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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Gasturbinentriebwerke,
und insbesondere darin vorhandene Turbinendüsen.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck
gesetzt und in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen. Den Gasen wird in entsprechende Turbinen Energie entzogen,
wobei diese den Verdichter antreiben und Nutzarbeit liefern, indem
sie in einer exemplarischen Zweikreisflugzeugtriebwerksanwendung
einen stromaufwärts
angeordneten Bläser
antreiben.
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Unmittelbar
auf die Brennkammer folgt eine Hochdruckturbine (HPT = High Pressure
Turbine) und empfängt
von dieser äußerst heiße Verbrennungsgase.
In der HPT können
eine oder mehrere Stufen durch eine Welle vereinigt sein, um den
Verdichter anzutreiben.
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Eine
auf die HPT folgende LPT (= Low Pressure Turbine) weist gewöhnlich mehrere
Stufen auf und ist in der Zweikreistriebwerksanwendung über eine
weitere Welle mit dem stromaufwärts
angeordneten Bläser
vereinigt, oder die Welle kann sich statt dessen nach außen aus
dem Triebwerk erstrecken, um Ausgangsleistung bereitzustellen, um
in vielfältigen
Schifffahrts- und Industrieanwendungen einen elektrischen Generator
oder ein Getriebe anzutreiben.
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Jede
Turbinenstufe enthält
eine stationäre Turbinendüse mit einer
Reihe von Statorschaufeln, die Verbrennungsga se in die stromabwärts verlaufende
Richtung lenken. Auf die Düsenleitschaufeln folgt
eine entsprechende Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln, die den
Verbrennungsgasen Energie entziehen, um wiederum die Schaufeln auf
einer tragenden Rotorscheibe drehend anzutreiben, die mit der entsprechenden
Antriebswelle verbunden ist.
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Jede
Düsenleitschaufel
weist eine entsprechende sichelförmige
oder strömungsflächenförmige Gestalt
auf, die speziell dazu eingerichtet ist, die Verbrennungsgase in
die stromabwärts
gelegene Reihe von Rotorschaufeln zu lenken, um den Energieentzug
aus den Verbrennungsgasen zu maximieren. Jede Leitschaufel enthält eine
im Wesentlichen konkave Druckseite und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende,
im Wesentlichen konvexe Saugseite, die sich in axialer Richtung
zwischen entsprechenden Vorderkanten und Hinterkanten und radial
in Spannenrichtung zwischen äußeren und
inneren Stützbändern erstrecken.
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Mit
Blick auf die aggressive Umgebung der Verbrennungsgase sind die
Düsenleitschaufeln selbst
gewöhnlich
hohl und in Strömungsverbindung mit
dem Verdichter vereinigt, um davon abgezweigte Luft aufzunehmen,
die während
des Betriebs als ein Kühlmittel
zum Kühlen
der Düsenleitschaufeln
genutzt wird, um den durch die heißen Verbrennungsgase ausgeübten externen
thermischen Belastungen entgegenzuwirken. Jede aus dem Verbrennungsprozess
zum Kühlen
der Düsenleitschaufeln
abgezweigt Luft senkt den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks entsprechend
und sollte daher auf ein Minimum reduziert werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind zahllose vielfältige Konfigurationen zum Kühlen von
Turbinendüsen
bekannt, die sich hinsichtlich ihrer Komplexität, Effizienz und Herstellungskosten
unterscheiden. Eine derartige Konfiguration ist in der Patentanmeldung
EP 0 980 960 A offenbart.
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Düsenwerkstoffe
werden gewöhnlich
aus Nickelbasissuperlegierungen nach dem Stand der Technik erzeugt,
die ihre Festigkeit in der Hochtemperaturumgebung von Gasturbinen
beibehalten. Die Superlegierungswerkstoffe erfordern nichtsdestoweniger
während
des Betriebs eine angemessene Kühlung,
um die Nutzungslebensdauer und Beständigkeit der Düse im Betrieb
zu verlängern.
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Eine
weitere Verbesserung sowie ein Schutz der Düsen gegen die aggressive Umgebung
in Gasturbinen lassen sich durch den Einsatz herkömmlicher
Wärmebarrierenbeschichtungen
(TBCs = Thermal Barrier Coatings) erreichen. Die TBC basiert gewöhnlich auf
einem Keramikmaterial, das die Außenflächen der Düsenleitschaufeln und entsprechende Strömungsbegrenzungsflächen der
Bänder
bedeckt, um eine Wärmeisolierungsbarriere
gegen die heißen Verbrennungsgase
zu schaffen. Die TBC schützt
die Außenflächen der
Düsenleitschaufeln,
und deren Innenflächen
lassen sich durch das während
des Betriebs hindurchgeleitete Kühlfluid
angemessen kühlen.
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Beispielsweise
können
die hohlen Düsenleitschaufeln
Pralleinsätze
oder Prallflächen
aufweisen, die mit geeigneten Mustern von sich durch diese hindurch
erstreckenden kleinen Prallkühllöchern ausgebildet
sind. Die Prallflächen
sind aus einem dünnen Superlegierungsmetall
geformt und sind von den Innenflächen
der Leitschaufelseitenwände
beabstandet angeordnet, um dem Kühlmittel
zunächst
zu erlauben, auf jene Innenflächen
aufzuprallen, so dass diesen Wärme
entzogen wird, wobei die verbrauchte Aufprallluft anschließend durch
geeignete Auslässe in
den Leitschaufeln entlassen wird.
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Solche
Auslässe
können
auf Reihen von sich durch die Leitschaufelseitenwände erstreckenden Filmkühlungslöchern basieren,
die gewöhnlich
nach hinten hin geneigt sind, um die Kühlluft in Form eines Films
zu entlassen, der zwischen der Leitschaufel und den heißen Verbrennungsgasen
eine zusätzliche Wärmebarriere-
oder Wärmeisolationsschicht
erzeugt. Jede Leitschaufel kann ferner eine Reihe von Hinterkantenauslasslöchern aufweisen,
die einen weiteren Teil der verbrauchten Aufprallluft durch die dünne Hinterkante
entlassen, um deren Kühlung
zu verbessern. Weiter können
zusätzliche
Auslass- oder Abfuhrlöcher
in den Stützbändern ausgebildet
sein, um zusätzliche
Luft durch diese hindurch zu entlassen.
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Die
oben beschriebenen exemplarischen Merkmale steigern unter anderem
den komplizierten Aufbau und die Komplexität der Herstellung der Turbinendüsen und
setzen unbedingt eine maßgeschneiderte
Anpassung an die Anforderungen der Kühlung der verschiedenen Bereiche
der Düse
hinsichtlich der unterschiedlichen thermischen Belastungen voraus,
die die Verbrennungsgase ausüben, während sie
mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsverteilungen über die
Druck- und Saugseiten
der Leitschaufeln strömen.
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Das
Herstellungsverfahren erschwert ebenfalls die Konstruktion der Düse. Beispielsweise
ist eine typische Turbinendüse
um ihren Umfang in eine Anzahl von Düsensegmenten aufgeteilt, um
die Reifen-Beschränkung
eines einteiligen Rings zu eliminieren und dadurch die Größe der während des Betriebs
erzeugten thermischen Spannungen zu reduzieren. Ein typisches Düsensegment
enthält
ein Paar Düsenleitschaufeln,
die einstückig
mit entsprechenden gekrümmten äußeren und
inneren Bändern
verbunden sind, wobei benachbarte Düsensegmente an entsprechenden
axialen Trennungslinien durch darin angeordnete gerade Keildichtungen
miteinander abgedichtet werden. Das Düsensegmentpaar kann auf einzeln
erzeugten Bestandteilen basieren, die anschließend zusammengebaut oder hartverlötet werden,
wird jedoch gewöhnlich
in einem einteiligen Gussstück
hergestellt, das die äußeren und
inneren Bandsegmente und das Paar hohler Düsenleitschaufeln einbezieht.
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Die
Prallflächen
werden davon unabhängig hergestellt
und während
des Vorgangs des Zusammenbaus später
in entsprechende Hohlräume
oder Sammelräume
in den Leitschaufeln eingebaut.
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Das
TBC-Verfahren wird gewöhnlich
unter Verwendung eines geeigneten Dampfabscheidungsverfahrens eingesetzt,
um die Düsenleitschaufeln
mit einer ausreichenden Menge des TBC-Materials zu beschichten.
