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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Statorleitschaufel mit
gekühltem
Innenraum und betrifft im Spezielleren eine Statorleitschaufel mit
einer kühlbaren
Plattform.
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Eine
Rotationsmaschine mit axialer Strömung, wie z.B. ein Gasturbinentriebwerk
für ein
Flugzeug, weist einen Kompressionsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt
und einen Turbinenabschnitt auf. Ein ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmediumgase verläuft axial
durch die Abschnitte des Triebwerks bzw. der Maschine hindurch.
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Die
Maschine führt
den Arbeitsmediumgasen Brennstoff zu und verbrennt den Brennstoff
in dem Verbrennungsabschnitt, um heiße, druckbeaufschlagte Gase
zu bilden. Die heißen
Arbeitsmediumgase werden durch den Turbinenabschnitt expandiert,
um Energie in Form von Arbeit aus den Gasen zu extrahieren. Die
Energie wird zu dem Kompressionsabschnitt übertragen, um den Druck der
einströmenden
Gase zu erhöhen.
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Der
Turbinenabschnitt beinhaltet einen Rotor zum Empfangen dieser Arbeit
von den heißen
Arbeitsmediumgasen. Der Rotor erstreckt sich axial durch die Maschine.
Der Rotor beinhaltet eine Rotoranordnung in dem Turbinenabschnitt.
Ferner weist der Rotor auch eine Rotoranordnung in dem Kompressionsabschnitt
auf. Die Rotoranordnungen weisen Anordnungen von Rotorlaufschaufeln
auf, die sich nach außen
durch den Arbeitsmediumströmungsweg
erstrecken, durch den die Gase hindurch geleitet werden. Anordnungen
der Rotorlaufschaufeln in dem Turbinenabschnitt erhalten Energie
von den heißen
Arbeitsmediumgasen und treiben die Rotoranordnung mit hohen Geschwindigkeiten
um eine Rotationsachse an. Anordnungen von Rotorlaufschaufeln in
dem Kompressionsabschnitt übertragen Energie
auf die Arbeitsmediumgase, um die Gase zu verdichten, während die
Strömungsprofile
durch den Rotor um die Rotationsachse angetrieben werden.
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Die
Maschine beinhaltet einen Stator, der um den Rotor herum angeordnet
ist. Der Stator weist eine Statoranordnung mit einem äußeren Gehäuse auf.
Das äußere Gehäuse erstreckt
sich umfangsmäßig um den
Arbeitsmediumströmungsweg
herum, um den Strömungsweg
zu begrenzen. Die Statoranordnung weist Dichtungselemente auf, wie
z.B. ein in Umfangsrichtung verlaufendes Dichtungselement, das radial
um die Rotoranordnung herum angeordnet ist. Das Dichtungselement
ist aus bogenförmigen Segmenten
gebildet, die dem Dichtungselement eine Änderung des Durchmessers in
Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen der Maschine ermöglichen. Das Dichtungselement
ist in unmittelbarer Nähe
zu den Spitzen der Rotorlaufschaufeln angeordnet, um dadurch eine
Dichtung zu bilden, die die Leckage von Arbeitsmediumgasen aus dem
Strömungsweg
blockiert.
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Die
Statoranordnung weist ferner Anordnungen von Statorleitschaufeln
auf, die sich über
den Arbeitsmediumströmungsweg
radial nach innen erstrecken. Die Statorleitschaufeln werden üblicherweise als
Leitschaufel-Cluster bezeichnet und umfassen ein oder mehrere Strömungsprofile
oder Statorleitschaufeln. Die Statorleitschaufeln sind umfangsmäßig um die
Achse A der Maschine herum angeordnet und mit einem kleinen umfangsmäßigen Spalt
G voneinander beabstandet.
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Die
Anordnungen der Statorleitschaufeln sind strömungsaufwärts von den Anordnungen der Rotorlaufschaufeln
sowohl in dem Kompressionsabschnitt als auch in dem Turbinenabschnitt
angeordnet. Die Statorleitschaufeln führen die Arbeitsmediumgase,
während
die Gase den Strömungsweg
entlang strömen.
Jede Statorleitschaufel weist ein Strömungsprofil auf, das dazu ausgebildet
ist, die Arbeitsmediumgase beim Hindurchströmen der Gase durch die Maschine
aufzunehmen, mit diesen in Wechselwirkung zu treten und sie abzugeben.
Die Statorleitschaufeln haben eine Konstruktion, wie z.B. eine innere
Plattform und eine äußere Plattform,
die den Strömungsweg
für die
Arbeitsmediumgase begrenzen.
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Die
Strömungsprofile
in dem Turbinenabschnitt sind unter Betriebsbedingungen in die heißen Arbeitsmediumgase
eingetaucht. Bestimmte Strömungsprofile
in dem Turbinenabschnitt, wie z.B. Statorleitschaufeln in der Hochdruckturbine,
werden durch Hindurchströmenlassen
von Kühlluft
durch das Strömungsprofil
gekühlt,
um inakzeptabel hohe Temperaturen in den Wänden des Strömungsprofils
zu vermeiden. Jede Statorleitschaufel weist eine oder mehrere große Öffnungen
an ihrem inneren Ende sowie in der Nähe ihres äußeren Endes nahe dem äußeren Gehäuse auf,
um die Kühlluft
zu empfangen.
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Ein
Federdichtungselement, das üblicherweise
als Federdichtung bezeichnet wird, ist typischerweise bei modernen
Maschinen zwischen jedem Paar umfangsmäßig voneinander beabstandeter
Statorleitschaufeln vorgesehen. Das Dichtungselement überbrückt den
Spalt G zwischen den Statorleitschaufeln, um die Leckage von der
Schaufel zugeführter
Kühlluft
in den Arbeitsmediumströmungsweg durch
Hindurchfließen
durch den Spalt G zu blockieren. Als ein Beispiel ist eine solche
kühlbare
Anordnung von Wandsegmenten in dem US-Patent 4,767,260 gezeigt,
erteilt für
Clevenger et al., mit dem Titel "Statorleitschaufelplattform-Kühleinrichtung". Der Federdichtungsschlitz
erstreckt sich typischerweise in einen Bereich in der Nähe einer
hinteren Schiene zum Anbringen der Statorleitschaufel an einer benachbarten
Konstruktion. Bei manchen Ausbildungen ist eine radial verlaufende
Federdichtung in der Schiene angeordnet. Bei anderen Ausbildungen wird
ein Paar Federdichtungen verwendet, um einen Kühlluftkanal zum Strömenlassen
von Kühlluft
zwischen den Federdichtungen zu einer strömungsabwärtigen Stelle zu bilden, wie
dies in dem US-Patent 4,688,988, erteilt für Olsen mit dem Titel "Kühlbare Statoranordnung für Gasturbinenmaschine" gezeigt ist. Die
Statorleitschaufel weist typischerweise viele kleine Kühlluftöffnungen
auf, die sich von dem Inneren des Strömungsprofils zur Außenseite
des Strömungsprofils
erstrecken. Die Kühlluftöffnungen
kühlen
das Strömungsprofil
durch Konvektion und geben Kühlluft
an der Gaswegoberfläche
ab, um eine Filmkühlung
von solchen Bereichen des Strömungsprofils,
wie dem Vorderkantenbereich oder dem Hinterkantenbereich, zu schaffen.
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Die
Wandsegmente der äußeren Luftdichtung
und die Plattformen der Statorleitschaufeln befinden sich in inniger
Berührung
mit den heißen
Arbeitsmediumgasen und werden in unterschiedlichen Mengen mit Wärme von
den Gasen über
der Oberfläche
der Plattform beaufschlagt. Die äußeren Luftdichtungssegmente
und die Plattformen der Turbinenleitschaufeln werden mit Kühlluft von
den Öff nungen
versorgt, die sich in Strömungsverbindung
mit inneren Kühlpassagen
befinden. Ein Beispiel findet sich in dem US-Patent 5,413,458, erteilt
für Calderbank,
mit dem Titel "Turbinenleitschaufel
mit einem Plattformhohlraum mit Doppelzufuhr für Kühlfluid". Bei Calderbank beinhaltet die Turbinenleitschaufel einen
Plattformhohlraum mit einem ersten Einlass, der sich auf der Druckseite
befindet, und mit einem zweiten Einlass, der sich auf der Sogseite
der Statorleitschaufel befindet. Eine Kühlpassage erstreckt sich von
beiden Stellen nach hinten, so dass eine Strömung in der gleichen Richtung
zu der Hinterkante der Plattform hin stattfindet. Die Strömung sorgt
für eine
Konvektionskühlung
und Filmkühlung
durch Abgeben von Kühlfluid
durch Austrittsleitungen, wie z.B. Filmkühlungsöffnungen, die sich von der
Passage zu Strömungsflächen an
der Plattform erstrecken.
