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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke
und konkreter auf die Turbinendüsen
in denselben.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Kompressor verdichtet
und in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen, die durch eine Hochdruckturbinendüse stromabwärts strömen, die die Strömung in
eine Reihe von Hochdruckturbinenrotorlaufschaufeln lenkt. Die Laufschaufeln
entziehen den Gasen Energie, zum Antrieb des Kompressors, und eine
Niederdruckturbine ist stromabwärts
davon angeordnet, um weitere Energie zu entziehen, die typischerweise
einen Bläser
antreibt, um Schub zum Antrieb eines Flugzeugs beim Flug zu erzeugen.
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Die
Hochdruckturbinendüse
nimmt die Verbrennungsgase mit der höchsten Temperatur direkt aus
der Brennkammer auf und ist speziell dafür ausgelegt, diesen Gasen für eine nutzbare
Lebensdauer Stand zu halten. Die Düse bzw. der Turbinenleitkranz ist
eine ringförmige
Struktur, die jedoch in bogenförmige
Segmente unterteilt ist, um die erhebliche Expansion und Kontraktion
ihrer Komponenten in Folge der heißen Betriebsumgebung aufzunehmen.
Jedes Segment enthält
einen bogenförmigen äußeren und ein
bogenförmigen
inneren Bandabschnitt, die ein Paar von hohlen Statorleitschaufeln
tragen, die einen von dem Kompressor abgezapften Teil der verdichteten
Luft aufnehmen, um die Düsensegmente
während
des Betriebs zu kühlen.
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Die
beiden Bänder
bzw. Bandabschnitte bilden eine radial äußere und eine radial innere
Strömungspfadoberfläche, zwischen
denen die Verbrennungsgase während
des Betriebs eingegrenzt sind. Die Bandabschnitte sind durch entsprechende
axiale Teilungslinien voneinander getrennt, die mit typischen Federdichtungen
dazwischen in geeigneter Weise abgedichtet sind.
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Die
Düsenleitschaufeln
weisen ein sichelförmiges
Profil mit einer erheblichen Krümmung
oder Biegung zwischen der Vorder- und der Hinterkante der Leitschaufel
mit einer im Wesentlichen konkaven Druckseite und einer im Wesentlichen
konvexen, gegenüberliegenden
Saugseite auf, an denen die Verbrennungsgase während des Betriebs entlang
strömen.
Die Saugseite einer Leitschaufel ist in Umfangsrichtung von der
Druckseite der benachbarten Leitschaufel beabstandet, um dazwischen
einen Strömungskanal
für die
Verbrennungsgase zu bilden. Die Verbrennungsgase treten in einer
im Wesentlichen axialen, stromabwärtigen Richtung in diese Strömungskanäle ein und
werden von dem Auslass der Kanäle,
der durch die Hinterkanten benachbarter Leitschaufeln gebildet wird,
in einem schiefen Winkel umgelenkt.
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Demnach
verlaufen die einzelnen Stromlinien der Verbrennungsgase zwischen
den Düsenleitschaufeln
im Wesentlichen parallel zueinander, ändern sich jedoch in ihrer
Krümmung,
um ihren unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu entsprechen, wie sie
von der Saug- und Druckseite benachbarter Leitschaufeln bewirkt
werden.
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Die
Teilungslinien des Bandes sind gerade und zwischen den zugehörigen bogenförmigen Profilen
der Saug- und Druck seite nebeneinander liegender Leitschaufeln schräg in den
Bändern
ausgerichtet. Dementsprechend überqueren
die Verbrennungsgase bei ihrem Durchtritt zwischen den Leitschaufeln
typischerweise zweimal die Teilungslinie, wenn sie auf einer gekrümmten Bahn
zwischen der Saug- und Druckseite und axial entlang der Teilungslinien
nach hinten strömen.
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Die
Bänder
sind zwischen jedem Paar von Leitschaufeln in jedem Düsensegment
in Umfangsrichtung durchgehend und liefern eine maximale aerodynamische
Effizienz. Die Teilungslinien zwischen den Leitschaufeln aneinander
angrenzender Düsensegmente
erzeugen jedoch eine lokale Diskontinuität in den Bändern, die die aerodynamische
Effizienz beeinträchtigen
kann.
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Die
Strömungsoberflächen des
Bandes sind so konstruiert, dass sie an den Teilungslinien im Wesentlichen
bündig
miteinander verlaufen, aber infolge der normalen Fertigungstoleranzen
und der Summierung dieser Toleranzen während der Montage der Düsenkomponenten
treten zufällig
Differenzen in der radialen Erhebung der aneinander grenzenden Bandabschnitte
mit entsprechenden Stufen in den Strömungspfadoberflächen auf.
Wenn die Stufe entgegen der Richtung der Verbrennungsgase nach vorne
weist, bildet sie ein lokales Hindernis für die gleichmäßige Strömung dieser
Gase, das sowohl die aerodynamische Effizienz der Düse verringert
als auch die exponierten Kanten lokal erhitzt, was mit der Zeit
zu einer Oxidation derselben führt.
