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Technischer Bereich
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Kühlen einer Gasturbinenmaschine
und insbesondere auf das Kühlen
eines aerodynamischen Profils bzw. Air Foils, wie Turbinenschaufeln
und Düsen.
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Stand der Technik
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Hochleistungsgasturbinen
verlassen sich typischerweise auf die Erhöhung der Turbineneinlasstemperaturen
um sowohl die Wirtschaftlichkeit des Treibstoffverbrauchs als auch
die allgemeine Leistung zu erhöhen.
Diese höheren
Temperaturen oxidieren Maschinenbauteile und verringern die Lebensdauer
von Bauteilen, wenn sie nicht kompensiert werden. Die Lebensdauer
von Bauteilen wurde durch eine Anzahl von Methoden erhöht.
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Viele
Lösungen
für verbesserte
Bauteile beinhalten das Austauschen von Materialien, die für die Herstellung
der Bauteile verwendet werden. Das
US-Patent Nr. 653579 ,
erteilt an Glezer et al am 05. August 1997, zeigt eine Turbinenschaufel,
die aus einem keramischen Material gefertigt ist. Andere Systeme
verwenden stattdessen eine Beschichtung, um eine metallische Turbinenschaufel
zu schützen,
wie in
US-Patent Nr. 6,039,537 ,
erteilt an Scheurlen am 21. März
2000. gezeigt.
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Selbst
verbesserte Materialien benötigen
typischerweise weiterhin Kühlung.
Die meisten Bauteile weisen eine Reihe innerer Kühldurchlässe auf. Herkömmlicherweise
wird ein Teil der verdichteten Luft aus einem Luftverdichterbereich
der Maschine abgezogen, um diese Bauteile zu kühlen. Um die allgemeine Effizienz
der Gasturbine aufrecht zu erhalten, kann nur eine begrenzte Luftmasse
aus dem Verdichterbereich zur Kühlung
verwendet werden. Das
US-Patent
5,857,837 , erteilt an Zelesky et al am 12. Januar 1999,
zeigt ein aerodynamisches Profil, welches Aufprallströmungen aufweist,
um den Wärmetransfer
zu erhöhen.
Die Aufprallkühlung
erzeugt hohe lokale Wärmetransferkoeffizienten,
solange verbrauchte Kühlluft
auf effektive Weise ab geleitet werden kann, um zu verhindern, dass
sich eine Grenzschicht aus verbrauchter Kühlluft hoher Temperatur aufbaut.
Die typische Ableitung verbrauchter Kühlluft geschieht mittels einer
Reihe von Auslasslöchern,
welche sich an der führenden
Kante der Turbinenschaufel befinden. Diese Systeme benötigen relativ
grosse Mengen an Kühlluft.
Weiterhin kann ein Verstopfen der Auslasslöchern zu einer Verringerung der
Kühlung
und zum endgültigen
Versagen der Turbinenschaufel führen.
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Aufgrund
der begrenzten Masse an verfügbarer
Kühlluft
und der Notwendigkeit, den Druckverlust zu verringern, erfordert
die Gestaltung der Bauteile den optimalen Einsatz der verfügbaren Kühlluft. Typischerweise
entstehen heisse Stellen nahe einer führenden Kante oder Vorderkante
eines Bauteils. Das
US-Patent Nr. 5,603,606 ,
erteilt an Glezer et al am 18. Februar 1997, zeigt ein Kühlsystem,
das nahe der führenden
Kante des Bauteils Wirbelströmungen in
dem Kühlströmungsmittel
erzeugt, um den Wärmetransfer
fort von dem Bauteil in das Kühlströmungsmittel
hinein zu steigern. Die Kühlströmung in diesem
System ist durch die Größe der in
Strömungsrichtung
unterhalb liegenden Öffnungen
in der Turbinenschaufel oder dem Bauteil begrenzt.