Die Filmkühlungslöcher können vor dem
Aufbringen der TBC-Beschichtung mittels eines geeigneten Bohrverfahrens,
beispielsweise elektroerosive Bearbeitung (EEB = Electrical Discharge
Machining), durch die Düsenleitschaufeln
hindurch ausgebildet werden. Da die Düsenhinterkantenlöcher gewöhnlich in
dem Gießvorgang
ausgebildet werden, um eine Strömungsverbindung
mit den Sammelräumen
innerhalb der Leitschaufeln zu schaffen, wird der Hinterkantenbereich
der Leitschaufeln während
des TBC-Abscheidungsprozesses
vorzugsweise maskiert, um ein Verstopfen jener Öffnungen zu verhindern.
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Da
die typische Düse
eine ringförmige
oder achsensymmetrische Anordnung ist, sind die Düsensegmente
und Leitschaufeln rund um den Umfang der Düse gewöhnlich identisch. Außerdem sind
die Prallflächen,
die vielfältige
Muster von Kühlöffnungen in
den Düsenleitschaufeln
aufweisen, ebenfalls von Leitschaufel zu Leitschaufel identisch.
Dies reduziert die Anzahl der für
die Herstellung der Turbinendüse benötigten unterschiedlicher
Teile und Konstruktionszeichnungen.
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Die
identischen Düsenleitschaufeln
und deren identische Kühlungskonstruktionen
stellen daher ein im Wesentlichen identische Leistung der Turbinendüsenleitschaufeln
während
des Betriebs in dem Triebwerk sicher, wobei die Lebensdauer oder
Beständigkeit
der Düse
von zufälligen
Unterschieden hinsichtlich der Herstellungstoleranzen der Düsenteile
und von zufälligen
Unterschieden in der Verteilung der Verbrennungsgase beeinflusst
wird.
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Da
das typische TBC-Dampfabscheidungsverfahren richtungsgebunden ist,
ist es allerdings nicht möglich,
die TBC über
die gesamten Außenflächen der
Düsenseitenwände in der
Paarkonfiguration gleichmäßig aufzubringen.
Da die TBC auf jedes Düsenpaar
einzeln aufgebracht wird, lassen sich dessen exponierte oder Außenoberflächen problemlos bis
zur gewünschten
Nenn- oder Gesamtdicke mit der TBC überziehen, wohingegen versteckte
oder Innenoberflächen
des Düsenpaars
möglicherweise
lediglich teilweise mit TBC einer geringeren Dicke beschichtet werden.
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Insbesondere
weist das Doppelpaar eine erste oder vordere Leitschaufel auf, deren
konvexe Saugseite an der entsprechenden Trennungslinie um den Umfang
herum nach außen weist.
Die konkave Druckseite der zweiten oder hinteren Leitschaufel des
Paars weist in Richtung der gegenüberliegenden Trennlinie nach
außen.
Die konkave Druckseite der vorderen Leitschaufel weist daher um
den Umfang herum in Richtung der gegenüberliegenden konvexen Saugseite
der hinteren Leitschaufel nach innen, und beide dieser inneren Seitenwände sind
somit aufgrund der Schattenwirkung ihrer gegenüberliegenden Seitenwände gegenüber der
Außenseite
der Düse
in den Leitschaufeln verborgen.
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Dementsprechend
schattet die hintere Leitschaufel während des TBC-Dampfabscheidungsverfahrens
die Abscheidung aus der Dampfphase gegenüber der innenliegenden Druckseite
der vorderen Leitschaufel ab und führt dazu, dass die TBC darauf dünner aufgetragen
wird. In Entsprechung schattet die vordere Leitschaufel die innenliegende
konvexe Saugseite der hinteren Leitschaufel während des TBC-Dampfabscheidungsverfahrens
ab, mit der Folge einer entsprechend dünnen Abscheidung der TBC darauf.
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Die
gesamte konvexe Saugseite der vorderen Leitschaufel weist hingegen
nach außen
und lässt
sich vollständig
mit der TBC beschichten. Auch die gesamte konkave Druckseite der
hinteren Leitschaufel weist nach außen und lässt sich ebenfalls vollkommen
mit der TBC beschichten. Weiter weisen die gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten ebenfalls
nach außen
und können
einwandfrei bis zu der gewünschten
Gesamtdicke beschichtet werden.
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Da
das sich ergebende mit TBC beschichtete Düsenpaar in diesem Verfahren
in der Regel längs der
Druckseite der vorderen Leitschaufel und längs der Saugseite der nachfolgenden
Leitschaufel TBC einer Teildicke aufweist, ist die Gleichmäßigkeit
oder Übereinstimmung
zwischen den beiden Düsenleitschaufeln
in der Regel nicht gewährleistet.
Dementsprechend ist die Kühlleistungsverhalten
der beiden Düsenleitschaufeln
gewöhnlich
nicht mehr identisch.
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Aus
diesem Grund führt
eine in den USA seit langem geübte
Praxis während
des TBC-Dampfabscheidungsverfahrens geeignete Masken ein, um effektiv
Dummy-Düsenleitschaufeln
zu erzeugen, die gewöhnlich
in den Positionen der am nächsten
benachbarten Leitschaufeln in dem vollständig montierten Düsenring
fluchtend mit den äußeren Seitenwänden der
Doppelleitschaufeln ausgerichtet sind. Auf diese Weise lassen sich
die Dummy-Masken nutzen, um zu gewährleisten, dass die außenseitige
Saugseite der vorangehenden Leitschaufel die TBC in derselben Weise
mit einer Teildicke aufnimmt wie die innere Saugseitenwand der nachfolgenden
Leitschaufel.
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In
Entsprechung stellt die entgegengesetzte Maske sicher, dass die äußere Druckseitenwand
der nachfolgenden Leitschaufel die TBC partieller Dicke in derselben
Weise empfängt
wie die Teildicke der TBC an der inneren Druckseite der vorangehenden Leitschaufel.
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Auf
diese Weise weisen die beiden Düsenleitschaufeln
in dem Düsenpaarsegment
im Wesentlichen identische Konfigurationen auf, und lassen sich
während
des Betriebs mittels der identischen Konfigurationen der Prallflächen und
der durch die Düsenleitschaufeln
hindurch ausgebildeten vielfältigen
Auslassöffnungen
in ähnlicher
Weise kühlen.
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Obwohl
die gemäß diesem
herkömmlichen Verfahren
hergestellten typischen Düsenleitschaufeln
somit eine weitgehend identische Kühlsystemkonstruktion aufweisen,
sind die Belastungen, denen die Düsensegmente im Betrieb ausgesetzt sind,
in der Praxis nicht identisch. Obwohl die Düsenströmungskanäle zwischen benachbarten Leitschaufeln zum
Durchleiten der Verbrennungsgase im Wesentlichen identisch sind,
ist die Kontinuität
der Düse
beispielsweise um den Umfang durch die Segmentkonfiguration unterbrochen,
was wiederum die Verteilung der Belastungen in jedem Düsensegment
beeinflusst.
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Im
Betrieb wirken die Gasdruckkräfte
durch die Düsenleitschaufeln
aufgenommen und durch die Düsenbänder auf
die entsprechende Düsenhalterung übertragen.
Weiter sind die Düsenleitschaufeln
und deren Bänder
während
des Betriebs unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, die eine
unterschiedliche Ausdehnung und Kontraktion dieser Komponenten bewirken,
was wiederum dazu führt,
dass diese unterschiedlich thermisch belastet werden.
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Beispielsweise
sind die gekrümmten äußeren und
inneren Bänder
der Düsensegmente
vor der Erwärmung
durch die Verbrennungsgase zu Beginn in entsprechenden Reifen fluchtet
ausgerichtet. Während
die Gase die Düsensegmente
erwärmen,
neigt das äußere Band
insbesondere dazu, sich längs
seiner Sehne zwischen den gegenüberliegenden
Trennlinien gerade zu richten, wobei diese Verformung durch die
daran angebrachten beiden Düsenleitschaufeln
eingeschränkt
wird.
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Dieser
Streckeffekt bringt eine zusätzliche Wärmebelastung
in die inneren Seitenwände
der in dem Düsenpaar
einander gegenüberliegenden
beiden Druck- und Saugseiten ein. Weiter erfahren die zu den beiden
Düsenleitschaufeln
gehörenden äußeren Seitenwände, die
durch die an den Trennungslinien exponierten Druck- und Saugseiten
definiert sind, eine unterschiedliche thermische Belastung. Die
ent sprechende thermische Distorsion der Düsenpaare und die dadurch eingeführte Wärmebelastung wirken
sich auf die Beständigkeit
oder Nutzungslebensdauer des Düsensegments
nachteilig aus.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach einer Turbinendüse mit einer angepassten Kühlung, um
die nachteiligen Wirkungen der darin auftretenden unterschiedlichen
thermischen Belastung zu reduzieren.
