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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich auf Turbomaschinen. Insbesondere beziehtch der hierin offenbarte Gegenstand auf Turbinenschaufelspitzenummantelungsoberflächenprofile.
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HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
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Bei einigen Strahlflugzeugen und Systemen einfacher oder kombinierter Kraftwerke werden in ihrem Aufbau und Betrieb Turbinen oder sogenannte Turbomaschinen verwendet. Einige dieser Turbinen verwenden Luftleitbleche (z. B. Turbinendüsen, Schaufeln, Luftleitbleche usw.), die während des Betriebs Fluidströmungen ausgesetzt sind. Diese Luftleitbleche sind so gestaltet, dass sie mit den Fluidströmungen aerodynamisch wechselwirken und aus diesen Fluidströmungen als Teil der Stromerzeugung Energie erzeugen. Zum Beispiel können die Luftleitbleche verwendet werden, um Schub zu erzeugen, kinetische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und/oder Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Aufgrund dieser Wechselwirkung und Umwandlung können die aerodynamischen Eigenschaften dieser Luftleitbleche zu Verlusten im System- und Turbinenbetrieb, bei der Leistungsfähigkeit, Schub, Wirkungsgrad und Leistung führen. Darüber hinaus wirken Spitzenummantelungen am radial äußeren Ende der Luftleitbleche während des Betriebs mit stationären Bauteilen zusammen und leiten heiße Gase in Richtung der Luftleitbleche. Als Ergebnis dieser Wechselwirkung und Umwandlung können die aerodynamischen Eigenschaften dieser Spitzenummantelungen zu Einbußen bei System- und Turbinenbetrieb, Leistung, Schub, Wirkungsgrad und Leistung führen.
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KURZBESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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Ein Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst eine Turbinenschaufelspitzenummantelung, die Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Luftleitblech an einem radial äußeren Ende des Luftleitblechs gekoppelt sind, wobei das Luftleitblech eine Ansaugseite und eine der Ansaugseite gegenüberliegende Druckseite, eine Vorderkante, die sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt, und eine Hinterkante aufweist, die der Vorderkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt; eine Spitzenschiene, die sich radial von dem Paar gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel erstreckt, wobei die Spitzenschiene eine stromabwärts gelegene Seite, eine stromaufwärts gelegene Seite, die der stromabwärts gelegenen Seite gegenüberliegt, und einen vordersten und radial äußersten Ursprung hat, und wobei die stromaufwärts gelegene Seite der Spitzenschiene eine Form hat, die ein Nennprofil hat, das im wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, die in TABELLE I angegeben sind, übereinstimmt und von dem vordersten und radial äußersten Ursprung ausgeht, wobei die kartesischen Koordinatenwerte dimensionslose Werte von 0 % bis 100 % sind, die in Abstände umwandelbar sind, indem die X-Werte mit einer minimalen X-Ausdehnung der Spitzenschiene, ausgedrückt in Abstandseinheiten, und die Y-Werte mit einer axialen Länge der Spitzenschiene, ausgedrückt in Abstandseinheiten, multipliziert werden, und wobei X- und Y-Werte durch Linien verbunden sind, um ein stromaufwärtiges Oberflächenprofil der Spitzenschiene zu definieren.
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Ein weiterer zweiter Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst eine Turbinenschaufelspitzenummantelung, die Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Luftleitblech an einem radial äußeren Ende des Luftleitblechs gekoppelt sind, wobei das Luftleitblech eine Ansaugseite und eine der Ansaugseite gegenüberliegende Druckseite, eine Vorderkante, die sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt, und eine Hinterkante aufweist, die der Vorderkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt; eine Spitzenschiene, die sich radial von dem Paar gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel erstreckt, wobei die Spitzenschiene eine stromabwärtige Seite, eine stromaufwärtige Seite, die der stromabwärtigen Seite gegenüberliegt, und einen vordersten und radial äußersten Ursprung hat, und wobei die stromabwärtige Seite der Spitzenschiene eine Form hat, die ein Nennprofil hat, das im wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, die in TABELLE II angegeben sind, übereinstimmt und von dem vordersten und radial äußersten Ursprung ausgeht, wobei die kartesischen Koordinatenwerte dimensionslose Werte von 0 % bis 100 % sind, die in Abstände umwandelbar sind, indem die X-Werte mit einer minimalen X-Ausdehnung der Spitzenschiene, ausgedrückt in Abstandseinheiten, und die Y-Werte mit einer axialen Länge der Spitzenschiene, ausgedrückt in Abstandseinheiten, multipliziert werden, und wobei X- und Y-Werte durch Linien verbunden sind, um ein stromabwärtiges Oberflächenprofil der Spitzenschiene zu definieren.
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Ein Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst eine Turbinenschaufelspitzenummantelung, die Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Luftleitblech an einem radial äußeren Ende des Luftleitblechs gekoppelt sind, wobei das Luftleitblech eine Ansaugseite und eine der Ansaugseite gegenüberliegende Druckseite, eine Vorderkante, die sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt, und eine Hinterkante aufweist, die der Vorderkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt; eine Spitzenschiene, die sich radial von dem Paar gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel erstreckt, wobei die Spitzenschiene eine stromabwärts gelegene Seite und eine stromaufwärts gelegene Seite, die der stromabwärts gelegenen Seite gegenüberliegt, sowie einen vordersten und einen radial äußersten Ursprung aufweist; und eine vordere Z-Kerben-Oberfläche mit einer Form, die ein Nennprofil aufweist, das im wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X-, Y-, Z- und Dickenwerten, die in TABELLE III aufgeführt sind, übereinstimmt und vom vordersten und radial äußersten Ursprung ausgeht, wobei die kartesischen Koordinatenwerte dimensionslose Werte von 0 % bis 100 % sind, die durch Multiplikation der Werte mit einer axialen Länge der Spitzenschiene in Abstände umwandelbar sind, und wobei X- und Y-Werte fließend miteinander verbunden sind, um ein vorderes Z-Kerben-Oberflächenprofil zu bilden, wobei sich die Dicke des vorderen Z-Kerben-Oberflächenprofils bei jedem X- und Y-Koordinatenwert von einem entsprechenden Z-Wert radial nach innen erstreckt.
