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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Gasturbinenlaufschaufel, die mit Verwirblern versehen
ist, und insbesondere auf eine Anordnung von Verwirblern in einem
Kühldurchgang
an der Eintrittskante innerhalb einer Gasturbinenlaufschaufel.
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Stand der Technik
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US
4,515,526 offenbart einen Aufbau einer Gasturbinenlaufschaufel
mit einer Eintrittskante, die einem Verbrennungsgasstrom entgegen
und einer Austrittskante, einem Kühldurchgang, dir in einem Inneren
der Eintrittskante definiert ist und den Kühlluftstrom von einem proximalen
Endabschnitt der Schaufel zu einer Spitze der Schaufel führt und
mehreren Verwirblern, die in einer Querrichtung zu dem Strom der
Kühlluft
angeordnet sind und relativ zu dem Verbrennungsgasstrom auf beiden
gegenüberliegenden
inneren Wandflächen
des Kühldurchgangs geneigt
sind. Die Verwirbler sind derart angeordnet, dass sie von der Eintrittskante
in einer Richtung entgegen dem Kühlluftstrom
in Richtung der nachgeschaltetern Seite des Verbrennungsgasstroms
geneigt sind. Ferner besehen die mehreren geneigten Verwirbler aus
langen Verwirblern, die über
einen Bereich von der Eintrittskante des Kühldurchgangs in einer Querrichtung
des Kühldurchgangs
angeordnet sind und kurzen Verwirblern, die sich von der Einrittskante
des Kühldurchgangs
erstrecken.
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WO 96/12874 offenbart einen Aufbau
einer Gasturbinenlaufschaufel, ähnlich
dem in
US 4,515,526 beschriebenen,
wobei alle Verwirbler innerhalb des Kühldurchgangs die gleiche Länge aufweisen
und derart angeordnet sind, dass sie den Kühldurchgang vollständig durchqueren.
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US
5,488,825 bezieht sich auf eine stationäre Gasturbinenschaufel mit
mehreren Verwirblern, wobei Abschnitte der Verwirbler ähnlich der
Verwirbler in WO 96/12874 angeordnet sind.
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US
4,775,296 offenbart eine Anordnung einer Gasturbinenlaufschaufel ähnlich zu
der in
US 4,515,526 ,
wobei alle Verwirbler die gleiche Länge aufweisen.
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US
5,052,889 offenbart eine Anordnung einer Laufschaufel,
wobei die Verwirbler angeordnet sind, so dass sie von der Eintrittskante
in einer Richtung von dem Kühlgasstrom
weg in einer Richtung zu einer dem Verbrennungsgasstrom nachgeschalteten Seite
abfallen. Ferner sind die Verwirbler hauptsächlich angeordnet, so dass
sie den Kühldurchgang
vollständig
durchqueren.
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4 ist
eine Querschnittsansicht, die eine normale herkömmliche Laufschaufel zeigt.
In 4 weist eine Laufschaufel
eine Eintrittskante 17 und eine Austrittskante 16 auf
und ist als Gesamtheit im allgemeinen durch das Bezugszeichen 11 gekennzeichnet.
Ein Kühldurchgang 17 ist
innerhalb der Eintrittskante 17 vorgesehen. Die Bezugszeichen 13, 14 und 15 bezeichnen
Kühldurchgänge, die
miteinander in Verbindung stehen, um einen serpentinenförmigen Kühldurchgang
zu bilden. Kühlluft 20 strömt durch
einen Kühldurchgang 12 auf
der Eintrittskanten-17-Seite und kühlt den Eintrittskantenabschnitt, um
an einem oberen Endabschnitt der Laufschaufel 11 auszuströmen. Kühlluft 21 wird
in den Kühldurchgang 13 eingeführt, um
in Richtung eines oberen Endabschnitts 21a zu strömen, an
dem die Kühlluft
in den nächsten
Kühldurchgang 14 strömt. Dann
strömt die
Kühlluft 21 in
Richtung eines proximalen Endabschnitts 21b, um durch eine
Anzahl von Luftlöchern,
die in der Austrittskante 16 vorgesehen sind, in einen
Verbrennungsgasdurchgang 21c ausgegeben zu werden.