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Eine
erfindungsgemäße Turbinendüse enthält äußere und
innere Bänder,
die in einem Stück
mit einem Paar hohler Leitschaufeln verbunden sind, die sich radial
dazwischen erstrecken. Jede von den Leitschaufeln enthält gegenüberliegende
Druck- und Saugseitenwände,
die sich zwischen gegenüberliegenden
Vorder- und Hinterkanten erstrecken und beabstandet sind, um einen
Innensammelraum zu definieren, der sich radial zwischen den Bändern zur
Aufnahme eines Luftkühlmittels
erstreckt. Die Leitschaufeln sind voneinander in Abstand angeordnet,
um einen Strömungskanal
zu definieren, um heiße
Verbrennungsgase zu führen,
die durch entsprechende Druck- und Saugseitenwände der Leitschaufeln begrenzt
werden, die nach innen aufeinander zu gewandt sind, während die
restlichen Saug- und Druckseitenwände der Leitschaufeln nach
außen
gewandt sind. Die Leitschaufeln enthalten unterschiedliche Kühlkonfigurationen,
um mehr von dem Kühlmittel auf
die inneren Seitenwände
als auf die äußeren Seitenwände zu lenken.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen
eingehender beschrieben:
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1 zeigt
eine auseinandergezogene zum Teil geschnittene isometrische Ansicht
eines Abschnitts einer ex emplarischen Turbinendüse eines Zweikreisflugzeugtriebwerks.
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2 zeigt
eine von hinten nach vorne weisende isometrische Ansicht der Druckseiten
der in 1 veranschaulichten Turbinendüse, und im Wesentlichen entlang
der Linie 2-2 genommen.
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3 zeigt
eine von vorne nach hinten weisende isometrische Ansicht der Saugseiten
der in 1 veranschaulichten Düse, und im Wesentlichen entlang
der Linie 3-3 genommen.
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4 zeigt
eine ebene, radiale Querschnittsansicht eines Abschnitts der in 1 veranschaulichten
Düse, und
im Wesentlichen längs
der mit 4-4 bezeichneten Profilbezugs- oder Mittelspannweitenlinie
genommen.
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5 zeigt
eine vergrößerte isometrische Ansicht
des oberen Abschnitts der in 1 veranschaulichten
ersten Prallfläche.
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6 zeigt
eine vergrößerte isometrische Ansicht
des oberen Abschnitts der in 1 veranschaulichten
zweiten Prallfläche.
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7 zeigt
in einer ebenen Draufsicht die in 1 veranschaulichte
Turbinendüse,
genommen im Wesentlichen entlang der Linie 7-7.
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In 1 ist
schematisch ein Gasturbinentriebwerk 10 in der exemplarischen
Form eines Zweikreisflugzeugtriebwerks dargestellt. Das Triebwerk selbst
kann von beliebiger herkömmlicher
Bauart sein und enthält
gewöhnlich
strömungs mäßig in Reihe
einen Bläser,
einen mehrstufigen Axialverdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine
(HPT) und eine Niederdruckturbine (LPT), die um eine longitudinale
oder axiale mittige Achse des Triebwerks achsensymmetrisch sind.
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Die
HPT weist Rotorlaufschaufeln auf, die von einer Rotorscheibe getragen
werden und über eine
Welle mit entsprechenden Rotorlaufschaufeln des Verdichters verbunden
sind. Die LPT weist Rotorlaufschaufeln auf, die sich ausgehend von
einer Rotorscheibe erstrecken, die über eine weitere Welle mit
dem Bläser
verbunden sind.
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Im
Betrieb strömt
Luft 12 durch das Triebwerk und wird durch den Verdichter
unter Druck gesetzt und in der Brennkammer mit Brennstoff vermischt,
um heiße
Verbrennungsgase 14 zu erzeugen, aus denen in den Turbinen
vor dem Ausstoß aus der
Auslassdüse
des Triebwerks Energie entzogen wird.
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In
der in 1 veranschaulichten exemplarischen Konfiguration
enthält
die HPT erste und zweite Stufen mit entsprechenden Düsenleitschaufeln
und Rotorlaufschaufeln. Die Turbinendüse 16 der zweiten Stufe
ist gemäß einem
Ausführungsbeispiel
teilweise in 1 veranschaulicht und ist um
die longitudinale oder Mittelachse des Triebwerks achsensymmetrisch.
Die Düse
der ersten Stufe und übrige
Komponenten des Triebwerks können
eine beliebige herkömmliche
Konstruktion aufweisen.
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Die
in 1 veranschaulichte Turbinendüse 16 ist um den Umfang
herum in einer herkömmlichen Weise
segmentiert, um ihre Reifen-Kontinuität zu unterbrechen. Insbesondere
weist jedes Segment der Düse
radial äußere und
innenliegende gekrümmte Bänder 18, 20 auf,
die einstückig
mit einem Paar hohler Strömungsleitschaufeln 22, 24 verbunden
sind, die sich radial in Spannenrichtung zwischen den Bändern erstrecken.
Die beiden Leitschaufeln und zwei Bänder sind vorzugsweise in einem
gemeinsamen oder einteiligen Gussstück hergestellt, obwohl in einem
abgewandelten Ausführungsbeispiel
diese Teile getrennt hergestellt und hartverlötet sein könnten.
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Die
beiden Leitschaufeln und Bänder
definieren daher ein Düsensegment
oder Düsenpaar,
das an entsprechenden axialen Trennungslinien 26 an benachbarte
Segmente angrenzt, um die gesamte ringförmige Düse zu vollständigen.
(Nicht gezeigte) herkömmliche
Keildichtungen sind in den Trennungslinien angeordnet, um die benachbarten äußeren Bänder in
dem äußeren Ring
und die benachbarten inneren Bänder
in dem inneren Ring miteinander abzudichten.
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2 veranschaulicht
die Düsenleitschaufeln
von der Hinterkante der Druckseiten her. 3 stellt
die Düsenleitschaufeln
von der Vorderkante der Saugseiten her dar. Und 4 veranschaulicht
in einer radialen Querschnittsansicht die in Umfangsrichtung fluchtende
Ausrichtung der beiden Düsenleitschaufeln
in jedem Düsensegment.
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Insbesondere
weist die in dieser Figur veranschaulichte erste Leitschaufel 22 eine
im Wesentlichen konkave, Druckseitenwand 28 und eine in
Umfangsrichtung gegenüberliegende,
im Wesentlichen konvexe Saugseitenwand 30 auf. In ähnlicher
Weise weist die zweite Leitschaufel 24 eine im Wesentlichen
konkave Druckseitenwand 32 und eine in Umfangsrichtung
gegenüberliegende,
im Wesentlichen konvexe Saugseitenwand 34 auf.
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Die
aerodynamischen Profile oder Konfigurationen der beiden Leitschaufeln 22–24 sind
zueinander identisch, wobei deren entsprechende Druck- und Saugseitenwände sich
in axialer Richtung zwischen gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten 36, 38 erstrecken,
die radial in Spannenrichtung zwischen den äußeren und inneren Bändern verlaufen. Die
entsprechenden Seitenwände
jeder Leitschaufel sind in Umfangsrichtung voneinander in Abstand
angeordnet, um entsprechende Innenräume oder Sammelräume 40 zu
definieren, die sich radial zwischen den Bändern erstrecken, um die Druckluft 12 aufzunehmen,
die aus dem Verdichter geeignet abgezweigt wird, um in jeder Leitschaufel
als ein Kühlmittel
zum Kühlen
der Leitschaufel mit Blick auf die thermische Belastung verwendet
zu werden, die durch die während
des Betriebs darüber
strömenden
heißen
Verbrennungsgase 14 ausgeübt werden.
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Wie
in 4 gezeigt, sind die beiden Leitschaufeln in Umfangsrichtung
voneinander in Abstand angeordnet, um zusammen mit den äußeren und
inneren Bändern
dazwischen einen Düsenströmungsdurchlass
oder -kanal 42 zu definieren, durch den die Verbrennungsgase 14 während des
Betriebs kanalisiert werden. Die Verbrennungsgase werden seitlich
durch entsprechende Druck- und Saugseitenwände der Leitschaufeln begrenzt,
die um den Umfang herum nach innen auf einander zu gewandt sind.
