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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen Gasturbinentriebwerke,
und insbesondere deren Turbinenlaufschaufelkühlung.
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In
einer Gasturbine wird Luft in einem Kompressor unter Druck gesetzt
und mit Brennstoff in einer Brennkammer vermischt, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen, die stromabwärts
durch Turbinenstufen strömen,
die ihnen Energie für
den Antrieb des Kompressors entziehen und typischerweise auch einen
Bläser
antreiben, um Antriebsschub in einer Flugzeugturbinenanwendung zu
erzeugen. Jede Turbinenstufe enthält eine stationäre Turbinendüse mit einer
Reihe von sich radial zwischen äußeren und
inneren Bändern
erstreckenden Statorleitschaufeln, welche die Verbrennungsgase durch
eine stromab liegende Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln leiten,
die sich radial von einer lagernden Rotorscheibe nach außen erstrecken.
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Die
Turbinendüse
und die Laufschaufeln der ersten Stufe sind den von der Brennkammer
ausgegebenen Verbrennungsgasen mit den heißesten Temperaturen ausgesetzt
und erfordern eine effektive Kühlung,
um deren geeignete Betriebslebensdauer sicherzustellen. Die Leitschaufeln
und Laufschaufeln sind daher hohl, um aus dem Kompressor abgezweigte
Druckluft für
deren interne Kühlung
hindurchzuführen.
Die Leitschaufeln und Laufschaufeln enthalten typischerweise Reihen
geneigter Filmkühlungslöcher durch
ihre Druck- und Saugseitenoberflächen,
um eine Schutzfilm-Kühlluftschicht
zu erzeugen, um sie gegen die über
die Leitschaufel- und Laufschaufelblätter strömenden heißen Verbrennungsgase zu isolieren.
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Da
für die
Kühlung
von Turbinenkomponenten verwendete Luft die Brennkammer umgeht,
wird der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks dementsprechend reduziert.
Demzufolge ist es erwünscht, die
aus dem Kompressor abgezweigte Luftmenge zu begrenzen, um die Reduzierung
des Triebwerkwirkungsgrades zu minimieren.
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Da
die Verbrennungsgastemperatur mit der Entwicklung effizienterer
Gasturbinentriebwerke gesteigert wird, steigen auch die Kühlungsanforderungen
für die
Turbinen weiter. Beispielsweise enthält jede Turbinenlaufschaufel
eine einteilige Plattform an ihrem Fuß, welche einen Abschnitt der
inneren Strömungspfadbegrenzung
für die
Verbrennungsgase definiert. Die Plattformen sind typischerweise
nicht perforiert, und werden von ihren Unterseiten aus durch in
entsprechenden Hohlräumen
darunter durchgeführte
Luft gekühlt.
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Um
die Plattformkühlung
weiter zu erhöhen, kann
die Plattform sich dadurch hindurch erstreckende Filmkühlungslöcher zur
Filmkühlung
der direkt den heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzten Außenoberflächen enthalten, während ihre
Innenoberflächen
durch im Inneren in Hohlräumen
unter der Plattform zirkulierende Kühlluft konvektionsgekühlt werden.
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Die
Filmkühlung
ist jedoch in ihrer Wirkung beschränkt und die Einbringung von
Filmkühlungslöchern in
die Plattform einer Rotorlaufschaufel sollte unvermeidliche Spannungskonzentrationen
vermeiden, welche lokal die Spannung während des Betriebs erhöhen und
dementsprechend die Nutzungslebensdauer der Rotorlaufschaufel reduzieren
würden.
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EP-A-0
856 641 offenbart eine Gasturbine, welche eine Scheibe mit Sockeln
für die
Füße von Laufschaufeln
aufweist, die über
Plattformen verbunden sind, welche durch in die Hohlräume unter
diesen eingesaugte Luft gekühlt
werden. Das Plattformkühlungssystem
weist eine Reihe von Ventilationskreisläufen in der Form von Kanälen in den
Plattforminnenflächen
auf, welche auf den Außenseiten durch
Verschlussplatten überdeckt
sind. Die Kanäle haben
eine Serpentinenform und sind jeweils mit einem Sammler an einem
Ende verbunden.
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WO
94/12765 offenbart eine Rotorlaufschaufel mit einer gekühlten einteiligen
Plattform.
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Demzufolge
ist es erwünscht,
eine Gasturbinentriebwerk-Laufschaufel
mit einer verbesserten Plattformkühlung bereitzustellen.
