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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der
koreanische Patentanmeldung Nr. 10-2018-0044538 , eingereicht am 12. April 2018.
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HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
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Gebiet der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel einer Gasturbine. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine Turbinenschaufel, die eine Einsatzträgerstruktur besitzt, um einen Einsatz zu tragen, der verwendet wird, um einen Raum zur Aufprallkühlung an einer Innenfläche der Turbinenschaufel sicherzustellen, wobei die Turbinenschaufel und die Einsatzträgerstruktur als ein einheitlicher Körper gebildet sind, um die Herstellungskosten der Turbinenschaufel zu verringern und Schwingungen des Einsatzes zu minimieren.
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Beschreibung des technischen Hintergrunds
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Eine Turbine ist eine mechanische Vorrichtung, um ein Drehmoment aus ein Impulskraft oder einer Reaktionskraft, die durch einen Strom eines komprimierbaren Fluids wie z. B. eines Gases erzeugt wird, zu erhalten. Die Turbine wird in eine Dampfturbine unter Verwendung von Dampf als das komprimierbare Fluid einer Gasturbine unter Verwendung eines heißen Verbrennungsgases als das komprimierbare Fluid kategorisiert.
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Die Gasturbine ist hauptsächlich aus einem Kompressorabschnitt, einem Verbrennungsvorrichtungsabschnitt und einem Turbinenabschnitt gebildet. Der Kompressorabschnitt enthält ein Kompressorgehäuse mit einem Lufteingang, durch den Luft in das Kompressorgehäuse eingeleitet wird. Im Kompressorgehäuse sind mehrere Kompressorschaufeln und mehrere Kompressorflügel abwechselnd angeordnet. Die Luft, die von außerhalb eingeleitet wird, wird jedes Mal, wenn die Luft einige Stufen rotierender Turbinenflügel durchläuft, auf einen höheren Druck komprimiert, bis sie einen Solldruck erreicht.
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Der Verbrennungsvorrichtungsabschnitt führt der komprimierten Luft, die durch den Kompressorabschnitt erzeugt wird, Brennstoff zu und zündet das Brennstoff/Luft-Gemisch mit einem Brenner, um Hochdruck-Heißverbrennungsgas herzustellen.
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Der Turbinenabschnitt enthält ein Turbinengehäuse, in dem mehrere Turbinenschaufeln und mehrere Turbinenflügel abwechselnd angeordnet sind. Ein Rotor erstreckt sich durch die Mitten des Kompressorabschnitts, des Verbrennungsvorrichtungsabschnitts, des Turbinenabschnitts und einer Abgaskammer.
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Der Rotor wird durch Lager bei seinen jeweiligen Axialenden drehbar getragen. Mehrere Scheiben sind derart am Rotor befestigt, dass mehrere Flügel verbunden sind. Ein Ende des Rotors, das sich auf der Seite der Abgaskammer befindet, ist mit einer Antriebswelle eines elektrischen Generators oder dergleichen verbunden.
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Die Gasturbine enthält keinen Hin- und Herbewegungsmechanismus wie z. B. einen Kolben, der normalerweise in einer typischen Viertaktkraftmaschine vorhanden ist. Deshalb besitzt die Gasturbine keine Teile mit gegenseitiger Reibung wie z. B. einen Kolben/Zylinder-Teil, wodurch sie eine extrem kleine Menge Schmieröl verbraucht und einen Betriebsbewegungsbereich verringert wird, was in einer Hochgeschwindigkeitsfunktionsfähigkeit resultiert.
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Während des Betriebs der Gastrubine wird Luft zunächst durch einen Kompressor komprimiert und anschließend wird die komprimierte Luft mit Brennstoff gemischt. Dann wird das Brennstoff/LuftGemisch verbrannt, um eine Heißverbrennungsgas herzustellen, und das Heißverbrennungsgas wird zur Turbine ausgestoßen. Das ausgestoßene Heißverbrennungsgas erzeugt eine Drehkraft, indem es die Turbinenschaufeln und die Turbinenflügel durchläuft und dabei den Rotor erzeugt.
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Es liegen verschiedene Faktoren vor, die sich auf den Wirkungsgrad der Gasturbine auswirken. Die letzte Entwicklung im Feld von Gasturbinen ist in verschiedenen Aspekten fortgeschritten, z. B. einer Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads der Verbrennungsvorrichtung, einer Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads durch die Erhöhung einer Turbineneingangstemperatur und einer Verbesserung des aerodynamischen Wirkungsgrads des Kompressors und der Turbine.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Industrielle Gastrubinen zur Leistungserzeugung können gemäß der Turbineneingangstemperatur (TIT) in verschiedene Klassen klassifiziert werden. Gegenwärtig sind Turbinen der Klassen G und H im Feld der Gasturbine dominant. Jüngst wurde festgestellt, dass einige Gasturbinen die Klasse J erreichen. Je höher die Klasse der Gasturbine ist, desto höher ist der Turbinenwirkungsgrad und die Turbineneingangstemperatur. Für eine Gasturbine der Klasse H sind die Entwicklung eines wärmebeständigen Materials und die Entwicklung einer Kühltechnik erforderlich, weil die Gasturbine der Klasse H die Turbineneingangstemperatur 1500 °C besitzt.
