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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen der Plattform einer Statorleitschaufel
für eine
Rotationsmaschine, zum Kühlen
von einer der Plattform benachbarten Struktur und zum Bilden einer
Kühlpassage
für ein
solches Kühlen.
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Eine
Axialströmungsrotationsmaschine,
beispielsweise eine Gasturbinenmaschine für ein Flugzeug, hat einen Verdichterabschnitt,
einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg
für Arbeitsmediumsgase verläuft axial
durch die Abschnitte der Maschine.
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Die
Maschine gibt den Arbeitsmediumsgasen Brennstoff zu und verbrennt
den Brennstoff in dem Verbrennungsabschnitt, um heiße, druckbeaufschlagte
Gase zu bilden. Die heißen
Arbeitsmediumsgase lässt
man durch den Turbinenabschnitt expandieren, um den Gasen Energie
als Arbeit zu entziehen. Die Energie wird auf den Verdichterabschnitt übertragen,
um den Druck der einströmenden
Gase zu erhöhen.
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Der
Turbinenabschnitt weist einen Rotor zum Aufnehmen dieser Arbeit
von den heißen
Arbeitsmediumsgasen auf. Der Rotor erstreckt sich axial durch die
Maschine. Der Rotor weist eine Rotorbaugruppe in dem Turbinenabschnitt
auf. Der Rotor hat auch eine Rotorbaugruppe in dem Verdichterabschnitt.
Die Rotorbaugruppeen haben Anordnungen von Rotorlaufschaufeln, die über den
Arbeitsmediumsströmungsweg,
durch den die Gase gelenkt werden, nach außen ragen. Anordnungen von
Rotorlaufschaufeln in dem Turbinenabschnitt erhalten Energie von
den heißen
Arbeitsmediumsgasen und treiben die Rotorbaugruppe mit hohen Drehzahlen
um eine Rotationsachse. Anordnungen von Rotorlaufschaufeln in dem
Verdichterabschnitt übertragen
Energie auf die Arbeitsmediumsgase, um die Gase zu verdichten, wenn
die Strömungsprofile
um die Rotationsachse von dem Rotor angetrieben werden.
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Die
Maschine weist einen um den Rotor angeordneten Stator auf. Der Stator
hat eine Statoranordnung mit einem äußeren Gehäuse. Das äußere Gehäuse verläuft umfangsmäßig um den
Arbeitsmediumsströmungsweg,
um den Strömungsweg
zu begrenzen. Die Statoranordnung hat Dichtungsanordnungen, beispielsweise
ein umfangsmäßig verlaufendes
Dichtungselement, welches radial um die Rotorbaugruppe angeordnet
ist. Das Dichtungselement ist aus gekrümmten Segmenten gebildet, welche
es dem Dichtungselement erlauben, seinen Durchmesser in Reaktion
auf Betriebsbedingungen der Maschine zu ändern. Das Dichtungselement
befindet sich in enger Nähe
zu den Spitzen der Rotorlaufschaufeln, um eine Dichtung zu bilden,
welche die Leckage von Arbeitsmediumsgasen aus dem Strömungsweg
unterbindet.
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Die
Statoranordnung hat auch Anordnungen von Statorleitschaufeln, die über den
Arbeitsmediumsströmungsweg
radial nach innen ragen. Die Statorleitschaufeln nennt man üblicherweise
Leitschaufelcluster und haben eines oder mehrere Strömungsprofile
oder Statorleitschaufeln. Die Statorleitschaufeln sind umfangsmäßig um die
Achse A der Maschine angeordnet und einen schmalen umfangsmäßigen Spalt
G voneinander beabstandet.
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Die
Anordnungen von Statorleitschaufeln sind strömungsaufwärts der Anordnungen von Rotorlaufschaufeln
sowohl in dem Verdichterabschnitt als auch in dem Turbinenabschnitt
angeordnet. Die Statorleitschaufeln führen die Arbeitsmediumsgase, wenn
die Gase entlang des Strömungswegs
strömen.
Jede hat ein Strömungsprofil,
welches ausgelegt ist, die Arbeitsmediumsgase aufzunehmen, mit diesen
wechselzuwirken und sie abzugeben, wenn die Gase durch die Maschine
strömen.
Die Statorleitschaufeln haben eine Struktur, beispielsweise eine innere
Plattform und eine äußere Plattform,
welche den Strömungsweg
für Arbeitsmediumsgase
begrenzt.
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Die
Strömungsprofile
in dem Turbinenabschnitt werden unter Betriebsbedingungen in den heißen Arbeitsmediumsgasen
gebadet. Bestimmte Strömungsprofile
in dem Turbinenabschnitt, beispielsweise Statorleitschaufeln in
der Hochdruckturbine, werden gekühlt,
indem man Kühlluft
durch das Strömungsprofil
strömen
lässt,
um unakzeptabel hohe Temperaturen in den Wänden des Strömungsprofils
zu vermeiden. Jede Statorleitschaufel hat eine oder mehrere große Öffnungen
an ihrem inneren Ende und in der Nähe ihres äußeren Endes nahe bei dem äußeren Gehäuse zum
Aufnehmen der Kühlluft.
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Ein
Federdichtungselement, welches üblicherweise
Federdichtung genannt wird, ist typischerweise bei modernen Maschinen
jeweils zwischen einem Paar von umfangsmäßig beabstandeten Statorleitschaufeln
vorgesehen. Das Dichtungselement überbrückt den Spalt G zwischen den
Statorleitschaufeln, um die Leckage von der Leitschaufel zugeführter Kühlluft in
den Arbeitsmediumsströmungsweg
durch ein Strömen
durch den Spalt G zu unterbinden. Ein Beispiel einer derartigen
kühlbaren
Anordnung von Wandsegmenten ist in dem US Patent 4,767,260 gezeigt,
welches Clevenger et al. erteilt wurde und den Titel „Stator
Vane Platform Cooling Means" trägt. Der
Federdichtungsschlitz verläuft
typischerweise in der Nähe
einer hinteren Schiene zum Befestigen der Statorleitschaufel an
benachbarter Struktur. Bei manchen Konstruktionen ist eine radial verlaufende
Federdichtung in der Schiene angeordnet. Bei einer weiteren Konstruktion
wird ein Paar von Federdichtungen verwendet, um einen Kühlluftkanal zum
Strömenlassen
von Kühlluft
zwischen den Federdichtungen zu einer strömungsabwärtigen Stelle zu bilden, wie
in dem US Patent 4,688,988 gezeigt, welches Olsen erteilt wurde
und den Titel „Coolable Stator
Assembly for Gas Turbine Engine" trägt. Die Statorleitschaufel
hat typischerweise viele kleine Kühlluftlöcher, die von dem Inneren des
Strömungsprofils
zu dem Äußeren des
Strömungsprofils
verlaufen. Die Kühlluftlöcher kühlen das
Strömungsprofil durch
Konvektion und geben Kühlluft
an der Gaswegoberfläche
ab, um Bereichen des Strömungsprofils, beispielsweise
dem Vorderkantenbereich oder dem Hinterkantenbereich, eine Filmkühlung zu
verschaffen.
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Die
Wandsegmente der äußeren Luftdichtung
und die Plattformen der Statorleitschaufeln sind in engstem Kontakt
mit den heißen
Arbeitsmediumsgasen und empfangen Wärme von den Gasen in sich ändernden
Mengen über
der Oberfläche
der Plattform. Den äußeren Luftdichtungssegmenten
und den Plattformen der Turbinenleitschaufeln wird Kühlluft von
den Öffnungen
geliefert, die in Strömungsverbindung
mit internen Kühlpassagen
sind. Ein Beispiel ist in dem US Patent 5,413,458 gezeigt, welches
Calderbank erteilt wurde und den Titel „Turbine Vane With A Platform
Cavity Having A Double Feed for Cooling Fluid" trägt.
Bei Calderbank weist die Turbinenleitschaufel eine Plattformhohlraum
mit einem an der Druckseite angeordneten ersten Einlass und einem
an der Sogseite der Statorleitschaufel angeordneten zweiten Einlass
auf. Eine Kühlpassage
verläuft von
beiden Stellen nach hinten, so dass es zu einer Strömung in
der gleichen Richtung in Richtung der Hinterkante der Plattform
kommt. Die Strömung schafft
eine konvektive Kühlung
und eine Filmkühlung
durch das Abgeben von Kühlfluid
durch Austrittsleitungen, beispielsweise Filmkühllöcher, die von der Passage zu
Strömungsoberfläche an der
Plattform gehen.