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Ein Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst eine Turbinenschaufelspitzenummantelung, die Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Luftleitblech an einem radial äußeren Ende des Luftleitblechs gekoppelt sind, wobei das Luftleitblech eine Ansaugseite und eine der Ansaugseite gegenüberliegende Druckseite, eine Vorderkante, die sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt, und eine Hinterkante aufweist, die der Vorderkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt; eine Spitzenschiene, die sich radial von dem Paar gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel erstreckt, wobei die Spitzenschiene eine stromabwärts gelegene Seite und eine stromaufwärts gelegene Seite, die der stromabwärts gelegenen Seite gegenüberliegt, sowie einen vordersten und einen radial äußersten Ursprung aufweist; und eine nachlaufende Z-Kerben-Oberfläche mit einer Form, die ein Nennprofil aufweist, das im wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X-, Y-, Z- und Dickenwerten, die in TABELLE IV angegeben sind, übereinstimmt und von dem vordersten und radial äußersten Ursprung ausgeht, wobei die kartesischen Koordinatenwerte dimensionslose Werte von 0 % bis 100 % sind, die durch Multiplikation der Werte mit einer axialen Länge der Spitzenschiene in Abstände umwandelbar sind, und wobei X- und Y-Werte fließend miteinander verbunden sind, um ein Z-Kerben-Oberflächenprofil zu bilden, wobei sich die Dicke des Z-Kerben-Oberflächenprofils bei jedem X- und Y-Koordinatenwert von einem entsprechenden Z-Wert radial nach innen erstreckt.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung sieht eine Turbinenschaufelspitzenummantelung vor, die Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Luftleitblech an einem radial äußeren Ende des Luftleitblechs gekoppelt sind, wobei das Luftleitblech eine Ansaugseite und eine der Ansaugseite gegenüberliegende Druckseite, eine Vorderkante, die sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt, sowie eine Hinterkante aufweist, die der Vorderkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt; eine Spitzenschiene, die sich radial von dem Paar gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel erstreckt, wobei die Spitzenschiene eine stromabwärts gelegene Seite und eine stromaufwärts gelegene Seite aufweist, die der stromabwärts gelegenen Seite gegenüberliegt, wobei die Spitzenschiene einen vordersten und einen radial äußersten Ursprung aufweist; und eine radial äußere Oberfläche des Flügels auf der stromabwärtigen Seite der Spitzenschiene eine Form mit einem Nennprofil aufweist, das im wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, Z übereinstimmt, die in TABELLE V angegeben sind und von dem vordersten und radial äußersten Ursprung ausgehen, wobei die kartesischen Koordinatenwerte dimensionslose Werte von 0 % bis 100 % sind, die durch Multiplikation der Werte mit einer axialen Länge der Spitzenschiene in Abstände umwandelbar sind, und wobei X-, Y- und Z-Werte glatt miteinander verbunden sind, um ein stromabwärtiges radiales Außenflächenprofil zu bilden.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst eine Turbinenschaufelspitzenummantelung, die Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Luftleitblech an einem radial äußeren Ende des Luftleitblechs gekoppelt sind, wobei das Luftleitblech eine Ansaugseite und eine der Ansaugseite gegenüberliegende Druckseite, eine Vorderkante, die sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt, und eine Hinterkante aufweist, die der Vorderkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt; eine Spitzenschiene, die sich radial von dem Paar gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel erstreckt, wobei die Spitzenschiene eine stromabwärts gelegene Seite und eine stromaufwärts gelegene Seite aufweist, die der stromabwärts gelegenen Seite gegenüberliegt, wobei die Spitzenschiene einen hintersten und einen radial äußersten Ursprung aufweist; und eine radial äußere Oberfläche des Flügels auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Spitzenschiene eine Form mit einem Nennprofil hat, das im wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, Z übereinstimmt, die in TABELLE VI angegeben sind und von dem hintersten und radial äußersten Ursprung ausgehen, wobei die kartesischen Koordinatenwerte dimensionslose Werte von 0 % bis 100 % sind, die in Abstände umwandelbar sind, indem die Werte mit einer axialen Länge der Spitzenschiene multipliziert werden, und wobei die X-, Y- und Z-Werte glatt miteinander verbunden sind, um ein stromaufwärts gelegenes radiales Außenflächenprofil zu bilden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale dieser Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Gesichtspunkte der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung darstellen, besser verständlich, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung einer illustrativen Turbomaschine zeigt;
- 2 eine Querschnittsansicht einer illustrativen Gasturbinenbaugruppe mit vier Stufen, die mit der Turbomaschine in 1 verwendet werden kann, zeigt;
- 3 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Turbinenschaufel mit einer Spitzenummantelung an einem radial äußeren Ende eines Luftleitblechs gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 4 eine Draufsicht auf eine Spitzenummantelung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 5 eine perspektivische Vorderansicht einer Spitzenummantelung mit einem Z-Kerben-Oberflächenprofil gemäß Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 6 eine Draufsicht auf eine Spitzenummantelung mit Oberflächenprofilen von Spitzenschienen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 7 eine Teilgrundrissansicht einer Spitzenummantelung mit Punkten eines Z-Kerben-Oberflächenprofils gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 8 eine Teilgrundrissansicht einer Spitzenummantelung mit Punkten eines hinteren Z-Kerben-Oberflächenprofils gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 9 eine perspektivische Heckansicht einer Spitzenummantelung mit Punkten eines hinteren Z-Kerben-Oberflächenprofils gemäß Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 10 eine Draufsicht auf eine Spitzenummantelung, die Punkte von radial äußeren Flügeloberflächenprofilen enthält gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 11 eine perspektivische Vorderansicht einer Spitzenummantelung mit Punkten eines stromaufwärts gelegenen, radial äußeren Flügeloberflächenprofils, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt; und
- 12 eine perspektivische Heckansicht einer Spitzenummantelung mit Punkten eines stromabwärts gelegenen, radial äußeren Flügeloberflächenprofils gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt.
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Es wird angemerkt, dass die Zeichnungen der Offenbarung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Gesichtspunkte der Offenbarung darstellen und sollten daher nicht als den Schutzumfang der Offenbarung einschränkend angesehen werden. In den Zeichnungen entsprechen gleiche Nummern gleichen Elementen zwischen den Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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Um die aktuelle Technologie klar zu beschreiben, muss zunächst eine bestimmte Terminologie ausgewählt werden, wenn auf relevante Maschinenkomponenten innerhalb einer Turbomaschine Bezug genommen wird und diese beschrieben werden. Soweit möglich, wird die branchenübliche Terminologie verwendet und in einer Weise eingesetzt, die ihrer anerkannten Bedeutung entspricht. Sofern nicht anders angegeben, sollte eine solche Terminologie eine breite Auslegung erhalten, die mit dem Kontext der vorliegenden Anmeldung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche vereinbar ist. Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass häufig auf eine bestimmte Komponente unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher oder überlappender Begriffe Bezug genommen werden kann. Was hierin als ein einzelnes Teil beschrieben werden kann, kann mehrere Komponenten umfassen und in einem anderen Kontext als aus diesen bestehend bezeichnet werden. Alternativ kann das, was hierin als mehrere Komponenten enthaltend beschrieben werden kann, an anderer Stelle als ein einzelnes Teil bezeichnet werden.
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Außerdem können hierin mehrere beschreibende Begriffe regelmäßig verwendet werden, und es sollte sich als hilfreich erweisen, diese Begriffe zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Diese Begriffe und ihre Definitionen sind, sofern nicht anders angegeben, wie folgt. Wie hier verwendet, sind „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ Ausdrücke, die eine Richtung relativ zur Strömung eines Fluids angeben, wie etwa des Arbeitsfluids durch die Turbinenmaschine oder zum Beispiel des Luftstroms durch die Brennkammer oder des Kühlmittels durch eines der Turbinenkomponentensysteme. Der Ausdruck „stromabwärts“ entspricht der Strömungsrichtung des Fluids, und der Ausdruck „stromaufwärts“ bezieht sich auf die Richtung entgegengesetzt zur Strömung. Die Begriffe „vordere“ und „hintere“ beziehen sich ohne weitere Spezifizierung auf Richtungen, wobei sich „vordere“ auf das Vorder- oder Verdichterende des Motors und „hintere“ auf das Hinter- oder Turbinenende des Motors bezieht.
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Es ist häufig erforderlich, Teile zu beschreiben, die in Bezug auf eine Mittelachse an unterschiedlichen radialen Positionen angeordnet sind. Der Begriff „radial“ bezieht sich auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. Wenn eine erste Komponente näher an der Achse liegt als eine zweite Komponente, wird hierin zum Beispiel angegeben, dass die erste Komponente sich „radial innen liegend“ oder „nach innen“ von der zweiten Komponente befindet. Wenn sich andererseits die erste Komponente weiter von der Achse entfernt als die zweite Komponente befindet, kann hier angegeben werden, dass die erste Komponente „radial außen“ oder „außen“ zur zweiten Komponente liegt. Der Begriff „axial“ bezieht sich auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse A, z. B.
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Rotorwelle 110. Der Begriff „in Umfangsrichtung“ schließlich bezieht sich auf eine Bewegung oder Position rund um eine Achse. Es versteht sich, dass solche Begriffe in Bezug auf die Mittelachse der Turbine angewendet werden können.
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Außerdem können hier mehrere beschreibende Begriffe regelmäßig verwendet werden, wie unten beschrieben. Die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und „dritter“ können austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sollen nicht den Ort oder die Wichtigkeit der einzelnen Komponenten kennzeichnen.
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Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Arbeitsvorgängen, Elementkomponenten, und/oder Gruppen davon ausschließen. „Optional“ oder „optional“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der beschriebene Umstand eintreten oder nicht eintreten kann und dass die Beschreibung sowohl Fälle umfasst, in denen das Ereignis eintritt, als auch Fälle, in denen es nicht eintritt.
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Wenn ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann es direkt auf, verbunden mit, in Eingriff mit oder gekoppelt mit dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder dazwischenliegende Elemente oder Schichten können vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt auf‟, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, sind möglicherweise keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.). Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ jegliche und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Gegenstände.
