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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen bzw.
-triebwerke und insbesondere darin vorgesehene Turbinen.
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In
einer Gasturbinenmaschine wird Luft in einem Verdichter unter Druck
gesetzt und in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen. Aus den Gasen wird Energie in Turbinenstufen extrahiert,
die den Verdichter und eine Welle antreiben, die in einer Turbofan-Flugzeugtriebwerksanwendung
gewöhnlich
einen Bläser
(Fan) antreibt.
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Eine
Hochdruckturbine (HDT) folgt unmittelbar nach der Brennkammer und
empfängt
die heißesten
Gase von dieser, von denen Energie zunächst extrahiert wird. Eine
Niederdruckturbine (NDT) folgt der HDT und extrahiert zusätzliche
Energie aus den Gasen.
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Die
Turbinendüse
bzw. -leiteinrichtung der ersten Stufe enthält ein radial äußeres und
ein radial inneres Band, die eine Reihe hohler Düsenleitschaufeln begrenzen.
Es sind verschiedene Kühlkreisläufe in der
Düse zur
Kühlung
verschiedener Bestandteile von dieser geschaffen, um die Temperatur
zu begrenzen und eine lange Lebensdauer sicherzustellen.
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Die
Düse ist
gewöhnlich
in der Maschine bzw. dem Triebwerk mittels eines integralen Montageflansches
montiert, das sich von dem inneren Band aus nach innen erstreckt.
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Das äußere Band
der Düse
ist geeignet konfiguriert, um die heiße Verbrennungsgasströmung zwischen
dem Auslassende der Brennkammer und dem umgebenden Turbinenmantel
der Turbinenlaufschaufeln der ersten Stufe zu begrenzen.
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Das äußere Band
enthält
einen vorderen radialen Flansch und eine zugehörige Dichtung, die mit der äußeren Verkleidung
der Brennkammer verbunden ist. Ein hinterer radialer Flansch grenzt
axial an die Aufhängevorrichtung
an, die den Turbinenmantel trägt,
und enthält
in einer beispielhaften Konfiguration eine W-förmige Dichtung.
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Diese
hintere Dichtung wird axial zwischen einem Sitz in dem hinteren
Flansch und der Aufhängevorrichtung
komprimiert, und es wird eine wesentliche axiale Kompressionsvorbelastung
durch den hinteren Flansch nach Montage aufrechterhalten.
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Der
hintere Flansch ist deshalb relativ steif, um Reaktionskräfte von
der Mantelaufhängung
abzustützen,
und eine derartige Steifheit wird gewöhnlich durch einen relativ
dicken hinteren Flansch, insbesondere an seiner Fußverbindung
mit dem hinteren Ende des äußeren Bandes,
erzielt.
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Der
dicke hintere Flansch erhöht
die thermische Masse von diesem und steigert die Schwierigkeit der
Kühlung
während
des Betriebs.
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Eine
Kühlung
wird gewöhnlich
in der Turbinendüse
durch Leiten von Verdichteraustrittsdruckluft über das äußere Band erzielt, wobei Anteile
von dieser durch innere Kammern der Leitschaufeln geleitet werden.
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Das äußere Band
kann Gruppen von durch dieses verteilt angeordneten Filmkühllöchern enthalten.
Der hintere Flansch selbst kann Kühllöcher enthalten, die sich axial
nach hinten durch diesen hindurch erstrecken.
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Jedoch
umgeht jede Kühlluft,
die unmittelbar durch den hinteren Flansch geleitet wird, die Turbinendüsenleitschaufeln
und mindert die Düsenleistung
als abrechenbare Luft.
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Umgekehrt
wird Kühlluft,
die durch das äußere Band
hindurch nach innen abgegeben wird, folglich zwischen den Düsenleitschaufeln
wieder verwendet, und sie erhält
Leistung als nicht abrechenbare Luft aufrecht.
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Der
komplexe hintere Flansch des äußeren Bandes
der Düse
erfordert gewöhnlich
Kompromisse hinsichtlich der Gestaltung, um hohe Vorlasten innerhalb
akzeptabler Beanspruchungsgrenzen zu tragen und dabei auch für die Düsenlebensdauer
passend gekühlt
zu sein.
