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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die hierin beschriebene Erfindung betrifft Turbinenblätter und spezieller Schaufelblatthitzeschilde.
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Blätter (d.h. Leitschaufeln und Laufschaufeln) sind gewöhnlich in Heißgaspfaden von Gasturbinen angeordnet. Eine Laufschaufel, die auch als „Schaufel“ oder „Rotor“ bezeichnet sein kann, kann ein Blatt aufweisen, das an einem Laufrad, einer Scheibe oder einem Rotor befestigt ist, um eine Welle drehend anzutreiben. Eine Leitschaufel, die als ein „Leitapparat“ oder „Stator“ bezeichnet sein kann, kann ein Blatt aufweisen, das in einer Ummantelung eingebaut ist, die die Welle umgibt oder bedeckt, um die die Schaufel sich dreht. Typischerweise ist an einer speziellen Stelle entlang der Welle eine Reihe von Laufschaufeln um das Laufrad befestigt. Stromaufwärts (in Bezug auf eine allgemeine Strömungsrichtung) der Reihe von Laufschaufeln kann eine Reihe von Leitschaufeln angebracht sein, um z.B. den Wirkungsgrad eines Gasstroms zu verbessern. Leitschaufeln, auf die Laufschaufeln folgen, werden als eine Stufe der Gasturbine bezeichnet. Stufen in einem Verdichter verdichten Gas, das beispielsweise mit Brennstoff vermischt und gezündet wird, um einem Einlass der Gasturbine zugeführt zu werden. Die Gasturbine kann Stufen aufweisen, um dem gezündeten Gas und Brennstoff Energie zu entziehen. Das Hinzufügen des Brennstoffs zu dem verdichteten Gas kann einen Energiebeitrag in die Verbrennungsreaktion einbringen. Das Produkt dieser Verbrennungsreaktion strömt anschließend durch die Gasturbine. Um den durch die Verbrennung erzeugten hohen Temperaturen standzuhalten, müssen die Blätter in der Turbine gekühlt werden. Eine unzureichende Kühlung führt zu einer übermäßigen Belastung des Blatts, und mit der Zeit führt diese mechanische Spannung zu Materialermüdung und Ausfall des Blatts oder trägt dazu bei. Um einen durch Betriebstemperaturen verursachten Ausfall von Turbinenschaufeln in Gasturbinen zu verhindern, wurde bisher in Schaufelkonstruktionen Filmkühlung verwendet. Bei Filmkühlung wird Kühlluft aus der Verdichterstufe abgezapft, zu den inneren Kammern der Turbinenschaufeln geleitet und durch kleine Bohrungen in den Schaufelwänden ausgestoßen. Diese Luft erzeugt eine dünne, kühle, isolierende Schicht entlang der Außenfläche der Turbinenschaufel. Filmkühlung ist möglicherweise ineffizient, da sie dazu neigt, ungleichmäßig zu kühlen, weil die Filmtemperatur in der Nähe der Löcher wesentlich kühler ist als in größerer Entfernung von den Löchern. Dementsprechend besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Kühlung des Blatts.
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US 2 994 124 A beschreibt eine Hitzeschildeinrichtung für ein Turbinenschaufelblatt, das aus Cermet hergestellt ist, mit einer Nickelbeschichtung, die um das Schaufelblatt herum aufgebracht ist, und einer äußeren wärme- und oxidationsbeständigen Bahn, die über ein gewelltes Zwischenblech jeweils miteinander fest verbunden sind.
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US 2 914 300 A beschreibt Leitschaufelträger für Turbinen zur Halterung von Enden von Leitschaufeln an einem äußeren und einem inneren Gehäuse einer Turbomaschine. Die Leitschaufelträger umfassen ein eckiges Flanschelement mit einem Flanschschenkel zur Montage an dem äußeren oder inneren Turbinengehäuse und einem Tragabschnitt, der ein gewelltes Tragelement umgibt, das ein Leitschaufelende umgibt und aus einem dünnen federnden metallischen Material gebildet ist.
