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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Statorschaufelanordnung mit einer
Druckkammer einwärts der
inneren Schaufelplattform, die eine Platte mit Prallkühlungsöffnungen
für die
Plattform und eine Strömungsdosieröffnung enthält, um den
Luftstrom von dem äußeren Mantel
durch einen Durchlass in dem Vorderkantenbereich und den Luftdruck
in der Druckkammer zu steuern.
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Stand der Technik
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Der
Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine enthält Statorschaufelanordnungen,
oder stationäre
Leitschaufeln zwischen Turbinenrotoren mit Rotorschaufeln. Die stationären Leitschaufeln
oder Statorschaufeln sind am Umfang in Reihen angeordnet, wobei
ein Strömungsprofil
zwischen einem inneren Mantel und einem äußeren Mantel gebildet ist, das
den ringförmigen
Heißgaspfad
enthält.
Leitschaufeln sind heißem
Gas ausgesetzt, welches von der Brennkammer geliefert wird, und
die Kühlung
der Statorschaufeln ist für
die Lebensdauer der Maschine extrem wichtig. Normalerweise erfolgt
Kühlen durch
Abzapfen und Leiten eines verdichteten Luftstroms von der Niederdruckstufe,
oder von der Hochdruckstufe des Verdichters durch verschiedene Durchlässe, die
in den Statorschaufeln gebildet sind, und Abgeben der Kühlluft in
den Heißgaspfad
an der Hinterkante der Schaufel.
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In
einer konventionellen Gasturbinenmaschinen-Anordnung wird verdichtete
Hochdruckluft aus der Hochdruckkammer abgezapft, welche eine Gegenstromverbrennungseinrichtung
umgibt, die benachbart zu der ersten oder zweiten Reihe von stationären Statorleitschaufeln
oder Laufschaufeln liegt. Verdichtete Hochdruckluft liegt von der
Temperatur her etwas höher
als die Druckluft aus der niederen Stufe. Jedoch ist es wegen der
Nähe der
um die Verbrennungseinrichtung herum angeordneten Hochdruckkammer üblich, einfach
die heißere
Hochdruckluft zu führen
anstatt den Gewichtsnachteil zu erleiden, kühlere Luft niedrigeren Drucks über eine
größere Entfernung
aus dem Bereich der niedrigen Verdichterstufe zu leiten.
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Kühlluft von
den Statorschaufeln tritt schließlich in den Heißgaspfad
ein, welcher durch den Turbinenabschnitt strömt. Jedoch wird von der Kühlluft wenig
Nutzarbeit verrichtet. Daher ist es, um einen hohen Wirkungsgrad
zu erzielen, kritisch, dass die Kühlluft wirkungsvoll genutzt
wird, um die Menge an Kühlluft
und den Verlust, der in der Maschine dadurch entsteht, dass verdichtete
Luft zum Zweck der Kühlung
abgezapft wird, zu minimieren.
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U.S. Patent No. 5,772,398 offenbart
eine Statorschaufelanordnung nach dem Stand der Technik.
U.S. Patent No. 5,609,466 an
North et al. zeigt eine Statorschaufelanordnung des Stands der Technik,
die die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist, mit einem
gekühlten
inneren Mantel, wo ein Teil der Kühlluft, die durch die Statorschaufeln
geleitet wird, dazu verwendet wird, den inneren Mantel zu kühlen. Der
innere Mantel wird durch Aufprallen von Kühlluft auf die Oberfläche des
inneren Mantels und durch Leiten von Kühlluft durch die Kanäle in der stromabwärts befindlichen
Schaufelplattform des inneren Mantels, um die Kühlluft in den Gaspfad abzugeben,
gekühlt.
Zu diesem Zweck wird eine Druckkammer an der Unterseite oder Innenfläche der Schaufelplattform
gebildet.
