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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und
insbesondere darin vorhandene Verdichter.
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In
einem Flugzeugzweikreisturbinentriebwerk wird in vielfältigen Bläser- und
Verdichterstufen durch mit Statorschaufeln zusammenwirkenden Laufschaufeln
Luft verdichtet. Bläserluft
wird verwendet, um Antriebsschub zu schaffen, und Verdichterluft wird
mit Brennstoff vermischt und gezündet,
um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen, aus denen Energie durch Turbinenstufen
entzogen wird, die den Verdichter und Bläser antreiben.
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Ein
seit vielen Jahren kommerziell eingesetztes herkömmliches Zweikreistriebwerk
enthält
einen Niedertemperaturbläser,
der eine Anzahl Strömungsabrissnuten
aufweist, die in der inneren Oberfläche des Bläsergussstücks ausgebildet sind; siehe GB-A-2
092 681 oder US-A-4 767 266. Die Strömungsabrissnuten verbessern
die Abrissgrenze der Luft, während
diese im Betrieb verdichtet wird.
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Das
Bläsergehäuse und
seine Strömungsabrissnuten
sind radial nahe an den Blattspitzen angeordnet, um den radialen
Spalt oder die Toleranz zwischen ihnen während des Betriebs zu minimieren.
Allerdings kann es während
gewisser Einschwingbetriebsbedingungen des Triebwerks durch unterschiedliche
Ausdehnung oder Kontraktion oder eine sonstige zwischen dem Statorgehäuse und
den Laufschaufeln auftretende radiale Bewegung zu einem vorübergehenden
Reiben der Laufschaufelspitzen an dem Gehäuse kommen. Laufschaufelspitzenreiben erzeugt
Abrieb und Reibungswärme
und unterwirft die Laufschaufelspitze und das Gehäuse örtlich hohen Belastungen.
Wiederholtes oder ausgedehntes Spitzenreiben kann zu vorzeitigen
Rissen in den Schaufelspitzen führen,
was eine geeignete Reparatur oder eine Austausch der Laufschaufeln
erfordert.
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Spitzenreiben
kann durch Erhöhen
der nominalen Laufschaufelspitzentoleranz reduziert oder eliminiert
werden, allerdings ergibt sich daraus eine entsprechende Verringerung
des Triebwerkwirkungsgrads.
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Auf
die Blattspitzen können
Abriebschichten aufgebracht werden, um deren Verschleiß durch
Reiben mit dem Statorgehäuse
zu minimieren. Allerdings sind die Abriebschichten selbst dem Verschleiß ausgesetzt
und können
nach einem Reiben an den zwischen den Strömungsabrissnuten liegenden
Stegen frühzeitig
zerstört
werden. Außerdem
kann sich der Einsatz abrasiver Spitzenbeschichtungen nachteilig
auf die mechanischen Eigenschaften des Schaufelwerkstoffs auswirken
und selbst dessen Nutzungslebensdauer beschränken.
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Um
den Laufschaufelspitzenverschleiß während eines Reibenvorgangs
auf ein Minimum zu reduzieren, können
an der Innenseite des Stators abschleifbare Beschichtungen hinzugefügt werden.
In Strömungsabrissnutkonstruktionen
sind Beschichtungen, die ausreichend weich sind, um die Blattspitzen
zu schützen,
im Allgemeinen zu weich, um in einer erosiven Umgebung zu überdauern,
und nützen sich
ab, wobei sie große
Spitzentoleranzen zurücklassen,
die sich nachteilig auf den Betrieb und die Abrissgrenze des Triebwerks
auswirken.
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Bläser- oder
Verdichterschaufelblätter
sind gewöhnlich
an dem Umfang einer Rotorscheibe befestigt, die herkömmliche
Schwalbenschwänze
verwendet, die nach Wunsch den Austausch einzelner Schaufeln erlauben.