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Das
US-Patent Nr. 5,246,340 ist
auf eine innen gekühltes
aerodynamisches Profil, welches eine Druckseite und eine Saugseite
aufweist, welche sich jeweils in Richtung der Strömungsfäden von
einer führenden
Kante zu einer nachfolgenden Kante des Strömungsprofils erstrecken. Weiter
wird hingewiesen auf
US-Patent
Nr. 5,246,340 ,
US-Patent
Nr. 5,356,256 ,
US-Patent
Nr. 5,387,086 ,
US-Patent
Nr. 5,387,159 ,
US-Patent
Nr. 6,036,441 .
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eines oder mehrere der oben
ausgeführten
Probleme zu überwinden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden ein aerodynamisches Profil
wie in Anspruch 1 ausgeführt
und ein Verfahren zur Kühlung
eines aerodynamischen Profils, wie in Anspruch 9 ausgeführt, vorgesehen.
Be vorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine die seitliche Ansicht eines Schnitts eines Teils einer Gasturbinenmaschine,
die die vorliegende Erfindung darstellt.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Schnitts eines Teils der 1 entlang
der Linien 2-2 der 1;
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Schnitts der Turbinenschaufel entlang der Linien 3-3 der 2;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Schnitts der Turbinenschaufel, der entlang der Linien 4-4
der 5 durchgeführt
wurde; und
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Schnitts der Turbinenschaufel, der entlang der Linien 5-5
der 3 durchgeführt
wurde.
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6 ist
eine alternatives Ausführungsbeispiel
der Turbinenschaufel, betrachtet entlang der Linien 5-5 der 3.
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Beste Art der Ausführung der
Erfindung
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Bezug
nehmend auf 1, wurde eine Gasturbinenmaschine 10,
die nicht im Ganzen gezeigt ist, in Anschnitte unterteilt, um ein
System 12 zur Kühlluftzufuhr
zur Kühlung
von Komponenten eines Turbinenabschnitts 14 der Maschine
zu zeigen. Die Maschine 10 weist folgendes auf: ein äußeres Gehäuse 16,
einen Brennkammerbereich 18, einen Verdichterbereich 20,
und einen Verteilerkanal 22 des Verdichterauslasses, der
das Luftzuführungssystem 12 strömungstechnisch
mit dem Verdichterbereich 20 verbindet. Der Verdichterbereich 20 ist
in dieser Anwendung ein mehrstufiger Axialverdichter, obgleich nur eine
Stufe gezeigt ist. Der Brennkammerbereich 18 ist zwischen
dem Verdichterbereich 20 und dem Turbinenbereich in herkömmlicher
Weise angebracht. Obgleich der derzeitige Brennkammerbereich 18 als ringförmig dargestellt
ist, können
andere Brennkammerentwürfe
in dieser Anwendung ebenfalls funktionieren. Der Turbinenbereich 14 umfasst
eine Turbine 36 der ersten Stufe, welche teilweise innerhalb
einer einteiligen Düsen-
und Verkleidungsanordnung 38 angebracht ist. Das Kühlluftzufuhrsystem 12 weist beispielsweise
einen Strömungsmittelweg 64 auf,
der den Verteilerkanal 22 des Verdichterauslasses mit dem
Turbinenbereich 14 verbindet.
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Wie
am besten in 2 gezeigt, ist der Turbinenbereich 14 im
allgemeinen auf herkömmliche Weise
gestaltet. Beispielsweise weist umfasst die Turbine 36 der
ersten Stufe eine Rotoranordnung 110, welche in Axialrichtung
angrenzend an die Düsen-
und Verkleidungsanordnung 38 angebracht ist. Die Rotoranordnung 110 ist
im allgemeinen auf herkömmliche
Weise gestaltet und weist eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 114 auf,
welche darin angebracht sind. Jede der Turbinenschaufeln 114 ist
aus einem herkömmlichen
Material gefertigt, wie einer Metalllegierung oder keramischen Material.
Die Rotoranordnung 110 umfasst weiterhin eine Scheibe 116,
welche eine erste Seite 120 und eine zweite Seite 122 aufweist.