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Wie
in
U.S. Patent No. 5,609,466 an
North et al. und in
U.S. Patent
No. 6,089,822 an Fukuno gezeigt, wird verdichtete Luft
durch den äußeren Mantel in
in den Statorschaufeln gebildete Kanäle geführt. Der Großteil der
Kühlluft
wird durch Kanäle
in der Schaufel geführt
und tritt in den Heißgaspfad
entweder an der Hinterkante der Schaufel oder teilweise durch Ausströmöffnungen
aus, um einen Kühlschleier
um die Außenfläche des
Strömungsprofils
und insbesondere den Vorderkantenbereich der Schaufel zu bilden.
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Jedoch
enthalten solche Schaufeln des Stands der Technik eine Druckkammer,
um die Schaufelplattform zu kühlen,
die einwärts
von der Schaufelplattform gebil det ist, um verdichtete Luft zu enthalten,
die durch die Schaufel und in die Druckkammer geleitet wird. Verdichtete
Kühlluft
innerhalb der Druckkammer wird dann mit einer Mehrzahl von in einer
Abdeckplatte gebildeten Prallöffnungen
geleitet, um Strahlen verdichteter Kühlluft zu bilden, die auf die
Innenfläche
der Schaufelplattform gerichtet sind. Danach wird die Luft durch
weitere Kanäle
im stromabwärts
liegenden Teil der Plattform geleitet, um in den Heißgasstrom
auszutreten. Wahlweise kann der Bereich um die Druckkammer mit Kühlluft gespült werden,
welche auch durch die Druckkammer und aus Spülöffnungen in der Druckkammereinschließung geleitet
wird, um stagnierende Heißgase um
die Druckkammer und drehende Turbinenteile auszuspülen, um
dann mit dem Heißgasstrom
zusammenzukommen.
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Wie
Fachleuten wohl bekannt ist, ist das Steuern von Kühlluft und
die Minimierung der Menge der gebrauchten Kühlluft ein wesentlicher Faktor
für den
Wirkungsgrad einer Maschine. Leckage von Kühlluft stellt einen wesentlichen
Verlust für
den Wirkungsgrad der Maschine dar. In der Tat: je weniger Kühlluft benötigt wird,
umso besser; und es wird ein erheblicher Konstruktionsaufwand betrieben,
um die Verwendung von Kühlluft
zu optimieren.
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Ein
wesentlicher Nachteil der Vorrichtungen des Stands der Technik ist,
dass sie den Kühlluftstrom
nicht genau messen, der durch die Kanäle und die Schaufeln in die
Druckkammereinschließung
zur Prallkühlung
des Bereichs der Schaufelplattform strömt. Zum Beispiel kann in
U.S. Patent No. 5,609,466 an
North et al. der Kühlluftstrom,
der schließlich
in die Druckkammer eintritt, aus verschiedenen Quellen bei verschiedenen
Temperaturen und Drücken
kommen. Luft kann direkt durch eine Öffnung in der Innenseite eines
rohrförmigen
Einsatzteils strömen
oder kann aus einem ringförmigen
Bereich um das rohrförmige
Teil kommen, welches mit Luft gekühlt wurde, die aus zahlreichen Öffnungen
in dem rohrförmigen
Bauteil austritt, um das Innere der Schaufel zu kühlen. Weiterhin
kann, da North et al. einen ersten rohrförmigen Einsatz in dem Vorderkantenbereich
und einen zweiten rohrförmigen
Einsatz in dem rohrförmigen
Kantenbereich verwendet, der verdichtete Kühlluftstrom, der in die Druckkammer
unter der Schaufelplattform eintritt, aus vier verschiedenen Quellen
kommen, wobei alle auf Grund ihrer verschiedenen Strömungswege
verschiedene Drücke und
Temperaturen aufweisen.
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Die
Unfähigkeit
solcher Systeme des Stands der Technik, den Luftstrom genau zu messen,
der in die Druckkammer eintritt, resultiert in unberechenbarer Leistungsfähigkeit
und übermäßiger Leckage
aus der Druckkammer durch axiale Verbindungsstellen zwischen den
Statorschaufeln. Die Komplexität
bei der Zuleitung von verschiedenen Strömen verdichteter Luft zu der
Druckkammer machen Steuerung und Vorhersehbarkeit extrem schwierig.