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Verschiedene Gesichtspunkte der Offenbarung beziehen sich auf Oberflächenprofile einer Spitzenummantelung von rotierenden Turbinenrotorschaufeln (im Folgenden als „Schaufel“ oder „Turbinenschaufel“ bezeichnet). Ausführungsformen der Spitzenummantelung umfassen ein Paar einander gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel, die so gestaltet sind, dass sie an einem radial äußeren Ende des Luftleitblechs ankoppeln. Das Luftleitblech hat eine Ansaugseite und eine der Ansaugseite gegenüberliegende Druckseite, eine Vorderkante, die sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt, und eine Hinterkante, die der Vorderkante gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite und der Ansaugseite erstreckt. Im Allgemeinen ist die Druckseite stromaufwärts und die Ansaugseite stromabwärts gerichtet. Die Spitzenummantelungen umfassen auch eine Spitzenschiene, die sich radial von dem Paar gegenüberliegender, axial verlaufender Flügel erstreckt. Die Spitzenschiene hat eine stromabwärtige Seite und eine stromaufwärtige Seite, die der stromabwärtigen Seite gegenüberliegt. Die Spitzenschiene umfasst auch einen vordersten und radial äußersten Ursprung, der als Bezugspunkt für die Oberflächenprofile dient, wie hier beschrieben. Die Oberflächenprofile der Spitzenummantelung können von der stromabwärts und/oder stromaufwärts gelegenen Seite der Spitzenschiene, einer vorderen und/oder hinteren Z-Kerben-Oberfläche der Spitzenummantelung und einer stromabwärts und/oder stromaufwärts gelegenen, radial äußeren Oberfläche der Flügel der Spitzenummantelung stammen.
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Die Oberflächenprofile werden als Formen angegeben, die ein Nennprofil haben, das im Wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X und Y und vielleicht Z und einer Dicke übereinstimmt, die in einer entsprechenden Tabelle angegeben sind. Die kartesischen Koordinaten haben ihren Ursprung im vordersten und radial äußersten Ursprung der Spitzenschiene. Die kartesischen Koordinatenwerte sind dimensionslose Werte von 0 % bis 100 %, die in Abstände umgewandelt werden können, indem die Werte mit einem bestimmten Wert eines Normierungsparameters multipliziert werden, der in Abstandseinheiten ausgedrückt wird. Das heißt, die Koordinatenwerte in den Tabellen sind Werte des normierten Parameters, so dass die Multiplikation des tatsächlichen, gewünschten Abstands des normierten Parameters mit den angegebenen Werten die tatsächlichen Koordinaten des Oberflächenprofils für eine Spitzenummantelung mit diesem tatsächlichen, gewünschten Abstand des normierten Parameters ergibt. Wie weiter unten beschrieben wird, kann der Normalisierungsparameter je nach Oberflächenprofil variieren. Für ein Oberflächenprofil der Spitzenschiene kann der Normalisierungsparameter beispielsweise sein: für die X-Werte eine minimale X-Ausdehnung 270 (4) der Spitzenschiene 250 und für die Y-Werte eine axiale Länge der Spitzenschiene LTR (4). Die tatsächlichen X-Werte des Oberflächenprofils der Spitzenschiene können durch Multiplikation der Werte in der jeweiligen Tabelle mit der tatsächlichen, gewünschten X-Ausdehnung der Spitzenschiene 250 (z. B. 2,2 Zentimeter) und die entsprechenden tatsächlichen Y-Werte des Oberflächenprofils der Spitzenschiene können durch Multiplikation der Werte in der jeweiligen Tabelle mit der tatsächlichen, gewünschten axialen Länge der Spitzenschiene 250 (z. B. 12 Zentimeter) berechnet werden. In jedem Fall werden die X- und Y-Werte und, sofern vorhanden, auch die Z-Werte durch Linien und/oder Bögen verbunden, um glatte Oberflächenprofile zu definieren.
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In den Zeichnungen zeigt 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Turbomaschine 90 in Form eines Verbrennungsturbinen- oder Gasturbinensystems (GT-Systems) 100 (nachstehend „GT-System 100“). Das GT-System 100 umfasst einen Kompressor 102 und eine Brennkammer 104. Die Brennkammer 104 schließt einen Verbrennungsbereich 105 und eine Brennstoffdüsenanordnung 106 ein. Das GT-System 100 schließt zudem eine Turbine 108 und eine gemeinsame Verdichter-/Turbinenrotorwelle 110 (nachfolgend als „Rotorwelle“ 110 bezeichnet) ein. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann das GT-System 100 ein 9HA.01-Motor sein, der im Handel bei General Electric Company, Greenville, S.C., erhältlich ist. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf ein bestimmtes GT-System beschränkt und kann in Verbindung mit anderen Triebwerken eingesetzt werden, z. B. mit anderen HA-, F-, B-, LM-, GT-, TM- und E-Klasse-Triebwerksmodellen der General Electric Company sowie mit Triebwerksmodellen anderer Unternehmen. Ferner sind die Lehren der Offenbarung nicht notwendigerweise nur auf ein GT-System anwendbar und können auf andere Arten von Turbomaschinen, z. B. Dampfturbinen, Strahltriebwerke, Verdichter usw., angewendet werden.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines illustrativen Teils der Turbine 108 mit vier Stufen L0-L3, die mit dem GT-System 100 in 1 verwendet werden kann. Die vier Stufen werden als L0, L1, L2 und L3 bezeichnet. Stufe L0 ist die erste Stufe und ist die kleinste (in radialer Richtung) der vier Stufen. Die Stufe L1 ist die zweite Stufe und ist in einer Axialrichtung die nächste Stufe. Die Stufe L2 ist die dritte Stufe und ist in einer Axialrichtung die nächste Stufe. Stufe L3 ist die vierte, letzte Stufe und ist die größte (in einer radialen Richtung). Dabei ist davon auszugehen, dass vier Stufen lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel gezeigt sind und jede Turbine mehr oder weniger als vier Stufen aufweisen kann.
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Ein Satz stationärer Leitschaufeln oder Düsen 112 wirkt mit einem Satz rotierender Schaufeln 114 so zusammen, dass sie jede Stufe L0-L3 der Turbine 108 bilden und einen Abschnitt eines Strömungswegs durch die Turbine 108 definieren. Die rotierenden Schaufeln 114 in jedem Satz sind mit einem jeweiligen Rotorrad 116 gekoppelt, das sie in Umfangsrichtung mit der Rotorwelle 110 koppelt. Das heißt, eine Vielzahl von rotierenden Schaufeln 114 sind in Umfangsrichtung beabstandet mechanisch mit jedem Rotorrad 116 gekoppelt. Ein statischer Schaufelabschnitt 115 schließt stationäre Düsen 112 ein, die in Umfangsrichtung um die Rotorwelle 110 beabstandet sind. Jede Düse 112 kann mindestens eine Endwandung (oder Plattform) 120, 122 einschließen, die mit dem Luftleitblech 130 verbunden ist. In dem gezeigten Beispiel schließt die Düse 112 eine radial äußere Endwandung 120 und eine radial innere Endwandung 122 ein. Die radial äußere Endwandung 120 koppelt die Düse 112 mit einem Gehäuse 124 der Turbine 108.
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Im Betrieb strömt Luft durch den Verdichter 102 und wird der Brennkammer 104 Druckluft zugeführt. Insbesondere wird die komprimierte Luft der Brennstoffdüsenanordnung 106 zugeführt, die in die Brennkammer 104 integriert ist. Die Brennstoffdüsenanordnung 106 steht in Strömungsverbindung mit dem Verbrennungsbereich 105. Die Brennstoffdüsenanordnung 106 steht auch in Strömungsverbindung mit einer Brennstoffquelle (in 1 nicht gezeigt) und leitet Brennstoff und Luft zum Verbrennungsbereich 105. Die Brennkammer 104 zündet und verbrennt Brennstoff. Die Brennkammer 104 steht in Strömungsverbindung mit der Turbine 108, innerhalb derer thermische Energie des Gasstroms in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird. Die Turbine 108 ist drehbar mit der Rotorwelle 110 gekoppelt und treibt diese an. Der Verdichter 102 kann ebenfalls drehbar mit der Rotorwelle 110 gekoppelt sein. In der veranschaulichenden Ausführungsform gibt es mehrere Brennkammern 104 und Brennstoffdüsenanordnungen 106. Im Folgenden wird, sofern nicht auf andere Weise angegeben, von jeder Komponente nur eine erläutert. Mindestens ein Ende der rotierenden Rotorwelle 110 kann sich axial von der Turbine 108 weg erstrecken und kann an einer Last oder einer Maschine (nicht gezeigt) befestigt sein, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, einem Generator, einem Lastverdichter und/oder einer anderen Turbine.