Eine Oxidation der exponierten Teilungslinienkanten verringert die
nutzbare Lebensdauer der Düsensegmente
und lässt
einen früheren
Austausch derselben erforderlich werden, als es anderenfalls notwendig
wäre.
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Weil
die Verbrennungsgase die schrägen Teilungslinien
typischerweise zweimal überqueren, wenn
sie durch die Düsenkanäle strömen, können die
unerwünschten,
die Strömung
behindernden Stufen entweder an dem vorderen Abschnitt des Bandes oder
an dem hinteren Abschnitt des Bandes auftreten oder sich dazwischen
in einer Übergangszone
zwischen diesen ändern.
Weil ein typisches Gasturbinenflugzeugtriebwerk vom Leerlauf bis
zur maximalen Leistung über
verschiedene Leistungsniveaus hinweg betrieben wird, ändert sich
die Anordnung der Stromlinien durch die Düse hindurch entsprechend.
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Dementsprechend
kann sich eine stromabwärts
weisende Stufe während
einiger Betriebszustände
des Triebwerks in eine stromaufwärts
weisende Stufe verwandeln, wenn sich die Anordnung der Stromlinien ändert. Eine
unerwünschte
Oxidation der stromaufwärts
weisenden Kante bleibt ein praktisches Problem infolge der realen
Fertigungstoleranzen und der Unmöglichkeit,
die Düsenkomponenten exakt
zu bemessen. Die Dauerhaftigkeit der Düse wird daher durch die exponierten
Teilungslinienkanten beeinträchtigt,
die die nutzbare Lebensdauer der Düse in der Praxis verkürzen.
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Es
ist daher erwünscht,
eine verbesserte Turbinendüse
zu schaffen, die eine verbesserte Teilungslinienanordnung aufweist,
um die Dauerhaftigkeit zu verbessern und die nutzbare Lebensdauer
der Düse
zu erhöhen.
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Eine
bekannte Strömungslenkungsvorrichtung
zur Verringerung des aerodynamischen Hindernisses entlang der Wände der
Vorrichtung ist in US-A-4 135 857 und US-A-6 261 053 gezeigt.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Turbinendüse
geschaffen, die eine Reihe von Düsensegmenten aufweist,
die jeweils ein Paar von an den gegenüberliegenden Enden an dem äußeren und
inneren Bandabschnitt angebrachten Leitschaufeln enthält, wobei
jede der Leitschaufeln eine Vorderkante und eine ihr axial gegenüberliegende
Hinterkante sowie eine Druckseite und eine ihr in Umfangsrichtung
gegenüberliegende
Saugseite aufweist, die sich radial zwischen den gegenüberliegenden
Enden erstrecken, wobei jeder der Bandabschnitte in Umfangsrichtung
gegenüberliegend
ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die an den jeweiligen
Teilungslinien dazwischen aneinander grenzen, wobei jedes der Bandabschnittsenden
einen vorderen Steg, der sich in der Nähe der Leitschaufelvorderkante
entlang der Teilungslinie erstreckt, einen hinteren Steg, der sich in
der Nähe
der Leitschaufelhinterkante entlang der Teilungslinie erstreckt,
und einen mittigen Steg aufweist, der sich über einen mittleren Bereich
der Leitschaufel zwischen dem vorderen und dem hinteren Steg entlang
der Teilungslinie erstreckt, um gemeinsam Strömungspfadoberflächen zu
bilden, die das zwischen den Leitschaufeln strömende Verbrennungsgas eingrenzen,
und wobei die vorderen Stege an den Teilungslinien eine nominelle,
nach hinten weisende Stufe aufweisen und die hinteren Stege an den
Teilungslinien eine nominelle, nach vorne weisende Stufe aufweisen
und die mittigen Stege nominell bündig verlaufen.
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Die
Erfindung wird nun im Wege eines Beispiels unter Bezug auf die Zeichnungen
genauer beschrieben:
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1 zeigt
eine axiale Schnittansicht eines Abschnitts eines Mantelstromgasturbinenflugzeugtriebwerks,
das eine Brennkammer enthält,
die Verbrennungsgase an eine Hochdruckturbinendüse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung abgibt.
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2 zeigt
eine isometrische Ansicht eines Abschnitts der in 1 dargestellten
Turbinendüse.
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3 zeigt
eine radiale Schnittansicht eines Abschnitts der in 2 dargestellten,
aneinander grenzenden Düsensegmente,
wobei die Ansicht entlang der Linie 3-3 aufgenommen ist.
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4 zeigt
eine Schnittansicht eines Abschnitts der aneinander angrenzenden
inneren Bandabschnitte der in 3 dargestellten
Düsensegmente,
wobei die Ansicht im Wesentlichen entlang der Linie 4-4 aufgenommen
ist.
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5 zeigt
eine Explosionsansicht eines beispielhaften Exemplars der in 2 dargestellten Düsensegmente
in Verbindung mit einer als Flussdiagramm dargestellten Herstellung
derselben gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
eine radiale Schnittansicht durch die in 3 dargestellten,
aneinander grenzenden Düsensegmente,
wobei die Ansicht im Wesentlichen entlang der Linie 6-6 aufgenommen
ist.