Vertrauen auf Versuchergebnisse ist unbefriedigend, da die Konstruktion
der Schaufelgussteile bereits festgelegt wurde, wenn Experimente
durchgeführt
werden können.
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U.S. Patent No. 6,089,822 an
Fukono mildert dieses Problem ein wenig durch Leiten eines Teils der
Strömung
von dem Hinterkanteneinsatz direkt in die Druckkammer. Jedoch wird
Strömung
aus dem Einsatz auch mit Strömung
gemischt, die durch Perforationen in dem Einsatz ausgetreten ist,
und Mischen von Kühlluft
mit verschiedenen Temperaturen und Drücken tritt unvermeidlich auf,
was weiterhin die Unberechenbarkeit des Systems erhöht.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, ein sehr genaues Messen von Kühlluft zur
Verfügung
zu stellen, die an die Druckkammer an der Innenfläche der
Schaufelplattform geliefert wird, um eine gesteuerte Menge von Kühlluft genau
und vorhersagbar zur Verfügung zu
stellen und damit vernünftige
Optimierung von Kühlluftverwendung
zu ermöglichen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein einfaches Mittel zur Verfügung zu
stellen, durch welches Luft zur Kühlung der Schaufel genau und
vorhersagbar zwischen gegossenen Kühlkanälen innerhalb der Schaufel
selbst und der Druckkammer aufgeteilt werden kann, die Luft zur
Prallkühlung
für die
Innenfläche
der Schaufelplattform und zur Spülung
benachbarter Bereiche liefert.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, den Fluss von Kühlluft in
die Druckkammer an der Innenfläche
der Schaufelplattform durch Verwendung eines sehr genauen Herstellungsverfahrens
zu dosieren.
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Weitere
Ziele der Erfindung werden beim Studium der Offenbarung, der Zeichnungen
und der folgenden Beschreibung der Erfindung deutlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt eine Statorschaufelanordnung für eine Gasturbinenmaschine
zur Verfügung,
aufweisend: einen äußeren Mantel
mit einer Luftversorgungsöffnung,
die mit Druckluft von einer Hochdruckstufe eines Verdichters der
Maschine in Verbindung steht; einen inneren Mantel, enthaltend eine
Schaufelplattform und eine Druckkammereinschließung, die eine Druckkammer
bilden, die von einer Innenfläche
der Schaufelplattform begrenzt ist; und eine Schaufel, die sich
zwischen dem äußeren Mantel
und dem inneren Mantel erstreckt.
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Die
Schaufel weist einen Vorderkantenbereich mit einem Durchlass auf,
der zwischen der Druckkammer und der Luftversorgungsöffnung des äußeren Mantels
verbindet, und einen inneren Schaufelkühlungskanal, der zwischen dem
Durchlass und Öffnungen
nahe der Hinterkante der Schaufel verbindet.
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Die
Druckkammer enthält
eine Prallplatte, welche in einer Entfernung von der Innenfläche der Schaufelplattform
angeordnet ist und so eine Prallkühlkammer innerhalb der Druckkammer
bildet, und die Platte enthält
Prallkühlöffnungen,
um Luftkühlstrahlen
auf die innere Schaufelplattform zu richten. Eine Luftströmungsbegrenzungsplatte
deckt das innere Ende des Durchlasses ab und steuert den Druck und
die Menge Luft, welche der Druckkammer über eine Druckluftdosierungsöffnung zugeführt wird.
Vorzugsweise werden die Prallplatte und die Strömungsbegrenzungsplatte als
eine einstückige
Abdeckplatte hergestellt, welche gegen die Innenfläche der
Schaufelplattform abgedichtet ist und das innere Ende des Durchlasses
abdeckt.
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Eine
Abströmöffnung erstreckt
sich zwischen der Prallkühlkammer
und einer äusseren
Fläche
der Schaufelplattform, welche in den Heißgaspfad der Maschine führt. Genauso
kann sich eine Spülbohrung
zwischen der Druckkammer und einer äußeren Oberfläche der
Druckkammereinschließung
erstrecken, um benachbarte Bereiche zu spülen und Abgase in den Heißgasstrom
der Maschine abzugeben.