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DE 33 24 755 A1 beschreibt eine keramische Schaufelanordnung mit einem Basiselement, einem keramischen Schaufelelement, das auf das Basiselement aufgesteckt ist und dieses allseits umschließt, und einem nachgiebigen gewellten Trennelement, das zwischen dem Basiselement und dem keramischen Schaufelelement eingefügt ist und zur Aufnahme von mechanischen Spannungen in dem keramischen Schaufelelement während der aerodynamischen und thermischen Belastungen des Schaufelelementes dient.
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US 4 904 542 A beschreibt eine erosions- und korrosionsbeständige Beschichtung für Turbinenschaufeln, die aus mehreren abwechselnden Lagen von metallischen und keramischen Materialien gebildet ist.
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US 4 786 234 A beschreibt ein mehrstückiges Turbinenschaufelblatt mit einem zentralen Pfosten und mehreren an dem zentralen Pfosten angebrachten Seitenteilen, die Seiten des zentralen Pfostens bedecken, wobei zwischen dem zentralen Pfosten und den Seitenteilen Zwischenräume vorhanden sind, die eine relative Wärmeausdehnung zwischen den Teilen im Betrieb ermöglichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung ist eine Hitzeschildeinrichtung für ein Blatt geschaffen. Die Hitzeschildeinrichtung weist Ummantelungswände, die eingerichtet sind, um an einem Gehäuse einer Turbomaschine positioniert zu werden und von diesem entfernbar zu sein, und eine Wand auf, die zwischen den Ummantelungswänden angeordnet und mit den Ummantelungswänden integral ausgebildet ist. Die Wand enthält eine zu dem Blatt benachbarte Basisschicht und eine thermische Schicht, wobei die thermische Schicht zu einem Umriss des Blatts passt. Die Hitzeschildeinrichtung ist von dem Blatt verschieden und eingerichtet, um an dem Blatt austauschbar montiert zu werden. Die Hitzeschildeinrichtung ist gestaltet, um eine Anströmkante, einen überwiegenden Teil der Druckseite und einen Teil der Saugseite des Blattes zu bedecken.
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Diese und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.
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Figurenliste
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Der als die Erfindung erachtete behandelte Gegenstand, wird in den der Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten und sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich:
- 1 veranschaulicht ein Gasturbinensystem, in dem exemplarische Blatthitzeschilde verwendet werden können.
- 2 veranschaulicht die Turbine nach 1.
- 3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines exemplarischen Hitzeschilds.
- 4 veranschaulicht das Blatt von 2, das einen exemplarischen Hitzeschild aufweist.
- 5 veranschaulicht eine geschnittene Draufsicht eines Blattes, das einen exemplarischen Hitzeschild aufweist.
- 6 veranschaulicht eine geschnittene Draufsicht eines Blattes, das einen exemplarischen Hitzeschild in der Nähe des Blatts aufweist.
- 7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Hitzeschilds.
- 8 veranschaulicht die gewellte Schicht des Hitzeschilds isoliert.
- 9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Hitzeschilds, der eine Schwalbenschwanzbefestigungsanordnung aufweist.
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Die detaillierte Beschreibung erläutert anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt ein Gasturbinensystem 10, in dem exemplarische Blatthitzeschilde verwendet werden können. Die hierin beschriebenen exemplarischen Blatthitzeschilde sind mit Bezug auf eine Gasturbine erläutert. In weiteren Ausführungsbeispielen können die hierin beschriebenen Blatthitzeschilde in Verbindung mit sonstigen Systemen genutzt werden, in denen ein Hitzeschildschutz erwünscht ist, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Dampfturbinen und Verdichter. Das Gasturbinensystem 10 ist kreisförmig um eine Triebwerksmittellinie 12 angeordnet veranschaulicht. Das Gasturbinensystem 10 kann einen Verdichter 16, einen Verbrennungsabschnitt 18 und eine Turbine 20 aufweisen, die in serieller Strömungsbeziehung stehen. Der Verbrennungsabschnitt 18 und die Turbine 20 werden häufig als der heiße Abschnitt der Gasturbine 10 bezeichnet. Eine Laufradwelle 26 verbindet betriebsmäßig die Turbine 20 mit dem Verdichter 16. In dem Verbrennungsabschnitt 18 wird Brennstoff verbrannt, wobei ein Heißgasstrom 28 entsteht, der beispielsweise eine Temperatur im Bereich zwischen ungefähr 3000 bis ungefähr 3500 Grad Fahrenheit aufweisen kann. Der Heißgasstrom 28 wird durch die Turbine 20 geleitet, um das Gasturbinensystem 10 anzutreiben.