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Ein
frühes
Beispiel eines Kühlungskonzepts für eine Leitschaufelplattform
ist gezeigt in dem US-Patent 3,628,880, erteilt für Smuland
et al., mit dem Titel "Leitschaufelanordnung
und Temperatursteueranordnung".
Das US-Patent 4,017,213, erteilt für Przirembel, mit dem Titel "Turbomaschinerie-Leitschaufel
oder -Laufschaufel mit gekühlten
Plattformen" zeigt
Anordnungen kleiner Kühlleitungen
zum Schaffen einer Kombination aus Aufprall-, Konvektions- und Filmkühlung für die Plattform.
Die selektive Platzierung der Leitungen beinhaltet eine Leitung,
die sich durch die Plattformhinterkante erstreckt, um die Hinterkante
einer Konvektionskühlung
zu unterziehen. Das US-Patent 4,946,346, erteilt für Ito, mit
dem Titel "Gasturbinenleitschaufel" zeigt eine Mehrzahl kleiner
Leitungen, die sich durch den Hinterkantenbereich erstrecken, sowie
Filmkühlungsöffnungen, die
in Verbindung mit den Öffnungen
verwendet werden.
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Serpentinenpassagen
werden ebenfalls bereits zum Kühlen
von äußeren Luftdichtungen
und zum Kühlen
von Turbinenleitschaufeln verwendet. Ein Beispiel einer äußeren Luftdichtungskonstruktion mit
Serpentinenpassagen findet sich in dem US-Patent 5,538,393, erteilt
für Thompson
et al., mit dem Titel "Turbinenverkleidungssegment
mit Serpentinenkühlkanälen mit
gebogener Passage".
Bei Thompson ist die äußere Luftdichtung
mit einer Mehrzahl von Serpentinenkanälen versehen, die sich zwischen
den Seiten des äußeren Luftdichtungssegments
erstrecken. Ein Serpentinenkanal wurde auch in dem US-Patent 4,353,679
verwendet, das für
Hauser erteilt wurde und den Titel "Fluidgekühltes Element" hat. Bei Hauser
verläuft
der Serpentinenkanal nach hinten sowie von Seite zu Seite und erzeugt
einen Strömungsweg,
der von der Hinterkante nach vorne in die Plattform verläuft, um
Filmkühlluft
abzugeben, die dann nach hinten über
die Plattform strömt.
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Trotz
der vorstehend erläuterten
Techniken versuchen die Wissenschaftler und Ingenieure der Anmelderin
eine relativ einfache Kühlpassage
für den
Hinterkantenbereich einer Plattform für eine Statorleitschaufel zu
entwickeln, um die Plattformen der Statorleitschaufeln zu kühlen.
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Die
vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass
Kantenbereiche der Plattform für
eine Statorleitschaufel in der Nähe
der Sogseite besonders unter Wärmeübertragungsbelastungen
aufgrund von Endwandeffekten in der Strömung leiten, wie diese teilweise
durch die Strömung zwischen
den Anordnungen der Statorleitschaufeln verursacht werden. Auch
basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass ausgeleitete Kühlluft von
einer Statorleitschaufel zum Kompensieren der Kühlerfordernisse für eine benachbarte
Konstruktion verwendet werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Plattform für
eine Statorleitschaufel eine Passage mit zwei Durchgängen für Kühlfluid
auf, die in dem Hinterkantenbereich der Leitschaufel angeordnet sind,
wobei die Passage in Richtung auf die Seiten verläuft und
um sich selbst zurückgeführt ist,
um die Strömung
mit dem am äußersten
Ende befindlichen Bereich der Passage, der der Hinterkante benachbart
ist, umzukehren, um zumindest die Hälfte der in die Passage eintretenden
Strömung
aufzunehmen und die Strömung
der Gaswegoberfläche
benachbart sowie durch die Hinterkante hindurch abzugeben (der Begriff "Strömung", wie er hierin verwendet
wird, bezieht sich auf die Menge an Kühlfluid, die in einer bestimmten
Zeitdauer fließt).
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Gemäß einem
ausführlichen
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hat die Passage einen Umkehrbereich benachbart
der Seite der Plattform, der die Passage zum Durchlaufen von Winkelbereichen
in dem Umkehrbereich veranlasst, wobei deren Summe größer ist
als 180 Grad.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist die Passage derart orientiert, dass
die Strömung
gegen eine Wand der Passage auftrifft, die in einem Winkel zu der
Strömung
angeordnet ist, um den Wärmetransfer
in diesen Bereichen zu erhöhen.
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Gemäß einem
speziellen Ausführungsbeispiel
verursachen die Strömungseigenschaften
von Austrittsleitungen aus der Passage in Strömungsverbindung mit dem Äußeren der
Plattform, dass zumindest die Hälfte
der Strömung,
die an dem der Kante benachbarten Bereich der Passage eintritt, über die Hinterkante
der Plattform austritt.
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Ein
primäres
Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in einer Kühlpassage
mit Schenkeln, die in dem Hinterkantenbereich des Strömungsprofils angeordnet
sind. Die Schenkel weisen einen Strömungsweg auf, der sich in entgegengesetzten
Richtungen zu den Seiten der Plattform hin erstreckt. Bei einem
speziellen Ausführungsbeispiel
besteht ein Merkmal in einem Umkehrbereich zwischen benachbarten
Schenkeln, der eine Umkehr des Strömungsweges über eine Summe von Winkeln
veranlasst, die größer ist
als 180 Grad. Ein weiteres Merkmal besteht in einer Rippe, die sich
durch die Passage sowie in Richtung zu der ankommenden Strömung erstreckt.
Noch ein weiteres Merkmal besteht in einem Schenkel der Passage,
der parallel zu der Sogseite ist und in Richtung auf die Hinterkante
der Plattform gerichtet ist. Ein weiteres Merkmal besteht in dem Flächenverhältnis von
Austrittsleitungen zu der Querschnittsströmungsfläche der Passage sowie in der Strömungscharakteristik
der Leitungen in dem Bereich der Passage benachbart der Hinterkante
sowie strömungsaufwärts von
der Vorderkante.
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Ein
wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Effizienz
der Maschine sowie in der hohen Lebensdauer der Statorlaufschaufel, wobei
dies aus der wirksamen Nutzung von Kühlluftfluid in dem Hinterkantenbereich
der Plattform resultiert. Ein weiterer Vorteil besteht in der hohen
Lebensdauer der benachbarten Statorleitschaufel und der strömungsabwärtigen Rotorlaufschaufeln,
wobei diese aus dem Leiten von Kühlluft
bei ihrem Austritt aus der Plattform in Form von Strahlen resultiert,
um eine Filmkühlung
der benachbarten Struktur zu schaffen. Noch ein weiterer Vorteil
besteht in der gesteigerten Wärmeüber tragung
in kritischen Bereichen der Plattform, wobei dies daraus resultiert,
dass die Strömung
in der Passage auf Wände
in diesen Bereichen auftrifft, um die lokalen Wärmeübertragungskoeffizienten zu
erhöhen.
