DE602004002078T2 - Innen gekühltes Leitschaufelpaar - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Gasturbinentriebwerke, und insbesondere darin vorhandene Turbinendüsen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Prallflächen werden davon unabhängig hergestellt und während des Vorgangs des Zusammenbaus später in entsprechende Hohlräume oder Sammelräume in den Leitschaufeln eingebaut.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einer Turbinendüse mit einer angepassten Kühlung, um die nachteiligen Wirkungen der darin auftretenden unterschiedlichen thermischen Belastung zu reduzieren.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen eingehender beschrieben:
  • 1 zeigt eine auseinandergezogene zum Teil geschnittene isometrische Ansicht eines Abschnitts einer ex emplarischen Turbinendüse eines Zweikreisflugzeugtriebwerks.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 5 zeigt eine vergrößerte isometrische Ansicht des oberen Abschnitts der in 1 veranschaulichten ersten Prallfläche.
  • 6 zeigt eine vergrößerte isometrische Ansicht des oberen Abschnitts der in 1 veranschaulichten zweiten Prallfläche.
  • 7 zeigt in einer ebenen Draufsicht die in 1 veranschaulichte Turbinendüse, genommen im Wesentlichen entlang der Linie 7-7.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die aerodynamischen Profile oder Konfigurationen der beiden Leitschaufeln 2224 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In den in 24 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 57 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Turbinendüse (16), aufweisend: radial äußere und innere Bänder (18, 20), die in einem Stück mit einem Paar hohler Leitschaufeln (22, 24) verbunden sind, die sich radial in der Spanne dazwischen erstrecken; wobei jede von den Leitschaufeln in Umfangsrichtung gegenüberliegende Druck- und Saugseitenwände (2834) enthält, die sich radial zwischen gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten (36, 38) erstrecken und beabstandet sind, um einen Innensammelraum (40) zu definieren, der dich radial zwischen den Bändern zur Aufnahme eines Luftkühlmittels (12) darin erstreckt; wobei die Leitschaufeln voneinander in Abstand angeordnet sind, um einen Strömungskanal (42) dazwischen zu definieren, um heiße Verbrennungsgase (14) 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; und wobei das Paar der Leitschaufeln (22, 24) unterschiedliche Kühlkonfigurationen enthält, um mehr von dem Kühlmittel (12) auf die inneren Seitenwände (28, 34) als auf die äußeren Seitenwände (30, 32) zu lenken.
  2. Düse nach Anspruch 1, wobei: jede von den Leitschaufeln (22, 24) eine innerhalb des Sammelraums (40) angeordnete Prallfläche (56, 58) und sich durch deren Seitenwände (28, 32, 34) hindurch erstreckenden Öffnungsauslässe (44, 48) enthält; und die Prallflächen und Auslässe zusammenarbeiten, um die unterschiedlichen Kühlkonfigurationen zu bewirken.
  3. Düse nach Anspruch 2, wobei die Prallflächen (56, 58) unterschiedliche Muster von Prallkühllöchern (60) darin enthalten.
  4. Düse nach Anspruch 3, wobei die Pralllochmuster so konfiguriert sind; dass sie mehr von dem Kühlmittel auf die inneren Seitenwände (28, 34) als auf die äußeren Seitenwände (30, 32) verteilen.
  5. Düse nach Anspruch 4, wobei: die äußeren Seitenwände (30, 32) der Leitschaufeln mit einer Wärmebarrierenbeschichtung (52) voller Dicke zwischen den Vorder- und Hinterkanten (36, 38) und sich um die Vorderkanten (36) herum windend überdeckt sind; und wobei die inneren Seitenwände (28, 34) der Leitschaufeln durch eine Wärmebarrierenbeschichtung (52) mit einer Teildicke überdeckt sind, die sich hinter der um die Vorderkanten (36) sich windenden Wärmebarrierenbeschichtung voller Dicke erstreckt.
  6. Düse nach Anspruch 5, wobei: die Pralllochmuster und Leitschaufelauslässe so konfiguriert sind, dass sie mehr von dem Kühlmittel gegen die der Wärmebarrierenbeschichtung (52) mit der Teildicke darauf entsprechenden inneren Seitenwände (28, 34) als gegen die der Wärmebarrierenbeschichtung mit der vollen Dicke darauf entsprechenden äußeren Seitenwände (30, 32) verteilen; und wobei die Pralllochmuster ferner so konfiguriert sind, dass sie mehr von dem Kühlmittel gegen die innere Saugseitenwand (34) als gegen die innere Druckseitenwand (28) verteilen.
  7. Düse nach Anspruch 6, wobei: die äußere Saugseitenwand (30) nicht perforiert ist; die innere Saugseitenwand (34) eine Reihe erster Auslässe (44) enthält; die äußere Druckseitenwand (32) eine Reihe zweiter Auslässe (46) enthält; und die innere Druckseitenwand (28) eine Reihe dritter Auslässe (48) enthält.
  8. Düse nach Anspruch 7, wobei: die innere Saugseitenwand (34) zwischen den Vorder- und Hinterkanten mit der Ausnahme nur einer Reihe der ersten Auslässe (44) nicht perforiert ist; die zweiten Auslässe (46) sich durch die äußere Druckseitenwand (32) hinter dem Sammelraum (40) in der Leitschaufel und vor deren Hinterkante (38) erstrecken; und die dritten Auslässe (48) sich durch die innere Druckseitenwand (38) hinter dem Sammelraum (40) in der Leitschaufel (22) und vor deren Hinterkante (38) erstrecken.
  9. Düse nach Anspruch 8, wobei: die Leitschaufeln (22, 24) ferner entsprechende Reihen von Hinterkantenauslässen (54) enthalten, die entlang den Druckseitenwänden vor den Hinterkanten (38) in Strömungsverbindung mit den entsprechenden Sammelräumen (40) in den Leitschaufeln enden; und die Druckseitenwände (28, 32) mit der Ausnahme der Reihen der zweiten und dritten Auslässe (46, 48) und der Hinterkantenauslässe (54) nicht perforiert sind.
  10. Düse nach Anspruch 9, wobei: die ersten Auslässe (44) Diffusionsfilm-Kühllöcher aufweisen; und die zweiten und dritten Auslässe (46, 48) schräge Filmkühlungslöcher aufweisen, die sich durch die Druckseitenwände (28, 32) hindurch erstrecken.
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