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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und insbesondere
auf eine mechanische Anordnung zur Schienenhalterung der Turbinendüsen, die
vor verhängnisvollen
oder katastrophalen Düsendefekten
oder -ausfällen
schützt.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
Gasturbinen haben thermisch verursachte Spannungen schon immer zu
Rissen bzw. Brüchen in
Turbinendüsen
geführt.
Infolge der harten Umgebungsbedingungen haben die bisherigen Erfahrungen
auf diesem Gebiet Risse entlang der axialen (Sehnen-) Richtung der
Düsenflügel des
Triebwerks gezeigt. Sollte sich ein Riss durch die gesamte Länge eines
Flügels
ausbreiten, so dass der Flügel
in katastrophaler Weise ausfällt,
können
sich große
Stücke der
Düse lösen und
stromabwärts
in die rotierenden Teile der Turbine hinein bewegen. Der sich ergebende
Schaden an den Bestandteilen der Turbine (sowohl den rotierenden
als auch den stationären)
wäre sowohl
extrem als auch teuer.
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Bei
Doppel- (Doublet-) oder Dreifach- (Triplet-) Düsenausführungen (jeweils zwei oder
drei Flügel
pro Düsensegment)
schafft die erhöhte
Anzahl von Flügeln
durch die Redundanz der mehreren Lastpfade ein gewisses Maß an Sicherheit
gegen einen katastrophalen Defekt. Bei einer Singlet- bzw. Einzel (Einzelleitschaufelsegment)-Düse (ein
Flügel
pro Segment) könnte
ein großes
Teilstück
der Düse,
des Flügels und/oder
der Plattform in den Flusspfad hinein geraten bzw. verloren gehen,
wenn der Flügel vollständig in
zwei Teile zerbrechen würde,
sofern er nicht an beiden Plattformen befestigt wäre.
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Eine
typische Ausführung
in der Praxis enthält
Düsen der
Stufe 1, die nur an dem äußeren Düsenring formschlüssig befestigt
sind, was axiale, radiale und Umfangsrichtungsbefestigung herbeiführt. An
der inneren Schiene der Düse
wird durch Berührung
an der Düsenkontaktflächendichtung
in Sehnenrichtung nur eine axiale Beschränkung bewirkt. Dieses Konzept
einer Kontaktflächendichtung
in Sehnenrichtung lässt
die großen
transienten radialen Ausdehnungsunterschiede zu, während es
der Düse ermöglicht,
sich infolge der axialen Ausdehnungsdifferenzen zwischen dem inneren
und dem äußeren Turbinengehäuse um den äußeren Halteringhaken zu
drehen.
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Ein
Rückblick
auf Flugzeugturbinentriebwerksausführungen zeigt formschlüssig befestigte, noch
mechanisch/strukturell nachgiebige Ausführungen, die gewöhnlich aus
zahlreichen Platten aus dünnem
Metall bestehen, die direkt an beiden Enden des in Rede stehenden
Düsensegments
befestigt sind. Ein ähnliches
Befestigungsschema wäre
bei einer bodengestützten
Turbine dieser Größe infolge
der großen
Differenzen der transienten Ausdehnung im Einsatz zwischen dem inneren
und äußerem Gehäuse (axiale
und radial) nicht durchführbar.