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Ein wärmebeständiger Entwurf ist über alle Teile der Gasturbine erforderlich, insbesondere in einer Verbrennungsvorrichtung und einer Turbine, in der ein Heißverbrennungsgas erzeugt wird und strömt. Ein Verfahren des Kühlens der Gasturbine ist ein Luftkühlungsverfahren, in dem komprimierte Luft, die durch den Kompressor erzeugt wird, verwendet wird. Insbesondere schwierig ist es, durch die komplexe Struktur der Turbine, in der über einige Stufen Turbinenschaufeln fest zwischen sich drehenden Turbinenflügeln angeordnet sind, eine Kühlstruktur zur Turbinenkühlung zu entwerfen.
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Im Falle von Turbinenschaufeln sind mehrere Kühllöcher und mehrere Kühlschlitze gebildet, um die Turbinenschaufeln vor einer thermischen Belastungsumgebung, die dem Heißverbrennungsgas zugeschrieben werden kann, zu schützen. Turbinenschaufelkühlverfahren werden in eine Aufprallkühlung und eine Filmkühlung grob kategorisiert. Die Aufprallkühlung ist ein Vorgang, in dem komprimierte Hochdruckluft direkt mit der Oberfläche eines heißen Elements kollidiert, um eine Kühlung zu bewirken, und Filmkühlung bildet eine dünne Luftschicht mit einer sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche eines Elements, das einer Hochtemperaturumgebung ausgesetzt ist, wodurch eine Kühlung bewirkt wird und eine Wärmeübertragung von der Hochtemperaturumgebung unterdrückt wird. Die Turbinenschaufel wird einer kombinierten Kühlung unterworfen, in der die Aufprallkühlung an der Innenfläche der Turbinenschaufel durchgeführt wird und die Filmkühlung an der Außenfläche der Turbinenschaufel durchgeführt wird, entlang der ein Heißverbrennungsgas strömt. Die kombinierte Kühlung schützt die Turbinenschaufel in der Hochtemperaturumgebung.
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Um die Aufprallkühlung an der Innenfläche der Turbinenschaufel zu bewirken, müssen ein Hohlraum, in dem die komprimierte Luft strömt, und die Innenfläche der Turbinenschaufel durch einen vorgegebenen Abstand beabstandet sein. Das bedeutet, dass einen Innenwand, die als eine Abtrennung zwischen dem Hohlraum und der Innenfläche der Turbinenschaufel dient, gebildet ist. Die Innenwand ist mit mehreren Aufprallkühlungslöchern versehen, die die Form von Durchgangslöchem besitzen. Deshalb wird komprimierte Luft im Hohlraum zur Innenfläche der Turbinenschaufel eingespeist.
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In vielen Fällen wird ein getrennter Einsatz in eine gegossenen Turbinenschaufel eingesetzt und an der Innenfläche der Turbinenschaufel verankert, um die Innenwand zu bilden. In diesem Fall ist ein Träger zum Verankern des Einsatzes, der von der Innenflächen der Turbinenschaufel beabstandet sein soll, mittels Schweißens oder dergleichen an der Oberfläche des Einsatzes angebracht. Allerdings hat ein Anbringen einer großen Anzahl von Trägern den Einsatzherstellungsvorgang schwierig gemacht. Mit anderen Worten ist die Arbeit des Anbringens zahlreicher Träger mittels Schweißens problematisch und verursacht wahrscheinlich Fehler. Insbesondere wenn der Abstand zwischen der Innenfläche der Turbinenschaufel und dem Einsatz sich allmählich in einer Radialrichtung ändert, müssen die Einsätze derart entworfen werden, dass sie verschiedene Höhen besitzen, und jeder der Einsätze muss genau positioniert werden. Deshalb ist es schwierig, die Turbinenschaufel mit der herkömmlichen Herstellungstechnik herzustellen.
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Dementsprechend wurde die vorliegende Offenbarung im Hinblick auf die Probleme, die im Stand der Technik auftreten, gestaltet und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist, ein Verfahren zum Verbessern der Herstellungseffizienz und zum Verringern der Herstellungskosten einer Turbine durch Modifizieren der grundlegen Struktur einer Einsatzverankerungsstruktur zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Turbinenschaufel bereitgestellt, die ein Turbinenschaufelblatt besitzt, das von einer Plattform zu einer Stirnwand verläuft und einen schaufelblattförmigen Querschnitt besitzt, der einen Anströmkante, eine Abströmkante und eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, die jeweils von der Anströmkante zur Abströmkante verlaufen, wobei mehrere Hohlräume, die durch mehrere Stege, die von der Druckseite zur Saugseite verlaufen, definiert sind, im Turbinenschaufelblatt gebildet sind, mindestens einer der Hohlräume mit mehrere Einsatzträgern, die von einer Innenfläche des Turbinenschaufelblatts nach innen vorstehen, versehen ist und die Einsatzträger in einer Umfangsrichtung des Hohlraums angeordnet sind und in mehreren Reihen, die in einer Radialrichtung angeordnet sind, angeordnet sind.
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Vorzugsweise kann die Anzahl von Einsatzträgern, die in Intervallen entlang des Umfangs des Hohlraums angeordnet sind, drei oder vier sein.
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Vorzugsweise kann der Einsatzträger an einer Grenze zwischen einer Druckseite und einer Saugseite der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts, einer Grenze zwischen der Druckseite und dem Steg oder einer Grenze zwischen der Saugseite und dem Steg angeordnet sein.
