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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 24. September 2009 eingereichten vorläufigen Patentanmeldung 61/245/649.
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Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft im Wesentlichen die Wärmeübertragung in Gasturbinen und insbesondere Vorrichtungen zum Kühlen von Strukturen in derartigen Maschinen.
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Eine Gasturbine enthält einen Turbomaschinenkern mit einem Hochdruckverdichter, einem Brenner und einer Hochdruckturbine (”HPT”) in serieller Strömungsbeziehung. Der Kern kann in bekannter Weise zum Erzeugen eines Hauptgasstroms betrieben werden. Die Hochdruckturbine enthält ringförmige Anordnungen (”Reihen”) stationärer Leitschaufeln oder Leitapparate, die die den Brenner verlassenden Gase in rotierende Schaufeln oder Laufschaufeln lenken. Zusammengenommen bilden eine Reihe von Leitschaufeln und eine Reihe von Laufschaufeln eine ”Stufe”. Typischerweise werden zwei oder mehr Stufen in einer seriellen Strömungsbeziehung verwendet. Der Brenner und HPT-Komponenten arbeiten in einer Umgebung mit extrem hoher Temperatur und müssen durch einen Luftstrom gekühlt werden, um eine angemessene Betriebslebensdauer sicherzustellen.
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Ein Kühlluftstrom wird typischerweise erzeugt, indem ”Abzapf”-Luft mit relativ niedrigerer Temperatur von einem stromaufwärts liegenden Abschnitt des Triebwerks, wie z. B. aus dem Hochdruckverdichter, entnommen und dann diese Abzapfluft den stromabwärts liegenden Hochtemperaturkomponenten zugeführt wird. Die Abzapfluft kann in zahlreichen Arten angewendet werden, beispielsweise durch interne Konvektionskühlung oder durch Filmkühlung. Wenn sie zur Konvektionskühlung eingesetzt wird, wird die Abzapfluft oft durch Serpentinenkanäle oder andere Strukturen geführt, welche einen Druckverlust erzeugen, wenn die Kühlluft diese passiert. Da die Abzapfluft einen Verlust für den Maschinenzyklus darstellt und den Wirkungsgrad verringert, ist es erwünscht, die Wärmeübertragungsraten zu maximieren und dadurch die minimal mögliche Kühlstrommenge zu verwenden. Aus diesem Grunde werden Wärmeübertragungs-Verbesserungsstrukturen, wie z. B. Turbulenz fördernde Elemente oder ”Turbulatoren” oft auf gekühlten Oberflächen ausgebildet.
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Turbulatoren sind längliche Streifen oder Stege mit einem quadratischen, rechteckigen oder anderem symmetrischen Querschnitt und sind im Wesentlichen quer zu der Strömungsrichtung ausgerichtet. Die Turbulatoren dienen dazu, die Grenzschicht an der Komponentenoberfläche ”abzulösen” und eine Turbulenz zu erzeugen, welche die Wärmeübertragung erhöht. Die Kühlungseffektivität wird dadurch erhöht. Ein Problem bei der Verwendung herkömmlicher Turbulatoren besteht darin, dass eine Strömungsstagnationszone stromabwärts von jedem Turbulator vorhanden ist. Diese Zone bewirkt, dass Staub, welcher natürlicherweise in der Kühlluft mit eingeschlossen ist, abgeschieden wird und sich hinter den Turbulatoren aufbaut. Dieser Aufbau ist eine isolierende Schicht, welche die Wärmeübertragung verringert und auch einen unerwünschten Verschleiß bewirken kann.