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Ein
frühes
Beispiel eines Kühlschemas
für eine
Leitschaufelplattform ist in dem US Patent 3,628,880 gezeigt, welches
Smuland et al. erteilt wurde und den Titel „Vane Assembly and Temperature Control
Arrangement" trägt. Das
US Patent 4,017,213, welches Przirembel erteilt wurde und den Titel „Turbomachinery
Vane or Blade with Cooled Platforms" trägt,
zeigt Anordnungen kleiner Kühlleitungen
zum Schaffen einer Kombination von Prall-, Konvektions- und Filmkühlung für die Plattform.
Die selektive Platzierung der Leitungen weist eine Leitung auf,
welche durch die Hinterkante der Plattform zum konvektiven Kühlen der
Hinterkante verläuft. Das
US Patent 4,946,346, welches Ito erteilt wurde und den Titel „Gas Turbine
Vane" trägt, zeigt
eine Mehrzahl von kleinen Leitungen, welche durch den Hinterkantenbereich
gehen, und Filmkühllöcher, die in
Verbindung mit den Löchern
verwendet werden.
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Es
wurden auch Serpentinenpassagen zum Kühlen äußerer Luftdichtungen und zum
Kühlen
von Turbinenleitschaufeln verwendet. Ein Beispiel einer äußeren Luftdichtungskonstruktion
mit Serpentinenpassagen ist in dem US Patent 5,538,393 gezeigt, welches
Thompson et al. erteilt wurde und den Titel „Turbine Shroud Segment With
Serpentine Cooling Channels Having a Bend Passage" trägt. Bei
Thompson ist die äußere Luftdichtung
mit einer Mehrzahl von Serpentinenkanälen versehen, die zwischen
Seiten des äußeren Luftdichtungssegments
verlaufen. Ein Serpentinenkanal wurde auch in dem US Patent 4,353,679
verwendet, welches Hauser erteilt wurde und den Titel „Fluid-Cooled
Element" trägt. Bei
Hauser verläuft
der Serpentinenkanal nach hinten und von einer Seite zur anderen
Seite und bildet einen Strömungsweg,
der von der Hinterkante nach vorne in die Plattform geht, um Filmkühlluft abzugeben,
die dann nach hinten über
die Plattform strömt.
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Trotz
des Vorangegangenen haben sich die Wissenschaftler und Ingenieure
der Anmelderin bemüht,
eine relativ einfache Kühlpassage
für den
Hinterkantenbereich einer Plattform für eine Statorleitschaufel zum
Bereitstellen von Kühlung
zu den Plattformen von Statorleitschaufeln zu entwickeln.
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Die
Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass der Hinterkantenbereich
der Plattform für
eine Statorleitschaufel in der Nähe
der Sogseite wegen der Wechselwirkung zwischen den heißen Arbeitsmediumsgasen
und den Statorleitschaufeln, welche Abschlusswandeffekte aufweisen,
wenn die Gase durch die Leitschaufeln strömen, insbesondere an Wärmeübertragsproblem
leidet. Sie basiert auch auf der Erkenntnis, dass eine Leitschaufelplattform mit
einer relativ großen
Kühlfluidpassage,
beispielsweise einer Serpentinenpassage zum konvektiven Kühlen der
Plattform und zum Versorgen kleineren Austrittsleitungen zum Filmkühlen, das
Fluid in einem ausreichenden Volumen und mit einer ausreichen den
Geschwindigkeit (Impuls) zu dem hinteren Bereich der Plattform strömen lassen
kann, damit abgegebenes Kühlfluid
von einer Leitschaufel, welches auf die Sogseite der benachbarten
Leitschaufel trifft, die Kühlbedürfnisse
für die
Sogseite der benachbarten Statorleitschaufel ausgleichen kann und
es dieser Leitschaufel ermöglicht,
ihrerseits Kühlfluid
zu den hinteren Bereich strömen
zu lassen und Kühlfluid in
Richtung auf ihre benachbarte Leitschaufel abzugeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen einer Rotationsmaschine
beschrieben, die ein Paar benachbarter Statorleitschaufelplattformen
hat, die jeweils eine Serpentinenpassage in dem Hinterkantenbereich
zum Kühlen der
Plattformen haben, welches aufweist: Strömenlassen von Kühlfluid
zu dem hintersten, letzten Schenkel der Passage und lateral in den
hintersten Schenkel, dann Bilden einer Stroms von Kühlfluid aus
diesem lateral strömenden
Fluid, welcher mindestens dreißig
Prozent der in die Passage gelangenden Strömung aufweist, und Aufprallenlassen des
Stroms auf die Sogseite der Plattform der benachbarten Leitschaufel.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist das Verfahren das Bilden des Stroms
durch das Strömenlassen
des lateral strömenden
Fluids unter Druck durch eine Leitung mit einer kleineren Querschnittsfläche als
der des hintersten Schenkels auf.
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Gemäß einer
weiteren detaillierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Schritt des Bildens des Stroms
das Fließenlassen von
mindestens sechzig Prozent (60%) des Kühlfluids, welches in die Serpentinenpassage
gelangt, in dem Strom von Kühlfluid
zur Aufprallkühlung
auf die Sogseite der benachbarten Leitschaufel auf.
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Gemäß einer
detaillierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist das Verfahren auf: Lenken des Stroms
von Kühlfluid
nach hinten derart, dass der Strom von Kühlfluid der benachbarten strömungsabwärtigen Struktur
der Ma schine, beispielsweise einer Anordnung von äußeren Luftdichtungssegmenten
oder Plattformen einer Anordnung von Rotorlaufschaufeln, eine Filmkühlung verschafft.
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Gemäß einer
detaillierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist der Schritt des Aufprallkühlens der
Sogseite der Plattform der benachbarten Leitschaufel das Abgeben
des Kühlfluids durch
die Seite der Plattform in eine zumindest zum Teil von einem axial
verlaufenden Schlitz in einer der Leitschaufeln gebildeten Passage
auf.
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Ein
Verfahren zum Kühlen
eines Paars von benachbarten Statorleitschaufelplattformen ist auch beschrieben,
welches die folgenden Schritte aufweist: Bilden einer Kühlpassage
in dem Hinterkantenbereich von einer Statorleitschaufel mit einem
lateral und in Richtung der Sogseite des Hinterkantenbereichs der
benachbarten Leitschaufel verlaufenden hintersten Schenkel hat;
Fließenlassen
des Kühlfluids
lateral; dann Strömenlassen
des Fluids unter Druck durch eine Leitung mit einer kleineren Querschnittsfläche, was
einen Strom von Kühlfluid bildet,
der in Lateralrichtung gerichtet ist; und Abgeben von mindestens
dreißig
Prozent der Strömung des
in den hintersten Schenkel gelangenden Kühlfluids in Lateralrichtung
derart, dass der Strom dem Hinterkantenbereich an der Sogseite der
Plattform der benachbarten Leitschaufel eine Aufprallkühlung liefert.
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Ein
Verfahren zum Bilden einer Kühlpassage zum
Kühlen
der Sogseite in dem Hinterkantenbereich der ersten Statorleitschaufel
eines Paars von Statorleitschaufeln ist ebenfalls beschrieben, welches
aufweist: Verlängern
des Federdichtungsschlitzes über
die Position des Federdichtungselements hinaus in mindestens einer
der Leitschaufeln, beispielsweise entweder an der Sogseite der ersten Leitschaufel
oder der Druckseite der benachbarten Leitschaufel, um eine nach
hinten verlaufende Passage zu bilden, die durch die Leitschaufeln
begrenzt ist und Bilden einer Austrittsleitung in der Druckseite der
zweiten Leitschaufel bildet, welche die Passage in Strömungsverbindung
mit dem Inneren der benach barten Leitschaufel setzt, um Aufprallkühlfluid von
der benachbarten Leitschaufel zu empfangen; und, wobei die Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes nach hinten zu der Hinterkante der Plattform verläuft, um
der benachbarten strömungsabwärtigen Struktur
eine Filmkühlung
zu verschaffen.
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Gemäß einer
weiteren detaillierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren auf: Anordnen eines
Federdichtungselements in dem Federdichtungsschlitz und Verlängern des Federdichtungselements
zu der Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes zum Blockieren der Strömung von
Kühlung
von dem strömungsaufwärtigen Ende
des Schlitzes mit der Federdichtung; und Platzieren der Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes in Strömungsverbindung mit einem Strom
von Kühlfluid,
welcher durch die Austrittsleitung strömt, so dass der Strom von Kühlfluid
in die Verlängerung des
Federdichtungsschlitzes an der Statorleitschaufel an einer Stelle
gelangt, die nach hinten von dem Federdichtungselement beabstandet
ist.