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Jedoch
beschränkt
der dicke hintere Flansch die Fähigkeit,
den Strömungspfad
effektiv zu kühlen, und
Erfahrung hat gezeigt, dass eine unzureichende Kühlung zu einer thermischen
Belastung des hinteren Flansches und des äußeren Bandes an diesem führt, die
die Düsenlebensdauer
reduziert.
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Demgemäß ist es
erwünscht,
eine Turbinendüse,
die ein äußeres Band
mit verbesserter Kühlung des
hinteren Flansches unter Verwendung nicht abrechenbarer Strömung aufweist,
zu schaffen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Turbinendüse
(ein Turbinenleitapparat) enthält
ein äußeres und
ein inneres Band, die Düsenleitschaufeln
begrenzen. Das äußere Band
enthält
einen hinteren Flansch. Ein Prallblech bildet die Brücke zwischen
dem äußeren Band
und dem hinteren Flansch an dem Fuß von diesem, um eine Aufprallkühlung zu
erzielen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung gemäß bevorzugten
und beispielhaften Ausführungsformen
ist gemeinsam mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen in größeren Einzelheiten
in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben, die in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
angegeben ist, worin:
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1 zeigt
eine zum Teil im Schnitt dargestellte Axialansicht einer Gasturbinenmaschine,
die eine verbesserte Turbinendüse
der ersten Stufe enthält.
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2 zeigt
eine vergrößerte axiale
Schnittansicht des hinteren Abschnitts des äußeren Bandes der Turbinendüse.
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3 zeigt
eine isometrische Ansicht eines Leitschaufelpaarabschnitts (Dublettenabschnitts)
der in 1 veranschaulichten Turbinendüse, die ein Prallblech für deren äußeres Band
enthält.
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4 zeigt
eine vergrößerte axiale
Schnittansicht, ähnlich 2,
des hinteren Abschnitts des äußeren Bandes
der Turbinendüse
gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In 1 ist
in schematisierter Weise eine Gasturbinenmaschine bzw. ein Gasturbinentriebwerk 10 veranschaulicht,
die bzw. das um eine Längsachse
oder axiale Mittellinienachse achsensymmetrisch ist. Die Maschine
enthält
einen herkömmlichen
Verdichter 12, der konfiguriert ist, um im Betrieb Luft 14 unter
Druck zu setzen.
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Die
komprimierte Luft 14 wird aus dem Verdichter bei einem
maximalen Verdichteraustrittsdruck abgegeben und wird in geeigneter
Weise zu einer ringförmigen
Brennkammer 16 geleitet, die in Form ihres hinteren Teils
veranschaulicht ist und in der die Luft mit Brennstoff vermischt
und zur Erzeugung heißer
Verbrennungsgase 18 gezündet
wird.
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Die
Verbrennungsgase werden aus dem Auslassende der Brennkammer ausgegeben
und treten zuerst in die Turbinendüse bzw. den Turbinenleitapparat 20 der
ersten Stufe der Hochdruckturbine ein. Unmittelbar nach der Düse 20 befindet
sich eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln 22 der ersten
Stufe, die sich von einer stützenden
Laufscheibe radial nach außen
erstrecken. Die Scheibe ist über
eine Antriebswelle mit dem Rotor des Verdichters 12 verbunden,
um dessen Verdichterlaufschaufeln im Betrieb zu drehen.
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Die
Turbinenlaufschaufeln 22 umgibt ein kreisringförmiger Turbinenmantel 24,
der in geeigneter Weise an der Innenseite einer ringförmigen Aufhängevorrichtung 26 gehaltert
ist, die wiederum von dem ringförmigen äußeren Gehäuse 28 der
Maschine getragen ist.
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Die
Turbinendüse 20 der
ersten Stufe enthält ein
radial äußeres und
ein radial inneres ringförmiges Band 30, 32,
die mit entgegengesetzten radialen Enden eine Reihe hohler Düsenleitschaufeln 34 verbunden
sind.
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Die
Düse ist
gewöhnlich
in Umfangsrichtung in Düsendubletten
(Leitschaufelpaare) segmentiert, die jeweils bogenförmige Abschnitte
des äußeren und
des inneren Bands aufweisen, die mit zwei Düsenleitschaufeln integral ausgebildet
sind.