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Ein Beispiel einer speziellen Gasturbinenstruktur, die eine effektive Kühlung benötigt, ist ein HPT-Leitapparat. HPT-Leitapparate sind oft als eine Anordnung flügelförmiger Leitschaufeln konfiguriert, die sich zwischen ringförmigen Innen- und Außenbändern erstrecken, die den Hauptströmungspfad durch den Leitapparat definieren. Einige herkömmliche HPT-Leitapparate wurden Temperaturen auf dem hinteren Innenband über dem Auslegungsmaß ausgesetzt. Dieses hat zu dem Verlust des hinteren Innenbandes aufgrund von Oxidation bei einer geringen Anzahl von Maschinenzyklen geführt. Der Materialverlust kann eine Kette unerwünschter Ereignisse auslösen, die zu ernsthaften Maschinenausfällen führen. Beispielsweise kann in einer mehrstufigen HPT der Verlust des hinteren Innenbandabschnittes der ersten Leitapparatstufe eine Heißgaseinsaugung zwischen dem Leitapparat der ersten Stufe und dem vorderen rotierenden Dichtungselement oder ”Engelsflügel” der Laufschaufeln der benachbarten ersten Stufe führen. Der eingesaugte Hauptstrom kann wiederum die vordere Kühlplatte der Rotorscheibe der ersten Stufe erhitzen und deren Reißen bewirken. Sobald die Kühlplatte gerissen ist, kann heiße Luft die Rotorscheibe der ersten Stufe erhitzen, was eine Beschädigung an dem Scheibenpfosten bewirken kann, was zu dem Ablösen einer Laufschaufel der ersten Turbinenstufe führen könnte.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese und weitere Nachteile des Stands der Technik werden durch die vorliegende Erfindung behoben, welche eine ”Fastback”-Turbulatorstruktur bereitstellt, welche eine Stagnation der Hochgeschwindigkeitsströmung vermeidet.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Wärmeübertragungsvorrichtung auf: (a) ein Element, das eine der Fluidströmung in einer vorbestimmten Strömungsrichtung ausgesetzte Wand definiert; und (b) mehrere auf der Wand angeordnete Turbulatoren, wobei jeder Turbulator aufweist: (i) eine hochstehende Vorderseite, welche im Wesentlichen gegen die Strömungsrichtung gerichtet ist, und (ii) eine Rückseite, welche eine rampenartige Form definiert, die sich von der Vorderseite zu der Wand hin verjüngt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Turbinenleitapparat: (a) eine hohle flügelförmige Turbinenleitschaufel; (b) ein bogenförmiges erstes Band, das an einem ersten Ende der Turbinenleitschaufel angeordnet ist, wobei das erste Band eine an die Turbinenleitschaufel angrenzende Strömungspfadfläche und eine gegenüberliegende Rückseite besitzt; (c) wobei die Rückseite wenigstens eine offene Tasche enthält, wobei die wenigstens eine Tasche teilweise durch eine von der Rückseite zurückgenommene untere Wand definiert wird, wobei sich gegenüberliegende Enden der unteren Wand mit der Rückseite dort vereinen, wo die Tasche der Fluidströmung in einer vorbestimmten Strömungsrichtung ausgesetzt ist; und (d) mehrere auf der unteren Wand angeordnete Turbulatoren, wobei jeder Turbulator aufweist: (i) eine hochstehende Vorderseite, welche im Wesentlichen gegen die Strömungsrichtung gerichtet ist, und (ii) eine Rückseite, welche eine rampenartige Form definiert, die sich von der Vorderseite zu der Wand hin verjüngt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren verständlich, in welchen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Hochdruckturbinenabschnittes einer Gasturbine ist, der gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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2 eine perspektivische Ansicht eines Turbinenleitapparatsegmentes ist;
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3 eine weitere perspektivische Ansicht eines Turbinenleitapparatsegmentes ist;
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4 eine Unterseitenansicht des Turbinenleitapparatsegmentes von 2 ist;
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5 eine Querschnittsansicht des Turbinenleitapparatsegmentes von 2 ist;
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6 eine Querschnittsansicht des Turbinenleitapparates von 2 ist;
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7 eine Querschnittsansicht eines Abschnittes des Innenbandes des Turbinenleitapparatsegmentes von 2 mit mehreren dazu hinzugefügten Turbulatoren ist; und
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8 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes von 7 ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In den Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 einen Abschnitt einer Hochdruckturbine 10 dar, welche Teil einer Gasturbine bekannten Typs ist. Die Funktion der Hochdruckturbine 10 besteht in dem Entziehen von Energie aus den heißen unter Druck stehenden Verbrennungsgasen von einem (nicht dargestellten) stromaufwärts liegenden Brenner und in der Umwandlung der Energie in mechanische Arbeit in bekannter Weise. Die Hochdruckturbine 10 treibt einen stromaufwärts angeordneten (nicht dargestellten) Verdichter über eine Welle an, um unter Druck stehende Luft an einen Brenner zu liefern.