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3 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer illustrativen Turbinenrotorschaufel 114 im Detail als Schaufel 200. Zu Beschreibungszwecken kann in den Zeichnungen eine Legende angegeben werden, in der sich die X-Achse im Allgemeinen axial erstreckt, die Y-Achse im Allgemeinen senkrecht zur Achse Ader Rotorwelle 110 (1) verläuft (was eine Umfangsebene anzeigt) und die Z-Achse sich radial, relativ zu einer Achse Ader Rotorwelle 110 (1) erstreckt. Relativ zu 3 zeigen die Pfeilspitzen in der Legende die Richtung der positiven Koordinatenwerte an. Die Schaufel 200 ist eine drehbare (dynamische) Schaufel, die Teil des Satzes von Turbinenrotorschaufeln 114 ist, die um die Rotorwelle 110 (1) in einer Stufe einer Turbine (z. B. Turbine 108) herum verteilt sind. Das heißt, dass während des Betriebs der Turbine, wenn ein Arbeitsfluid (z. B. Gas oder Dampf) über das Luftleitblech der Schaufel geleitet wird, die Schaufel 200 die Rotation einer Rotorwelle (z. B. der Rotorwelle 110) einleitet und sich um die von der Rotorwelle 110 definierte Achse A dreht. Es versteht sich, dass die Schaufel 200 so konfiguriert ist, dass sie mit einer Vielzahl ähnlicher oder unterschiedlicher Schaufeln (z. B. Schaufeln 200 oder andere Schaufeln) gekoppelt werden kann (mechanische Kopplung über Befestigungselemente, Schweißnähte, Schlitze/Nuten usw.), um einen Schaufelsatz in einer Stufe der Turbine zu bilden. Unter Bezugnahme auf 2 kann die Schaufel 200 in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen eine Schaufel der ersten Stufe (L0), eine Schaufel der zweiten Stufe (L1), eine Schaufel der dritten Stufe (L2) oder eine Schaufel der vierten Stufe (L3) umfassen. In bestimmten Ausführungsformen ist das Blatt 200 ein Blatt der vierten Stufe (L3). In verschiedenen Ausführungsformen kann die Turbine 108 einen Satz Schaufeln 200 in nur der ersten Stufe (L0) oder in nur der zweiten Stufe (L3) oder in nur der dritten Stufe (L2) oder in nur der vierten Stufe (L3) der Turbine 108 einschließen.
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Zurück zu 3: Die Schaufel 200 kann ein Luftleitblech 202 mit einer Druckseite 204 (in dieser Ansicht verbaut) und einer Ansaugseite 206 gegenüber der Druckseite 204 aufweisen. Die Schaufel 200 kann auch eine Vorderkante 208 aufweisen, die sich zwischen der Druckseite 204 und der Ansaugseite 206 erstreckt, und eine Vorderkante 208, die einer Hinterkante 210 gegenüberliegt und sich zwischen der Druckseite 204 und der Ansaugseite 206 erstreckt. Wie erwähnt, ist die Druckseite 204 des Luftleitblechs 202 im Allgemeinen stromaufwärts und die Ansaugseite 206 ist im Allgemeinen stromabwärts gewandt.
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Wie dargestellt, kann die Schaufel 200 auch eine mit dem Luftleitblech 202 verbundene Endwandung 212 und eine Turbinenschaufelspitzenummantelung 220 (im Folgenden „Spitzenummantelung 220“) an einem radial äußeren Ende 222 des Luftleitblechs 202 aufweisen. Die Endwand 212 ist in 3 mit einem Schwalbenschwanz 224 dargestellt, aber die Endwand 212 kann jede geeignete Konfiguration zur Verbindung mit der Rotorwelle 110 haben. Die Endwandung 212 kann entlang der Druckseite 204, der Ansaugseite 206, der Vorderkante 208 und der Hinterkante 210 mit dem Luftleitblech 202 verbunden sein. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Schaufel 200 eine Hohlkehle 214 in der Nähe eines radial inneren Endes 226 des Luftleitblechs 202, wobei die Hohlkehle 214 das Luftleitblech 202 mit der Endwandung 212 verbindet. Die Hohlkehle 214 kann eine Schweiß- oder Hartlötkehle einschließen, die durch herkömmliches MIG-Schweißen, WIG-Schweißen, Hartlöten usw. gebildet werden kann. Die Hohlkehle 214 kann solche Formen enthalten, die in den Feingusverfahren integriert oder definiert sind. Die Endwandung 212 ist so konfiguriert, dass sie in einen passenden Schlitz (z.B. einen Schwalbenschwanzschlitz) in der Rotorwelle der Turbine (z.B. Rotorwelle 110) passt und mit benachbarten Komponenten anderer Schaufeln 200 zusammenpasst. Die Endwandung 212 soll sich radial innerhalb des Luftleitblechs 202 befinden und in einer beliebigen, zur Rotorwelle komplementären Konfiguration ausgebildet sein.
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Die Spitzenummantelung 220 kann mit dem Luftleitblech 202 entlang der Druckseite 204, der Ansaugseite 206, der Vorderkante 208 und der Hinterkante 210 verbunden werden. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Schaufel 200 eine Hohlkehle 228 in der Nähe des radial äußeren Endes 222 des Luftleitblechs 202, wobei die Hohlkehle 228 das Luftleitblech 202 mit der Spitzenummantelung 220 verbindet. Die Hohlkehle 228 kann eine Schweiß- oder Lotkehle einschließen, die durch herkömmliches MIG-Schweißen, WIG-Schweißen, Löten usw. gebildet werden kann. Die Hohlkehle 228 kann solche Formen als fester Bestandteil des Feingussverfahrens oder der Definition einschließen. In bestimmten Ausführungsformen können die Hohlkehlen 214 und/oder die Hohlkehlen 228 derart geformt sein, dass sie aerodynamische Wirkungsgrade verbessern.
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4 zeigt eine Draufsicht und 5 zeigt eine perspektivische Ansicht der Spitzenummantelung 220. Unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 kann die Spitzenummantelung 220 ein Paar gegenüberliegender, sich axial erstreckender Flügel 230 umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie mit dem Luftleitblech 202 am radial äußeren Ende 222 (3 und 5) des Luftleitblechs 202 gekoppelt sind (z. B. über die Hohlkehle 228). Insbesondere kann die Spitzenummantelung 220, wie in den 4 und 5 gezeigt, einen stromaufwärtigen Seitenflügel 232 und einen stromabwärtigen Seitenflügel 234 umfassen. Der stromaufwärts gelegene Flügel 232 erstreckt sich im Allgemeinen in Umfangsrichtung weg von einer Spitzenschiene 250 über die Druckseite 204 des Luftleitblechs 202, und der stromabwärts gelegene Flügel 234 erstreckt sich im Allgemeinen in Umfangsrichtung weg von der Spitzenschiene 250 über die Ansaugseite 206 des Luftleitblechs 202. Der stromaufwärts gelegene Seitenflügel 232 umfasst eine radiale Außenfläche 236, die im Allgemeinen radial nach außen von der Achse Ader Rotorwelle 110 (1) weist, und eine radiale Innenfläche 238, die im Allgemeinen radial nach innen zur Achse Ader Rotorwelle 110 (1) weist. In ähnlicher Weise umfasst der stromabwärtige Seitenflügel 234 eine radiale Außenfläche 240, die im Allgemeinen radial nach außen von der Achse Ader Rotorwelle 110 (1) weist, und eine radiale Innenfläche 242, die im Allgemeinen radial nach innen zur Achse Ader Rotorwelle 110 (1) weist.