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Ein
Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist das Fließenlassen
von mindestens dreißig Prozent
des in eine Serpentinenpassage der benachbarten Leitschaufel gelangenden
Kühlfluids
von einer benachbarten Statorleitschaufel und Aufprallenlassen des
Kühlfluids
auf die Sogseite der Plattform einer Statorleitschaufeln. Ein weiteres
Merkmal ist das lateral Fließenlassen
des Kühlfluids
in der benachbarten Leitschaufel in der Abgaberichtung, die lateral durch
eine Austrittsleitung verläuft.
Ein weiteres Merkmal ist das Verwenden der Verlängerung eines Federdichtungsschlitzes
als eine Kühlpassage
zum Kanalisieren von Kühlfluid
in Kontakt mit der Sogseite der gekühlten Leitschaufel und dann
nach hinten in einem ausreichenden Volumen, um durch die hintere Grenzschicht
hindurchzukommen und der benachbarten Struktur, beispielsweise einer äußeren Luftdichtung
oder den Plattformen einer Anordnung von Rotorlaufschaufeln, eine
Filmkühlung
zu verschaffen. Ein weiteres Merkmal ist das Verfahren des Herstellens
der Kühlpassage,
welches das Verlängern
des Federdichtungsschlitzes nach hinten und das Bringen der Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes in Strö mungsverbindung mit einer Leitung
zu der hinteren Passage einer Serpentinenpassage aufweist.
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Ein
Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist die Haltbarkeit einer
Statorleitschaufel, was sich aus dem Kühlen ergibt, welches der Sogseite
der Statorleitschaufel in dem Hinterkantenbereich der Plattform
durch abgegebene Kühlluft
von der benachbarten Statorleitschaufel geliefert wird. Ein weiterer
Vorteil ist die Einfachheit des Ausbildens der Kühlpassage durch spanendes Bearbeiten
oder Schleifen einer Verlängerung
eines Federdichtungsschlitzes in eine Plattform und Bringen des
Federdichtungsschlitzes in Strömungsverbindung
mit einer Quelle von Kühlfluid.
Ein weiterer Vorteil ist die Kühleffizienz,
die sich daraus ergibt, dass man eine Menge von Kühlfluid
von einer benachbarten Leitschaufel eines Paars von Leitschaufeln
abgibt, das Kühlfluid an
einer Stelle der Sogseite der anderen Leitschaufel aufprallen lässt und
das Kühlfluid
nach hinten strömen
lässt,
um der Sogseite dieser Leitschaufel eine konvektive Kühlung zu
verschaffen und einer strömungsabwärtig benachbarten
Struktur eine Filmkühlung
zu verschaffen.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die beleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
die Seitenansicht einer Rotationsmaschine, beispielsweise einer
Turbobläsergasturbinenmaschine
mit einer Rotationsachse Ar.
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2 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
zum Teil im Schnitt und zum Teil ungeschnitten, die einen Teil des
Verbrennungsabschnitts und des Turbinenabschnitts der in 2 gezeigten
Gasturbinenmaschine zeigt und die eine Anordnung von Statorleitschaufeln
in dem Turbinenabschnitt zeigt.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten äußeren Plattform,
welche das Verhältnis
eines Federdichtungselements zu einem in der Druckseite und der
Sogseite von benachbarten Statorleitschaufeln gebildeten Schlitzen
zeigt.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Paars von Statorleitschaufeln
des Typs, der in 2 gezeigt ist.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht, zum Teil im Schnitt und zum Teil weggebrochen,
um Kühlpassagen
zu zeigen, die in dem Hinterkantenbereich der in 4 gezeigten
Statorleitschaufeln angeordnet sind.
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6A ist
eine Ansicht des Hinterkantenbereichs der in 5 gezeigten
Statorleitschaufeln von unten und zum Teil weggebrochen.
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6B ist
eine Schnittansicht entlang der Linien 6B-6B von 6A,
wobei Bereiche der Leitschaufel weggebrochen sind.
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6C ist
eine alternative Ausführungsform der
in 6A gezeigten Ausführungsform.
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6D ist
eine alternative Ausführungsform der
in 6A gezeigten Ausführungsform.
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7 ist
eine Ansicht von oben des Hinterkantenbereichs der äußeren Plattform
der Statorleitschaufel, wie durch die Richtung des Pfeils 7 gezeigt.
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7A ist
eine alternative Ausführungsform der
in 7 gezeigten Ausführungsform.
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1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Rotationsmaschine 10,
beispielsweise einer Turbobläsergasturbinenmaschine.
Die Maschine ist um eine Symmetrieachse A angeordnet und hat eine Rotationsachse
Ar. Die Maschine weist einen Verdichterabschnitt 12, einen
Verbrennungsabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16 auf.
Ein ringförmiger, primärer Strömungsweg 18 für Arbeitsmediumsgase verläuft axial
durch die Abschnitte der Maschine. Ein Bypassströmungsweg 20 befindet
sich außerhalb des
primären
Strömungswegs.
Die Maschine ist zum Teil weggebrochen, um einen Stator 22 und
eine Rotor 24 in dem Turbinenabschnitt zu zeigen. Der Stator 22 weist
eine Statoranordnung 26 mit einem äußeren Gehäuse 28 auf, welches
umfangsmäßig um den
primären
Strömungsweg
verläuft.
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2 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
eines Teils des Turbinenabschnitts 16 von 1.
Der Rotor 24 weist eine Rotorbaugruppe 32 auf.
Die Rotorbaugruppe hat eine Rotorscheibe 34 und eine Anordnung
oder Mehrzahl (d.h. eine undefinierte Anzahl von zwei oder mehreren)
von Rotorlaufschaufeln, wie durch die Rotorlaufschaufel 36 repräsentiert.
Jede Rotorlaufschaufel hat eine Plattform 38. Die Plattform begrenzt
den Arbeitsmediumsströmungsweg 18 nach
innen. Die Rotorlaufschaufeln ragen radial nach außen über den
Arbeitsmediumsströmungsweg
in enger Nähe
zu dem Stator 22.
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Der
Stator 22 weist ein Dichtungselement 42 auf. Das
Dichtungselement ist von dem äußeren Gehäuse abgestützt. Das
Dichtungselement ist in enger Nähe
zu dem äußersten
Bereich der Rotorlaufschaufeln 36 angeordnet und begrenzt
den Arbeitsmediumsströmungsweg 18 nach
außen.
Das Dichtungselement ist aus einer Mehrzahl von gekrümmten äußeren Luftdichtungssegmenten
gebildet, wie durch das gekrümmte
Segment 44 repräsentiert.
Jedes Segment ist um einen schmalen umfangsmäßigen Spalt (nicht gezeigt)
von dem benachbarten Segment beabstandet. Die Dichtungssegmente
bewegen sich nach innen und nach außen, wenn sich das äußere Gehäuse 28 der
Statoranordnung 26 ansprechend auf Betriebsbedingungen
der Maschine nach innen bzw. nach außen bewegt. Das unterteilte
Dichtungselement 42 hat sehr wenig Umfangs- oder Reifen-Festigkeit
und liefert verglichen mit einem Dichtungselement, welches einstückig und
in der Umfangsrichtung ununterbrochen ist, einen verringerten Widerstand
gegen eine Bewegung des Gehäuses 28.
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Die
Statoranordnung 26 verläuft
umfangsmäßig um die
Achsen A und Ar. Die Statoranordnung wird in üblicher Weise als eine Gehäuse-Leitschaufel-Anordnung
bezeichnet. Die Statoranordnung weist eine Anordnung von Statorleitschaufel-Clustern auf,
wie durch den Cluster 46 repräsentiert. Die Cluster sind
umfangsmäßig um die
Achse A angeordnet. Jeder Cluster wird üblicherweise als eine Statorleitschaufel
bezeichnet. Die Statorleitschaufel hat eine Außendurchmesser-Plattform 48 mit
einer Gaswegoberfläche 52 und
eine Innendurchmesser-Plattform 54 mit
einer Gaswegoberfläche 56.
Die Gaswegoberflächen
an den Plattformen verlaufen umfangsmäßig und axial, um den Arbeitsmediumsströmungsweg 18 in
Radialrichtung zu begrenzen. Eines oder mehrere Strömungsprofile,
wie durch das Strömungsprofil 58 repräsentiert,
verläuft
radial zwischen den Plattformen über
den Arbeitsmediumsströmungsweg.
Jedes Strömungsprofil
hat eine Vorderkante 59 und eine Hinterkante 60.