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In dem dargestellten Beispiel ist das Triebwerk ein Turbobläsertriebwerk und eine (nicht dargestellte) Niederdruckturbine wäre stromabwärts von der Gasgeneratorturbine 10 angeordnet und mit einer einen Bläser antreibenden Welle verbunden. Jedoch treffen die hierin beschriebenen Prinzipien gleichermaßen auf Turboprop- und Turbojet-Triebwerke sowie Turbinen zu, die für andere Fahrzeuge oder in stationären Anwendungen eingesetzt werden.
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Die Hochdruckturbine 10 enthält einen Leitapparat 12 der ersten Stufe, welcher mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete flügelförmige hohle Leitschaufeln 14 der ersten Stufe aufweist, die zwischen einem bogenförmigen segmentierten Außenband 16 der ersten Stufe und einem bogenförmigen segmentierten Innenband 18 der ersten Stufe gelagert sind. Die Leitschaufeln 14 der ersten Stufe, das Außenband 16 der ersten Stufe und das Innenband 18 der ersten Stufe sind in mehreren in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Leitapparatsegmenten angeordnet, die zusammengenommen eine vollständige 360°-Anordnung bilden. Die Außen- und Innenbänder 16 und 18 der ersten Stufe definieren die äußeren bzw. inneren radialen Strömungspfadbegrenzungen für den durch den Leitapparat 12 der ersten Stufe strömenden Heißgasstrom. Die Leitschaufeln 14 der ersten Stufe sind so konfiguriert, dass sie die Verbrennungsgase optimal auf einen Rotor 20 der ersten Stufe lenken.
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Der Rotor 20 der ersten Stufe enthält eine Anordnung flügelförmiger Turbinenlaufschaufeln 22 der ersten Stufe, die sich aus einer Scheibe 24, die sich um eine Mittellinienachse des Triebwerks dreht, nach außen erstrecken. Ein segmentiertes Deckband 26 der ersten Stufe ist so angeordnet, dass es eng die Laufschaufeln 22 der ersten Stufe umgibt und dadurch eine äußere radiale Strömungspfadbegrenzung für die durch den Rotor 22 der ersten Stufe strömenden heißen Gasstrom definiert.
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Ein Leitapparat 28 einer zweiten Stufe ist stromabwärts von dem Rotor 20 der ersten Stufe positioniert und weist mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete flügelförmige hohle Leitschaufeln 30 der zweiten Stufe auf, die zwischen einem bogenförmigen segmentierten Außenband 32 der zweiten Stufe und einem bogenförmigen segmentierten Innenband 34 der zweiten Stufe gelagert sind. Die Leitschaufeln 30 der zweiten Stufe, das Außenband 32 der zweiten Stufe und das Innenband 34 der zweiten Stufe sind zu mehreren in Umfangsrichtung aneinandergrenzende Leitapparatsegmente zusammengefasst, die zusammengenommen eine vollständige 360°-Anordnung ausbilden. Die Außen- und Innenbänder 32 und 34 der zweiten Stufe definieren die äußeren bzw. inneren Strömungspfadbegrenzungen für den Heißgasstrom, der durch den Turbinenleitapparat 34 der zweiten Stufe strömt. Die Leitschaufeln 30 der zweiten Stufe sind so konfiguriert, dass sie die Verbrennungsgase optimal zu einem Rotor 38 einer zweiten Stufe lenken.