Noch ein weiterer Vorteil besteht in der Gießbarkeit des Strömungsprofils,
die aufgrund der Verwendung einer Passage resultiert, die eine Länge, eine
Breite und zwei Durchgänge
aufweist, wobei dies die Gießbarkeit
unterstützt.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden lediglich anhand eines Beispiels
unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben; darin zeigen:
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1 eine
Seitenaufrissansicht einer Rotationsmaschine, wie z.B. einer Turbogebläse-Gasturbinenmaschine,
mit einer Rotationsachse Ar;
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2 eine
teilweise im Schnitt und teilweise voll dargestellte vergrößerte Seitenaufrissansicht
unter Darstellung eines Bereichs des Verbrennungsabschnitts und
des Turbinenabschnitts der in 2 gezeigten
Gasturbinenmaschine unter Darstellung einer Anordnung von Statorleitschaufeln
in dem Turbinenabschnitt;
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3 eine
Perspektivansicht der in 2 dargestellten äußeren Plattform
unter Darstellung der Beziehung eines Federdichtungselements zu Schlitzen,
die auf der Druckseite und der Sogseite von benachbarten Statorleitschaufeln
gebildet sind;
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4 eine
Perspektivansicht eines Paares von Statorleitschaufeln des in 2 gezeigten
Typs;
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5 eine
teilweise im Schnitt dargestellte und teilweise weggebrochene Perspektivansicht
zur Veranschaulichung von Kühlpassagen,
die in dem Hinterkantenbereich der in 4 gezeigten
Statorleitschaufeln angeordnet sind;
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6A eine
von unten gesehene und teilweise weggeschnittene Darstellung des
Hinterkantenbereichs der in 5 gezeigten
Statorleitschaufel;
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6B eine
Schnittdarstellung entlang der Linie 6B-6B der 6A,
wobei Bereiche der Leitschaufel weggebrochen sind;
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6C eine
alternative Ausführungsform des
in 5A gezeigten Ausführungsbeispiels;
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6D eine
alternative Ausführungsform des
in 5A dargestellten Ausführungsbeispiels;
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7 eine
von oben gesehen Ansicht anhand des Richtungspfeils 7 des
Hinterkantenbereichs der äußeren Plattform
der Statorleitschaufel; und
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7A eine
alternative Ausführungsform des
in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
eine schematische Seitenaufrissdarstellung einer Rotationsmaschine 10,
wie z.B. einer Turbogebläse-Gasturbinenmaschine.
Die Maschine ist um eine Symmetrieachse A angeordnet und weist eine
Rotationsachse Ar auf. Die Maschine beinhaltet einen Kompressionsabschnitt 2,
einen Verbrennungsabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16.
Ein ringförmiger,
primärer
Strömungsweg 18 für Arbeitsmediumgase
erstreckt sich axial durch die Abschnitte der Maschine. Ein Bypass-Strömungsweg 20 befindet
sich außerhalb
von dem primären
Strömungsweg.
Die Maschine ist teilweise weggebrochen dargestellt, um einen Stator 22 und einen
Rotor 24 in dem Turbinenabschnitt darzustellen. Der Stator 22 beinhaltet
eine Statoranordnung 26 mit einem äußeren Gehäuse 28, das sich umfangsmäßig um den
primären
Strömungsweg
herum erstreckt.
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2 zeigt
eine vergrößerte Seitenaufrissansicht
eines Teils des Turbinenabschnitts 16 der 1.
Der Rotor 24 beinhaltet eine Rotoranordnung 32.
Die Rotoranordnung hat eine Rotorscheibe 34 und eine Anordnung
oder Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln (d.h. eine unbestimmte Anzahl
von zwei oder mehr) Rotorlaufschaufeln, wobei diese durch die Rotorlaufschaufel 36 dargestellt
sind. Jede Rotorlaufschaufel weist eine Plattform 38 auf.
Die Plattform begrenzt den Arbeitsmediumströmungsweg 18 in Richtung
nach innen. Die Rotorlaufschaufeln erstre cken sich radial nach außen durch
den Arbeitsmediumströmungsweg
in unmittelbare Nähe
zu dem Stator 22.
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Der
Stator 22 beinhaltet ferner ein Dichtungselement 42.
Das Dichtungselement ist von dem äußeren Gehäuse abgestützt. Das Dichtungselement ist
in unmittelbarer Nähe
zu dem äußersten
Bereich der Rotorlaufschaufeln 36 angeordnet und begrenzt
den Arbeitsmediumströmungsweg 18 nach außen. Das
Dichtungselement ist aus einer Mehrzahl bogenförmiger äußerer Luftdichtungssegmente
gebildet, wie diese durch das bogenförmige Segment 44 dargestellt
sind. Jedes Segment ist durch einen kleinen umfangsmäßigen Spalt
(nicht gezeigt) von dem benachbarten Segment beabstandet. Die Dichtungssegmente
bewegen sich nach innen und nach außen bei der nach innen und
nach außen
gehenden Bewegung des äußeren Gehäuses 28 der
Statoranordnung 26 ansprechend auf Betriebsbedingungen der
Maschine. Das segmentierte Dichtungselement 42 weist eine
sehr geringe Umfangsfestigkeit auf und leistet verminderten Widerstand
gegen eine Bewegung des Gehäuses 28 im
Vergleich zu einem Dichtungselement, das einstückig und in Umfangsrichtung
ununterbrochen ausgebildet ist.
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Die
Statoranordnung 26 erstreckt sich umfangsmäßig um die
Achsen A und Ar. Die Statoranordnung wird üblicherweise als Gehäuse- und
Leitschaufelanordnung bezeichnet. Die Statoranordnung beinhaltet
eine Anordnung von Statorleitschaufel-Clustern, wie diese durch
den Cluster 36 dargestellt sind. Die Cluster sind umfangsmäßig um die Achse
A herum angeordnet. Jeder Cluster wird üblicherweise als Statorleitschaufel
bezeichnet. Die Statorleitschaufel weist eine Außendurchmesser-Plattform 48 mit
einer Gaswegoberfläche 52 sowie
eine Innendurchmesser-Plattform 54 mit einer Gaswegoberfläche 56 auf.
Die Gaswegoberflächen
an den Plattformen verlaufen in Umfangsrichtung und axial, um den
Arbeitsmediumströmungsweg 18 in
Radialrichtung zu begrenzen. Ein oder mehrere Strömungsprofile,
wie diese durch das Strömungsprofil 58 dargestellt
sind, erstrecken sich radial zwischen den Plattformen durch den
Arbeitsmediumströmungsweg.
Jedes Strömungsprofil
weist eine Vorderkante 59 und eine Hinterkante 60 auf.
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Zusätzlich zu
dem äußeren Gehäuse 28 beinhaltet
die Statoranordnung ein inneres Gehäuse 62. Die Statorleitschaufel
hat eine innere Schiene 64 zum Positionieren der Statorleitschaufel
von dem inneren Gehäuse
aus. Jede Statorleitschaufel ist von dem inneren Gehäuse aus
mittels Bolzen 66 positioniert, die sich durch die innere
Schiene hindurch erstrecken. Die Statorleitschaufel weist eine oder
mehrere äußere Schienen
auf, wie diese durch die Schiene 68 dargestellt sind, um
die Statorleitschaufel von dem äußeren Gehäuse her
zu positionieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jede Statorleitschaufel
von dem äußeren Gehäuse aus
mittels Bolzen, Stiften oder Ansätzen
(nicht gezeigt) positioniert, die mit der äußeren Schiene in Eingriff stehen.
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Der
Stator 22 weist einen Innendurchmesserbereich 70 und
einen Außendurchmesserbereich 72 auf.
Der Stator hat ein erstes ringförmiges
Plenum 74 für
Kühlfluid,
wie z.B. Kühlluft
von dem Kompressionsabschnitt 12, das sich umfangsmäßig um den Außendurchmesserbereich 72 erstreckt.
Ein zweites ringförmiges
Plenum 76 für
Kühlluft
erstreckt sich umfangsmäßig um den
Innendurchmesserbereich 70 des Stators. Jede Statorleitschaufel 46 hat
wenigstens eine Öffnung
in jedem Ende, die das Innere der Leitschaufel in Strömungsverbindung
mit dem Plenum bringt, um der Leitschaufel Kühlluft zuzuführen. Diese Öffnungen
sind durch die der äußeren Plattform
benachbarte Öffnung 78 sowie
durch die der inneren Plattform benachbarte Öffnung 82 dargestellt.
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3 zeigt
eine Perspektivansicht eines Teils eines Paares einander benachbarter
Statorleitschaufeln 46a, 46b unter Darstellung
eines Teils der äußeren Plattformen 48a, 48b,
wobei die montierte Position der Plattform 48b in unterbrochenen
Linien dargestellt ist. Wie in 2 und 3 gezeigt
ist, weist jede Plattform der Statorleitschaufel 46 ferner Schlitze
auf. Die Schlitze sind durch die Federdichtungsschlitze 84, 86 und
den Verlängerungsschlitz 88 an
der äußeren Plattform
sowie durch die Federdichtungsschlitze 92, 94 und
den Verlängerungsschlitz 96 an
der inneren Plattform 54 dargestellt. Paare von Federdichtungsschlitzen
in einander benachbarten Leitschaufeln weisen in Umfangsrichtung,
um ein zugeordnetes Federdichtungselement aufzunehmen, wie dieses
durch das Federdichtungselement 98 dargestellt ist. Jedes
Federdichtungselement 98 erstreckt sich im montierten Zustand
zwischen einem Paar einander benachbarter Statorleitschaufeln 46a, 46b.