Auch gegenüber
Biegung nachgiebige Ausführungen
(Fluggewicht) werden selbst nicht robust, wenn die Kombination aus
harten Umgebungsbedingungen und der Anzahl der Betriebsstunden,
die bei einer bodengestützten
Turbine im Vergleich zu den bei kommerziellen Flugzeugturbinen erreichten
gefordert wird, vorgegeben ist.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Anordnung
für eine
Halterung einer inneren Schiene einer Einzeldüse, wobei die Anordnung vor
katastrophalen Düsendefekten
schützt, während erkannt
werden sollte, dass die vorliegende Erfindung auch bei Doppel- oder
Dreifach-Düsenausführungen
verwendet werden kann.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung wird eine mechanische Anordnung für die Halterung der inneren
Schiene einer Einzeldüse
geschaffen, um Schutz vor katastrophalen Düsendefekten zu erreichen, wobei
die Anordnung ein Turbinendüsensegment,
das wenigstens eine Statorleitschaufel aufweist und eine inneren
Plattformschiene enthält,
einen inneren Trägerring
der Turbinendüse,
der mit der Schiene auf einer Seite derselben teilweise in einem
axialen Eingriff steht, ein inneres Haltesegment, das an dem inneren
Trägerring
befestigt und im Bezug auf die Schiene auf der der Schiene gegenüberliegenden
axialen Seite des Halterings teilweise in axial beabstandetem Eingriff
angeordnet ist, eine erste geneigte konische Oberfläche auf
dem inneren Haltesegment und eine zweite geneigte konische Oberfläche auf
der inneren Plattformschiene der Turbinendüse enthält, wobei die zweite geneigte
konische Oberfläche
der ersten geneigten konischen Oberfläche gegenüber liegt, wodurch die beiden
gegenüberliegenden
geneigten konischen Oberflächen die
inneren Plattformschiene zwischen dem inneren Haltesegment und dem
inneren Trägerring
an die Turbinendüse
binden, was zu einem Klemmverschluss bzw. einer Verkeilung führt, die
es verhindert, dass die innere Plattform der Düse stromabwärts in die rotierenden Teile
der Turbine hinein verloren geht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht, die die Lagebeziehung der
inneren Halterung zu den sie umgebenden Teilen einer 6C-Turbine und
insbesondere der ersten Stufe einer solchen Turbine zeigt.
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2 zeigt
eine schematische Vorderansicht (nur die obere Hälfte) der inneren Halterung,
wie sie bei einer 6C-Turbine angewandt wird, wobei die Ansicht die
inneren Trägerringflansche
zeigt, die mehrere Segmente um den Umfang herum erfordern.
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3 zeigt
eine detailliertere schematische Querschnittsansicht der mechanischen
Anordnung der inneren Halterung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei die Ansicht die Lagebeziehung der inneren Halterung zu den
sie umgebenden Turbinenteilen einschließlich der Düse der Stufe 1, des
inneren Trägerings,
des Abstandhalters und der Dichtung zeigt, wie sie in einer Turbine
des 6C-Typs verwendet werden.
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4 zeigt
die Anordnung aus 3 in einer Situation nach einem
Defekt, in der die gelöste
innere Plattform/Schiene der Düse
zwischen der inneren Halterung und dem inneren Trägerring
verkeilt ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine mechanische Anordnung zur Halterung
der inneren Schiene einer Einzeldüse gerichtet, um Schutz vor katastrophalen
Düsendefekten
zu bieten, wobei erkannt werden sollte, dass die vorliegende Erfindung auch
bei Doppel- oder Dreifach-Düsenausführungen verwendet
werden kann.
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Die
innere Halterungsausführung
der vorliegenden Erfindung beseitigt den Mangel an einer inneren
Führung,
während
eine flexible Begrenzung beibehalten wird, die eine unterschiedliche
Ausdehnung/Bewegung zwischen dem inneren und äußerem Gehäuse einer Turbine zulässt. Die
vorliegende Erfindung befriedigt den Bedarf an Einfachheit beim Ein-
und Ausbau ohne einen Anstieg der Kühlungsflussleckage und legt
einen Schwerpunkt auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schäden durch
turbineneigene Objekte bzw. „DOD" (Domestic Object Damage).
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Wenn
ein Düsenflügel bei
einer Einzelflügeldüse vollständig durchbricht,
so dass zwei getrennte Düsenstücke entstehen,
schafft die innere Halterung der vorliegenden Erfindung eine formschlüssige Befestigung
dagegen, dass der innere Teil der defekten Düse vollständig stromabwärts verloren
geht, um Schutz vor einem katastrophalen Düsendefekt zu bieten. Die Befestigung
wird durch die Tatsache erreicht, dass sich die innere Schiene der
Düse radial nach
außen
und danach in die Strömung
der Turbine hinein nach hinten bewegen muss. Durch die Verwendung
einander gegenüberliegender,
geneigter Oberflächen,
eine an der Halterung und die andere an der inneren Düsenschiene,
wird ein Klemmverschluss herbeigeführt, der die innere Düse am Platz hält. Selbst
wenn sich die innere Düsenplattform nach
hinten dreht und möglicherweise
eine Reibung an der Vorderkante der Schaufelplattform der Stufe 1 hervorruft,
ist diese Defektart wesentlich weniger schwerwiegend als ein vollständiger Verlust
eines großen
Stückes
der Ausrüstung.
