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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und
insbesondere die Turbinenschaufelkühlung.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Kompressor unter Druck
gesetzt und mit Kraftstoff in einer Brennkammer gemischt, um heisse
Verbrennungsgase zu erzeugen, die durch eine oder mehrere nachgeschaltete
Turbinen strömen,
die ihnen Energie entziehen. Eine Turbine enthält eine Reihe um einen Umfang
herum im Abstand angeordneter stromlinienförmiger Abschnitte bzw. Rotorschaufeln,
die sich von einer Lagerungsrotorscheibe radial nach außen erstrecken.
Jede Schaufel enthält typischerweise
einen Schwalbenschwanz, der die Montage und Demontage der Schaufel
in einem entsprechenden Schwalbenschwanzschlitz in der Rotorscheibe
ermöglicht.
Ein Schaufelblatt erstreckt sich von dem Schwalbenschwanz aus radial
nach außen.
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Das
Schaufelblatt hat eine im Allgemeinen konkave Druckseite und im
Allgemeinen konvexe Saugseite, die sich axial zwischen entsprechenden Vorder-
und Hinterkanten und radial zwischen einem Fuß und einer Spitze erstrecken.
Die Laufschaufelspitze ist in engem Abstand zu einem radial äußeren Turbinenmantel
angeordnet, um eine Leckage der Verbrennungsgase zwischen ihnen
zu minimieren, die abstromseitig zwischen den Turbinenschaufeln strömen. Ein
maximaler Wirkungsgrad des Triebwerks wird erzielt, indem der Spitzenabstand
oder Spalt minimiert wird, wobei dieser jedoch durch die unterschiedliche
thermische Expansion und Kontraktion zwischen den Rotor schaufeln
und dem Turbinenmantel begrenzt ist, um die Wahrscheinlichkeit unerwünschter
Spitzenreibberührungen
zu minimieren.
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Da
die Turbinenschaufeln in heißen
Verbrennungsgasen gebadet werden, erfordern sie eine effektive Kühlung, um
deren Nutzungsdauer sicherzustellen. Die Schaufelblätter sind
hohl und in einer Strömungsverbindung
mit einem Kompressor zur Aufnahme eines Teils der Druckluft angeordnet,
die aus diesem für
zum Kühlen
der Schaufelblätter
abgezweigt wird. Die Schaufelblattkühlung ist ziemlich ausgeklügelt und
kann unter Anwendung verschiedener Formen von internen Kühlkanälen und
Merkmalen und unter Zusammenwirkung mit Kühllöchern durch die Wände des
Schaufelblatts für
die Abgabe der Kühlluft
ausgeführt
werden.
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Die
Schaufelblattspitze ist besonders schwierig zu kühlen, weil sie unmittelbar
an den Turbinenmantel angrenzend angeordnet ist und weil die heißen Verbrennungsgase
durch den Spitzenspalt dazwischen hindurchströmen. Ein Teil der durch das Schaufelblatt
hindurchgeführten
Luft wird typischerweise durch die Spitze zur Kühlung derselben ausgegeben.
Die Spitze enthält
typischerweise eine zusammenhängende
radial nach außen
ragende Randrippe, die sich zwischen den Druck- und Saugseiten entlanglaufend
zwischen den Vorder- und Hinterkanten angeordnet ist. Die Spitzenrippe
folgt der aerodynamischen Kontur um das Schaufelblatt und ist ein wichtiger
Beitrag für
dessen aerodynamischen Wirkungsgrad.
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Die
Spitzenrippe weist auf den gegenüberliegenden
Druck- und Saugseiten
im Abstand angeordnete Abschnitte auf, um einen offenen oberen Spitzenhohlraum
zu bilden. Eine Spitzen platte oder Boden erstreckt sich zwischen
den Druck- und Saugseitenrippen und schliesst den oberen Bereich
des Schaufelblatts ab, um Kühlluft
darin zu halten. Spitzenlöcher
erstrecken sich durch den Boden hindurch, um die Spitze zu kühlen und
den Spitzenhohlraum zu füllen.