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5 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
entlang der Linie C-C in 4.
Eine Anzahl an Verwirblern 28 ist in einer Mehrfachstufenart
innerhalb des Kühldurchgangs 12 von
der Spitze bis zum Fuß auf
beiden Wandoberflächen
auf der Seite der Eintrittskante 17 vorgesehen. Die Verwirbler 28 sind vorgesehen,
um den Strom der eingeführten
Kühlluft 20 turbulent
zu gestalten, um dadurch die Wärmeübertragung
zu verbessern.
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6 ist
ein vergrößerter Längsschnitt
eines Teils des Kühldurchgangs 12 auf
der Seite der Eintrittskante 17. Eine Rippe 31 ist
in dem Inneren auf der Seite der Eintrittskante 17 der
Laufschaufel 11 vorgesehen, wodurch der Kühldurchgang 13 und
der Kühldurchgang 12 voneinander
getrennt sind, um den Kühldurchgang 12 zu
definieren. Die mehreren Verwirbler 28, die in Richtung
des Verbrennungsgasstroms G über
die oberen und unteren Abschnitte beider Wandflächen dieses Kühldurchgangs 12 nach oben
geneigt sind, d. h., die in der Richtung des Gasstroms der Kühlluft 20 in
Richtung der nachgeschalteten Seite des Verbrennungsgasstroms G
geneigt sind, sind auf beiden Wandflächen des Kühldurchgangs 12 angeordnet.
Die Kühlluft 20 wird
von einem proximalen Endabschnitt der Laufschaufel 11 eingeführt, um
in Richtung der Spitze davon zu strömen, um das Innere der Eintrittskante 17 von
innen her zu kühlen.
Die Kühlluft,
die entlang beider Wandabschnitte des Kühldurchgangs 12 nach
oben strömt,
wird jedoch gezwungener Maßen,
gegen die Verwirbler 28 prallen. Durch dieses Aufprallen,
wie es in der Zeichnung dargestellt ist, werden sekundäre Strömungen 20b entlang
der Neigung der Verwirbler 28 in Richtung der Rippe 31 an
jedem Verwirbler 28 erzeugt. Als Folge wird ein hoher Wärmeübertragungswirkungsgrad
an der Rippe 31 (Abschnitt D, der durch die gestrichelte
Linie angedeutet ist) an einer Grenze zwischen jedem Verwirbler 28 und
dem benachbarten Kühldurchgang 13,
in den jeder Verwirbler 28 mündet, erreicht.
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Es ist jedoch nicht möglich, diese
Kühlwirkung
des Abschnitts D auf der Seite der Rippe 31 an der Seite
der Eintrittskante 17 (Abschnitt E, dargestellt durch die
gestrichelte Linie), in die jeder Verwirbler 28 mündet, zu
erreichen. Die Wärmeübertragung
an der Seite der Eintrittskante, die dem Verbrennungsgas mit hoher
Temperatur am meisten ausgesetzt ist, wird niedriger. Obwohl die
Verwirbler 28 an dem Kühldurchgang 12 angebracht
sind, so dass der Wärmeübertragungswirkungsgrad
insgesamt erhöht
werden kann, wie es in 6 dargestellt ist
und oben beschrieben wurde, ist es unmöglich, einen befriedigenden
Effekt zum Kühlen
der Eintrittskante 17 zu erreichen, die die Kühlwirkung
am meisten benötigt,
d. h. zum Kühlen
des Abschnitts E. Folglich ist es wünschenswert, den Wärmeübertragungswirkungsgrad
in diesem Bereich zu erhöhen.