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Die
Düse ist
gewöhnlich
aus einem Superlegierungsmetall ausgebildet, das mit metallurgischen Eigenschaften
hoher Festigkeit gegossen ist. Zum Beispiel können einkristalline Gussteile
mit einer einzelnen Düsenleitschaufel
und zugehörigen
Bandsegmenten hergestellt werden, die gewöhnlich miteinander verlötet werden,
um die Dublette mit zwei Leitschaufeln zu schaffen.
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Jede
Leitschaufel enthält
axial gegenüberliegende
Vorder- und Hinterkanten 36, 38 und
in Umfangsrichtung gegenüberliegende
Druck- und Saugseiten 40, 42, die sich radial
zwischen den Bändern erstrecken.
Die Druckseite 40 ist im Wesentlichen konkav, und die Saugseite 42 ist
im Wesentlichen konvex in der typischen Schaufelblattgestalt, die
sich zu der dünnen
Hinterkante 38 hin verjüngt.
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Die
Leitschaufeln sind durch die Bänder 30, 32 radial
begrenzt und in Seitenrichtung oder Umfangsrichtung voneinander
beabstandet, um entsprechende Strömungskanäle zu definieren, durch die
die Verbrennungsgase 18 während eines Betriebs strömen.
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Jeder
Strömungskanal
endet an einem Hals (einer Verengung) 44 mit minimalem
Strömungsquerschnitt,
der zwischen der Hinterkante 38 einer Leitschaufel senkrecht
zu der Saugseite der nächsten Leitschaufel,
etwas stromaufwärts
von deren Hinterkante definiert ist.
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Auf
diese Weise konvergieren die Düsenkanäle oder
Strömungspfade
zu den Hälsen,
um ihre aerodynamische Leistung zu maximieren.
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Das
innere Band 32 enthält
gewöhnlich
einen kreisringförmigen
Montageflansch 46, der sich von diesem aus radial nach
innen erstreckt, um in geeigneter Weise an einem zentralen Tragkonus
gehaltert zu sein.
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Das äußere Band 30 enthält einen
vorderen Flansch 48, der sich von diesem aus radial nach
außen
erstreckt und mit einer geeigneten Dichtung an dem hinteren Ende
der äußeren Auskleidung
der Brennkammer 16 zusammenwirkt.
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Das äußere Band
enthält
ferner einen hinteren Flansch 50 an seinem entgegengesetzten
hinteren Ende, der sich radial nach außen über den Hinterkanten 38 und
Hälsen 44 erstreckt.
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Wie
am besten in 2 veranschaulicht, weist der
hintere Flansch 50 ein radial inneres Ende oder einen radial
inneren Fuß 52,
das bzw. der unmittelbar über
den Leitschaufelhinterkanten 38 mit dem äußeren Band 30 verbunden
ist. Ein entgegengesetztes, radial äußeres Ende des hinteren Flansches definiert
einen Sitz 54 zur Aufnahme einer geeigneten Dichtung 56,
wie beispielsweise der veranschaulichten W-förmigen Ringdichtung.
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Die
Dichtung 56 ist in dem Sitz 54 zwischen dem äußeren Ende
des hinteren Flansches 50 und der vorderen Stirnfläche der
Mantelaufhängevorrichtung 26 festgesetzt,
um dazwischen eine vorbelastete Abdichtung zu schaffen.
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Während der
Montage übt
die Aufhängevorrichtung 26 eine
wesentliche axiale Vorbelastung gegen die hintere Fläche des
hinteren Flansches 50 aus, um eine differentielle Expansion
und Kontraktion der ringförmigen
Düse 20 im
Betrieb aufzunehmen.
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Demgemäß muss der
hintere Flansch 50 hinreichend steif sein, um den Betriebsbelastungen während des
Betriebs standzuhalten, und er ist folglich zur Erhöhung der
Festigkeit gewöhnlich
dick oder weit ausgebildet.
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3 veranschaulicht
ein typisches Dublettensegment der gesamten kreisringförmigen Turbinendüse, wobei
diese Segmente Ende an Ende an zugehörigen Teilungslinien mit geeigneten
Keilnutdichtungen dazwischen (nicht veranschaulicht) aneinandergefügt werden.
