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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und
insbesondere darin enthaltene Hochdruckturbinendüsen.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck
gesetzt und in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen, denen in mehreren abstromseitig der Brennkammer angeordneten
Turbinenstufen Energie entzogen wird. Die Hochdruckturbine (HPT
= High Pressure Turbine) nimmt zunächst die heißesten Verbrennungsgase
aus der Brennkammer entgegen, um den Verdichter anzutreiben, wobei den
Gasen weitere Energie in einer Niederdruckturbine (LPT = Low Pressure
Turbine) entzogen wird, die gewöhnlich
einen Bläser
eines Zweikreistriebwerks eines Flugzeugs antreibt.
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Die
HPT enthält
eine stationäre
Turbinendüse,
die zunächst
die Verbrennungsgase aus der Brennkammer entgegen nimmt und diese
zu Turbinenrotorschaufeln der ersten Stufe verzweigt, die auf einer
entsprechenden Rotorscheibe sitzen. Die Turbinendüse wird
mittels der von dem Verdichter ausgestoßenen Druckluft durch Luftkühlung vor
den heißen
Verbrennungsgasen geschützt.
Die Düse
enthält eine
Reihe von hohlen Statorschaufeln mit inneren Kühlkreisläufen, die Luft durch eine Vielzahl
unterschiedlicher Löcher
ausstoßen,
die durch die Seitenwände
der Leitschaufeln hindurch ausgebildet sind.
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Das
Kühlen
der Düse
ist hinsichtlich des dreidimensionalen aerodynamischen Profils der
Leitschaufelströmungsflächen und
der wechselnden Wärmelast,
die über
deren Druck- und
Saugseitenoberflächen
auftritt, naturgemäß kompliziert.
Es soll die Kühlluftanforderungen
an die auftretenden Wärmelasten
angepasst werden, um die Menge an Kühlluft zu minimieren, die aus
dem Verbrennungsprozess abgeleitet wird, während Temperaturunterschiede,
denen sämtliche
Leitschaufeln ausgesetzt sind, und die sich daraus ergebenden thermisch
induzierten Spannungen derselben entsprechend minimiert werden.
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Allerdings
sind die Leitschaufeln selbst den heißen Verbrennungsgasen unmittelbar
ausgesetzt und sind an verhältnismäßig kühlen äußeren und
inneren Bändern,
gewöhnlich
in Form von Umfangssegmenten, montiert, um die aufgrund unterschiedlicher
Wärmeausdehnung
und Kontraktion entstehenden thermischen Spannungen zu minimieren.
In einer typischen Kühlanordnung
ist ein mit Löchern
ausgebildetes Aufprallblech bzw. ein solcher Einsatz innerhalb jeder
Leitschaufel montiert, um Kühlluft
in Form diskreter Strahlen gegen die innere Oberfläche der
Leitschaufel zu lenken, so dass deren Kühlung verbessert wird. Um die
Aufprallkühlung
zu steuern, muss das Aufprallblech von der inneren Oberfläche der
Leitschaufeln exakt beabstandet sein, wobei abhängig von der speziellen Düsenkonstruktion
an der inneren Oberfläche
des Leitblechs oder der Leitschaufel Abstandhaltermerkmale ausgebildet
sind.
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In
einem herkömmlichen
Konstruktionsentwurf weist jede Leitschaufel einen Mittelsehnentrennwand
oder eine Brücke
auf, die sich zwischen den beiden Seitenwänden erstreckt, um vordere
und hintere radiale Hohlräume
festzulegen, in denen entsprechende Aufprallbleche angeordnet sind.
Den beiden Hohlräumen
werden getrennt Anteile der Verdichterausstoßkühlluft zugeführt, um
die vorderen und hinteren Be reiche jeder Leitschaufel voneinander
unabhängig
zu kühlen,
so dass eine bessere Anpassung an die externe Wärmelast erzielt wird.
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Allerdings
ist die Brücke
im Betrieb verhältnismäßig kalt,
da sie innerhalb der Leitschaufel angebracht ist und selbst durch
die in die Leitschaufel geleitete Luft unmittelbar gekühlt wird.
Die kalte Brücke ist
also mit den beiden heißen
Seitenwänden
an örtlichen
Bereichen verbunden, die aufgrund ihrer verhältnismäßig niedrigen und hohen Betriebstemperaturen
einer stark differierenden Wärmeausdehnung und
Kontraktion unterworfen sind.
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Dennoch
sind Turbinendüsenkonstruktionen mit
kalten Brücken
in der gewerblichen Praxis verbreitet. Beispielsweise wurde eine
Turbinendüse
mit zwei durch eine kalte Brücke
getrennten Aufprallblechen über
viele Jahre erfolgreich in den USA vermarktet. Diese exemplarische
Düse enthält axial oder
in Sehnenrichtung sich erstreckende Seitenrippen, die in jedem Hohlraum
an dessen gegenüberliegenden
Seitenwänden
angeordnet sind, um Abstandhaltermerkmale vorzusehen, die dazu dienen, jedes
Aufprallblech in seinem entsprechenden Hohlraum zentrisch zu positionieren.
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Die
Seitenrippen versteifen die dünnen
Seitenwände
der Leitschaufeln bzw. steigern deren Festigkeit und stützen die
Aufprallbleche mit verhältnismäßig geringen
Toleranzen dazwischen. Die durch die Leitblechlöcher ausgestoßene Luft
trifft zunächst auf
die Innenflächen
der Seitenwände
auf und wird anschließend
radial durch die Rippen geleitet, um durch schräge Filmkühlungslöcher, die in den vorderen und
hinteren Hohlräumen
durch die Leitschaufelseitenwände
hin durch ausgebildet sind, sowie durch einen Hinterkantenkühlkreislauf
ausgestoßen
zu werden.