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Die Spitzenummantelung 220 umfasst auch eine Spitzenschiene 250, die sich radial von einem Paar gegenüberliegender, axial verlaufender Flügel 230 erstreckt. Die Spitzenschiene 250 hat eine stromaufwärtige Seite 252 und eine stromabwärtige Seite 254, die der stromaufwärtigen Seite 252 gegenüberliegt. Die stromaufwärts gelegene Seite 252 der Spitzenschiene 250 ist im Allgemeinen in Umfangsrichtung zur Druckseite 204 des Luftleitblechs 202 gerichtet und verschmilzt gemäß den hier beschriebenen Oberflächenprofilen reibungslos mit der radialen Außenfläche 236 des stromaufwärts gelegenen Flügels 232. In ähnlicher Weise ist die stromabwärts gelegene Seite 254 der Spitzenschiene 250 im Allgemeinen in Umfangsrichtung zur Ansaugseite 206 des Luftleitblechs 202 gerichtet und verschmilzt gemäß den hier beschriebenen Oberflächenprofilen reibungslos mit der radialen Außenfläche 240 des stromabwärts gelegenen Flügels 234. Wie in 4 und 5 gezeigt, umfasst die Spitzenschiene 250 auch einen vordersten und radial äußersten Ursprung (Punkt) 260 an einem axial vorderen Ende und einen hintersten und radial äußersten Ursprung (Punkt) 262 an einem axial hinteren Ende. Der vorderste und radial äußerste Ursprung 260 dient als Ursprung für bestimmte hier beschriebene Oberflächenprofile, und der hinterste und radial äußerste Ursprung 262 dient als Ursprung für bestimmte andere hier beschriebene Oberflächenprofile.
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4 zeigt auch eine Reihe von Normalisierungsparametern, die, wie weiter beschrieben wird, verwendet werden können, um kartesische Koordinatenwerte für die verschiedenen Oberflächenprofile der Spitzenummantelung 220 nicht-denominational und skalierbar zu machen (und umgekehrt, nicht-denominationale kartesische Koordinatenwerte zu tatsächlichen Koordinatenwerten einer Spitzenummantelung zu machen). Wie in 4 dargestellt, ist eine „axiale Länge der Spitzenschiene (LTR)“ ein Abstand zwischen dem vordersten und radial äußersten Ursprung 260 und dem hintersten und radial äußersten Ursprung 262, der senkrecht zur Achse Ader Rotorwelle 110 ( 1), d. h. entlang der Y-Achse, verläuft. 4 zeigt auch eine „Mindestausdehnung in X-Richtung“ 270 der Spitzenschiene 250, d.h. einen Mindestabstand zwischen der stromaufwärts gelegenen Seite 252 der Spitzenschiene und der stromabwärts gelegenen Seite 254 der Spitzenschiene, der sich in X-Richtung erstreckt, d.h. senkrecht zur Achse Ader Rotorwelle 110 (1) entlang der X-Achse. Obwohl an einer bestimmten Stelle dargestellt, kann die minimale Ausdehnung der Spitzenschiene in X-Richtung 270 überall entlang der axialen Länge der Spitzenschiene liegen, einschließlich der stromaufwärts gelegenen Seite 252 und der stromabwärts gelegenen Seite 254, d. h. mit Ausnahme der abgewinkelten Enden der Spitzenschiene 250.
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Unter Bezugnahme auf die 5-12 werden nun verschiedene Oberflächenprofile der Spitzenummantelung 220 gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben. Die in den 5-12 dargestellten Datenpunkte sind schematisch dargestellt und stimmen möglicherweise nicht mit den Datenpunkten in den nachfolgend beschriebenen Tabellen überein. Die Oberflächenprofile werden jeweils in Form von X- und Y-Koordinaten und vielleicht auch Z-Koordinaten und Dicke identifiziert, die in einer Reihe von Tabellen aufgeführt sind, d. h. TABELLEN I, II, III, IV, V, VI. Die X-, Y- und Z-Koordinatenwerte und die Dickenwerte in den TABELLEN I-VI wurden in normalisierter oder nicht dimensionierter Form in Werten von 0 % bis 100 % ausgedrückt, aber es sollte offensichtlich sein, dass alle oder beliebige Werte stattdessen in Abstandseinheiten ausgedrückt werden können, solange die Prozentsätze und Proportionen beibehalten werden. Zur Umrechnung der X-, Y-, Z- oder Dickenwerte von TABELLE I-VI in tatsächliche jeweilige X-, Y- oder Z-Koordinatenwerte vom jeweiligen Ursprung (z. B. Ursprung 260 auf der Spitzenschiene 250) und Dicken in Entfernungseinheiten wie Zoll oder Meter können die in TABELLE I-VI angegebenen dimensionslosen Werte mit einem Normalisierungsparameterwert multipliziert werden. Wie erwähnt, kann der Normalisierungsparameter je nach dem relevanten Oberflächenprofil variieren. In jedem Fall kann durch Verbinden der X-, y- und/oder Z-Werte mit glatten Fortsetzungsbögen oder -linien je nach Oberflächenprofil jedes Oberflächenprofil ermittelt werden, wodurch die verschiedenen nominalen Spitzenummantelungsoberflächenprofile gebildet werden. Die Werte in den Tabellen I-VI sind mit drei Dezimalstellen erzeugte und angegebene nicht dimensionalisierte Werte zum Bestimmen der verschiedenen Oberflächennennprofile der Spitzenummantelung 220 bei Umgebungs-, Nichtbetriebs- oder Nicht-Heiß-Bedingungen und berücksichtigen keine Beschichtungen, obwohl Ausführungsformen andere Bedingungen und/oder Beschichtungen berücksichtigen könnten. Um typische Fertigungstoleranzen und/oder Schichtdicken zu berücksichtigen, können zu den in TABELLE I-VI aufgeführten Werten ±-Werte addiert werden. Beispielsweise kann eine Toleranz von etwa 10-20 % der Dicke eines Z-Kerben-Oberflächenprofils in einer Richtung senkrecht zu einer beliebigen Oberflächenposition entlang der betreffenden Spitzenummantelung einen Z-Kerben-Dickenbereich bei kalter oder Raumtemperatur definieren. Mit anderen Worten, ein Abstand von etwa 10-20 % der Dicke der betreffenden Z-Kerben-Oberfläche kann einen Variationsbereich zwischen gemessenen Punkten auf einer tatsächlichen Spitzenummantelung und idealen Positionen dieser Punkte definieren, insbesondere bei kalter oder Raumtemperatur, wie in der Offenbarung dargestellt. Die Konfigurationen der Spitzenummantelung, wie sie hierin verkörpert sind, sind robust gegenüber diesem Variationsbereich ohne Beeinträchtigung der mechanischen und aerodynamischen Funktionen.
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Die Oberflächenprofile können ohne Beeinträchtigung des Betriebs größer oder kleiner, wie auf geometrische Weise, skaliert werden. Eine solche Skalierung kann durch Multiplikation der normierten/nicht dimensionierten Werte mit einem gemeinsamen Skalierungsfaktor (d. h. dem tatsächlichen, gewünschten Abstand des Normierungsparameters) erleichtert werden, der eine größere oder kleinere Anzahl von Abstandseinheiten sein kann, als ursprünglich für eine Spitzenummantelung, z. B. mit einer bestimmten axialen Länge der Spitzenschiene oder einer Mindestausdehnung in X-Richtung, verwendet wurde. Zum Beispiel könnten die nicht dimensionalisierten Werte in Tabelle I, insbesondere die X- und Y-Werte, einheitlich mit einem Skalierungsfaktor von 2, 0,5 oder einen beliebigen anderen gewünschten Skalierungsfaktor des relevanten normalisierten Parameters multipliziert werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind die X-, Y- und Z-Abstände und die Z-Kerben-Dicken als Funktion derselben Konstante oder Zahl (z. B. die axiale Länge der Spitzenschiene oder die minimale X-Ausdehnung der Spitzenschiene) skalierbar, um eine vergrößerte oder verkleinerte Spitzenummantelung zu erhalten. Alternativ könnten die Werte mit einer größeren oder kleineren gewünschten Konstante multipliziert werden.