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2 veranschaulicht die Turbine 20 von 1. Die Turbine 20 kann eine Turbinenleitschaufel 30 und eine Turbinenlaufschaufel 32 aufweisen. Für die Leitschaufel 30 kann ein Blatt 34 verwendet werden, wobei das Blatt 34 in einem Abschnitt des Verdichters 16, in einem Abschnitt des Verbrennungsabschnitts 18 oder in einem Abschnitt der Turbine angeordnet sein kann. Die Leitschaufel 30 weist eine äußere Wand 36 (oder Anströmkante) auf, die dem Heißgasstrom 28 ausgesetzt ist. Die Turbinenleitschaufeln 30 können durch Luft gekühlt sein, die durch eine Ummantelung 38 der Maschine 10 hindurch von ein oder mehreren Stufen des Verdichters 16 abgezweigt wird. Darüber hinaus kann die äußere Wand 36 des Blatts 34 mit einem exemplarischen abnehmbaren Hitzeschild versehen sein, wie es im Folgenden beschrieben ist.
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3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines exemplarischen Hitzeschilds 100. In Ausführungsbeispielen kann der Hitzeschild 100 ein einzelnes integrales Teil sein, das dazu eingerichtet ist, wie im Vorausgehenden beschrieben, an dem Blatt 34 befestigt zu werden. Wie hierin eingehender erörtert, kann das als ein einzelnes integrales Teil beschriebene Hitzeschild auch eine mehrschichtige Konstruktion sein. Der Hitzeschild 100 kann auch an anderen Abschnitten des Gasturbinensystems 10 angebracht sein, die Wärmeschutz erfordern. In Ausführungsbeispielen ist der Hitzeschild 100 dazu eingerichtet, mit minimaler Ausfallzeit an dem Gasturbinensystem 10 angebracht bzw. von diesem entfernt zu werden, da der Hitzeschild ein modulares Teil des Blatts 34 ist, und er kann, wie es hierin beschrieben ist, entfernt werden. In Ausführungsbeispielen kann der Hitzeschild 100 reibschlüssig an dem Blatt befestigt sein. Dementsprechend weist der Hitzeschild 100 mehrere reibschlüssige Elemente auf. In Ausführungsbeispielen weist der Hitzeschild 100 (obere und untere) Ummantelungswände 105 auf, die dazu eingerichtet sind, mit der Ummantelung 38 des Gasturbinensystems 10 mechanisch in Eingriff zu kommen. Die Ummantelung 38 kann vielfältige Formen und Krümmungen aufweisen. Als solche können die Ummantelungswände 105 in Abhängigkeit von der Gestalt der Ummantelung 38 entsprechende Formen und Krümmungen aufweisen. Der Hitzeschild 100 kann ferner eine Wand 110 aufweisen, die zwischen den Ummantelungswänden 105 angeordnet ist. Die Wand 110 kann senkrecht zu den Ummantelungswänden 105 ausgerichtet sein. Außerdem weisen die Ummantelungswände 105 einen Ausschnitt 106 mit einer Krümmung auf, die zu einer Krümmung des Blatts 34 passt. Der Ausschnitt 106 passt außerdem zu einer Krümmung der Wand 110. In Ausführungsbeispielen weist die Wand 110 ferner eine Anströmkante 111 und eine Abströmkante 112 auf. Die Anströmkante 111 ist ein äußerer konvexer Abschnitt der Wand 110, der anfänglich den Heißgasstrom 28 unter unterschiedlichen Angriffswinkeln aufnimmt. Dem Fachmann ist klar, dass die Anströmkante 111 eine Anströmkante des Blatts 34 bedeckt.