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Der
hintere Flansch 50 erstreckt sich über die gesamte Umfangsweite
des Düsensegmentes zwischen
den gegenüberliegenden
Endflächen
von diesem und ist mit dem äußeren Band
selbst integral ausgebildet, um eine verbesserte Steifigkeit und
Festigkeit zu ergeben.
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Eine
verbesserte örtliche
Kühlung
des hinteren Flansches 50 und der darunter liegenden hinteren
Auskragung des äußeren Bandes 30 kann
durch lokale Einführung
eines Aufprallkühleinsatzes
bzw. Prallblechs 58 bewirkt werden, der bzw. das den Zwischenraum
zwischen dem äußeren Band
und dem hinteren Flansch an dem Fuß 52 überbrückt, wie
dies in den 2 und 3 veranschaulicht
ist.
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Das
Prallblech 58 kann ein dünnes Metallblech sein, das
an den beaufschlagten Flächen
des äußeren Bandes
und des hinteren Flansches geeignet angelötet sein kann, um die vordere
oder innere Stirnfläche
des Fußes 52 lokal
zu bedecken.
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Das
Prallblech 58 ist von einer Anordnung von Prallkühllöchern 60 durchsetzt,
die in einer beispielhafte Reihe lokal positioniert sind, um dem
Fuß 52 gegenüber zu liegen,
um eine lokale Aufprallkühlung
von diesem zu erzielen.
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Eine
Reihe von zusammenwirkenden Auslasslöchern 62 erstreckt
sich durch das äußere Band 60 hindurch
gerade vor dem Fuß 52 in
Strömungsverbindung
mit den Aufprallkühllöchern 60,
um verbrauchte Prallluft 14, nachdem sie den Fuß gekühlt hat,
auszugeben.
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Unter
Druck stehende Verdichteraustrittsdruckluft 14 wird in
geeigneter Weise zu der oberen Seite der Düse 20 geleitet, wo
sie in zugehörige Öffnungen 64 in
dem äußeren Band 30 eintritt,
um die Leitschaufeln 34 selbst in herkömmlicher Weise intern zu kühlen.
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Jede
Leitschaufel ist in einer typischen Konfiguration hohl mit einer
mittleren Trennwand ausgebildet, die zwei Kammern definiert, wobei
jede Kammer eine zugehörige
einzelne der Öffnungen 64 an dem äußeren Band
aufweist.
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Jede
Kammer enthält
gewöhnlich
ein (nicht veranschaulichtes) internes Prallblech, das Luft von den Öffnungen 64 empfängt, und
jede Leitschaufel enthält
Filmkühlaustrittslöcher in
ihren Seitenwänden,
um die verbrauchte interne Prallluft auszugeben.
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Ein
Teil der zu dem äußeren Band 30 umgelenkten
Kühlluft
steht bei dem vollen Verdichteraustrittsdruck frei zur Verfügung, um
durch die Pralllöcher 60 hindurch
zu strömen,
die speziell zur Aufprallkühlung
des Flanschfußes 52 bestimmt
sind.
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Demgemäß sind die
hinteren Auslasslöcher 62 speziell
konfiguriert und angeordnet, um mit den Fußkühllöchern 60 zusammenzuwirken,
um die verbrauchte Fußprallkühlluft auszugeben,
um zusätzlich die
Außenwandauskragung
unmittelbar unter dem Fuß 52 zu
kühlen.
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Auf
diese Weise wird eine örtliche
Kühlung des
hinteren Flansches 50 an der Verbindung seines Fußes mit
dem Außenband
unmittelbar über
den Leitschaufelhinterkanten 38 auf eine verbesserte und effizientere
Weise bewirkt.
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Insbesondere
bleibt der hintere Flansch 50 undurchlöchert, und die verbrauchte
Fußprallluft
wird folglich durch die hinteren Auslasslöcher 62, die stromaufwärts von
den Leitschaufelhinterkanten 38 und auch stromaufwärts von
den Strömungspfadhälsen 44 angeordnet
sind, ausgegeben, um diese Luft als nicht abrechenbare Luft in den
Hauptströmungspfaden
der Düse
aufzufangen.