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Wenn die Verwirbler vorgesehen sind,
erhöht sich
der Wärmeübertragungswirkungsgrad,
aber auf der anderen Seite auch der Druckverlust der Kühlluft erhöht. Folglich
ist es notwendig, das gegenseitig inkonsistente Phänomen der
Erhöhung
der Wärmeübertragung
und des Druckverlusts zu verbessern. In Hinblick auf diese beiden
Faktoren ist es notwendig, die Anordnung der Verwirbler zu optimieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Folglich ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Anordnung für eine Gasturbinenlaufschaufel
vorzuschlagen, bei der eine Kühlwirkung
an einer Eintrittskante, die einem Verbrennungsgas mit hoher Temperatur
ausgesetzt ist, erhöht
ist, und dies in Hinblick auf eine Anordnung von Verwirblern der Eintrittskante
der Gasturbinenlaufschaufelanordnung und insbesonere im Hinblick
auf eine Neigung der Verwirbler, und wobei zur gleichen Zeit die
Verwirbler lokal nur an einem Abschnitt angeordnet sind, in dem die
Kühlwirkung
zu verstärken
ist und ein Druckverlust der Kühlluft
auf einen minimalen Level gedrückt ist.
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In Hinblick auf das Obige und andere
Aufgaben, die im Laufe der Beschreibung deutlich werden, wird gemäß einem
allgemeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Anordnung für eine Gasturbinenlaufschaufel
vorgeschlagen, umfassend eine Eintrittskante, die einem Verbrennungsgasstrom
entgegen weist und eine Austrittskante, einen Kühldurchgang, der innerhalb
der Eintrittskante ausgebildet ist um zu bewirken, dass Kühlluft von
einem Schaufelfußabschnitt
zu einem Ende an der Spitze der Schaufel strömt, und mehrere Verwirbler,
die in einer Richtung quer zu einer Strömungsrichtung der Kühlluft und
in bezug auf den Verbrennungsgasstrom geneigt, auf beiden sich gegenüberliegenden
inneren Wandflächen
des Kühldurchgangs
angeordnet sind, wobei die Verwirbler derart angeordnet sind, dass
sie von der Eintrittskante in einer Richtung entgegengesetzt der
Strömungsrichtung
der Kühlluft
in Richtung einer dem Verbrennungsgasstrom nachgeschalteten Seite
geneigt sind, wobei sich die mehreren geneigten Verwirbler in Kombination
aus langen Verwirblern, die von der Eintrittskante in einer Richtung
quer zu dem Kühldurchgang
verlaufen und aus kurzen Verwirblern, die von der Eintrittskante
des Kühldurchgangs
zu einem Mittelpunkt des Kühldurchgangs
verlaufen, zusammensetzen, wobei das Verhältnis einer Länge der
kurzen Verwirbler zu einer Länge
der langen Verwirbler die Beziehung W zu r/W < 0,5 erfüllt.
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Da die Verwirbler von der Eintrittskante
in einer dem Kühlluftstrom
entgegenweisenden Richtung in Richtung der nachgeschalteten Seite
des Verbrennungsgasstroms geneigt sind, wird die Kühlluft,
die von dem proximalen Endabschnitt der Laufschaufel eintritt und
durch den Mittelabschnitt des Kühldurchgangs
strömt,
in Richtung des Endabschnitts an der Spitze bewegt, während sie
durch die Verwirbler verwirbelt wird und dadurch die Eintrittskante
kühlt.
An beiden inneren Wandflächen
der Eintrittskante der Laufschaufel prallt die Kühlluft auch gegen die Verwirbler,
um zweite Strömungen
zu erzeugen, die entlang der Neigung der Verwirbler in Richtung
der Eintrittskante strömen,
wodurch der Wärmeübertragungswirkungsgrad
des inneren Wandabschnitts an dem Ende an der Spitze der Eintrittskante,
die dem Verbrennungsgas, das auf einer hohen Temperatur gehalten
wird, am meisten ausgesetzt ist und unter extremen thermischen Umständen leidet,
erhöht wird.