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Zusätzlich zu
dem äußeren Gehäuse 28 weist
die Statoranordnung ein inneres Gehäuse 62 auf. Die Statorleitschaufel
hat eine innere Schiene 64 zum Positionieren der Statorleitschaufel
von dem inneren Gehäuse.
Jede Statorleitschaufel ist an dem inneren Gehäuse mit Schrauben 66 positioniert,
welche durch die innere Schiene gehen. Die Statorleitschaufel hat
eine oder mehrere äußere Schienen, wie
durch die Schiene 68 repräsentiert, zum Positionieren
der Statorleitschaufel von dem äußeren Gehäuse. Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist jede Statorleitschaufel von dem äußeren Gehäuse mit Bolzen, Stiften oder
Laschen (nicht gezeigt) positioniert, die mit der äußeren Schiene
zusammenwirken.
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Der
Stator 22 hat einen Innendurchmesserbereich 70 und
einen Außendurchmesserbereich 72. Der
Stator hat einen ersten ringförmigen
Sammelraum 74 für
Kühlfluid,
beispielsweise Kühlluft
von dem Verdichterabschnitt 12, welcher umfangsmäßig um den
Außendurchmesserbereich 72 verläuft. Ein zweiter
ringförmiger Sammelraum 76 für Kühlluft verläuft umfangsmäßig um den
Innendurchmesserbereich 70 des Stators. Jede Statorleitschaufel 46 hat mindestens
eine Öffnung
in jedem Ende, welche das Innere der Leitschaufel in Strömungsverbindung
mit dem Sammelraum zum Zuführen
von Kühlluft
zu der Leitschaufel bringt. Diese Öffnungen sind durch die Öffnung 78 der äußeren Plattform
benachbart und die Öffnung 82 der
inneren Plattform benachbart repräsentiert.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Paars von benachbarten
Statorleitschaufeln 46a, 46b und zeigt einen Teil
der äußeren Plattformen 48a, 48b,
wobei die installierte Position der Plattform 48b durch
die unterbrochenen Linien gezeigt ist. Wie in 2 und 3 gezeigt
ist, hat jede Plattform der Statorleitschaufel 46 außerdem Schlitze.
Die Schlitze sind durch die Federdichtungsschlitze 84, 86 und
den Verlängerungsschlitz 88 an
der äußeren Plattform
und durch die Federdichtungsschlitze 92, 94 und
den Verlängerungsschlitz 96 an
der inneren Plattform 54 repräsentiert. Paare von Federdichtungsschlitzen
in benachbarten Leitschaufeln sind umfangsmäßig aufeinander gerichtet,
um ein zugehöriges
Federdichtungselement, wie durch das Federdichtungselement 98 repräsentiert,
aufzunehmen. Jedes Federdichtungselement 98 erstreckt sich zwischen
einem Paar von benachbarten Statorleitschaufeln 46a, 46b in
dem installierten Zustand. Das Federdichtungselement wirkt verschieblich
mit den zugehörigen
Statorleitschaufeln zusammen, um in dem Spalt G zwischen den benachbarten
Leitschaufeln eine effektive Abdichtung zu schaffen. Die Statorleitschaufeln
und die Federdichtungselemente bilden effektiv eine umfangsmäßig kontinuierliche
Barriere zwischen dem Arbeitsmediumsströmungsweg 18 und dem
Sammelraum 74, wobei die Federdichtungselemente den Spalt
G verschließen
und sich an den Leitschaufeln verschieben, wenn sich die Statoranordnung
in Reaktion auf Betriebszuständen
der Maschine nach innen bzw. nach außen bewegt.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht des Paars benachbarter Statorleitschaufeln 46a, 46b von unten.
Das Strömungsprofil 58 hat
strömungslenkende
Oberflä chen,
die sich zwischen der Vorderkante 59 und der Hinterkante 60 erstrecken,
beispielsweise eine Sogfläche 106 und
eine Druckfläche 108.
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Wie
in 2 und 5 gezeigt, hat die äußere Plattform 48 eine
Vorderkante 112. Eine Hinterkante 114 ist axial
von der Vorderkante um eine Strecke Cr, gemessen rechtwinklig zu
der Hinterkante, beabstandet. Die Vorderkante und die Hinterkante der
Plattform liegen in dem installierten Zustand jeweils in einer Radialebene,
die rechtwinklig zu der Achse A der Maschine ist. Die Plattform
hat eine Sogseite 116 und eine Druckseite 118.
Die Sogseite von einer Plattform ist auf die Druckseite der benachbarten
Plattform gerichtet. Jede Seite erstreckt sich zwischen der Vorderkante
und der Hinterkante. Die Druckseite ist lateral von der Sogseite
um eine Breite Wpl beabstandet. Die Weite Wpl wird entlang einer Linie
parallel zur Hinterkante der Plattform gemessen.
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Die äußere Plattform 48 hat
einen Vorderkantenbereich 122 vor dem Strömungsprofil 58.
Die Plattform hat einen Mittelbereich 124, von dem das Strömungsprofil
wegragt. Die Plattform hat einen Hinterkantenbereich 26 hinter
dem Mittelbereich. Der Hinterkantenbereich der Plattform geht von
der hintersten Befestigungsschiene 68 der Hinterkante nach hinten.
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Die
innere Plattform 54 hat eine Vorderkante 132.
Eine Hinterkante 134, die axial von der Vorderkante um
eine Strecke Cr gemessen rechtwinklig zu der Hinterkante beabstandet
ist. Die Vorderkante und die Hinterkante der Plattform liegen jeweils
im installierten Zustand in einer Radialebene, die rechtwinklig zur
Achse A der Maschine ist. Die Plattform hat eine Sogseite 136 und
eine Druckseite 138. Die Sogseite von einer Plattform ist
auf die Druckseite der benachbarten Plattform gerichtet. Jede Seite
verläuft
zwischen der Vorderkante und der Hinterkante. Die Druckseite ist
lateral von der Sogseite um eine Breite Wpl beabstandet. Die Breite
Wpl wird entlang einer Linie parallel zu der Hinterkante der Plattform
gemessen. Die Breiten der Außendurchmesser-Plattform Wpl
und die Breiten der Innendurchmesser-Plattform Wpl sind nicht gleich.
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Die
innere Plattform 54 hat einen Vorderkantenbereich 142 vor
dem Strömungsprofil 58.
Die Plattform hat einen Mittelbereich 144, von dem das Strömungsprofil
wegragt. Die Plattform hat einen Hinterkantenbereich 146 hinter
dem Mittelbereich. Der Hinterkantenbereich der Plattform verläuft von der
hintersten Befestigungsschiene 64 nach hinten zu der Hinterkante.
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5 ist
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
der in 4 gezeigten Statorleitschaufel 46, wobei
Teile der Leitschaufel in den Hinterkantenbereichen 126, 146 weggebrochen
sind. Die äußere Plattform 48 hat
die äußere Öffnung 78,
die in Strömungsverbindung
mit dem äußeren Sammelraum 74 für Kühlluft ist.
Die innere Plattform 54 hat eine Sogseitenöffnung 82s und
eine Druckseitenöffnung 82p.
Jede der Öffnungen 82s, 82p befindet
sich in Strömungsverbindung
mit dem inneren Kühlluftsammelraum 76.
Eine innere Öffnung 148 an
dem Inneren der äußeren Plattform 48 und
eine innere Öffnung 152 an
dem Inneren der inneren Plattform 54 in dem Hinterkantenbereich 126, 146 einer
jeden Plattform bringt den entsprechenden Hinterkantenbereich in
Strömungsverbindung
mit dem zugehörigen
Sammelraum für
Kühlluft.
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6A ist
eine Ansicht der inneren Plattform 54 der Statorleitschaufel 46 von
unten genommen in der Richtung des Pfeils 6 der 5.
Die Plattform ist weggebrochen, um den Hinterkantenbereich 146 der Plattform
zu zeigen. Die Plattform hat eine erste Wand 154 in dem
Hinterkantenbereich, die zwischen den Seiten 136, 138 seitlich
verläuft.
Die erste Wand hat die Öffnung 152,
welche die Plattform daran angepasst macht, in Strömungsverbindung
mit dem inneren Sammelraum 76 zu sein. Die Plattform hat
eine der Hinterkante 134 benachbarte zweite Wand 156, die
zwischen den Seiten 136, 138 lateral verläuft und von
der ersten Wand axial beabstandet ist und einen Hohlraum 158 für Kühlfluid
dazwischen lässt.