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Die
Druckseitenwand 28 der ersten Leitschaufel 22 und
die Saugseitenwand 34 der zweiten Leitschaufel 24 liegen
auf diese Weise einander gegenüber
und definieren die zusammenwirkenden innenliegenden Paneele oder
Seitenwände,
die sich radial zwischen den beiden Bändern erstrecken. Die übrigen Saug-
und Druckseitenwände
der beiden Leitschaufeln weisen um den Umfang herum an den gegenüberliegenden
Trennlinien 26 nach außen
und definieren damit zusammen mit den Leitschaufeln der benachbarten
Düsensegmente
entsprechende Düsenströmungskanäle. Die
Saugseitenwand 30 der ersten Leitschaufel 22 und
die Druckseitenwand 32 der zweiten Leitschaufel 24 definieren
daher an den gegenüberliegenden
Trennlinien die beiden außenseitigen
Paneele oder Seitenwände,
die sich radial zwischen den äußeren und
inneren Bändern
erstrecken.
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In
dieser Konfiguration sind die beiden Leitschaufeln 22, 24 in
einem Teil mit den entsprechenden äußeren und inneren Bändern in
einer einheitlichen Anordnung verbunden, die ein Düsensegment oder
Düsenpaar
bildet. Eine gesamte Reihe von derartigen Düsenpaaren sind geeignet um
den Umfang der Düse
herum miteinander verbunden und weisen (nicht gezeigte) Keildichtungen
auf, die an den entsprechenden Trennungslinien 26 angebracht
sind, um die Verbindung dort abzudichten. Wie oben erwähnt, arbeitet
jedes Düsensegment
daher strukturell mit Blick auf die Unterbrechung der Kontinuität der äußeren und
inneren Bänder
in Umfangsrichtung unabhängig
von benachbarten Düsensegmenten.
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Wie
in den 2 und 3 zu sehen, ist das äußere Band 18 in
Umfangsrichtung um die Mittelachse der Düse selbst gekrümmt und
mit dem entsprechenden gekrümmten
inneren Band 20 über
die beiden Leitschaufeln 22, 24 verbunden. Während die Verbrennungsgase 14 die
zwischen benachbarten Leitschaufeln definierten Düsendurchlasskanäle durchströmen, sind
die Leitschaufeln und Bänder
angesichts der über
die Druck- und Saugseitenwände hinweg
unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen der
Verbren nungsgase unterschiedlichen Druck- und Wärmebelastungen ausgesetzt.
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Dementsprechend
ist das äußere Band
jedes Düsensegments
dem oben beschriebenen Sehnenstreckeffekt unterworfen, bei dem das äußere Band
dazu neigt, sich in Umfangsrichtung gerade zu richten, wobei dieser
Vorgang durch die beiden Leitschaufeln beschränkt wird, die das äußere Band überbrücken. Eine
Analyse ergibt, dass die beiden inneren Seitenwände einer entsprechenden von
dem Profilsehneneffekt ausgehenden thermisch induzierten Spannung
ausgesetzt sind, die sich von der in den beiden äußeren Seitenwänden induzierten
Wärmebelastung
unterscheidet.
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Um
solche thermischen Spannungen in den inneren Seitenwänden der
beiden Leitschaufeln zu reduzieren, ist die Düse dahingehend modifiziert, dass
Mittel eingeführt
sind, die dazu dienen, einen größeren Teil
des Kühlmittels 12 zu
den inneren Seitenwänden 28, 34 als
zu den äußeren Seitenwänden 30, 32 zu
lenken. Insbesondere weisen die beiden Leitschaufeln 22, 24 vorzugsweise
unterschiedliche Kühlkonfigurationen
auf, um das Kühlmittel
bevorzugt zwischen die inneren und äußeren Seitenwände zu lenken.
Mit anderen Worten, die Kühlungskonstruktionen
für die
beiden Leitschaufeln 22, 24 ist nicht mehr identisch,
wie in der herkömmlichen
Praxis der Fall, sondern geeignet modifiziert, um eine im Vergleich
zu den äußeren Seitenwänden zusätzliche Kühlung der
inneren Seitenwände
einzuführen,
die vorzugsweise bewirkt wird, ohne die Gesamtströmungsrate
des Kühlmittels
zu jedem Düsenpaar
zu erhöhen.
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Für eine dem
Düsenpaar
zugeführte
vorgegebene Menge an Kühlluftstrom
kann der Luftstrom bevorzugt auf die beiden Seitenwände jeder
Leitschaufel und sogar auf beide Leitschaufeln neu verteilt werden,
um die inneren Seitenwände
bevorzugt stärker
zu kühlen.
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Die
unterschiedlichen Kühlkonfigurationen für die beiden
Leitschaufeln 22, 24 können in vielfältiger Weisen
unter Verwendung von Abwandlungen herkömmlicher bekannter Kühlungskomponenten bewirkt
werden. Obwohl das Verfahren des Vorsehens unterschiedlicher Kühlkonfigurationen
für die gegenüberliegenden
Seiten von Düsenleitschaufeln nach
dem Stand der Technik bekannt ist, ist eine solche herkömmliche
Praxis nichtsdestoweniger von Leitschaufel zu Leitschaufel ohne
Berücksichtigung der
operativen Unterschiede zwischen den inneren und äußeren Seitenwänden identisch.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
den inneren Seitenwände
zusätzliche
Kühlluft auf
Kosten der entsprechenden äußeren Seitenwände zugeführt. Weiter
können
die unterschiedlichen Kühlkonfigurationen
zusätzlich
dimensioniert sein, um unterschiedliche Strömungsraten des Kühlmittels durch
das Paar Leitschaufeln zu bewirken, wobei die eine Leitschaufel
in dem Paar mehr Luft empfängt
als die andere Leitschaufel in dem Paar.
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In
den in 2–4 veranschaulichten
exemplarischen Ausführungsbeispielen
weist jede der paarweisen Leitschaufeln durch deren entsprechende
Seitenwände 34, 32, 28 hindurch
ausgebildete Öffnungsauslässe 44, 46, 48 auf,
um die unterschiedlichen Kühlkonfigurationen
zum Lenken des Kühlmittelstroms
zu bewirken. Die Einführung
von durch die verschiedenen Seitenwände der verschiedenen Leitschaufeln
hindurch ausgebildeten in sonstiger Weise herkömmlichen Kühl öffnungen kann genutzt werden, um
die inneren Seitenwände
besser zu kühlen.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt, ist die äußere Saugseitenwand 30 zwischen
der Vorderkante und Hinterkante der ersten Leitschaufel 22 vorzugsweise
nicht perforiert, wobei es nicht erforderlich ist, durch diese Kühlluft hindurchzuschicken.
In Entsprechung weist die innere Saugseitenwand 34 der zweiten
Leitschaufel 24 eine Reihe der ersten Auslässe 44 auf,
die in radialer Spannweitenrichtung längs der Leitschaufel fluchtend
ausgerichtet sind.
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Die
in 4 veranschaulichten ersten Auslässe 44 erstrecken
sich vorzugsweise durch die innere Saugseitenwand 34 an
einem vorderen Ende des Sammelraums 40 in Strömungsverbindung
mit diesem innerhalb der zweiten Leitschaufel 24 und kurz
hinter deren Vorderkante 36.
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Die
innere Saugseitenwand 34 ist vorzugsweise zwischen der
Vorderkante und der Hinterkante der zweiten Leitschaufel mit Ausnahme
einer einzelnen Reihe der ersten Auslässe 44 nicht perforiert.
Auf diese Weise kann die Reihe erster Auslässe 44 bevorzugt nahe
der maximalen Breite der zweiten Leitschaufel 24 hinter
der Vorderkante angeordnet sein, wobei die Seitenwand 34 davor
bis zu der Vorderkante 36 und dahinter bis zu der Hinterkante 38 nicht
perforiert ist.
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Die
in 4 veranschaulichten ersten Auslässe 44 sind
vorzugsweise in Form herkömmlicher Diffusionsfilmkühlungslöcher ausgebildet,
die Auslässe
auf der Saugseite der Leitschaufel mit Strömungsquerschnittsflächen aufweisen,
die größer sind
als deren Einlässe
im Innern der Leitschaufel. Wie in 3 gezeigt,
weisen die Auslassenden der Auslässe 44 die
Konfiguration einer breiten Aufweitung auf der Seitenwand auf und
verteilen daraus einen Kühlluftfilm,
der sich bevorzugt zu der Hinterkante der zweiten Leitschaufel 24 erstreckt.
Auf diese Weise stellt die Reihe erster Auslässe 44 eine lokale Kühlung der
inneren Saugseitenwand 34 der zweiten Leitschaufel 24 bereit,
wohingegen die äußere Saugseitenwand 30 der
ersten Leitschaufel 22 nicht perforiert ist.