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4 veranschaulicht das Blatt 34 von 2, das einen exemplarischen Hitzeschild 100 aufweist. Wie hierin beschrieben, ist der Hitzeschild 100 über Reibkräfte zwischen der Ummantelung 38 und den Ummantelungswänden 105 und zwischen dem Blatt 34 und der Wand 110 mechanisch an dem Blatt 34 befestigt. In weiteren Ausführungsbeispielen können mechanische Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, verwendet werden, um den Hitzeschild 100 an dem Blatt 34 zu befestigen. In Ausführungsbeispielen kann ferner ein oberer Verschluss 115 an einem Abschnitt der Ummantelung 38 befestigt sein. Der obere Verschluss 115 kann eine Reihe von Zinken 116 aufweisen, die benachbart zu dem Blatt 34 angeordnet sind. Der Hitzeschild 100 kann, wenn er an dem Blatt 34 angebracht wird, über den Zinken 116 befestigt werden, so dass dadurch die Reibkräfte zwischen dem Hitzeschild 100 und dem Blatt 34 erhöht werden. In Ausführungsbeispielen können mehrere sonstige reibschlüssige Flächen und Einrichtungen auf dem Blatt 34 und dem Hitzeschild vorhanden sein, um ein Anbringen und Abnehmen des Hitzeschilds 100 zu erleichtern. Beispielsweise kann eine Reihe passender Schwalbenschwänze auf dem Blatt 34 und dem Hitzeschild 100 angeordnet sein.
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Wie hierin erörtert, kann der Hitzeschild 100 in Verbrennungsintervallen vor Ort ausgetauscht werden. Der aufsteckbare Hitzeschild 100 bedeckt die Anströmkante der inneren Seitenwand und der äußeren Seitenwand des Blatts 34 sowie den überwiegenden Teil der Druckseite und bis zu der Stelle ausgeprägter Wölbung auf der Saugseite. Der Hitzeschild 100 kann mittels einer Kombination von Druckseitenabströmkantenzinken 116, die mit Ausnehmungen auf den Leitapparaten in Eingriff kommen, und Stiften, die an der Stelle ausgeprägter Wölbung der Saugseite angeordnet sind, fixiert sein. Obwohl jede Art positiver Halterungsvorrichtungen verwendet werden kann, kann die Reihe gekrümmter Schwalbenschwänze die innere Seitenwand und/oder die äußere Seitenwand des Blatts 34 bedecken. Das Blatt 34 kann dann zu einer passenden Reihe von Schwalbenschwänzen an dem Hitzeschild 100 passen. Die Schwalbenschwänze können in Richtung des Leitapparats gekrümmt sein, um das gleitende Aufstecken des austauschbaren Hitzeschilds 100 zu erlauben. Außerdem können Schrauben oberhalb einer Übergangsstückdichtung (die mit der Brennkammer 18 in Eingriff steht) auf der Anströmkante des Blatts 34 angeordnet sein. Folglich kann der Hitzeschild 100 zeitgleich in den Verbrennungsintervallen ausgetauscht werden, wenn das Übergangsstück der Brennkammer 18 und Brennkammerwände entfernt werden.