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Der
Hinterkantenkühlkreislauf
in der handelsüblichen
Düse weist
axial sich erstreckende Trennwände
oder zusätzliche
Brücken
auf, die sich von dem hinteren Ende des hinteren Hohlraums zu der
Leitschaufelhinterkante erstrecken. Die Trennwände sind entlang der Spannweite
der Leitschaufel voneinander beabstandet, um entsprechende Hinterkantenausstoßkanäle zu definieren,
die an entsprechenden Öffnungen
an der Hinterkante enden. In den Hinterkantenkanälen sind sich radial erstreckende Turbulatoren
vorhanden, um den Kühlwirkungsgrad der
ausgegebenen Aufprallluft zu verbessern, die durch den Hinterkantenkühlkreislauf
ausgestoßen wird.
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In
dem oben erwähnten
Beispiel einer handelsüblichen
Düse erstrecken
sich die Seitenrippen innerhalb beider Leitschaufelseitenwände zu der
kalten Brücke
hin und sind mit dieser einstückig
ausgebildet. Auf diese Weise fassen die Seitenrippen die Eckenverbindungspunkte
der Seitenwände
und die kalte Brücke
in einem gleichmäßigen Übergang
ein.
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Die
einfassenden Seitenrippen an dem hinteren Ende des vorderen Hohlraums
bilden ein wirkungsvolles Abstandhaltermerkmal, um den Weg des vorderen
Aufprallblechs nach hinten zu begrenzen und einen minimalen Spalt
gegenüber
der kalten Brücke
aufrecht zu erhalten. In Entsprechung fassen auch die Seitenrippen
in dem hinteren Hohlraum entlang der Leitschaufelsaugseitenwand
die gegenüberliegende
Druckseitenwand ein oder gehen in Richtung derselben über, wo
die beiden Seitenwände knapp
vor der Hinterkante nahe zueinander konvergieren. Mehrere der Hinterkantentrennwände erstrecken sich örtlich nach
vorne und bilden einstückige Fortsetzungen
entsprechender Seitenrippen, um ein entsprechendes Abstandhaltermerkmal
zu bilden, so dass der Weg des hinteren Aufprallblechs nach hinten
begrenzt ist.
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In
dieser Konfiguration wirken die axial länglichen Seitenrippen so, dass
sie die einzelnen Aufprallbleche in deren entsprechenden Leitschaufelhohlräumen um
den Umfang herum zentrieren, wobei der hintere Übergang jeder Seitenrippe ein
praktisch zu verwirklichendes hinteres Abstandhaltermerkmal zur
Verfügung
stellt. Weiter bilden die länglichen
Hinterkantentrennwände
in dem hinteren Hohlraum vollständige
kalte Brücken über die
beiden Seitenwände,
um den axialen Weg des hinteren Leitblechs zu begrenzen.
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Zwar
wurde diese handelsübliche
Konstruktion in den USA über
viele Jahre mit einer entsprechend großen Anzahl thermischer Betriebszyklen
industriell erfolgreich eingesetzt, jedoch treten regelmäßig thermisch
induzierte Risse auf, die die Nutzungslebensdauer der Düsen entsprechend
begrenzen, was deren Austausch in Verbindung mit einer typischen
Wartungsausfallzeit erfordert. Derartigen Rissen treten in den Leitschaufelseitenwänden an
der kalten Brücke
und insbesondere an der konvexen Seitenwand der Leitschaufel auf.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf, die Konstruktion der Turbinendüse zu verbessern,
um deren Nutzungslebensdauer zu verlängern.
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US 4 153 386 offenbart eine
Turbinendüse, die
Leitschaufeln mit einer Anzahl Rippen aufweist, die in Hohlräumen in
den Leitschaufeln angeordnet sind.
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Die
Rippen erstrecken sich in Sehnenrichtung entlang den Leitschaufelseitenwänden bis knapp
vor eine einstückig
ausgebildete Brücke.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Turbinendüse geschaffen,
aufweisend:
mehrere Leitschaufeln, die fest mit äußeren und
inneren Bändern
verbunden sind;
wobei jede von den Leitschaufeln gegenüberliegende
erste und zweite Seitenwände,
die sich in Sehnenrichtung zwischen Vorder- und Hinterkanten und
in Spannenrichtung zwischen den Bändern erstrecken, und eine
Innenbrücke
aufweist, die sich in einem Stück
zwischen den Seitenwänden
erstreckt, um einen vorderen Hohlraum auf ihrer Vorderseite, der durch
die Vorderkante begrenzt ist, und einen hinteren Hohlraum auf ihrer
Rückseite,
der durch die Hinterkante begrenzt ist, zu bewirken;
wobei
jede Leitschaufel ferner mehrere längliche Seitenrippen enthält, die
sich in Sehnenrichtung entlang den Seitenwänden erstrecken und davon nach
innen gerichtet in die Hohlräume
vorstehen;
wobei sich die Rippen entlang den Seitenwänden vor und
hinter der Brücke
innerhalb der Hohlräume
erstreckenden Rippen über
einen Großteil
ihrer Länge in
Sehnenrichtung erstrecken; und wobei jede von den Rippen angrenzend
an die Brücke
beschnitten ist, um die Rippen davon zu entkoppeln.