-
Die
verschiedene Kühlleistung
der beiden Saugseitenwände 30, 34 kann
genutzt werden, um nach der Einführung
einer Wärmebarrierenbeschichtung
(TBC) einen zusätzlichen
Vorteil zu ziehen. Insbesondere veranschaulicht 4 schematisch
eine herkömmliche
Dampfabscheidungseinrichtung 50, die zur Abscheidung von
TBC auf den Düsenleitschaufeln
während
des Herstellungsprozesses dient. Wie oben erwähnt, ist die TBC-Einrichtung 50 hinsichtlich
des Aufbringens der Keramikbeschichtung richtungsgebunden.
-
Die
TBC-Einrichtung 50 kann in herkömmlicher Weise betrieben werden,
so dass die äußeren Seitenwände 30, 32 des
Leitschaufelpaars zwischen den Vorderkanten und Hinterkanten 36, 38 beider Leitschaufeln
mit einer TBC-Schicht 52 voller Dicke bedeckt werden, wobei
die TB-Schicht 52 voller Dicke auch die entsprechenden
Vorderkanten 36 beider Leitschaufeln umhüllt. Die
TBC 52 kann auf einer beliebigen herkömmlichen Zusammensetzung basieren,
beispielsweise einem Keramikmaterial, das an die metallene Oberfläche der
Leitschaufeln mit oder ohne herkömmliche
Bindeschichten geklebt wird. Das Anbringen einer TBC-Schicht voller
Dicke ist durch die gewünschte
oder nominale Dicke A dargestellt, die im Bereich von etwa 6–10 Tausendstelzoll (0,15–0,25 mm)
liegen kann.
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In
Entsprechung sind die inneren Seitenwände 28, 34 der
beiden Leitschaufeln mit einer TBC 52 partieller oder dünnerer Dicke
beschichtet, die sich von der die Vorderkanten umhüllenden
TBC voller Dicke ausgehend nach hinten erstreckt.
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4 veranschaulicht
schematisch die oben beschriebene Schattenwirkung, die während eines herkömmliche
TBC-Dampfabscheidungsverfahrens auftritt.
Die zweite Leitschaufel 24 wirft einen Schatten auf die
Druckseite der ersten Leitschaufel 22 in dem mit C bezeichneten
Schattenbereich, in dem die abgeschiedene TBC eine entsprechend
geringe Dicke B aufweist, die abhängig von dem speziellen Profil
der Leitschaufeln und der im Einzelnen für das Dampfabscheidungsverfahren
verwendeten Arbeitsschritte von der Maximaldicke A bis örtlich herunter auf
nahezu Null betragen kann.
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In
Entsprechung wirft die erste Leitschaufel 22 während des
TBC-Beschichtungsprozesses einen Schatten auf die Saugseitenwand 34 der
zweiten Leitschaufel 24, um entsprechend den Schattenbereich D zu
erzeugen, in dem die TBC 52 mit der im Vergleich zu der
vollen Dicke A der exponierten Außenoberflächen verhältnismäßig geringen Dicke B abgeschieden
wird.
-
Zu
beachten ist, dass die beiden Schattenbereiche C, D auf den mittels
des herkömmlichen TBC-Beschichtungsprozesses
kontrollierten verschiedenen inneren Druck- und Saugseitenwänden ein
unterschiedliches Ausmaß aufweisen.
Allerdings erzeugt die TBC dennoch eine verbesserte thermische Isolierung über die
Leitschaufeloberflächen
hinweg, was nicht nur deren thermischen Schutz verbessert, sondern
auch im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Kühlkonfiguratio nen der beiden Leitschaufeln 22, 24 genutzt
werden kann, um die während
des Betriebs von den inneren Seitenwänden 28, 34 aufgenommenen
thermische Spannungen zusätzlich
zu reduzieren.
-
Bei
dem in 4 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die äußere Saugseitenwand 30 zwischen
der Vorderkante und der Hinterkante 36, 38 der
ersten Leitschaufel 22 vollkommen durch die TBC 52 voller
Dicke bedeckt. In Entsprechung wird die innere Saugseitenwand 34 der
zweiten Leitschaufel 24 vor den ersten Auslässen 44 ebenfalls
durch die TBC 52 voller Dicke bedeckt, jedoch hinter den
ersten Auslässen 44 in
dem Schattenbereich D durch die TBC 52 partieller oder
dünnerer
Dicke bedeckt.
-
Es
ist zu beachten, dass beide äußeren Seitenwände 30, 32 TBC
in voller Dicke aufweisen, im Gegensatz zu den entsprechenden inneren
Seitenwänden 28, 34,
die TBC partieller Dicke aufweisen. Wie oben erwähnt, basiert die herkömmliche
Praxis darauf, eine geeignete Maskierung der beiden Leitschaufeln 22, 24 einzusetzen,
so dass der Schattenbereich C der ersten Leitschaufel 22 längs der äußeren Druckseitenwand 32 der
zweiten Leitschaufel 24 gebildet wird. Weiter werden in
der herkömmlichen Praxis
die Masken gewöhnlich
verwendet, um den Schattenbereich D der inneren Saugseitenwand 34 in
der entsprechenden Position längs
der äußeren Saugseitenwand 30 der
ersten Leitschaufel 22 einzuführen.
-
Auf
diese Weise ist die TBC-Konfiguration für beide Leitschaufeln 22, 24 in
der Regel gemäß herkömmliche
Praxis identisch, jedoch sind die Masken eliminiert, und auch die
entsprechenden Schattenbereiche auf den äußeren Seitenwänden gemäß den hier
unterbreiteten Ausführungen
sind elimi niert, so dass die äußeren Seitenwände den
zusätzlichen Schutz
einer TBC voller Dicke darauf nutzen können. Dieser Schutz voller
Dicke ist, wie hier im Folgenden noch eingehender beschrieben, im
Zusammenwirken mit den unterschiedlichen Kühlkonfigurationen der beiden
Leitschaufeln zusätzlich
vorteilhaft.
-
Da
die äußere Saugseitenwand 30 vorzugsweise
nicht perforiert ist, schafft die darauf verfügbare TBC 52 voller
Dicke eine angemessene Kühlung davon,
ohne dass darin Filmkühlungsöffnungen
benötigt
werden. Da die innere Saugseitenwand 34 den Bereich einer
TBC partieller Dicke 52 aufweist, ist die Reihe erster
Auslässe 44 in
Entsprechung bevorzugt am Beginn der TBC partieller Dicke eingeführt, um über der
dünnen
TBC-Schicht einen Film von Kühlluft auszustoßen und örtlich eine
verbesserte thermische Isolierung gegen die heißen Verbrennungsgase zu schaffen.
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4 veranschaulicht
ferner, dass die innere Saugseitenwand 34 vor der Hinterkante 38 der zweiten
Leitschaufel 24 ebenfalls durch die TBC 52 voller
Dicke bedeckt ist, wobei die TBC anschließend in die sich in Richtung
der ersten Auslässe 44 erstreckende
TBC partieller Dicke übergeht.
Der Schattenbereich D bildet einen kleineren Abschnitt der inneren Saugseitenwand,
die im Abstand zwischen den gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten
angeordnet ist, wobei die Dicke der TBC ausgehend von der vollen
Dicke A an den entgegengesetzten axialen Enden des Schattenbereichs
D sich verändert
und in die dünnere
TBC in dem Schattenbereich D geeignet übergeht.
-
Wie
oben erwähnt,
weisen die äußeren und inneren
Druckseitenwände 32, 28 der
beiden Leitschaufeln vorzugs weise die entsprechenden Reihen der
zweiten und dritten Öffnungsauslässe 46, 48 auf, die
vorteilhaft zu einem differenzierten Kühlen der inneren und äußeren Seitenwände der
beiden Leitschaufeln genutzt werden können, während sie außerdem mit
der unterschiedlichen Dicke TBC 52 zusammenwirken. Insbesondere
weisen die beiden Reihen von Auslässen 46, 48 vorzugsweise
unterschiedliche Konfigurationen mit entsprechend verschiedenen
Strömungsraten
von Kühlmittel
durch diese hindurch auf.
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Die
in 4 veranschaulichten zweiten Auslässe 46 erstrecken
sich vorzugsweise hinter dem Sammelraum 40 in der zweiten
Leitschaufel 24 und vor deren Hinterkante 38 durch
die äußere Druckseitenwand 32.
Die entsprechenden Sammelräume 40 in
den beiden Leitschaufeln bilden stromaufwärts der dünnen Hinterkantenbereiche jener
Leitschaufeln beabstandet einen gemeinsamen radiale Durchlass durch
jede Leitschaufel. Die beiden Reihen von Auslässen 46, 48 sind
durch herkömmliche
Kanäle
zwischen den sich an die entsprechenden Sammelräume anschließenden Seitenwänden geeignet
strömungsmäßig verbunden.