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Während die kartesischen Werte in TABELLE I-VI Koordinatenwerte an vorbestimmten Stellen liefern, kann nur ein Teil der kartesischen Koordinatenwerte, die in jeder Tabelle angegeben sind, verwendet werden. In einem nicht einschränkenden Beispiel, das sich auf 10 bezieht, kann die radiale Außenfläche 236 des Oberflächenprofils des stromaufwärts gelegenen Flügels 232 einen Teil der in TABELLE V definierten X-, Y- und Z-Koordinatenwerte verwenden, d. h. die Punkte 1 bis 120. Jeder Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, Z und Dicken, die in den TABELLEN I-VI angegeben sind, kann verwendet werden.
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6 zeigt eine Draufsicht auf die Spitzenummantelung 220, ähnlich wie 4, jedoch mit einer Anzahl von X-Y-Koordinatenpunkten, die ein Oberflächenprofil der Spitzenschiene auf der stromaufwärtigen Seite 252 und ein Oberflächenprofil der Spitzenschiene auf der stromabwärtigen Seite 254 definieren.
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In einer Ausführungsform hat die stromaufwärts gelegene Seite 252 der Spitzenschiene 250 eine Form mit einem Nennprofil, das im Wesentlichen mit mindestens einem Teil der in TABELLE I (unten) angegebenen kartesischen Koordinatenwerte von X, Y übereinstimmt und am vordersten und radial äußersten Ursprung 260 beginnt. Die kartesischen Koordinatenwerte sind dimensionslose Werte von 0 % bis 100 %, die in Entfernungen umgewandelt werden können, indem die X-Werte mit der minimalen X-Ausdehnung 270 der Spitzenschiene 250, ausgedrückt in Entfernungseinheiten, und die Y-Werte mit der axialen Länge der Spitzenschiene L
TR, ausgedrückt in Entfernungseinheiten, multipliziert werden. Das heißt, der Normalisierungsparameter für die X-Koordinaten ist eine minimale X-Ausdehnung 270 der Spitzenschiene 250, und der Normalisierungsparameter für die Y-Koordinaten ist die axiale Länge der Spitzenschiene L
TR der Spitzenschiene 250. Beim Hoch- oder Herunterskalieren können die X-Koordinatenwerte in TABELLE I mit der tatsächlichen, gewünschten X-Ausdehnung 270 (Skalierungsfaktor) der Spitzenschiene 260 multipliziert werden, um die tatsächlichen X-Koordinatenwerte des Oberflächenprofils der Spitzenschiene stromaufwärts 252 zu erhalten, und die Y-Koordinatenwerte in TABELLE I können mit der gewünschten axialen Länge L
TR der Spitzenschiene 250 multipliziert werden, um die entsprechenden tatsächlichen Y-Koordinatenwerte des Oberflächenprofils der Spitzenummantelung stromaufwärts 252 zu ermitteln. Insgesamt identifizieren die aktuellen X- und Y-Koordinatenwerte das Oberflächenprofil der Spitzenschiene auf der stromabwärtigen Seite 252 gemäß den Ausführungsformen der Offenlegung bei jeder gewünschten Größe der Spitzenummantelung. Wie in
6 dargestellt, können die X- und Y-Werte durch Linien verbunden werden, um das Oberflächenprofil der stromabwärtigen Seite der Spitzenschiene zu definieren. TABELLE 1 - Oberflächenprofil der Spitzenschiene auf der stromaufwärtigen Seite [nicht dimensionierte Werte]
| Pt | X | Y |
| 1 | 1,000 | 0,040 |
| 2 | 1,000 | 0,095 |
| 3 | 1,000 | 0,150 |
| 4 | 1,029 | 0,185 |
| 5 | 1,115 | 0,220 |
| 6 | 1,454 | 0,321 |
| 7 | 1,793 | 0,423 |
| 8 | 1,815 | 0,437 |
| 9 | 1,808 | 0,445 |
| 10 | 1,637 | 0,534 |
| 11 | 1,466 | 0,623 |
| 12 | 1,294 | 0,713 |
| 13 | 1,123 | 0,802 |
| 14 | 1,085 | 0,842 |
| 15 | 1,085 | 0,895 |
| 16 | 1,085 | 0,949 |
| 17 | 1,085 | 1,000 |
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In einer anderen Ausführungsform hat die stromabwärtige Seite 254 der Spitzenschiene 250 eine Form mit einem Nennprofil, das im Wesentlichen mit mindestens einem Teil der in TABELLE II (unten) aufgeführten kartesischen Koordinatenwerte von X, Y übereinstimmt und am vordersten und radial äußersten Ursprung 260 beginnt. Die kartesischen Koordinatenwerte sind dimensionslose Werte von 0 % bis 100 %, die in Entfernungen umgewandelt werden können, indem die X-Werte mit der minimalen X-Ausdehnung 270 der Spitzenschiene 250, ausgedrückt in Entfernungseinheiten, und die Y-Werte mit der axialen Länge der Spitzenschiene L
TR, ausgedrückt in Entfernungseinheiten, multipliziert werden. Auch hier ist der Normierungsparameter für die X-Koordinaten die minimale X-Ausdehnung 270 der Spitzenschiene 250, und der Normierungsparameter für die Y-Koordinaten ist die axiale Länge L
TR der Spitzenschiene 250. Beim Hoch- oder Herunterskalieren können die X-Koordinatenwerte in TABELLE II mit der tatsächlichen, gewünschten X-Ausdehnung 270 (Skalierungsfaktor) der Spitzenschiene 260 multipliziert werden, um die tatsächlichen X-Koordinatenwerte des Oberflächenprofils der Spitzenschiene stromabwärts 254 zu erhalten, und die Y-Koordinatenwerte in TABELLE I können mit der gewünschten axialen Länge L
TR (Skalierungsfaktor) der Spitzenschiene 250 multipliziert werden, um die entsprechenden tatsächlichen Y-Koordinatenwerte des Oberflächenprofils der Spitzenummantelung stromabwärts 254 zu ermitteln. Insgesamt identifizieren die erzeugten X- und Y-Koordinatenwerte das Oberflächenprofil der stromabwärts gelegenen Seite 254 der Spitzenschiene gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung bei jeder gewünschten Größe der Spitzenummantelung. Wie in
6 dargestellt, können die X- und Y-Werte durch Linien verbunden werden, um das Oberflächenprofil der Spitzenschiene auf der stromabwärtigen Seite 254 zu definieren. TABELLE II - Oberflächenprofil der Spitzenschiene auf der stromabwärtigen Seite [nicht dimensionierte Werte]
| Pt | X | Y |
| 1 | 0,000 | 0,000 |
| 2 | 0,000 | 0,080 |
| 3 | 0,000 | 0,159 |
| 4 | -0,057 | 0,208 |
| 5 | -0,226 | 0,280 |
| 6 | -0,394 | 0,352 |
| 7 | -0,563 | 0,424 |
| 8 | -0,577 | 0,436 |
| 9 | -0,569 | 0,445 |
| 10 | -0,414 | 0,535 |
| 11 | -0,258 | 0,624 |
| 12 | -0,103 | 0,714 |
| 13 | 0,053 | 0,803 |
| 14 | 0,085 | 0,839 |
| 15 | 0,085 | 0,880 |
| 16 | 0,085 | 0,921 |
| 17 | 0,085 | 0,962 |
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In einer anderen Ausführungsform kann die Spitzenummantelung 220 auch sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts liegende Oberflächenprofile der Spitzenschiene umfassen, wie in den TABELLEN I und II beschrieben.
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7 zeigt eine Teilgrundrissansicht der Spitzenummantelung 220 an einer vorderen Z-Kerben-Oberfläche 276, und 8 zeigt eine Teilgrundrissansicht der Spitzenummantelung 220 an einer hinteren Z-Kerben-Oberfläche 278. Wie auf dem Gebiet üblich, passen die Z-Kerben-Oberflächen 276, 278 benachbarter Spitzenummantelungen 220 an benachbarten Schaufeln 200 (3) zusammen, um gemeinsam eine radial innere Oberfläche für einen Heißgasweg in der Turbine 108 ( 1) zu definieren, z. B. über die Flügel 230. 5 zeigt eine perspektivische Vorwärtsansicht der vorderen Z-Kerben-Oberfläche 276, und 9 zeigt eine perspektivische Rückwärtsansicht der hinteren Z-Kerben-Oberfläche 278. Jede Z-Kerben-Oberfläche 276, 278 hat eine Dicke oder radiale Ausdehnung Thk, die entlang ihrer Länge variiert und die Teil eines Z-Kerben-Oberflächenprofils sein kann, gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung.