Der Hohlraum ist Erstreckungsrichtung durch ein Paar von in Erstreckungsrichtung
gerichtete Wände
begrenzt, von denen eine Wand 160 in der 5 gezeigt
ist. Die Wand ist in Erstreckungsrichtung von der Gaswegoberfläche 56 be abstandet.
Die Plattform hat eine Sogseitenwand 162. Die Sogseitenwand verläuft von
der ersten Wand 154 zu der zweiten Wand 156, um
den Hohlraum 158 an der Sogseite der Plattform zu begrenzen.
Ein Teil der Sogseitenwand verläuft
im Wesentlichen parallel, zu der Sogseite 136 der Leitschaufelplattform.
Eine Druckseitenwand 164 verläuft von der ersten Wand zu
der zweiten Wand, um den Hohlraum an der Druckseite lateral zu begrenzen.
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Die
Druckseitenwand 164 hat eine einzelne Rippe 166,
die von der Druckseitenwand in Richtung zu der Sogseitenwand 136 ragt.
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 eine erste (vordere) Strecke 169 und
eine hintere Strecke 170, die generell in Lateralrichtung über die
Plattform gehen. Eine Mehrzahl von Stolperstreifen 171 ist
in der Passage an der Wand 160 unter der Gaswegoberfläche 56 angeordnet,
wie in der 5 gezeigt. Die Stolperstreifen
sind gerade oder winkelförmig.
Die Passage hat eine Länge
L gemessen entlang der Mittellinie der Passage, die kleiner oder
gleich eineinviertel Mal 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 breit und in einem Bereich von
zehn Prozent bis fünfzehn
Prozent 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 beabstandet und lässt einen
ersten Umkehrbereich 172 dazwischen. Die Rippe hat einen
Vorsprung 174, der mit einem Winkel in Richtung zu der
ersten Wand und in Richtung zu der Richtung der unter Betriebsbedingungen
ankommenden Strömung
von Kühlluft
ist. Der mit Winkel angeordnete Vorsprung bewirkt, dass sich die
Passage um einen stumpfen Winkel a dreht. Der erste Umkehrbereich
hat danach eine zusätzliche
Umkehr um einen Winkel B von hundertachtzig Grad.
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Der
Vorsprung 174 hat eine Wand 176 parallel zur Sogseitenwand 162,
die im Wesentlichen parallel zur Sogseite 136 des Strömungsprofils
und parallel zu der Sogseitenwand verläuft. Die zwei Wände 162, 176 lenken
Strömung
in der Passage 168 gegen die zweite Wand 156 der
Hinterkante 136 benachbart an einer der Sogseite der Plattform
benachbarten Stelle und die Strömung
strömt
durch einen zweiten Umkehrbereich 177 einem stumpfen Winkel
C.
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Wie
in der 6A gezeigt, ist eine Mehrzahl von
Austrittsleitungen 178, 182 daran angepasst, Kühlfluid
von der Passage zu dem Äußeren der
Plattform unter Betriebsbedingungen strömen zu lassen. Die Mehrzahl
von Austrittsleitungen weist mindestens eine Filmkühlleitung,
wie durch die Filmkühlleitungen 178 repräsentiert,
auf, die in Strömungsverbindung
mit der Gaswegoberfläche 156 der
Plattform sind. Die Mehrzahl von Austrittsleitungen weist mindestens
eine Hinterkantenleitung, wie durch die Hinterkantenleitungen 182 repräsentiert,
auf, die zwischen der hinteren Strecke 170 der Passage
und der Hinterkante 133 der Statorleitschaufel verlaufen.
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In
der gezeigten Ausführungsform
befindet sich der hinterste Bereich der Passage (hintere Strecke
oder hinterer Schenkel 170) in Strömungsverbindung mit der Plattformoberfläche mit
vier Filmkühlleitungen 178,
die eine Gesamtquerschnittsfläche
Arfc und einer zugehörigen
Strömungscharakteristik
Crfc unter Betriebsbedingungen haben. Die gesamte Querschnittsfläche ist
eine Summe der Flächen
der vier Filmkühlleitungen.
Außerdem
befindet sich ein Teil der Passage strömungsaufwärts des hintersten Schenkels
in Strömungsverbindung
mit der Oberfläche
der Plattform durch drei Filmkühlleitungen 178, die
in dem ersten Umkehrbereich 172 angeordnet sind und eine
Gesamtquerschnittsströmungsfläche Apfc
und eine zugehörige
Strömungscharakteristik Cpfc
unter Betriebsbedingungen haben. Folglich gehen lediglich sieben
Filmkühlleitungen
von dem Inneren der Plattform zu dem Äußeren der inneren Plattform,
wobei der Rest der Strömung
durch andere Austrittsleitungen in der Hinterkante austritt, die
nicht in Strömungsverbindung
mit der Gaswegoberfläche der
Plattform sind. Die anderen Austrittsleitungen sind die vier Hinterkantenleitungen 182,
die eine Gesamtquerschnittsströmungsfläche Arte
und eine zugehörige
Strömungscharakteristik
Crte zum Abgeben von in den hinteren Schenkel an der Hinterkante
gelangendem Kühlfluid
hat. Die Flächen
sind für
die in der 6A gezeigte Ausführungsform
gewählt,
so dass die gesamte Querschnittsfläche Arte gleich etwa sieben
Prozent (7%) der Querschnittsströmungsfläche Arpa
des letzten Schenkels bei einer Stelle A der ersten der Austrittsleitungen
benachbart (entweder der Austrittsleitung 178 oder 182 des
letzten Schenkels) ist. Die Fläche
der Filmkühllöcher Arfc,
die von dem hinteren Schenkel zu der Gaswegoberfläche gehen,
beträgt
etwa sechs Prozent (6%) der Querschnittsströmungsfläche Arpa des hinteren Schenkels.
Die Querschnittsströmungsfläche Apfc der
Filmkühllöcher in
dem ersten Umkehrbereich 172 beträgt etwa fünf Prozent (5%) der Querschnittsströmungsfläche Arpa
des hinteren Schenkels 170.
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Die
Rippe und die Wände
kooperieren, eine Mehrzahl von Schenkeln zu bilden, die in serieller Weise
bezüglich
einander angeordnet sind. Die Schenkel der Passage nehmen die Strömung auf, wenn
sich die Strömung
durch die Passage bewegt und dennoch geht die Strömung durch
diese Mehrzahl von Schenkeln, während
sie lediglich zwei Strecken durch den Hinterkantenbereich der Plattform durchströmt. Die
Schenkel weisen einen ersten Schenkel 184, einen zweiten
Schenkel 186 und den hintersten oder hinteren Schenkel 170 und
einen vierten Schenkel 188 auf. Der hintere Schenkel erstreckt
sich gemeinsam mit der hinteren Strecke.
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Der
erste Schenkel 184 ist mit einem Winkel α (α = a + b)
zu dem strömungsabwärts benachbarten
zweiten Schenkel 186 angeordnet. Der hintere Schenkel 170 ist
der hinterste Schenkel der Passage und ist mit einem Winkel c zu
dem strömungsaufwärts benachbarten
Schenkel angeordnet. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist der strömungsaufwärts benachbarte
Schenkel der zweite Schenkel 186. Der hintere Schenkel 170 geht
lateral über
mehr als die Hälfte
der Breite Wpl der Plattform gemessen parallel zur Hinterkante 134.
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Der
vierte Schenkel 188 bringt die durch die erste Wand 154 gehende Öffnung 152 in
Strömungsverbindung
mit dem ersten Schenkel 184. Folglich bildet der vierte
Schenkel 188 einen Eingangsabschnitt der Passage. 6B ist
eine Querschnittsansicht der Passage 168 genommen durch
den vierten Schenkel entlang der Linie 6B-6B. Die Passage hat eine
Breite Wpa von etwa 0,2 inch (5 mm) und eine Höhe Hpa von etwa 0,1 inch (2,5
mm). Die Passage hat generell ein Dimensionsverhältnis Hpa/Wpa, welches etwa
ein halb beträgt.
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Der
vierte Schenkel 188 ist der Druckseitenwand der Plattform
benachbart und verläuft
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 dreht in den dritten Umkehrbereich 192 um einen
Winkel d, der größer als neunzig
Grad (90°)
ist. Nach dem dritten Umkehrbereich 192 erstreckt sich
die Passage entlang des ersten, geraden Schenkels 184.
