 34 in einem ursprünglichen Ausbruchabstand E
zu diesem angeordnet, was in 4 durch
die gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Ausbruchabstand E der
ursprünglichen
Ausbruchlippe 44a wird von der zulässigen minimalen Dicke F der
Lippe und der entsprechenden Breite G des dortigen Lochs 38 gesteuert.
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Der
minimale Wert für
die Lippendicke F wird ausgewählt,
um während
des Betriebs ein unerwünschtes
Brennen oder Oxidieren der Lippe zu verhindern, was deren Schädigung verursachen
und sich negativ auf die Lebensdauer der Schaufel auswirken würde. Beispielsweise
beträgt
in einem üblichen
Düsenentwurf
die Lippendicke F vorzugsweise mehr als etwa 10 mils (0,25 mm) und
beträgt
vorzugsweise etwa 14 mils (0,36 mm). Der entsprechende Ausbruchabstand
E beträgt
etwa 200 mils (5 mm) bei einer Lochbreite G von etwa 17 mils (0,43
mm) und einer Schaufeldicke C an der Lippe von etwa 61 mils (1,55
mm).
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Die
ursprüngliche
Kontur der Schaufeln und die zwischen diesen angeordneten Strömungskanäle 46 werden
auf eine beliebige herkömmliche
Weise festgelegt, um durch die Optimierung der aerodynamischen und
thermodynamischen Düsenleistung
die Verbrennungsgase zwischen den Schaufeln zu beschleunigen, um
den nachfolgenden Energieentzug durch die stromabwärts angeordneten
Turbinenrotorschaufeln zu ermöglichen.
Diese ursprüngliche
Festlegung der Aerodynamik braucht die Wirkungen der Hinterrandlöcher nicht
zu berücksichtigen.
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Im
Entwurf einer herkömmlichen
Turbinendüse
weist daher beim späteren
Einfügen
der Hinterrandkühllöcher, z.B.
der in 4 dargestellten Löcher, in den Düsenentwurf
die von diesen abgegebene Kühlluft
eine wesentlich größere Geschwindigkeit auf
als die vorbeiströmenden
Verbrennungsgase. Daher treten entsprechende Vermischungsverluste auf,
wenn die schnelle Kühlluft
auf die langsameren Verbrennungsgase trifft und sich mit diesen
vermischt. Hinzu kommt, dass die Kühlwirkung der abgegebenen Kühlluft zu
Lasten einer verringerten Kühlung
des hinteren Rands 34 abnimmt.
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Nach
der ursprünglichen
Festlegung der aerodynamischen Konturen der Schaufeln werden deren
aerodynamische Konturen vorzugsweise nur längs ihrer Druckseiten 28 und
insbesondere an den Ausbruchlippen und stromaufwärts von diesen neu festgelegt,
um die Verbrennungsgase auf die Geschwindigkeit zu beschleunigen,
die wenigstens so hoch ist wie die Geschwindigkeit der an den Ausbruchlippen
abgegebenen Kühlluft.
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In
der in 4 dargestellten exemplarischen Ausführungsform
sind die Schaufeln durch die Hinzufügung einer Dickenerhöhung H an
den Ausbruchlippen dicker definiert, um die dortigen Düsenkanäle 46 entsprechend
zu verengen. Die Schaufel wird von ihrem hinteren Rand 34 entlang
ihrer Drucksei te 28 auf der neu festgelegten, in 2 dargestellten
Länge D verdickt,
sodass ein gleichmäßiger Übergangs-
und Verjüngungsbereich
entsteht, mit dem sich die gewünschte
lokale Beschleunigung der Verbrennungsgase an den Ausbruchlippen
erreichen lässt.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
wird die Druckseite 28 der Schaufel bei einer Dickenerhöhung H von
beispielsweise etwa 7 mils (0,18 mm) weiter von der gegenüberliegenden
Saugseite weg an eine Position in der Nähe der Ausbruchlippe versetzt,
um die Verbrennungsgase entsprechend lokal zu beschleunigen. Durch
diese lokale Beschleunigung wird die Gasgeschwindigkeit um etwa
4% erhöht,
um die Geschwindigkeit der an den Ausbruchlippen abgegebenen Kühlluft zu
kompensieren, die ohne die Neufestlegung der druckseitigen Kontur
um 4% höher
wäre.