Allerdings erstrecken sich in einem einteiligen oder einstückigen beschaufelten
Rad die Schaufeln unmittelbar ausgehend von der sie tragenden Scheibe
und sind nicht individuell austauschbar, es sei denn sie werden
von der Scheibe abgetrennt.
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Angesichts
dieser vielfältigen
Gesichtspunkte sind herkömmliche
Strömungsabrissnuten
gewöhnlich
auf Niedrigtemperaturbläseranwendungen beschränkt, bei
denen sie aus einem Elastomermaterial ausgebildet sein können, um
ein Beschädigung der
Blattspitzen während
eines dazwischen auftretenden Reibens zu verhindern. Allerdings
arbeiten gegenwärtig
entwickelte moderne Gasturbinentriebwerke mit im Verhältnis höheren Temperaturen
in dem Bläser
und Verdichter, was den Einsatz von Elastomermaterial für Strömungsabrissnuten
verhindert. Die Strömungsabrissnuten
müssen
vielmehr aus einem hochfesten Metall ausgebildet sein, das die Blattspitzen
während
des Spitzenreibens erheblich abschleifen wird, was den praktischen
Einsatz eines solchen Materials bedeutend einschränkt.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach einer abriebbeständigen Verdichterstufe, die
darin Strömungsabrissnuten
aufweist.
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Erfindungsgemäß ist ein
Verdichtergehäuse geeignet
konstruiert, um Blattspitzen in einer Verdichterstufe zu umgeben.
Das Gehäuse
weist Strömungsabrissnuten
auf, wobei angrenzende Stege entsprechende lokale Spalte gegenüber den
Blattspitzen definieren. Die Verdichterstufe weist einen Versatz
zwischen wenigstens einem von den Flächen (38a) und den
Laufschaufelspitzen auf, um lokal einen entsprechenden der lokalen
Spalte größer als den
nominellen Spalt zu machen, um ein Spitzenreiben an dem Versatz
zu reduzieren, während
die Spitzen an dem Gehäuse
anlaufen.
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Die
Erfindung wird anhand bevorzugter und exemplarischer Ausführungsbeispiele
zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon in der folgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren
mehr im Einzelnen beschrieben:
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1 zeigt
in einer Draufsicht von der Seite einen Abschnitt einer Gasturbinentriebwerksverdichterstufe
mit einer Reihe von auf einer Scheibe angebrachten Laufschaufeln,
die benachbart eines Statorgehäuse
angeordnet sind, das gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
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2 zeigt
eine isometrische Ansicht der Spitze einer der in 1 veranschaulichten
Schaufeln längs
der Schnittlinie 2-2.
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3 zeigt
in einer vergrößerten Draufsicht von
der Seite eine der Laufschaufelspitzen und das benachbarte Statorgehäuse, wie
sie in 1 veranschaulicht sind, gemäß noch einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
in einer vergrößerten Draufsicht von
der Seite eine der Laufschaufelspitzen und das benachbarte Statorgehäuse, wie
sie in 1 veranschaulicht sind, gemäß noch einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
in einer vergrößerten Draufsicht von
der Seite eine der Laufschaufelspitzen und das benachbarte Statorgehäuse, wie
sie in 1 veranschaulicht sind, gemäß noch einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
in einer isometrischen Ansicht die in 5 veranschaulichte
Laufschaufelspitze längs
der Schnittlinie 6-6.
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In 1 ist
eine exemplarische Verdichterstufe 10 eines Zweikreisturbinentriebwerks
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Verdichterstufe ist
um eine mittige axiale Achse 12 achsensymmetrisch und enthält eine
ringförmige
Rotorscheibe 14, die durch einen (nicht gezeigten) Turbinenrotor
angetrieben wird.