Wie vorangehend erwähnt,
verbindet der erste Umkehrbereich 172 sequentiell den ersten
Schenkel 184 mit dem zweiten Schenkel 186. Der
erste Umkehrbereich 172 bewirkt, dass die Passage um Winkel
dreht, deren Summe größer als
einhundertachtzig Grad (180°)
ist. Dem ersten Umkehrbereich 172 folgt der gerade, zweite Schenkel 186 der
Passage und dann der dritte Umkehrbereich 177 zwischen
dem zweiten Schenkel 186 und dem hinteren Schenkel 170.
Der zweite Umkehrbereich 177 bewirkt, dass sich die Passage
um einen spitzen Winkel dreht, der größer als fünfundvierzig Grad (45°) ist.
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6C ist
eine alternative Ausführungsform der
in 6A gezeigten inneren Plattform 54, die eine
einzelne Hinterkantenleitung 182 in Strömungsverbindung mit der Hinterkante
hat. In anderer Hinsicht ist sie gleich wie die in 6A gezeigte
Ausführungsform.
Die Kühlluft
tritt in einem Strahl oder Strom unter Druck eng der Druckseite 138 des
Strömungsprofils
benachbart und eng der Sogseite des benachbarten Strömungsprofils
benachbart aus.
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6D ist
eine alternative Ausführungsform der
in 6 gezeigten inneren Plattform 54.
Die Plattform hat eine einzelne Hinterkantenleitung 194, die
lateral zu der Verlängerung 96 des
Federdichtungsschlitzes verläuft.
In anderer Hinsicht kann sie gleich wie die in der 6A gezeigten
Ausführungsform
sein. Keine Federdichtung ist in der Verlängerung des Federdichtungsschlitzes
angeordnet. In der Folge bildet die Federdichtung 196 in
Kooperation mit der benachbarten Verlängerung des Federdichtungsschlitzes 96 (beispielsweise 96a und 96b)
eine Hinterkantenleitung 198 in beiden Plattformen, die
zu der Hinterkante 134a und 134b beider benachbarter
Leitschaufeln 46a und 46b geht. Die Leitung 194 hat
eine Querschnittsfläche
von zwischen 6–15%
der Querschnittsfläche
des der Leitung 194 benachbarten Schenkels 170.
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7 ist
eine Schnittansicht von oben der äußeren Plattform 48a in
dem Hinterkantenbereich 126, und sie ist in der Richtung
genommen, die durch den Pfeil 7 der 5 gezeigt
ist. Wie in der 7 gezeigt, hat die äußere Plattform
eine Passage 202a in dem Hinterkantenbereich, die zwei
Strecken 204a, 204b macht, die durch einen ersten
Umkehrbereich 208a und einen zweiten Umkehrbereich 210a gehen. Drei
Kühllöcher sind
in dem zweiten Umkehrbereich 210a vorgesehen. Die Passage
verjüngt
sich schnell lateral in dem hinteren Schenkel und endet an einer lateralen
Leitung 212a, die lateral verläuft, wie die Hinterkantenleitung
der in 6B gezeigten Ausführungsform.
Die Verlängerung 88 des
Federdichtungsschlitzes bildet eine Hinterkantenleitung 214a,
die ähnlich
der Hinterkantenleitung 198 der 6D ist. Die
Leitung 212a hat eine Querschnittsfläche zwischen 6 bis 15% der
Querschnittsfläche
der der Leitung 212a benachbarten Strecke 6a.
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3 ist
die vorangehend besprochene perspektivische Ansicht von Teilen der
zwei benachbarten Statorleitschaufeln 46a, 46b,
die in 4 gezeigt sind. 3 zeigt
die Relation der Federdichtungsschlitze 84, 86 und
der Verlängerung 88 des
Federdichtungsschlitzes zu der lateral verlaufenden Leitung 212a,
die in 7 gezeigt ist. Wie in der 7 und in 3 gezeigt,
verläuft
die Leitung an der Druckseite 118a der Leitschaufel 46a.
Die Leitung befindet sich in Strömungsverbin dung
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,
b, die zu der Hinterkante 114 geht zum Kanalisieren von
Kühlfluid
nach hinten, nachdem die Kühlluft
aus dem hinteren Schenkel oder der hinteren Strecke 206a der äußeren Plattform 48a ausgeströmt ist.
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Während des
Betriebs der in 1 gezeigten Gasturbinenmaschine
lässt man
Arbeitsmediumsgase entlang des primären Strömungswegs 18 der Maschine
und durch den Verbrennungsabschnitt 14 strömen. Die
Arbeitsmediumsgase enthalten Sauerstoff, der mit Brennstoff verbrannt
wird, um die Temperatur der Gase zu erhöhen. Diese heißen Gase
werden durch den Turbinenabschnitt 16 expandiert und sie
strömen
durch die Anordnung von Statorleitschaufeln 46 unmittelbar
strömungsabwärts des
Verbrennungsabschnitts 14. Grenzschichten aus Arbeitsmediumsgasen
bilden sich an den Gaswegoberflächen 52, 56 der äußeren Plattform 48 und
der inneren Plattform 54.
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Kühlluft von
dem Verdichterabschnitt 12 strömt zu dem der inneren Plattform 54 benachbarten ringförmigen inneren
Sammelraum 76. Die Kühlluft strömt in zwei
Strecken 169, 170 durch die Schenkel 188, 186, 184 und 170 der
Passage in dem Hinterkantenbereich 146 der Plattform. Die
Kühlluft
kühlt das
Strömungsprofil
konvektiv und wird in einem gewissen Maße zur Filmkühlung verwendet.
Die Strömungseigenschaften
der Passage Cpa der Filmkühlleitung
Cpfc, Crfc und der Hinterkantenleitungen Crte werden so eingerichtet,
dass sie Grund-Kühlluftströmefür den Haltbarkeitszustand
der Statorleitschaufeln etablieren. Bei dieser Ausführungsform folgt
die Strömung
der Kühlluft
für den
Haltbarkeitszustand der Leitschaufel eng der Strömung, die bei dem Zustand der
Maschine eines Starts auf Meereshöhe (Sea Level Take Off condition – SLTO)
benötigt wird.
Bei diesem Zustand strömt
mindestens die Hälfte
der in die Druckseitenöffnung
der Leitschaufel gelangenden Kühlluft
durch die Passage. Bei dieser speziellen Ausführungsform gelangen etwa sechzehn
Prozent der Kühlluft
in die Passage.
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Wenn
die Kühlluft
durch die Passage strömt, werden über sechzig
Prozent der in die Passage gelangenden Kühlluft durch den hinteren Schenkel 170 der
Passage der Hinterkante benachbart abgegeben. In der gezeigten Ausführungsform
werden etwa drei Viertel (3/4) der Luft so abgegeben.
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Lediglich
ein Viertel (1/4) der in die Passage 168 gelangenden Kühlluft wird
in dem ersten Umkehrbereich 172 abgegeben. Die Kühlluft wird
durch die drei Filmkühlleitungen 178 an
einem strömungsaufwärtigen Bereich
der Plattform abgegeben. Die Abgabe an dieser Stelle führt zu einem
tieferen Eindringen in die Grenzschicht, welche sich an der benachbarten
Gaswegoberfläche 56 bildet,
als eine Abgabe von Filmkühlleitungen
benachbart der Hinterkante. Es ist wünschenswert, das Abgeben von
Kühlluft
in diesen Teil der Grenzschicht wegen des negativen Effekts, den
ein derartiges Eindringen auf die aerodynamische Effizienz der Statorleitschaufeln hat,
zu vermeiden. Die vier Filmkühlleitungen 178, die
außerhalb
der Hinterkantenstrecke (hinterer Schenkel 170) verlaufen,
haben weniger Auswirkung auf die aerodynamische Effizienz, weil
deren Eindringen in den Strömungsweg
lediglich einen kleinen Teil der Grenzschicht an der Plattform an
einer weniger kritischen Stelle im hinteren Bereich der Statorleitschaufel
stört.
