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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Kühleinrichtung
zum Beaufschlagen eines ersten Hohlraums mit einem Kühlgas, insbesondere
in einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage.
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Bei vielen Anwendungen ist es erforderlich, ein
Bauteil, das an einer ersten Seite einer hohen thermischen Belastung
ausgesetzt ist, an seiner anderen Seite zu kühlen. Beispielsweise ist in
einer Gasturbine ein sogenannter Hitzeschild an der einen Seite
von den heißen
Verbrennungsabgasen beaufschlagt und an seiner anderen Seite einer
Kühlgasströmung ausgesetzt.
An der gekühlten
Seite kann das jeweilige Bauteil eine Wand aufweisen, die beispielsweise
zu Befestigungszwecken dient und die an dieser gekühlten Seite
einen ersten Hohlraum von einem zweiten Hohlraum trennt. Während der
zweite Hohlraum üblicherweise
mit einer Kühlgasversorgung
verbunden ist, kann der erste Hohlraum über einen oder mehrere Kühlgaskanäle aus dem
zweiten Hohlraum mit Kühlgas
versorgt werden. An der Wand des ersten Bauteils kann an der vom
zweiten Hohlraum abgewandten Seite ein weiteres Bauteil anliegen,
das dabei den ersten Hohlraum von einem dritten Hohlraum trennt.
Beispielsweise bildet der dritte Hohlraum dann den Heißgasbereich
einer Gasturbine. Bei diesem zweiten Bauteil kann es sich um einen weiteren
Hitzeschild, eine Turbinenschaufel oder um eine Dichtung handeln.
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Insbesondere in einer Gasturbine
kann es zwischen den beiden Bauteilen zu Relativbewegungen kommen.
In ungünstigen
Fällen
kann sich das zweite Bauteil vor die Mündung des Kühlgaskanals legen, wodurch
zum einen der Kühlgasmassenstrom in
den ersten Hohlraum reduziert wird, so dass sich dort eine unerwünschte Temperaturerhöhung einstellen
kann. Zum anderen kann es im ersten Hohlraum zu einem unerwünschten
Druckabfall kommen, wodurch aus dem dritten Hohlraum Heißgase unter
Umgehung des zweiten Bauteils in den ersten Hohlraum eintreten können, was
ebenfalls zu einer unerwünschten
Temperaturerhöhung
im zweiten Hohlraum führt.
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Das geschilderte Problem kann insbesondere
bei einer Gasturbine auftreten, wenn es sich beim zweiten Bauteil
um eine Dichtung handelt, die mit Hilfe von Haltebolzen in ihrer
Solllage gehaltert ist. Im Betrieb können Vibrationen dazu führen, dass
sich die Dichtung in die Bolzen hineinfrißt. Im Extremfall können die
Bolzen dadurch geschwächt
werden und schließlich
abbrechen. Die dann nicht mehr gehalterte Dichtung kann sich vor
den oder die Kühlgaskanäle schieben.
Damit gehen eine Verschlechterung der Kühlwirkung sowie ein Druckabfall
im ersten Hohlraum einher, was in kurzer Zeit zu einem extrem hohen
Temperaturanstieg im ersten Hohlraum führen kann.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich
mit dem Problem, für
eine Kühleinrichtung
der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere
bei einer Veränderung
der Relativlage zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine
hinreichende Kühlgasversorgung
des ersten Hohlraums ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken,
einen dem ersten Hohlraum zugewandten Mündungsbereich des Kühlgaskanals
hinsichtlich seiner Dimensionierung und/oder Positionierung auf einen
vorbestimmten Verstellbereich abzustimmen, innerhalb dem sich die
Relativverstellungen zwischen den beiden Bauteilen erwartungsgemäß bewegen.
Durch diese Bauweise kann für
jede mögliche
Relativlage zwischen den beiden Bauteilen ein hinreichend großer Mündungsquerschnitt
bereit gestellt werden, so dass stets eine hinreichende Kühlgasversorgung
des ersten Hohlraums sowie ein hinreichend großer Druck im ersten Hohlraum
zur Verfügung
steht. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass mit Hilfe einer
relativ einfach und preiswert realisierbaren Maßnahme die Leistungsfähigkeit
der Kühleinrichtung
verbessert werden kann.