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Das
Prallblech 58 ist speziell konfiguriert, um zu der Verbindung
zwischen dem hinteren Flansch 50 und dem äußeren Band 30 zu
passen, und enthält folglich
eine hintere Lippe 66, die sich radial nach außen und
parallel entlang des hinteren Flansches 50 unter der äußeren Dichtung 54 erstreckt.
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Eine
Hauptplatte 68 des Prallblechs erstreckt sich in axialer
Richtung nach vorne von der Lippe 66 und ist im Abstand
oberhalb und parallel zu dem Außenband
angeordnet.
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Die
Fußpralllöcher 60 erstrecken
sich in Radialrichtung durch eine bogenförmige Übergangsverbindung 70 zwischen
der Lippe 66 und der Platte 68 hindurch mit einer
nach unten gerichteten Neigung, die zu der abgerundeten Übergangsverbindung
zwischen dem Fuß 52 und
dem Außenband 30 hin
gerichtet ist.
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Die
zusammenwirkenden Auslasslöcher 62 sind
vor den Pralllöchern 60,
von dem Fuß 52 weiter weg
angeordnet, um einen örtlich
serpentinenförmigen
Austrittsströmungspfad
zu erzeugen. Auf diese Weise wird zunächst eine Prallkühlung des
Flanschfußes 52 bewirkt,
wobei die verbrauchte Kühlluft
ihre Richtung axial nach vorne umkehrt, um die Außenfläche des
Außenbandes
in konvektiver Weise zu kühlen.
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Die
verbrauchte Luft ändert
anschließend ihre
Richtung erneut beim Durchgang durch die Auslasslöcher 62,
um diesen hinteren Bereich des Außenbandes vor dem Austritt
entlang der Innenfläche des
Außenbandes
weiter zu kühlen.
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Auf
diese Weise verliert die Prallluft 14 zuerst Druck, wenn
sie zunächst
einem Aufprall gegen den Flanschfuß ausgesetzt ist, und sie verliert
weiter Druck, wenn sie ihre Strömungsrichtung
beim Durchgang durch den weitschweifigen Austrittsströmungspfad
zu den Auslasslöchern 62 ändert, um
eine lokal verbesserte Kühleffektivität zu ergeben.
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Um
die örtliche
Kühlung
weiter zu verbessern und Wärmegradienten
zu reduzieren, enthält der
hintere Flansch 50 ferner eine unterschnittene Ausnehmung
oder Tasche 72 in dem Fuß 52 und unter dem
Sitz 54.
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Wie
in 2 veranschaulicht, erstreckt sich die Tasche 72 axial
nach hinten von der vorderen Stirnfläche des hinteren Flansches 50 unmittelbar unter
dem äußeren Sitz 54,
wobei sie örtlich
begrenzt Flanschmaterial und thermische Masse in dem Flanschfuß 52 beseitigt.
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Wie
in 3 veranschaulicht, erstreckt sich die Tasche 72 in
Umfangsrichtung über
einen Großteil
der Weite des Dublettensegments zwischen den gegenüberliegenden
Endflächen,
an denen die volle Dicke des Flanschfußes bleibt.
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Die äußere Dichtung 54 kann
jede beliebige herkömmliche
Form, wie die nach hinten weisende Stufe, die oberhalb des Fußes 52 angeordnet
ist, haben. Die darunter liegende Tasche 72 erstreckt sich entsprechend
sowohl unmittelbar unter dem Sitz als auch vor diesem.
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Der
hintere Flansch 50 variiert folglich hinsichtlich der axialen
Dicke von vorne dünn über der Höhe des Sitzes 54 zur
maximalen Dicke unmittelbar unter dem Sitz, und er verjüngt sich
oder nimmt hinsichtlich der Dicke über die Höhe der Tasche 72 ab, wenn
die Tasche nach hinten in den Flanschfuß 52 einsticht, wobei
der Fuß entlang
der hinteren Stirnfläche
des Flansches, wo dieser mit dem Außenband 30 verbunden
ist, relativ dünn
ist. Der hintere Flansch 50 behält seine volle maximale Dicke
nur an den beiden Endflächen,
wo die Tasche endet.
