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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Von
konventionellen Gasturbinenmaschinen ist es bekannt, dass sie Mittel
zum Abzapfen eines Teils der Luftströmung durch den Verdichter aufweisen,
um Kühlluft
bereitzustellen, die durch interne Komponenten geführt wird
und diese Komponenten relativ zu dem heißen ringförmigen Gasweg kühl hält. Die
Kühlluft
wird durch oder über
Komponenten geführt,
um sie zu kühlen,
und sie wird weiterhin so gelenkt, dass sie in die heiße Gaswegströmung gemischt
wird, bevor sie nach hinten von der Turbinenmaschine ausgeworfen
wird.
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Die
Trennung von interner Kühlluftströmung und
externer Gaswegströmung
wird durch Laufdichtungen zwischen stationären Maschinenbauteilen und
rotierenden Anordnungen bewirkt. Die Laufdichtungen erlauben eine
Passage einer kontrollierten Leckströmung von Kühlluft in einem Leckageweg zwischen
Stator- und Rotoranordnung, um sämtliche heiße Gaswegluft
heraus zu spülen,
die ansonsten in diesen Bereich vordringen würde und die benachbarten internen
Komponenten erwärmen
würde.
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Konventionell
haben die Schaufeln der Statoren und Rotoren Plattformen, die nach
hinten gestuft sind oder einander überlappen, um heiße Gaswegluftströmung axial
nach hinten zu lenken. Auf diese Konfiguration hat man sich konventionell
verlassen, um ein Wandern von heißer Luftströmung in den Kühlluft-Leckagepassageweg
zwischen Rotor- und Statoranordnungen zu behindern und um Kühlluft-Leckageströmung generell
in den Gasweg mit einem spitzen Winkel relativ zu der Strömung darin
axial nach hinten zu lenken.
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Ein
Beispiel eines derartigen konventionellen Turbinen-Kühlmittelströmungssystems
ist in dem US-Patent 3 609 057 beschrieben, welches Radtke am 28.
September 1971 erteilt wurde und bei dem man davon ausgehen kann,
dass es den Fachleuten bekannt ist.
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In
dem US-Patent 5 211 533 von Walker et al. wird die Wiedereinbringung
von Kühlluftströmung, welche
an einer Laufdichtung vorbei und in die Verdichterströmung (strömungsaufwärts von
Brennern und Gasweg) strömt,
durch einen Strömungsteiler kontrolliert.
Dieser Teiler weist eine gekrümmte
Platte auf, die vor einer Statorschaufel angebracht ist, und sie
lenkt kühle
Luftströmung über die
Statorschaufelplattform in die ringförmige Luftströmungspassage
in dem Turbinenverdichterabschnitt mit einem spitzen Winkel zu der
ringförmigen
Luftströmungsrichtung um.
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Beim
Wiedereinbringen der leckgeströmten Kühlluft in
Richtung einer statischen Schaufel muss man keine Zentrifugalkraftkomponente
berücksichtigen,
und die Störung
der Luftströmung
in der ringförmigen
Passage ist relativ gering. Da Rotorschaufeln mit hohen Geschwindigkeiten,
beispielsweise 30.000 U/min, rotieren, ist der Effekt der Radialkräfte wesentlich,
wenn man das Einbringen von Kühlluft
betrachtet.
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In
einer derartigen Umgebung vernachlässigt es der Stand der Technik
entweder, die Bedeutung der Auswirkungen der Zentrifugalkräfte auf
die wiedereingebrachte Kühlluft
zu erkennen, oder er berücksichtigt
sie nicht, wie im US-Patent
3 609 057 an Radtke. Andere Ansätze
für dieses
Problem verlassen sich auf das Verbessern von Dichtungen oder umströmen den
Rotorbereich.
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Beispielsweise
verwendet das US-Patent 4 507 052 an Thompson sechs umfangsmäßige Grate an
einer Laufdichtung, um eine Leckströmung zwischen den Stator- und
Rotoranordnungen zu verhindern. Eine vordere Dichtung wird verwendet,
um eine Kühlluftströmung von
dem hinteren Sammelraum und den Verzweigungseinrichtungen daran
zu hindern, lediglich zu der Vorderseite des Rotors durch zu strömen. Jedoch
ist keine Einrichtung vorgesehen, um Leckströmung daran zu hindern, durch
die Laufdichtung mit den sechs Graten in Spalte zwischen den Schaufelplattformen
und den Strömungsprofilen benachbarter
Schaufeln zu strömen.