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In
einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Steigern
der Lebensdauer einer Turbinendüse (10)
mit mehreren Leitschaufeln (12), die fest mit äußeren und
inneren Bändern
(14, 16) verbunden sind; wobei jede von den Leitschaufeln
gegenüberliegende
erste und zweite Seitenwände
(20, 22), die sich in Sehnenrichtung zwischen
Vorder- und Hinterkanten (24, 26) und in Spannenrichtung
zwischen den Bändern
erstrecken, und eine Innenbrücke
(28) aufweist, die sich in einem Stück zwischen den Seitenwänden erstreckt,
um einen vorderen Hohlraum (30) auf ihrer Vorderseite,
der durch die Vorderkante begrenzt ist, und einen hinteren Hohlraum
(32) auf ihrer Rückseite,
der durch die Hinterkante begrenzt ist, zu bewirken; wobei jede
Leitschaufel ferner enthält:
mehrere längliche
Seitenrippen (34), die sich in Sehnenrichtung entlang den
Seitenwänden
erstrecken und davon nach innen gerichtet in die Hohlräume vorstehen;
und wobei die Seitenrippen (34) sich zu der Brücke (28)
hin erstrecken und mit dieser einstückig ausgebildet sind; wobei
das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
Beschneiden
der Rippen (34) von der Brücke aus entlang wenigstens
der ersten Seitenwand in dem hinteren Hohlraum (32); und
Beschneiden der Rippen (34) von der Brücke aus entlang der ersten
Seitenwand in dem vorderen Hohlraum (34); und dadurch Erzielen
einer Düse,
in der jede Rippe angrenzend an die Brücke beschnitten ist, um die
Rippen davon zu entkoppeln.
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Erfindungsgemäß enthält eine
Turbinendüse Leitschaufeln,
die mit äußeren und
inneren Bändern verbunden
sind. Jede Leitschaufel weist gegenüberliegende Seitenwände auf,
die sich zwischen Vorder- und Hinterkanten erstrecken, wobei sich
zwischen den Seitenwänden
eine Innenbrücke
erstreckt, um vordere und hintere Hohlräume zu bilden. Sei tenrippen
erstrecken sich entlang der Seitenwände und stehen nach innen in
die Hohlräume
vor. Jede der Seitenrippen ist angrenzend an die Brücke beschnitten,
um die Rippen davon zu entkoppeln und die Lebensdauer der Düse zu steigern.
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Die
Erfindung wird gemäß bevorzugten
und exemplarischen Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit weiteren Aufgaben und Vorteilen der Erfindung
in der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Figuren
näher erörtert:
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1 zeigt
eine isometrische Ansicht eines Abschnitts einer exemplarischen
Hochdruckturbinendüse
eines Gasturbinentriebwerks, das für den Antrieb eines Flugzeugs
während
des Fluges konfiguriert ist.
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2 zeigt
eine radiale Querschnittsansicht durch eine der in 1 veranschaulichten
Leitschaufeln in Verbindung mit einer Darstellung eines Verfahrens
zur Steigerung der Lebensdauer der Düse in Form eines Flussdiagramms.
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3 zeigt
eine radiale Querschnittsansicht durch die in 2 veranschaulichte
Leitschaufel und längs
der Schnittlinie 3-3 in Verbindung mit bevorzugten Elementen des
Verfahrens zum Steigern der Lebensdauer der Düse.
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4 zeigt
eine radiale Querschnittsansicht durch einen Abschnitt des in 2 veranschaulichten
hinteren Hohlraums und längs
der Schnittlinie 4-4.
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5 zeigt
eine radiale Querschnittsansicht durch den in 2 veranschaulichten
vorderen Hohlraum und längs
der Schnittlinie 5-5.
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In 1 ist
in einem Ausführungsbeispiel
ein Abschnitt einer Hochdruckturbinendüse 10 eines Zweikreisturbinentriebwerks
dargestellt, das für
den Antrieb eines Flugzeugs während
des Fluges konfiguriert ist. Die Düse ist um die axiale oder Mittelachse des
Triebwerks achsensymmetrisch und definiert einen Kreisring, von
dem in 1 lediglich ein Abschnitt veranschaulicht ist,
der darin mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Strömungsflächenleitschaufeln 12 aufweist.
Die einzelnen Leitschaufeln 12 sind gewöhnlich durch ein herkömmliches
Gießverfahren
hergestellt und sind in entsprechenden radial außen bzw. innen angeordneten
bogenförmigen Bändern 14, 16 auf
eine beliebige geeignete Weise fest mit diesen verbunden, beispielsweise
indem sie mit diesen gemeinsam gegossen werden.
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In
einer typischen Konfiguration sind zwei Leitschaufeln 12 in
jedem Paar Bändern
angebracht, die sich in Umfangsrichtung aneinanderreihen, um eine
kollektive, segmentierte ringförmige
Düse zu
bilden. Die Düse
ist direkt am Auslass einer (nicht gezeigten) ringförmigen Brennkammer
angeordnet, die durch die Düse
heiße
Verbrennungsgase 18 ausstößt, die einer Reihe von (nicht
gezeigten) Turbinenrotorschaufeln der ersten Stufe zugeführt werden,
die den Gasen Energie entziehen, um einen (nicht gezeigten) Verdichter
des Triebwerks anzutreiben.