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Da
die Prallblechlippe 66 an der vorderen Stirnfläche des
hinteren Flansches 50 an dem Einlassende der ausgesparten
Tasche 72 angelötet
ist, sind die Pralllöcher 60 in
bevorzugter Weise vorne vor dem ausgesparten Flanschfuß 52 versetzt
angeordnet. Die Löcher 60 weisen
nach hinten in die Tasche hinein, um eine Aufprallkühlung des
ausgesparten und lokal dünneren
Fußes 52 unmittelbar
unter dem weiteren äußeren Sitz 54 zu
bewirken.
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Die
Prallblechlippe 60 verschließt lokal das Eintrittsende
der Tasche 72, um die Prallluft darin einzuschließen, die
dann gezwungen ist, axial nach vorne zu strömen, um die Auslasslöcher 62 zu
erreichen.
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Vorzugsweise
verläuft
die hintere Lippe 66 parallel zu dem hinteren Flansch 50 oberhalb
der Tasche 72. Die Pralllöcher 60 sind durch
den gerundeten Übergangsverbindungsabschnitt 70 nach
unten geneigt, um den Fuß 52 an
seiner bogenförmigen Übergangsverbindung
mit dem Außenband 30 durch Aufprallkühlung zu
kühlen.
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Ferner
sind die Auslasslöcher 62 nach
hinten geneigt durch das äußere Band 30 hindurch
vor der Tasche angeordnet, um typische Filmkühllöcher zu definieren, die eine
Schutzschicht oder einen Schutzfilm verbrauchter Aufprallluft entlang
der Innenfläche des
Außenbandes 30 unmittelbar
unter dem hinteren Flansch 50 austreten lassen.
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Dieser
verwundene, weitschweifige Austrittsströmungspfad für die verbrauchte Prallluft
ergibt mehrere oder verbundene Kühleffekte
an der steifen Verbindung zwischen dem hinteren Flansch 50 und dem
hinteren Ende des Außenbandes 30 zur
deutlichen Verbesserung der örtlichen
Kühlung
von diesem mit nicht abrechenbarer Kühlluft, die stromaufwärts der
Düsenhälse 44 wieder
eingefangen wird.
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In
einer Ausführungsform
sind die Pralllöcher 60 vorne
vor dem ausgesparten Fuß 62 im
Abstand von etwa zwei bis drei Durchmessern der Pralllöcher 60 selbst
angeordnet, wie dies in 2 veranschaulicht ist.
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Eine
Prallkühlung
erfordert einen geeigneten Abstand zwischen dem Prallblech und der
vorgesehenen Kühlfläche, so
dass die Prallluftstrahlen an dem Prallblech unter großem Differenzdruck
erzeugt und anschließend
mit maximaler Geschwindig keit verlaufen können, um mit maximaler Kühlwirkung
auf den Fuß 52 aufzutreffen.
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Die
Einführung
der ausgesparten Tasche 72 reduziert nicht nur die thermische
Masse des hinteren Flansches, um die Kühlung zu verbessern, sondern
ergibt einen geeigneten Versatz zu dem Prallblech 58, um
die Aufprallkühleffektivität des lokal dünneren Fußes 52 auf
ein Maximum zu steigern.
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Es
kann folglich in der einen Ausführungsform
eine verbesserte Aufprallkühlung
unter Verwendung einer einzelnen Reihe der Aufprallkühllöcher 60 an
dem ausgerundeten Übergangsverbindungsabschnitt 70 des
Prallblechs erzielt werden, wobei jedes Loch 60 röhrenförmig mit
einem geeigneten Strömungsdurchmesser
ausgebildet und vorzugsweise vorne im Abstand von etwa zwei bis
drei Lochdurchmessern von dem ausgerundeten Übergangsverbindungsabschnitt
zwischen dem Fuß 52 und
dem Außenmantel 30 angeordnet
ist.
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In
anderen Ausführungsformen
können
die Prallkühllöcher 60 hinsichtlich
der Gruppenkonfiguration und Strömungsgröße maßgeschneidert
abgestimmt sein, um die Strömungsrate
und resultierende Kühlung
zu steuern, um beispielsweise lokale heiße Stellen zu bewältigen.