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In
Umfangsrichtung sind mehrere Rotorströmungsflächen oder Laufschaufeln 16 um
den Umfang der Scheibe 14 herumbeabstandet angeordnet und
ragen in einer einheitlichen einstückigen Konstruktion eines beschaufelten
Rades von der Scheibe radial nach außen. In einem abgewandelten
Ausführungsbeispiel
kann die Laufschaufel 16 (nicht gezeigte) herkömmliche
Schwalbenschwänze
aufweisen, die abnehmbar in entsprechenden Schwalbenschwanznuten
angebracht sind, die in dem Umfang der Scheibe in einer herkömmlichen
Weise ausgebildet sind.
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Jede
Laufschaufel 16 weist, wie auch in 2 zu sehen,
eine im Wesentlichen konkave Druckseite oder Seitenwand 18 und
eine in Umfangsrichtung entgegengesetzte im Wesentlichen konvexe Saugseite
oder Seitenwand 20 auf. Die beiden Seiten erstrecken sich
radial ausgehend von einem Fuß 22 zu
einer radial äußeren Spitze 24 und
in axialer Richtung zwischen einer Vorderkante 26 und einer
Hinterkante 28. Die Laufschaufel 16 ist für Bläser- oder
Verdichteranwendungen gewöhnlich
kompakt und weist eine glatte, im Wesentlichen ebene Spitze auf.
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Der
durch die Schaufeln und die Scheibe gebildete Rotor wirkt mit einer
stromabwärts
gelegenen Reihe von Statorschaufeln 30 zusammen, die feststehend
oder, um deren Leistung zu steuern, schwenkbar sein können. Während des
Betriebes strömt
zwischen den Schaufeln 16 Umgebungsluft 32 axial
stromabwärts,
um verdichtet oder komprimiert zu werden, und strömt wiederum
durch die Statorleitschaufeln 30 je nach Wunsch durch zusätzliche
Verdichter oder Bläserstufen,
um den Druck der Luft weiter zu steigern.
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Die
in 1 veranschaulichte Verdichterstufe enthält ferner
ein um den Umfang herum gekrümmtes
Gehäuse 34,
das in Form von zwei halbkreisförmigen
gekrümmten
Hälften
ausgebildet sein kann, die zusammengeschraubt sind, um einen vollständigen Ring
zu bilden. Das Gehäuse 34 umgibt die
Blattspitzen und ist radial außerhalb
von diesen beabstandet angeordnet, um dazwischen eine nominale oder
primäre
Spitzentoleranz bzw. einen Spalt A zu definieren. Die Statorschaufeln 30 sind
in geeigneter Weise feststehend oder schwenkbar an dem Statorgehäuse befestigt.
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Das
Verdichtergehäuse 34 enthält mehrere sich
um den Umfang herum erstreckende Strömungsabrissnuten 36,
die in der radial innenliegenden Fläche des Gehäuses angeordnet sind und durch
entsprechende dazwischen befindliche Rippen definiert sind. Die
Nuten 36 erstrecken sich um den gesamten Umfang des Gehäuses 34 und
sind in axialer Richtung durch dazwischenliegende oder angrenzende
Stege 38 beabstandet angeordnet, um entsprechende lokale
Spalte zu den Laufschaufelspitzen 24 zu definieren.
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In
einer herkömmlichen
Konstruktion sind die Stege 38 gewöhnlich eben, weisen scharfe
Kanten auf und sind von der Lauf schaufelspitze beabstandet, um
an jedem Steg den gleichen nominalen Spalt A hervorzurufen wie an
der an die Strömungsabrissnuten
grenzenden Gehäuseinnenfläche. Auf
diese Weise kann die Laufschaufeltoleranz gesteuert werden, und
die aerodynamische Leistung der Strömungsabrissnuten kann maximiert
werden. Allerdings werden herkömmliche
Strömungsabrissnuten aus
einem Elastomermaterial ausgebildet, das eine Beschädigung der
Blattspitzen während
eines Spitzenreibens verhindert.