In ähnlicher
Weise erstrecken sich die dritten Auslässe 48 hinter dem
Sammelraum 40 in der ersten Leitschaufel und vor deren Hinterkante 38 durch
die innenliegende Druckseitenwand 28.
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Die
zweiten und dritten Auslässe 46, 48 selbst
können
zueinander identisch sein, jedoch weisen deren Reihen vorzugsweise
verschiedene Konfigurationen auf, um die Kühlluft zwischen die äußeren und
inneren Seitenwände
zu lenken.
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Beispielsweise
kann die Anzahl der in 2 veranschaulichte Reihe erster
Auslässe 46 auf
neunzehn Löcher
beschränkt
sein, was eine entsprechend geringere Zahl ist, als die einundzwanzig
dritten Auslässe 48 in
deren Reihe.
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Die
beiden Druckseitenwände 28, 32 sind vor
den entsprechenden Reihen der zweiten und dritten Auslässe 46, 48 über die
gesamte Länge
bis zu den entsprechenden Vorderkanten 36 der beiden Leitschaufeln
vorzugsweise nicht perforiert.
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Wie
in 1, 2 und 4 veranschaulicht
weisen beide Leitschaufeln 22, 24 vorzugsweise auch
entsprechende Reihen von Hinterkantenauslässen 54 auf, die in
Strömungsverbindung
mit den entsprechenden Sammelräumen 40 in
den Leitschaufeln benachbart zu deren entsprechenden Hinterkanten 38 angeordnet
sind. Die Reihen von Hinterkantenauslässen 54 können von
beliebiger herkömmlicher
Konstruktion sein und werden gewöhnlich
zu Beginn zusammen mit den Leitschaufeln gegossen, wobei entsprechende
Kanäle
sich von den Sammelräumen 40 ausgehend
nach hinten zu den entsprechenden Hinterkanten 38 erstrecken.
Die Druckseitenauslässe 46, 48 erstrecken
sich durch die entsprechenden Seitenwände in Strömungsverbindung mit den inneren
Kanälen,
die auch die Hinterkantenauslässe 54 in
einer herkömmlichen
Weise versorgen.
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Um
den Ausstoß an
Kühlluft
aus den beiden Druckseitenwänden 28, 32 der
Leitschaufeln zu begrenzen, sind beide Seitenwände zwischen den Hinterkanten 38 und
den entsprechenden Reihen der zweiten und dritte Auslässe 46, 48 nicht
perforiert.
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Die
zweiten und dritten Auslässe 46, 48 sind vorzugsweise
in Form herkömmlicher
Filmkühlungslöcher nach
hinten hin geneigt und erstrecken sich durch die entsprechenden
Druckseitenwände 32, 28 hindurch,
um stromabwärts
davon Filmkühlung
zu schaffen. Diese Auslässe
können
durch her kömmliche
EEB (elektroerosive Bearbeitung) ausgebildet sein und sind gewöhnlich zylindrisch.
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In
Entsprechung können
die Hinterkantenauslässe 54 ebenfalls
herkömmlich
gestaltet sein, beispielsweise als Druckseitenabzapfschlitze, die längs der
Druckseitenwände
knapp vor den entsprechenden Hinterkanten 38 der beiden
Leitschaufeln enden.
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Wie
oben erwähnt,
weisen die Leitschaufeln vorzugsweise die TBC 52 auf beiden
ihrer Seiten auf, wobei die äußere Druckseitenwand 32 zwischen
der Vorderkante und der Hinter kanten 36, 38 der
zweiten Leitschaufel 24 und um die durch die TBC hindurch ausgebildeten
zweiten Auslässe 46 durch
die TBC 52 voller Dicke bedeckt ist.
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In
Entsprechung ist die innere Druckseitenwand 28 zwischen
der Vorderkante und der Hinterkante 36, 38 der
ersten Leitschaufel 22 und um die durch die TBC hindurch
ausgebildeten dritten Auslässe 48 durch
die TBC partieller Dicke bedeckt.
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Die
in 4 veranschaulichte TBC 52 voller Dicke
umgibt die Vorderkanten 38 beider Leitschaufeln 22, 24 bzw.
umhüllt
diese, und erstreckt sich dahinter längs der äußeren Druckseitenwand 32 bis kurz
vor die Hinterkantenauslässe 54 in
der zweiten Leitschaufel 24. Die TBC 52 voller
Dicke erstreckt sich ferner dahinter längs der innenliegenden Druckseitenwand 28 von
der Vorderkante der ersten Leitschaufel 22, um in die TBC
partieller Dicke in dem Schattenbereich C überzugehen.
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Die
TBC partieller Dicke 52 erstreckt sich nach hinten hin
längs der
innenliegenden Druckseitenwand 28 der ersten Leitschaufel 22 bis
kurz vor deren Hinterkantenauslässe 54.
Die beiden Reihen von Auslässen 54 in
den beiden Leitschaufeln 22, 24 werden während des
Dampfabscheidungsverfahren geeignet maskiert, um eine Anhäufung der
TBC darüber
zu verhindern, was diese vorgegossenen Löcher unerwünscht verstopfen könnte.
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Die
in den unterschiedlichen Figuren veranschaulichten Düsenleitschaufeln
können
nach Bedarf ferner vielfältige
sonstige herkömmliche
Kühlungsmerkmale
aufweisen, die die oben offenbarten gewünschten unterschiedlichen Kühlkonfigurationen vervollkommnen.
Beispielsweise veranschaulicht 1 die Verwendung
eines Paar von Pralleinsätzen oder
Prallflächen 56, 58,
die in den entsprechenden Sammelräumen 40 der beiden
Leitschaufeln geeignet angeordnet oder aufgehängt sind.
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Die
Prallflächen
können
mit Ausnahme der oben offenbarten Modifizierungen zur Vervollkommnung
der gewünschten
unterschiedlichen Kühlkonfigurationen
hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Gestalt und Konstruktion herkömmlich sein.
Da die beiden Leitschaufeln 22, 24 mit Ausnahme
der oben erwähnten
Modifikationen im Wesentlichen zueinander identisch sind, unterscheiden
sich die beiden Prallflächen
vorzugsweise voneinander, um eine überwiegende Kühlung der
innenliegenden Leitschaufelseitenwände zu vervollkommnen.
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Insbesondere
weist jede der in den 1 und 4 veranschaulichten
beiden Prallflächen 56, 58 geeignete
Muster kleiner Prallkühllöcher 60 auf
ihren gegenüberliegenden
Druck- und Saugseiten auf, die den Innenflächen der Druck- und Saugseiten jeder
Leitschaufel entsprechen, in der sie befestigt sind. Da die beiden
Prallflächen
verschiedene Pralllochmuster aufweisen, sind die Prallflächen zueinander
nicht identisch, wobei die erste Prallfläche 56 speziell konfiguriert
ist, um ausschließlich
in der entsprechenden ersten Leitschaufel 22 verwendet
zu werden, und die zweite Prallfläche 58 speziell konfiguriert
ist, um ausschließlich
in der zweiten Leitschaufel 24 eingesetzt zu werden.
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Die
Pralllochmuster in den beiden Prallflächen sind vorzugsweise so konfiguriert,
dass sie einen größeren Anteil
des verfügbaren
Kühlmittels 12 in
jeder der Leitschaufeln den inneren Seitenwänden 28, 34 zuführen als
den entsprechenden äußeren Seitenwänden 30, 32.
Auf diese Weise wirken die Prallflächen mit den oben beschriebenen
Seitenwandauslässen 44, 46, 48 zusammen,
um gemeinsam die gewünschten
unterschiedlichen Kühlkonfigurationen
der beiden Leitschaufeln zu bewirken, um deren innere Seitenwände mit
Blick auf die oben offenbarten Vorteile bevorzugt zu kühlen.
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Wie
in 4 gezeigt, wirken die Prallflächen in einer herkömmlichen
Weise, um das Luftkühlmittel 12 durch
die kleinen Prallkühllöcher 60 zu
verteilen, um eine Aufprallkühlung
für die
innere Oberfläche
der entsprechenden Seitenwände
vorzusehen. Die Prallflächen
weisen herkömmliche
Abstandhalter oder Beläge 62 auf,
die einstückig
mit deren Außenfläche verbunden
sind, um zwischen den Prallflächen
und den Seitenwänden
einen im Wesentlichen konstanten Spalt aufrecht zu erhalten. Die
Prallflächen
weisen entsprechende Schaufel- oder Sichelkonfigurationen auf, die
zu den ähnlichen
Konfigurationen der in jeder Leitschaufel definierten entsprechenden
Sammelräume 40 passen.