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Die
Druck- und Saugseitenrippen sind bevorzugt in der Höhe gleich,
um mit dem Turbinenmantel eine Zwei-Zahn-Labyrinthdichtung zu bilden. Die in den
Spitzenhohlraum abgegebene Kühlluft
setzt den Hohlraum unter Druck und unterstützt diesen in der Aufrechterhaltung
einer effektiven Spitzenabdichtung.
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Die
Spitzenrippe hat typischerweise dieselbe Dicke wie die darunter
liegenden Schaufelblattseitenwände
und liefert ein Opfermaterial, um gelegentlichen Spitzenreibberührungen
mit dem Mantel zu widerstehen, ohne den Rest der Spitze zu beschädigen oder
die Spitzenlöcher
zu verstopfen, um die Kontinuität
der Spitzenkühlung über die
Lebensdauer der Schaufel sicherzustellen.
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Die
auch als "Squealer"-Spitzen bezeichneten
Spitzenrippen sind typischerweise Festkörper und weisen einen relativ
großen
Oberflächenbereich auf,
der durch die heißen
Verbrennungsgase aufgeheizt wird. Da sie sich über den Spitzenboden hinaus erstrecken,
erfahren sie eine eingeschränkte
Kühlung
durch die Luft, die innerhalb des Schaufelblatts hindurchgeführt wird.
Typischerweise besitzt die Spitzenrippe eine große Oberflächenfläche, die durch die Verbrennungsgase
erhitzt wird und nur eine kleine Fläche für ihre Kühlung. Die Laufschaufelspitze
arbeitet dadurch bei einer relativ hohen Temperatur und thermischen
Beanspruchung und ist typischerweise der die Nutzungslebensdauer
beschränkende
Punkt des gesamten Schaufelblatts.
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Beispiele
derartiger Spitzenrippen sind in
US 5503527 ,
SU 779591 und
SU 175247 beschrieben.
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Demzufolge
ist es erwünscht,
eine Turbinenschaufel für
ein Gasturbinentriebwerk mit einer verbesserten Spitzenkühlung zu
schaffen.
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Gemäss der vorliegenden
Erfindung wird eine Turbinenschaufel mit einem stromlinienförmigen Abschnitt
bzw. Schaufelblatt und einem integralen Schwalbenschwanz zum Befestigen
des Schaufelblatts an einer Rotorscheibe innerhalb eines Turbinenmantels
geschaffen, wobei das Schaufelblatt aufweist: erste und zweite Seitenwände, die
an einer Vorderkante und einer Hinterkante miteinander verbunden
sind und sich von einem Fuß,
der in dem benachbarten Schwalbenschwanz angeordnet ist, zu einer
Spitzenplatte erstrecken, um Verbrennungsgase darüber zu leiten,
sowie einen Kühlkanal,
der in dem Schaufelblatt angeordnet ist, um Kühlfluid durch den Schwalbenschwanz
hindurch aufzunehmen,
eine erste Spitzenrippe, die sich zwischen
den Vorder- und
Hinterkanten von der Spitzenplatte nach außen erstreck, und
eine
zweite Spitzenrippe, die sich zwischen den Vorder- und Hinterkanten
von der Spitzenplatte nach außen
erstreckt und lateral von der ersten Spitzenrippe im Abstand angeordnet
ist, um einen oben offenen Spitzenkanal zu bilden, der einen Spitzeneinlass nahe
der Vorderkante zum Aufnehmen von Verbrennungsgasen und einen Spitzenauslass
nahe der Hinterkante zum Abgeben der Verbrennungsgase aufweist,
wobei
die ersten und zweiten Spitzenrippen jeweils ein stromlinienförmiges Profil
haben, das gegenüberliegende
konkave und konvexe Seiten hat, die sich von dem Spitzeneinlass
zu dem Spitzenauslass erstrecken, um den Verbrennungsgasen, Energie
zu entziehen, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die erste Spitzenrippe
von der Vorderkante zu der Hinterkante erstreckt und sich die zweite
Spitzenrippe bis kurz vor die Vorder- und Hinterkanten erstreckt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
isometrische Teilschnittansicht einer Turbinenrotorschaufel eines
Gasturbinentriebwerks ist, die in einer Rotorscheibe innerhalb eines umgebenden
Mantels montiert ist, wobei die Schaufel eine Spitze gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist,
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2 eine
schematische Darstellung eines exemplarischen relativen Einlasstemperaturprofils über den
Druck- und Saugseiten der in 1 dargestellten
Schaufel ist,
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3 eine
isometrische Ansicht der in 1 dargestellten
Laufschaufelspitze mit einem Paar aerodynamischer Spitzenrippen
gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
ist,
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4 eine
Draufsicht der in 1 dargestellten Laufschaufelspitze
und entlang der Linie 4-4 ist,
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5 eine
Aufrissschnittansicht durch die in 5 dargestellte
Lauf schaufelspitze innerhalb des Turbinenmantels und im Allgemeinen
entlang der Linie 5-5 ist.