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In 1 ist
schematisch ein Gasturbinentriebwerk 10 in der beispielhaften
Form eines Mantelstromflugzeugtriebwerks dargestellt, das zum Antrieb eines
Flugzeugs beim Flug eingerichtet ist. Das Triebwerk enthält in serieller
Strömungsbeziehung
einen Bläser 12,
einen mehrstufigen axialen Kompressor 14, eine ringförmige Brennkammer 16,
eine Hochdruckturbinendüse 18,
eine Hochdruckturbine 20 und eine Niederdruckturbine 22.
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Während des
Betriebs wird Luft durch den Bläser
und den Kompressor geleitet und in der Brennkammer mit Brennstoff
gemischt, um heiße Verbrennungsgase 24 zu
erzeugen, die stromabwärts
durch die Hoch- und Niederdruckturbinenkomponenten abgegeben werden.
Die Hochdruckturbine 20 enthält eine Reihe von Rotorlaufschaufeln,
die den Gasen Energie entziehen, um auf eine konventionelle Art
den Kompressor anzutreiben. Weitere Energie wird den Verbrennungsgasen
in den Rotorlaufschaufeln der Niederdruckturbine entzogen, die ihrerseits
auf eine konventionelle Art den Bläser antreibt.
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Die
in 1 dargestellte Hochdruckturbinendüse 18 ist
eine ringförmige
Anordnung von Elementen, die in dem Triebwerk fest und koaxial an
einem speziell dafür
eingerichteten, ringförmigen
Trägerring 26 angebracht
sind, der in geeigneter Weise an einem inneren Gehäuse des
Triebwerks befestigt ist. Die Düse
enthält
eine Reihe von in Umfangsrichtung benachbarten, in 2 dargestellten
Düsensegmenten 18a,
die in Umfangsrichtung die Kontinuität der Düse unterbrechen, um die thermischen
Beanspruchungen in derselben in Folge der von den heißen Verbrennungsgasen
hervorgerufenen Expansion und Kontraktion zu verringern.
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Wie
in 2 gezeigt enthält
jedes der Düsensegmente
ein Paar von Statorleitschaufeln 28, die an ihren gegenüberliegenden
radialen Enden fest an einem zugehörigen bogenförmigen äußeren und einem
zugehörigen
bogenförmigen
inneren Bandabschnitt 30, 32 angebracht sind.
Jede der Leitschaufeln enthält
axial gegenüberliegend
eine Vorder- und eine Hinterkante 34, 36 und in
Umfangsrichtung gegenüberliegend
eine Druck- und eine Saugseite 38, 40, die sich
radial zwischen den gegenüberliegenden
Enden der Leitschaufeln erstrecken, die fest in entsprechenden Öffnungen
in den Bandabschnitten angebracht sind.
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Die
Leitschaufeldruckseite 38 ist im Wesentlichen konkav, und
die Saugseite ist im Wesentlichen konvex, um die Verbrennungsgase
in den Strömungskanälen zwischen
benachbarten Leitschaufeln in einer konventionellen Weise zum Austritt
in die Turbinenlaufschaufeln zu kanalisieren. Die Düsenleitschaufeln
sind hohl und enthalten verschiedene Reihen von Filmkühlungslöchern durch
ihre Wände hindurch,
durch die ein Teil der von dem Kompressor abgezapften Luft geleitet
wird, um die Düsensegmente
während
des Betriebs auf eine konventionelle Art zu kühlen.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt ist, weist jeder der
inneren Bandabschnitte in Umfangsrichtung gegenüberliegend ein erstes und ein
zweites Ende 42, 44 auf, die jeweils an sich axial
erstreckenden Teilungslinien 46 aneinander angrenzen. Der
innere Bandabschnitt bildet die innere Strömungspfadbegrenzung oder -oberfläche jedes
einzelnen Düsensegmentes,
während
der äußere Bandabschnitt
entsprechend die äußere Strömungspfadoberfläche bildet.
Demnach weist der äußere Bandabschnitt
ebenfalls in Umfangsrichtung gegenüberliegend ein erstes und ein
zweites Ende wie diejenigen in dem inneren Bandabschnitt sowie eine
zugehörige
Teilungslinie zwischen benachbarten äußeren Bandabschnitten auf.
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Wie
weiterhin hierin unten beschrieben sind die inneren Bandabschnitte 32 an
den Teilungslinien speziell ausge führt, um die aerodynamischen
Eigenschaften zu verbessern und dort eine unerwünschte Oxidation zu vermindern.
Das Außenband
kann in der gleichen Weise an den Teilungslinien zwischen den äußeren Bandabschnitten ähnlich eingerichtet sein,
wie es weiterhin hierin unten beschrieben ist.
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Konkreter
werden die Teilungslinien 46 in dem Außen- und Innenband benötigt, um die thermische Beanspruchung
in der Düse
während
des Betriebs zu reduzieren, aber sie erzeugen Diskontinuitäten entlang
des Umfangs der Düse.