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5 veranschaulicht eine geschnittene Draufsicht eines Blattes 34, das einen exemplarischen Hitzeschild 100 aufweist. 6 veranschaulicht eine geschnittene Draufsicht eines Blattes 34, das einen exemplarischen Hitzeschild 100 in der Nähe des Blatts 34 aufweist. 5 und 6 veranschaulichen den Hitzeschild 100 mit einem Umriss, der zu dem Umriss des Blatts 34 passt. Wie zu sehen, kann das Blatt 34 herkömmliche Prallöffnungen 41 entlang des Blattes 34 aufweisen. Wie hierin erörtert, können die Prallöffnungen 41 für eine herkömmliche Aufprallkühlung des Hitzeschilds 100 ausgebildet sein. Das Blatt 34 kann ferner Spalte 42 aufweisen, die zwischen dem Blatt 34 und dem Hitzeschild 100 ausgebildet sind. Die Spalte 42 können Kühlluft aufnehmen, die mit Blick auf Filmkühlung zu den Prallöffnungen 41 strömt. Wie hierin eingehender beschrieben, weist der Hitzeschild 100 eine gewellte Schicht 101 auf, durch die die Kühlluft strömen kann. Das Blatt 34 kann ferner eine vertiefte Fläche 43 aufweisen. Die vertiefte Fläche 43 ermöglicht die Befestigung des Hitzeschilds 100 an dem Blatt 34. Weiter kann das Blatt 34 Abströmkantenkühlkanäle 44 aufweisen, die die Kühlluft aufnehmen. Wie hierin näher beschrieben, stellt ein Abschnitt der gewellten Fläche 101 des Hitzeschilds 100 Durchflusskanäle für die Abströmkantenkühlkanäle 44 bereit.
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In Ausführungsbeispielen weist der Hitzeschild 100 mehrere Schichten auf. Wie oben erörtert, weist der Hitzeschild 100 eine gewellte Schicht 101 auf, die eine Reihe von Luftkanälen entlang des Blattes 34 erzeugt, so dass dadurch mehrere Kühlluftströme für die Prallöffnungen 41 und die Kühlkanäle 44 bereitgestellt sind, wobei die Kühlluft in den Spalten 42 aufgenommen wird. Der Hitzeschild 100 kann ferner eine äußere (thermische) Schicht 103 aufweisen. Die äußere (thermische) Schicht 103 basiert auf einem Material mit thermischer Beständigkeit gegenüber dem Heißgasstrom (z.B. eine thermisch isolierende Keramikbeschichtung oder eine Wärmebarrierebeschichtung (TBC, Thermal Barrier Coating), die aufgesprüht oder, wie hierin näher erläutert, mittels einer Bindungsschicht befestigt sein kann. Die gewellte Schicht 101 erhält einen Abstand zwischen dem Leitapparat und dem Hitzeschild 100 aufrecht und verleiht dem Hitzeschild 100 sowie der Reihe von Kühlluftkanälen, wie hierin beschrieben, Steifigkeit.
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7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Hitzeschilds 100. 7 veranschaulicht das Blatt 34 in mechanischer Berührung mit der gewellten Schicht 101, die eine Basisschicht 102 aufweisen kann, die mit der gewellten Schicht 101 starr verbunden ist. In Ausführungsbeispielen kann die gewellte Schicht 101 und die Basisschicht 102 ein einzelnes integrales Teil sein. In Ausführungsbeispielen kann die Basisschicht 102 aus einer Hochtemperatursuperlegierung hergestellt sein, die dem Hitzeschild 100 strukturelle Festigkeit verleiht, und stellt sowohl ein Strömungsprofil als auch eine ebenmäßige nicht gewellte Oberfläche für eine anzubringende äußere (thermische) Schicht 103 bereit.
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7 veranschaulicht außerdem die (z.B. auf die TBC versprühte) äußere Schicht 103, die eine Bindemittelschicht 104 aufweisen kann, die zwischen der Basisschicht 102 und der äußeren (thermischen) Schicht 103 angeordnet ist.