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Nun
mit Bezug auf die Zeichnungen: In 1 ist eine
Querschnittsansicht eines Turbinenabschnitts 10 der ersten
Stufe einer 6C-Turbine (nicht gezeigt) dargestellt, der eine Düse 12 der
ersten Stufe und ein Schaufelblatt 14 der ersten Stufe
enthält, das
Teil eines Rotors 16 ist. 2 stellt
eine Vorderansicht der Segmente der Düse 12 der ersten Stufe dar.
Die Düse 12 ist
aus einer Vielzahl von Düsensegmenten 13 einschließlich eines äußeren Bandes
oder einer Plattform 18, eines inneren Bandes oder einer Plattform 20 und
einem oder mehreren sich zwischen den Plattformen 18 und 20 erstreckenden
Flügeln 22 aufgebaut.
Wie bekannt erstrecken sich die Düsenflügel 22 ebenso wie
die Schaufeln 14 in den Heißgaspfad der Turbine, wobei
der Heißgaspfad
eine durch den Pfeil 24 in 1 gekennzeichnete
Strömungsrichtung
aufweist. Die Flügel 22 und
Schaufeln 14 sind in ringförmigen Reihen um die Turbinenachse herum
angeordnet. Die äußere Plattform 18 jedes Düsensegmentes
ist an einem äußeren Haltering 26 befestigt.
Jedes der Düsensegmente
enthält
eine radial nach innen gerichtete innere Plattformschiene 28,
deren hintere Fläche
sich gegen einen inneren Haltering 30 abstützt, der
eine nach hinten gerichtete axiale Bewegung verhindert. Konventionell
weist die hintere Fläche
jeder Schiene 28 eine bogenförmige, hervorstehende Kontaktfläche 31 zum
Abdichten gegen die vordere axiale Fläche des inneren Trägerring 30 auf,
wobei die Schienen 28 eine ringförmige Dichtung in Sehnenrichtung
um die oberen und unteren Hälften
des Trägerrings 30 herum
bilden. Jede der Kontaktflächendichtungen 32 in
Sehnenrichtung weist typischerweise eine schmale, erhabene, bogenförmige Kontaktfläche 31 auf,
die mit der Fläche der
Schiene 28 einstückig
ist und mit den benachbarten Düsen
eine vollständige,
umlaufende Reihe von Kontaktflächendichtungen 32 in
Sehnenrichtung bildet, die sich gegen die Trägerringe 30 abstützen.
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Eine
Vielzahl von bogenförmigen
inneren Halterungssegmenten 36 sind durch eine Vielzahl von
in Umfangsrichtung mit Abstand angeordneten Bolzen oder Stiften 34 ebenfalls
an dem inneren Trägerring 30 befestigt.
Die Segmente 36 sind durch eine Vielzahl von bogenförmigen inneren
Halterungsabstandhaltern 38 axial von den Trägerschienen 30 beabstandet.
Die radial äußeren Ränder 40 der
inneren Halterungssegmente 36 sind in der Richtung zu dem
inneren Trägerring 30 hin
axial verbreitert, aber von den Schienen 28, die sich zwischen
den Halterungssegmenten 36 und dem Trägerring 30 erstrecken,
beabstandet. In gleicher Weise sind die radial inneren Ränder der
inneren Plattformschienen 28 in der von dem inneren Trägerring
abgewandten Richtung axial verbreitert.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind 32 Düsensegmente 13, die
um die Turbinenachse herum eine ringförmige Reihe von Düsenflügeln 22 bilden,
und vorzugsweise jeweils sechs innere Halterungssegmente 36 und
innere Halterungsabstandhalter 38 vorhanden, wobei die
Segmente 36 und die Abstandhalter 38 jeweils in einer
ringförmigen
Reihe um die Achse der Turbine herum angeordnet sind. Wie erkannt
wird empfängt der
Bereich 42 vor dem inneren Halterungssegment 36 Kühlungsluft,
d.h. Kompressoraustrittsluft unter Hochdruck, und es ist erforderlich,
den Hochdruckbereich 42 gegen den Bereich 44 mit
niedrigerem Druck abzudichten, der dem vorderen Rotorrandhohlraum und
auch dem Heißgaspfad
außerhalb
des Randhohlraums benachbart ist.