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Der Kühlgaskanal kann außerhalb
seines Mündungsbereichs
einen vorgegebenen Nennquerschnitt aufweisen, der kleiner ist als
alle Querschnitte im Mündungsbereich.
Dieser Nennquerschnitt bildet innerhalb des Kühlgaskanals den engsten oder kleinsten
Querschnitt. Dementsprechend werden durch den Nennquerschnitt in
einem Nennbetriebspunkt der Kühleinrichtung
der Kühlgasmassenstrom durch
den Kühlgaskanal
sowie die Drücke
im ersten und im zweiten Hohlraum definiert. Entsprechend einer
bevorzugten Weiterbildung kann ein Mindestquerschnitt, mit dem der
Mündungsquerschnitt
in allen vorgesehenen Relativlagen der Bauteile sicher geöffnet ist,
gleich groß wie
oder größer als
dieser Nennquerschnitt sein. Dementsprechend gewährleistet diese Bauweise, dass
in allen vorhergesehenen Relativlagen zwischen den Bauteilen der
Kühlgasmassenstrom
durch den Kühlgauskanal
und/oder der Druck im ersten und zweiten Hohlraum die für den Nennbetrieb
vorgesehenen Werte aufweisen.
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Der Mündungsbereich kann grundsätzlich jede
beliebige geometrische Form aufweisen, die zu einem Mündungsquerschnitt
führt,
der größer ist
als der Nennquerschnitt. Hierbei werden einfach herstellbare Geometrien
bevorzugt. Beispielsweise kann der Mündungsbereich durch eine Fase
gebildet sein, die an dem den ersten Hohlraum zugewandten Ende des
Kühlgaskanals
angebracht ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform,
bei der mehrere Kühlgaskanäle vorgesehen
sind, kann in der Wand an einer dem ersten Hohlraum zugewandten
Anlageseite eine Nut ausgebildet sein, die wenigstens zwei Kühlgaskanäle miteinander
verbindet, derart, dass die Mündungsbereiche
dieser Kühlgaskanäle durch
die Nut gebildet sind oder in diese Nut übergehen. Durch das Einbringen
einer solchen Nut kann für
mehrere Kühlgaskanäle gleichzeitig
der erfindungsgemäße Mündungsbereich
hergestellt werden. Durch diese Bauweise vereinfacht sich die Herstellung
des mit der Kühleinrichtung
ausgestatteten ersten Bauteils.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der
Zeichnungen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten Längsschnitt
durch eine Gasturbine im Bereich eines mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
ausgestatteten Bauteils,
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2 einen
Längsschnitt
durch ein Detail II in 1,
bei einem vergrößerten Maßstab und
bei einer ersten Relativlage,
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3 eine
Frontansicht entsprechend der Blickrichtung III auf das Detail in 2,
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4 eine
Ansicht wie in 2, jedoch
bei einer zweiten Relativlage,
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5 eine
Ansicht wie in 3, jedoch
bei der zweiten Relativlage,
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6 eine
Ansicht wie in 2, jedoch
bei einer anderen Ausführungsform,
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7 eine
Ansicht wie in 3, jedoch
bei der anderen Ausführungsform,
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8 eine
Ansicht wie in 4, jedoch
bei der anderen Ausführungsform,
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9 eine
Ansicht wie in 5, jedoch
bei der anderen Ausführungsform.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend 1 enthält eine nur teilweise dargestellte
Gasturbine 1, insbesondere einer Kraftwerksanlage, einen
Rotor 2, der um eine hier nicht dargestellte, parallel
zur Schnittebene verlaufende Rotorachse drehbar gelagert ist. Der
Rotor 2 trägt
Laufschaufeln 3, von denen in 1 jedoch nur eine exemplarisch dargestellt
ist. Der Rotor 2 dreht in einem Gehäuse 4, das mehrere
Leitschaufeln 5 trägt, von
denen hier nur zwei dargestellt sind. Das Gehäuse 4 trägt zwischen
zwei Leitschaufel-Reihen einen Hitzeschild 6, der der einen
Laufschaufel 3 radial benachbart ist.
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Der Hitzeschild 6 weist
bezüglich
der Rotorachse des Rotors 2 radial innen eine innenliegende
Innenseite 7 und radial außen eine außenliegende Außenseite 8 auf.