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Die
Leitschaufeln 12 sind zueinander identisch und jede enthält eine
erste, nach außen
konvexe Saugseitenwand 20 und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende
zweite, nach außen
konkave Druckseitenwand 22. Die beiden Seitenwände erstrecken
sich axial oder in Sehnenrichtung zwischen entsprechenden Vorder-
und Hinterkanten 24, 26 der Leitschaufel und erstrecken
sich außerdem
fest in den entsprechenden Bändern 14, 16 montiert
radial in Spannenrichtung zwischen Spitze und Fußpunkt.
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Wie
zu Beginn in 1 und detaillierter in 2 gezeigt,
enthält
jede Leitschaufel ferner eine innere radiale Rippe oder Brücke 28,
die sich in einem Stück
zwischen den beiden Seitenwänden
in Form eines gemeinsamen Gussstücks
erstreckt, das entlang der Sehne zwischen der Vorder- und Hinterkante
der Leitschaufel geeignet beabstandete ist, um an der Vorderseite
der durch die Vorderkante begrenzten Brücke einen ersten oder vorderen
Hohlraum 30 und an der hinteren Seite der durch die Hinterkante
begrenzten Brücke
einen zweiten oder hinteren Hohlraum 32 zu definieren oder
zu bilden.
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Jede
Leitschaufel enthält
ferner eine Anzahl axial längliche
Seitenrippen 34, die sich in Sehnenrichtung entlang den
Innenflächen
der beiden Seitenwände
erstrecken und davon nach innen gerichtet in die entsprechenden
Hohlräume 30, 32 vorstehen. Die
Seitenrippen 34 sind dazu eingerichtet, Abstandhaltermerkmale
zu erzeugen, die dazu dienen, in den entsprechenden Hohlräumen jeweils
darin angeordnete vordere und hintere, mit Löchern ausgebildete Aufpralleinsätze oder
-leitbleche 36, 38 zu zentrieren.
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3 veranschaulicht
mehr im Einzelnen, dass die beiden Leitbleche 36, 38 geeignet
konfiguriert sind, um zu dem sich ändernden inneren Profil der
beiden Hohlräume 30, 32 zu
passen, während sich
der Querschnitt der Leitschaufel zwischen der Vorder- und Hinterkante
in einem allgemeinen wachsenden oder aerodynamischen Profil ändert. Diese Seitenrippen 34 erstrecken
sich aus der inneren Oberfläche
der Leitschaufel nach innen in die Höhe, um die ent sprechenden Leitbleche
in den jeweiligen Hohlräumen
zentrisch zu beabstanden.
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Zwischen
den Rippen und dem Leitblech ist eine geringe Toleranz oder ein
kleiner Spalt vorgesehen, um den Einbau der Leitbleche in die entsprechenden
Hohlräume
in radialer Richtung zu erlauben. Weiter weisen die Rippen eine
geeignete Höhe auf,
um die Seitenwände
der Leitbleche in dem gewünschten
Abstand von der inneren Oberfläche
der Leitschaufel zu halten, so dass der Wirkungsgrad der Aufprallkühlung maximiert
wird, die auf die entsprechenden Strahlen von Aufprallluft zurückzuführen ist, die
durch die entsprechende Aufprallluftlöcher der Leitbleche in Richtung
der Innenflächen
der Leitschaufel ausgestoßen
wird.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, ist jede der Seitenrippen 34 benachbart
zu der kalten Brücke 28 in
ihrer axialen Länge
beschnitten, um die Rippen von der Brücke strukturell und thermisch
zu entkoppeln, so dass die Nutzungslebensdauer der Düse erfindungsgemäß erheblich
gesteigert wird.
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In 3 ist
schematisch ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der Düse dargestellt,
die zur Steigerung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufeln gegenüber der
oben in dem Abschnitt über
den Hintergrund der Erfindung beschriebenen, handelsüblich bewährten Konstruktion
dient. In der herkömmlichen
Konstruktion sind die Seitenrippen 34 konfiguriert, um
sich anfänglich
an vier entsprechenden Seitenrippenübergängen 34x zu der kalten Brücke 28 hin
zu erstrecken und mit dieser einstückig ausgebildet zu sein. In
dieser herkömmlichen
Konstruktion sind die Rippenübergänge 34x mit
der kalten Brücke 28 an
deren Verbindungspunkten einstückig
ausgebildet, wobei die entsprechenden Seitenwände sich in einem mechanisch
und thermisch gekoppelten Zustand befinden.
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Da
die erste Seitenwand 20 nach außen hin konvex ist und die
Saugseite der Leitschaufel definiert, bewirkt sie eine andere Geschwindigkeitsverteilung
der über
die Leitschaufel strömenden
Verbrennungsgase als jene, die durch die im Wesentlichen konkave
zweite Seitenwand 22 erzeugt wird, die die Leitschaufeldruckseite
definiert. Felderfahrung nach jahrelangem Betrieb, wie oben erwähnt, deckte
in der konvexen Seitenwand in der Nähe der kalte Brücke Risskeimbildung
auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde entdeckt, dass eine derartige Risskeimbildung bei über längere Zeit
eingesetzten Turbinendüsenleitschaufeln
auf die mechanische und thermische Kopplung der Seitenrippen 34 mit
der kalten Brücke 28 zurückzuführen ist
und insbesondere an der konvexen Seitenwand 20 der Leitschaufel
auftritt.