Das Federdichtungselement hat einen axialen Schenkel 102 und
einen radialen Schenkel 104. Das Federdichtungselement
wirkt verschiebbar mit den zugeordneten Statorleitschaufeln zusammen,
um für eine
Dichtung in dem Spalt G zwischen den einander benachbarten Leitschaufeln
zu sorgen. Die Statorleitschaufeln und die Federdichtungselemente
bilden wirkungsmäßig eine
in Umfangsrichtung kontinuierliche Barriere zwischen dem Arbeitsmediumströmungsweg 18 und
dem Plenum 74, wobei die Federdichtungselemente den Spalt
G schließen
und eine Gleitbewegung an den Leitschaufeln ausführen, während sich die Statoranordnung
ansprechend auf Betriebsbedingungen der Maschine nach innen und nach
außen
bewegt.
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4 zeigt
eine von unten gesehene Perspektivansicht des Paares der einander
benachbarten Statorleitschaufeln 46a, 46b. Das
Strömungsprofil 58 hat
strömungsleitende
Oberflächen,
die sich zwischen der Vorderkante 59 und der Hinterkante 60 erstrecken,
wobei es sich z.B. um eine Sogfläche 106 und
eine Druckfläche 108 handelt.
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Wie
in 2 und 5 gezeigt ist, weist die äußere Plattform 48 eine
Vorderkante 112 auf. Eine Hinterkante 114 ist
von der Vorderkante axial durch eine Distanz Cr beabstandet, wobei
diese rechtwinklig zu der Hinterkante gemessen wird. Die Vorderkante
und die Hinterkante der Plattform liegen jeweils in einer radialen
Ebene, die rechtwinklig zu der Achse A der Maschine im montierten
Zustand ist. Die Plattform hat eine Sogseite 116 und eine
Druckseite 118. Die Sogseite der einen Plattform ist der
Druckseite der benachbarten Plattform zugewandt. Jede Seite erstreckt
sich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante. Die Druckseite
ist von der Sogseite lateral über
eine Breite Wpl beabstandet. Die Breite Wpl wird entlang einer Linie
parallel zu der Hinterkante der Plattform gemessen.
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Die äußere Plattform 48 hat
einen Vorderkantenbereich 122 vor dem Strömungsprofil 58.
Die Plattform hat einen Profilsehnenmittelbereich, von dem das Strömungsprofil
wegragt. Die Plattform hat einen Hinterkantenbereich 126 hinter
dem Profilsehnenmittelbereich. Der Hinterkantenbereich der Plattform
ragt von der hintersten Befestigungsschiene 48 zu der Hinterkante
nach hinten.
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Die
innere Plattform 54 weist eine Vorderkante 132 und
eine Hinterkante 134 auf, die von der Vorderkante axial über eine
Distanz Cr gemessen rechtwinklig zu der Hinterkante beabstandet
ist. Die Vorderkante und die Hinterkante der Plattform liegen jeweils
in einer radialen Ebene, die rechtwinklig zu der Achse A der Maschine
im montierten Zustand ist. Die Plattform hat eine Sogseite 136 und
eine Druckseite 138. Die Sogseite der einen Plattform ist
der Druckseite der benachbarten Plattform zugewandt. Jede Seite
erstreckt sich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante. Die
Druckseite ist lateral von der Sogseite über eine Breite Wpl beabstandet.
Die Breite Wpl wird entlang einer Linie parallel zu der Hinterkante
der Plattform gemessen. Die Breite der Außendurchmesser-Plattform Wpl
und die Breite der Innendurchmesser-Plattform Wpl sind nicht gleich.
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Die
innere Plattform 54 weist einen Vorderkantenbereich 142 vor
dem Strömungsprofil 58 auf. Die
Plattform hat einen Profilsehnenmittelbereich 144, von
dem das Strömungsprofil
weg ragt. Die Plattform hat einen Hinterkantenbereich 146 hinter dem
Profilsehnenmittelbereich. Der Hinterkantenbereich der Plattform
ragt von der hintersten Befestigungsschiene 64 zu der Hinterkante
nach hinten.
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5 zeigt
eine vergrößerte Perspektivansicht
der in 4 dargestellten Statorleitschaufel 46, wobei
Teile der Leitschaufel in den Hinterkantenbereichen 126, 146 weggebrochen
sind. Die äußere Plattform 48 hat
eine äußere Öffnung 78,
die in Strömungsverbindung
mit dem äußeren Plenum 74 für Kühlluft ist.
Die innere Plattform 54 hat eine Sogseitenöffnung 82s und
eine Druckseitenöffnung 82p. Jede
der Öffnungen 82s, 82p ist
in Strömungsverbindung
mit dem inneren Kühlluft-Plenum 76.
Eine innere Öffnung 148 an
der Innenseite der äußeren Plattform 78 sowie
eine innere Öffnung 152 an
der Innenseite der inneren Plattform 54 in dem Hinterkantenbereich 126, 146 jeder
Plattform platzieren den jeweiligen Hinterkantenbereich in Strömungsverbindung mit
dem zugeordneten Plenum für
Kühlluft.
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6A zeigt
eine von unten gesehene Draufsicht auf die innere Plattform 54 der
Statorleitschaufel 46 in Richtung des Pfeils 6 der 5.
Die Plattform ist weggebrochen dargestellt, um den Hinterkantenbereich 146 der
Plattform zu veranschaulichen. Die Plattform hat eine erste Wand 154 in
dem Hinterkantenbereich, die sich lateral zwischen den Seiten 136, 138 erstreckt.
Die erste Wand weist die Öffnung 152 auf,
die dazu ausgebildet ist, die Plattform in Strömungsverbindung mit dem inneren
Plenum 76 zu bringen. Die Plattform hat eine zweite Wand 156 benachbart
der Hinterkante 134, die sich lateral zwischen den Seiten 136, 138 erstreckt
und von der ersten Wand axial beabstandet ist, so dass ein Hohlraum 158 für Kühlfluid
dazwischen verbleibt. Der Hohlraum ist in Erstreckungsrichtung durch
ein Paar in Erstreckungsrichtung weisende Wände begrenzt, wobei eine Wand 160 hiervon
in 5 dargestellt ist. Die Wand ist in Erstreckungsrichtung
von der Gaswegoberfläche 56 beabstandet.
Die Plattform hat eine Sogseitenwand 162. Die Sogseitenwand
erstreckt sich von der ersten Wand 154 zu der zweiten Wand 156,
um den Hohlraum 158 auf der Sogseite der Plattform lateral
zu begrenzen. Ein Bereich der Sogseitenwand erstreckt sich im Wesentlichen
parallel zu der Sogseite 136 der Leitschaufelplattform. Eine
Druckseitenwand 164 erstreckt sich von der ersten Wand
zu der zweiten Wand, um den Hohlraum auf der Druckseite lateral
zu begrenzen.
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Die
Druckseitenwand 164 weist eine Einzelrippe 166 auf,
die lateral von der Druckseitenwand in Richtung zur Sogseitenwand 136 geht.
Die Rippe ist axial von der ersten Wand 154 und der zweiten
Wand 156 beabstandet, um eine Serpentinenpassage 168 in
dem Hohlraum 158 für
Kühlfluid
zu bilden. Die Passage hat einen ersten (vorderen) Durchgang 169 und einen
hinteren Durchgang 170, die sich in allgemein seitlichen
Richtungen über
die Plattform erstrecken. Eine Mehrzahl von Auslösestreifen 171 ist
in der Passage an der Wand 160 angeordnet, wie dies in 5 unter
der Gaswegoberfläche 56 dargestellt
ist. Die Auslösestreifen
sind gerade oder pfeilförmig.
Die Passage hat eine Länge
L gemessen entlang der Mittellinie der Passage, die kleiner oder
gleich Eineinviertel der Breite der Plattform Wpl ist (L ≤ 1,25 Wpl). Die
Passage hat eine Breite Wpa gemessen rechtwinklig zu der Mittellinie
der Passage. Die Breite ist relativ groß und liegt in einem Bereich
von 10 bis 15 % der Breite Wpl der Plattform (0,1 Wpl ≤ Wpa ≤ 0,15 Wpl).