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Folglich
werden beim Strömen
der Kühlluft durch
die Passage etwa siebzig Prozent (70%) bis achtzig Prozent (80%)
der Strömung
durch Leitungen 178, 182 in den hinteren Schenkel 170 der
Passage abgegeben. Die Strömungseigenschaften
der Hinterkantenleitungen und der Filmkühlleitungen Crte und Crfc in
dem hinteren Schenkel werden so eingestellt, dass etwa die Hälfte (fünfundfünfzig Prozent
(55%)) der in den hinteren Schenkel gelangenden Strömung durch
die Hinterkantenleitung 182 abgegeben wird und etwa die
Hälfte
(fünfundvierzig
Prozent (45%)) der Strömung
durch die Filmkühlleitungen 178 abgegeben
wird. Der erwartete Strömungsbereich
für die Hinterkantenleitungen 182 beträgt etwa
vierzig bis sechzig Prozent der in den hinteren Schenkel 170 gelangenden
Strömung,
wobei der Rest durch die Filmkühlleitungen 178 abgegeben
wird. Zusätzlich
wird die Strömungseigenschaft
der Filmkühllöcher 178 strömungsaufwärts des
hinteren Schenkels 170 so gewählt, dass lediglich etwa fünfundzwanzig
Prozent (25%) (d.h. zwanzig bis dreißig Prozent) der in die Passage
gelangenden Strömung
durch die drei Filmkühlleitungen 178 in
den ersten Umkehrbereich 172 abgegeben wird. Diese Kombination
aus Filmkühlleitungen
und Hinterkantenleitungen schafft ein niedrigeres Niveau an Filmkühlungsströmung und
konvektiver Kühlströmung durch
die Leitungen zu der Sogseite der Statorleitschaufel als das Niveau
der Strömung
von Filmkühlung
und konvektiver Kühlströmung zu
der Hinterkante in dem hinteren Schenkel 170 der Leitschaufel.
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Die
durch die Hinterkantenleitungen 182 abgegebene Kühlluft wird
nach hinten an eine Stelle hin abgegeben, die näher an der Druckseite 138 der
inneren Plattform 54 ist. Die Strömung hat eine Geschwindigkeitskomponente
in der Richtung der Rotation der Rotorlaufschaufeln 36 der
benachbarten Rotorbaugruppe 32. Die Strömungseigenschaft Crte der Hinterkantenleitungen
stellt sicher, dass die Kühlluft in
Strahlen oder Strömen
unter Druck austritt, die die Grenzschicht, die sich an der Hinterkante 114 der Plattform
bildet, durchstoßen.
Die Strahlen senden einen Film aus Kühlluft ab, der sich über die
Plattformen 138 der strömungsabwärtigen Rotorlaufschaufeln
erstreckt. Das verschafft den Rotorlaufschaufeln eine Filmkühlung durch
das Abschirmen eines Teils der Plattform der Rotorlaufschaufeln
gegen die heißen
Arbeitsmediumsgase. Folglich werden, durch das Abgeben von etwa
vierzig Prozent der Strömung von
Kühlluft
durch die Hinterkantenleitungen 182 weniger als dreißig Prozent
(30%) der in die Passage 168 gelangenden Luft in dem ersten
Umkehrbereich 172 zu der Gaswegoberfläche der Plattform abgegeben,
wobei etwa ein Drittel (1/3) durch Filmkühllöcher 178 in den hinteren
Schenkel 170 abgegeben wird. Wie erwähnt, verringert das das Eindringen
von Filmkühlluft
in die an der Gaswegoberfläche
gebildete Grenzschicht, mit einem vorteilhaften Effekt auf die aerodynamische
Effizienz der Statorleitschaufelstufe.
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Ein
spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der konvektive
Wärmeübertrag,
der intern zwischen der Sogseite der Plattform wegen der Sequenz
der Kehren stattfindet, durch die die Kühlluft hindurchgeht, während sie
durch den ersten Umkehrbereich 172 strömt. Die aerodynamischen Effekte
der Kehre erhöhen
den konvektiven Wärmeübertrag,
indem sie Eintrittseffekte in der Strömung verursachen. Der erhöhte konvektive
Wärmeübertrag
in diesem Abschnitt der Plattform stützt den Effekt auf die Plattformtemperatur,
den die Filmkühlung
durch die drei Filmkühlleitungen
liefert. Diese Eintrittseffekte setzen sich fort und werden intensiviert
durch den Vorsprung 174 und den Rest der Kehre. Die Summe
des Winkels der Kehre ist größer als
einhundertachtzig Grad (180°)
und weist einen Winkel a auf, durch den sich die Strömung bewegt,
wenn die Strömung
in Richtung zu dem Vorsprung 174 an der Rippe 166 gerichtet
wird. Die Unterbrechung der Strömung
durch den Vorsprung 174 erhöht stark die Turbulenz in der
Strömung
und erhöht
den konvektiven Wärmeübertragskoeffizienten
und schafft ein Niveau an konvektivem Wärmeübertrag an der Sogseite des
Strömungsprofils,
was es ermöglicht,
das Niveau an Filmkühlung
zu akzeptieren, welches durch die drei Filmkühlleitungen in diesem Bereich
der Plattform geschaffen wird. Die Strömung geht dann durch den zweiten
Schenkel 186, der die Strömung neu orientiert und die
Strömung
in Richtung der Kehre 177 an der zweiten (Hinterkanten-)
Wand 156 lenkt. Das zwingt die Strömung wieder, sich in Richtung
der Sogseite in der Hinterkante zu bewegen und in die Ecke, um Wärme von der
Plattform auf das Kühlfluid
in diesen Bereich der Plattform zu übertragen. Danach setzt sich
die Strömung
lateral durch den hinteren Schenkel fort.
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Der
hintere Schenkel hat winkelförmige
Stolperstreifen 171, die an der Gaswegwand 160 über die
Breite der Passage 168 gehen. Die Stolperstreifen sind
mit einem Winkel in Strömungsabwärtsrichtung
weg von der ankommenden Strömung
geneigt, um die Ausbildung von entgegengesetzt rotierenden Wirbeln
V1, V2 zu fördern,
welche an der Gaswegwand der Plattform anreiben und den konvektiven Wärmeübertragskoeffizienten
erhöhen.
Die Passage ist in Lateralrichtung verjüngt, um die Geschwindigkeit
der Strömung
und die Reynold'sche
Zahl (das Verhältnis
der Impulskräfte
auf die Viskosenkräfte
in dem Fluid) zu erhöhen,
wenn sich die Strömung
entlang dem hinteren Schenkel bewegt, um den konvektiven Wärmeübertragskoeffizienten
zu erhöhen.
Die Strömung
wird dann durch die Filmkühlleitungen 178 und
die Hinterkantenleitungen 182, wie vorangehend beschrieben,
abgegeben.
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Ein
spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
von lediglich zwei Strecken 169, 170, um in dem
Hinterkantenbereich 126 der Statorleitschaufel 46 eine
Kühlung
zu liefern. Die zwei Strecken strömungsabwärts der Schiene 64 schaffen
einen Temperaturgradienten zwischen der Kühlluft und den Wänden der
Plattform, der in dem ersten Umkehrbereich 172 größer ist
als der Temperaturgradient in einer Konfiguration mit mehreren Strecken,
die mehr als zwei Strecken durch den Hinterkantenbereich hat. Die
Länge der
Passage 168 (und die sich daraus ergebende Exposition der
Kühlluft
der Wärmeübertragsfläche) vor
dem Erreichen des ersten Umkehrbereichs 172 ist ein Indikator
des Effekts der Anzahl der Strecken auf dem Temperaturgradienten
zwischen der Wand und der Kühlluft
an dem ersten Umkehrbereich. Ein dimensionsloses Maß für die Länge der
Passage für
Wärmeübertragseffekte
vergleicht die Länge
der Serpentinenpassage in dem Hinterkantenbereich verglichen mit
der Breite des Hinterkantenbereichs. Die Länge der Passage 168 beträgt weniger
als eineinhalb Mal der Breite Wpl der Plattform und sie ist in der
gezeigten Konstruktion weniger als eineinviertel Mal der Breite
der Plattform. Außerdem
ist das Dimensionsverhältnis Höhe zu Breite
der Passage relativ niedrig. Die Passage hat ein Verhältnis von
Höhe zu
Breite der Passage, welches in dem nicht verjüngten Bereich etwa ein halb
ist.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine relativ kurze, relativ breite Passage
mit großen
Kehren und vorspringender Struktur in kritischen Bereichen der Plattform
geschaffen, um die Menge an Kühlluft
zu verringern, die in die Gaswegoberfläche des Strömungsprofils strömt, mit
einem damit einhergehenden vorteilhaften Effekt auf die aerodynamische
Effizienz der Statorleitschaufel. Die Größe der Pas sage erleichtert
auch das Gießen
der Passage verglichen mit Konstruktionen, die viel schmalere Passagen
haben.