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In
einer noch weiteren Konfiguration des Prallblechs, wie sie in 4 mit 80 bezeichnet
ist, enthält
die hintere Lippe 66 einen lokalen Knick bzw. eine lokale
Biegung, die sich nach hinten in die Oberseite der Tasche 72 hinein
unter dem Sitz 54 erstreckt. Die Lippenbiegung ist nahe
neben der schrägen
Unterschneidung in dem hinteren Flansch unter dem Sitz 54 angeordnet,
um dazwischen einen kleinen radialen Zwischenraum oder Spalt von
wenigen Mils (Millizoll) zu schaffen.
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Auf
diese Weise ist die Oberseite der Tasche 72 hinsichtlich
ihrer Größe durch
die Biegung oder gebogene Lippe örtlich
reduziert, um die lokale Zirkulation der verbrauchten Prallluft
zu reduzieren und demgemäß Wärmegradienten
in dem Flansch unter dem Sitz zu reduzieren.
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Da
sich der Flansch 50 in Umfangsrichtung erstreckt, vermindern
die reduzierten Wärmegradienten
in diesem folglich das Ausrichten des ringförmigen Düsenströmungspfads in Sehnenrichtung
oder Umfangsrichtung an den Leitschaufelhinterkanten zur Verbesserung
seiner Leistung.
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Die
Pralllöcher 60 in
der Konfiguration nach 4 können in dem ausgerundeten Übergangsabschnitt 70 innerhalb
der gleichen zwei bis drei Lochdurchmesser von dem ausgesparten
Fuß angeordnet
bleiben.
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Obwohl
das Prallblech 58 allein mit seiner radialen Lippe 66 eingerichtet
sein kann, enthält
es vorzugsweise ferner den axialen Plattenfortsatz 68,
um eine zusätzliche
Aufprallkühlung
des Außenbandes zu
erzielen.
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In
dieser Konfiguration enthält
die Hauptplatte 68 ferner zusätzliche Aufprallkühllöcher 74,
die vorne vor den stromabwärtigen
Ausrundungspralllöchern 60 verteilt
und in geeigneter Weise oberhalb des Außenbandes 30 im Abstand
angeordnet sind, um für
eine örtlich
begrenzte Prallkühlung
von diesem zu sorgen.
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Das
Außenband 30 enthält vorzugsweise
gegossene Rippen 76, die die Leitschaufelöffnungen 64 umgeben
und diese Öffnungen
mit zwei Endflächen überbrücken, auf
denen die Hauptplatte 68 aufgesetzt und an diese dichtend
angelötet
werden kann.
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Auf
diese Weise ist eine Haupttasche 78 zwischen der Hauptplatte 68 und
dem Außenband
vor der hinteren Tasche 72 definiert und in Strömungsverbindung
mit dieser angeordnet.
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In
dieser Konfiguration können
lediglich zwei Reihen der Auslasslöcher 62 dazu verwendet
werden, die gesamte verbrauchte Prallluft von dem Prallblech gemeinsam
abzugeben, und diese sind wiederum vorne vor der einzelnen hinteren
Reihe von Pralllöchern 60 im
Abstand angeordnet.
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Diese
beiden Reihen von Auslasslöchern 62 können dann
gemeinsam sowohl die verbrauchte Prallluft von der hinteren Tasche 72,
nachdem diese ihre Richtung umkehrt, als auch die verbrauchte Prallluft
von der vorderen Haupttasche 78 austreten lassen.
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Der
hintere Flansch 50 des Düsenaußenbandes 30 kann
mit minimalen Veränderungen
der Düsenkonstruktion örtlich aufprallgekühlt werden,
um die Betriebstemperatur in diesem wichtigen lokalen Bereich deutlich
zu reduzieren, was wiederum Wärmegradienten
und Betriebsbelastungen reduziert, um die niederzyklische Ermüdungslebensdauer
der Düse
zu erhöhen.
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Der
hintere Flansch 50 kann bevorzugterweise unterschnitten
sein, um die hintere Tasche 72 zu bilden, um bei gleichzeitiger
Aufrechterhaltung einer ausreichenden Festigkeit und Steifheit zur
Abstützung
der Dichtung 56 die thermische Masse des Flansches lokal
zu reduzieren.