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Die
Rippe 166 ist axial von der ersten Wand 154 und
lateral von der Sogseitenwand 162 unter Freilassung eines
ersten Umkehrbereichs 172 dazwischen beabstandet. Die Rippe
hat einen Vorsprung 174, der mit einem Winkel in Richtung
zu der ersten Wand und der Richtung der ankommenden Strömung von
Kühlluft
unter Betriebsbedingungen angeordnet ist. Der in einem Winkel angeordnete
Vor sprung veranlasst ein Drehen bzw. eine Richtungsänderung
der Passage um einen stumpfen Winkel a. Der erste Umkehrbereich
hat danach eine zusätzliche
Drehung bzw. Richtungsänderung
um einen Winkel b von 180 Grad aus.
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Der
Vorsprung 174 weist eine Wand 176 parallel zu
der Sogseitenwand 162 auf, die im Wesentlichen parallel
zu der Sogseite 136 des Strömungsprofils sowie parallel
zu der Sogseitenwand verläuft. Die
beiden Wände 162, 176 lenken
die Strömung
in der Passage 168 gegen die der Hinterkante 134 benachbarte
zweite Wand 156, und zwar an einer Stelle benachbart der
Sogseite der Plattform, und die Strömung durchläuft einen zweiten Umkehrbereich 177, der
einen stumpfen Winkel c hat.
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Wie
in 6A gezeigt ist, ist eine Mehrzahl von Austrittsleitungen 178, 182 dazu
ausgebildet, das Kühlfluid
von der Passage zu dem Äußeren der Plattform
unter Betriebsbedingungen strömen
zu lassen. Die Mehrzahl der Austrittsleitungen beinhaltet mindestens
eine Filmkühlleitung,
wie diese durch die Filmkühlleitungen 178 dargestellt
sind, die in Strömungsverbindung
mit der Gaswegoberfläche 56 der Plattform
sind. Die Mehrzahl der Austrittsleitungen beinhaltet mindestens
eine Hinterkantenleitung, wie diese durch die Hinterkantenleitungen 182 dargestellt
sind, die sich zwischen dem hinteren Durchgang 170 der
Passage und der Hinterkante 134 der Statorleitschaufel
erstrecken.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der hinterste Bereich der Passage (hinterer Durchgang oder hinterer
Schenkel 170) in Strömungsverbindung
mit der Plattformoberfläche
durch vier Filmkühlleitungen 178 mit
einer Gesamtquerschnittsfläche
Arfc und einer zugehörigen
Strömungscharakteristik
Crfc unter Betriebsbedingungen. Die Gesamtquerschnittsfläche stellt
eine Summe aus den Flächen
der vier Filmkühlleitungen
dar. Weiterhin ist ein Bereich der Passage strömungsaufwärts von dem hintersten Schenkel
in Strömungsverbindung
mit der Oberfläche
der Plattform durch drei Filmkühlleitungen 178,
die sich in dem ersten Umkehrbereich 172 befinden und eine
Gesamtquerschnittsströmungsfläche Apfc
und eine zugehörige
Strömungscharakteristik
Cpfc unter Betriebsbedingungen aufweisen. Somit erstrecken sich
nur sieben Filmkühlleitungen
von dem Inneren der Plattform zu dem Äußeren der inneren Plattform,
wobei die restliche Strömung
durch andere Austrittsleitungen in der Hinterkante austritt, die nicht
in Strömungsverbindung
mit der Gaswegoberfläche
der Plattform stehen. Bei den anderen Austrittsleitungen handelt
es sich um die vier Hinterkantenleitungen 182 mit einer
Gesamtquerschnittsströmungsfläche Arte
und einer zugehörigen
Strömungscharakteristik
Crte zum Abgeben von Kühlfluid,
welches in den hinteren Schenkel an der Hinterkante gelangt. Die
Flächen
sind für
das in 6A dargestellte Ausführungsbeispiel
derart gewählt,
dass die Gesamtquerschnittsfläche
Arte in etwa 7 % der Querschnittsströmungsfläche Arpa des letzten Schenkels an
einer Stelle A entspricht, die der ersten der Austrittsleitungen
benachbart ist (entweder der Austrittsleitung 178 oder
der Austrittsleitung 182 des letzten Schenkels). Die Fläche der
Filmkühlöffnungen
Arfc, die sich von dem hinteren Schenkel zu der Gaswegoberfläche erstrecken,
beträgt
etwa 6 % der Querschnittsströmungsfläche Arpa
des hinteren Schenkels. Die Querschnittsströmungsfläche Apfc der Filmkühlöffnungen
in dem ersten Umkehrbereich 172 beträgt ca. 5 % der Querschnittsströmungsfläche Arpa des
hinteren Schenkels 170.
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Die
Rippe und die Wände
kooperieren, um eine Mehrzahl von Schenkeln zu bilden, die in serienmäßiger Weise
bezogen auf einander angeordnet sind. Die Schenkel der Passage nehmen
die Strömung
auf, wenn sich die Strömung
durch die Passage bewegt, wobei die Strömung dennoch durch diese Mehrzahl
von Schenkeln hindurchgeht, während
sie nur zwei Durchgänge
durch den Hinterkantenbereich der Plattform absolviert. Die Schenkel
beinhalten einen ersten Schenkel 184, einen zweiten Schenkel 186,
den hintersten oder hinteren Schenkel 170 sowie einen vierten
Schenkel 188. Der hintere Schenkel ist erstreckungsgleich
mit dem hinteren Durchgang.
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Der
erste Schenkel 184 ist in einem Winkel α (α = a + b) zu dem strömungsabwärtigen benachbarten
zweiten Schenkel 186 angeordnet. Der hintere Schenkel 170 bildet
den hintersten Schenkel der Passage und ist in einem Winkel c zu
dem strömungsaufwärtigen benachbarten
Schenkel angeordnet. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel handelt es sich
bei dem strömungsaufwärtigen benachbarten
Schenkel um den zweiten Schenkel 186. Der hintere Schenkel 170 erstreckt
sich lateral über
die halbe Breite Wpl der Plattform gemessen parallel zu der Hinterkante 134.
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Der
vierte Schenkel 188 platziert die sich durch die erste
Wand 154 erstreckende Öffnung 152 in
Strömungsverbindung
mit dem ersten Schenkel 184. Somit bildet der vierte Schenkel 188 einen
Eintrittsabschnitt der Passage. 6B zeigt
eine Schnittdarstellung der Passage 168 durch den vierten
Schenkel hindurch entlang der Linie 6B-6B. Die Passage hat eine
Breite Wpa von ca. 0,2 Inch (5 mm) sowie eine Höhe Hpa von ca. 0,1 Inch (2,5
mm). Die Passage hat im Allgemeinen ein Dimensionsverhältnis Hpa/Wpa
von etwa 0,5.
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Der
vierte Schenkel 188 ist der Druckseitenwand der Plattform
benachbart und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Druckseite 138 der Plattform.
Ein dritter Umkehrbereich 192 ist zwischen dem vierten
Schenkel 188 und dem ersten Schenkel 184 angeordnet.
Die Passage erfährt
in dem dritten Umkehrbereich 192 eine Umlenkung über einen
Winkel d, der größer als
90° ist.
Nach dem dritten Umkehrbereich 192 verläuft die Passage entlang des ersten,
geraden Schenkels 184. Wie vorstehend erwähnt worden
ist, verbindet der erste Umkehrbereich 172 sequentiell
den ersten Schenkel 184 mit dem zweiten Schenkel 186.
Der erste Umkehrbereich 172 veranlasst die Passage zur
Ausführung
einer Richtungsänderung
um Winkel, deren Summe größer ist als
180°. Der
erste Umkehrbereich 172 ist gefolgt von dem geraden zweiten
Schenkel 186 der Passage und sodann von dem zweiten Umkehrbereich 177 zwischen
dem zweiten Schenkel 186 und dem hinteren Schenkel 170.
Der zweite Umkehrbereich 177 veranlasst die Passage zu
einer Richtungsänderung über einen
spitzen Winkel, der größer als
45° ist.
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6C zeigt
eine alternative Ausführungsform
der in 6A dargestellten inneren Plattform 54,
die eine einzelne Hinterkantenleitung 812 in Strömungsverbindung
mit der Hinterkante aufweist. In übriger Hinsicht kann es sich
um die gleiche Ausführungsform
wie die in 6A dargestellte handeln. Die
Kühlluft
tritt in einem Strahl oder einer Strömung unter Druck in unmittelbarer
Nähe zu
der Druckseite 138 des Strömungsprofils sowie in unmittelbarer Nähe zu der
Sogseite des benachbarten Strömungsprofils
aus.