Die Bandabschnittsenden sind an den entsprechenden Teilungslinien
aufeinander ausgerichtet und weisen verborgene Schlitze in denselben
auf, in denen konventionelle Federdichtungen angeordnet sind, die
die aneinander angrenzenden Enden der Düsensegmente auf eine konventionelle
Art abdichten.
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Wie
oben erwähnt,
kann die Verbindung der Düsenbandabschnitte
an den jeweiligen Teilungslinien aufgrund von Fertigungstoleranzen
und einer Addition dieser Toleranzen während der Montage der Düsenkomponenten
zufällig
unerwünschte,
stromaufwärts
weisende Stufen aufweisen, die die stromabwärts gerichtete Strömung der
Verbrennungsgase lokal blockieren und Gegenstand einer lokalen Erhitzung
und Oxidation sind, die die Effizienz und. die nutzbare Betriebslebensdauer
der Düse
verringern würden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die Bandverbindungen an den jeweiligen Teilungslinien jedoch
speziell ausgeführt,
um den zufälligen
Effekt stromaufwärts
gerichteter Stufen zu verringern oder zu beseitigen, um die Effizienz
der Düse
zu verbessern, die Oxidation an den Teilungslinien zu reduzieren
und die nutzbare Lebensdauer zu erhöhen.
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Genauer
und anfangs unter Bezug auf 3 weist
jedes der Bandabschnittsenden einen vorderen Steg 42a, 44a,
der sich von der Vorderkante des Bandes nahe bei der Leitschaufelvorderkante
entlang der Teilungslinie nach hinten erstreckt, und einen hinteren
Steg 42b, 44b auf, der sich von dem hinteren Ende
des Bandes in der Nähe
der Leitschaufelhinterkante entlang der Teilungslinie nach vorne
erstreckt. Jedes Bandabschnittsende weist auch einen mittigen Steg 42c, 44c auf,
der sich über
einen mittigen Bereich der Leitschaufel jeweils zwischen dem vorderen und
dem hinteren Steg entlang der Teilungslinie erstreckt, so dass gemeinsam
Strömungspfadoberflächen gebildet
werden, die die Verbrennungsgasströmung zwischen den Leitschaufeln
radial begrenzen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weisen die vorderen Stege 42a, 44a,
die an die jeweiligen Teilungslinien 46 angrenzen, eine
nominelle, nach hinten weisende Stufe 48 auf, und die hinteren
Stege 42b, 44b, die an denselben Teilungslinien
aneinander grenzen, weisen eine nominelle, nach vorne weisende Stufe 50 auf.
Am signifikantesten ist, dass die mittigen Stege 42c, 44c,
die an denselben Teilungslinien aneinander grenzen, nominal bündig miteinander
sind, wobei nominell keine Stufe zwischen ihnen vorhanden ist.
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Wie
oben erwähnt
ist die Herstellung von Turbinenkomponenten Gegenstand von zufälligen Schwankungen
in allen Abmessungen, weil perfekte oder exakte Abmessungen unmöglich zu
erreichen sind. Wie unten ausgeführt
werden die verschiedenen Komponenten der Turbinendüse zu Anfang
gegossen, zusammengesetzt und zu Düsensegmenten mit zwei Leitschaufeln
hartverlötet,
die in der ringförmigen
Düse zusam mengesetzt
werden, die selbst von axialen Schrauben durch den in 1 dargestellten
ringförmigen
Träger 26 getragen
werden.
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Die
endgültige
radiale Position der Strömungspfadoberflächen des
inneren und äußeren Bandabschnitts
ist durch die Herstellungstoleranzen der Bandabschnitte selbst,
die Montagetoleranzen bei der Verbindung mit den Leitschaufeln und
die zusätzlichen
Montagetoleranzen bei der Befestigung an dem ringförmigen Träger 26 gegeben.
Diese verschiedenen Toleranzen addieren sich in der endgültig zusammengesetzten
Turbinendüse
zufällig
auf, wobei das Innen- und Außenband
innerhalb eines akzeptablen Abmessungstoleranzbereiches radial aneinander
ausgerichtet sind, der in geeigneter Weise größer als oder kleiner als ein
Nennwert ist, der eine gewünschte
endgültige
Abmessungsposition der Strömungspfadoberflächen der
Bänder
wiedergibt.
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Bei
der Herstellung und Montage von konventionellen Turbinendüsenkomponenten
kann die Radialposition der Strömungspfadoberflächen des Innen-
und Außenbandes
an den Teilungslinien mit einer Maßtoleranz von etwa plus oder
minus 0,51 mm (20 Millizoll) erreicht werden. Bei einer konventionellen
Turbinendüse,
bei der die Bandabschnittsenden für eine nominell bündige, endgültige Position vorgesehen
sind, kann die zufällige
Abweichung in der Maßtoleranz
zu erheblichen, nach vorne oder hinten weisenden Stufen führen, die
die Verbrennungsgasströmung
lokal behindern, durch diese lokal erhitzt werden und Gegenstand
einer Oxidation sind, die die nutzbare Lebensdauer der Turbinendüse verringert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung stellen die in ausgewählter
Weise eingebrachten, nach hinten weisenden Stufen 48 an
den vorderen Stegen jedoch eine stromabwärts gerichtete Strömung der Verbrennungsgase
ohne ein Auftreffen auf eine nach außen vorstehende Bandabschnittskante
sicher. Dies ist in den 3 und 4 dargestellt,
in denen die stromabwärts
strömenden
Verbrennungsgase 24 über
die vorderen Stege 44a des links dargestellten Bandabschnittes
strömen
und auf den relativ dazu niedrigeren, vorderen Steg 42a auf
dem rechten Bandabschnitt abfallen.