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In 1 ist
ein Abschnitt einer Hochdruckturbine 10 eines Gasturbinentriebwerks
dargestellt, die direkt abstromseitig zu einer (nicht dargestellten) Brennkammer
zur Aufnahme von deren heißen
Verbrennungsgasen 12 montiert ist. Die Turbine ist um eine
axiale Mittellinie 14 axialsymmetrisch ausgebildet und
enthält
eine Rotorscheibe 16, aus der sich radial nach außen eine
Vielzahl um den Umfang herum im Abstand zueinander angeordneter
Turbinenrotorschaufeln 18 erstrecken, wovon eine dargestellt
ist. Ein ringförmiger
Turbinenmantel 20 ist in geeigneter Weise mit einem stationären Statorgehäuse verbunden
und umgibt die Schaufeln, um einen relativ kleinen Abstand oder
Spalt dazwischen zur Begrenzung der Leckage der Verbrennungsgase
dazwischen während
des Betriebs zu schaffen.
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Jede
Schaufel 18 enthält
einen Schwalbenschwanz 22, der eine beliebige herkömmliche
Form annehmen kann, wie z.B. einen axialen Schwalbenschwanz, der
zur Montage in einem entsprechenden Schwalbenschwanzschlitz in dem
Umfang der Rotorscheibe 16 eingerichtet ist. Ein hohles
Schaufelblatt 24 ist in einem Stück mit dem Schwalbenschwanz verbunden
und erstreckt sich radial oder in Längsrichtung davon nach außen. Die
Schaufel enthält auch
eine integrale Plattform 26, die an der Verbindung des
Schaufelblatts und des Schwalbenschwanzes angeordnet ist, um einen
Abschnitt des radial inneren Strö mungspfades
für die
Verbrennungsgase 12 zu bilden. Die Schaufel kann in einer
beliebigen herkömmlichen
Weise ausgebildet sein und ist typischerweise ein einteiliges Gießteil.
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Das
Schaufelblatt 24 enthält
eine im Allgemeinen konkave erste oder druckbeaufschlagte Seitenwand 28 und
eine am Umfang oder lateral entgegengesetzte im Allgemeinen konvexe
zweite oder saugseitige Seitenwand 30, die sich in Sehnenrichtung
zwischen gegenüberliegenden
Vorder- und Hinterkanten 32, 34 erstreckt. Die
zwei Seitenwände
erstrecken sich in der Radial oder Längsrichtung zwischen einem
radial inneren Fuß 36 bei
der Plattform 26 und einer radial äußeren Spitze 38.
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Die
erste und die zweite Seitenand des Schaufelblatts sind in der lateralen
oder Umfangsrichtung über
die gesamte Längs-
oder Radialspanne des Schaufelblatts im Abstand zueinander angeordnet,
um wenigstens eine interne Strömungskammer oder
einen Kanal 40 für
die Kanalisierung von Kühlluft 42 durch
das Schaufelblatt für
dessen Kühlung
zu bilden. Die Kühlluft
wird typischerweise aus dem (nicht dargestellten) Kompressor in
einer beliebigen herkömmlichen
Weise abgezweigt.
