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Die Erfindung betrifft Hochdruckturbinenstatoren
von Turbomaschinen, insbesondere von Flugzeugturbotriebwerken.
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Es ist bekannt, dass eine Erhöhung des
Niveaus von Temperaturen am Eingang der Turbine oder Turbinen es
erlaubt, die Leistungen der Turbomaschine zu optimieren. Ein Erhöhung des
Niveaus dieser Temperatur erlaubt es, Nutzen beim spezifischen Verbrauch
zu ziehen, das heißt
den Aktionsradius bzw. Flugbereich eines Flugzeugs vergrößern oder
die mitzuführende
Kraftstoffmenge reduzieren zu können.
Diese Temperaturerhöhung
erlaubt es auch, den Schub des Turbotriebwerks zu vergrößern. Die
aktuellen modernen Motoren tolerieren am Eingang der Turbine eine
Temperatur von 1577°C,
wohingegen die 1950 konstruierten Turbotriebwerke (beispielsweise
ATAR) nur 930°C
tolerieren.
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Um solche Temperaturniveaus zu erreichen, ist
es notwendig, bei Statorschaufeln und beim Turbinenrad eine Kühlvorrichtung
zu verwenden. Dazu erzeugt man im Innern der Schaufel Kreisläufe, die
eine organisierte bzw. geregelte Zirkulation von Kühlluft erlauben,
und in der Wand der Schaufel Durchlöcherungen, die zum Erzeugen
eines Schutzfilms der Schaufel angeordnet sind, wobei die Kühlung durch zwei
große
Prozesse erhalten wird: die innere Konvektion und den Schutzfilm.
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Die 1 und 2 zeigen die Lösung, welche zur
Zeit bei den Motoren CF6-80 und GE 90 angewendet wird.
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Die Schaufel, die ein hohles Blatt 1 aufweist, das
zwischen eine äußere Plattform
und eine innere Plattform 9 eingesetzt ist, enthält eine
Verkleidung 2, die einen kontinuierlichen peripheren Hohlraum 3 zwischen
der äußeren Wand 4 des
Blatts 1 und dem Äußeren der
Verkleidung 2 definiert. Mit der Wand 4 oder der
Verkleidung 2 verbundene Steckstellen bzw. Kontakte halten
den Abstand zwischen der Verkleidung 2 und dieser Wand 4 aufrecht,
wobei eine solche Verkleidung auch aus dem Dokument US-4-4288201
hervorgeht. Die Verkleidung 2 weist eine mehrfach durchlöcherte Schürze 6 und
eine in einem Abstand von der das Blatt 1 von der ebenfalls hohlen
Plattform 9 trennenden, eine Öffnung 10 aufweisenden
Wand 8 angeordnete Bodenwand 7 auf. Der von einer
Quelle für
unter Druck stehende Luft, generell der Kompressor der Turbomaschine,
abgegebene Luftstrom 11 geht durch die äußere Plattform, kommt im Innern
der Verkleidung 2 an und strömt durch die mehrfache Durchlöcherung
der Schürze 6 aus,
wobei er im peripheren Hohlraum 3 Luftstrahlen bzw. -jets 12 bildet,
welche die Wand 4 der Schaufel 1 durch Auftreffen
kühlen.
Dieser Luftstrom 11 breitet sich dann zum Innern der inneren
Plattform 9 aus, die er durchquert und dabei dieselbe kühlt, um
schließlich
durch stromaufwärts
der inneren Plattform 9 befindliche Öffnungen 12 auszuströmen. Da
der im stromaufwärtigen
Raum 13 herrschende Druck P1 höher als der im Raum 14 herrschenden
Druck P2 ist, welche Räume
durch die innere Plattform 9 und durch die stromaufwärtige Turbinenscheibe 15 bzw. die
stromabwärtige
Turbinenscheibe 16 begrenzt sind, beginnt sich ein Luftstrom
durch das Labyrinth 18 hindurch zu bilden, das die Räume 13 und 14 trennt
und den Wert des Luftstroms 17 festsetzt. Der Luftstrom 17 wird
vom Strom heißer
Gase zurückgewiesen,
wobei die Peripherie der stromabwärtigen Scheibe 16 im Vorbeigehen
gekühlt
wird. Der Rest 19 der aus den Öffnungen 12 austretenden
Kühlluft
wird im Strom heißer
Gase stromaufwärts
des Stators zurückgewiesen,
wobei die Peripherie der stromaufwärtigen Turbinenscheibe 15 im
Vorbeigehen gekühlt wird.
Die Hochdruckturbinenscheiben werden auf diese Weise von den Luftströmen 17 und 19 gekühlt. Bei
dieser technologisch einfachen Anordnung dient die Gesamtheit des
in das Innere der Verkleidung 2 eintretenden Kühlluftstroms 11 zuerst
zum Kühlen des
Blatts 1 der Schaufel.