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In ähnlicher
Weise stellen die nach vorne weisenden Stufen 50 an den
hinteren Stegen 42b, 44b sicher, dass die Verbrennungsgase
wiederum von dem hinteren Steg 42b des rechten Bandabschnittes
zu dem niedrigeren hinteren Steg 42b auf dem links dargestellten
Bandabschnitt abfallen, wenn die Verbrennungsgase zwischen den benachbarten
Leitschaufeln ihre Richtung über
die Teilungslinie ändern.
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Die
mittigen Stege 42c, 44c bilden eine Übergangszone
zwischen den vorderen und hinteren Stegen, in der die Stromlinien
der Verbrennungsgase im Wesentlichen parallel zu der Teilungslinie
verlaufen und einen Wechsel der Richtung zwischen den benachbarten
Bandabschnitten erfahren.
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Wie
es am besten 3 gezeigt ist, sind die Teilungslinien 46 zwischen
den aneinander angrenzenden Düsensegmenten
schräg
angeordnet, wobei die zugehörigen
Bandenden 42, 44 ebenfalls schräg sind,
um die Teilungslinie im Wesentlichen gleichmäßig zwischen den schräg ausgerichteten
Düsenleitschaufeln
anzuordnen. Diese schräge
Ausrichtung dient in konventioneller Weise dem Umlenken der Verbrennungsgase,
die im Wesentlichen axial in die Düsenströmungspfadkanäle eintreten
und zum Eingreifen in die stromabwärtigen Rotorlaufschaufeln in einer
im Wesentlichen tangenti alen Richtung austreten. In dieser Anordnung
sind die in 3 dargestellten vorderen Stege 42a, 44a entlang
der Teilungslinie länger
als jeder der mittigen und hinteren Stege 42c, 44c und 42b, 44b.
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Bei
dieser schrägen
Anordnung der Teilungslinien 46 müssen die Verbrennungsgase notwendigerweise über dem
vorderen Abschnitt der Teilungslinie von einem Bandabschnitt zu
dem nächsten und
danach wiederum in der entgegen gesetzten Richtung über der
Teilungslinie zurück
zu dem ursprünglichen
Bandabschnitt strömen,
wenn die Verbrennungsgase von dem Düsenauslass abgegeben werden.
Dementsprechend erfahren die Stromlinien des Verbrennungsgases einen Übergang
zwischen diesen beiden Richtungen, wobei dieser Übergang vorzugsweise an den
mittleren Stegen 42c, 44c auftritt.
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Die
mittigen Stege sind daher in einer vorbestimmten Weise mit der Länge A entlang
eines begrenzten Abschnitts der Teilungslinien bemessen, um vorzugsweise
Stromlinien der Verbrennungsgase daran zu hindern, über einen
bevorzugten Betriebsbereich des Triebwerks, wie z.B. von der Reisenennleistung
wie erwünscht
bis hinunter zum Leerlauf oder hinauf zu der Maximalleistung, in
die nach hinten weisenden Stufen 48 an den vorderen Stegen und
in die nach vorne weisenden Stufen 50 zu strömen. Die
mittigen Stege weisen dazu eine begrenzte Länge A auf und sind nicht bloß ein einziger
Punkt in dem Übergang
zwischen den nach vorne und nach hinten weisenden Stufen, um sicherzustellen,
dass die Verbrennungsgase nicht stromaufwärts über die absichtlich eingefügten, nach
vorne und nach hinten weisenden Stufen strömen.
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Wenn
die mittigen Stege z.B. entfernt würden, wodurch die hinteren
und vorderen Stege in der Nähe
der Mitte der Teilungslinien aneinander grenzen würden, wäre es für einige
der Stromlinien z.B. möglich,
hinter der in 3 dargestellten Leitschaufelvorderkante
entlang des rechten Bandabschnitts zu strömen und auf die nach hinten
weisenden Stufen aufzutreffen, wenn die Stromlinien früh über die Teilungslinien
hinweg drehen. Alternativ wäre
es für einige
der Stromlinien von dem linken Bandabschnitt auch möglich, infolge
einer späten
Drehung der Stromlinien über
die Teilungslinien auf einen Bereich der nach vorne weisenden Stufe
aufzutreffen.
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Das
Einfügen
der mittigen Stege, die im Wesentlichen bündig miteinander verlaufen,
verringert die Wahrscheinlichkeit, dass eine frühe oder späte Strömungsdrehung zwischen den Leitschaufeln stromaufwärts über die
nach vorne bzw. nach hinten weisenden Stufen anstatt stromabwärts über dieselben
verläuft.