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Gemäß einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung basiert das Gehäuse 34,
in dem die Strömungsabrissnuten 36 ausgebildet
sind, nicht auf einem Elastomer sondern auf einem Metall, das für die erhöhten Temperaturanforderungen
des Hochleistungs- Verdichters, von dem es ein Bestandteil ist, geeignet
ist. Da die die Strömungsabrissnuten
und deren Stege 38 definierenden Rippen nun aus Metall sind,
ist eine verbesserte Konstruktion der Strömungsabrissnuten erforderlich,
um eine durch vorübergehendes
Spitzenreiben verursachte Beschädigung
während
des Betriebs zu begrenzen.
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Dementsprechend
ist gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung mindestens einer der
mit 38a bezeichneten Stege wie in 1 gezeigt
bezüglich
der Laufschaufelspitze radial versetzt, um einen entsprechenden
der lokalen oder Stegspalte örtlich
größer als
den nominalen Spalt A zu gestalten. Durch ein selektives Versetzen
ein zelner Stege, wird ein Laufschaufelspitzenreiben allein auf die
Gehäuseinnenfläche und
die nicht versetzten Stege begrenzt, um ein Spitzenreiben lediglich
an dem versetzte Steg 38a während eines Einschwingbetriebs
des Verdichters oder Bläsers
zu reduzieren oder zu verhindern.
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Es
ist nicht erwünscht,
sämtliche
Strömungsabrissnutstege
zu versetzen, da dies sich auf deren angestrebte Leistung nachteilig
auswirken würde. Ein
selektiver Stegversatz erlaubt es, die Leistung der Strömungsabrissnuten
zu maximieren, während außerdem das
Ausmaß des
Spitzenreibens reduziert wird, um einen kombinierten Vorteil daraus
zu ziehen.
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Insbesondere
weist jede der allgemein in 1 und im
Einzelnen in 2 veranschaulichten Laufschaufeln
eine natürliche
Grundschwingungsfrequenz und entsprechende Modenform sowie deren Oberschwingungen
höherer
Ordnung auf. Jede Modenform weist Knotenlinien auf, wo die Verschiebung gleich
Null ist, wobei die Verschiebung dazwischen bei entsprechender Schwingungsbeanspruchung
ansteigt. Beispielsweise ist die Grundschwingungsart einer Rotorschaufel
ein einfaches elastisches Durchbiegen der Laufschaufel ausgehend
von deren Fuß 22.
Die harmonischen Oberschwingungen höherer Ordnung rufen entsprechend
komplexere Modenformen und entsprechend höhere Schwingungsfrequenzen
hervor.
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Es
hat sich herausgestellt, dass das selektive Versetzen von Strömungsabrissnutstegen,
das einem Oberschwingungsverhalten der Schaufeln entspricht, genutzt
werden kann, um die Belastung während
des Spitzenreibens zu begrenzen und die Nutzungslebensdauer der
Laufschaufel entsprechend zu erhöhen.
Insbesondere veranschaulicht 2 einen Abschnitt
einer exemplarischen Schwingungsmodenform höherer Ordnung, die eine lokale
maximale Schwingungsbeanspruchung in einem Abschnitt der Laufschaufelspitze 24 aufweist,
der einen entsprechenden Auftreffort 40 definiert. Eine
herkömmliche Schwingungsanalyse
kann genutzt werden, um die spezielle Stelle des örtlich hohe
Belastung aufnehmenden Auftrefforts 40 an der Laufschaufelspitze
zu identifizieren, der gewöhnlich
bei Schwingungsmoden dritter, vierter oder höherer Ordnung auftritt, die gewöhnlich als
Streifenmoden bezeichnet werden.