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6D zeigt
eine alternative Ausführungsform
der in 6 dargestellten inneren Plattform 54. Die
Plattform weist eine einzelne Hinterkantenleitung 194 auf,
die sich lateral zu der Verlängerung 96 des Federdichtungsschlitzes
erstreckt. In üb riger
Hinsicht handelt es sich um die gleiche Ausführungsform wie die in 6A gezeigte.
In der Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes ist keine Federdichtung angeordnet.
Als Ergebnis hiervon bildet die Federdichtung 196 in Zusammenwirkung
mit der benachbarten Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes 96 (wie z.B. 96a und 96b)
eine Hinterkantenleitung 198 in beiden Plattformen, die
sich nach hinten zu der Hinterkante 134a und 134b der
beiden benachbarten Leitschaufeln 46a und 46b erstreckt.
Die Leitung 194 hat eine Querschnittsfläche von 6 bis 15 % der Querschnittsfläche des
der Leitung 194 benachbarten Schenkels 170.
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7 zeigt
eine von oben gesehene Schnittdarstellung der äußeren Plattform 48a in
dem Hinterkantenbereich 126 in der durch den Pfeil 7 in 5 dargestellten
Richtung. Wie in 7 gezeigt ist, hat die äußere Plattform
eine Passage 202a in dem Hinterkantenbereich, die zwei
Durchgänge 204a, 206a unter
Durchlaufung eines ersten Umkehrbereichs 208a und eines
zweiten Umkehrbereichs 210a ausführt. Drei Filmkühlungsöffnungen
sind in dem zweiten Umkehrbereich 210a vorgesehen. Die
Passage verjüngt
sich rasch in lateraler Richtung in dem hinteren Schenkel und endet
in einer lateralen Leitung 212a, die sich lateral erstreckt,
wie dies auch bei der Hinterkantenleitung des in 6D dargestellten
Ausführungsbeispiels
der Fall ist. Die Verlängerung 88 des
Federdichtungsschlitzes bildet eine Hinterkantenleitung 214a,
die ähnlich
der Hinterkantenleitung 198 der 6D ist.
Die Leitung 212a weist eine Querschnittsfläche von
6 bis 15 % der Querschnittsfläche
des der Leitung 212a benachbarten Durchgangs 206a auf.
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3 veranschaulicht
die vorstehend erläuterte
Perspektivansicht von Bereichen der beiden einander benachbarten
Statorleitschaufeln 46a, 46b, die in 4 gezeigt
sind. 3 veranschaulicht die Beziehung der Federdichtungsschlitze 84, 86 und der
Verlängerung 88 des
Federdichtungsschlitzes zu der in 7 gezeigten
lateral verlaufenden Leitung 212a. Wie in 7 und
in 3 gezeigt ist, erstreckt sich die Leitung auf
der Druckseite 118a der Leitschaufel 46a. Die
Leitung ist in Strömungsverbindung
mit den Verlängerungen 88a, 88b des
Federdichtungsschlitzes. Das Federdichtungselement 98 dichtet
das strömungsaufwärtige Ende
der Verlängerung
ab. Das Federdichtungselement und die Verlängerung bilden die Hinterkantenleitung 214a, 214b, die
sich zu der Hinterkante 114 er streckt, um Kühlfluid
nach hinten zu lenken, nachdem die Kühlluft aus dem hinteren Schenkel
oder Durchgang 206a der äußeren Plattform 48a ausgeströmt ist.
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Während des
Betriebs der in 1 dargestellten Gasturbinenmaschine 10 strömen Arbeitsmediumgase
den primären
Strömungsweg 18 der Maschine
entlang sowie durch den Verbrennungsabschnitt 14 hindurch.
Die Arbeitsmediumgase enthalten Sauerstoff, der mit dem Brennstoff
verbrannt wird, um die Temperatur der Gase zu erhöhen. Diese heißen Gase
werden durch den Turbinenabschnitt 16 expandiert, wobei
sie die Anordnung von Statorleitschaufeln 46 unmittelbar
strömungsabwärts von
dem Verbrennungsabschnitt 14 durchlaufen. Grenzschichten
der Arbeitsmediumgase bilden sich an den Gaswegoberflächen 52, 56 der äußeren Plattform 48 und
der inneren Plattform 54.
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Kühlluft von
dem Kompressionsabschnitt 12 wird in das ringförmige innere
Plenum 76 eingeleitet, das der inneren Plattform 54 benachbart
ist. Die Kühlluft
strömt
in zwei Durchgängen 169, 170 durch die
Schenkel 188, 186, 184 und 170 der
Passage in dem Hinterkantenbereich 146 der Plattform. Die Kühlluft kühlt das
Strömungsprofil
in konvektiver Weise und wird in einem gewissen Ausmaß für eine Filmkühlung verwendet.
Die Strömungscharakteristiken der
Passage Cpa, der Filmkühlleitungen
Cpfc, Crfc und der Hinterkantenleitungen Crte sind derart eingerichtet,
dass sich grundlegende Kühlluftströmungen für die Lebensdauerbedingungen
der Statorleitschaufel ergeben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
folgt die Strömung
der Kühlluft
für die Lebensdauerbedingungen
der Leitschaufel in enger Weise der Strömung, die bei den Sea Level
Take Off-Bedingungen der Maschine bzw. des Triebwerks (SLTO bzw.
Startbedingungen ab Meereshöhe)
vorgeschrieben sind. Bei diesen Bedingungen wird mindestens die
Hälfte
der Kühlluft,
die in die Druckseitenöffnung
der Leitschaufel eintritt, durch die Passage hindurch geleitet.
Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel
treten etwa 60 % der Kühlluft
in die Passage ein.
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Beim
Hindurchströmen
der Kühlluft
durch die Passage werden über
60 % der in die Passage eintretenden Kühlluft durch den hinteren Schenkel 170 der
Passage benachbart der Hinterkante ausgeleitet. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
werden in etwa Dreiviertel der Luft in dieser Weise ausgeleitet.
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Nur
etwa ein Viertel der in die Passage 168 eintretenden Kühlluft wird
in den ersten Umkehrbereich 172 abgegeben. Die Kühlluft wird
durch die drei Filmkühlleitungen 178 in
einem strömungsaufwärtigen Bereich
der Plattform abgegeben. Die Abgabe an dieser Stelle sorgt für ein weiteres
Eindringen in die Grenzschicht, die sich an der benachbarten Gaswegoberfläche 56 bildet,
als eine Abgabe von Filmkühlleitungen,
die der Hinterkante benachbart sind. Es ist wünschenswert, eine Abgabe von
Kühlluft
in diesen Teil der Grenzschicht aufgrund des nachteiligen Einflusses
zu vermeiden, den ein solches Eindringen auf die aerodynamische
Effizienz der Statorleitschaufeln hat. Die vier Filmkühlleitungen 178,
die sich von dem Hinterkantendurchgang (hinterer Schenkel 170)
nach außen
erstrecken, haben eine geringere Auswirkung auf die aerodynamische
Effizienz, da ihr Eindringen in den Strömungsweg nur einen kleinen
Bereich der Grenzschicht an der Plattform an einer weniger kritischen
Stelle an der Rückseite
der Statorleitschaufel stört.
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Während der
Strömung
der Kühlluft
durch die Passage werden somit ca. 70 % bis 80 % der Strömung durch
die Leitungen 178, 182 in dem hinteren Schenkel 170 der
Passage abgegeben. Die Strömungseigenschaften
der Hinterkantenleitungen und der Filmkühlleitungen Crte und Crcf in
dem hinteren Schenkel sind derart eingerichtet, dass in etwa die Hälfte (55
%) der in den hinteren Schenkel eintretenden Strömung durch die Hinterkantenleitungen 182 abgegeben
wird und in etwa die Hälfte
(45 %) der Strömung
durch die Filmkühlleitungen 178 abgegeben
wird. Der erwartete Bereich der Strömung für die Hinterkantenleitungen 182 beträgt etwa
40 bis 60 % der in den hinteren Schenkel 170 eintretenden
Strömung,
wobei der Rest durch die Filmkühlleitungen 178 abgegeben
wird. Darüber
hinaus sind die Strömungseigenschaften
der Filmkühlöffnungen 178 strömungsaufwärts von
dem hinteren Schenkel 170 derart gewählt, dass nur ca. 25 % (d.h.