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In
der in den 3 und 4 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform,
vereinigen sich die vorderen und hinteren Stege vorzugsweise gleichmäßig mit
den zugehörigen
mittigen Stegen, um sowohl die nach hinten weisenden Stufen 48,
als auch die nach vorne weisenden Stufen 50 mit den nominell bündigen oder
stufenlosen, durch die mittigen Stege gebildeten Abschnitten der
Teilungslinien ineinander übergehen
zu lassen.
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Wie
in 4 schematisch gezeigt ist der vordere Steg 44a des
linken Bandabschnitts mit einer größeren Höhe bzw. Erhebung (+) bezogen
auf den vorderen Steg 42a des rechten Bandabschnitts (–) angeordnet,
wobei die Höhendifferenz zwischen
diesen die Höhe
B der nach vorne weisenden Stufe 48 bildet. In ähnlicher
Weise ist der hintere Steg 42b des rechten Bandabschnitts
mit einer höheren
Erhebung (+) bezogen auf den hinteren Steg 44b des linken Bandabschnitts
(–) versehen,
wie es durch die Differenz der relativen Höhe wiedergegeben wird, die
die Höhe
C der nach vorne weisenden Stufe 50 bildet.
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Die
beiden Höhen
B, C der Stufen, nehmen vorzugsweise in ihrer Größe von den gegenüberliegenden
vorderen und hinteren Enden der Bandabschnitte zu den mittigen Stegen
zwischen diesen hin ab, bei denen sich die vorderen und hinteren
Stege bei einer Höhendifferenz
von im Wesentlichen Null vereinen, um eine nominell bündige Ausrichtung
zwischen ihnen herbeizuführen.
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In
der in 3 dargestellten, beispielhaften Ausführungsform
sind die mittigen Stege 42c, 44c entlang der Druckseiten 38 der
Leitschaufeln näher an
den Hinterkanten als an den Vorderkanten angeordnet. Die mittigen
Stege sind entlang der entsprechenden Saugseiten 40 der
Leitschaufeln auch näher
an den Leitschaufelvorderkanten als an den Hinterkanten angeordnet.
Im Lichte der verschiedenen aerodynamischen Effekte der Druck- und
Saugseiten der Leitschaufeln tritt der Übergangsbereich, in dem die
Stromlinien der Verbrennungsgase zum erneuten Überqueren der Teilungslinien
ihre Richtung ändern, auf
der Druckseite einer Leitschaufel nahe der Leitschaufelhinterkante
und auf der Saugseite der gegenüberliegenden
Leitschaufel nahe dem mittleren Buckelbereich auf. Die mittigen
Stege sind daher vorzugsweise so angeordnet und bemessen, dass sie diesen Übergangsbereich
für jeden
beliebigen geeigneten Betriebsbereich des Triebwerks abdecken.
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Die
Einführung
der vorderen Stege und nach hinten weisenden Stufen 48,
der bündigen
mittigen Stege und der hinteren Stege mit nach vorne weisenden Stufen 50 wird
in den inneren Bändern 32 oder
in den äußeren Bändern 30 bevorzugt
und ist vorzugsweise sowohl in den äußeren als auch in den inneren Bändern zu
finden.
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In
Anbetracht der Zufallsnatur der endgültigen Position der Strömungspfadoberflächen an
den Teilungslinien infolge von Herstellungstoleranzen und Addition
derselben bei der Montage kann das Einfügen von drei diskreten vorderen,
hinteren und mittigen Stege entlang der Teilungslinien vorteilhafterweise
benutzt werden, um die Wahrscheinlichkeit und das Ausmaß einer
Teilungslinienkante, die in einen Abschnitt der Verbrennungsgasströmung hinein hervorsteht,
zu vermindern, die die Temperatur der Kante lokal erhöhen und
zu einer übermäßigen, die Lebensdauer
der Düse
verringernden Oxidation führen
würde.
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Durch
ein absichtliches und gewähltes
Erstellen der nach hinten weisenden Stufe 48 und der nach
vorne weisenden Stufe 50 mit den nominell bündigen mittigen
Stegen zwischen diesen kann eine Oxidation der Teilungslinienkanten
reduziert werden, um die Dauerhaftigkeit und Betriebslebensdauer
der Düse
zu erhöhen.
Dieser Vorteil kann bei normalen Fertigungstoleranzen erreicht werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die mittigen
Stege 42c, 44c jedoch vorzugsweise mit einer kleineren
Fertigungstoleranz in der radialen Position der Strömungspfadoberflächen derselben
verglichen mit der Fertigungstoleranz für die vorderen und hinteren Stege
entlang der Teilungslinie hergestellt. Auf diesem Wege kann eine
verbesserte Bündigkeit
der aneinander angrenzenden, mittigen Stege erreicht werden, um
die Wahrscheinlichkeit und Größe einer
zwischen diesen erzeugten Stufe in der Praxis weiter zu reduzieren.