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Sehr
allgemeinen umfasst die Erfindung eine Turbinenlaufschaufel mit
einem einteiligen Schaufelblatt, einer Plattform, einem Schaft und
einem Schwalbenschwanz, wobei sich ein Paar von Löchern in
Tandemanordnung (hintereinander) durch die Plattform und den Schaft
in einer Reihenstromverbindung mit einem Luftströmungskanal in dem Schaft erstrecken.
Die durch die Tandemlöcher
hindurch ausgegebene Kühlluft
bewirkt eine mehrfache Konvektions-, Aufprall- und Filmkühlung unter
Nutzung derselben Luft.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
isometrische Teilschnittansicht einer exemplarischen Gasturbinentriebwerks-Rotorlaufschaufel
ist, die auf dem Umfang einer teilweise dargestellten lagernden
Rotorscheibe befestigt ist.
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2 eine
Seitenaufrissansicht der in 1 dargestellten
Turbinenlaufschaufel ist, wobei deren Plattform im Schnitt dargestellt
ist, um Tandemkühllöcher gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen.
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3 eine
radiale Schnittsansicht durch die in 2 dargestellte
Turbinenlaufschaufel und im Wesentlichen entlang der Linie 3-3 ist.
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4 eine
vergrößerte Schnittsaufrissansicht
eines Abschnittes der in 3 dargestellten Turbinenlaufschaufel
ist, die exemplarische Paare der sich in Reihe zwischen dem Laufschaufelschaft und
der Plattform erstreckenden von Tandemlöchern enthält.
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5 eine
Teilschnitt-Draufsicht, teilweise im Querschnitt, der in 2 dargestellten
Turbinenlaufschaufel und entlang der Linie 5-5 ist.
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In 1 ist
eine exemplarische Rotorlaufschaufel 10 einer Turbine dargestellt,
die sich radial aus dem Umfang einer teilweise dargestellten Turbinenrotorscheibe 12 erstreckt.
Die Turbinenlaufschaufel ist zur Verwendung in der ersten Turbinenstufe
eines Gasturbinentriebwerks konfiguriert, in welcher eine vollständige Reihe
der Laufschaufeln direkt stromab von einer damit zusammenwirkenden
(nicht dargestellten) Hochdruckturbinendüse angeordnet ist, welche heiße Verbrennungsgase 14 über die
Turbinenlaufschaufeln leitet, welche daraus Energie für die Rotation
der Scheibe und den Antrieb des (nicht dargestellten) Kompressors
entziehen.
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Der
(nicht dargestellte) Kompressor setzt Luft 16 unter Druck,
wovon ein Teil zu den Turbinenlaufschaufeln umgeleitet wird, welche
für ihre
interne Kühlung
hohl sind. Der größte Teil
der unter Druck gesetzten Luft wird mit Brennstoff in einer (nicht
dargestellten) Brennkammer zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase 14 vermischt,
welche während
des Betriebs über
die Turbinenlaufschaufeln strömen.
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Jede
Laufschaufel 10 ist typischerweise ein einteiliges Gießteil aus
einem Metall hoher Festigkeit, das dafür geeignet ist, der hohen Temperatur
der Verbrennungsgase während
des Betriebs zu widerstehen. Jede Laufschaufel enthält ein Schaufelblatt 18,
eine Plattform 20, einen Schaft 22 und Schwalbenschwanz 24 in
beliebiger herkömmlicher
einteiliger Konfiguration.
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Das
Schaufelblatt 18 enthält
im Wesentlichen eine konkave Druckseite 18a und eine gegenüberliegende
im Wesentlichen konvexe Saugseite 18b, die sich radial
in der Spanne von einem Fuß 18c zu
einer Spitze 18d und axial zwischen Vorder- und Hinterkanten 18e, 18f erstrecken.
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Die
Plattform 20 enthält
eine radial äußere Oberfläche 20a,
welche einen Abschnitt der Innenbegrenzung für die heißen Verbrennungsgase 14 definiert,
und eine gegenüberliegende
radial innere Oberfläche 20b.
Die Plattformoberflächen
erstrecken sich in Umfangsrichtung von gegenüberliegenden Seitenrändern 20c und
axial zwischen Vorder- und Hinterkanten 20d, e.
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Der
Schaft 22, welcher besser in 2 dargestellt
ist, stellt einen radialen Übergang
von der Plattform zu dem lagernden Schwalbenschwanz 24 bereit.
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Der
Schwalbenschwanz 24 gemäß Darstellung
in 1 kann jede herkömmliche Konfiguration aufweisen
und enthält
typischerweise ein oder mehrere Paare von Serpentinenausbuchtungen,
welche sich axial erstrecken, um mit entsprechenden in dem Umfang
der Rotorscheibe ausgebildeten Schwalbenschwanzschlitzen 26 mit
axialem Eintritt in Eingriff zu stehen.