20 bis 30 %) der in die Passage eintretenden Strömung durch die drei Filmkühlleitungen 178 in
dem ersten Umkehrbereich 172 abgegeben werden. Diese Kombination aus
Filmkühlleitungen
und Hinterkantenleitungen schafft ein geringeres Ausmaß an Filmkühlströmung und
konvektiver Kühlströmung durch
die Leitungen auf die Sogseite der Statorleitschaufel als das Ausmaß des Strömungsfilms
und der konvektiven Kühlströmung zu
der Hinterkante in dem hinteren Schenkel 170 der Leitschaufel.
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Die
durch die Hinterkantenleitungen 182 abgegeben Kühlluft wird
nach hinten an einer Stelle abgegeben, die sich näher bei
der Druckseite 138 der inneren Plattform 54 befindet.
Die Strömung
hat eine Geschwindigkeitskomponente in der Rotationsrichtung der
Rotorlaufschaufeln 36 der benachbarten Rotoranordnung 32.
Die Strömungscharakteristik Crte
der Hinterkantenleitungen stellt sicher, dass die Kühlluft in
Strahlen oder Strömungen
unter Druck austritt, die die Grenzschicht durchstößt, die
sich an der Hinterkante 114 der Plattform bildet. Die Strahlen schicken
einen Film von Kühlluft
aus, der sich über die
Plattformen 38 der strömungsabwärtigen Rotorlaufschaufeln
ausbreitet. Dies schafft eine Filmkühlung für die Rotorlaufschaufeln durch
Abschirmen eines Bereichs der Plattform der Rotorlaufschaufeln vor
den heißen
Arbeitsmediumgasen. Durch Abgeben von etwa 40 % der Strömung der
Kühlluft
durch die Hinterkantenleitungen 182 werden somit weniger als
30 % der in die Passage 168 eintretenden Luft in dem ersten
Umkehrbereich 172 an die Gaswegoberfläche der Plattform abgegeben,
wobei in etwa ein Drittel durch die Filmkühlöffnungen 178 in den
hinteren Schenkel 170 abgegeben wird. Wie bereits erwähnt wurde,
reduziert dies das Eindringen der Filmkühlluft in die auf der Gaswegoberfläche gebildete Grenzschicht,
wobei dies eine vorteilhafte Wirkung auf die aerodynamische Effizienz
der Stufe der Statorleitschaufeln hat.
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Ein
spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in dem konvektivem
Wärmetransfer, der
intern zwischen der Sogseite der Plattform stattfindet, und zwar
aufgrund der Abfolge von Windungen bzw. Richtungsänderungen,
die die Kühlluft
bei ihrer Strömung
durch den ersten Umkehrbereich 172 absolviert. Die aerodynamischen
Effekte der Drehung bzw. Richtungsänderung steigern den konvektiven
Wärmetransfer
durch Verursachen von Eintrittseffekten in der Strömung. Der
gesteigerte konvektive Wärmetransfer
in diesem Abschnitt der Plattform verstärkt die Wirkung auf die Plattformtemperatur,
die die Filmkühlung
durch die drei Filmkühlleitungen schafft.
Diese Eintrittseffekte setzen sich fort und werden durch den Vorsprung 174 sowie
den Rest der Windung verstärkt.
Die Summe der Winkel des Drehbereichs bzw. Richtungsänderungsbereichs
ist größer als
180° und
beinhaltet den Winkel a, über
den sich die Strömung
bewegt, während
die Strömung
in Richtung auf den Vorsprung 174 an der Rippe 166 geleitet
wird. Die Strömungsunterbrechung
durch den Vorsprung 174 sorgt für eine starke Erhöhung der
Turbulenz in der Strömung
und erhöht
den Koeffizienten des konvektiven Wärmetransfers und sorgt für ein Ausmaß an konvektivem
Wärmetransfer
auf der Sogseite des Strömungsprofils,
das es ermöglicht,
das Ausmaß der
durch die drei Filmkühlleitungen
geschaffenen Filmkühlung
in diesem Bereich der Plattform zu akzeptieren. Die Strömung passiert dann
den zweiten Schenkel 186, der eine Richtungsänderung
der Strömung
veranlasst und die Strömung in
Richtung auf den Richtungsänderungsbereich 177 an
der zweiten (Hinterkanten-)Wand 156 lenkt. Dies veranlasst
die Strömung
sich wiederum in Richtung auf die Sogseite in der Hinterkante sowie
in die Ecke zu bewegen, um Wärme
von der Plattform auf das Kühlfluid
in diesem Bereich der Plattform zu übertragen. Anschließend setzt
sich die Strömung
lateral durch den hinteren Schenkel fort.
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Der
hintere Schenkel weist pfeilförmige
Auslösestreifen 171 auf,
die sich an der Gaswegwand 160 über die Breite der Passage 168 erstrecken.
Die Auslösestreifen
sind in strömungsabwärtiger Richtung
von der ankommenden Strömung
weg winkelig ausgebildet, um die Bildung von gegenläufig rotierenden
Wirbeln V1, V2 zu unterstützen,
die über
die Gaswegwand der Plattform scheuern und den konvektiven Wärmetransferkoeffizienten
erhöhen.
Die Passage ist in lateraler Richtung verjüngt, um die Geschwindigkeit
der Strömung
sowie die Reynolds-Zahl (Verhältnis der
Momentkräfte
zu den Viskositätskräften in
dem Fluid) bei der Bewegung der Strömung entlang des hinteren Schenkels
zu erhöhen,
um dadurch den konvektiven Wärmetransferkoeffizienten zu
erhöhen.
Die Strömung
wird dann durch die Filmkühlleitungen 178 und
die Hinterkantenleitungen 182 abgegeben, wie dies vorstehend
erläutert
wurde.
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Ein
spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
von nur zwei Durchgängen 169, 170 zum
Schaffen von Kühlung
in dem Hinterkantenbereich 126 der Statorleitschaufel 46. Die
beiden Durchgänge,
strömungsabwärts von
der Schiene 64, schaffen ein Temperaturgefälle zwischen der
Kühlluft
und den Wänden
der Plattform, das in dem ersten Umkehrbereich 172 größer ist
als das Temperaturgefälle
in einer Multidurchgangs-Konfiguration mit mehr als zwei Durchgängen durch
den Hinterkantenbereich. Die Länge
der Passage 168 (und die sich daraus ergebende Aussetzung
der Kühlluft gegenüber dem
Wärmetransferbereich)
vor dem Erreichen des ersten Umkehrbereichs 172 ist ein
Indikator für
die Auswirkung der Anzahl von Durchgängen auf das Temperaturgefälle zwi schen
der Wand und der Kühlluft
in dem ersten Umkehrbereich. Ein dimensionsloses Maß für die Länge der
Passage für Wärmetransfereffekte
vergleicht die Länge
der Serpentinenpassage in dem Hinterkantenbereich mit der Breite
des Hinterkantenbereichs. Die Länge
der Passage 168 beträgt
weniger als das Eineinhalbfache der Breite Wpl der Plattform und
beträgt
bei der dargestellten Konstruktion weniger als das Eineinviertelfache
der Breite der Plattform. Außerdem
ist das Dimensionsverhältnis
von Höhe
zu Breite der Passage relativ gering. Die Passage hat ein Höhen-/Breiten-Verhältnis, das
in dem unverjüngten
Bereich etwa ein Halb beträgt.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine relativ kurze und relativ breite
Passage mit großen
Windungsbereichen und einer vorstehenden Struktur in kritischen
Bereichen der Plattform geschaffen, um die Menge der in die Gaswegoberfläche des
Strömungsprofils
strömenden
Kühlluft
zu reduzieren und dadurch gleichzeitig einen Vorteil hinsichtlich
der aerodynamischen Effizienz der Statorleitschaufel zu erzielen.
Die Größe der Passage
erleichtert auch das Gießen
der Passage im Vergleich zu Konstruktionen, die viele engere Durchgänge aufweisen.
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Wie
in 7 gezeigt ist, wird Kühlluft von der äußeren Plattform 48a der
Statorleitschaufel lateral aus der Leitung 212a gegen die
Sogseite 116b der benachbarten Statorleitschaufel 48b abgegeben
und dann nach hinten geleitet, um eine Filmkühlung für die strömungsabwärte Anordnung der Rotorlaufschaufeln
zu schaffen. Ein spezieller Vorteil dieser Konfiguration besteht
darin, dass Kühlluft
von der Druckseite von einer Statorleitschaufel für eine Aufprallkühlung der
Sogseite der benachbarten Statorleitschaufel verwendet wird, wodurch
wiederum die Notwendigkeit zur Schaffung von Filmkühlöffnungen an
der Gaswegoberfläche
der benachbarten Statorleitschaufel an einer strömungsaufwärtigen Stelle reduziert wird.