Eine Vielzahl von am Umfang angeordneten Halteschlitzen 124 ist
in der Scheibe 116 positioniert. Jeder der Schlitze 124,
von denen nur einer gezeigt ist, erstreckt sich von einer Seite
120 zur andere Seite 122, weist einen Boden 126 auf und weist
ein Paar von Seitenwänden
(nicht gezeigt) auf, welche in herkömmlicher Weise hinterschnitten
sind. Jede der Vielzahl von Schaufeln 114 weist ein erstes Ende 132 auf,
welches einen sich davon erstreckenden Wurzelbereich 134 besitzt,
der mit einem der entsprechenden Schlitze 124 in Eingriff
steht. Das erste Ende 132, oder Plattform, ist vom Boden 126 im Schlitz 124 in
der Scheibe 116 beabstandet und bildet einen Kanal (gallery). 136 Jede
Schaufel 114 weist einen Plattformbereich 138 auf,
der sich in Radialrichtung vom Umfang der Scheibe 116 und
dem Wurzelbereich 134 nach außen erstreckt. Ein Reaktionsbereich 140 erstreckt
sich von dem Plattformbereich 138 in Radialrichtung nach
außen.
Jede der Vielzahl von Turbinenschaufeln 114 weist ein zweites Ende 146,
oder Spitze, auf, welches dem ersten Ende 132 entgegengesetzt
und an den Reaktionsbereich 140 angrenzend angebracht ist.
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Wie
in den 3, 4 und deutlicher gezeigt ist,
weist jede der Vielzahl der Turbinenschaufeln 114 eine
führende
Kante oder Vorderkante 150 auf, welche sich in zusammengefügtem Zustand nahe
bei der Düsenanordnung 38 befindet,
und weist eine nachfolgende Kante oder Hinterkante 152 auf, welche
der Düsenanordnung 38 gegenüberliegend angebracht
ist. Zwischen der führenden
Kante 150 und der nachfolgenden Kante 152 befindet
sich eine Druckseite oder konkave Seite 154 und eine Saugseite oder
konvexe Seite 156. Jede der Vielzahl von Schaufeln 114 weist
eine im Allgemeinen hohle Konfiguration auf, welche eine Umfangswand 158 bildet mit
im Allgemeinen gleichmäßiger Dicke
bildet, sowie eine Innenoberfläche 157 und
eine Außenoberfläche 159.
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Eine
Vielzahl von Schaufelkühldurchlässen sind
in der Umfangswand 158 ausgeformt. In dieser Anwendung
weist die Vielzahl von Schaufelkühldurchlässen einen
ersten Kühlpfad 160 auf.
Es kann jedoch jede Anzahl von Kühlpfaden
verwendet werden, ohne das Wesen der Erfindung zu verändern.
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Der
erste Kühlpfad 160 befindet
sich innerhalb der Umfangswand 158 und ist zwischen der
führenden
Kante 150 und der nachfolgenden Kante 152 jeder
der Schaufeln 114 angebracht. Der erste Kühlpfad 160 weist
eine Einlassöffnung 164 auf,
die an dem ersten Ende 132 entspringt und einen ersten
radialen Umlauf 166 oder Verteilerkanal aufweist, der sich
nach aussen hin im Wesentlichen über
die ganze Länge
der Schaufel 114 in Richtung des zweiten Endes 146 erstreckt.
Die Einlassöffnung 164 und
der erste radiale Umlauf 166 befinden sich zwischen der führenden
Kante 150 und der nachfolgenden Kante 152.
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Weiterhin
umfasst der erste Kühlpfad 160 einen
zweiten radialen Umlauf 168, welcher sich zwischen dem
ersten Ende 132 und dem zweiten Ende 146 erstreckt.
Der zweite radiale Umlauf 168 ist strömungstechnisch mit einem End- oder Spitzenumlauf 170 verbunden,
der zumindest teilweise zwischen dem zweiten Ende 146 und
dem ersten radialen Umlauf 166 mittels einer ersten Trennwand 172 zwischengeschaltet
ist, welche an der konkaven Seite 154 und der konvexen Seite 156
mit der Umfangswand 158 verbunden ist. Der zweite radiale
Umlauf 168 ist mittels einer zweiten Trennwand 174 zwischen
der führenden
kante 150 und dem ersten radialen Umlauf zwischengeschaltet.