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Die führende Z-Kerben-Oberfläche 276 (
5 und
7) kann eine Form mit einem Sollprofil haben, das im Wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, Z und den Dickenwerten (Thk) in TABELLE III (unten) übereinstimmt und vom vordersten und radial äußersten Ursprung 260 ausgeht. Die kartesischen Koordinaten- (und Dicken-) Werte sind dimensionslose Werte von 0 % bis 100 %, die durch Multiplikation mit der axialen Länge der Spitzenschiene L
TR in Abstände umgewandelt werden können (
4). Das heißt, der Normalisierungsparameter für die X-, Y- und Z-Koordinaten und die Dicke (Thk) sind gleich: axiale Länge der Spitzenschiene (L
TR) der Spitzenschiene 250. Beim Hoch- oder Runterskalieren können die X-, Y-, Z-Koordinaten- und Dickenwerte (Thk) in TABELLE III mit der tatsächlichen, gewünschten axialen Länge (L
TR) der Spitzenschiene 250 multipliziert werden, um die entsprechenden tatsächlichen X-, Y-, Z-Koordinaten- und/oder Dickenwerte (Thk) des führenden Z-Kerben-Oberflächenprofils zu ermitteln. Die angegebene Dicke (Thk) des führenden Z-Kerben-Oberflächenprofils bei jedem X- und Y-Koordinatenwert erstreckt sich von einem entsprechenden Z-Wert radial nach innen. Das heißt, die Z-Koordinatenwerte sind die einer radial äußeren Flügelfläche 236 des stromaufwärts gelegenen Flügels 232, von der aus sich die Dicke (Thk) radial nach innen (auf der Seite nach unten) erstreckt. Die tatsächlichen X- und Y-Koordinatenwerte können fließend miteinander verbunden werden, um das führende Z-Kerben-Oberflächenprofil zu bilden. TABELLE III - Führendes Z-Kerben-Oberflächenprofil [nicht dimensionierte Werte]
| Pt | X | Y | Z | Thk |
| 1 | -0,153 | -0,116 | -0,101 | 0,019 |
| 2 | -0,145 | -0,114 | -0,100 | 0,025 |
| 3 | -0,137 | -0,113 | -0,100 | 0,026 |
| 4 | -0,128 | -0,112 | -0,102 | 0,028 |
| 5 | -0,118 | -0,111 | -0,105 | 0,028 |
| 6 | -0,108 | -0,111 | -0,109 | 0,028 |
| 7 | -0,098 | -0,112 | -0,113 | 0,027 |
| 8 | -0,088 | -0,113 | -0,116 | 0,025 |
| 9 | -0,084 | -0,114 | -0,116 | 0,024 |
| 10 | -0,078 | -0,114 | -0,117 | 0,024 |
| 11 | -0,072 | -0,113 | -0,117 | 0,024 |
| 12 | -0,066 | -0,110 | -0,117 | 0,025 |
| 13 | -0,061 | -0,104 | -0,116 | 0,026 |
| 14 | -0,056 | -0,096 | -0,115 | 0,027 |
| 15 | -0,052 | -0,089 | -0,114 | 0,028 |
| 16 | -0,048 | -0,082 | -0,112 | 0,031 |
| 17 | -0,043 | -0,074 | -0,111 | 0,034 |
| 18 | -0,039 | -0,067 | -0,109 | 0,037 |
| 19 | -0,035 | -0,060 | -0,108 | 0,042 |
| 20 | -0,031 | -0,053 | -0,105 | 0,047 |
| 21 | -0,027 | -0,046 | -0,101 | 0,051 |
| 22 | -0,025 | -0,043 | -0,096 | 0,061 |
| 23 | -0,023 | -0,040 | 0,000 | 0,157 |
| 24 | -0,018 | -0,030 | 0,000 | 0,159 |
| 25 | -0,012 | -0,020 | 0,000 | 0,160 |
| 26 | -0,006 | -0,010 | 0,000 | 0,162 |
| 27 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,164 |
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Die hintere Z-Kerben-Oberfläche 278 (
9) kann eine Form haben, die ein Nennprofil aufweist, das im Wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, Z und den Dickenwerten (Thk) in TABELLE IV (unten) übereinstimmt und ihren Ursprung im hintersten und radial äußersten Ursprung 262 hat. Die kartesischen Koordinaten- (und Dicken-) Werte sind dimensionslose Werte von 0% bis 100%, die durch Multiplikation mit der axialen Länge der Spitzenschiene (L
TR) in Abstände umgewandelt werden können. Das heißt, die Normalisierungsparameter für die X-, Y- und Z-Koordinaten und die Dicke (Thk) sind gleich, die axiale Länge der Spitzenschiene (L
TR) der Spitzenschiene 250. Beim Vergrößern oder Verkleinern können die X-, Y-, Z-Koordinaten- und Dickenwerte (Thk) in TABELLE IV mit der tatsächlichen, gewünschten axialen Länge (L
TR) der Spitzenschiene 250 multipliziert werden, um die entsprechenden tatsächlichen X-, Y-, Z-Koordinaten- und/oder Dickenwerte (Thk) des nachlaufenden Z-Kerben-Oberflächenprofils zu ermitteln. Die angegebene Dicke (Thk) des hinteren Z-Kerben-Oberflächenprofils bei jedem X- und Y-Koordinatenwert erstreckt sich von einem entsprechenden Z-Wert radial nach innen. Das heißt, die Z-Koordinatenwerte sind die einer radial äußeren Flügelfläche 240 des stromabwärts gelegenen Flügels 234, von der aus sich die Dicke (Thk) radial nach innen (auf der Seite nach unten) erstreckt. Die tatsächlichen X- und Y-Koordinatenwerte können fließend miteinander verbunden werden, um das führende Z-Kerben-Oberflächenprofil zu bilden. TABELLE IV - Z-Kerben-Oberflächenprofil der hinteren Seite [nicht dimensionierte Werte]
| Pt | X | Y | Z | Thk |
| 1 | 0,000 | 0,000 | 0,000 | 0,154 |
| 2 | 0,006 | 0,010 | 0,001 | 0,157 |
| 3 | 0,012 | 0,020 | 0,001 | 0,159 |
| 4 | 0,018 | 0,030 | 0,002 | 0,161 |
| 5 | 0,023 | 0,039 | -0,078 | 0,164 |
| 6 | 0,028 | 0,048 | -0,091 | 0,075 |
| 7 | 0,032 | 0,055 | -0,099 | 0,070 |
| 8 | 0,036 | 0,061 | -0,106 | 0,065 |
| 9 | 0,040 | 0,069 | -0,112 | 0,059 |
| 10 | 0,044 | 0,076 | -0,118 | 0,054 |
| 11 | 0,047 | 0,079 | -0,121 | 0,050 |
| 12 | 0,050 | 0,082 | -0,124 | 0,046 |
| 13 | 0,057 | 0,087 | -0,131 | 0,041 |
| 14 | 0,065 | 0,088 | -0,137 | 0,037 |
| 15 | 0,075 | 0,085 | -0,144 | 0,033 |
| 16 | 0,089 | 0,077 | -0,153 | 0,030 |
| 17 | 0,103 | 0,070 | -0,162 | 0,026 |
| 18 | 0,116 | 0,063 | -0,170 | 0,022 |
| 19 | 0,123 | 0,059 | -0,174 | 0,019 |
| 20 | 0,135 | 0,052 | -0,181 | 0,018 |
| 21 | 0,148 | 0,045 | -0,185 | 0,018 |
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In einer anderen Ausführungsform kann die Spitzenummantelung 220 auch sowohl vordere als auch hintere Z-Kerben-Oberflächenprofile aufweisen, wie in den TABELLEN III und IV beschrieben.