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Der Rotor 38 der zweiten Stufe enthält eine radiale Anordnung flügelförmiger Laufschaufeln 40 der zweiten Stufe, die sich radial von einer Scheibe 42 der zweiten Stufe nach außen erstrecken, die sich um eine Mittellinienachse des Triebwerks dreht. Ein segmentiertes bogenförmiges Deckband 44 der zweiten Stufe 44 ist so angeordnet, dass es eng die Turbinenlaufschaufeln der zweiten Stufe umgibt und dadurch die äußere radiale Strömungspfadbegrenzung für den durch den Rotor 38 der zweiten Stufe strömenden heißen Gasstrom definiert.
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2 und 3 stellen eines von den mehreren Leitapparatsegmenten 46 dar, die den Leitapparat 12 der ersten Stufe bilden. Das Leitapparatsegment 46 weist zwei einzelne ”Singlett”-Gussteile 48 auf, welche nebeneinander angeordnet und beispielsweise mittels Hartlötung miteinander verbunden sind, um eine einteilige Komponente zu bilden. Jedes Singlett 48 wird aus einem bekannten Material mit geeigneten Hochtemperatureigenschaften, wie z. B. einer Nickel- oder Kobalt-basierenden ”Superlegierung”, gegossen und enthält ein Segment des äußeren Bandes 16, ein Segment des inneren Bandes 18 und eine hohle Leitschaufel 14 der ersten Stufe. Die hierin beschriebenen Konzepte sind in gleicher Weise auf Turbinenleitapparate, die aus ”Dublett”-Gussteilen hergestellt sind, sowie auf Gussteile mit mehreren Leitschaufeln und zusammenhängende Turbinenleitschaufelringe anwendbar.
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Das Innenband 18 hat eine Strömungspfadseite 54 und eine gegenüberliegende Rückseite 56. Eine oder mehrere offene Taschen 58 sind in der Rückseite 56 ausgebildet. Die Taschen 58 können durch Einbeziehung dieser in das Gussteil, durch maschinelle Bearbeitung oder durch eine Kombination von Techniken erzeugt werden.
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4–6 stellen die Taschen 58 detaillierter dar. Jede Tasche 58 hat einen offenen Umfangsrand 60. Die Taschenform ist begrenzt und kollektiv durch eine vordere Wand 62, eine hintere Wand 64 und eine untere Wand 66 begrenzt. Die vorderen und hinteren Wände 62 und 64 sind im Wesentlichen eben, parallel zueinander und in einer radialen Richtung ausgerichtet. Ihre Form ist für den Betrieb der vorliegenden Erfindung nicht kritisch.
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Die untere Wand 66 erstreckt sich im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung zwischen ersten und zweiten Enden 68 und 70. Die untere Wand 66 enthält einen mittigen Abschnitt 72, welcher von der Rückseite 56 zurückgenommen ist und zwei Endabschnitte 74. Die Endabschnitte 74 bilden Rampen zwischen dem mittigen Abschnitt 72 und der Rückseite 56. Der mittige Abschnitt 72 kann einen Abschnitt eines Kreisbogens oder eines anderen geeignet gekrümmten Profils definieren.
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Der Abstand, um den die untere Wand 66 von der Rückseite 56 in einer radialen Richtung versetzt ist, wird als die ”Tiefe” der Tasche 58 bezeichnet und ist mit ”D” gekennzeichnet. Der spezifische Wert von ”D” variiert an jeder Stelle der Tasche 58, wobei er im Allgemeinen am größten in der Nähe des Umfangsmittelpunktes der Tasche 58 ist und sich auf null bei den Enden 68 und 70 verjüngt. Es ist aus Gewichtsverringerungsgründen erwünscht, die Tiefe ”D” so groß wie möglich zu machen. Die maximal erzielbare Tiefe ist durch die minimal zulässige Materialdicke in dem Innenband 18 und der Leitschaufel 14, dargestellt bei ”T” (siehe 5), begrenzt. Beispielsweise kann eine minimale Dicke etwa 1,0 mm (0,040 Inch) sein.