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8 zeigt die gewellte Schicht 101 des Hitzeschilds 100 isoliert, um die Wellungslinien zu veranschaulichen. Für Zwecke der Veranschaulichung sind die Basisschicht 102 und die thermische (äußere) Schicht 103 nicht gezeigt. In Ausführungsbeispielen weist die gewellte Schicht 101 Wellungsabschnitte auf. Die Wellungsabschnitte können vielfältige Muster aufweisen. Falls beispielsweise Bereiche hoher struktureller Belastung an dem Hitzeschild 100 identifiziert sind, können Muster der Wellungslinien 107 dichter oder nahe beabstandet sein, während in Bereichen, die als geringere mechanische Spannung aufweisend identifiziert sind, kann die Dichte von Wellungslinien 107 geringer sein oder diese können weiter voneinander beabstandet angeordnet sein. Darüber hinaus ermöglicht eine geringere Dichte und eine größere Beabstandung von Wellungslinien 107 eine verbesserte Kühlung in dem Hitzeschild 100 und auf diese Weise in dem Blatt 34. In Ausführungsbeispielen sind die Prallöffnungen 41 orthogonal zu den Wellungslinien angeordnet. Eine erste Serie 108 und eine zweite Serie 109 von Wellungslinien sind dargestellt. Wie oben beschrieben, empfängt die erste Serie 108 von Wellungslinien einen Luftstrom für die Prallöffnungen 41, und die zweite Serie 109 von Wellungslinien empfängt den Luftstrom für die Abströmkantenkühlkanäle 44. In dem veranschaulichten Beispiel ist die erste Serie 108 senkrecht zu der zweiten Serie 109 ausgerichtet. In weiteren Ausführungsbeispielen kommen vielfältige anderer Konstruktionen von Wellungslinien und Serien von Wellungslinien in Betracht.
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9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Hitzeschilds 100 mit einer Schwalbenschwanzbefestigungsanordnung. Für Zwecke der Veranschaulichung sind lediglich die gewellte Schicht 101 und die Basisschicht 102 des Hitzeschilds 100 dargestellt. Obwohl jede Bauart positiver Halterungsvorrichtungen verwendet werden kann, können, wie hierin beschrieben, Schwalbenschwänze 113 die innere Seitenwand und/oder die äußere Seitenwand des Blatts 34 bedecken. Die Schwalbenschwänze 113 des Blatts 34 können an passende Hitzeschildschwalbenschwänze 117 auf dem Hitzeschild 100 angepasst sein. In Ausführungsbeispielen können die Hitzeschildschwalbenschwänze 117 auf der Basisschicht 102 benachbart zu Wellungen auf der gewellten Schicht 101 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Hitzeschildschwalbenschwänze 117 auf der gewellten Schicht 101 angeordnet sein.
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Technische Effekte beinhalten die rasche Vor-Ort-Reparatur der Blätter, die die hierin beschriebene Hitzeschilde verwenden. Eine solche Vor-Ort-Reparatur kann in Verbrennungsintervallen stattfinden. Ein Beispiel, in dem das exemplarische Hitzeschild verwendet werden kann, ist auf der Stufe Eins einer Gasturbine, die häufig als SIN bezeichnet wird. Die ersten Stufen der Gasturbinen konvergieren und beschleunigen den Strom hinter der Brennkammer sowie den Heißgasstrom, und im Ergebnis sind die Strömungen kegelig zulaufend; d.h., breiter an dem Einlass als an dem Auslass. Wie oben erläutert, kann der Hitzeschild die SIN auf der Anströmkante sowie einen überwiegenden Teil der Druckseite des Blatts bedecken, und er erstreckt sich bis zu einer Stelle starker Wölbung auf der Saugseite des Blatts. Die hierin beschriebenen Hitzeschilde in Verbindung mit der SIN ermöglichen, dass das SIN-System anstelle einer einteiligen Konstruktion, wie in herkömmlichen Systemen, ein modulares/austauschbares System ist. Wartungskosten sind auf diese Weise reduziert und die Lebensdauer des Leitapparats könnte steigen; wenn der Hitzeschild zu verschleißen beginnt, kann er entfernt und ausgetauscht werden.