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Das
Innere des Schaufelblatts kann jede herkömmliche Konfiguration einschließlich beispielsweise
serpentinenartiger Strömungskanäle mit verschiedenen
Turbulatoren darin zur Verbesserung des Kühlluftwirkungsgrades aufweisen,
wobei die Kühlluft durch
verschiedene Löcher
durch das Schaufelblatt hindurch, wie z.B. durch herkömmliche
Filmkühllöcher 44 und
Vorderkantenausgabelöcher 46,
ausgegeben wird.
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Wie
es vorstehend dargestellt wurde, enthält eine herkömmliche
Turbinenschaufel eine zusammenhängende
Rippe, die sich zu den druckseitigen und saugseitigen Seitenwänden in
einer gemeinsamen Richtung erstreckend zwischen den Vorder- und Hinterkanten
angeordnet ist und die dem aerodynamischen Profil des Schaufelblatts
folgt, während
sie gleichzeitig eine effektive Spitzendichtung mit dem Turbinenmantel
schafft, an dem sie während
des Betriebs gelegentlich reiben kann. Solche Rippen sind schwierig
zu kühlen,
da sie den heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, die während des Betriebs darüber hinwegströmen.
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2 stellt
ein exemplarisches Relativeinlasstemperaturprofil der Verbrennungsgase 12 dar, wie
es von jedem der rotierenden Laufschaufeln 18 erfahren
wird. Das Temperaturprofil weist im Allgemeinen in der Mitte eine
Spitze auf oder ist im Allgemeinen parabolisch, wie es auf der linken
Seite von 2 dargestellt ist, wobei eine
maximale Temperatur Tmax typischerweise
in dem Bereich der Schaufelblattspanne oder radialen Höhe zwischen
etwa 50–70%
auftritt. Null Prozent liegen bei dem Schaufelfuß 36 und 100 Prozent
an dem radial äußersten Abschnitt
oder der Spitze 38 des Schaufelblatts vor.
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Das
von der Druckseite der ersten Seitenwand 28 während des
Betriebs erfahrene entsprechende Gastemperaturprofil ist in der
Mitte von 2 dargestellt. Das von der Saugseite
der zweiten Seitenwand 30 des Schaufelblatts erfahrene
Gastemperaturprofil ist auf der rechten Seite von 2 dargestellt.
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Obwohl
die von dem Schaufelblatt 24 erfahrene Gastemperaturprofil
typischerweise eine Spitze an den Schaufelvorderkanten 32 aufweist,
stören
sekundäre
Strömungsfelder
zwischen am Umfang benachbarten Schaufelblättern in dem Laufschaufelspitzenbereich
auf der Druck- oder ersten Seitenwand 28 das Temperaturprofil
erheblich. Die Gastemperatur ist an dem druckseitigen Spitzenbereich
wesentlich größer als
die Temperatur an dem saugseitigen Spitzenbereich und sie nimmt
primär
von der Vorderkante 32 zu dem Mittensehnenbereich hin,
stromaufwärts
der Hinterkante 34 der Laufschaufelspitze, mit einem erheblichen
Gradienten zu.
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Jedoch
kann, und auch in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung das in 2 dargestellte
gestörte
Gastemperaturprofil vorteilhaft zur Reduzierung der Gastemperatur
genutzt werden, die ansonsten von der Laufschaufelspitze auf der
Druck- oder ersten Seitenwand 28 auftritt, um die Betriebstemperatur
der Laufschaufelspitze zu reduzieren oder den Bedarf nach einer
internen Kühlung
zu verringern, um wiederum den Gesamtwirkungsgrad des Betriebs zu
steigern.
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Die
Laufschaufelspitze ist detaillierter in den 3 und 4 dargestellt.
Die Spitze enthält
einen Spitzenboden oder Platte 48, die in einem Stück auf den
radial äußeren Enden
der ersten und zweiten Seitenwände 28, 30 angeordnet
ist, die den internen Kühlkanal 40 begrenzen.
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Eine
erste Spitzenwand oder Rippe 50 erstreckt sich radial aus
der Spitzenplatte 48 zwischen den Vorder- und Hinterkanten
nach außen.