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Während des
Betriebes ist die Saugseitenwand 20 den darüber strömenden heißen Verbrennungsgasen
ausgesetzt und erfährt
eine verhältnismäßig hohe
Wärmelast,
die eine entsprechende Kühlung
von dem Innern jeder Leitschaufel her erfordert. Üblicherweise
wird von dem Ausstoßöffnungsende
des (nicht gezeigten) Verdichters Druckluft 40 abgezweigt,
um die einzelnen Leitschaufeln zu kühlen. Die Kühlluft 40 strömt zunächst durch
die einzelnen Leitbleche 36, 38 und tritt aus
deren Aufprallöffnungen
aus, um Luftstrahlen gegen die innere Oberfläche der Leitschaufel zu richten,
so dass diese aufprallgekühlt
wird. Die den vorderen und hinteren Hohlraum trennende Innenbrücke 28 ist
durch die beiden Seitenwände
vor den heißen
Verbrennungsgasen geschützt und
wird selbst unmittelbar durch die Kühlluft in den Hohlräumen gekühlt.
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Die
verhältnismäßig kalte
Brücke 28 ist
an entsprechende Verbindungsstellen, die der entsprechenden unterschiedlichen
Wärmeausdehnung
und Kontraktion unterworfen sind, mit den verhältnismäßig heißen Saug- und Druckseitenwänden 20, 22 der Leitschaufel
verbunden. Die herkömmlichen
Rippenübergänge 34x sind
ebenfalls verhältnismäßig kühl und waren
an den beiden Verbindungspunkten mit den Seitenwänden mechanisch an die kalte
Brücke 28 gekoppelt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass durch ein Abtrennen der in 3 veranschaulichten
Seitenrippen 34 sowohl in dem vorderen als auch in dem
hinteren Hohlraum 36, 38 entlang der ersten Seitenwand 20 von
der kalten Brücke 28 die
Rippen strukturell und thermisch von der kalten Brücke entkoppelt werden,
so dass die Betriebsnutzungslebensdauer der Leitschaufel erheblich
gesteigert wird.
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In
dem in 3 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel
enden die beschnittenen Seitenrippen 34 in der Nähe der kalten
Brücke 28 an oder
in der Nähe
der entsprechenden Hohlkehlen 42, die zwischen der ersten
Seitenwand 20 und der Brücke sowie zwischen der zweiten
Seitenwand 22 und der Brücke angeordnet sind. Auf diese
Weise können die
Seitenrippen nahe an die kalte Brücke 28 heran reichen
und dennoch knapp davor an den ebenmäßigen Hohlkehlen 42 enden,
die an dem Verbindungspunkt der kalten Brücke und der Seitenwände gebildet
sind, um dort Spannungskonzentrationen zu reduzieren.
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Die
innerhalb des ersten Hohlraums 30 entlang der ersten Seitenwand
angeordneten Seitenrippen 34 sind auf diese Weise knapp
vor der kalten Brücke
beschnitten, wobei die Seitenrippen in dem zweiten Hohlraum 32 entlang
der ersten Seitenwand knapp hinter der kalten Brücke beschnitten sind. Falls gewünscht, können die
Seitenrippen 34 weiter von der kalten Brücke und
den dort befindlichen Hohlkehlen entfernt enden, um die Rippen noch
mehr von der Brücke
zu entkoppeln.
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In ähnlicher
Weise können
auch die Seitenrippen 34 sowohl in dem vorderen als auch
in dem hinteren Hohlraum 30, 32 entlang der zweiten
Seitenwand 22 von der kalten Brücke abgetrennt sein. Die entsprechende
Verbindungsstelle zwischen der kalten Brücke und der Druckseitenwand 22 ist
auf diese Weise ebenfalls von den Seitenrippen 34 entkoppelt, um
die Wärmebelastung
dort zu reduzieren.
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Vorzugsweise
sind die Seitenrippen 34 in beiden Seitenwänden der
Leitschaufel von der kalten Brücke 28 entkoppelt,
wodurch die mangelnde thermische Übereinstimmung zwischen diesen
reduziert wird, und die thermisch induzierte Spannung an den Verbindungsstellen
der kalten Brücke
mit den Seitenwänden
entsprechend vermindert wird, mit dem Ergebnis einer wesentlichen
Steigerung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufel. Eine Analyse weist
eine Vervierfachung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufel
nach, die auf die resultierende Verringerung der thermisch induzierten
Spannung an der kalten Brücke
zurückzuführen ist.
Die herkömmliche,
Lebensdauer verkürzende
Positionierung der Leitschaufel an dem Verbindungspunkt der kalten Brücke und
der konvexen Seitenwand 20 ist auf diese Weise vermieden,
wobei der die Lebensdauer verkürzende
Ort in der Leit schaufel in einen unbedeutenderen Bereich verlagert
wird, der die verbesserte Nutzungslebensdauer erlaubt.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, erstrecken sich die
Seitenrippen 34 in jedem Kühllufthohlraum 30, 32 vorzugsweise
axial entlang den Seitenwänden über einen
Großteil
ihrer Länge
in Sehnenrichtung. Die axialen Rippen erhöhen die Festigkeit der dünnen Leitschaufelseitenwände in jedem
der Hohlräume,
während
sie eine gleichmäßige Abstandhalterung
bereitstellen, um die jeweiligen Leitbleche darin zu zentrieren.
Weiter steuern die Reihen von Seitenrippen in jedem Hohlraum den
Ausstoßstrom
der ausgegebenen Aufprallluft zwischen entsprechenden Seitenrippen
und erlauben eine Maßschneiderung der
Kühlung
der Leitschaufel über
ihre Spannweite hinweg. Auf diese Weise kann in der Nähe der Mitte der
Spannweite jeder Leitschaufel eine stärkere Kühlung bewirkt werden als an
deren Fuß-
und Spitzenenden, die in der Nähe
entsprechender innerer und äußerer Bänder angeordnet
sind und geringeren Wärmelasten
der Verbrennungsgase ausgesetzt sind.