Eine derartige Leckströmungsluft
würde in
die Spalte zwischen den Schaufeln gelangen und radial in den Strömungsweg durch
die Zentrifugalkräfte
der schnell rotierenden Rotorschaufeln getrieben.
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US 5 252 926 an Shepherd
zeigt eine Stator- und Schaufelwurzelanordnung mit zusammenwirkenden
Labyrinthflanschen, sie schafft jedoch keine Einrichtung zum Verhindern
einer Leckage zwischen Schaufelplattformen. Ähnlich beschreibt
US 4 348 157 an Campbell eine Statoranordnung
mit einer Kühlluftzufuhr,
die zu der rotierenden Schaufelwurzelanordnung geführt wird
und mit zusammenwirkenden Labyrinthflanschen abgedichtet ist, sie
schafft jedoch keine Einrichtung zum Verhindern einer Leckströmung zwischen
Schaufelplattformen.
US 4 668 167 an
Le Maout et al. beschreibt eine Labyrinthdichtung mit Abdeckplatte
und Schaufelwurzelhalteclip, sie stellt jedoch keine Einrichtung
zum Verhindern einer Leckströmung
zwischen Schaufelplattformen bereit.
GB
2 119 027 an Cribbes schafft eine Reihe von Bohrungen durch
die Schaufelplattformen, um Luft von dem Labyrinthdichtungsbereich
in den Heißgasweg
in einer Weise einzubringen, welche die Unterbrechung der Heißgasströmung verringert.
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Jedoch
spricht keines dieser Verfahren des Stands der Technik des Wiedereinbringens
von kühler
Leckströmungsluft
zurück
in den Heißgasweg
das Problem der Kühlluft
an, welche in die Spalte zwischen schnell rotierenden Rotorschaufeln
gelangt und unter Zentrifugalkraft in den Gasweg in einer Transversalrichtung
ausgeworfen wird. Die Erfinder haben herausgefunden, das eine derartige
Wiedereinbringung die Gaswegströmung
signifikant stört und
die Maschineneffizienz verringert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liefert eine Ablenkvorrichtung zum Umlenken von Kühlluftleckströmung, welche zwischen
internen Kühlluftströmungswegen
oder sekundären
Luftströmungswegen
und dem primären ringförmigen Heißgasweg
strömt,
um die Effizienz einer Gasturbinenmaschine zu verbessern.
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Eine
konventionelle Gasturbinenmaschine weist eine vordere Statoranordnung
und eine Rotoranordnung mit einer luftgekühlten Rotorscheibe und eine
um fangsmäßige Anordnung
von Schaufelhalteschlitzen auf. Eine Anordnung von luftgekühlten Rotorschaufeln
mit Schaufelbasiselementen ist in jedem Schlitz gehalten. Die Rotorschaufeln
haben Schaufelplattformen und Schaufelströmungsprofile, welche von der
Rotorscheibe radial nach außen
in den ringförmigen
Heißgasweg
ragen.
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Die
Rotorschaufeln sind mit gleichem Abstand um den Umfang der Rotorscheibe
mit einem radial verlaufenden Spalt zwischen jeweils benachbarten
Rotorschaufeln angeordnet. Es ist der signifikante nachteilige Effekt
von Kühlluftleckströmung in diese
Spalte, der der Augenmerk dieser Erfindung ist.
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Bei
manchen Maschinenkonstruktionen können derartige Spalte substanziell
sein, und konventionelle Abdeckplatten, die an der Rotorscheibe
angebracht sind, erstrecken sich generell nicht radial, um diesen
Bereich adäquat
abzudichten. Kühlluft,
welche in diese Radialspalte leckströmt, wurde von den Erfindern
als eine signifikante Quelle von Gasturbinenmaschinenineffizienz
erkannt.
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Die
Strömung
von Leckströmungskühlluft gelangt
in die Spalte, und infolge der extrem hohen Rotationsgeschwindigkeit
der Rotorschaufeln wird sie dann radial in die primäre Axialströmung in
dem Gasweg der Turbinenmaschine ausgeworfen. Im Effekt wirken die
Rotorschaufeln wie ein Laufrad (Impeller), um die Leckströmungsluft
radial quer zu der axialen Gaswegströmung auszutreiben und so die Gaswegströmung zu
behindern und zu stören.