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Wie
in der 7 gezeigt, wird Kühlluft von der äußeren Plattform
der Statorleitschaufel 48a lateral von der Leitung 112a gegen
die Sogseite 116b der benachbarten Statorleitschaufel 48b und
dann nach hinten abgegeben, um der strömungsabwärtigen Anordnung von Rotorlaufschaufeln
eine Filmkühlung
zu verschaffen. Ein spezieller Vorteil dieser Konfiguration ist,
dass Kühlluft
von der Druckseite von einer Statorleitschaufel verwendet wird zum
Aufprallkühlen der
Sogseite der benachbarten Statorleitschaufel, was wiederum das Bedürfnis verringert,
Filmkühllöcher in
der Gaswegoberfläche
der benachbarten Statorleitschaufel an einer strömungsaufwärtigen Stelle vorzusehen. Das
Verfahren zum Kühlen
des Paars von Statorleitschaufeln beinhaltet somit die Schritte des
Bildens einer Plattform 48a an einer ersten Statorleitschaufel 46a und
einer Plattform 48b an der benachbarten (zweiten) Statorleitschaufel 46b,
wobei jede einen Federdichtungsschlitz 86a, 86b und
eine Verlängerung 88a, 88b der
Federdichtungsschlitze aufweist. Der Schritt des Bildens des Federdichtungsschlitzes
folgt mit einer Verlängerung
des Schlitzes zu der Hinterkante von einer oder beiden der Statorleitschaufeln.
Der Schlitz kann durch maschinelle Bearbeitung, beispielsweise durch
Elektroentladungs-Bearbeiten (EDM – electro discharge machining)
oder durch Schleifen erfolgen. Es ist eine einfache Angelegenheit,
den Schlitz fortzusetzen verglichen damit, speziell einen weiteren
Schlitz in der Seite der Plattform zu bilden.
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Folglich
ist ein spezieller Vorteil dieser Ausführungsform des Verfahrens des
Kühlens
der Statorleitschaufel und der strömungsabwärtigen Rotorlaufschaufel die
Einfachheit, mit der die Hinterkantenleitung lediglich durch ein
Fortsetzen des Bildens des Federdichtungsschlitzes gebildet wird.
Der Federdichtungsschlitz wird, statt kurz nach dem Abschnitt des
radialen Federdichtungsschlitzes zu enden, lediglich während des
Bearbeitungsprozesses verlängert.
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Der
nächste
Schritt in der gezeigten Ausführungsform
ist das Ausbilden eines radial (in Erstreckungsrichtung) verlaufenden
Federdichtungsschlitzes 84 in der Schiene, der von der
Plattform ausgeht. Der radiale Federdichtungsschlitz schneidet den
ersten Federdichtungsschlitz. Ein Federdichtungselement 98 ist
in dem Schlitz angeordnet, welches einen ersten Schenkel 102 hat,
der in dem ersten Federdichtungsschlitz 86a, 86b angeordnet
ist, der nicht in die Hinterkantenverlängerung 88a, 88b des
Strömungsprofils
geht. Das Federdichtungselement 98 hat den zweiten Schenkel 104,
der integral mit dem ersten Schenkel ist, welcher radial verläuft. Das
Federdichtungselement ist so in den zweiten Federdichtungsschlitz
angeordnet und fängt
das Federdichtungselement in Axialrichtung.
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Das
Verfahren beinhaltet das Ausbilden einer Austrittsleitung 212a an
dem Inneren der Plattform, welche den hinteren Schenkel 206a aufweist, der
der Hinterkante benachbart über
die Plattform geht zum Kanalisieren von Kühlluft von der ersten Leitschaufel
unter Betriebsbedingungen. Die Lateralströmung in dem lateralen hinteren
Schenkel 206a richtet die Strömung mit der Austrittsleitung 112a und der
durch die Leitung gehenden Strömung
aus. Das Verfahren beinhaltet das Ausrichten der Leitung derart,
dass eine Strömung
unter Betriebsbedingungen in der Austrittsleitung einen Strom bildet,
der auf die Sogseite 116b der Plattform der zweiten Leitschaufel prallt.
Der Begriff aufprallen bedeutet, dass die Strömung auf die Seite auftrifft
oder in die enge Nähe kommt,
um der Seite eine Aufprallkühlung
zu verschaffen.
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Das
Verfahren beinhaltet das Strömenlassen der
Kühlluft
nach hinten in der Hinterkantenleitung 214, welche durch
die Schlitze gebildet ist, um einen Kühlluftstrahl in der Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes zu bilden. Der Strahl oder Strom von Kühlluft wird
an eine benachbarte strömungsabwärtige Struktur
gelenkt, um der strömungsabwärtigen Struktur
eine Filmkühlung
zu verschaffen. In einer alternativen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren zum
Ausbilden einer Kühlpassage
unter Verwendung einer Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes das Blockieren des Endes des Federdichtungsschlitzes an
der Verlängerung,
um eine Bewegung des Federdichtungselements in dem Federdichtungsschlitz nach
hinten zu verhindern oder das maschinelle Bearbeiten eines äquivalenten
Merkmals zu der Verlängerung
von der Hinterkante einer jeden Plattform, welches den Federdichtungsschlitz
nicht erreicht. Wie in der 7A gezeigt,
kann die Verlängerung des
Schlitzes lediglich in einer Statorleitschaufelplattform, beispielsweise
der Plattform 48b, gebildet sein, wobei keine Verlängerung
in der Plattform 48a vorhanden ist.
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Ein
spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der Wärmeübertrag,
der sich aus dem Aufprallen der Kühlluft aus der Passage 212a gegen
die dagegen gerichtete Sogseite 116b des benachbarten Strömungsprofils
ergibt. Der Effekt wird an der Sogseite der Plattform 48b durch
die Plattformstruktur, welche die Verlängerung 88b des Federdichtungsschlitzes
begrenzt, zusätzlich
intensiviert. Die den Schlitz begrenzende Struktur erstreckt sich
lateral von dem dickeren Bereich der Plattform und bewirkt die Ausbildung
eines Kanals mit einem niedrigen Dimensionsverhältnis, was den Wärmeübertragskoeffizienten
durch Verringern des hydraulischen Durchmessers erhöht.
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Unter
manchen Betriebsbedingungen öffnet sich
der Spalt G ein wenig und erlaubt es Kühlluft, nach außen durch
den Spalt zu entkommen. Das verschafft der Sogseite und der Druckseite
der Plattform eine Filmkühlung.
Ein besonders harterr Betriebszustand der Maschine ist der Betriebszustand
des Starts auf Meereshöhe
(sea level takeoff – SLTO). Bei
diesem Zustand beschleunigt die Maschine schnell von Leerlaufschubzustand
auf einen sehr hohen Schubzustand für Start auf Meereshöhe. Der Spalt
G zwischen benachbarten Statorleitschaufeln ist bei Leerlauf relativ
klein verglichen mit dem Spalt G, der während des Reiseflugzustands
auftritt. Der Spalt G bei Reiseflug ergibt sich daraus, dass sich das äußere Gehäuse in Reaktion
auf den Wärmeübertrag
auf das äußere Gehäuse von
dem Arbeitsmediumsströmungsweg 18 und
Bewegen der Anordnung von Statorleitschaufeln auf einen größeren Durchmesser
nach außen
bewegt. Die plötzliche
Zunahme des Volumens an heißen
Arbeitsmediumsgasen bei Start auf Meeres höhe, welche von der Brennkammer
zu dem Turbinenabschnitt strömen,
bewirkt eine schnelle Zunahme der Temperatur der Oberflächen der
Rotorlaufschaufeln unmittelbar dem Strömungsweg benachbart. Gleichzeitig
erfahren die Rotorlaufschaufeln Übergangskräfte, wenn
die Rotationsdrehzahl der Rotorbaugruppe schnell zunimmt. Lediglich
eine geringe Menge an Kühlluft
geht durch die Federdichtungsschlitze bei diesem Betriebszustand
verloren. In der Folge ist die Luft mehr auf die Verlängerung
des Federdichtungsschlitzes begrenzt als der Reiseflug. Die Kühlluft wird
nach hinten gerichtet, um umfangsmäßig beabstandete Kühlluftstrahlen
zu bilden. Ein Film aus Kühlluft
entwickelt sich beim Vorbeibewegen der Rotorlaufschaufeln an den
Kühlluftstrahlen
und verringert den Wärmeübertrag
auf die Hinterkante der Plattform der strömungsabwärtigen Rotorlaufschaufeln.
Im Dauerbetriebszustand öffnet
sich der Spalt G mehr als bei einem Start auf Meereshöhe und ein
Teil der Kühlluft
strömt
dann nach außen,
um einen Kühlluftfilm
zum Schützen
der Oberflächen
der Statorleitschaufel zu bilden, und der restliche Film kühlt die
Rotorlaufschaufeln.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, sollten Fachleute verstehen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
beanspruchten Erfindung abzuweichen.