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5 und 6 veranschaulichen
detaillierter die oberen Abschnitte beider Prallflächen, die
exemplarische Konfigurationen der darin vorhandenen Pralllochmuster
aufweisen, und einige der mit deren Außenfläche verbundenen Beläge 62. 4 veranschaulicht
die in deren entsprechenden Leitschaufeln eingebauten Prallflächen und
ihre relativen Positionen innerhalb der mit TBC beschichteten Außenflächen der
Leitschaufeln.
-
Wie
oben erwähnt,
weisen die beiden Leitschaufeln verschiedene Konfigurationen von
TBC auf, wobei der Großteil
der TBC den Beschichtungsbereich voller Dicke auf den Leitschaufeln
ausmacht, wobei die örtlichen
kleineren Schattenbereiche C, D die TBC partieller Dicke aufweisen.
Die Prallflächen können mit
der TBC unterschiedlicher Dicke bevorzugt zusammenwirken, indem
sie in Richtung der inneren Seitenwänden 28, 34,
die die TBC partieller Dicke aufweisen, eine größere Menge des in jede Leitschaufel
eingeführten
verfügbaren
Kühlmittels
verteilen als auf äußeren Seitenwände 30, 32,
die die TBC voller Dicke aufweisen.
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Beispielsweise
können
die Pralllochmuster und Leitschaufelauslässe in dem Leitschaufelpaar
so konfiguriert sein, dass sie mehr von dem Kühlmittel in Richtung der inneren
Seitenwände 28, 34 verteilen, die
der Wärmebarrierenbeschichtung 52 partieller
Dicke in den beiden Schattenbereichen C, D entsprechen, als gegen
die äußeren Seitenwände 30, 32,
die der Wärmebarrierenbeschichtung
voller Dicke darauf entsprechen. Weiter können die Pralllochmuster zusätzlich so
konfiguriert sein, dass sie mehr von dem Kühlmittel gegen die innere Saugseitenwand 34 als gegen
die innenliegende Druckseitenwand 28 verteilen.
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Folglich
wirken die beiden Leitschaufeln in dem Düsenpaar zusammen, um das verfügbare Kühlmittel 12 darin
zu verteilen, wobei sie deren entsprechende innere Seitenwände gegenüber deren äußeren Seitenwänden örtlich bevorzugen,
sowie die verfügbare
Luft zwischen den beiden Leitschaufeln des Paars unterschiedlich
verteilen.
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Die
Aufprallöffnungen 60,
die in den in 4 veranschaulichten beiden Prallflächen verwendet werden,
können
in beiden Leitschaufeln eine herkömmliche übereinstimmende oder einheitliche
Abmessung von etwa 20 Tausendstelzoll (0,5 mm) aufweisen
und sich hinsichtlich der Menge und Verteilung unterscheiden, um
mehr von dem Kühlmittel
mit Blick auf ein Auftreffen gegen die Innenflächen der inneren Seitenwände 28, 34 zu
verteilen. In einem Ausführungsbeispiel
ist die erste Prallfläche 56 in
der ersten Leitschaufel 22 in deren Saugseite mit einem Muster
von einhunderteins Aufprallöffnungen 60 und in
der entgegengesetzten Druckseite mit einem Muster von einhundertneun
Aufprallöffnungen
ausgebildet. In Entsprechung weist die zweite Prallfläche 58 in
der zweiten Leitschaufel 24 ein Muster von einhundertdreißig Aufprallöffnungen
in ihrer Saugseite auf, wobei ihre Druckseite ein Muster von siebenundsiebzig
Aufprallöffnungen
darin enthält.
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Dementsprechend
unterscheiden sich in dem in 4 veranschaulichten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Pralllochmuster in den beiden Prallflächen 56, 58 sowohl
längs der
zwei inneren Seitenwände 28, 34 der
beiden Leitschaufeln als auch längs
der beiden äußeren Seitenwände 30, 32 der
Leitschaufeln voneinander, woraus sich in den vier Paneelen der
beiden Prallflächen
vier verschiedene Muster der Aufprallöffnungen ergeben.
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Diese
verschiedenen Muster von Aufprallöffnungen in den vier gegenüberliegenden
Seiten der beiden Prallflächen
sind bevorzugt untereinander unterschiedlich, um die oben offenbarten
gewünschten unterschiedlichen
Kühlkonfigurationen
zu schaffen, und beziehen zusätzliche
Prallkühllöcher nicht
ein, die an den gegenüberliegenden
Vorder- und Hinterkanten der beiden Prallflächen zu finden sind, die eine
beliebige herkömmliche
Konstruktion aufweisen können.
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Die
verschiedenen Muster von Aufprallöffnungen in den beiden Prallflächen können besonders vorteilhaft
verwendet werden, um die Einführung
der TBC unterschiedlicher Dicke über
die Außenfläche der
Leitschaufeln hinweg zu vervollkommnen, um mehr Aufprallkühlluft zu
den inneren Seitenwänden zu
lenken, die die TBC partieller Dicke aufweisen, als gegen die äußeren Seitenwände, die
die TBC voller Dicke aufweisen, wobei die volle Dicke durch deren volle
Dicke vorteilhafterweise über
einen erhöhten thermischen
Schutz verfügt.
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Wie
zu Beginn in den 1 und 4 gezeigt,
enthält
jede der zwei Prallflächen 56, 58 an
ihren radial inneren Enden eine Grundplatte oder einen Boden 64,
der nach Einbau in die entsprechenden Leitschaufeln geringfügig oberhalb
der entsprechenden Taschen in dem inneren Band 20 beabstandet angeordnet
ist. Die in 4 veranschaulichte erste Leitschaufel
weist einen ersten Abfuhrauslass 66 in dem ersten Prallflächenboden
auf, und die zweite Leitschaufel 24 weist einen zweiten
Abfuhrauslass 68 in dem zweiten Prallflächenboden auf. Die Prallflächenabfuhrauslässe wirken,
wie am besten in 7 veranschaulicht, mit entsprechenden
Abfuhrauslässen 70, 72 in
dem inneren Band zusammen.
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Diese
Abfuhrauslässe
sind hinsichtlich Ort und Zweck herkömmlich, sind jedoch unterschiedlich dimensioniert,
um zusätzlich
zu den unterschiedlichen Kühlkonfigurationen
der beiden Leitschaufeln beizutragen. Herkömmliche Abfuhrlöcher sind
identisch bemessen und vervollkommnen die identische Konfiguration
herkömmlicher
Leitschaufeln und Prallflächen.
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Allerdings
können
die in der verbesserten Doppeldüse
gewünschten
unterschiedlichen Kühlkonfigurationen
durch vielfältige Änderungen
der Kühlungskonstruktionen
der beiden Leitschaufeln in jedem Düsenpaar bewirkt werden. Die
Größe der Strömungsquerschnittsfläche des
zweiten Abfuhrauslasses 68 ist vorzugsweise etwa doppelt
so groß wie
die Strömungsquerschnittsfläche des
ersten Abfuhrauslass 66, die verwendet wird, um vorteilhaft die
oben offenbarten gewünschten
unterschiedlichen Kühlkonfigurationen
zu erzielen.
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In
einer herkömmlichen
Düse, die
mit identischen Leitschaufeln und identischen Kühlungskonstruktionen daran
konstruiert ist muss die jeder Leitschaufel zugeführte vorgegebene
Menge an Kühlluft über die
Leitschaufel geeignet verteilt werden, um deren verschiedene Bereiche
mit Rücksicht
auf die unterschiedlichen thermischen Belastungen zu kühlen, die
durch die heißen
Verbrennungsgase von außen
auf die Leitschaufel einwirken.
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Im
Gegensatz dazu können
die beiden Leitschaufeln in dem Düsenpaar nun zusammen behandelt
werden, wobei der diesen kollektiv oder insgesamt zugeführte Kühlmittelstrom
bevorzugt nicht nur innerhalb jeder Leitschaufel selbst, sondern
zwischen das auf zwei Leitschaufeln basierende Paar verteilt wird,
wobei die Unterschiede in der Befestigung und die auf die beiden
Leitschaufeln in den Bandsegmenten ausgeübten Lasten berücksichtigt werden.
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Der
jeder Leitschaufel insgesamt zugeführte Kühlluftstrom wird durch die
verschiedenen Prallflächen
unterschiedlich verteilt und durch die verschiedenen Leitschaufelauslässe und
Abfuhrlöcher
in einer bevorzugten Weise ausgestoßen. Weiter ist der jeweils
durch jede der beiden Leitschaufeln 22, 24 geleitete
Gesamtstrom vorzugsweise unterschiedlich, wobei der Gesamtluftstrom
durch die hintere zweite Leitschaufel 24 in einem Ausführungsbeispiel etwa
10 größer ist
als der Gesamtluftstrom durch die vordere erste Leitschaufel 22.