Eine zweite Spitzenwand oder Rippe 52 erstreckt sich aus der
Spitzenplatte 48 zwischen den Vorder- und Hinterkanten radial nach außen und
ist lateral von der ersten Spitzenrippe 50 in einem Abstand
angeordnet, um einen oben offenen Spitzenkanal 54 dazwischen zu
bilden. Der Spitzenkanal 54 enthält einen Spitzeneinlass 56,
der lateral zwischen den vorderen Enden der zwei Rippen 50, 52 in
der Nähe
der Vorderkante zum Aufnehmen eines Teils der Verbrennungsgase darin
definiert ist.
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Der
Spitzenkanal enthält
auch einen axial gegenüberliegenden
Spitzenauslass 58, der lateral zwischen dem hinteren Ende
der zweiten Spitzenrippe 52 und dem direkt benachbarten
Abschnitt der ersten Spitzenrippe 50 in der Nähe oder
anstromseitig von der Schaufelblatthinterkante 34 ausgebildet ist
ist, um die Verbrennungsgase aus dem Spitzenkanal 54 auszugeben.
Da der Spitzenkanal auch entlang seines gesamten radial äußeren Abschnittes
offen ist, können
die Verbrennungsgase auch daraus ausgegeben werden.
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Der
Einlass 56 und Auslass 58 für den Spitzenkanal 54 erstrecken
sich bevorzugt über
die volle Höhe
der zwei Rippen und ermöglichen
den Verbrennungsgasen, ohne Hindernis durch den Spitzenkanal zu
strömen.
Die statische Druckverteilung der Verbrennungsgase um das Schaufelblatt
herum variiert von einem maximalen Druck in der Nähe der Schaufelblattvorderkante 32 zu
entsprechend reduzierten Werten an der Hinterkante 34,
wobei der Druck entlang der zweiten Seitenwand 30 des Schaufelblatts niedriger
als entlang der ersten Seitenwand des Schaufelblatts ist, wie es
herkömmlicherweise
bekannt ist. Das variierende Druckprofil wird durch die aerodynamische
Kontur des Schaufelblatts bewirkt, um einen Differenzdruck über den
Druck- und Saugseiten und eine entsprechende Hebekraft zu erzeugen,
um wiederum die Rotorscheibe zu drehen, an der die Laufschaufeln
befestigt sind. Auf diese Weise wird Energie den Verbrennungsgasen
durch das aerodynamische Profil der Turbinenschaufeln Energie zur
Erzeugung von Nutzarbeit entzogen.
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Die
Konfiguration der zwei Spitzenrippen 50, 52 ist
gemäß der vorliegenden
Erfindung so gewählt, dass
sie Nutzen aus dem um den Schaufelblatt herum variierenden Druckprofil
der Verbrennungsgase zieht, um die Verbrennungsgase durch den Spitzeneinlass 56 hindurch
und den Spitzenkanal 54 hindurch in einer axialen Rückwärtsrichtung
zum Ausgeben aus dem hinteren Auslass 58 anzutreiben.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
weisen die erste und die zweite Spitzenrippe 50, 52 jeweils ein
Schaufelblattprofil mit lateral entgegengesetzten allgemein konkaven
und im allgemein konvexen Seiten auf, die sich von dem Spitzeneinlass 56 zu
dem Spitzenauslass 58 erstrecken, um den Verbrennungsgasen
während
des Betriebs Energie zu entziehen. Zusätzlich zu dem Hauptschaufelblatt 24 selbst,
das den Verbrennungsgasen Energie entzieht, sind die zwei Spitzenrippen
unabhängig
konfiguriert, dass sie doppelte aerodynamische Rippen bilden, die
einzeln den Verbrennungsgasen in der Art eines Schaufelblatts Energie
entziehen, um zusammengenommen zu der Energie beizutragen, die das Schaufelblatt
gewinnt, um den aerodynamischen Gesamtwirkungsgrad des Schaufelblatts
durch Nutzung individueller aerodynamischer Auftriebs- oder Hebekräfte zu steigern.
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Die
erste und die zweite Spitzenrippe stimmen bevorzugt in dem aerodynamischen
Profil miteinander überein,
um den Verbrennungsgasen in gleicher Weise Energie zu entziehen.