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Indessen muss in das Innere der Schaufel
injizierte Luft wieder zum Fuß der
Schaufel hinuntergehen, um sich durch die innere Plattform 9 zu
entleeren. Es gibt folglich die Erzeugung einer Abscherung eines
zum Auftreffen bestimmten Stroms, was die mathematische Modellierung
nicht erleichtert und die Kühlleistungen
verschlechtert, denn die Kühlluft
der inneren Plattform 9 und der Scheiben 15, 16 der
Turbine hat sich bei der Kühlung
der Wand 4 des Blatts 1 schon wieder erwärmt.
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Wenn nun am Leckagerand bzw. Scheitellochrand
des Blatts 1 ein Riss 20 auftritt, so wie dies in
der 2 gezeigt ist, beginnt
wenigstens ein Teil 21 des Kühlluftstroms über den
Riss 20 abzuströmen,
und da der stromabwärts
der Schaufeln herrschende Druck niedriger als stromaufwärts herrschenden
Druck ist, besteht das Risiko, eine Strömungsrichtungsinversion im
Innern der inneren Plattform 9 zu sehen bzw. festzustellen,
welch letztere von einem Strom 22 heißer Gase durchströmt wird, die
von stromaufwärts
des Stators stammen und durch den stromaufwärtigen Raum 13 gehen.
Die innere Plattform wird dann erwärmt, was schwere Schäden, sogar
eine Zerstörung
der Schaufel hervorrufen kann. Der unter der Plattform 9 vorbeigehende Strom
stammt direkt von sehr heißen
Gasen des Stroms heißer
Gase, was eine gefährliche
Erhitzung des Rotors hervorruft, die zu einer Zerstörung der ganzen
Turbine führen
kann.
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Die 3 und 4 zeigen eine zu der in den 1 und 2 gezeigten Realisierungsform verwandte Realisierungsvariante
des Kühlkreislaufs.
Hier weist die Bodenwand 7 der Verkleidung 2 eine
der Eintrittsöffnung 10 in
der inneren Plattform 9 gegenüberliegende Austrittsöffnung 23 auf.
So dringt der Kühlluftstrom
11 am Innern der Verkleidung 2 ein, und ein Teil 24 dieses
Stroms geht direkt durch die Austrittsöffnung 23 und beginnt
in der inneren Plattform 9 zu zirkulieren, um sie zu kühlen. Wie
bei der in den 1 und 2 gezeigten Realisierungsform
strömt
die in der Plattform 9 zirkulierende Luft durch die stromaufwärts der
inneren Plattform 9 befindlichen Öffnungen 12 aus, dann
geht ein Teil 17 über
das Labyrinth 18, während
der andere Teil 19 im Strom heißer Gase stromaufwärts des
Stators zurückgewiesen
wird, was die Kühlung
der Turbinenscheiben 15 und 16 garantiert.
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Bei dieser zweiten Lösung ist
die Kühlluft
der inneren Plattform 9 und der Scheiben 15, 16 kühler, was
vorteilhaft ist, und der Abscherstrom des Kühlflusses durch Auftreffen
ist reduzierter. Dagegen gibt es weniger Strom zum Kühlen des
Blatts, was ein Nachteil ist. Außerdem können Leckagen 25, 26 im peripheren
Hohlraum 3 neben der Austrittsöffnung 23 hinaufströmen, was
die mathematische Modellierung der Strömungen nicht vereinfacht.
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Wenn am Scheitellochrand des Blatts 1 ein Riss 20 auftritt,
so wie dies in der 4 gezeigt
ist, strömt
ein Teil 21 der Kühlluft
in den Fluss heißer Gase
und entsprechend den Betriebs- oder Einsatzbedingungen des Motors
wird die Strömungsrichtung der
Luft in der inneren Plattform 9 beibehalten oder invertiert
sich. Die Plattformen 9 und die Blätter 1 können ebenfalls
beschädigt
oder zerstört
werden. Die Übertemperatur
in 13 und 14 kann zu einer gefährlichen
Erhitzung am Rotor führen,
wobei die Dilatation der Scheiben Kontakte zwischen beweglichen Elementen
und festen Ringen induzieren.
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Bei den zwei nachstehend beschriebenen aktuellen
Varianten ist die Wand 4 des Blatts 1 außerdem mit Öffnungen
versehen, die so kalibriert sind, dass um das Blatt herum ein Schutzfilm
gebildet wird.
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Diesem Stand der Technik nach ist
die Erfindung dazu vorgesehen, eine Statorschaufel bereitzustellen,
bei der sich die Fluidzirkulation in der inneren Plattform im Fall
der Entstehung eines Risses am Leckagerand bzw. Scheitellochrand
des Blatts nicht invertieren kann.