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Die
ursprüngliche
Festlegung der optimalen aerodynamischen Kontur der Schaufel und
die anschließende
Bestimmung des ursprünglichen
Geschwindigkeitsüberschusses
der an den betroffenen Hinterrandkühllöchern abgegebenen Kühlluft bewirken
daher, dass die Druckseiten der Schaufeln anschließend neu
festgelegt werden können,
um die Verbrennungsgase lokal auf eine erhöhte Geschwindigkeit an den
Ausbruchlippen zu beschleunigen, die die sonst höhere Geschwindigkeit der abgegebenen Kühlluft wenigstens
kompensiert. Auf diese Weise trifft die an den Hinterrandlöchern abgegebene
Kühlluft
mit im Wesentlichen gleicher Geschwindigkeit auf die Verbrennungsgase,
sodass die bei der Vermischung mit diesen entstehenden Verluste
minimiert werden.
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Wird
entsprechend der ursprünglichen
Definition der aerodynamischen Kontur der ursprüngliche Ausbruchabstand E zur
ursprünglichen
Position der Ausbruchlippe 44a, wie durch die gestrichelte
Linie in 4 dargestellt, beibehalten,
ist deren Dicke durch die Hinzufügung
der Dickenerhöhung
H entsprechend größer. Obwohl
es sich hierbei um einen akzeptablen Entwurf handelt, können weitere
Leistungsverbesserungen an den hinteren Rändern von Schaufeln erzielt
werden.
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Genauer
gesagt und gemäß der Darstellung in 4 kann
die von den Mitteln zur lokalen Beschleunigung eingeführte selektive
Erhöhung
der Schaufeldicke in der Nähe
des hinteren Rands auf vorteilhafte Weise genutzt werden, um die
Ausbruchlippen 44 näher
am hinteren Rand 34 zu positionieren, um die Kühlwirkung
der abgegebenen Luft am hinteren Rand 34 weiter zu verbessern.
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Beispielsweise
können
die Ausbruchlippen 44 im entsprechenden Ausbruchabstand
A näher zum
hinteren Rand 34 beabstandet werden, um eine minimale Dicke
K an diesem zu erzeugen, sodass während des Betriebs Schädigungen
verhindert werden, die z.B. durch Brand oder Oxidation hervorgerufen
werden. Da die Dicke H der Druckseite der Schaufel an der ursprünglichen
Position der Ausbruchlippen 44a hinzugefügt wurde,
weisen die Lippen daher eine größere Dicke
als die erforderliche minimale Dicke auf.
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Die
Ausbruchlippen können
dementsprechend nach hinten, näher
an den hinteren Rand 34 und in einem beliebigen geeigneten
Ausbruchabstand A zu diesem versetzt werden, der kleiner als der
ursprüngliche
Ausbruchabstand E ist, vorausgesetzt, der entsprechende Wert der
Dicke K der finalen Ausbruchlippe 44 ist nicht kleiner
als ihr minimaler Wert.
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Beispielsweise
kann bei der gleichen Breite G der Hinterrandlöcher 38, die Dicke
K der umpositionierten Ausbruchlippe gleich der minimalen Dicke
F der ursprünglichen
Aus bruchlippe 44a sein und z.B. 14 mils (0,36 mm) betragen.
Der entsprechende Wert des Ausbruchabstands A beträgt in diesem
exemplarischen Entwurf etwa 180 mils (4,57 mm) und liegt somit deutlich
unter dem Wert des ursprünglichen
Ausbruchabstands E von 200 mils (5,08 mm).