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Gemäß Darstellung
in 3 ist die Turbinenlaufschaufel hohl, wobei sich
ein Strömungskanal 28 radial
oder in Längsrichtung
entlang deren Spanne mit einem Einlass an der Unterseite des Schwalbenschwanzes 24 und
an der Blattspitze 18d endend erstreckt. Der Strömungskanal 28 kann
jede beliebige herkömmliche
Konfiguration haben und enthält
typischerweise mehrere Serpentinendurchläufe, um die Kühlluft 16 innerhalb
des Schaufelblattes zur internen Kühlung des Schaufelblattes zur
Abführung
von Wärme
daraus zirkulieren zu lassen, wenn dieses den außerhalb davon strömenden heißen Verbrennungsgasen
ausgesetzt ist.
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Gemäß Darstellung
in den 1 und 2 enthält das Schaufelblatt verschiedene
Löcher 30, die
sich durch seine Wände
zur Ausgabe der Kühlluft in
den Verbrennungsgasstrom erstrecken. Die Schaufelblattlöcher 30 können jede übliche Form
wie z.B. Filmkühllöcher haben,
welche in radialen Reihen zur Erzeugung von Isolationsfilmen aus
Kühlluft
angeordnet sind.
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Wie
zu Beginn in 1 dargestellt, erstreckt sich
die Plattform 20 sowohl in Umfangsrichtung als auch axial
sowohl von dem Schaufelblatt als auch an dem Schaft an einer ent sprechenden
Verbindungsstelle damit lateral nach außen. Gemäß detaillierterer Darstellung
in 4 grenzt der Schaft 22 an die Innenoberfläche der
Plattform bei einem gekrümmten Innenübergang 32 an,
und das Schaufelblatt grenzt an der Außenoberfläche der Plattform an einen
gekrümmten
Außenübergang 34 an.
Die Übergänge stellen
eine aerodynamisch glatte Verbindungsstelle zwischen der Plattform
und dem Schaufelblatt bereit und minimieren Spannungskonzentrationen
unter den erheblichen Zentrifugalbelastungen, welche während des
Rotationsbetriebs der Laufschaufeln erzeugt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind ein Paar diskreter Schaft- und Plattform-Löcher 36, 38 in Tandemanordnung
zwischen dem Schaft 22 bzw. der Plattform 20 angeordnet.
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Das
Schaftloch 36 enthält
einen Einlass 36a in dem Schaft in Strömungsverbindung mit dem Strömungskanal 28 und
einen Auslass 36b außerhalb des
Schaftes um einen Strahl der Kühlluft 16 dadurch auszugeben.
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Das
damit zusammenwirkende Plattformloch 38 enthält einen
Einlass 38a, der unter der Plattform auf deren Innenoberfläche 20b in
Ausrichtung zu dem Schaftauslassloch angeordnet ist. Das Plattformloch
enthält
auch einen Auslass 38b, der über der Plattform auf deren
Außenseite 20a angeordnet ist.
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Die
Schaft- und Plattformlöcher 36, 38 in Tandemanordnung
arbeiten als ein Paar zur Verbesserung der Kühlung der den heißen Verbrennungsgasen
auf ihrer Außenoberfläche 20a unterworfenen Plattform 20 zusammen.
Das Schaftloch 36 nimmt zuerst einen Anteil der Kühlluft aus
dem internen Strömungskanal 28 auf,
welcher von dem Schaftlochauslass 36b zu dem Plattformlocheinlass 38a hin ausgegeben
wird. Das Schaftloch 36 ist von der Innenoberfläche der
Plattform durch einen unter der Plattform liegenden Hohlraum 40 getrennt,
in welchem zusätzliche
Kühlluft
in herkömmlicher
Weise geführt
werden kann. Demzufolge ist das Plattformloch 38 über dem
Schaft 22 in Abstand angeordnet und empfängt seine
Kühlluft
aus seinem damit zusammenwirkenden Schaftloch nach der Überbrückung oder Überquerung
des entsprechenden Abschnittes in dem Hohlraum 40.
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In
der in 4 dargestellten exemplarischen Ausführungsform
erstrecken sich die Tandemlöcher 36, 38 in
einer Reihenströmungsverbindung
mit dem Strömungskanal 28 innerhalb
des Schaftes getrennt durch den Schaft und die Plattform. Die Tandemlöcher sind
bevorzugt in der Reihenanordnung geneigt, um den Hohlraum 40 zu überbrücken und
die Kühlluft aus
dem Schaftloch 36 sowohl innerhalb des damit zusammenwirkenden
Plattformloches 38, als auch außerhalb davon im Aufprall gegen
die Innenoberfläche
der Plattform um den Einlass des Plattformloches zu verteilen.