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Im
Vergleich zu der unberechenbaren, ungesteuerten Strömung von
Kühlluft
in dem Stand der Technik stellt die Erfindung ein sehr einfaches
Mittel zur Verfügung,
um den Kühlluftstrom
in der Druckkammer zu dosieren oder zu steuern, welche Prallkühlluft an
die innere Oberfläche
der Schaufelplattform liefert.
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Als
Ergebnis werden der Luftdruck innerhalb der Druckkammer und das
Durchströmvolumen
gesteuert, um die Verwendung von Kühlluft zu optimieren und Leckage-Verluste
zu minimieren. Eine einstückige
Abdeckplatte wird gegen die Unterseite oder die innere Seitenfläche der
Schaufelplattform abgedichtet und deckt ein inneres Ende des Durchlasses ab,
der Frischluft von dem Verdichter durch die Schaufel selbst liefert.
Die Platte kann genau mit sehr engen Toleranzen mit Bohrungen zur
Prallkühlung und
einer Bohrung zum Dosieren der verdichteten Luft hergestellt werden.
Gusstoleranzen sind wesentlich höher
als diejenigen, die durch Bohren einer einfachen Platte erreicht
werden können.
Die Strömungsbegrenzungsöffnung kann
genau mit engen Toleranzen hergestellt werden, wohingegen Gussteile
in der Regel ein wesentlich breiteres Toleranzfeld aufweisen und
daher größere Ungenauigkeiten
bei der Steuerung des Luftstroms einführen.
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Die
Erfindung nutzt daher die geringen Kosten und vergleichsweise freizügigen Toleranzanforderungen
von Gussverfahren beim Bilden von Durchgängen durch die Schaufel für den Großteil der
Kühlluft
und nutzt eine genau gebohrte Strömungsbegrenzungsöffnung in
einer Abdeckplatte, um den Teil von Kühlluft, der in die Druckkammer
abgezweigt wird und zur Prallkühlung
der Innenfläche
der Schaufelplattform genutzt wird, zu steuern.
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Als
Ergebnis kann die Kühlluftmenge,
die zu der Druckkammer geführt
wird, genau gesteuert, verändert,
vorhergesagt und überwacht
werden. Experimentelles Testen kann die genaue optimale Strömungsaufteilung
zwischen der an die Serpentinenkanäle innerhalb der Schaufel und
der an die Prallkühlungs-Druckkammer
an der Innenfläche
der Schaufelplattform gelieferten Luft bestimmen. Weiterhin sind,
da solche Bauteile hohen Temperaturen und Luftströmen ausgesetzt
sind, häufiges
Platzieren und Wartung für
optimale Leistung erforderlich. Die Verwendung einer Bohrplatte,
die leicht entfernt und ersetzt werden kann, senkt die damit verbundenen Kosten
und Arbeit, da die Genauigkeit durch Ersetzen der Platte beibehalten
werden kann und eine Anpassung des Luftstroms durch Nachbohren der
Strömungsbegrenzungsöffnung erreicht
werden kann, wenn zusätzliche
Strömung
erforderlich ist.
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Daher
liefert die Erfindung ein einfaches und effektives Mittel, um das
Verhältnis
von Kühlluft
genau zu steuern, die zwischen Kühlkanälen innerhalb der
Schaufel selbst und Lieferung an die Prallkühlungs-Druckkammer zur Prallkühlung der
Innenfläche
der Schaufelplattform aufgeteilt wird. Durch genaue Dimensionierung
der Öffnung
zur Strömungsbegrenzung
können
die Temperatur und der Druck von Kühlluft innerhalb der Druckkammer
genau gesteuert werden. Wahlweise kann zusätzlich zu Pralllöchern in
der Platte zur Prallkühlung
der Schaufelplattform Luft aus der Druckkammer durch Spülungsbohrungen
entweichen, die sich zwischen der Druckkammer und der Außenfläche des
Gehäuses
erstrecken, um heiße
Gase auszuspülen,
die zwischen den rotierenden Turbinenbauteilen und der stationären Schaufel-Druckkammer
eingeschlossen sind.