An der Außenseite 8 des
Hitzeschilds 6 sind ein erster Hohlraum 9 und
ein zweiter Hohlraum 10 angeordnet, denen die Außenseite 8 des
Hitzeschilds 6 ausgesetzt ist. Dabei sind der erste Hohlraum 9 und
der zweite Hohlraum 10 durch eine Wand 11 voneinander
getrennt, die an der Außenseite 8 des
Hitzeschilds 6 am Hitzeschild 6 ausgebildet ist und sich
in Umfangsrichtung erstreckt.
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An seiner Innenseite 7 ist
der Hitzeschild 6 einem dritten Hohlraum 12 ausgesetzt,
in dem die Schaufeln 3,5 angeordnet sind, und
der im Betrieb der Gasturbine 1 mit heißen Strömungsgasen durchströmt ist.
Axial zwischen dem Hitzeschild 6 und einem Schaufelfuß 13 der
stromab benachbarten Leitschaufel 5 ist ein Spalt 14 ausgebildet, über den
der erste Hohlraum 9 mit dem dritten Hohlraum 12 verbunden
ist. Um diese Verbindung bzw. um diesen Spalt 14 zu dichten,
ist an einer vom zweiten Hohlraum 10 abgewandten Anlageseite 15 der
Wand 11 eine Dichtung 16 angeordnet, die sich
einerseits an der Anlageseite 15 der Wand 11 und
andererseits am Schaufelfuß 13 axial
abstützt.
Die Dichtung 16 trennt somit den ersten Hohlraum 9 vom
dritten Hohlraum 12. Die Dichtung 16 besitzt hier
exemplarisch einen U-förmigen
Querschnitt. Es ist klar, dass grundsätzlich auch beliebige andere
Querschnitte zur Anwendung kommen können, wie z.B. ein W-förmiger Querschnitt
oder ein Voll-Querschnitt oder ein scheibenförmiger Querschnitt.
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Damit der Hitzeschild 6 den
hohen thermischen Belastungen im Betrieb der Gasturbine 1 standhält, ist
an der Außenseite 8 des
Hitzeschilds 6 eine Kühleinrichtung 17 nach
der Erfindung vorgesehen. Bei dieser Kühleinrichtung 17 wird
der zweite Hohlraum 10 über
eine Kühlgaszuführung 18 mit
einem Kühlgas
beaufschlagt. In der Wand 11 ist wenigstens ein Kühlgaskanal 19 ausgebildet,
der den ersten Hohlraum 9 mit dem zweiten Hohlraum 10 kommunizierend
verbindet. Üblicherweise
enthält
die Wand 11 in Umfangsrichtung verteilt mehrere solche Kühlgaskanäle 19. Über den
oder die Kühlgaskanäle 19 kann
das Kühlgas
aus dem zweiten Hohlraum 10 in den ersten Hohlraum 9 eintreten
und die an den ersten Hohlraum 9 angrenzenden Flächen bzw.
Bauteile kühlen.
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Durch den oder die Kühlgaskanäle 19 wird der
erste Hohlraum 9 mit Kühlgas
versorgt. Gleichzeitig wird im ersten Hohlraum 9 ein vorbestimmter Druck
ausgebildet, der zweckmäßig höher ist
als der Druck im dritten Hohlraum 12. Hierdurch wird erreicht,
dass im Fall von Leckagen kein Heißgas vom dritten Hohlraum 12 in
den ersten Hohlraum 9 gelangt.
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Die Dichtung 16 befindet
sich im ordnungsgemäßen Betrieb
der Gasturbine 1 etwa in der in 1 dargestellten Position, in der sie
die Gasströmung
durch den Kühlgaskanal 19 nicht
behindert. Bei bestimmten Betriebssituationen und/oder bei (geringfügigen) Schadensfällen kann
es dazu kommen, dass sich die Dichtung 16 in radialer Richtung
entlang der Wand 11 innerhalb eines vorbestimmten Verstellbereichs
verschiebt. Dabei kann sich die Dichtung 16 vor einen oder
vor mehrere Kühlkanäle 19 schieben.
Damit sich durch diese Verstellbewegung der Dichtung 16 keine
Beeinträchtigung
der Kühlwirkung
ergibt, ist die Kühleinrichtung 17 mit
den erfindungsgemäßen Merkmalen
ausgestattet, was im folgenden anhand der 2 bis 9 näher beschrieben wird.