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In einer Querschnittsansicht, die die Radialrichtung überspannt, besitzen die Einsatzträger, die auf der Druckseite und der Saugseite der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts vorgesehen sind, eine rechteckige Form und der Einsatzträger, der an der Grenze zwischen der Druckseite und dem Steg oder der Grenze zwischen der Saugseite und dem Steg vorgesehen ist, besitzt eine dreieckige Form.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können zwei der Einsatzträger auf der Druckseite bzw. der Saugseite der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts bereitgestellt werden und einer der Einsatzträger kann an der Grenze zwischen der Druckseite und dem Steg oder der Grenze zwischen der Saugseite und dem Steg bereitgestellt werden, derart, dass in der Querschnittsansicht, die die Radialrichtung überspannt, eine Dreipunkttragstruktur konfiguriert ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können zwei der Einsatzträger auf der Druckseite bzw. der Saugseite der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts angeordnet sein und zwei der Einsatzträger können an der Grenze zwischen der Druckseite und dem Steg bzw. der Grenze zwischen der Saugseite und dem Steg angeordnet sein, derart, dass in der Querschnittsansicht, die die Radialrichtung überspannt, eine Vierpunkttragstruktur konfiguriert ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können die mehreren Einsatzträger derart angeordnet sein, dass die Höhen der Einsatzträger in der Umfangsrichtung der Radialrichtung, in der Reihen der Einsatzträger angeordnet sind, abwechseln.
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In der Ausführungsform können zwei der Einsatzträger auf der Druckseite bzw. der Saugseite der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts angeordnet sein und einer der Einsatzträger kann an der Grenze zwischen der Druckseite und dem Steg oder der Grenze zwischen der Saugseite und dem Steg angeordnet sein, derart, dass eine Dreipunkttragstruktur gebildet wird, in der drei Tragpunkte in zwei aufeinanderfolgenden Reihen in der Querschnittsansicht, die die Radialrichtung überspannt, angeordnet sind.
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Zusätzlich können zwei der Einsatzträger auf der Druckseite bzw. der Saugseite der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts angeordnet sein und zwei der Einsatzträger können an der Grenze zwischen der Druckseite und dem Steg bzw. der Grenze zwischen der Saugseite und dem Steg angeordnet sein, derart, dass eine Vierpunkttragstruktur gebildet wird, in der vier Tragpunkte in zwei aufeinanderfolgenden Reihen in der Querschnittsansicht, die die Radialrichtung überspannt, angeordnet sind.
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Die mehreren Einsatzträger, die in Reihen angeordnet sind, die in der Radialrichtung des Hohlraums angeordnet sind, können eine geradlinige Änderung ihrer Höhen zeigen.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Ausführungsform wird eine Turbinenschaufelanordnung bereitgestellt, die die Turbinenschaufel, die wie oben beschrieben strukturiert ist, und einen Einsatz in Rohrbauweise, der durch die Einsatzträger getragen wird und mit mehreren Durchgangslöchern, die in seiner Oberfläche gebildet sind, versehen ist, enthält.
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In einer Querschnittsansicht, die die Radialrichtung überspannt, besitzt der Einsatz eine Querschnittsform, die einer Querschnittsform des Hohlraums ähnlich ist, was in einer Struktur resultiert, in der ein ringförmiger Raum, der zwischen der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts und dem Hohlraum gebildet ist, eine einheitliche Breite besitzt.
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Die Einsatzträger, die in den Reihen angeordnet sind, die in der Radialrichtung des Hohlraums angeordnet sind, können derart gebildet sein, dass die Höhen der Einsatzträger eine geradlinige Änderung zeigen, die bei einem Einsatzeingang beginnt.
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Da die Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Offenbarung derart gebildet ist, dass der Einsatzträger mit dem Hauptkörper der Turbinenschaufel, der durch einen Gussprozess hergestellt wird, integriert ist, wird das Herstellen der Turbinenschaufel abgeschlossen, in dem einfach der Einsatz ins Innere des Hauptkörpers der Turbinenschaufel eingesetzt wird, ohne einen zusätzlichen ungeeigneten Vorgang zu verwenden. Deshalb werden die Herstellungskosten der Turbinenschaufel stark verringert.
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Zusätzlich können beim Entwerfen der Form der Einsatzträger, die mit dem Hauptkörper der Turbinenschaufel durch einen Gussvorgang einteilig gebildet werden sollen, die Positionen und Höhen der Einsatzträger optimal bestimmt werden. Deshalb ist es möglich, Fehler zu vermeiden, die wahrscheinlich verursacht werden, wenn in einer herkömmlichen Turbinenschaufel ein Einsatzträger an einen Einsatz geschweißt wird, und einfach den Spalt zwischen der Turbinenschaufel und dem Einsatz zu definieren.