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10 zeigt eine Draufsicht einer Spitzenabdeckung 220, die eine Anzahl von Punkten einschließt, die mindestens einen Abschnitt der radialen Außenfläche 236 des stromaufwärtigen Flügels 232 der Spitzenummantelung 220 und eine Anzahl von Punkt definieren, die mindestens einen Abschnitt der radialen Außenfläche 240 des stromabwärtigen Flügels 234 der Spitzenummantelung 220 definieren. 11 zeigt eine perspektivische Vorderansicht der stromaufwärtigen radialen Außenoberfläche 236 des stromaufwärtigen Flügels 232 und 12 zeigt eine perspektivische Rückansicht der stromabwärtigen radialen Außenfläche 240 des stromabwärtigen Flügels 234.
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Eine radial äußere Oberfläche 236 des Flügels 232 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Spitzenschiene 220 kann eine Form haben, die ein Nennprofil aufweist, das im Wesentlichen mit mindestens einem Teil der in TABELLE V (unten) aufgeführten kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, Z übereinstimmt und ihren Ursprung im vordersten und radial äußersten Ursprung 260 hat. Die kartesischen Koordinatenwerte sind dimensionslose Werte von 0% bis 100%, die durch Multiplikation mit der axialen Länge der Spitzenschiene (L
TR) in Entfernungen umgewandelt werden können. Das heißt, der Normalisierungsparameter für die X-, Y- und Z-Koordinaten ist derselbe, die axiale Länge der Spitzenschiene (L
TR) der Spitzenschiene 250. Beim Hoch- oder Herunterskalieren können die X-, Y- und Z-Koordinatenwerte in TABELLE V mit der tatsächlichen, gewünschten axialen Länge (L
TR) der Spitzenschiene 250 multipliziert werden, um die entsprechenden tatsächlichen X-, Y- und Z-Koordinatenwerte des Profils der stromaufwärts gelegenen radialen Außenfläche 236 zu ermitteln. Die tatsächlichen X-, Y- und Z-Koordinatenwerte können nahtlos miteinander verbunden werden, um das Profil der stromaufwärts gelegenen radialen Außenfläche 236 zu bilden.
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Eine radial äußere Oberfläche 240 des Flügels 234 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Spitzenschiene 220 kann eine Form haben, die ein Nennprofil aufweist, das im Wesentlichen mit mindestens einem Teil der kartesischen Koordinatenwerte von X, Y, Z, die in TABELLE VI (unten) angegeben sind, übereinstimmt und am hintersten und radial äußersten Ursprung 262 beginnt. Die kartesischen Koordinatenwerte sind dimensionslose Werte von 0% bis 100%, die durch Multiplikation mit der axialen Länge L
TR der Spitzenschiene in Abstände umgewandelt werden können. Das heißt, der Normalisierungsparameter für die X-, Y- und Z-Koordinaten ist derselbe, die axiale Länge der Spitzenschiene (L
TR) der Spitzenschiene 250. Beim Hoch- oder Herunterskalieren können die X-, Y- und Z-Koordinatenwerte in TABELLE VI mit der tatsächlichen, gewünschten axialen Länge (L
TR) der Spitzenschiene 250 multipliziert werden, um die entsprechenden tatsächlichen X-, Y- und Z-Koordinatenwerte des Profils der stromabwärts gelegenen radialen Außenfläche 240 zu ermitteln. Die tatsächlichen X-, Y- und Z-Koordinatenwerte können nahtlos miteinander verbunden werden, um das Profil der stromabwärts gelegenen radialen Außenfläche 240 zu bilden.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Spitzenummantelung 220 auch sowohl ein Profil der stromabwärts gelegenen radialen Außenfläche 240 als auch ein Profil der stromaufwärts gelegenen radialen Außenfläche 236 aufweisen.
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Andere Ausführungsformen der Offenbarung können eine beliebige Kombination der hier beschriebenen Oberflächenprofile umfassen.
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Die offenbarten Oberflächenprofile bieten einzigartige Formen, um beispielsweise Folgendes zu erreichen: 1) eine verbesserte Interaktion zwischen den anderen Stufen der Turbine 108 (1); 2) aerodynamische Effizienz; und 3) normalisierte aerodynamische und mechanische Schaufel- oder Spitzenummantelung-Belastungen. Die in TABELLE I-VI definierten Punkte ermöglichen dem GT-System 100 oder jedem anderen geeigneten Turbinensystem einen effizienten, sicheren und reibungslosen Betrieb. Wie ebenfalls erwähnt, kann jede beliebige Größe der Spitzenummantelung 220 verwendet werden, solange: 1) Interaktion zwischen anderen Stufen im Druck der Turbine 108 (1); 2) aerodynamische Effizienz; und 3) normalisierte aerodynamische und mechanische Schaufel- oder Luftleitblechbelastungen in der maßstabsgetreuen Turbine beibehalten werden.
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Das hierin beschriebene Oberflächenprofil(e) der Spitzenummantelung 220 verbessert somit den Gesamtwirkungsgrad des GT-Systems 100. Insbesondere bieten das/die Oberflächenprofil(e) der Spitzenummantelung 220 einen gewünschten Turbinenwirkungsgrad (heiß, kalt, Teillast, etc.). Das/die Oberflächenprofil(e) der Spitzenummantelung 220 erfüllt/erfüllen auch alle aeromechanischen und Belastungsanforderungen. Turbinenschaufeln, einschließlich der hier beschriebenen Spitzenummantelung 220, haben sehr spezifische aerodynamische Anforderungen. Um diese zu erfüllen, war ein erheblicher funktionsübergreifender Aufwand erforderlich. Das/die Oberflächenprofil(e) der Spitzenummantelung 220 der Turbinenschaufel 200 weisen daher eine spezifische Form auf, um die aerodynamischen, mechanischen und Wärmeübertragungsanforderungen auf effiziente und kostengünstige Weise zu erfüllen.
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Die Einrichtungen und Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf eine bestimmte Turbomaschine, ein bestimmtes Triebwerk, eine bestimmte Turbine, ein bestimmtes Strahltriebwerk, ein bestimmtes Stromerzeugungssystem oder ein anderes System beschränkt und können mit Turbomaschinen, wie Flugzeugsystemen, Stromerzeugungssystemen (z. B. einfacher Zyklus oder kombinierter Zyklus) und/oder anderen Systemen (z. B. einem Kernreaktor) verwendet werden. Zusätzlich kann die Einrichtung der vorliegenden Offenbarung mit anderen Systemen verwendet werden, die hierin nicht beschrieben sind, die von der erhöhten Effizienz der hierin beschriebenen Einrichtung und Vorrichtungen profitieren können.
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Eine Annäherungssprache, wie sie hierin in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewendet werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die zulässig variieren könnte, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion zu führen, auf die sie sich bezieht. Dementsprechend ist ein Wert, der durch einen Begriff oder Begriffe wie „ungefähr“, „annähernd“ und „wesentlich“ modifiziert ist, nicht auf den genau angegebenen Wert zu beschränken. Mindestens in einigen Fällen kann die Annäherungsformulierung der Genauigkeit eines Instruments zum Messen des Werts entsprechen. Hier und in der gesamten Patentschrift und den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen kombiniert und/oder ausgetauscht werden; solche Bereiche sind identifiziert und schließen alle darin enthaltenen Unterbereiche ein, sofern Kontext oder Formulierung nichts anderes angeben. „Etwa“, bezogen auf einen bestimmten Wert eines Bereichs, gilt für beide Endwerte und kann, sofern nicht anders angegeben, in Abhängigkeit von der Genauigkeit des Geräts, das den Wert misst, +/- 10% des angegebenen Werts/der angegebenen Werte angeben.
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Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Stufen plus Funktionselemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen jede Struktur, jedes Material oder jede Handlung zum Ausführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen umfassen, wie speziell beansprucht. Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt, soll jedoch nicht erschöpfend sein oder auf die Offenbarung in der offenbarten Form beschränkt sein. Für den Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen offensichtlich, ohne vom Schutzumfang und Geist der Offenbarung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und um es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Offenbarung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, die für die jeweilige vorgesehene Verwendung geeignet sind.