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Konventionell
definieren die Schaufelbasiselemente und die Schlitze eine Mehrzahl
von nach vorne offen axialen Verzweigungseinrichtungen, die von einem
Scheibensammelraum mit kühler
druckbeaufschlagter Luft versorgt werden. Kühlluft strömt durch die Verzweigungseinrichtungen
in verschiedene Kühlpassagen
in den Rotorschaufeln, und sie wird in den Gasweg durch Öffnungen
in dem Schaufelende und der Hinterkante dispergiert. Der Kühlluftsammelraum
ist zwischen der Vorderseite der Rotorscheibe und einer kreisförmigen Abdeckplatte
definiert, die den Kühlluftströmungsweg
zu den offenen Verzweigungseinrichtungen abdichtet.
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Die
kreisförmige
Abdeckplatte hat einen ringförmigen
Scheibenabdichtungsrand, der mit der Rotorscheibe und den Schaufelbasiselementen
zusammenwirkt und einen ringförmigen
Statordichtungsrand, der eine Laufdichtung mit der Statoranordnung zum
Separieren von Kühlluft
von dem Heißgasweg formt.
Ein Kühlluft-Leckströmungsweg
von der Laufdichtung zu dem Gasweg ist zwischen der Statoranordnung,
der Abdeckplatte, der Rotorscheibe und Rotorschaufeln definiert.
Einer minimalen Menge Luft ist es konstruktionsmäßig erlaubt, an der Laufdichtung
vorbei leck zu strömen
und Heißgaswegluft
aus dem Leckströmungsweg
zu spülen,
um die internen Maschinenkomponenten bei einer optimalen Temperatur
kühler
als die der Gaswegkomponenten zu halten.
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Die
Verbesserung der Erfindung betrifft das Bereitstellen einer Ablenkvorrichtung,
die umfangsmäßig an einer
Vorderseite der Abdeckplatte angeordnet ist zum Ablenken von Kühlluftleckströmung, welche
von der Laufdichtung durch den Kühlluft-Leckströmungsweg
weg von den Spalten zwischen den Schaufeln auf die äußere Oberfläche der Schaufelplattform
und in den Gasweg mit einem spitzen Winkel relativ zu der nach hinten
gerichteten Axialströmung
darin strömt.
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Übliche Rotorschaufeln
haben eine Schaufelplattform mit einer vorderen Lippe, welche von
der Rotorscheibe nach vorne ragt, und einer Abdeckplatte. In solchen
Fällen
weist die Kühlluftleckströmungs-Ablenkvorrichtung
einen nach vorne ragenden Flansch zum Ablenken von Kühlluftleckströmung nach
vorne um die Schaufelplattformlippe auf.
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Vorzugsweise
ist die Ablenkvorrichtung ein ringförmiger Ring mit einem L-förmigen Querschnitt in einer
Axialebene mit einem nach vorne ragenden Ablenkflansch und einem
Ablenkbasiselement, welches von dem Ablenkflansch radial nach innen
ragt. Das Ablenkbasiselement ist daran angepasst, einem Klemmeingriff
zwischen der Rotorscheibe und dem Scheibendichtungsrand der Abdeckplatte
zu überdecken.
Dieser separate Typ von Ablenkvorrichtung kann leicht während Routinewartung
nachgerüstet werden,
um die Effizienz existierender Gasturbinenmaschinen durch das Abdichten
eines signifikanten Teils der Spalte zwischen Rotorscheiben, Rotorschaufelbasiselementen
und Rotorschaufelnplattformen zu verbessern.
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Alternativ
kann die Abdeckplatte vollständig durch
eine modifizierte Abdeckplatte ersetzt werden, die einen von dem
Umfang der Abdeckplatte ragenden Ablenkflansch aufweist.