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Zusätzlich weist der Einsatzträger den Vorteil auf, Schwingungen des Einsatzes wirksam zu unterdrücken, weil der Einsatzträger ein stabiler Dreipunkt- oder Vierpunktträger ist.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht;
- 2 ist eine Querschnittsansicht eines Hohlraums einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, der aus einer Radialrichtung betrachtet wird;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hohlraum von 2, der in einer Diagonalrichtung betrachtet wird, veranschaulicht;
- 4A und 4B sind Diagramme, die einen Gussvorgang zum Herstellen einer Turbinenschaufel schematisch veranschaulichen;
- 5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem ein Einsatz mi einem Hauptkörper der Turbinenschaufel von 2 kombiniert wird; und
- 6 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand veranschaulicht, in dem der Einsatz mi dem Hauptkörper der Turbinenschaufel von 2, die aus einer Radialrichtung betrachtet wird, kombiniert wird.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Offenbarung kann in vielen Formen verkörpert werden und verschiedene Ausführungsformen besitzen. Somit werden bestimmte Ausführungsformen unten genau dargestellt und beschrieben. Während bestimmte Ausführungsformen der Offenbarung hier unten beschrieben werden, dienen sie lediglich veranschaulichenden Zwecken und sollen nicht die vorliegende Offenbarung einschränkend ausgelegt werden. Somit soll die vorliegende Offenbarung derart ausgelegt werden, dass sie nicht nur die bestimmten Ausführungsformen abdeckt, sondern auch alle Änderungen, Entsprechungen und Ersetzungen, die in den Geist und technischen Geist der vorliegenden Offenbarung fallen, abdeckt. Die hier verwendetet Terminologie dient lediglich zum Zwecke des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und ist nicht dazu bestimmt, die Offenbarung einzuschränken. Wie hier verwendet sind die Singularformen „einer“, „eine“, „eines“ und „der“, „die“, „das“ dazu bestimmt, auch die Pluralformen zu enthalten, sofern nicht der Kontext klar etwas anderes anzeigt. Es versteht sich, dass die Begriffe „umfassen“, „enthalten“ oder „haben“, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Bereiche, Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Bereiche, Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente Komponenten und/oder Kombinationen davon ausschließen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genau beschrieben. Überall in den Zeichnungen werden die im Wesentlichen gleichen Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet. Beim Beschreiben von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden bekannte Funktionen oder Konstruktionen nicht genau beschrieben, wenn bestimmt wird, dass sie den Geist der vorliegenden Offenbarung verschleiern können. Ferner werden in den begleitenden Zeichnungen einige Komponenten nicht dargestellt, werden schematisch dargestellt oder werde auf übertriebene Weise dargestellt.
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1 veranschaulicht eine beispielhafte Gasturbine 100, auf die eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewandt wird. Die Gasturbine 100 enthält ein Gehäuse 102 und ein Diffusor 106, über den ein Verbrennungsgas ausgestoßen wird, ist auf einer Rückseite des Gehäuses 102 vorgesehen. Eine Verbrennungsvorrichtung 104, die komprimierte Luft verbrennt, ist vor dem Diffusor 106 vorgesehen.
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Hinsichtlich einer Luftdurchflussrichtung ist ein Kompressorabschnitt 110 auf einer stromaufwärts gelegenen Seite des Gehäuses 102 vorgesehen und ein Turbinenabschnitt 120 ist auf einer stromabwärts gelegenen Seite des Gehäuses 100 vorgesehen. Ein Drehmomentrohr, das als ein Drehmomentübertragungselement zum Übertragen des Drehmoments, das im Turbinenabschnitt erzeugt wird, zum Kompressorabschnitt dient, ist zwischen dem Kompressorabschnitt 110 und dem Turbinenabschnitt 120 vorgesehen.
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Der Kompressorabschnitt 110 ist mit mehreren (zum Beispiel 14) Kompressorrotorscheiben 140 versehen und jede Rotorscheibe 140 ist durch eine Zugstange 150 derart befestigt, dass sie in der Axialrichtung der Zugstange 150 nicht voneinander getrennt sind.
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Insbesondere sind die Kompressorrotorscheiben 140 in der Axialrichtung in einem Zustand angeordnet, in dem die Zugstange 150 durch die Mittenlöcher der Kompressorrotorscheiben verläuft. Hier ist jede der benachbarten Kompressorrotorscheiben 140 derart angeordnet, dass die gegenüberliegenden Oberflächen der benachbarten Kompressorrotorscheiben in engem Kontakt miteinander sind, indem sie durch die Zugstange 150 gedrückt werden. Die Kompressorrotorscheiben 140 können sich aufgrund dieser Anordnung nicht drehen.
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Mehrere Flügel 144 sind radial an die Außenumfangsfläche jeder der Kompressorrotorscheibe 140 gekoppelt. Jeder der Flügel 144 besitzt ein Wurzelelement 146 derart, dass die Flügel 144 an die Kompressorrotorscheibe 140 gekoppelt sind.
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Schaufeln (nicht gezeigt), die an der Innenfläche des Gehäuses befestigt sind, sind zwischen sämtlichen Rotorscheiben 140 positioniert. Die Schaufeln drehen sich nicht, da die Schaufeln im Gegensatz zu den Rotorscheiben fest sind. Die Schaufeln richten den Strom der komprimierten Luft, die durch die Flügel einer stromaufwärts liegenden Kompressorrotorscheibe verläuft, aus, um die Luft zu den Flügeln einer stromabwärts liegenden Kompressorrotorscheibe zu leiten.
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Es liegen zwei Kopplungstypen für das Wurzelelement 146 vor, nämlich tangential und axial. Einer der Kopplungstypen wird gemäß der Struktur der Gasturbine 100 gewählt. Das Wurzelelement besitzt eine Schwalbenschwanzstruktur oder eine Tannenbaumstruktur. In einigen Fällen können die Flügel 144 mittels verschiedener Typen von Kopplungselementen wie z. B. eines Keils oder eines Bolzens an die Rotorscheibe gekoppelt werden.
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Die Schubstange 150 ist derart installiert, dass sie durch die Zentren der mehreren Kompressorrotorscheiben 140 verläuft. Zusätzlich ist ein Ende der Schubstange 150 in der am weitesten stromaufwärts liegenden Kompressorrotorscheibe befestigt und das andere Ende ist im Drehmomentrohr befestigt.
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Die Form der Schubstange 150 variiert gemäß dem Typ der Gasturbine. Deshalb ist festzuhalten, dass die Form der Schubstange 150 nicht auf das Beispiel, das in 1 dargestellt ist, beschränkt ist. Zum Beispiel existiert ein Einzeltyp, bei dem eine einzelne Schubstange durch die Mitten aller Rotorscheiben verläuft. Alternativ existiert ein Mehrfachtyp, bei dem mehrere Schubstangen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind. Ferner alternativ ist auch ein komplexer Typ möglich, bei dem der Einzeltyp und der Mehrfachtyp kombiniert werden.