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Eine
Veränderung
der optimalen Strömungsaufteilung
ist sehr einfach und erfordert lediglich die Veränderung der Größe der Dosieröffnung.
Weitere Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genauen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen deutlich.
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Beschreibung der Zeichnung
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Um
die Erfindung einfach verständlich
zu machen, wird eine Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
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1 ist
ein radial-axialer Schnitt durch eine einzelne Statorschaufel, welche
zeigt, wie Kühlluft durch
den äußeren Mantel
in Durchlässe
innerhalb der Schaufel geliefert wird und wie ein dosierter Teil des
Luftstroms durch eine Druckluftdosieröffnung in einer einstückigen Abdeckplatte
in eine Druckkammereinschließung
zur Prallkühlung
der Innenfläche der
Schaufelplattform geliefert wird.
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung und ihre Vorzüge werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung deutlich.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 zeigt
eine Statorschaufelanordnung gemäss
der vorliegenden Erfindung für
eine Gasturbinenmaschine. Es wird berücksichtigt, dass der generelle
Aufbau einer Gasturbinenmaschine Fachleuten gut bekannt ist, und
es ist deshalb nicht notwendig, die Verwendung und Anordnung von
Statorschaufelanordnungen zwischen rotierenden Turbinen stromabwärts eines
Verbrennungseinrichtungsabschnitts einer Gasturbinenmaschine im
Detail zu erklären.
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Die
Statorschaufelanordnung enthält
einen äußeren Mantel 1 mit
einer Luftversorgungsöffnung 2 in
Verbindung mit Druckluft von der Hochdruckstufe eines Verdichters
(nicht gezeigt) der Gasturbinenmaschine. Die Statorschaufelanordnung
enthält
auch einen inneren Mantel 3 mit einer Schaufelplattform 4 und
einer Druckkammereinschließung 5.
Die Innenfläche
der Schaufelplattform 6 und die Innenfläche der Druckkammereinschliessung 5 bilden
eine Druckkammer 7 zum Enthalten verdichteter Kühlluft.
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Die
Schaufel 8 erstreckt sich radial zwischen dem äußeren Mantel 1 und
dem inneren Mantel 3 und hat einen Vorderkantenbereich 9 und
einen Hinterkantenbe reich 10. Der Vorderkantenbereich 9 enthält einen
Kühlluftdurchlass 11,
der Luft an die Serpentinen 12 verteilt und auch zwischen
der Druckkammer 7 und der Luftversorgungsöffnung 2 in
dem äußeren Mantel 1 verbindet.
Die Schaufel 8 enthält
in der dargestellten Ausführungsform
einen als Serpentine geformten internen Schaufelkühlungskanal 12, der
Druckluft durch die Schaufel 8 leitet, und bei Kontakt
mit der Schaufel wird Wärme
von der Metallmasse der Schaufel an die Kühlluft übertragen. Der Kanal 12 verbindet
den Luftstrom zwischen dem Durchlass 11 im Vorderkantenbereich
und einer Mehrzahl von Öffnungen 13,
welche nahe der Hinterkante 10 der Schaufel 8 liegen.
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Innerhalb
der Druckkammer 7 ist eine einstückige Abdeckplatte mit einem
Prallplattenbereich 14 vorgesehen, der in einer Entfernung
von der Innenfläche 6 der
Schaufelplattform 4 angeordnet ist. Der Prallplattenbereich 14 bildet
ein Prallkühlsystem 15 innerhalb
der Druckkammer 7 und der Prallplattenbereich 14 enthält eine
Mehrzahl von Prallkühlungsöffnungen 16,
die eine Reihe von Kühlluftstrahlen
(wie in 1 durch die Pfeile gezeigt)
in Richtung der Innenfläche 6 der
Schaufelplattform 4 leiten.