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Weitere
Merkmale der Erfindung und deren Vorteile werden im Detail nachfolgend
beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zum
vollständigen
Verständnis
der Erfindung wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft
mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine Axialschnittansicht durch eine typische Rotor- und eine benachbarte
Statorschaufel einer Gasturbinenmaschine mit Luftströmung von links
nach rechts, wobei der Gasweg in dem oberen Bereich der Zeichnung
gezeigt ist;
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2 ist
eine Vorderansicht des Stands der Technik eines Segments des Rotors,
die Details der Tannenbaumschaufelbasiselemente und der Schaufelhalteschlitze
in dem Umfang der Rotorscheibe zeigt, wobei die Abdeckplatte weggebrochen
ist;
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3 ist
eine radiale Draufsicht der Schaufeln und zeigt insbesondere die
Spalte zwischen benachbarten Schaufelplattformen;
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4 ist
eine Detail-Axialschnittansicht des Stands der Technik durch den
Kühlluft-Leckströmungsweg
von der Laufdichtung zu dem Gasweg und zeigt das Infiltrieren von
Kühlluftleckströmung in Spalte
zwischen den Schaufelplattfomen und das Austreiben unter Zentrifugalkraft
in den Gasweg;
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5 ist
eine ähnliche
Schnittansicht mit der Ablenkvorrichtung, die installiert und zwischen
der Abdeckplatte und der Rotorscheibe geklemmt ist, und zeigt die
Ablenkung von Kühlluft
um die Schaufelplattform und das Wiedereinbringen in den Gasweg
mit einem spitzen Winkel zur Gaswegströmung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
die unmittelbare Umgebung, in der die vordere Dichtung oder Ablenkvorrichtung
der Erfindung optimal mit anderen Bauteilen einer konventionellen
Gasturbinenmaschine, beispielsweise eines Flugzeugtriebwerks, wechselwirkt.
Zum Verständnis
der Erfindung werden notwendigerweise die Merkmale einer konventionellen
Gasturbinenmaschine zuerst nachfolgend kurz beschrieben. Man versteht,
dass, obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit dem Turbinenabschnitt
in einer Turbinenmaschine beschrieben ist, die Erfindung gleichermaßen auf irgendeinen
Rotor, beispielsweise die Rotoren des Verdichterabschnitts, anwendbar
ist.
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1 zeigt
einen axialen Teilschnitt durch den Turbinenabschnitt einer konventionellen
Gasturbinenmaschine, wobei die Erfindung als ein Nachrüstbauteil
beinhaltet ist. Der Turbinenabschnitt weist eine vordere und eine
hintere Statorschaufelanordnung 1 bzw. 2 auf,
die generell den Gasweg definieren und das heiße Gas axial in einer ringförmigen Strömung, wie
durch die Teile angegeben, lenken.
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2 stellt
zusammen mit 1 Details der Rotoranordnung
dar. Die Rotoranordnung 3 ist achsensymmetrisch um die
Rotationsachse, wobei die internen Komponenten durch Sekundärluft 4 gekühlt werden,
die von dem Verdichterabschnitt der Maschine (nicht gezeigt) abgezapft
wird. Die zentrale Rotorscheibe 5 hat eine vorne angebrachte
Abdeckplatte 6, welche Kühlluft hält und lenkt. Kühlluft 4 strömt radial
zwischen der Abdeckplatte 6 und der Rotorscheibe 5 in
Verzweigungseinrichtungen 7, dann durch interne Passagen 8,
welche in den Schaufeln 9 gebildet sind. Die Passagen 8 führen zu
einer Reihe von Öffnungen
in der Hinterkante der Schaufel 9 und in dem äußeren Ende
der Schaufel 9, welche die Kühlluftströmung 4 in die Heißgasströmung des
Gaswegs wieder einbringen und dispergieren.
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Wie
man am besten in 2 erkennt, weist die Rotorscheibe 5 eine
umfangsmäßige Anordnung von
Schaufelhalteschlitzen 10 und luftgekühlte Rotorschaufeln 9 mit
Schaufelbasiselementen 11 auf, die in jedem der Schlitze 10 gehalten
sind und üblicherweise
als Tannenbaum bekannt sind. Nieten 12 und eine rückwärtige umfangsmäßige Schulter 13 (siehe
Detail der 4) werden verwendet, um die Schaufeln 9 an
der Rotorscheibe 5 zu befestigen.
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Wie
in den 2 und 4 gezeigt, deckt die Abdeckplatte 6 fast
die gesamte vordere Oberfläche
der Rotorscheibe 5 mit der Ausnahme eines schmalen umfangsmäßigen Bandes
um den radial äußeren Extrembereich
ab. Die Abdeckplatte 6 wirkt mit der Rotorscheibe 5 geringfügig innerhalb
von dem vorderen radial auswärtigen
Rand 15 der Scheibe 5 zusammen. Die Rotorschaufeln 9 haben
Schaufelplattfomen 15 und Schaufelströmungsprofile 16, welche
radial von der Scheibe 5 in den ringförmigen Heißgasweg ragen. Die Rotorschaufeln 9 sind
mit gleichem Abstand um den Umfang der Rotorscheibe 5 angeordnet.