Die Kühlwirkung
wird in diesem Abschnitt erhöht.
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Die mehreren geneigten Verwirbler
setzen sich in Kombination aus langen Verwirblern, die sich von
der Eintrittskante in einer Richtung quer zu dem Kühldurchgang
erstrecken und aus kurzen Verwirblern, die sich von der Eintrittskante
des Kühldurchgangs
in einer Richtung zu einem Mittelpunkt des Kühldurchgangs erstrecken, zusammen.
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Da sich die Verwirbler in Kombination
aus langen Verwirblern und kurzen Verwirblern zusammensetzen, wird
die Kühlwirkung
an der Eintrittskante, die eine Kühlung besonders benötigt, durch
die sekundären
Strömungen
der kurzen Verwirbler erhöht und
zur gleichen Zeit kann der Druckverlust der Kühlluft reduziert werden.
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Das Verhältnis einer Länge (Wr)
der kurzen Verwirbler zu einer Länge
(W) der langen Verwirbler erfüllt
die Beziehung Wr/W < 0,5.
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Da das Längenverhältnis der kurzen Verwirbler
zu den langen Verwirblern kleiner als 0,5 ist, wird der Grad des
Behinderns des Kühlluftstroms durch
die kurzen Verwirbler unterdrückt,
um den Druckverlust positiv zu reduzieren.
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und
begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Lesen
der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen davon, die in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen rein beispielhaft angegeben
werden, verständlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im Laufe der folgenden Beschreibung
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1(a) und 1(b) Verwirbler für eine Gasturbinenlaufschaufel
des Standes der Technik zeigen, wobei 1(a) eine
Längsquerschnitt
davon ist und 1(b) ein
Querschnitt entlang der Linie A-A in 1(a) ist;
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2(a) und 2(b) Verwirbler für eine Gasturbinenlaufschaufel
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen, wobei 2(a) ein
Längsquerschnitt
davon ist und 2(b) ein
Querschnitt entlang der Linie B-B in 2(a) ist;
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3 ein
Längsquerschnitt
ist, der Verwirbler einer Gasturbinenlaufschaufel gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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4 ein
Längsquerschnitt
ist, der eine herkömmliche
allgemeine Gasturbinenlaufschaufel zeigt;
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5 ein
vergrößerter Querschnitt
entlang der Linie C-C in 4 ist;
und
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6 ein
Längsschnitt
einer Eintrittskante einer herkömmlichen
Gasturbinenlaufschaufel ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSOFRMEN
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Die vorliegende Erfindung wird in
Verbindung mit dem, was momentan als bevorzugt oder typische Ausführungsform
davon angesehen wird, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genau
beschrieben.
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In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenartigen
Ansichten. In der folgenden Beschreibung ist ferner einleuchtend,
dass Begriffe wie "links", "rechts", "oben", "unten" und Ähnliches
Begriffe sind die der Bequemlichkeit dienen und nicht als begrenzend
auszulegen sind.
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Ausführunasform 1 (Stand der Technik)
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Die 1(a) und 1(b) zeigen Verwirbler für eine Gasturbinenlaufschaufel. 1(a) ist ein Längsschnitt
davon und 1(b) ist ein
Schnitt entlang der Linie A-A in 1(a).
In diesen Zeichnungen sind ein Kühldurchgang 12 auf
der Seite einer Eintrittskante 17 und ein benachbarter Kühldurchgang 13 durch eine
Rippe 31 innerhalb der Eintrittskante 17 der Schaufel
getrennt und ausgebildet. Mehrere Verwirbler 8 sind von
oben nach unten auf beiden Wandflächen des Kühldurchgangs 12 in
einer Mehrfachstufenart vorgesehen. Die mehreren Verwirbler 8 sind derart
angeordnet, dass sie sich von der Seite der Eintrittskante 13 in
bezug auf eine Verbrennungsgasströmungsrichtung G in Richtung
der Seite des Kühldurchgangs 13 nach
unten neigen, d. h. so dass sie sich von der Eintrittskante in einer
Richtung, die der Strömung
der Kühlluft 20 entgegen
weist, zu der der Verbrennungsgasströmungsrichtung G nachgeschalteten
Seite neigen. Diese nach unten gerichtete Neigung entspricht dem
Gegensatz der Neigung der herkömmlichen
Verwirbler 28 (siehe 6).