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7 stellt das Profil der Tasche 58 im Querschnitt dar. Jeder von den Endabschnitten 74 ist in einem nicht rechtwinkligen, nicht parallelen Winkel θ zu der Rückseite 56 des Innenbandes 18 angeordnet. Der Winkel θ variiert zur Anpassung an eine spezielle Anwendung, wobei jedoch eine Analyse nahe liegt, dass ein Rampenwinkel θ von etwa 20° oder kleiner eine Rezirkulation eliminiert. In jedem Falle ist die untere Wand 66 im Wesentlichen frei von allen scharfen Übergängen oder Kurven mit geringem Radius, welche Innenecken bilden würden. Ein glatter Übergangsbereich kann an dem Schnittpunkt der Endabschnitte 74 und der Rückseite 56 vorgesehen sein. Beispielsweise können ein in einem Winkel von etwa 2° bis etwa 3° zur Rückseite 56 angeordneter und sanft in den Endabschnitt 74 gerundeter Einführungsbereich 76 oder eine einfach konvex gerundete Form verwendet werden.
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Gemäß Darstellung in 7 kann die Tasche 58 optional mit mehreren üblicherweise als ”Turbulatoren” 100 bezeichneten Turbulenz fördernden Elementen versehen sein. Die Turbulatoren 100 sind hochstehende Rippen, die sich über die Tasche 58 hinweg erstrecken. Sie sind im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung über der Tasche 58, dargestellt durch einen Pfeil ”F”, ausgerichtet, wobei sie jedoch in einem anderen Winkel in Bezug auf den Luftstrom ausgerichtet sein können. Die Turbulatoren 100 dienen dazu, die Grenzschicht an der Komponentenoberfläche (d. h., der unteren Wand 66) ”abzulösen” und eine Turbulenz zu erzeugen, welche die Wärmeübertragung der darüber strömenden Luft vergrößert. Eine Kühlungseffektivität wird dadurch vergrößert.
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Im Gegensatz zu vorstehend beschriebenen Turbulatoren nach dem Stand der Technik sind die Turbulatoren 100 so geformt, dass sie Strömungsstagnation und Staubaufbau verhindern. Insbesondere hat gemäß 8 jeder Turbulator 100 eine hochstehende Vorderseite 102, welche im Wesentlichen der Richtung des Kühlstroms entgegengesetzt ist, und eine Rückseite 104, welche eine rampenartige Form definiert, die sich nach hinten von der Vorderseite 102 zu der unteren Wand 66 der Tasche 58 hin verjüngt. Diese allgemeine Form wird hierin als ”Fastback”-Form bezeichnet. Ein Radius oder eine Übergangsform kann an der Verbindungsstelle zwischen der Vorderseite 102 und der Rückseite 104 ausgebildet sein.
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Die Spitzenhöhe ”H” des Turbulators 100 über der unteren Wand 66 ist gemäß herkömmlicher Praxis gewählt und ist groß genug, sodass jeder Turbulator 100 effektiv eine Turbulenz erzeugt, d. h., dass der Turbulator 100 deutlich größer als die Oberflächenunvollkommenheiten in der gegossenen Komponentenoberfläche ist, aber im Allgemeinen nicht so groß, dass er eine signifikante Strömungsblockierung erzeugt. Beispielsweise kann die Höhe ”H” von etwa 0,18 mm (0,007 Inch) bis etwa 0,64 mm (0,025 Inch) reichen. Eine Höhe von etwa 0,25 mm (0,010 Inch) wird als ein bevorzugter Wert in dem dargestellten spezifischen Beispiel angesehen.
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Die Turbulatoren 100 sind voneinander in der Richtung des Kühlungsluftstroms über eine Strecke ”S” beabstandet, welche zur Anpassung an die spezifische Anwendung gewählt ist. Als eine Daumenregel kann der Abstand S etwa das acht- bis zehnfache der Höhe H sein.