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5 stellt
schematisch ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der einzelnen
Düsensegmente
dar, die gemeinsam die ringförmige
Turbinendüse
bilden. Die einzelnen Düsenleitschaufeln 28 und
die äußeren und
inneren Bandabschnitte 30, 32 werden getrennt
unter Verwendung von Mutter- oder Metallformen 28M, 30M und 32M gegossen.
Diese Formen werden in einer konventionellen Art des Gießens unter
Anwendung des Wachsausschmelzverfahrens verwendet.
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Bei
diesem Verfahren sind die Formen zu den Außenoberflächen der Leitschaufeln und Bandabschnitte
komplementär
und zu Anfang mit Wachs gefüllt.
Das Wachs wird verfestigt, aus den Formen entnommen und danach mit
einer Keramik überzogen,
um eine Gussform bzw. Gussschalen zu bilden. Das Wachs wird aus
der Schale entfernt und. durch ein geschmolzenes Metall ersetzt,
das die entsprechenden Teile bildet. Weil die Leitschaufeln vorzugsweise
hohl sind, werden konventionelle Keramikkerne in Verbindung mit
den keramischen Schalen verwendet, um die Leitschaufeln auf eine
konventionelle Weise zu gießen.
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Die
gegossenen Leitschaufeln und Bandabschnitte werden danach zusammengesetzt, indem
die entsprechenden gegenüberliegenden
Nabenenden der Leitschaufeln in die zugehörigen Sitze in den Bandabschnitten
eingefügt
werden und vorübergehend
in dafür
geeigneten Haltevorrichtungen zusammengehalten werden.
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Die
Leitschaufelnaben werden danach in ihren zugehörigen Sitzen in den Bandabschnitten
hartverlötet,
um für
jedes einzelne Düsensegment
die beiden gegossenen Leitschaufeln und die beiden Bandabschnitte
in einer vierteiligen Anordnung fest miteinander zu verbinden. Jedes
Düsensegment
wird danach durch das Bohren verschiedener Reihen von Filmkühlungslöchern in
die Leitschaufeln und durch weitere geforderte Merkmale zur Vervollständigung einer
vollen Reihe von Düsensegmenten
weiterbearbeitet, die die fertig gestellte Turbinendüse bilden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
ein Paar von Düsensegmenten
auf diese Weise unter Verwendung derselben Mutterformen für die Leitschaufeln
und Bandabschnitte hergestellt, und danach werden die beiden Düsensegmente
in einer geeigneten Haltevorrichtung zusammengesetzt oder an dem
in 1 dargestellten, vorgesehenen ringförmigen Träger 26 angebracht,
um die beabsichtigte relative Position derselben in der Turbinendüse zu erreichen.
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Beim
konventionellen Gießen
von Turbinendüsenelementen
sind die Mutterformen für
die Nennabmessungen der jeweiligen Leitschaufel- und Bandelemente
ausgelegt und demnach Gegenstand zufälliger Abweichungen in den
Abmessungen, die bei gegossenen Teilen verglichen mit bearbeiteten Teilen,
die engere oder kleinere Abweichungen in den Toleranzen aufweisen
können,
erheblich sind. Das nominelle Gießen der Düsenteile und das Aufsummieren
von Toleranzen derselben bei der Montage führt typischerweise zu einer
zufälligen
Abweichung der relativen Höhe
zwischen den aneinander grenzenden mittigen Stegen 44c,
wie es in 6 schematisch dargestellt ist.
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Als
ein Ergebnis dessen, kann die gewünschte Bündigkeit der benachbarten mittleren
Stege innerhalb eines entsprechenden Toleranzbereiches variieren,
wobei zu Anfang eine lokal kleine, mittige Stufe mit der Größe D erzeugt
wird. Diese mittige Stufe D wird gemessen, wenn die zwei aneinander angrenzenden
Düsensegmente
in der relativen Position in geeigneter Weise fixiert sind. Danach
wird vorzugsweise ein weiteres Paar von Düsensegmenten neu gegossen,
um die gemessene Stufe D zu reduzieren, um die gewünschte,
nominell bündige
Ausrichtung der mittigen Stege zu erreichen.
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Genauer
ist in 6 der relevante Bereich der Gussform 32M für den inneren
Bandabschnitt 32 dargestellt, die vorzugsweise lokal poliert
wird, um Material von ihr zu entfernen, was dementsprechend die
Dicke des zugehörigen
mittigen Stegs 44c vergrößert, wenn der nächste Bandabschnitt
unter Verwendung der polierten Form gegossen wird. Auf diese Weise
kann die anfängliche
Stufe D, die zwischen den beiden mittigen Stegen 44c gemessen
wird, durch ein entsprechendes Polieren des jeweiligen Abschnitts
der dafür
vorgesehenen Gussform in den folgenden Gussstücken wesentlich verringert
oder beseitigt werden.