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Wie
ebenfalls in 2 und 3 gezeigt,
ist der vordere Hohlraum 30 zwischen der Vorderkante 24 und
der kalten Brücke 28 angeordnet,
und die Brücke
ist geeignet vor der Mittelsehne der Leitschaufel angeordnet, um
einen eigenen Kühlkreislauf
für den Vorderkantenabschnitt
der Leitschaufel zu schaffen, die als erste die heißen Verbrennungsgase
von der Brennkammer entgegennimmt. Der hintere Hohlraum 32 ist
direkt hinter der Brücke 28 angeordnet und
erstreckt sich etwa über
das mittlere Drittel der Leitschaufelsehnenlänge, um den mittleren Sehnentrennwandbereich
der Leitschaufel in einem weiteren Kühlkreislauf zu kühlen. Weiter
ist in jeder Leitschaufel ein Hinterkantenkühlkreislauf 44 angeordnet,
der mit dem hinteren Hohlraum 32 in strömungsmäßiger Verbindung steht, um
das hintere Drittel jeder Leitschaufel in einem dritten Kühlkreislauf
zu kühlen.
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Wie
zu Beginn in 2 gezeigt, enthält der Hinterkantekreislauf 44 eine
Anzahl axialer Brücken oder
Trennwände 46,
die entlang der Spannweite der Leitschaufel voneinander beabstandet
sind, um entsprechende axial sich erstreckende Ausstoßkanäle 48 zu
definieren, die an entsprechenden Hinterkantenschlitzen oder -öffnungen 50 enden.
Weiter sind in dem Eingangsbereich der Hinterkantenkanäle 48 Reihen
von sich radial erstreckenden kurzen Turbulatoren 52 angeordnet,
um die Turbulenz der ausgegebenen Aufprallluft, die aus den Leitschaufelhinterkanten
ausgestoßen
wird, zu fördern.
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Im
Betrieb wird die Kühlluft 40 durch
die entsprechende Aufprallbleche hindurch, die in den Leitschaufelhohlräumen abgestützt sind,
getrennt durch die Bänder
in jeden der beiden Leitschaufelhohlräume 30, 32 geleitet.
Die Luft wird zunächst
genutzt, um die Innenflächen
der Leitschaufelseitenwände
durch Aufprall zu kühlen,
und ein Teil der ausgegebenen Luft wird anschließend durch vielfältige Filmkühlungslöcher 54 ausgestoßen, die
sich in einer beliebigen herkömmlichen
Weise durch die Seitenwände erstrecken.
Ein Teil der in dem hinteren Hohlraum 32 ausgegebenen Aufprallluft
wird durch die Filmkühlungslöcher geleitet,
wobei der restliche Teil der ausgegebenen Luft durch den Hinterkantenkühlkreislauf 44 geleitet
wird, um den Hinterkantenabschnitt jeder Leitschaufel zu kühlen.
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Wie
in 3 gezeigt, erstreckten sich die Seitenrippen 34 ursprünglich nach
hinten, wobei einstückig
ausgebil dete einfassende Übergänge 34x, die
mit entsprechenden der Hinterkantentrennwände 46 verbunden waren,
um eine Reihe hinterer Abstandhaltermerkmale zu bilden, so dass
der axiale Weg des hinteren Leitblechs 38 in dem hinteren Hohlraum
in der oben in dem Abschnitt über
den Hintergrund offenbarten kommerziell erfolgreichen Düse nach
hinten hin begrenzt ist.
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Allerdings
wurde auch entdeckt, dass die einstückige Verbindung, die durch
die Übergänge 34x zwischen
den hinteren Enden der Seitenrippen und dem hinteren Hohlraum und
den entsprechenden Hinterkantentrennwänden 46 gebildet werden, ebenfalls
eine thermisch induzierte Spannung an deren Verbindungspunkten örtlich erhöhen. Die
Trennwände 46 sind
kalte Brücken,
die die beiden heißen Seitenwände der
Leitschaufel an der Hinterkantentrennwand miteinander verbinden,
und die Seitenrippen einschließlich
der herkömmlichen Übergänge 34x sind
in dem hinteren Hohlraum ebenfalls verhältnismäßig kühl.
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Dementsprechend
ist es auch erwünscht,
die Seitenrippen 34 entlang der konvexen Seitenwand 20 der
Leitschaufel an dem hinteren Ende des hinteren Hohlraums 32 zu
beschneiden, um die Seitenrippen von den entsprechenden Hinterkantentrennwänden zu
entkoppeln. In einer dem Entkoppeln der Seitenrippen von der kalten
Brücke 28 ähnelnden
Weise entkoppelt ein Entkoppeln der kalten axialen Trennwände 46 von
den hinteren Enden der entlang der inneren Oberfläche der
konvexen Seitenwand 20 verlaufenden Seitenrippen die thermische
Reaktion und reduziert die sich ergebende thermisch induzierte Spannung
an diesen Stellen.
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Durch
Eliminieren der hinteren Übergänge 34x der
entsprechenden Seitenrippen in den in 3 veranschaulichten
vorderen und hinteren Hohlräumen
erfahren die entsprechenden Leitbleche 36, 38 in
den Hohlräumen
möglicherweise
eine unerwünschte
Bewegung nach hinten, wobei deren lokale Kühlung beeinträchtigt wird.