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Obwohl er in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, ist ein Entwirbler in der nächsten Stufe des Diffusors des Kompressors der Gasturbine installiert. Der Entwirbler ist eine Leitschaufel, die konfiguriert ist, einen tatsächlichen Einströmwinkel eines Fluids (z. B. komprimierte Hochdruckluft, die durch den Kompressor erzeugt wurde), das in einen Eingang der Verbrennungsvorrichtung eintritt, derart zu steuern, dass der tatsächliche Einströmwinkel mit dem entworfenen Einströmwinkel übereinstimmt.
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Die Verbrennungsvorrichtung 104 mischt die eingeleitete komprimierte Luft mit Brennstoff, verbrennt das Brennstoff/Luft-Gemisch, um ein Heißhochdruckverbrennungsgas herzustellen, und erhöht die Temperatur des Heißhochdruckverbrennungsgases über einen isobaren Verbrennungsvorgang auf die Wärmebeständigkeitstemperaturen von Teilen der Verbrennungsvorrichtung der der Turbine.
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Mehrere Verbrennungsvorrichtungen, die ein Verbrennungssystem der Gasturbine bilden, sind in den Zellen eines Gehäuses angeordnet. Jede Verbrennungsvorrichtung enthält einen Brenner, der eine Brennstoffeinspritzdüse und dergleichen besitzt, eine Verbrennungsvorrichtungsauskleidung, die eine Brennkammer definiert, und ein Übergangsstück, das als ein Verbinder zwischen der Verbrennungsvorrichtung und der Turbine dient.
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Insbesondere die Auskleidung stellt eine Verbrennungszone bereit, in der der Brennstoff, der über die Brennstoffeinspritzdüse eingespritzt wird, und die komprimiert Luft, die vom Kompressor zugeführt wird, gemischt und verbrannt werden. Die Auskleidung enthält ein Flammrohr, das die Verbrennungszone liefert, in der das Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt wird, und eine Strömungshülse, die das Flammrohr umgibt, um einen ringförmigen Raum zwischen der Strömungshülse und dem Flammrohr bereitzustellen. Eine Brennstoffdüse ist an eine Stirnseite der Auskleidung gekoppelt und eine Funkenzündkerze ist mit der Flankenfläche der Auskleidung gekoppelt.
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Das Übergangsstück ist mit der Rückseite der Auskleidung verbunden, um das Verbrennungsgas zur Turbine zu liefern. Das Übergangsstück ist derart konfiguriert, dass seine Außenwandfläche durch die komprimierte Luft, die vom Kompressor zugeführt wird, gekühlt wird. Deshalb ist es möglich, zu verhindern, dass das Übergangsstück beschädigt wird.
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Zu diesem Zweck ist das Übergangsstück mit Kühllöchern versehen, durch die die komprimierte Luft in das Übergangsstück geblasen wird. Die komprimierte Luft kühlt den Innenraum des Hauptkörpers des Übergangsstücks und strömt dann zur Auskleidungsseite.
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Kühlluft, die verwendet wird, um das Übergangsstück zu kühlen, strömt über den Ringraum der Auskleidung. Die Auskleidung ist derart konfiguriert, dass Kühlluft, die über die Kühllöcher, die in der Strömungshülse gebildet sind, extern in den ringförmigen Raum eingeleitet wird, auf die Außenwand der Auskleidung prallt.
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Das Heißhochdruckverbrennungsgas, das aus der Verbrennungsvorrichtung ausgestoßen wird, wird in den Turbinenabschnitt 120 eingeleitet. Im Turbinenabschnitt dehnt sich das zugeführte Hochdruckverbrennungsgas aus und teilt den Turbinenflügeln der Turbine eine Reaktionskraft oder einen Impulskraft mit, um ein Drehmoment zu erzeugen. Ein Teil des Drehmoments wird mittels des oben beschriebenen Drehmomentrohrs zum Kompressor 200 und dem weiteren Teil übertragen, wo die überschüssige Leistung verwendet wird, einen elektrischen Generator oder dergleichen anzutreiben.
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Der Turbinenabschnitt ist strukturell im Wesentlichen ähnlich dem Kompressorabschnitt. Das bedeutet, dass der Turbinenabschnitt 120 mit mehreren Turbinenrotorscheiben 180 versehen ist, die den Kompressorrotorscheiben 140 des Kompressorabschnitts 110 ähnlich sind. Die Turbinenrotorscheibe 180 enthält mehrere Turbinenflügel 184, die radial an der Außenfläche der Turbinenrotorscheibe 180 angeordnet sind. Die Turbinenflügel 184 sind in einer Schwalbenschwanzkopplungsweise an die Turbinenrotorscheibe 180 gekoppelt. Zusätzlich sind Schaufeln (die nicht gezeigt sind), die am Gehäuse befestigt sind, zwischen den Flügeln 184 der Turbinenrotorscheibe 180 vorgesehen, um die Richtung der Strömung des Verbrennungsgases, das durch die Flügel verläuft, zu steuern.
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2 ist eine Querschnittsansicht des Hohlraums 332 der Turbinenschaufel 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, aus einer Radialrichtung betrachtet, und 3 ist eine perspektivische Ansicht des Hohlraums 332 von 2, schräg betrachtet. Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genau beschrieben.