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Darüber hinaus unterbricht die mehrschichtige Konstruktion des Hitzeschilds eine Verbindung zwischen dem Hochtemperaturabschnitt des Leitapparats und dem strukturellen/lasttragenden Abschnitt des Leitapparats. Wie oben beschrieben, weist die äußere Wand des Leitapparats ein Material hoher Temperaturfestigkeit auf, das anschließend an der gewellten Schicht befestigt wird, die dem Hitzeschild einen Luftstrom zuführt und ihm Festigkeit verleiht. Durch Unterbrechen der Verbindung zwischen dem Hochtemperaturabschnitt des Leitapparats und dem strukturellen/lasttragenden Abschnitt des Leitapparats wird die aufgrund von Temperaturgradienten vorhandene beträchtliche mechanische Spannung reduziert. Die mehrschichtige Konstruktion des Hitzeschilds fängt den Kühlluftstrom zwischen der Basisschicht und dem Blatt bzw. der Hochtemperaturwärmeübertragungsschicht ein. Dieses Verfahren zum Kühlen ist erheblich wirkungsvoller als Filmkühlung, da die Kühlluft zwischen den beiden Schichten eingeschlossen ist, anstatt mit der Heißgaspfadluft vermischt zu werden, die den Kühlwirkungsgrad verringert, wie es bei Filmkühlungsluft der Fall ist, während sie sich von dem Lochauslass stromabwärts bewegt. Die Verringerung von Kühlluft für die S1N kann genutzt werden, um die Verbrennungstemperatur bei gleicher Ausgangsleistung zu reduzieren, so dass dadurch die Entstehung von NOx reduziert ist, und der Wirkungsgrad der Gasturbine steigt. Die mehrschichtige Konstruktion des Hitzeschilds ermöglicht außerdem einen spannungsfreien Betrieb in dem Schaufelblatt und senkt die Grundmetalltemperaturen der strukturellen Leitapparatkomponenten beträchtlich, indem ein mäßiger Anstieg von dem Wärmeübertragungsschild hin zu dem Basismetall erlaubt ist, und indem die Kühlluft zwischen dem Hitzeschild und dem Basismetall gefangen ist. Dementsprechend ist für den Leitapparat weniger Kühlluft erforderlich, so dass dadurch der Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert und der NOx-Ausstoß verringert wird.
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Während die Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.
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Ausführungsbeispiele beinhalten einen mehrschichtigen, modularen und austauschbaren Hitzeschild 100 für Gasturbinen. Die Hitzeschildeinrichtung 100 kann eine Basisschicht 102, die benachbart zu einem Blatt 34 angeordnet ist, und eine thermische Schicht 103 aufweisen, die mit der Basisschicht 102 verbunden ist, wobei die Basisschicht 102 und die thermische Schicht 103 zu einem Umriss des Blatts 34 passen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbinensystem
- 12
- Triebwerksmittellinie
- 16
- Verdichter
- 18
- Verbrennungsabschnitt
- 20
- Turbine
- 26
- Laufradwelle
- 28
- Heißgasstrom
- 30
- Turbinenleitschaufel
- 32
- Turbinenlaufschaufel
- 34
- Blatt
- 36
- Äußere Wand
- 38
- Ummantelung
- 41
- Prallöffnungen
- 42
- Spalte
- 43
- Vertiefte Fläche
- 44
- Abströmkantenkühlkanäle
- 100
- Hitzeschild, Hitzeschildeinrichtung
- 101
- Gewellte Schicht
- 102
- Basisschicht
- 103
- Äußere (thermische) Schicht
- 104
- Bindemittelschicht
- 105
- Ummantelungswände
- 106
- Ausschnitt
- 107
- Wellungslinien
- 108
- Erste Serie
- 109
- Zweite Serie
- 110
- Wände
- 111
- Anströmkante
- 112
- Abströmkante
- 113
- Schwalbenschwänze
- 115
- Oberer Verschluss
- 116
- Zinken
- 117
- Hitzeschildschwalbenschwänze