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Die Kühlluft 20 wird von
der Seite des proximalen Endabschnitts der Laufschaufel in den Kühldurchgang 12 auf
der Seite der Eintrittskante 17 mit den oben beschriebenen
Verwirblern 8 eingeführt. Die
Kühlluft 20 wird
dazu gebracht, in Richtung des Spitzenabschnitts zu strömen, um
die Eintrittskante 17 von innen zu kühlen, während die Strömung davon
turbulent gestaltet wird. Auf der anderen Seite prallt die Kühlluft,
die entlang beider Wandabschnitte strömt, auf die Verwirbler B. Da
die Neigung zu der der Verbrennungsgasströmungsrichtung G nachgeschalteten
Seite in einer Richtung, die der Strömung der Kühlluft 20 entgegenweist,
gerichtet ist, d. h. zu der nachgeschalteten Seite der Strömung, die
auf die Seite der Eintrittskante 17 zuströmt, wenn
man es von der Seite der Kühlluft 20 sieht,
wird eine sekundäre
Strömung 20a erzeugt,
die entlang der Verwirbler zu der Eintrittskante 17 geführt wird.
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Die sekundäre Strömung 20a strömt aufgrund
der Neigung der Verwirbler in einer Richtung entgegengesetzt der
herkömmlichen
sekundären Strömung 20b.
Folglich wird die sekundäre
Strömung 20a zu
der Eintrittskante 17 geführt, die dem Verbrennungsgas
mit hoher Temperatur am meisten ausgesetzt ist. Folglich wird durch
die sekundäre
Strömung 20a der
Wärmeübertragungswirkungsgrad
des Verbindungsabschnitts (Abschnitt E, der durch die gestrichelte
Linie dargestellt ist) zwischen dem Verwirbler 8 und der
Eintrittskante 17 verbessert, um die Kühlwirkung in diesem Abschnitt
zu erhöhen.
Bei dem herkömmlichen
System wird die Kühlwirkung des
Verbindungsabschnitts (Abschnitt D, der durch die gestrichelte Linie
dargestellt ist) zwischen dem Verwirbler 8 und der Rippe 31 verbessert.
Gemäß der ersten
Ausführungsform
wird jedoch die Kühlwirkung des
Verbindungsabschnitts (Abschnitt E) auf der Seite der Eintrittskante
verbessert.
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Ausführungsform 2
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Die 2(a) und 2(b) zeigen Verwirbler für einen
Gasturbinenlaufschaufel gemäß der vorliegenden
Erfindung. 2(a) ist
ein Längsschnitt
davon und 2(b) ist ein
Schnitt entlang der Linie B-B in 2(a).
In diesen Zeichnungen liegt der Unterschied zu der ersten Ausführungsform
darin, dass abwechselnd Verwirbler 8 und kurze Verwirbler 18 angeordnet
sind. Das Übrige
entspricht der in den 1(a) und 1(b) dargestellten Ausführungsform.
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In den 2(a) und 2(b) sind die Verwirbler 18 in
einer Richtung quer zu der Aufwärtsströmung der
Kühlluft 20 abwechselnd
angeordnet und neigen sich von der Eintrittskante zu einem Mittelpunkt
nach unten. Das Verhältnis
der Länge
W der Verwirbler 8 von der inneren Wand der Eintrittskante 17 zu
einer Rippe 31 zu der Länge
Wr der kurzen Verwirbler 18 von der inneren Wand der Eintrittskante 17 zu
dem Mittelpunkt erfüllt
die Beziehung Wr/W<0,5.