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Die Turbinenschaufel 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält ein Turbinenschaufelblatt 310, das von einer Plattform 320 zu einer Stirnwand 322 verläuft (siehe 6). Das Turbinenschaufelblatt 310 besitzt einen schaufelblattförmigen Querschnitt, der einen Anströmkante 311, eine Abströmkante 312, eine Druckseite 313 und eine Saugseite 314 besitzt. Die Druckseite 313 und die Saugseite 314 sind derart gebildet, dass sie von der Anströmkante 311 zur Abströmkante 312 verlaufen. Im Turbinenschaufelblatt 310 sind die mehreren Hohlräume 332 durch mehrere Stege 330 definiert, die von der Druckseite 313 zur Saugseite 314 verlaufen. Jeder der Hohlräume 332 ist mit mehreren Einsatzträgern 334, die von der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts 310 nach innen vorstehen, versehen.
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Die mehreren Einsatzträger 334 sind in Intervallen in einer Umfangsrichtung des Hohlraums 332 angeordnet und sind in mehreren Reihen in Intervallen in einer Radialrichtung angeordnet. 5 veranschaulicht einen Zustand, in dem ein kuchenförmiger Einsatz 400 in die Turbinenschaufel 300 eingesetzt wird. Die kombinierte Struktur der Turbinenschaufel 300 und des Einsatzes 400 wird als Turbinenschaufelanordnung bezeichnet. Der Einsatz 400 ist in Kontakt mit den mehreren Einsatzträgern 334, die in jedem Hohlraum 332 vorgesehen sind, und wird durch diese getragen.
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Die Turbinenschaufelanordnung der vorliegen Offenbarung besitzt die mehreren Hohlräume 332, die durch die mehreren Stege 330, die von der Druckseite 313 zur Saugseite 314 verlaufen, definiert sind. Die Stege 330 sind abwechselnd mit der Plattform 320 und der Stirnwand 322 gekoppelt, um einen sich schlängelnden Strömungsweg zu bilden, in dem die Strömungsrichtung der komprimierten Luft, die in der Radialrichtung des Turbinenschaufelblatts 310 strömt, mehrfach umgekehrt wird.
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Wie oben beschrieben dient der Einsatz 400 als eine Innenwandfläche zur Aufprallkühlung in der Turbinenschaufel 300 und ist in Form eines Rohres gebildet, das mehrere Durchgangslöcher besitzt, die derart gebildet sind, dass sie durch die Rohrwand verlaufen. In einer Querschnittsansicht des Turbinenschaufelblatts 310, in einer Richtung betrachtet, die die Radialrichtung überspannt, besitzt der Einsatz 400 eine Querschnittsform, die der Querschnittsform des Hohlraums 332 ähnlich ist. Ein ringförmiger Raum, der zwischen der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts 310 und dem Hohlraum 332 gebildet ist, besitzt eine einheitliche Breite, wodurch er eine einheitliche Kollisionskühlungswirkung über die gesamte Innenfläche des Turbinenschaufelblatts erzielt.
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Im Folgenden wird die Struktur des Einsatzträgers 334, der den Einsatz 400 stabil tragen kann und zum Herstellen eines einheitlichen Körpers des Einsatzes 400 und der Turbinenschaufel 300 über einen Gussvorgang geeignet ist, genau beschrieben. Hier ist ein Teil der Hohlräume, die in der Turbinenschaufel 300 gebildet sind, nicht mit dem Einsatz 400 versehen. Zum Beispiel ist, da der Hohlraum 332, der am nächsten zur Abströmkante 312 liegt, schmal ist, der Einsatz 400 in diesem Hohlraum nicht vorgesehen. Das bedeutet, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Turbinenschaufel 300, in der alle Hohlräume mit den Einsätzen 400 versehen sind, beschränkt ausgelegt werden soll.
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Vorzugsweise ist die Anzahl von Einsatzträgern 334, die in Intervallen entlang der Umfangsfläche des Hohlraums 332 angeordnet sind, drei oder vier. Somit ist die Anzahl von Reihen der Einsatzträger 334, die in der Radialrichtung angeordnet sind, auch drei oder vier. Der Grund, warum die Anzahl von Einsatzträgern 334 auf drei oder vier gesetzt ist, ist, eine Dreipunkt- oder Vierpunkttragstruktur zu erreichen, die eine stabile Tragstruktur ist. Wenn die Anzahl von Einsatzträgern 334 größer als 4 ist, können einige überschüssige Einsatzträger 334 aufgrund der Toleranz einer gegossenen Struktur nicht zum Tragen des Einsatzes 400 beitragen, sondern als Hindernisse dienen, wenn der Einsatz 400 in den Hohlraum der Turbinenschaufel eingesetzt ist. Das bedeutet, die Beschränkung der Anzahl von Einsatzträgern dient dazu, ein derartiges Störungsproblem zu verhindern und Nachverarbeitungsschritte zu minimieren.
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Insbesondere befinden sich die Einsatzträger 334 an der Grenze zwischen der Druckseite 313 und der Saugseite 314 der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts 310, der Grenze zwischen der Druckseite 313 und dem Steg 330 oder der Grenze zwischen der Saugseite 314 und dem Steg 330. Die Positionen der Einsatzträger werden bestimmt, während der Gussvorgang der Turbinenschaufel 300 berücksichtigt wird und werden unter Bezugnahme auf 4(a) und 4(b) beschrieben.