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Das
Schaftloch gibt einen lokalen Strahl mit Kühlluft an das zusammenwirkende
Plattformloch aus, um das Innere dieses Loches zu speisen sowie eine
lokale Aufprallkühlung
darum herum zu bewirken. Auf diese Weise wird die aus dem Strömungskanal 28 erhaltene
Kühlluft
zuerst dazu genutzt, um konvektiv die Innenseite des Schaftloches 36 zu
kühlen,
und führt
dann eine Aufprallkühlung
der Unterseite der Plattform durch, und kühlt dann konvektiv die Innenseite
des Plattformloches 38, und wird dann von dem geneigten
Plattformloch zur Erzeugung eines Kühlluftfilms ausgegeben, um
sogar noch eine weitere Nutzung derselben Luft in einer synergistischen
Reihenkühlung
zu erzeugen. Dieselbe Luft wird somit mehrmals ge nutzt, um ihren
Kühlungswirkungsgrad
vor der Wiedervereinigung mit dem Verbrennungsströmungspfad
zu maximieren.
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Gemäß Darstellung
in den 4 und 5 sind die Tandemlöcher 36, 38 bevorzugt
teilweise nach außen
gerichtet durch die Plattform zu entsprechenden Plattformseitenrändern 20c hin
geneigt, und teilweise nach außen
durch die Plattform hinter oder stromab zu der Plattformhinterkante 20e hin
in einer zusammengesetzten Neigung geneigt. Auf diese Weise erzeugt
die aus den Plattformlöchern 38 ausgegebene
Kühlluft
stromab davon einen Kühlluftfilm, um
die Außenoberfläche der
Plattform zu schützen.
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Ferner
endet das in 4 dargestellte Schaftloch 36 bevorzugt
radial innerhalb des Innenübergangs 32 so,
dass die zwei Tandemlöcher 36, 38 radial
in Abstand und in Umgangsrichtung voneinander entfernt an dem Innenübergang 32 angeordnet sind,
während
sie in einer Reihenströmungsverbindung
ausgerichtet sind, um die Plattform und den Schaft quer über den
Innenübergang
mit aus dem Strömungskanal
ausgegebener Luft zu überbrücken. Auf
diese Weise erweitert sich der aus dem Schaftloch 36 ausgegebene
Luftstrahl teilweise in dem Hohlraum 40, um die Unterseite
der Plattform um das zusammenwirkende Plattformloch 38 herum
durch Aufprall zu kühlen,
während
ein zentraler Anteil des Strahls durch das Plattformloch 38 injiziert
wird, um dadurch hindurchzuströmen.
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Die
Tandemlöcher 36, 38 sind
bevorzugt koaxial zueinander in einer geraden und geneigten Linie
ausgerichtet, um einen geradlinigen Strömungspfad zur Führung wenigstens
eines Teils der aus dem Schaftloch 36 ausgestoßenen Luft
in das zusammenwirkende Plattformloch 38 zu führen.
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In
einer weiteren auf der linken Seite von 4 dargestellten
Ausführungsform
haben die Tandemlöcher 36, 38 im
Wesentlichen gleiche Durchmesser. Insbesondere hat der Plattformlocheinlass 38a im
Wesentlichen dieselbe Größe wie der
Schaftlochauslass 36b für
die Aufnahme des Kühlluftstrahls daraus,
wobei ein Teil dieses Strahls auf die Unterseite der Plattform um
das Plattformloch herum aufprallt.
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In
einer weiteren auf der rechten Seite von 4 dargestellten
Ausführungsform
ist das Plattformloch 38 im Durchmesser größer als
das zusammenwirkende Schaftloch 36. Ein zusätzlicher
Vorteil des Plattformloches mit dem größeren Durchmesser besteht darin,
dass eine zusätzliche
Diffusion des von den zusammenwirkenden kleineren Schaftloches 36 ausgegebenen
Kühlluftstrahls
erhalten wird, um die Ausgabegeschwindigkeit der Luft aus dem größeren Plattformloch
zu reduzieren, und eine Filmkühlung
auf der Plattform mit einem entsprechend niedrigeren Abblasverhältnis zu
bewirken.
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In
beiden Ausführungsformen
sind die Durchmesser sowohl der Schaft- als auch Plattformlöcher im
Wesentlichen von deren entsprechenden Einlass- zu den Auslassenden
gleich oder konstant.