Das Verfahren zum Kühlen
des Paares von Statorleitschaufeln beinhaltet somit die Schritte der
Bildung einer Plattform 48a an einer ersten Statorleitschaufel 46a sowie
einer Plattform 48b an der benachbarten (zweiten) Statorleitschaufel 46b,
die jeweils Federdichtungsschlitze 86a, 86b sowie
eine Verlängerung 88a, 88b der
Federdichtungsschlitze aufweisen. Der Schritt der Bildung des Federdichtungsschlitzes
geht einher mit einer Verlängerung des
Schlitzes auf die Hinterkante von einer oder beiden Statorleitschaufeln.
Der Schlitz kann durch spanende Bearbeitung, wie z.B. elektrochemisches
Abtragen (EDM) oder Schleifen gebildet werden. Es ist eine einfache
Sache, den Schlitz einfach fortzuführen anstatt einen weiteren
Schlitz in der Seite der Plattform speziell auszubilden.
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Somit
besteht ein spezieller Vorteil dieses Ausführungsbeispiels des Verfahrens
zum Kühlen der
Statorleitschaufel sowie der strömungsabwärtigen Rotorlaufschaufel
in der einfachen Konstruktionsweise der Hinterkantenleitung, indem
lediglich die Ausbildung des Federdichtungsschlitzes verlängert wird.
Der Federdichtungsschlitz wird während
des spanenden Bearbeitungsvorgangs einfach verlängert, anstatt kurz nach dem
Schnittpunkt mit dem radialen Federdichtungsschlitz zu enden.
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Der
nächste
Schritt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht in der
Bildung eines radial verlaufenden (in Erstreckungsrichtung) Federdichtungsschlitzes 84 in
der sich von der Plattform weg erstreckenden Schiene. Der radiale
Federdichtungsschlitz schneidet den ersten Federdichtungsschlitz.
Ein weiteres Federdichtungselement 98 ist in dem Schlitz
angeordnet und hat einen ersten Schenkel 102, der in dem
ersten Federdichtungsschlitz 86a, 86b angeordnet
ist und der sich nicht in die Hinterkantenverlängerung 88a, 88b des
Strömungsprofils erstreckt.
Das Federdichtungselement 98 weist den zweiten Schenkel 104 auf,
der integral mit dem ersten Schenkel ausgebildet ist und sich radial
erstreckt. Das Federdichtungselement ist somit in dem zweiten Federdichtungsschlitz
derart angeordnet, dass das Federdichtungselement in Axialrichtung
festgelegt ist.
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Das
Verfahren beinhaltet die Bildung einer Austrittsleitung 212a an
der Innenseite der Plattform, die den hinteren Schenkel 206a beinhaltet,
der sich der Hinterkante benachbart über die Plattform erstreckt,
um Kühlluft
von der ersten Leitschaufel unter Betriebsbedingungen hindurch zu
leiten. Die laterale Strömung
in dem lateralen hinteren Schenkel 206a richtet die Strömung mit
der Austrittsleitung 212a sowie der durch die Leitung hindurch
geführten
Strömung
aus. Das Verfahren beinhaltet das Führen der Leitung in einer derartigen
Weise, dass die Strömung unter
Betriebsbedingungen in der Austrittsleitung eine Strömung bildet,
die auf die Sogseite 116b der Plattform der zweiten Leitschaufel
auftrifft. Unter dem Begriff "Auftreffen" ist zu verstehen,
dass die Strömung
auf die Seite auftrifft oder in unmittelbarer Nähe zu dieser gelangt, um für eine Aufprallkühlung der Seite
zu sorgen.
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Das
Verfahren beinhaltet das Hindurchleiten der Kühlluft nach hinten in die Hinterkantenleitung 214,
die durch die Schlitze gebildet ist, um einen Strahl von Kühlluft in
der Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes zu bilden. Der Strahl oder die Strömung von
Kühlluft
wird auf die benachbarte strömungsabwärtige Struktur
gerichtet, um eine Filmkühlung
für die
strömungsabwärtige Struktur
zu schaffen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Verfahren
zum Bilden einer Kühlpassage
unter Verwendung einer Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes das Blockieren des Endes des Federdichtungsschlitzes
an der Verlängerung
beinhalten, um eine nach hinten gehende Bewegung des Federdichtungselements
in dem Federdichtungsschlitz zu unterbinden, oder aber in der spanenden
Ausbildung einer äquivalenten
Einrichtung zu der Verlängerung von
der Hinterkante jeder Plattform, die den Federdichtungsschlitz nicht
erreicht. Wie in 7A gezeigt ist, kann die Verlängerung
des Schlitzes in nur einer Statorleitschaufelplattform ausgebildet
sein, wie z.B. der Plattform 48b, während in der Plattform 48a keine Verlängerung
vorhanden ist.
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Ein
spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in dem Wärmetransfer,
der aus dem Auftreffen der Kühlluft
aus der Passage 212a auf der gegenüberliegenden Sogseite 116b des
benachbarten Strömungsprofils
resultiert. Der Effekt wird auf der Sogseite der Plattform 48b weiter
verstärkt,
indem die Plattformkonstruktion die Verlängerung 88b des Federdichtungsschlitzes
begrenzt. Die den Schlitz begrenzende Konstruktion erstreckt sich
lateral von dem dickeren Bereich der Plattform weg und bewirkt die
Bildung eines Kanals mit niedrigem Dimensionsverhältnis, der
den Wärmetransferkoeffizienten
durch Reduzieren des hydraulischen Durchmessers erhöht.
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Unter
manchen Betriebsbedingungen öffnet sich
der Spalt G geringfügig,
so dass Kühlluft
nach außen
durch den Spalt G entweichen kann. Dies sorgt für eine Filmkühlung der
Sogseite und der Druckseite der Plattform. Eine besonders strenge Betriebsbedingung
der Maschine ist die Betriebsbedingung bei Start von Meereshöhe (SLTO).
Unter diesen Bedingungen beschleunigt die Maschine rasch aus dem
Leerlaufschubzustand auf einen sehr hohen Schubzustand für den Start
von Meereshöhe.
Der Spalt G zwischen einander benachbarten Statorleitschaufeln im
Leerlauf ist relativ klein im Vergleich zu dem Spalt G, der bei
Reiseflugbedingungen auftritt. Der Spalt G bei Reiseflugbedingungen
resultiert daraus, dass sich das äußere Gehäuse in Abhängigkeit von dem Wärmetransfer
von dem Arbeitsmediumströmungsweg 18 auf
das äußere Gehäuse in Richtung
nach außen
bewegt und die Anordnung der Statorleitschaufeln auf einen größeren Durchmesser
bewegt wird. Die plötzliche
Zunahme in dem Volumen an heißen
Arbeitsmediumgasen beim Start von Meereshöhe, die von der Brennkammer
in den Turbinenabschnitt gelangen, führt zu einem raschen Anstieg der
Temperatur der Oberflächen
der Rotorlaufschaufeln in unmittelbarer Nähe des Strömungsweges. Gleichzeitig werden
die Rotorlaufschaufeln Übergangskräften ausgesetzt,
während
die Rotationsgeschwindigkeit der Rotoranordnung rasch zunimmt. Es
geht nur eine geringe Menge an Kühlluft
durch die Federdichtungsschlitze in diesem Betriebszustand verloren.
Als Ergebnis hiervon ist die Luft stärker auf die Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes als bei Reiseflugbedingungen begrenzt.
Die Kühlluft
wird nach hinten geleitet, um in Umfangsrichtung voneinander beabstandete
Kühlluftstrahlen
zu bilden. Ein Kühlluftfilm
entwickelt sich, wenn die Rotorlaufschaufeln die Kühlluftstrahlen
passieren und verringert den Wärmetransfer
auf die Vorderkante der Plattform der strömungsabwärtigen Rotorlaufschaufeln.
In dem stabilen Zustand bzw. Dauerzustand öffnet sich der Spalt G weiter
als beim Start von Meereshöhe,
und ein Teil der Kühlluft
strömt
dann nach außen,
um einen Kühlluftfilm
zum Schützen
der Oberflächen
der Statorleitschaufel zu bilden, wobei der übrige Film die Rotorlaufschaufeln
kühlt.