Die Doppelrippen liegen einander an dem Spitzeneinlass 56 lateral gegenüber, um
Einlass für
den Spitzenkanal einen aerodynamisch effizienten für den Fluss
der Verbrennungsgase über
die entsprechenden Spitzenrippen 50, 52 ohne unerwünschte Strömungstrennung
zu schaffen. Die entsprechenden Vorderkantenabschnitte der Doppelrippen 50, 52 sind
zu Beginn im Allgemeinen parallel zueinander und zu der Schaufelblattvorderkante
angewinkelt, die im Allgemeinen parallel zu dem Einfallswinkel der
auf die Schaufelblattvorderkante gerichteten Verbrennungsgase 12 ist.
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2 stellt
dar, dass die Temperatur der Verbrennungsgase 12 an der
Laufschaufelspitze in der Nähe
der Vorderkante erheblich, beispielsweise um einige 100 Grad, niedriger
ist als die Gastemperatur abstromseitig zu der Vorderkante. Demzufolge
werden die relativ kühleren,
trotzdem noch heißen
Verbrennungsgase 12, die an der Schaufelblattvorderkante
zur Verfügung
stehen, durch den Spitzeneinlass 56 in den Spitzenkanal 54 geleitet,
der auf seinen gegenüberliegenden
lateralen Seiten durch die ersten und zweiten Spitzenrippen 50, 52 begrenzt
ist. Dieses kühlere
Verbrennungsgas kann daher abstromseitig von der Vorderkante effektiv
zum Kühlen der
Laufschaufelspitze genutzt werden, wo sie heißeren Verbrennungsgasen ausgesetzt
ist.
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Auf
diese Weise wird, obwohl die Außenseite der
ersten Spitze 50 abstromseitig von der Vorderkante dem
zunehmenden Temperaturgradienten der Verbrennungsgase ausgesetzt
ist, wird die Innenseite der ersten Spitzenrippe 50 von
den wesentlich kühleren
Verbrennungsgasen umspült,
die an der Schaufelblattvorderkante abgezogen werden. Demzufolge
erfährt
die erste Spitzenrippe 50 eine reduzierte Wärmeeinströmung. Die
Temperatur der ersten Spitze 50 kann für einen gegebene Kühlluftmenge
reduziert werden, oder es kann eine Reduzierung in den Kühlluftanforderungen
für eine
vorgegebene Betriebstemperatur ausgeführt werden.
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Gemäss Darstellungen
in den 3 und 4 kann jede Spitzenrippe 50, 52 ein
getrennt definiertes aerodynamisches Profil zum Maximieren des aerodynamischen
Auftriebs ohne erwünschte Strömungstrennung
aufweisen. Jede von den zwei Rippen hat eine im Allgemeinen konkave
Druckseite und eine im Allgemeinen konkave Saugseite, die sich von
deren entsprechender vornliegenden oder vorderen Kante zu deren
nacheilender oder hinterer Kante erstrecken.
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Die
zwei Rippen 50, 52 sind bevorzugt seitlich ineinandergepasst,
wobei die konvexe Seite der ersten Rippe 50 zu der konkaven
Seite der zweiten Rippe 52 unmittelbar hinter der Vorderkante 32 in dem
maximalen dicken Abschnitt des Schaufelblatts ausgerichtet ist.
Auf diese Weise entspricht das aerodynamische Profil der Doppelrippen 50, 52 dem
darunterliegenden aerodynamischen Profil des Schaufelblatts 24,
so dass die sich daraus ergebenden aerodynamischen Auftriebskomponenten
im Wesentlichen in derselben Richtung orientiert sind, um den Verbrennungsgasen
effizient Energie zu entziehen.