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Gemäß Darstellung
in den 1, 2 und 5 enthält die Plattform 20 mehrere
Tandemlöcher 36, 38,
die in einer in der Plattformaußenoberfläche entlang
wenigstens einer Seite des Schaufelblattes, wie z.B. der Druckseite 18a,
endenden Reihe angeordnet sind. Die Tandemlöcher sind axial zwischen den
Vorder- und Hinterkanten der Plattform in Abstand angeordnet, um
deren verbesserten Kühlwirkungsgrad über der
Plattform zu verteilen.
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Gemäß Darstellung
in den 4 und 5 kann eine weitere Reihe von
Tandemlöchern 36, 38 entlang
der gegenüberliegenden
Saugseite des Schaufelblattes, bevorzugt in der Nähe von dessen Vorderkante
für die
Kühlung
dieses Bereichs der Plattform angeordnet sein.
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Die
vorstehend beschriebenen Tandemlöcher 36, 38 bewirken
eine mehrfache Nutzung derselben Luft für eine verbesserte Kühlung der
Plattform. Außerdem
sind die Tandemlöcher
innen von den Innenübergängen 32 in
Abstand angeordnet, und induzieren keine Spannungskonzentrationen
an dem Übergang
der Plattform und des Schaufelblattes.
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Die
Tandemlöcher
können
in Zusammenwirken mit einem Hilfsfilmkühlloch 42, das in
den 2 und 5 dargestellt ist, eingesetzt
werden, welches bevorzugt nach hinten durch die Plattform geneigt
ist, und bevorzugt hinter einem von den Plattformlöchern 38 für die Aufnahme
von verbrauchter Aufprallkühlluft aus
der Unterseite der Plattform liegt. Auf diese Weise können zusätzliche
Filmkühllöcher 42 ohne
damit zusammenwirkende Tandemschaftlöcher dafür mit Kühlluft gespeist werden, die
aus benachbarten Schaftlöchern 36 ausgegeben
wird. Die aus den mehreren Schaftlöchern 36 ausgegebene
Kühlluft
erzeugt auch einer Filmkühlung
an der Unterseite der Plattform bevor sie durch irgendeines der
Plattform- oder Hilfslöcher 38, 42 ausgegeben
wird.
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Gemäß Darstellung
in 5 sind die Plattform- und Hilfslöcher 38, 42 bevorzugt
in einer Reihe entlang einer Seite angeordnet, wie z.B. der Druckseite
des Schaufelblattes angeordnet, um die Kühlluftüberdeckung in diesem Bereich
zu überdecken.
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Die
vorstehend beschriebenen Tandemlöcher
können
alleine mit einem erheblichen Vorteil in der Verbesserung der Kühlung der
Schaufelblattplattform unter einer effizienten Verwendung der verfügbaren Luft
genutzt werden. Und sie können
zusätzlich
mit den Hilfsfilmkühllöchern zur
Erzeugung einer zusätzlichen
Kühlung
genutzt werden.
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Wie
es schematisch in 4 dargestellt ist, können die
Tandemlöcher 36, 38 in
deren bevorzugter koaxialer Ausrichtung leicht durch herkömmliches aufeinander
folgendes Bohren der Löcher
von der Außenseite
der Plattform nach innen durch den Schaft hergestellt werden. Derselbe
Bohrprozess, wie z.B. Laserbohren, oder Elektroerosionsbearbeitung
kann für
das Bohren der Löcher
mit gemeinsamem Durchmesser sowohl durch die Plattform als auch
den Schaft angewendet werden.
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Alternativ
kann für
die rechts in 4 dargestellten größeren Plattformlöcher ein
Zweischritt-Bohrprozess angewendet werden, um zuerst das kleinere
Schaftloch 38 mit einem gemeinsamen Durchmesser sowohl
durch die Plattform als auch den Schaft zu bohren, dem wiederum
ein zweiter Bohrvorgang zur Vergrößerung des Durchmessers nur
des zusammenwirkenden Plattformloches 38 folgt. Oder das
größere Plattformloch 38 kann
zu Beginn alleine ohne Bohren des Schaftloches gebohrt werden, dem
wiederum das Bohren des kleineren Schaftloches 36 durch
das vorgebohrte Plattformloch hindurch folgt.
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Obwohl
die Tandemlöcher
im Allgemeinen mit zylindrischer Form erzeugt werden können, kann jede
andere Lochform vorteilhaft genutzt werden. Die Tandemlöcher können vorteilhaft
zum Kühlen
der Turbinenblattplattformen verwendet werden, wenn dieses für Hochtemperatur-Turbinenanwendungen erforderlich
ist.