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Das
spezielle Prallblech 58, einschließlich seiner hinteren Lippe 66,
ist an dem hinteren Flansch 50 angelötet, um die auf diese Weise
gebildete hintere Tasche 72 zu verschließen, wobei
es ferner die strukturelle Integrität von diesem verbes sert, während die
verbrauchte Prallluft in bevorzugter Weise an dem hinteren Ende
des Außenbandes
eingeschränkt
wird.
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Der
hintere Flansch bleibt von Löchern
undurchsetzt, und die verbrauchte Prallluft wird aus den Auslasslöchern 62 stromaufwärts von
den Düsenhälsen 44 ausgegeben,
um diese Luft vor dem Austritt aus der Düse wieder aufzufangen, um deren
Effizienz zu steigern.
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Die
Prallluft kühlt
vorzugsweise zuerst das Fußende
des hinteren Flansches, während
die verbrauchte Luft anschließend
wiederverwendet wird, um die Außenfläche des
Bandes entlang des Austrittsströmungspfads
durch die stromaufwärtigen Auslasslöcher 62 zu
kühlen,
dem wiederum eine bevorzugte Filmkühlung der Innenfläche des
Bandes unmittelbar unter dem hinteren Flansch selbst folgt.
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Eine
Analyse der verbesserten Konstruktionen zeigt eine deutliche Reduktion
der Betriebstemperatur über
der Verbindung zwischen dem hinteren Flansch und dem Außenband,
gemeinsam mit einer entsprechenden Reduktion von Wärmegradienten und
Betriebsbelastungen sowie eine verbesserte Haltbarkeit und Lebensdauer
an.
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Der
Turbinenwirkungsgrad wird ebenfalls erhöht, indem nicht abrechenbare
Prallluft verwendet wird, anstatt verbrauchte, abrechenbare Kühlluft unmittelbar
durch den hinteren Flansch hindurch austreten zu lassen, wie dies
in anderen herkömmlichen Kühlkonfigurationen
mit hoher Leistung vorzufinden ist.
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Ferner
können
die einfachen Modifikationen, um eine verbesserte Kühlung des
hinteren Flansches zu bewirken, auch bei existierenden Düsenkonstruktionen
nachgerüstet
wie auch von Anfang an in neuen Konstruktionen realisiert werden.
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Während hierin
die als bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung angesehenen Formen beschrieben worden sind, werden weitere
Modifikationen der Erfindung für Fachleute
auf dem Gebiet ausgehend von der hierin enthaltenen Lehre offensichtlich
sein, so dass folglich der Wunsch besteht, in den beigefügten Ansprüchen all
derartige Modifikationen, sofern sie in den wahren Rahmen und Umfang
der Erfindung fallen, zu schützen.
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Eine
Turbinendüse
enthält
ein äußeres und ein
inneres Band 30, 32, die Düsenleitschaufeln 34 begrenzen.
Das äußere Band 30 enthält einen
hinteren Flansch 50. Ein Prallblech 58 bildet
eine Brücke zwischen
dem äußeren Band 30 und
dem hinteren Flansch 50 an dessen Fuß 52, um eine Prallkühlung zu
erzielen.
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- 10
- Turbinenmaschine,
Turbinentriebwerk
- 12
- Verdichter
- 14
- Luft
- 16
- Brennkammer
- 18
- Verbrennungsgase
- 20
- Turbinendüse, Turbinenleitapparat
- 22
- Laufschaufeln
- 24
- Turbinenmantel
- 26
- Aufhängevorrichtung
- 28
- Äußeres Gehäuse
- 30
- Äußeres Band
- 32
- Inneres
Band
- 34
- Leitschaufeln
- 36
- Vorderkante
- 38
- Hinterkante
- 40
- Druckseite
- 42
- Saugseite
- 44
- Hals
- 46
- Montageflansch
- 48
- Vorderer
Flansch
- 50
- Hinterer
Flansch
- 52
- Fuß
- 54
- Sitz
- 56
- Dichtung
- 58
- Prallblech
- 60
- Pralllöcher
- 62
- Auslasslöcher
- 64
- Öffnungen
- 66
- Hintere
Lippe
- 68
- Hauptplatte
- 70
- Ausgerundete
Verbindung, Übergangsverbindung
- 72
- Tasche
- 74
- Pralllöcher
- 76
- Rippen
- 78
- Hauptplatte
- 80
- Prallblech