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Wenn die Turbinenschaufel 300 über einen Gussvorgang hergestellt wird, sind ein oder mehrere Kerne erforderlich, um mindestens zwei Formen und Hohlräume 332 zu bilden, wobei die Anzahl Kerne gleich der Anzahl Hohlräume ist. Die Form der Turbinenschaufel 300 wird typischerweise derart entworfen, dass die Trennlinien PL bei der Anströmkante 311 und der Abströmkante 312 vorgesehen sind, weil ein Faktor, der eine wesentliche Auswirkung auf die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Turbinenschaufelblatts 310 besitzt, das gekrümmte Profil der Druckseite 313 und der Saugseite 314 ist.
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Hier kann es, wenn die Turbinenschaufel 300 entworfen wird, nötig sein, zu berücksichtigen, dass die Form der Turbinenschaufel 300, die ein gegossenes Element ist, das Entformen der Turbinenschaufel 300 nicht stört, nachdem geschmolzenes Eisen in eine Form gegossen worden ist und anschließend gehärtet wurde. Falls die Trennlinien PL der Turbinenschaufel 300 bei der Anströmkante 311 und der Abströmkante 312 gebildet werden, ist die Struktur, in der die Einsatzträger 334 bei der Anströmkante 311 und der Abströmkante 312 des Turbinenschaufelblattes 310 gebildet wird, nachteilig hinsichtlich eines Formentwurfs. Zum Beispiel muss dann, wenn die Einsatzträger 334 bei der Anströmkante 311 und der Abströmkante 312 des Turbinenschaufelblattes 310 angeordnet sind, die Anzahl Formen und Kerne erhöht werden, um das Entformen zu ermöglichen. Unter Bezugnahme auf 4(a) sind die Positionen der Einsatzträger 334 auf die Grenzen zwischen der Druckseite 313 und dem Stege 330 und die Grenze zwischen der Saugseite 314 und dem Steg 330 beschränkt. Deshalb kann die Form bei den Trennlinien PL in zwei Hälften geteilt werden. Allerding kann im Falle des Turbinenschaufelblattes 310, das in 4(b) dargestellt ist, da ein Teil der Einsatzträger 334 bei der Anströmkante und der Abströmkante des Turbinenschaufelblattes 310 positioniert ist, die Form nicht in zwei Hälften geteilt werden.
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In einer Querschnittsansicht der Turbinenschaufel 300, die entlang einer Linie, die die Radialrichtung überspannt, genommen wird, besitzen vorzugsweise Einsatzträger 334', die auf der Druckseite 313 und der Saugseite der Innenflächen des Turbinenschaufelblatts 310 gebildet sind, eine Rechteckform und Einsatzträger 334", die an der Grenze zwischen der Druckseite 313 und dem Steg 330 oder der Grenze zwischen der Saugseite 314 und dem Steg 330 gebildet sind, eine Dreiecksform. Die rechteckigen Einsatzträger 334', die auf der Druckseite 313 und der Saugseite 314 gebildet sind, sind über einen großen Bereich mit dem Einsatz 400 in Kontakt, um eine ausreichende Tragkraft sicherzustellen, und die dreieckigen Einsatzträger 334", die an der Grenze zwischen der Druckseite 313/der Saugseite 314 und dem Steg 330 gebildet sind, dienen dazu, eine geneigte Kontaktfläche bereitzustellen, um Schwankungen der Kontaktfläche, die den Toleranzen zugeschrieben werden können, zu berücksichtigen. Insbesondere ist der Grund, warum der Einsatzträger 334" an der Grenze zwischen der Druckseite 313 und dem Steg 330 oder der Grenze zwischen der Saugseite 314 und dem Steg 330 vorgesehen ist, dass es hinsichtlich des Entformens vorteilhaft ist.
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Die Struktur zum Tragen des Einsatzes 400 wird unter Bezugnahme auf 2 und 5 beschrieben. Eine Dreipunkttragstruktur ist derart konfiguriert, dass zwei Einsatzträger 334 auf der Druckseite 313 bzw. der Saugseite 314 der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts 310 vorgesehen sind und ein Einsatzträger 334 an der Grenze zwischen der Druckseite 313 und dem Steg 330 oder der Grenze zwischen der Saugseite 314 und dem Steg 330 vorgesehen ist. Die zwei rechteckigen Einsatzträger 334' sind auf der Druckseite 313 bzw. der Saugseite 314 vorgesehen, um eine ausreichende Tragkraft sicherzustellen.
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Eine Vierpunkttragstruktur ist derart konfiguriert, dass zwei Einsatzträger 334 an der Druckfläche 313 bzw. der Sogfläche 314 im Turbinenschaufelblatt 310 vorgesehen sind und zwei Einsatzträger 334 an der Grenze zwischen der Druckfläche 313 und dem Steg 330 bzw. der Grenze zwischen der Sogfläche 314 und dem Steg 330 vorgesehen sind. Diese Vierpunkttragstruktur stellt eine ausreichende Tragkraft durch Anordnen der zwei rechteckigen Einsatzträger 334' an der Druckfläche 313 bzw. der Sogfläche 314 sicher und ermöglicht ein Positionieren des Einsatzes 400 unter Verwendung der zwei dreieckigen Einsatzträger 334".