Die Seitenrippenübergänge 34x können daher
durch entsprechende erste und zweite Endrippen 56a, b ersetzt
werden, die geeignet an dem hinteren Ende jedes der beiden Hohlräume 30, 32 angeordnet
sind, um axial an die darin angeordneten Leitbleche anzugrenzen.
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Abhängig von
der speziellen Konfiguration der Hohlräume 30, 32 können die
gegenüberliegenden
Seitenrippen 34 in jedem Hohlraum ausreichen, um jedes
der darin enthaltenen Leitbleche sowohl in transversaler als auch
in Umfangsrichtung oder in der axialen oder Sehnenrichtung der Düse zentrisch
zu stützen.
Allerdings können
die Endrippen 56a, b, wo es gewünscht ist, dafür eingesetzt
werden, um eine vorbestimmte Beabstandung zwischen den hinteren oder
vorderen Enden der einzelnen Leitbleche und den hinteren oder vorderen
Enden beider Hohlräume aufrecht
zu erhalten.
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In
dem oben in dem Abschnitt über
den Hintergrund offenbarten vermarkteten Ausführungsbeispiel, waren mehrere
der links in 2 veranschaulichten Trennwände 46 einstückig mit
Verlängerungen
ausgebildet, die die einfassenden Übergänge 34x mit den entsprechenden
Seitenrippen 34 definierten, um mehrere hintere Abstandhaltermerkmale für das hintere
Leitblech 38 vorzusehen. Allerdings sind die Hinterkantentrennwände 46 kalte
Brücken, und
deren Verbindungspunkte mit den entsprechenden Seitenrippen 34 erzeugten
lokale Regionen mangelnder thermischer Übereinstimmung zwischen den
kalten Trennwänden
und den heißen
Seitenwän den,
was die Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufel verkürzt.
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Dementsprechend
sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die herkömmlich
gekoppelten Hinterkantentrennwände 46 und
Seitenrippen 34 durch Beschneiden der hinteren Enden der
länglichen
Trennwände,
wie in 2 gezeigt, voneinander entkoppelt, um die Verlängerungen
dort zu eliminieren, was einem Beschneiden der hinteren Enden der entsprechenden
Seitenrippen 34 entlang der Saugseitenwand entspricht,
wie es insbesondere in 3 veranschaulicht ist.
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Da
die beschnittenen Trennwände 46 nicht mehr
zur Verfügung
stehen, um für
das hintere Leitblech hintere Abstandhaltermerkmale bereit zu stellen,
enthält
mindestens eines der Trennwände 46 in einer
Ebene, die sich von jener der Seitenrippen unterscheidet, vorzugsweise
die zweite Endrippe 56b, die sich, wie in 2 und 3 veranschaulicht,
davon ausgehend nach vorne in den hinteren Hohlraum 32 erstreckt.
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Wie
am besten in 4 zu sehen, überbrückt jede der Hinterkantentrennwände 46 die
erste und zweite Seitenwand 20, 22 und ist mit
dieser in dem gemeinsamen Gussstück
einstückig
ausgebildet. Wie außerdem
in 2 gezeigt, erstreckt sich in dem Ausführungsbeispiel
eine einzelne Endrippe 56b vorzugsweise lediglich von der
letzten der dem inneren Band 16 benachbarten Trennwände 46.
Da diese Endrippe 56b eine Verlängerung der entsprechenden
letzten Trennwand 46 ist, überbrückt sie auch die beiden Seitenwände und
ist im Betrieb im Vergleich zu den heißen Seitenwänden kalt.
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Dementsprechend
ist die in 2 veranschaulichte Endrippe 56b in
dem hinteren Hohlraum 32 von den Seitenrippen 34 entlang
der Leitschaufelspannweite vorzugsweise radial beabstandet, um die Endrippe 56b von
den Seitenrippen 34 zu entkoppeln und ein entsprechendes
Abstandhaltermerkmal für das
hintere Leitblech 38 zu schaffen, während thermisch induzierte
Spannungen an diesem Ort erheblich reduziert werden.
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In
dem in 2 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispiel
enthält
das äußere Band 14 an
dem hinteren Hohlraum 32 einen äußeren Anschlusskanal 58,
der dazu dient, das hintere Leitblech 38 während des
Zusammenbaus darin radial zu empfangen, und durch den hindurch die
Kühlluft 40 entgegen
genommen wird. In Entsprechung ist das innere Band 16 an
dem hinteren Hohlraum geschlossen.
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In ähnlicher
Weise enthält
das innere Band 16 an dem vorderen Hohlraum 30 einen
inneren Anschlusskanal 60, um das vordere Leitblech 36 aufzunehmen,
und durch den hindurch ein weiterer Teil der Kühlluft entgegengenommen wird.
In Entsprechung ist das äußere Band 14 an
dem vorderen Hohlraum geschlossen.
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Wie
in 2 gezeigt, sind sämtliche der Hinterkantentrennwände 46,
mit Ausnahme der letzten darin, vorzugsweise bis knapp vor das hintere
Ende des hinteren Leitblechs 38 sowie bis knapp vor das hintere
Ende des äußeren Anschlusskanals 58 beschnitten.
Auf diese Weise kann das hintere Ende des äußeren Anschlusskanals 58 wirkungsvoll
genutzt werden, um für
das äußere Ende
des hinteren Leitblechs 38 ein Abstandhaltermerkmal zu
schaffen, während
die am weitesten innen angeordnete Trennwand 46 die Endrippe 56b einschließt, um das
Abstandhaltermerkmal für
das innere Ende des Leitblechs zu bilden.