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Die Erfindung betrifft demnach eine
Turbinenstator-Schaufel
mit einer Kühlvorrichtung,
wobei die Schaufel ein hohles Blatt aufweist, das zwischen einer äußeren Plattform
und einer inneren Plattform, die ebenfalls hohl sind, angeordnet
ist, und wobei die Kühlvorrichtung
eine im Innern des Blatts angeordnete Verkleidung aufweist, wobei
diese Verkleidung eine mehrfach durchlöcherte Schürze, die von der Umfangswand
des Blatts entfernt gehalten ist, und eine Bodenwand mit einer Austrittsöffnung,
die einer in einer Wand der inneren Plattform vorgesehenen Eintrittsöffnung gegenüberliegt,
aufweist, wobei diese Bodenwand ebenfalls von der Wand der besagten Plattform
entfernt gehalten ist, wobei das Innere der Verkleidung von der äußeren Plattform
her mit einem Kühlluftstrom
beschickt ist, wobei ein Teil dieser Kühlluft durch die mehrfache
Durchlöcherung
der Schürze
hindurch die Umfangswand des Blatts durch Auftreffen kühlt und
der andere Teil in der inneren Plattform zirkuliert, von wo er durch
stromaufwärts
der besagten Plattform vorgesehenen Öffnungen ausströmt, um die
Scheiben der Turbine zu kühlen,
wobei die Wand des Blatts außerdem Öffnungen
aufweist, die zum Bilden eines Schutzfilms außerhalb des Blatts kalibriert
sind.
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Diese Schaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittsöffnung
der Bodenwand der Verkleidung und die Eintrittsöffnung in der inneren Plattform durch
eine Dichtungsvorrichtung in Verbindung miteinander stehen, welche
die direkte Verbindung zwischen dem Innern der inneren Plattform
und dem durch die Umfangswand des Blatts und das Äußere der
Verkleidung begrenzten Hohlraum verhindert.
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Auf Grund dieser Anordnung gibt es
keine mögliche
Mischung zweier Luftströme
am Fuß der Verkleidung,
und die innere Plattform wird immer durch frische Luft gekühlt, selbst
im Fall der Entstehung von Rissen am Leckagerand bzw. Scheitellochrand
des Blatts.
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Vorzugsweise ist die Dichtungsvorrichtung aus
zwei Kegelstümpfen
gebildet, die ineinander greifen und deren Öffnungen an der Spitze im Innern der
Verkleidung angeordnet sind, wobei der männliche bzw. aufgenommene Kegelstumpf
mit der inneren Plattform verbunden ist und die Eintrittsöffnung begrenzt,
und der weibliche bzw. aufnehmende Kegelstumpf mit der Verkleidung
verbunden ist und die Austrittsöffnung
begrenzt.
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Diese Anordnung erlaubt eine axiale
Befestigung hinsichtlich von Teilen und die seitliche Immobilisation
bzw. Blockierung der Basis der Verkleidung.
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Andere Merkmale, Eigenschaften und
Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden,
beispielhaft gegebenen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen,
von denen:
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Die 1 bis 4 Schnitte entsprechend einer durch
die Drehachse der Turbine einer Statorschaufel der früheren Technik
gehenden radialen Ebene sind, die 1 und 2 eine erste Realisierungsform
eines Kühlkreislaufs
zeigen und die 3 und 4 eine zweite Realisierungsform
des Kühlkreislaufes
zeigen;
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die 5 ein
Schnitt entsprechend einer durch die Drehachse der Turbine einer
Statorschaufel gemäß der vorliegenden
Erfindung gehenden radialen Ebene ist;
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die 6 in
größerem Maßstab die
Verbindungsmittel zwischen dem Inneren der Verkleidung und der inneren
Plattform zeigt;
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die 7 eine
explodierte Ansicht der oberen Wand der inneren Plattform und des
Fußes
der Verkleidung ist;
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die 8 ein
dem der 5 ähnlicher Schnitt
ist, der die Zirkulationen des Kühlluftstroms im
Fall der Entstehung eines Risses auf der Außenseite des Blatts zeigt.
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Die 5 zeigt
eine stationäre
Statorschaufel 40, die zwischen den Rädern 41 und 42 einer zweistufigen
Hochdruckturbine 43 mit der Drehachse 44 angeordnet
ist. Die Schaufel 40 weist bekanntermaßen eine zwischen einer in
den Zeichnungen nicht dargestellten äußeren Plattform und einer inneren Plattform 46 angeordnete
hohle aerodynamische Schaufel 45 auf. Der Aufbau der Statorschaufeln 40 bildet
einen Kranz, und der aus dem Gitter mobiler Schaufeln 47 des
stromaufwärtigen
Rads 41 der Turbine 43 ausströmende Fluss heißer Gase
wird von den Blättern 45 gerichtet,
bevor er sich den beweglichen Schaufeln 48 des stromabwärtigen Rades 42 nähert. Die
externen Plattformen des Stators begrenzen die äußere Kontur des Stroms heißer Gase, während die
internen Plattformen 9 seine innere Kontur begrenzen.