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Das
Gießen
von Düsensegment-Probestücken, die
Montage derselben, das Messen einer Höhendifferenz zwischen den mittigen
Stegen, das lokale Polieren der Bandformen und das Neugießen einer neuen
Menge von Düsensegmenten
können
ein oder mehrere Male durchgeführt
werden, wie es zur Verringerung oder im Wesentlichen Beseitigung
der Größe der anfänglichen
mittigen Stufe D erwünscht
ist. Die sich ergebenden inneren Bandabschnitte werden dadurch an
der Teilungslinie eine unterschiedliche Dicke aufweisen, um die
nominell bündige
Ausrichtung zwischen ihnen zu bewirken. Wie in 6 gezeigt
ist ein Abschnitt des linken mittigen Stegs 44c in gestrichelter
Linie mit seiner anfänglichen
Stufe D dargestellt, die durch das lokale Polieren der zugehörigen Form 32M,
das lokal zusätzliches
Material in den gegossenen Bandabschnitt einbringt, im Wesentlichen
beseitigt wird, wie es durch die durchgezogene Linie gezeigt ist.
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Weil
die Teilungslinie 46 zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der
mittigen Stege 44c an benachbarten inneren Bandabschnitten
gebildet wird, wird einer dieser Abschnitte seine ursprüngliche Dicke
beibehalten, wie sie zu Anfang gegossen worden ist, während der
andere Abschnitt lokal verdickt wird, um eine Oberflächenstufe
zwischen den Abschnitten im Wesentlichen zu beseitigen. Auf diese Weise
kann der relative Grad der Bündigkeit
zwischen den mittigen Stegen aneinander grenzender Bandabschnitte über ein
konventionelles Gießen,
bei dem die Formen nicht in dieser Weise poliert werden, hinaus
wesentlich verbessert werden. Die konventionelle Fertigungstoleranz
von etwa +/– 0,51
mm (20 Millizoll) in der radialen Position der Strömungspfadoberflächen des
Bandes kann gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren wesentlich, z.B. auf etwa plus oder minus
0,15 mm (6 Millizoll) verringert werden.
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Wie
oben erwähnt
wird die Anordnung mit drei Stegen entlang der Teilungslinien vorzugsweise sowohl
in das Innen- als auch in das Außenband eingebaut, und dementsprechend
können
die dafür
vorgesehenen Gussformen in ähnlicher
Weise lokal poliert werden, wie es zum Erreichen der gewünschten Bündigkeit
der mittigen Stege zwischen den aneinander angrenzenden, inneren
und äußeren Bandabschnitten
er wünscht
ist, an denen die zugehörigen,
nach hinten und nach vorne weisenden Stufen ineinander übergehen.
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Wie
in 5 schematisch dargestellt werden der gegossene äußere und
innere Bandabschnitt 30, 32 vorzugsweise an jeweils
drei Bezugspunkten an den zugehörigen
Strömungsoberflächen derselben befestigt
oder körperlich
mit der Erde verbunden. Diese Dreipunktbefestigung sichert eine
genaue Ausrichtung der Bandabschnitte, so dass die Leitschaufeln 28 in
den befestigten Bandabschnitten genau hartgelötet werden können.
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In
der in 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
sind der zugehörige äußere und
innere Bandabschnitt 30, 32 an drei Punkten befestigt, die
dem vorderen und hinteren Steg 42a, b an ihrem einem Ende
sowie dem vorderen Steg 44a an seinem gegenüberliegenden
Ende entsprechen. Auf diese Weise kann die relative radiale Position
der Strömungspfadoberflächen an
den angrenzenden Teilungslinien für die nominell bündigen,
mittigen Stege und die gestuften, vorderen und hinteren Stege genauer
erreicht werden.
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Wenn
die hartgelöteten
Düsensegmente
in dieser Weise an drei Punkten fixiert sind, können weiterhin zwei zugehörige Befestigungslöcher 52 genau in
den radialen Trägerflansch
gebohrt werden, der sich von dem Innenband radial einwärts erstreckt. Wenn
die Düsensegmente
mit dem in 1 dargestellten, ringförmigen Träger 26 verschraubt
werden, kann auf diese Weise eine genaue Ausrichtung der aneinander
angrenzenden Innenbandabschnitte und der aneinander angrenzenden
Außenbandabschnitte mit
den gewünschten,
nach vorne und hinten gestuften Stegen und den nominell bündigen mittigen
Stegen zwischen diesen erreicht werden.
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Trotz
der konventionellen Fertigungstoleranzen und der Addition derselben,
wie es oben beschrieben worden ist, können die aneinander angrenzenden
inneren und äußeren Bandabschnitte
der Düsensegmente
vorzugsweise mit den nach hinten weisenden Stufen an den vorderen
Stegen, den nach vorne weisenden Stufen an den hinteren Stegen und dazwischen
mit den im Wesentlichen bündigen
mittigen Stegen versehen werden, um die aerodynamische Effizienz
der Turbinendüse
zu maximieren, ohne die Strömung
der Verbrennungsgase durch hervorstehende Teilungslinienkanten lokal
zu behindern. Die Teilungslinienkanten werden vor den Verbrennungsgasen
geschützt
und dadurch nicht zusätzlich
erhitzt und oxidiert, wie es der Fall wäre, wenn sie in die Verbrennungsgasströmung hinein
ragen würden.
Die Dauerhaftigkeit der Turbinendüsen wird dadurch verbessert,
um dementsprechend die nutzbare Lebensdauer derselben zu verlängern.