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Da
die Endrippe 56b von den Seitenrippen 34 entkoppelt
ist, ist eine eventuelle mangelnde thermische Übereinstimmung dazwischen auf
ein Minimum reduziert. Außerdem
ist die Endrippe 56b, da sie vorzugsweise an der am weitesten
innen liegenden Trennwand 46 angeordnet ist, einer erheblich kühleren Umgebung
ausgesetzt als die bei der mittleren Spannweite angeordneten Trennwände, die
sich an einer Stelle höherer
Wärmelast
befinden, die von den Verbrennungsgasen außerhalb der Leitschaufel ausgeht.
Der kühlere
Ort des inneren Bandes und der dort angeordneten Endrippe 56b minimiert
jede mangelnde thermische Übereinstimmung
zwischen der überbrückenden
Endrippe 56b und den angebrachten Leitschaufelseitenwänden.
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Wie
ebenfalls in 2 gezeigt, erstrecken sich mehrere
der ersten Endrippen 56a vorzugsweise von der radialen
Brücke 28 in
den vorderen Hohlraum 30 und sind entlang der Leitschaufelspannweite
radial voneinander beabstandet.
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Wie
in 3 gezeigt, sind die ersten Endrippen 56a in
dem vorderen Hohlraum zwischen den gegenüberliegenden Leitschaufelseitenwänden 20, 22 mit
der Vorderseite der Brücke 28 einstückig ausgebildet
und sind an den beiden Seitenwänden
in Umfangsrichtung beschnitten, um die Endrippen von den Seitenwänden in
einer Weise zu entkoppeln, die dem Abtrennen der Seitenrippen 34 von
der kalten Brücke ähnelt. Auf
diese Weise bilden die Endrippen 56a wirkungsvolle Abstandhaltermerkmale
für das
hintere Ende des vorderen Leitblechs 36, während sie
dennoch von den Seitenwänden
entkop pelt bleiben, um dort thermisch induzierte Spannungen zu minimieren.
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Wie
in 5 zu sehen, sind in dem vorderen Hohlraum 30 entlang
der ersten Seitenwand 20 sechs exemplarische Seitenrippen 34 radial
voneinander beabstandet, wobei eine geringere Zahl der Seitenrippen 34,
beispielsweise sind dies drei, entlang der gegenüberliegenden zweiten Seitenwand 22 voneinander
beabstandet sind. Die Druckseitenrippen 34 sind vorzugsweise
mit entsprechenden der Saugseitenrippen 34 in gemeinsamen
radialen Ebenen angeordnet, um das Leitblech 36 dazwischen
zu zentrieren. Weiter sind die ersten Endrippen 56a in dem
vorderen Hohlraum 30 entlang beiden Seitenwänden 20, 22 mit
entsprechenden Endrippen der Seitenrippen 34 vorzugsweise
koplanar.
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Wie
am besten in 3 veranschaulicht, begrenzen
die drei koplanaren Rippen 34, 56a das vordere
Leitblech 36 über
einen Großteil
seines Umfangs, um das Leitblech in dem vorderen Hohlraum 30 zu
zentrieren. Allerdings sind die Seitenrippen 34 und Endrippen 56a strukturell
voneinander entkoppelt, und sind ebenso von den Verbindungspunkten der
kalten Brücke 28 und
der heißen
Seitenwände 20, 22 strukturell
entkoppelt.
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Das
vordere Leitblech wird auf diese Weise wirkungsvoll in dem vorderen
Hohlraum zentriert, wobei thermische Spannungen an dem Verbindungspunkt
der kalten Brücke
und der Leitschaufelseitenwände
und insbesondere an der konvexen Seitenwand 20 bedeutend
reduziert sind, die herkömmlich durch
den Lebensdauer beschränkenden
Bereich der Leitschaufel beeinträchtigt
wurde. Wie oben erwähnt,
kann die verbesserte Konstruktion der Abstandhaltermerkmale im Ver gleich
zu der herkömmlichen
vermarkteten Konstruktion, die diese Verbesserungen nicht aufweist,
zu einer Vervierfachung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufeln
beitragen.
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Die
Entdeckung der Ursache der die Lebensdauer beschränkenden
Eigenschaften der herkömmlichen
handelsüblichen
Turbinendüse
führte
zu einer Lösung,
die lediglich eine geringe Änderung
der ursprünglichen
Konstruktion erfordert und dennoch eine tiefgreifende Wirkung hinsichtlich
einer wesentlichen Verlängerung
der Nutzungslebensdauer erzielt. Die länglichen Seitenrippen sind örtlich von
der kalten Brücke 28 sowie
von den Hinterkantentrennwänden 46 entkoppelt,
um mangelnde thermische Übereinstimmung
dazwischen erheblich zu reduzieren. Weiter sind die Endrippen 56a,
b an bevorzugten Stellen eingeführt,
um die entsprechenden Aufprallbleche zu tragen, ohne in sonstiger
Weise unerwünschte
mangelnde thermische Übereinstimmung zwischen
den Endrippen und den heißen
Seitenwänden
einzuführen.
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Die
verbesserten Merkmale können
ohne weiteres in neuen Turbinendüsenkonstruktionen
genutzt, sowie in bestehenden Konstruktionen nachgerüstet werden,
um während
normaler Wartungsausfallzeiten eines Gasturbinentriebwerks ausgetauscht zu
werden. Mit einer relativ geringen Änderung der Düsenkonstruktion
und einer geringen oder überhaupt
keiner Steigerung der Herstellungskosten lässt sich eine wesentliche Verlängerung
der Nutzungslebensdauer der Turbinendüse erzielen.