Durch eine derartige Anordnung wird der Kühlwirkungsgrad in dem Kühldurchgang 12 auf
der Seite der Eintrittskante 17 im Vergleich zu der ersten
Ausführungsform,
in der alle Verwirbler innerhalb des Kühldurchgangs angeordnet sind,
um den Kühldurchgang
zu durchqueren, insgesamt verschlechtert. Die sekundäre Strömung 20a wird
jedoch in dem Verbindungsabschnitt (Abschnitt E) zwischen der Eintrittskante 17 und
dem Verwirbler 8 erzeugt und eine sekundäre Strömung 20a' wird in dem
Verbindungsabschnitt (Abschnitt F) zwischen der Eintrittskante 17 und
den kurzen Verwirblern 8 erzeugt. Durch die sekundären Strömungen wird
die Kühlwirkung
an jedem Verbindungsabschnitt (Abschnitt E und Abschnitt F) verbessert
und zur gleichen Zeit kann der Druckverlust der Kühlluft durch
die kurzen Verwirbler 18 reduziert werden.
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Ausführungsform 3
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3 ist
ein Längsschnitt,
der Verwirbler einer Gasturbinenlaufschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. In 3 besteht
der Unterschied zu der zweieiten Ausführungsform darin, dass zwei
kurze Verwirbler 18 zwischen zwei langen Verwirblern 8 angeordnet
sind. Die anderen Punkte sind die gleichen wie die der in 2 dargestellten zweiten
Ausführungsform.
Durch eine solche Anordnung wird der gleiche Effekt wie der der
zweiten Ausführungsform
gesichert und gleichzeitig kann der Druckverlust der Kühlluft im
Vergleich zu der zweiten Ausführungsform
weiter reduziert werden.
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Bei der vorstehenden dritten Ausführungsform
wurde eine Erläuterung
gegeben im Hinblick auf ein Beispiel, in dem zwei Reihen kurzer
Verwirbler 18 in einer kontinuierlichen Art angeordnet
sind. Die Anordnung der kurzen Verwirbler 18 ist jedoch
nicht auf dieses Beispiel begrenzt. Es ist möglich, je nachdem wie gewünscht, jede
Anzahl oder jede Anordnung in Kombination zu verwenden. Die kurzen
Verwirbler 18 sind an Abschnitten angebracht, an denen
die Kühlwirkung
insbesondere verstärkt
werden sollte und keine kurzen Verwirbler 18 müssen an
anderen Abschnitten vorgesehen sein. In diesem Fall kann der Druckverlust
in der gleichen Art noch mehr reduziert werden.
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Durch die Verwirbler für Gasturbinenlaufschaufeln
gemäß der ersten,
zweiten und dritten Ausführungsform,
wie sie oben beschrieben wurden, sind die Verwirbler 8 so
angeordnet, dass sie in der Richtung des Verbrennungsgasstroms nach
unten geneigt sind, wodurch der Kühleffekt an der Eintrittskante 17,
die dem Verbrennungsgas mit hoher Temperatur am meisten ausgesetzt
ist, verbessert werden kann. Die nach unten geneigten Verwirbler 8 und die
kurzen Verwirbler 18 können
auch in Kombination verwendet werden, wodurch die Kühlwirkung
an der Eintrittskante 17 verbessert ist und zur gleichen
Zeit der Druckverlust der Kühlluft
reduziert werden kann.
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Abhängig von den Abmessungen der
Gasturbine ist es möglich,
die Verwirbler gemäß der zweiten
Ausführungsform
oder dritten Ausführungsform zu
verwenden.
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Verschiedenartige Details der Erfindung
können
geändert
werden, ohne ihren Umfang zu verlassen. Darüber hinaus ist die vorstehende
Beschreibung der Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung nur mit der Absicht der Darstellung vorgesehen und nicht
mit der Absicht, die Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, zu begrenzen.