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Entsprechend den 2 bis 9 ist
der Kühlgaskanal 19 mit
einem Mündungsbereich 20 ausgestattet,
der dem ersten Hohlraum 9 zugewandt ist und in der Anlageseite 15 der
Wand 11 einen Mündungsquerschnitt 21 aufweist.
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Dieser Mündungsbereich 20 ist
nun innerhalb der Wand 11 an der Anlageseite 15 so
dimensioniert und/oder positioniert, dass sein Mündungsquerschnitt 21 aus
dem zuvor genannten Verstellbereich der Dichtung 16 herausragt,
und zwar soweit, dass der Mündungsquerschnitt 21 in
jeder beliebigen Stellung der Dichtung 16 innerhalb dieses
Verstellbereichs nicht vollständig
von der Dichtung 16 abgedeckt werden kann, sondern stets
zumindest mit einem vorgegebenen Mindestquerschnitt offen bleibt. Dieser
Mindestquerschnitt ist so gewählt,
dass eine hinreichende Durchströmung
des Kühlgaskanals 19 gewährleistet
werden kann, so dass einerseits ein hinreichender Massenstrom und
andererseits ein ausreichender Druck im ersten Hohlraum 9 bereit
gestellt werden kann.
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In den 2,3 und 6,7 nimmt
die Dichtung 16 eine erste Extremstellung in ihrem Verstellbereich ein,
in der sich eine minimale Überdeckung
mit dem Mündungsquerschnitt 21 ergibt.
Diese Relativlage liegt bei normalen Betriebsbedingungen der Gasturbine 1 vor.
Die 4, 5 und 8, 9 zeigen eine zweite Extremstellung
der Dichtung 16 innerhalb des Verstellbereichs mit maximaler Überdeckung
des Mündungsquerschnitts 21.
Diese Relativlage ergibt sich bei Sonderbetriebszuständen oder
bei kalkulierten Schadensfällen,
beispielsweise wenn eine Halterung der Dichtung 16 versagt.
Der vorgegebene Verstellbereich der Dichtung 16 ist in
den 4 und 8 durch einen Doppelpfeil
symbolisiert und mit 22 bezeichnet.
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Wie aus den 4, 5 und 8, 9 entnehmbar ist, kann auch bei einer
maximal erreichbaren Überdeckung
zwischen Dichtung 16 und Kühlgaskanal 19 eine
ausreichende Kühlgasströmung aufrechterhalten
bleiben. Dies ist für
die Funktionssicherheit der Gasturbine 1 von besonderer
Bedeutung.
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Bis zum Mündungsbereich 20 besitzt
der Kühlgaskanal 19 einen
konstanten Querschnitt, der im folgenden auch als Nennquerschnitt 23 bezeichnet
wird.
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Dieser Nennquerschnitt 23 ist
kleiner als sämtliche
Querschnitte im Mündungsbereich 20.
Der Nennquerschnitt 23 definiert im Nennbetriebspunkt der
Gasturbine 1 den Kühlgasmassenstrom
durch den Kühlgaskanal 19 sowie
den erreichbaren Druck im ersten Hohlraum 9. Desweiteren
wird durch die Dimensionierung des Nennquerschnitts 23 der
Druck im zweiten Hohlraum 10 bestimmt. Es ist daher für einen
ordnungsgemäßen Betrieb
der Kühleinrichtung 17 nicht
zweckmäßig, den
gesamten Kühlgaskanal 19 mit
dem vergleichsweise großen
Mündungsquerschnitt 21 auszustatten.
Beispielsweise wäre
dann der Druckabfall im zweiten Hohlraum 10 zu groß.
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Entsprechend einer zweckmäßigen Dimensionierung
wird der Mindestquerschnitt des Mündungsquerschnitts 21,
der bei maximaler Überdeckung
der Dichtung 16 noch offen bleibt, so groß gewählt, dass er
zumindest gleich groß ist
wie der Nennquerschnitt 23. Dementsprechend können auch
bei einer extremen Verstellung der Dichtung 16 der für den Nennbetriebspunkt
vorgesehene Massenstrom sowie die zugehörigen Druckverhältnisse
im ersten Hohlraum 9 und im zweiten Hohlraum 10 aufrechterhalten
bleiben.