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Die
zweite Trennwand erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 132 und
dem zweiten Ende 146 und ist an der konkaven Seite 154
und der konvexen Seite 156 mit der Umfangswand 158 verbunden.
Der zweite radiale Umlauf 168 weist ein Ende 176 auf,
welches dem ersten Ende 132 der Schaufel 114 benachbart
ist und sich gegenüber
dem mit dem Spitzenumlauf 170 in Verbindung stehenden Ende befindet.
Der Spitzenumlauf 170 steht mit einer Auslassöffnung 178 in
Verbindung, welche in der nachfolgenden Kante vorgesehen ist. Ein
Vielzahl von Löchern
oder Spalten 180 ist in der zweiten Trennwand 174 angebracht
und verbinden den ersten radialen Umlauf 166 und den zweiten
radialen Umlauf 168. Wie in 3 gezeigt,
befindet sich die Vielzahl der Löcher 180 nahe
der Umfangswand 158 nahe der Druckseite 154 jeder
der Schaufeln 114. In dieser Anwendung erstreckt sich die
Vielzahl der Löcher 180 ungefähr von dem
Plattformbereich 138 bis ungefähr bis zu der ersten Trennwand 172.
Obgleich die Vielzahl der Löcher 180 als
senkrecht zu der zweiten Trennwand 174 dargestellt sind,
kann die Vielzahl der Löcher
in verschiedenen Winkeln zu der zweiten Trennwand 174 ausgeformt
sein. Als Alternative erstreckt sich ein zusätzlicher geneigter bzw. schräger Durchlass 194 zwischen
dem ersten radialen Umlauf 166 und dem zweiten radialen
Umlauf 168. Der geneigte Durchlass 194 tritt nahe
dem Ende 176 des zweiten radialen Umlaufs 168 unter
einem Winkel von ungefähr
30° bis
60° in den
zweiten radialen Umlauf 168 ein.
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Als
Alternative zeigt 6 einen zweiten Kühlpfad 200,
welcher sich innerhalb der Umfangswand 158 befindet, und
zwischen dem ersten Kühlpfad 160' und der nachfolgenden
Kante 152 jeder Schaufel 114 angebracht ist (wobei „'„ Variationen der 5 darstellt).
Der zweite Kühlpfad 200 weist
eine Einlassöffnung 204 auf,
welche dem ersten Ende 132 entspringt.
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In 5 befindet
sich ein Wendedurchlass 208 innerhalb des Spitzendurchlasses 170 des
ersten Kühlpfades 160 und
steht in Verbindung mit einem ersten Radialdurchlass 206.
Ein zweiter Wendedurchlass 212 verbindet den ersten Radialdurchlass mit
einem zweiten Radialdurchlass 210. Ein dritter Wendedurchlass 213 verbindet
den zweiten Radialdurchlass 210 mit einem radia len Auslassdurchlass 214.
Der erste Radialdurchlass 206 ist von dem zweiten Radialdurchlass 210 durch
ein zweites Wandbauteil 216 getrennt, welches an der konkaven
Seite 154 und der konvexen Seite 156 mit der Umfangswand 158 verbunden
ist. Der zweite Radialdurchlass 210 ist von dem radialen
Auslassdurchlass 214 durch ein drittes Wandbauteil 218 getrennt,
welches ebenso an der konkaven Seite 154 und der konvexen Seite
156 mit der Umfangswand 158 verbunden ist.
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Die
in 6 gezeigte Alternative zeigt den ersten Wendedurchlass 208', der den ersten
Radialdurchlass 206' und
den zweiten Radialdurchlass 210' verbindet. Der zweite Wendedurchlass 212' verbindet hier
den zweiten Radialdurchlass 210' mit dem radialen Auslassdurchlass 214' nahe dem Plattformbereich 138.
Obgleich diese Anwendungen zwei Radialdurchlässe 206' und 210' zeigt, ist die Auswahl der geeigneten
Anzahl von Radialdurchlässen
ein Frage der Gestaltung und wird sich in Abhängigkeit von der Anwendung ändern.