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Wie
in 1 gezeigt, ist der versetzte Steg 38a geeignet
ausgewählt,
um gegenüber
dem entsprechenden Auftreffort 40 an der Laufschaufelspitze axial
fluchtend ausgerichtet zu sein. Auf diese Weise ist ein Reiben der
Laufschaufelspitze an dem Gehäuse
und den nicht versetzten Stegen 38 auf verhältnismäßig geringe
Belastung aufweisende Regionen an der Laufschaufelspitze beschränkt, wohingegen
der Bereich hoher Beanspruchung an dem Auftreffort 40 durch
den versetzten Steg 38a geschützt ist, bei dem nur geringes
oder überhaupt
kein Reiben auftritt.
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In
dem in 1 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist der Auftreffort 40 an der Laufschaufelspitze benachbart
zu der Laufschaufelvorderkante 26 angeordnet, und der versetzte Steg 38a ist
radial darüber
und damit axial fluchtend angeordnet.
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3 veranschaulicht
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
des Gehäuses 34,
das ebenfalls den versetzten Steg 38a aufweist, der benachbart
zu der Laufschaufelvorderkante 26 radial oberhalb des entsprechenden
Auftrefforts 40 angeordnet ist. Allerdings veranschaulicht 3 ferner
einen zweiten versetzten Steg 38b, der den Spalt oberhalb
der Laufschaufelspitze 24 örtlich vergrößert, um
benachbart zu der Laufschaufelhinterkante 28 axial fluchtend
ausgerichtet radial oberhalb eines lokale maximale Schwingungsbeanspruchung
aufweisenden zweiten Auftrefforts 40b angeordnet zu sein.
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3 veranschaulicht
eine gewöhnliche Schwingungsart,
in der zwischen der Vorderkante und Hinterkante längs der
Laufschaufelspitze zwei lokale Auftrefforte 40, 40b hoher
Schwingungsbelastung vorhanden sind. Der erste Auftreffort 40 befindet sich
im Wesentlichen bei etwa 25% der Sehnenlänge, während sich der zweite Auftreffort 40b bei
etwa 75% der Sehnenlänge
befindet. Die beiden versetzten Stege 38a, b sind somit
an den entgegengesetzten axialen Enden der Strömungsabrissnuten 36 angeordnet,
die den beiden Auftrefforten 40, 40b an entgegengesetzten
axialen Enden der Laufschaufelspitzen entsprechen.
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Auf
diese Weise sind lediglich jene speziellen Stege, die den schwingenden
Auftrefforten entsprechen, gegenüber
diesen radial versetzt, so dass eine reibende Berührung dazwischen
während
eines Einschwingbetriebs verhindert oder weitgehend vermindert ist.
Die Strömungsabrissnuten
wirken in sonstiger Weise auf herkömmliche Weise und können dazu
eingerichtet sein, um ihre Leistung ungeachtet ihrer örtlich versetzten
Abschnitte zu maximieren.
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Insbesondere
sind die in den 1–3 veranschaulichten
Blattspitzen 24 im axialen Querschnitt und in axialer Projektion
vorzugsweise eben und geradlinig, wobei der versetzte Steg 38a,
b vorzugsweise in dem Gehäuse
um eine geeignete Ausnehmung B vertieft angeordnet ist. Die Ausneh mung B
ist bezüglich
der inneren Oberfläche
des Gehäuses ausgebildet
und steigert entsprechend den nominalen Spalt A um das Maß der Ausnehmung
B an den einzelnen versetzten Stegen 38a, b.
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Wie
in 3 gezeigt, sind die versetzten Stege 38a,
b im axialen Querschnitt vorzugsweise eben oder geradlinig und weisen
scharfe stromaufwärts
und stromabwärts
gelegene Kanten auf. Auf diese Weise können sämtliche der Stege 38 eben und
mit scharfen Kanten ausgebildet sein, um die aerodynamische Leistung
der Strömungsabrissnuten während des
Betriebs zu maximieren. Weiter werden im Falle des Auftretens eines
Laufschaufelreibens mit dem Gehäuse 34 während eines
Einschwingvorgangs lediglich jene nicht versetzten Stege 38 die Blattspitzen
in Regionen reiben, die verhältnismäßig geringfügig beansprucht
sind, während
die versetzten Stege 38a, b von den an den Auftrefforten
vorhandenen ausgewählten
Bereichen hoher Beanspruchung der Laufschaufelspitzen beabstandet
sind.