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Wieder
mit Bezug auf 1: Eine Düse 12 der ersten Stufe
wird an einer äußeren Plattform 18 durch
einen äußeren Schienenhaken 17 an
einem rückwärts gerichteten
Haken 19 des äußeren Halterings 26 gehaltert.
Die innere Plattform 20 wird an der Kontaktflächendichtung 32 in
Sehnenrichtung einer inneren Plattformschiene 28 durch
Kontakt mit dem inneren Trägerring 30 gestützt. Eine
innere Halterung 36 besteht aus einer Vielzahl von Segmenten
und ist durch eine Vielzahl von Dichtungen 39 und Abstandhaltern 38 hindurch über Bolzen
und Pins mit dem inneren Trägerring 30 verbunden.
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Mit
Bezug auf 2: Ein Abschnitt der Düsensegmente
der ersten Stufe ist in der Lagebeziehung zu dem äußeren Haltering 26 und
dem inneren Trägerring 30 gezeigt.
Zum Zwecke der Klarheit ist in 2 nur die
obere Hälfte
der Düsensegmente
gezeigt, aber sie kann für
eine vollständige
graphische Darstellung der Düsensegmente
um 180° um
die Triebwerkszentralachse herum fortgesetzt werden. Zahlreiche
Flansche/Rippen 23 des Trägerrings, die zahlreiche innere
Halterungssegmente 37 erfordern, sind in 2 zu
sehen.
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Der
innere Halterungsring 36 besteht aus sechs getrennten Plattensegmenten 37,
deren Bogenlängen
so bemessen sind, dass sie zu den erhöht gebauten Flanschen/Rippen 23 auf
dem inneren Trägerring 30 passen.
Obwohl sie den Aufbau komplizierter werden lässt, ermöglicht die Unterteilung der Halterung 36 sogar
bei installiertem äußeren Turbinengehäuse einen
einfachen Einbau. Nach der Installation der Düse 12 wird jede innere
Halterung 36 von vorne eingebaut und danach durch eine
Dichtung 39 und einem Abstandhalter 38 hindurch
mittels Bolzen an dem inneren Trägerring 30 befestigt.
Passstifte 34 (1) mit engen Maßtoleranzen
werden verwen det, um die Last einer defekten Düse 12 über Scherbeanspruchung
durch den Trägerring 30 zu
tragen.
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Ein
typischer Defektfall wäre
ein Riss bzw. Bruch 25 in einem Flügel 22 einer Düse 12,
der sich vollständig
durch den Flügel 22 ausbreitet.
Der Riss 25, wie er in 1 gezeigt
ist, dient nur der Darstellung und könnte irgendwo entlang der Spannweite der
Düse 12 auftreten.
Wenn ein solcher Riss 25 auftreten würde, würde sich die Düse 12 in
zwei Teile teilen, d.h. die äußere Plattform 18 und
die innere Plattform 20 enthielten jeweils ein einzelnes
Segment des Flügels 22 der
Düse 12.
Bei einer solchen Trennung würde
die innere Plattform 20 bei einer früheren Düsenausführung ohne die Hinzufügung des
inneren Halterungsrings 36 zur Schaffung einer Befestigung an
der inneren Schiene 28 zu einem losen Teil werden.