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Die
Prallkühlluft
aus der Kammer 15 wird dann in den Heißgaspfad durch die Kühlabströmöffnungen 17 abgegeben,
die sich zwischen der Prallkühlkammer 15 und
der Außenfläche der
Schaufelplattform 4 in Verbindung mit dem Heißgaspfad
der Maschine erstrecken. Weiterhin kann, falls für Spülungszwecke erforderlich, die
Druckkammereinschließung 5 Spülbohrungen 18 enthalten,
die sich zwischen der Druckkammer 7 und einer Außenfläche der
Druckkammereinschließung 5 in
Strömungsverbindung
mit dem Heißgaspfad
der Maschine erstrecken, um Bereiche um die äußeren Oberflächen der Druckkammereinschließung 5 zu
spülen.
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Ein
Luftstrombegrenzungsplattenbereich 19 der einstückigen Platte
deckt ein inneres Ende des Durchlasses 11 ab und enthält eine
Druckluftdosierungsöffnung 20.
In der dargestellten Ausführungsform
wird eine einzelne einstückige
Abdeckplatte verwendet, um die Innenfläche 6 der Schaufelplattform 4 abzudichten
und das innere Ende des Durchlasses 11 abzudecken. Jedoch
ist es verständlich,
dass einzelne Platten verwendet werden können oder eine Steuerungsdüse in dem
inneren Ende von Durchlass 11 mit den gleichen Vorzügen in Abhängigkeit
von der spezifischen Konfiguration der Schaufelplattform 4 und
des Durchlasses 11 eingepasst werden kann. In der dargestellten
Ausführungsform
ist es jedoch extrem einfach, eine einzelne einstückige Platte
herzustellen, die beide Bereiche abdeckt und die Funktion erfüllt, eine
genau gebohrte Dosierungsöffnung 20 zur
Verfügung
zu stellen, um den Druck und die Strömung des Teils der Luft, der
an die Druckkammer 7 von dem Durchlass 11 geliefert
wird, zu steuern und auch ein genaues Muster von Prallstrahlen durch Kühlöffnungen 16 zu
liefern.
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Fachleuten
ist klar, dass der Durchlass 11 und die Serpentinenkühlkanäle 12 sowie
die Öffnungen 13 üblicherweise
durch Gießen
geformt werden und wesentlich größere Fertigungstoleranzen
aufweisen als die Toleranz für
eine genau gebohrte Dosieröffnung 20.
Folglich verhindert das zur Verfügung Stellen
der Platte 19 mit Dosieröffnung 20 jegliches Erfordernis,
von dem Gussverfahren strenge Herstellungstoleranzen zu fordern,
da die Lieferung von Luft an die Druckkammer 7 genau mit
engen Toleranzen als Ergebnis des genau gesteuerten Bohrens der
Dosieröffnung 20 gesteuert
wird.
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Es
ist weiterhin klar, dass die genaue Strömungsaufteilung oder der Anteil
von Luftströmung, der
durch die Luftversorgungsöffnung 2 geliefert
wird, entweder durch Berechnung oder experimentell durch Variation
der Größe der Dosieröffnung 20 festgelegt
werden kann. Die Strömungsaufteilung
kann daher einfach und genau festgelegt und optimiert werden. Durch
Aufteilen der Strömung
zwischen Kühlung
der Schaufel durch Durchlass 11 und Serpentinenkühlkanälen 12 sowie
durch Bildung eines Luftschleiers, wie an der Vorderseite der Vorderkante in 2 und 1 gezeigt
wird, liefert die Erfindung im Vergleich zu den wiederholten Versuchen,
die nach dem Stand der Technik erforderlich sind, Berechenbarkeit
und Einstellbarkeit. Eine genau gesteuerte Menge Druckluft kann
durch die Dosieröffnung 20 durch
Dimensionieren und Steuern der Öffnung 20 und
ohne das Erfordernis, sich auf das genaue Gießen der Schaufel selbst zu
verlassen, geliefert werden. Eine Veränderung der Strömungsaufteilung ist
sehr einfach, da die Dosieröffnung 20 erweitert werden
kann, um die Abmessung zu ver größern, oder
die gesamte einstückige
Platte mit einer anders dimensionierten Öffnung 20 ersetzt
werden kann.