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Gemäss Darstellung
in 5 weisen die Doppelrippen 50, 52 bevorzugt
radial auswärts
von der Spitzenplatte 48 aus gemessen gleiche und konstante
Höhen A
auf. Die Rippen weisen bevorzugt auch eine konstante Höhe entlang
ihrer vollständigen axialen
Ausdehnung von der Schaufelblattvorderkante 32 bis zu der
Hinterkante 34 auf. Auf diese Weise können die zwei Rippen 50, 52 radial
von dem Turbinenmantel 20 im Ab stand angeordnet sein, um
einen Spitzenabstand oder Spalt G dazwischen zu bilden. Die Zwischenrippen
bewirken daher eine Zwei-Zahn-Labyrinthdichtung mit dem Turbinenmantel,
die durch die aus dem Spitzenkanal 54 während des Betriebs strömenden Gase 12 unter
Druck gesetzt wird. Da die Verbrennungsgase einen maximalen Druck
an der Schaufelblattvorderkante haben, der abstromseitig davon abnimmt,
setzen die entzogenen Hochdruckverbrennungsgase, die durch den Spitzenkanal 54 während des
Betriebs strömen,
den Spitzenkanal 54 bezüglich
seiner Niederdruckgasseite unter Druck.
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In
der in den 3 und 4 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform
erstreckt sich die erste Spitzenrippe 50 kontinuierlich
von der Schaufelblattvorderkante 32 zu der Schaufelblatthinterkante 34 von
der sie den radial äussersten
Abschnitt ausbildet. Auf diese Weise stimmt die erste Spitzenrippe axial
mit dem vollständigen
axialen Verlauf der Schaufelblattdruckseite 28 überein,
um eine effektive Barriere oder Begrenzung für die Verbrennungsgase unter
der relativ hohen Druck- und Temperaturverteilung zu schaffen.
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Demzufolge
erstreckt sich die zweite Spitzenrippe 52 bevorzugt bis
kurz vor die Schaufelblattvorder- und Hinterkante 32, 34 und
besitzt gegenüberliegende
davon im Abstand angeordnete axiale Enden. Da der Vorderkantenbereich
des Schaufelblatts relativ breit ist, können beide Rippen 50, 52 nahe
angrenzend an der Vorderkante angeordnet sein und zur effizienten
Aufnahme der dort auftreffenden Gasströme ausgerichtet sein. Da der
Hinterkantenbereich des Schaufelblatts relativ dünn ist, endet das hintere Ende
der zweiten Rippe 52 vor der Schaufelblatthinterkante 34 in
einem Bereich eines ausreichenden lateralen Raums für wenigstens
beide Spitzenrippen 50, 52 und den Auslass 58 dazwischen.
In einer alternativen Ausführungsform
können mehr
als zwei Rippen verwendet werden, wenn der Raum dies zulässt.
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Gemäss Darstellung
in 5 besitzt jede von den Spitzenrippen eine laterale
Breite oder Dicke B, die bevorzugt untereinander gleich sind, sowie
bevorzugt gleich den Dicken der darunterliegenden ersten und zweiten
Seitenwände 28, 30 des
Schaufelblatts sind, die in einem typischen einteiligen Giessteil
ausgebildet sein können.
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Die
erste Spitzenrippe 50 ist bevorzugt lateral von der ersten
Seitenwand 28 zumindest teilweise von der Schaufelblattvorderkante 32 zu
der Hinterkante 34 gemäss
Darstellung in den 3 bis 5 versetzt.
Gemäss
Darstellung in 4 ist das vordere Ende der ersten
Rippe 50 im Allgemeinen senkrecht zu der vorderen Oberfläche der
Schaufelblattvorderkante, während
das hintere Ende der ersten Rippe im Allgemeinen parallel in die
Hinterkante ausläuft.
Die erste Rippe ist lateral von der ersten Seitenwand 28 zwischen
ihren vorderen und hinteren Enden versetzt, um einen Spitzenrandabschnitt 60 der Spitzenplatte 48 freizulegen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
bildet die erste Seitenwand 28 eine im Allgemeinen konkave
Druckseitenwand des Schaufelblatts und die zweite Seitenwand 30 definiert
eine im Allgemeinen konvexe Saugseitenwand des Schaufelblatts. Der
freigelegte Spitzenrand 60 ist daher bevorzugt entlang
der Schaufelblattdruckseitenwand 28 angeordnet, die der
maximalen Temperatur der Verbrennungsgase ausgesetzt ist.
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Gemäss Darstellung
in 5 ist die erste Spitzenrippe 50 zum grössten Teil
direkt über
dem Kühlkanal 40 angeordnet
und die Spitzenplatte 48 enthält eine Vielzahl von Spitzenlöchern 62,
die sich radial dadurch in Strömungsverbindung
zwischen dem Kühlkanal 40 und
sowohl dem Spitzenrand 60 und dem Spitzenkanal 54 erstrecken.
Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung
von der ersten Rippe 50 durch die darunterliegende Spitzenrand 48 in
den Kühlkanal 40 gesteigert,
um die Wärmeleitungskühlung der
ersten Spitzenrippe 50 zu verbessern.
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Ein
Teil der Kühlluft 42 wird
aus den Filmlöchern 62 durch
den Spitzenrand zur Filmkühlung
der Druckseite der ersten Rippe 50 bevorzugt wenigstens
in dem Sehnenmittenbereich ausgegeben, der der in 2 dargestellten
maximalen Temperaturverteilung unterliegt. Ein Anteil der Kühlluft wird
auch durch die Spitzenlöcher 62 in
den Spitzenkanal 54 zum Vermischen mit den Verbrennungsgasen 12 darin
und zur weiteren Senkung der Temperatur darin ausgegeben, um beide
Spitzenrippen von ihren Innenseiten her zu kühlen.
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Ferner
ist, da die erste Spitzenrippe lateral zu der ersten Seitenwand 28 des
Schaufelblatts versetzt ist, diese notwendigerweise näher an der
zweiten Spitzenrippe 52, um so die Breite des Spitzenkanals 54 zu
reduzieren. Der Spitzenkanal 54 mit reduzierter Breite
wird effektiver durch die entweder allein oder in Kombination mit
der aus den Spitzenlöchern ausgegebenen
Kühlluft
durchgeleiteten Verbrennungsgase unter Druck gesetzt. Diese verbesserte Druckbeaufschlagung
des Spitzenkanals 54 reduziert die Wahrscheinlichkeit einer
Rezirkulation der Verbrennungsgase, die während des Betriebs durch den
Spitzenspalt G strömen,
um die Kühlungsanforderungen
für die
Laufschaufelspitze weiter zu reduzieren. Aus serdem verbessert die
gesteigerte Druckbeaufschlagung die Labyrinthdichtungsfähigkeit
der Doppelrippen 50, 52 in Verbindung mit dem
stationären
Turbinenmantel 20.
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Obwohl
die zweite Spitzenrippe 20 lateral von der zweiten Saugseitenwand 30 des
Schaufelblatts entweder statt der oder zusätzlich zu der lateralen Versetzung
der ersten Spitzenrippe 50 versetzt sein könnte, erstreckt
sich die zweite Spitzenrippe 20 bevorzugt in gleicher Richtung
zusammen mit der zweiten Seitenwand des Schaufelblattes. Da die
von der zweiten Spitzenrippe 52 erfahrene Temperatur niedriger
als die von der ersten Spitzenrippe 50 erfahrene ist, ist
deren gesteigerte Kühlung
aufgrund des seitlichen Versatzes in dieser exemplarischen Ausführungsform
nicht erforderlich.
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Die
vorstehend offenbarte Doppelrippen-Turbinenschaufel nutzt daher
eine neue Konfiguration von seitlich verschachtelten oder ineinandergeschmiegten "Squealer"-Spitzenrippen zum
Reduzieren der Laufschaufelspitzentemperatur während des Betriebs, während gleichzeitig
eine effektive Labyrinthabdichtung zu dem Turbinenmantel und ausserdem
mit einem verbesserten aerodynamischen Wirkungsgrad aufrechterhalten
wird. Die Doppelrippen nutzen einen Teil der Verbrennungsgase mit
niedriger Temperatur zum Schützen
der Laufschaufelspitzen gegen die Verbrennungsgase mit höherer Temperatur,
während
sie gleichzeitig den Spitzenkanal zwischen den Rippen für eine effektive
Labyrinthabdichtung unter Druck setzen. Der Kühlluftbedarf an der Lauf schaufelspitze
wird reduziert und die Kühlluft kommt
lokal in der Nähe
des Sehnenmittebereichs zur Anwendung, der aufgrund der sekundären Strömungszirkulation
der maximalen Verbrennungsgastemperatur ausgesetzt ist.