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Mit
Bezug auf 3: Es wird eine detaillierte schematische
Querschnittsansicht des inneren Halterungsrings 36 gezeigt,
die die Lagebeziehung der inneren Halterung 36 zu den sie
umgebenden Teilen einschließlich
der inneren Schiene 28 der Düse der Stufe 1, des
inneren Trägerrings 30,
des Abstandhalters 38 und der Dichtung 39, wie
sie in einer 6C-Turbine
verwendet werden, zeigt. Obwohl der innere Halterungsring 36 in
großer
Nähe zu
der inneren Schiene 28 der Düse angebracht ist, besteht
keine direkte Berührung
zwischen den beiden Teilen. Die Spalten zwischen dem inneren Halterungsring 36 und
der inneren Schiene 28 der Düse werden auf ein Minimum optimiert,
das es der Düse 12 noch
erlaubt, ihren gesamten Bereich der transienten Bewegung zu durchlaufen.
Ohne einen körperlichen
Kontakt zwischen dem inneren Halterungsring 36 und der
inneren Schiene 28 der Düse wird die Befestigungswirkung
durch zwei gegenüberliegende
geneig te konische Oberflächen,
d.h. eine Oberfläche 50 an
der inneren Halterung 36 und eine Oberfläche 52 an
der inneren Schiene 28 der Düse 12 hergestellt.
Ebenfalls ohne körperlichen
Kontakt erzeugt die innere Halterung 36 keine Auswirkung
hinsichtlich einer Kühlungsluftleckage über die
Kontaktflächendichtung 32 der
Düse in
Sehnenrichtung.
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4 zeigt
für die
in 3 gezeigte Anordnung eine Situation nach einem
Defekt, bei der die gelöste
innere Schiene 28 der Düse
zwischen der inneren Halterung 36 und dem inneren Trägerring 30 verkeilt
ist. Die innere Halterungsdichtung 39 ist zu Zwecken der
Klarheit aus der in 4 gezeigten Ansicht entfernt
worden. Beim Auftreten eines Defektes, wie z.B. eines Bruches 25 in
einer Leitschaufel 22 der Düse 12, würde sich
der verbleibende Teil der inneren Plattform 20 (siehe 1)
der Düse 12 von
der Triebwerkszentralachse weg radial nach außen und danach stromabwärts bewegen
müssen,
wie es durch den Pfeil 54 in 4 gezeigt
ist. Wenn die geschieht, berühren
sich die beiden gegenüberliegenden
geneigten Oberflächen 50 und 52 und
halten die innere Schiene 28 zwischen der inneren Halterung 36 und
dem inneren Trägerring 30 fest.
Der sich ergebende, in dem gestrichelten Kreis in 4 gezeigte
Klemmverschluss hindert die innere Plattform 20 der Düse 12 daran,
stromabwärts
in die rotierenden Teile, wie z.B. die Schaufel 36 der
Stufe 1, hinein verloren zu gehen, um dadurch Schutz vor
einem katastrophalen Düsenschaden
zu bieten.
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Während die
mechanische Anordnung zur Halterung der inneren Schiene gemäß der vorliegenden
Erfindung insbesondere bei Einzeldüsen Anwendung findet, um Schutz
vor katastrophalen Düsendefekten
zu bieten, kann die vorliegende Erfindung, wie oben angemerkt, auch
mit Doppel- oder Dreifach-Düsenausführungen
verwendet werden.
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Während die
mechanische Anordnung zur Halterung der inneren Schiene gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf eine Turbine vom 6C-Typ beschrieben worden
ist, kann sie in ähnlicher Weise
auch mit anderen Turbinentypen verwendet werden. Die Abwandlungen
für andere
Triebwerksanwendungen könnten
1) eine unterschiedliche Anzahl und Länge der Halterungssegmente
(im Gegensatz zu den sechs bei näherungsweise
60°, die
an die 6C-Turbine angepasst sind), weil bei anderen Triebwerken
mehr oder weniger wünschenswert
sein könnten,
2) eine Vergrößerung oder
Verkleinerung von Teilen zur Anpassung an eine gegebene Triebwerksgröße, 3) eine
Entfernung des Abstandhalters 38, so dass er ein Teil des
Trägerrings 30 wird,
oder eine Einbeziehung des Abstandhalters in die Halterungsplatte 36 als
ein Stück
und 4) eine Veränderung des
Winkels oder der Form der geneigten Oberfläche 50 und 52 enthalten,
und 5) könnte
die Halterung 36 an einer äußeren Schiene verwendet werden,
wenn die Düse 12 invertiert
oder an einer äußeren Plattformschiene
anstelle einer inneren Plattformschiene 28 wie in der 6C-Turbine
befestigt wird. Ähnlich
zu der für
die 6C-Turbine beschriebenen Ausführungsform der Erfindung würde sich
die äußere Schiene
in der Ausführungsform,
in der die Düse 12 invertiert
ist, gegen einen äußeren Trägerring
abstützen,
und es wäre
eine Vielzahl bogenförmiger äußerer Halterungssegmente
wie der Halterung 36 vorhanden, die von der äußeren Trägerschiene
durch eine Vielzahl von bogenförmigen äußeren Halterungsabstandhaltern
mit Abstand angeordnet wären.