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Die
Ausbruchlippe 44 für
den in 4 dargestellten spezifischen Entwurf wird daher
näher am hinteren
Rand 34 positioniert, wodurch die aus den Auslässen abgegebene
Kühlluft
näher an
den hinteren Rand 34 herangeführt wird, um die Kühlwirkung an
diesem zu verstärken.
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Wie
in 2 dargestellt, werden die Düsenkanäle 46 zwischen der
Druckseite 28 einer Schaufel und der Saugseite 30 einer
benachbarten Schaufel gebildet, sodass an ihnen unterschiedliche lokale
Geschwindigkeiten auftreten. Jede Schaufel weist ein aerodynamisch
so gestaltetes Schaufelblatt auf, dass die Verbrennungsgase entlang
der Saugseiten auf eine höhere
Geschwindigkeit beschleunigt werden als entlang der Druckseiten.
Die Schaufeln und die Düsenkanäle 46 sind
für die
Erbringung einer optimalen aerodynamischen und thermodynamischen
Leistung ausgelegt, wobei das Geschwindigkeitsprofil zwischen den
Schaufeln entsprechend variiert.
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Da
die lokale Dickenerhöhung
H nur entlang der Druckseiten der einzelnen Schaufeln selektiv eingeführt wird,
um die Länge
D vom hinteren Rand bis kurz vor den vorderen Rand auf geeignete
Weise neu zu definieren, wird die optimale Leistung der Düse nicht
beeinträchtigt,
sondern auf Grund der an den Hinterrandlöchern geringeren Vermischungsverluste zwischen
der Kühlluft
und den Verbrennungsgasen weiter verbessert, während zudem eine verstärkte Kühlung des
hinteren Rands selbst ermöglicht
wird.
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Die
Dickenerhöhung
H variiert je nach Bedarf zwischen Minimal- oder Nullwerten am hinteren
Rand 34 und in der Nähe
des vorderen Rands 32 sowie einem maximalen Wert zwischen
den Rändern
und weist an der Position der finalen Ausbruchlippe 44 einen
geeigneten Wert auf. Auf diese Weise beschreibt die Dickenvariation
einen gleichmäßigen Übergang entlang
der Schaufeldruckseite, um die Verbrennungsgase lokal so zu beschleunigen,
dass ihre Geschwindigkeit im Wesentlichen an die Geschwindigkeit
der an den Ausbruchlippen abgegebenen Kühlluft angepasst wird, sowie
um die daraus resultierenden Vermischungsverluste zu reduzieren
und die Kühlung
des hinteren Rands zu verbessern.
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Die
Variation der Schaufeldicke ist folglich nicht ausreichend, um die
Verbrennungsgase im Hauptteil des Düsenströmungskanals 46 auf
die Luftgeschwindigkeit an den Hinterrandlochauslässen 42 zu
beschleunigen. Die ursprüngliche
Geschwindigkeitsverteilung kann sich über die gesamte Ausdehnung
des Düsenströmungskanals 46 erstrecken,
wobei eine lokale Erhöhung
der Geschwindigkeit allein an den Hinterrandlochauslässen 42 erfolgt,
um die oben beschrieben Leistungsverbesserung zu erzielen.
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Die
resultierenden einzelnen Schaufeln 26 unterscheiden sich
strukturell und funktional von den unveränderten Schaufeln und tragen
in der Turbinendüse
gemeinsam zu einer Leistungsverbesserung bei. Die Schaufeln und
Düsen,
die aus der Anwendung des verbesserten Verfahrens zu ihrer Herstellung
resultieren, bieten Vorteile, die der ursprüngliche Entwurf sonst nicht
birgt.
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Obwohl
die Erfindung oben unter Bezugnahme auf einen exemplarischen Entwurf
einer Turbinendüse
der ersten Stufe beschrieben wurde, kann sie auf alle Turbinenschaufelblätter angewendet
werden, die die aus ihr resultierenden Vorteile Nutzen können.