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Bei der Ausführungsform der 2 bis 5 weitet
sich der Kühlgaskanal 19 im
Mündungsbereich 20
zum ersten Hohlraum 9 hin auf bis er seinen Mündungsquerschnitt 21 erreicht.
Mit anderen Worten, im Mündungsbereich 20 verjüngt sich
der Kühlgaskanal 19 vom
Mündungsquerschnitt 21 bis
zum Nennquerschnitt 23. Erreicht wird dies beispielsweise
mittels einer nachträglich
angebrachten Fase.
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Bei einer anderen Ausführungsform,
wie z.B. der in den 6 bis 9 gezeigten, kann der Kühlgaskanal 19 mit
einer sprungartigen Querschnittserweiterung 24 in den Mündungsbereich 20 übergehen. Hier
besitzt der Mündungsbereich 20 außerdem von dieser
Querschnittserweiterung 24 bis zum Mündungsquerschnitt 21 einen
gleichbleibenden Querschnitt.
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Wie besonders aus den 7 und 9 hervorgeht, kann der Mündungsbereich 20 mittels
einer Nut 25 hergestellt werden, die an der Anlageseite 15 in die
Wand 11 eingebracht ist, derart, dass der Kühlgaskanal 19 in
den Nutgrund der Nut 25 einmündet. Die zum ersten Hohlraum 9 hin
offene Seite der Nut 25 bildet dann den Mündungsquerschnitt 21 des Kühlgaskanäls 19,
der durch die Länge
der Nut 25 um ein Vielfaches größer als der Nennquerschnitt 23 ausgestaltet
werden kann.
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Sofern die Wand 11 mehrere
Kühlgaskanäle 19 enthält, ist
es zweckmäßig, die
Nut 25 so zu legen, dass sie über mehrere, insbesondere über alle,
Kühlgaskanäle 19 führt. Die über die
Nut 25 miteinander verbundenen Kühlgaskanäle 19 besitzen dadurch
einen gemeinsamen, relativ großvolumigen
Mündungsbereich 20.
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Bei der Dimensionierung und Positionierung des
Mündungsbereichs 20 wird
zweckmäßig auch darauf
geachtet, dass innerhalb des zulässigen
Verstellbereichs keine Relativlage entsteht, in welcher der Mündungsquerschnitt
21 zum dritten Hohlraum 12 hin bzw. zum Spalt 14 hin
offen ist.
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Der Hitzeschild 6 bildet
hier ein erstes Bauteil 6, an dem die Wand 11 zur
Trennung des ersten Hohlraums 9 vom zweiten Hohlraum 10 ausgebildet ist.
An der Anlageseite 15 dieser Wand 11, die den oder
die Kühlkanäle 19 enthält, liegt
die Dichtung 16 an, die dabei ein zweites Bauteil 16 bildet,
das an der Wand 11 den ersten Hohlraum 9 vom dritten
Hohlraum 12 trennt. Anstelle der Dichtung 16 kann
das zweite Bauteil 16 auch durch eine andere Komponente
gebildet sein. Beispielsweise kann der Schaufelfuß 13 direkt
an der Anlageseite 15 der Wand
11 zur Anlage kommen
und dadurch das zweite Bauteil bilden. Es ist klar, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf einen Hitzeschild 6 beschränkt ist,
sondern grundsätzlich
auf ein beliebiges anderes Bauteil mit entsprechender Kühleinrichtung 17 anwendbar
ist.
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- 1
- Gasturbine
- 2
- Rotor
- 3
- Laufschaufel
- 4
- Gehäuse
- 5
- Leitschaufel
- 6
- Hitzeschild/erstes
Bauteil
- 7
- Innenseite
von 6
- 8
- Außenseite
von 6
- 9
- erster
Hohlraum
- 10
- zweiter
Hohlraum
- 11
- Wand
- 12
- dritter
Hohlraum
- 13
- Schaufelfuß
- 14
- Spalt
- 15
- Anlageseite
von 11
- 16
- Dichtung/zweites
Bauteil
- 17
- Kühleinrichtung
- 18
- Kühlgaszuführung
- 19
- Kühlgaskanal
- 20
- Mündungsbereich
von 19
- 21
- Mündungsquerschnitt
- 22
- Versteilbereich
- 23
- Nennquerschnitt
- 24
- Querschnittserweiterung
- 25
- Nut