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Die Räder 41 und 42 weisen
außer
den beweglichen Schaufeln 47 und 48 jeweils Scheiben 49, 50 auf,
die durch eine von einer in den Zeichnungen nicht dargestellten
Welle angetriebenen Trommel 51 verbunden sind. Die Trommel 51 weist
ein der inneren Plattform 46 gegenüberliegendes Labyrinth 52 auf,
das den zwischen der inneren Plattform 46 und der Trommel 51 befindlichen
ringförmigen
Raum in einen stromaufwärtigen
Raum 53 und einen stromabwärtigen Raum 54 trennt.
Diese Räume 53, 54 stehen
mit dem Strom heißer
Gase durch Spalte 55, 56 in Verbindung, welche
die innere Plattform 9 jeweils von den Scheiben 49, 50 der
Turbine trennen.
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Im inneren Hohlraum des Blatts 45 ist
eine Verkleidung 60 angeordnet, welche eine mehrfach durchlöcherte Schürze 61 und
eine in der Nähe
und im Abstand von der das Innere des Blatts 45 vom Innern
der inneren Plattform 46 trennenden Wand 63 angeordnete
Bodenwand 62 aufweist. Die Wand 63 weist einen
männlichen
bzw. aufgenommenen Kegelstumpf 64 auf, der eine Eintrittsöffnung 65 im
inneren Hohlraum der inneren Plattform 46 umgibt und der
in einen an der Bodenwand 63 vorgesehenen und eine Austrittsöffnung definierenden
weiblichen bzw. aufnehmenden Kegelstumpf 66 eingefügt ist. Die
innere Plattform 46 weist außerdem an ihrer stromaufwärtigen Seite
bzw. Fläche Öffnungen 67 auf,
die mit dem Innern der Plattform 46 und dem stromaufwärtigen Raum 53 in
Verbindung stehen.
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Die Verkleidung 60 ist durch
Kontakte in einem Abstand von der Umfangswand des Blatts 45 gehalten,
und sie ist von der äußeren Plattform
her von einem Kühlluftstrom 70 beschickt.
Ein erster Teil dieser Kühlluft
strömt
durch die mehrfache Durchlöcherung
der Schürze 61 ab
und kühlt
die aerodynamische Umfangswand des Blatts 45 durch Auftreffen, welches
Blatt 45 kalibrierte Öffnungen
aufweist, die das Abströmen
dieses Luftteils 71 in den Strom heißer Gase unter Bildung eines
Schutzfilms um das Blatt herum erlauben. Ein zweiter Teil 72 des
Kühlluftstroms
tritt durch die an der Spitze des aufgenommenen Kegelstumpfs 64 befindliche Öffnung 65 in
das Innere der Plattform ein, von wo er zum stromaufwärtigen Raum 53 abströmt. Da das
Niveau des im stromaufwärtigen
Raum 53 herrschenden Drucks P1 höher als das Niveau des im stromabwärtigen Raum 54 herrschenden
Drucks P2 ist, teilt sich der Luftstrom 73 am Ausgang der
inneren Plattform 46 in einen ersten Fluss 73,
der sich stromaufwärts
des Stators durch den Spalt 55 mit dem Strom heißer Gase vereinigt,
nachdem er die Peripherie der stromaufwärtigen Scheibe 49 gekühlt hat,
und in einen Fluss 74, der das Labyrinth 52 und
den stromabwärtigen Raum 54 durchquert
und sich stromabwärts
des Stators durch den Spalt 56 mit dem Strom heißer Gase vereinigt.
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Die Verbindung zwischen dem Inneren
der Verkleidung 60 und dem Inneren der inneren Plattform 76 ist
durch die zwei Kegelstümpfe 64 und 66 realisiert,
die dichtend ineinander greifen. Diese zwei Kegelstümpfe festigen
außerdem
die axiale Position bezüglich
der Verkleidung 60 und des Blatts 45 und die seitliche
Unbeweglichkeit bzw. Blockierung der Bodenwand 62 der Verkleidung 60 im
inneren Hohlraum des Blatts 45.
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Der zum Kühlen der Scheiben 49, 50 der
Turbine dienende Luftstrom 72 ist selbst im Fall des Vorhandenseins
eines Risses 75 beim bzw. über dem Leckagerand bzw. Scheitellochrand
des Blatts 45, so wie dies in der 8 gezeigt ist, von dem zum Kühlen der
Wand des Blatts dienenden Luftstrom 71 getrennt.