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Wie
oben erwähnt,
beeinflussen der Druck und die thermischen Belastungen, die im Betrieb
auf die beiden Leitschaufeln wirken, die thermische Verformung der
beiden Leitschaufeln und Bänder
in dem Paar und deren entsprechende Wärmebelastung. Die verschiedene
thermische Belastung der inneren Seitenwände der Leitschaufeln gegenüber den äußeren Seitenwänden der
Leitschaufeln lässt
sich nun aufgrund der Fähigkeit,
unterschiedliche Kühlkonfigurationen
in die Doppelleitschaufeln einzuführen, berücksichtigen.
-
Eine
Analyse der Wärmeübertragung
und des Strömungskreislaufs
des Betriebs des oben offenbarten verbesserten Düsenpaars zeigt für einen vorgegebenen
Kühlstrom
im Vergleich zu einer entsprechenden Konstruktion mit identischen
Leitschaufeln und Kühlungskonstruktionen
herkömmlicher Bauart
eine wesentliche Verringerung der Betriebstemperatur der inneren
Seitenwände.
Außerdem zeigt
eine Finite Element-Analyse ebenfalls wesentliche Verbesserungen
hinsichtlich Spannungspegeln im Vergleich zur herkömmlichen
Kon struktion, wobei die thermisch induzierten Spannungen erheblich
verringert sind.
-
Dementsprechend
kann das verbesserte Düsenpaar
beständiger
sein und eine längere
Lebensdauer aufweisen, wenn es mit einer vorgegebenen Menge von
Kühlluft
gekühlt
wird. In einer Abwandlung kann zu Lasten einer gesteigerten Düsenlebensdauer
zum Kühlen
der Düse
weniger Luft von dem Verdichter abgezweigt werden.
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Obwohl
die beiden Leitschaufeln 22, 24 unterschiedliche
Kühlkonfigurationen
aufweisen, sind ihre aerodynamischen Umrisse und inneren Sammelräume 40 innerhalb
typischer Herstellungstoleranzen zueinander identisch. In ähnlicher
Weise sind die beiden Prallflächen 56, 58 in
Gestalt und Größe identisch,
um in die entsprechenden identischen Sammelräume 40 der beiden
Leitschaufeln zu passen, weisen jedoch unterschiedliche Kühlkonfigurationen
hinsichtlich der Muster der darin ausgebildeten Luftlöcher auf.
-
Dementsprechend
sind die beiden unterschiedlichen Prallflächen in den beiden verschiedenen
Leitschaufeln nicht austauschbar. Um einen fehlerhaften Zusammenbau
der verschiedenen Prallflächen
in den verschiedenen Leitschaufeln zu verhindern, sind die Prallflächen gegenüber den
herkömmlichen
Konstruktionen zusätzlich
modifiziert.
-
Wie
zu Beginn in 1 und 7 veranschaulicht,
weist das äußere Band
18 entsprechende Sitze 74 auf, die die Einlassenden der
entsprechenden Sammelräume 40 definieren,
die sich durch jede Leitschaufel nach unten hin zu dem inneren Band
erstrecken. Wie in 1 zu sehen, wird jede der Prallflächen während des
Vorgangs des Zusammenbaus durch jede Sitzöffnung nach unten eingeführt, um
innerhalb der entsprechenden Leitschaufel aufgehängt zu werden.
-
Wie
aus den 5–7 zu ersehen,
weist jeder der Prallflächensitze 74 eine
entsprechende Ausnehmung oder einen Sockel 76 auf, der
oberhalb der Leitschaufeln unterschiedlich angeordnet ist. Beispielsweise
ist der Sockel 76 für
die erste Leitschaufel 22 in dem Sitz oberhalb der Saugseitenwand 30 nahe
der Vorderkante angeordnet. In Entsprechung ist der Sockel 76 für die zweite
Leitschaufel 24 oberhalb der Druckseitenwand 32 nahe
der Vorderkante angeordnet.
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Jede
der in den 1, 5 und 6 veranschaulichten
Prallflächen 56, 58 weist
einen entsprechenden Ausrichtungsstift 78 auf, der sich
unterschiedlich von deren obersten oder weiter außen angeordneten
Enden nach außen
erstreckt, und die Stifte werden während des Vorgangs des Zusammenbaus
in entsprechenden der Sockel 76 angeordnet oder untergebracht.
-
Der
in 5 veranschaulichte Ausrichtungsstift 78 für die erste
Prallfläche 56 ist
auf deren Saugseite oberhalb des entsprechenden Sockels 76 angeordnet,
und der Ausrichtungsstift 78 der in 6 veranschaulichte
zweiten Prallfläche 58 ist
auf deren Druckseite oberhalb des entsprechenden Sockels 76 angeordnet.
Dementsprechend werden in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Ausrichtungsstifte und
deren passende Sockel in dem äußere Band
in radialer fluchtender Ausrichtung mit den entsprechenden äußeren Seitenwänden 30, 32 angeordnet, um
die Unterschiede jener der fluchtenden Ausrichtung dienenden Merkmale
zu maximieren.
-
Auf
diese Weise ist physikalisch verhindert, die erste Prallfläche 56 in
die zweite Leitschaufel 24 einzubauen, da sich der Ausrichtungsstift
und der Sockel an entgegengesetzten Seiten der zweiten Leitschaufel
befinden würden.
In ähnlicher
Weise kann die zweite Prallfläche 58 nicht
in der ersten Leitschaufel 22 installiert werden, da sich
der Ausrichtungsstift und Sockel an entgegengesetzten Seiten in der
ersten Leitschaufel befinden würde.
-
Die
erste Prallfläche 56 kann
lediglich durch einwandfreie Ausrichtung des entsprechenden Stifts und
Sockels in die erste Leitschaufel 22 eingebaut werden,
und in ähnli
cher Weise kann die zweite Prallfläche 58 lediglich bei
einwandfreier Ausrichtung des entsprechenden Stifts und Sockels
in die zweite Leitschaufel 24 eingebaut werden. Dieses
Anordnungsmerkmal ist allgemein als ein Typ einer Murphy-Sicherungsmerkmal
bekannt und verhindert den fehlerhaften Einbau von im Übrigen ähnlich gestalteten
Komponenten.
-
Die
beiden in den 5 und 6 veranschaulichten
Prallflächen
weisen außerdem
herkömmliche
obere Flansche 80 auf, die die äußeren Enden der Prallflächen umschließen und
konstruiert sind, um die entsprechenden Sitze 74 in dem äußeren Band
zu bedecken. Die Flansche 80 weisen entsprechende Einlassrohre
auf, durch die das Luftkühlmittel 12 auf
herkömmliche
Weise von dem Verdichter des Triebwerks her zugeführt wird.
-
Durch
die verhältnismäßig einfache
Einführung
unterschiedlicher Kühlkonfigurationen
in den Düsenleitschaufeln
kann eine wesentliche Verbesserung der Langlebigkeit erzielt werden.
Wie oben erwähnt,
enthalten herkömmliche
Turbinendüsen
gewöhnlich
identische Leitschaufeln und identi sche Düsenpaare, um deren identischen
Betrieb ohne Berücksichtigung
der auf die Segmentieren der Düse um
den Umfang herum vorhandenen Unterschiede des Drucks und der thermischen
Belastung aufrecht zu erhalten.
-
Im
Gegensatz dazu führt
das oben offenbarte verbesserte Düsenpaar verhältnismäßig geringe Veränderungen
in die Düsenkonfiguration
ein, die insbesondere den unterschiedlichen Druck und die verschiedene
thermische Belastung des Düsenpaars berücksichtigen,
um dessen Langlebigkeit zu verbessern. Das Kühllöchermuster in den Düsenleitschaufeln
selbst kann zwischen der vorangehenden und nachfolgenden Leitschaufel
jedes Düsenpaars
unterschiedlich gestaltet sein. Die Wärmebarrierenbeschichtung der
beiden Leitschaufeln in dem Paar kann ebenfalls differenziert gestaltet
werden. Auch die Kühlungskonstruktionen
der inneren Prallflächen der
beiden Leitschaufeln in dem Paar können voneinander unterschiedlich
ausgelegt sein. Weiter können diese
einzelnen Unterschiede bevorzugt gemeinsam eingesetzt werden, um
die Gesamtkonstruktion der Kühlung
der beiden Leitschaufeln in dem Düsenpaar zu vervollkommnen,
um die Verringerung der Betriebstemperatur und der Wärmebelastung
des Düsenpaars
zu maximieren, während
dessen Langlebigkeit entsprechend gesteigert wird.