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In
dieser Anwendung weist die Turbinenschaufel 114 weiterhin
einen Filmkühlumlauf 220 auf, welcher
sich nahe der führenden
Kante 150 befindet. Eine Filmkühltrennwand 222 verbindet
die zweite Trennwand und einen Bereich der Umfangswand 158 nahe
der führenden
Kante 150. Die Filmkühltrennwand 222 erstreckt
sich radial zwischen dem Spitzenumlauf 170 und dem Plattformbereich 138 und
bildet dadurch den Filmkühlumlauf 220.
Nahe dem zweiten Ende 146 ist der Filmkühlumlauf 220 strömungstechnisch
mit dem Spitzenumlauf 170 in Verbindung, wie am besten
in den 4 und 5 gezeigt. Wahlweise kann der
Filmkühlumlauf 220 auch mit
dem zweiten Radialumlauf 168 nahe dem Ende 176 strömungstechnisch
verbunden sein. Eine Vielzahl von Öffnungen 232, von
denen nur eine gezeigt ist, weist eine vorher bestimmte Fläche auf
und verbindet den Filmkühlumlauf 220 mit
der Saugseite 156 der Schaufel 114. Beispielsweise
beträgt
die vorher bestimmte Fläche
der Öffnungen 232 ungefähr 50 Prozent
der vorher bestimmten Querschnittsfläche des Filmkühlverteilerkanals 168.
Die Vielzahl der Öffnungen 232 tritt
aus der Saugseite 156 in einem geneigten Winkel aus, der
im Allgemeinen von der führenden
Kante 150 zur nachfolgenden Kante 152 gerichtet
ist. Eine vorher bestimmte Kombination der Vielzahl von Löchern 232,
die eine vorher bestimmte Fläche
aufweisen und eine Durchflussrate ausformen und die Vielzahl der
Löcher 180,
die eine vorher bestimmte Fläche
aufweisen und eine Durchflussrate ausformen, sorgt für eine optimierte
Kühleffektivität für die Schaufel 114.
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Die
obige Beschreibung betrifft nur die Turbine 36 der ersten
Stufe; es ist jedoch zu bemerken, dass die Konstruktion im Allgemeinen
typisch für
die restlichen Turbinenstufen innerhalb des Turbinenbereichs 14 sein
kann, falls Kühlung
verwendet werden sollte. Obwohl das System 12 zur Kühlluftzufuhr
mit Bezug auf eine Turbinenschaufel 114 beschrieben wurde,
kann das System an jedes aerodynamische Profil, wie die Düsen- und
Verkleidungsanordnung 38 ohne Änderung des Wesens der Erfindung
angepasst werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Im
Betrieb resultiert die verringerte Menge an Kühlströmungsmittel oder Luft aus dem
Verdichterbereich, wie sie in dem Zuführsystem 12 verwendet wird,
in einer verbesserten Effizienz und Leistung der Gasturbinenmaschine 10.
während
die Langlebigkeit der in der Gasturbinenmaschine 10 verwendeten Komponenten
gesteigert wird. Der folgende Ablauf wird sich auf die Turbine 36 der
ersten Stufe beziehen; der Kühlbetrieb
der übrigen
aerodynamischen Profilen (Schaufeln und Düsen) könnte sehr ähnlich sein, wenn Kühlung eingesetzt
wird. Nach dem Austreten aus dem Verdichter tritt die Kühlluft in
den Umlauf 136 oder Freiraum zwischen dem ersten Ende 132 der
Schaufel 114 und dem Boden 126 des Schlitzes 124 in
der Scheibe 116 ein.
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Ein
erster Teil des Kühlströmungsmittels 300 tritt
in den ersten Kühlpfad 160 ein.
Beispielsweise tritt der erste Teil des Kühlströmungsmittels 300 in
die Einlassöffnung 164 ein
und bewegt sich radial entlang des ersten radialen Umlaufs 166,
wobei es Wärme
von der Umfangswand 158 und der Trennwand 172 aufnimmt.