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4 veranschaulicht
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem die mit 38c bezeichneten
versetzten Stege im axialen Querschnitt gekrümmt sind und vorzugsweise einen
konstanten Radius aufweisen, so dass sie beispielsweise an den radial
inneren Enden der teilenden Rippen der Strömungsabrissnuten halbkreisförmig sind.
Auf diese Weise können
sich die versetzten Stege an deren Scheitelpunkten gleich weit erstrecken
wie die angrenzenden Stege und teilweise versetzt sein, während sie
in einer Kurve radial nach außen
verlaufen.
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Dementsprechend
wird der nominale Laufschaufelspitzespalt bzw. die Toleranz A an
jedem der Stege beibehalten, jedoch werden die gekrümmten versetzten
Stege eine Belastung mit den Blattspitzen während eines Einschwingvorgangsreibens
wesentlich reduzieren. Die nicht versetzten Stege 38 behalten
ihre scharfe Vierkantform bei, um die aerodynamische Leistung zu
verbessern, wobei die versetzten Stege hinsichtlich einer Reduzierung
der Beanspruchung in einem Kompromiss gegenüber deren maximalen aerodynamischen
Wirkungsgrad abgerundete Kanten aufweisen.
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In
den 5 und 6 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem die mit 38d bezeichneten
versetzten Stege sich gleich weit wie die innere Oberfläche des Gehäuses 34 und
wie die benachbarten nicht versetzten Stege 38 erstrecken.
In Entsprechung weisen die in sonstiger Weise ebenen Blattspitzen 24 mit 40c bezeichnete
jeweilige Auftrefforte auf, die an den gewünschten Stellen der dort auftretenden
hohen Schwingungsbelastung radial nach innen in die Blattspitzen
hinein ausgenommen sind. Die Auftrefforte 40c sind vorzugsweise
in axialer Richtung gekrümmt und
erstrecken sich über
die gesamte Breite jede Schaufel zwischen der Druck- und Saugseite.
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Die
vertieften Auftrefforte 40c wirken mit den entsprechenden
versetzten Stegen 38d zusammen, so dass die versetzten
Stege 38d während
des Reibens einer Schaufel an dem Gehäuse 34 die vertieften
Auftrefforte 40c nicht berühren oder an diesen reiben.
Die Tiefe der ausgenommenen/vertieften Auftrefforte ist geeignet
beschränkt,
so dass ein Reiben mit den entsprechenden Stegen verhindert ist,
während
die lokale Toleranz dazwischen minimiert ist, um den Leckstrom der
verdichteten Luft über
die Blattspitzen möglichst
gering zu halten.
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In
den oben offenbarten vielfältigen
Ausführungsbeispielen
können
Toleranzen zwischen den Blattspitzen und dem Statorgehäuse örtlich größer bemessen
sein, um ein Reiben an kritischen Stellen auf der Laufschaufelspitze
zu verhindern. Da die größeren Toleranzen örtlich beschränkt sind,
wird deren Einfluss auf die aerodynamische Leistung minimal sein.
Die nominale Laufschaufelspitzentoleranz A kann verhältnismäßig gering
bleiben, und die Konfiguration der Strömungsabrissnuten 36 kann
im Wesentlichen unverändert
bleiben, um deren Leistung zu maximieren, während an ausgewählten Stegen eine
verhältnismäßig geringe
lokale Vergrößerung der
Toleranz eingeführt
wird. Ein Laufschaufelspitzenreiben ist an den versetzten Stegen
eliminiert oder reduziert, mit entsprechenden Verminderungen einer
Spannungskonzentration und Beanspruchung während eines Spitzenreibens
mit den Schaufeln.