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Andererseits sind in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einige der mehreren Einsatzträger 334 relativ hoch und die anderen sind relativ niedrig und die relativ hohen Einsatzträger und die relativ niedrigen Einsatzträger sind in der Umfangsrichtung des Hohlraums 332 und in der Radialrichtung abwechselnd angeordnet. Mit anderen Worten sind die Einsatzträger 334 derart angeordnet, dass ihre Höhen in der Radialrichtung abwechselnd sind (allerdings besitzen zwei Einsatzträger in einer Dreipunkttragstruktur dieselbe Höhe). Zusätzlich sind die Höhen der Einsatzträger 334, die in den Zeilen angeordnet sind, auch in der Radialrichtung abwechselnd. Dieser Entwurf wurde vorgenommen, um eine Schwierigkeit beim Einsetzen des Einsatzes 400 in das Turbinenschaufelblatt, die wahrscheinlich durch die Toleranz der Höhe des Einsatzträgers 334 bewirkt wird, zu vermeiden. Dieser Entwurf verhindert einen Zustand, in dem die Einsatzträger 334, die in Zeilen in der Radialrichtung 400 angeordnet sind, in Kontakt mit dem Einsatz 400 gelangen. Das heißt, es kann möglich sein, ein Ereignis zu verhindern, in dem der Einsatz 400 durch einen Strang Einsatzträger blockiert wird und nicht weiter eingesetzt werden kann, wenn der Einsatz 400 in den Hohlraum des Turbinenschaufelblatts eingesetzt wird. Es ist also möglich, Einsatzträger 334 zu bilden, deren Vorsprungshöhen nahezu null sind.
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Diese abwechselnde Struktur verringert auch den Einsetzwiderstand, der einer Reibung zwischen dem Einsatz und den Einsatzträgern 334 zugewiesen werden kann, wodurch das Einsetzen des Einsatzes 400 erleichtert wird. In der Struktur, in der die Höhen der Einsatzträger 334 abwechselnd sind, liegen sogenannte Platzhaltereinsatzträger vor, die nicht in Kontakt mit dem Einsatz 400 gelangen. Allerdings kann der Einsatz 400 stabil getragen werden, da die Einsatzträger 334, die den Einsatz 400 tragen, regelmäßig angeordnet sind.
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In dieser Ausführungsform wird der Einsatz 400 dann, wenn zwei Einsatzträger 334 an der Druckfläche 313 bzw. der Sogfläche 314 der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts 310 angeordnet sind und ein Einsatzträger 334 an der Grenze zwischen der Druckseite 313 und dem Steg 330 oder der Grenze zwischen der Saugseite 314 und dem Steg 330 angeordnet ist, durch eine Dreipunkttragstruktur getragen, wobei die drei Punkte in zwei aufeinanderfolgenden Reihen der Einsatzträger, die in einem Querschnitt angeordnet sind, der der die Radialrichtung des Einsatzes 400 überspannt, angeordnet sind.
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Wenn eine Vierpunkttragstruktur derart konfiguriert ist, dass zwei Einsatzträger 334 auf der Druckseite 313 bzw. der Saugseite 314 der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts 310 vorgesehen sind und zwei Einsatzträger 334 an der Grenze zwischen der Druckseite 313 und dem Steg 330 bzw. der Grenze zwischen der Saugseite 314 und dem Steg 330 vorgesehen sind, sind vier Tragpunkte in zwei aufeinanderfolgenden Reichen im Querschnitt, der die Radialrichtung überspannt, vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die mehreren Einsatzträger 334 derart angeordnet, dass die Höhen der Einsatzträger 334 eine geradlinige Steigung in der Radialrichtung, in der die Reihen der Einsatzträger 334 angeordnet sind, bilden. Das bedeutet, dass die Höhen der Einsatzträger 334 in aufsteigender oder absteigender Reihenfolge in der Radialrichtung, in der die Reihen der Einsatzträger 334 angeordnet sind, vorliegen. Diese Konfiguration kann von 3 und 6 bestätigt werden.
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Wenn eine geradlinige Änderung der Höhen der Einsatzträger 334, die in den Einsatzträgerreihen in der Radialrichtung angeordnet sind, vorliegt, resultiert eine Änderung der Breite eines ringförmigen Raumes, der zwischen der Innenfläche des Turbinenschaufelblatts 310 und dem Hohlraum 332 entlang der Radialrichtung gebildet ist. Die Breite des ringförmigen Raums (d. h. das Volumen des ringförmigen Raums) beeinflusst die Intensität der Aufprallkühlung und den Betrag geförderter komprimierter Luft. Somit ist die vorliegende Offenbarung in der Lage, die Leistungsfähigkeit der Aufprallkühlung radial über die Turbinenschaufel 300 lokal zu variieren, indem die Höhenschwankung der Einsatzträger 334 in den Reihen der Einsatzträger, die in der Radialrichtung angeordnet sind, geeignet entworfen wird.
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In diesem Fall können die mehreren Einsatzträger 334 derart entworfen werden, dass die Höhe beim Einsatzeingang 350, über den der Einsatz 400 in das Turbinenschaufelblatt eingesetzt wird, beginnend allmählich ansteigt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Einsatz 400 ohne eine wesentlichen Widerstand leicht in den Hohlraum des Turbinenschaufelblatts eingesetzt werden kann, wenn der Einsatzträger 334 näher am Einsetzeingang 350 liegt.
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Die Bodenfläche 352 des Einsatzes ist mit einer gebogenen Fläche 354 mit einem Spalt darunter, in den der Einsatz 400 eingesetzt wird, versehen. Die gebogene Fläche 354, die von der Bodenfläche vorsteht, trägt die Innenumfangsfläche des Endes des Einsatzes 400 fest, um die Befestigung des Einsatzes 400 zu stärken und sicherzustellen, dass der Einsatz 400 vollständig eingesetzt ist. Die gebogene Fläche 354 verhindert, dass die Querschnittsform des Einsatzes 400 verformt wird. Die Bodenfläche 352 des Einsatzes ist mit einem Luftdurchgang in der gebogenen Fläche 354 versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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