Der Großteil
des ersten Teils des Kühlströmungsmittels
tritt aus dem ersten Radialumlauf 166 durch die Vielzahl
von Löchern 180 aus
und erzeugt eine wirbelnde Strömung,
die sich radial entlang des zweiten Radialumlaufs 168 bewegt,
wobei sie Wärme
der führenden
Kante 150 von der Umfangswand 168 absorbiert.
Der erste Teil des Kühlströmungsmittels 300 erzeugt
in dem zweiten Radialumlauf 168 eine Wirbelströmung aufgrund
der Wechselwirkung mit der Vielzahl von Löchern 180 und dem
geneigten Durchlass 194. Der erste Teil des Kühlströmungsmittels 300,
der wie oben festgestellt in den geneigten Durchlass 194 zwischen
dem ersten Radialumlauf 166 und dem zweiten Radialumlauf 168 eintritt,
trägt zu
der Wirbelströmung
bei, indem das Kühlströmungsmittel 66 im
Allgemeinen radial nach außen
von dem zweiten Radialumlauf 168 in den Spitzenumlauf 170 geführt wird.
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Wenn
der erste Teil des Kühlströmungsmittels 300 aus
dem zweiten Radialumlauf 168 in den Spitzenumlauf 170 eintritt,
wird ein Teil des ersten Teils des Kühlströmungsmittels 300 oder
Filmteil des Kühlströmungsmittels 302 in
den Filmkühlumlauf 220 gesogen.
Die Vielzahl der Öffnungen 232 setzt
den Filmkühlumlauf 220 niedrigeren
Luftdrücken
als denjenigen aus, die in dem Spitzenumlauf 170 vorherrschen,
was es ermöglicht,
dass der Teil des Kühlströmungsmittels
in den Filmkühlkanal 220 gesogen wird.
Der Filmteil des Kühlströmungsmittels 302 tritt aus
der Vielzahl von Öffnungen 232 aus
und kühlt
die äußere Oberfläche 159 der
Umfangswand 158, welche in Kontakt mit den Verbrennungsgasen
auf der Saugseite 156 steht, bevor er sich mit den Verbrennungsgasen
vermischt. Der Rest des Kühlströmungsmittels 66 im
ersten Kühlpfad 162 tritt
aus der Austrittsöffnung 178 in
der nachfolgenden Kante 152 aus, um sich ebenfalls mit
den Verbrennungsgasen zu vermischen.
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Wie
in 6 gezeigt, tritt ein zweite Teil des Kühlströmungsmittels 304 in
den zweiten Kühlpfad 200 ein.
Beispielsweise tritt Kühlströmungsmittel 66 in
die Einlassöffnung 204 ein
und bewegt sich radial entlang des ersten Radialdurchlasses 206,
wobei es Wärme
von der Umfangswand 158, dem ersten Wandbauteil 202 und
dem zweiten Wandbauteil 216 absorbiert, bevor es in die
den ersten Wendedurchlass 208' eintritt, wo noch mehr Wärme von
der Umfangswand 158 absorbiert wird. Wenn der zweite Teil des
Kühlströmungs mittels 304 in
den zweiten Radialdurchlass 210' eintritt, wird zusätzliche
Wärme von der
Umfangswand 158, dem ersten Wandbauteil 202 und
dem zweiten Wandbauteil 216 absorbiert, bevor es in den
zweiten Wendedurchlass 212' eintritt
und aus dem radialen Auslassdurchlass 214' entlang der nachfolgenden Kante 152 austritt,
um sich mit den Verbrennungsgasen zu vermischen.
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Das
verbesserte Turbinenkühlsystem 12 sorgt
für eine
effizientere Verwendung der aus dem Verdichterbereich abgezogenen
Kühlluft,
erhöht
die Lebensdauer der Bauteile und die Effizienz der Maschine. Das
Hinzufügen
des Filmkühlumlaufs 220 ermöglicht es
dem ersten Teil des Kühlströmungsmittels 300,
mit mehr des zweiten Radialumlaufes in Kontakt zu kommen, bevor
es durch die Vielzahl der Löcher 232 austritt,
um bei der Filmkühlung
verwendet zu werden.
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Andere
Eigenschaften, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können durch
studieren der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erlangt
werden (18958)..