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Gemäß Darstellung ist die Rückseite 104 im Wesentlichen über den Großteil ihrer Oberfläche eben und geneigt, sodass sie dem Turbulator 100 einen Einschlusswinkel φ verleiht. Der Winkel φ ist groß genug gewählt, sodass jeder Turbulator 100 eine vernünftige Gesamtlänge (d. h., in der Richtung des Kühlungsluftstroms) hat, jedoch nicht so groß, dass eine Stagnationszone während des Betriebs vorhanden ist. Beispielsweise kann der Winkel φ etwa 20° oder kleiner sein. Ein Winkel φ von etwa 7° wird als ein bevorzugter Wert für die Verhinderung einer Rezirkulation angesehen. Die Rückseite 104 jedes Turbulators 100 kann sich insgesamt bis zu dem Fuß der Vorderseite 102 des stromabwärts befindlichen Turbulators erstrecken, oder kann in einem kürzeren Abstand davor enden und einen offenen Abschnitt der unteren Wand 66 zwischen jedem Turbulator 100 hinterlassen.
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Der Turbulator 100 muss keine ebene Form haben; beispielsweise könnte die Rückseite in einer (nicht dargestellten) konvexen, flügelartigen Form, gekrümmt sein, um den Coanda-Effekt in der Strömung über dem Turbulator 100 zu maximieren und eine Strömungstrennung weiter zu unterbinden.
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In Betrieb tritt eine erhebliche Spülströmung relativ kühler Luft in dem sekundären Luftströmungspfad in Kontakt mit der Rückseite 56 des inneren Bandes 18 auf. Deren Geschwindigkeit ist primär tangential (d. h., in die oder aus der Seite in 1 und in der Richtung des Pfeils ”F” in 7). Die Turbulatoren 100 erzeugen eine Turbulenz, welche die Wärmeübertragung vergrößert, sobald Luft darüber streicht. Deren Fastback-Form verhindert eine Stagnation, Grenzschichttrennung und Staubaufbau zwischen den Turbulatoren 100.
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Die vorstehend beschriebenen ”Fastback”-Turbulatorstrukturen sind nicht nur in Turbinenleitapparaten einsetzbar, sondern auch für jede andere Struktur, die eine Wärmeübertragungsverbesserung benötigt, insbesondere in jeder Struktur, in welcher sonst herkömmliche Turbulatoren eingesetzt werden. Nicht einschränkende Beispiele derartiger Strukturen umfassen Gasturbinentriebwerks-Brennereinsätze, stationäre (d. h., Rahmen-)Strukturen, Turbinendeckbänder und Aufhängungen, Turbinenscheiben und Dichtungen und das Innere von stationären und rotierenden Triebwerksschaufelblättern wie z. B. Leitschaufeln und Laufschaufeln. Somit sollten die vorstehend beschriebenen Komponenten lediglich als ein Beispiel betrachtet werden, das eine Wärmeübertragungsstruktur mit einer einen Fluidstrom ausgesetzten Wand mit darin angeordneten Turbulatoren repräsentiert. Die Fastback-Turbulatoren können in den Gießvorgang einer Komponente mit einbezogen werden, können in eine existierende Oberfläche maschinell eingearbeitet werden oder können als getrennte Strukturen vorgesehen sein, welche dann an einer Oberfläche befestigt werden. Sie werden als besonders effektiv in Bereichen einer Hochgeschwindigkeitsströmung betrachtet und dort wo eine Drallströmung dominiert.
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Vorstehend wurden eine Fastback-Turbulatorstruktur und eine Taschengeometrie für ein Turbinenleitapparatband beschrieben. Obwohl spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, dürfte es für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen daran ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung ausgeführt werden können. Demzufolge werden die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und die Art der Praxisumsetzung der Erfindung nur für den Zweck der Darstellung und nicht für den Zweck der Einschränkung bereitgestellt.
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Eine Wärmeübertragungsvorrichtung enthält ein Element 18, das eine einer Fluidströmung in einer vorbestimmten Strömungsrichtung ausgesetzte Wand 66 definiert; und mehrere auf der Wand 66 angeordnete Turbulatoren 100. Jeder Turbulator 100 enthält eine hochstehende Vorderseite 102, welche im Wesentlichen gegen die Strömungsrichtung gerichtet ist, und eine Rückseite 104, welche eine rampenartige Form definiert, die sich von der Vorderseite 102 zu der Wand 66 hin verjüngt.