Die radial inneren Ränder
der äußeren Halterungssegmente
wären auch
in einer Richtung zu dem äußeren Trägerring hin
axial verbreitert, und die radial äußeren Ränder der äußeren Plattformschiene wären in einer
von dem äußeren Trägerring
abgewandten Richtung axial verbreitert.
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Eine
mechanische Anordnung zur Halterung der inneren Schiene einer Einzeldüse 12 zur
Schaffung eines Schutzes vor katastrophalen Düsendefekten wird offenbart.
Die mechanische Anordnung enthält
ein Turbinendüsensegment 13,
das wenigstens einen Statorflügel 22 aufweist
und eine innere Plattformschiene 28, einen inneren Turbinendüsenträgerring 30,
der mit der Schiene 28 auf einer Seite derselben teilweise
in einem axialem Eingriff steht, ein inneres Halterungssegment 36,
das an dem inneren Trägerring 30 befestigt
ist und im Bezug auf die Schiene 28 an der axialen Seite
der Schiene 28, die dem Trägerring gegenüber liegt,
teilweise in einem axial beabstandeten Eingriff steht, eine erste
geneigte, konische Oberfläche 50 an
dem inneren Halterungssegment 36 und eine zweite geneigte,
konische Oberfläche 52 an
der inneren Plattformschiene 28 der Turbinendüse 12,
wobei die zweite geneigte, konische Oberfläche 52 der ersten
geneigten konischen Oberfläche 50 gegenüberliegt,
wodurch die beiden gegenüberliegenden,
geneigten, konischen Oberflächen 50, 52 die
innere Plattformschiene 28 zu der Turbinendüse 12 zwischen
dem inneren Halterungssegment 36 und dem inneren Trägerring 30 festhalten, was
zu einem Klemmverschluss führt,
der die innere Plattform 20 des Düsensegmentes 13 daran
hindert, stromabwärts
in die rotierenden Teile der Turbine hinein verloren zu gehen.
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Während die
Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die
praktischste und bevorzugteste Ausführungsform angesehen wird,
muss verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf dieses offenbarte
Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist, sondern dass es im Ge genteil beabsichtigt ist, vielfältige Abwandlungen
und äquivalente
Anordnungen einzubeziehen, die vom Geist und Bereich der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
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- 10
- Turbinenabschnitt
- 12
- Düse
- 13
- Düsensegment
- 14
- Schaufel
- 16
- Rotor
- 17
- Äußerer Schienenhaken
- 18
- Äußere Plattform
- 19
- Rückwärts gerichteter
Haken
- 20
- Innere
Plattform
- 22
- Flügel
- 23
- Flansch/Rippe
- 24
- Pfeil
- 25
- Riss,
Bruch
- 26
- Äußerer Haltering
- 28
- Innere
Plattformschiene
- 30
- Innerer
Trägerring
- 31
- Bogenförmige, hervorstehende
Kontaktfläche
- 32
- Kontaktflächendichtung
in Sehnenrichtung
- 34
- Bolzen
oder Passstifte
- 36
- Bogenförmige innere
Halterungssegmente
- 37
- Innere
Halterungssegmente
- 38
- Innere
Halterungsabstandhalter
- 39
- Dichtung
- 40
- Radialer äußerer Rand
- 42
- Hochdruckbereich
- 44
- Bereich
mit niedrigerem Druck
- 50
- Gegenüberliegende
geneigte Oberflächen
- 52
- Gegenüberliegende
geneigte Oberflächen