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Infolge
der Notwendigkeit, Wärmeausdehnung
und -kontraktion aufzunehmen, gibt es einen radial verlaufenden
Spalt der Abmessung "a" zwischen den Rändern der
Plattformen 15 jeweils jeden benachbarter Rotorschaufeln 9,
wie man am besten in 3 erkennt. Es ist der aerodynamische
Effekt dieses Spalts "a", der das Augenmerk
der Erfindung und die Ursache des Problems bei konventionellen Gasturbinenmaschinenkonstruktionen
ist, welches die Erfindung anspricht.
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Wie
in 1 und dem Detail der 4 gezeigt,
wirkt die ringförmige
Abdeckplatte 6 mit der Rotorscheibe 5 mit einem
planaren ringförmigen
Scheibendichtungsrand 17 zusammen, der an die planare vordere
Oberfläche 18 der
Rotorscheibe 5 geklemmt ist. Die Abdeckplatte 6 deckt
im wesentlichen die Scheibenbasiselemente 11 mit einem
Abstand von dem vorderen Scheibenrand 14 radial einwärts ab.
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Wie
man in den 1 und 4 erkennt, hat
die Abdeckplatte 6 einen ringförmigen Statordichtungsrand 19,
der eine Laufdichtung mit der vorderen Statoranordnung 1 zum
Separieren von interner Kühlluft
von dem äußeren ringförmigen heißen Gasweg
separiert. Der Dichtungsrand 19 schafft keine vollständig luftdichte
Abdichtung, sondern ist lediglich eine Strömungsbegrenzung wie ein zum
Teil offenes Ventil. Die Strömungsbegrenzung
erhöht
den Widerstand für
Strömung
von dem Kühlluftsystem
zu dem Heißgasweg
und hält
so den Luftdruck in dem sekundären
Kühlsystem
und verhindert übermäßige Rückströmung oder
Vermischen von Kühlluft
und Heißgasluft.
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Einer
kontrollierten Menge an Kühlluft
ist es erlaubt, an dem Dichtungsrand 19 vorbei zu strömen und über einen
Labyrinthkühlluft-Leckströmungsweg, der
in 4 gezeigt ist, wieder in den Gasweg zu gelangen.
Kühlluftleckströmung schreitet
von der Laufdichtung 19 zu dem Gasweg zwischen der Statoranordnung 1,
der vorderen Oberfläche
der Abdeckplatte 6, der Rotorscheibe 5 und den
Rotorschaufelplattformen 15 voran. Diese Kühlluftleckströmung strömt durch
den Labyrinth-Leckströmungsweg,
um Heißgaswegluft
auszuspülen
und die Temperatur benachbarter Bauteile zu mäßigen. Ohne die Spülwirkung der
Leckströmung
würde deshalb
Heißgaswegluft
in den Bereich zwischen Stator- und
Rotoranordnung strömungsaufwärts von
dem Dichtungsrand 19 wandern, um das Kühlsystem zu beeinträchtigen.
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Wie
in 2 gezeigt, gibt es zusätzlich zu dem Spalt "a" einen trunkierten dreieckförmigen Spalt
radial in Verbindung mit dem Spalt "a",
der zwischen dem Vorderrand 14 der Rotorscheibe 5 und den
seitlichen Rändern
der Schaufelbasiselemente 11 unmittelbar innerhalb der
Schaufelplattform 15 gebildet ist. Der trunkierte dreieckförmige Spalt
ist infolge des Stehenlassens des vorderen Rands 14 während maschineller
Bearbeitung gebildet, um eine rückwärtige Halteschulter 13 (siehe 4)
von adäquater
radialer Höhe
zu bilden, um die Aufgabe des Befestigens der Schaufel 9 an
der Rotorscheibe 5 zu bewirken.
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Der
trunkierte dreieckförmige
Spalt und der Spalt "a" bilden einen unbeabsichtigten
Weg, durch welchen Leckströmungskühlluft in
den Gasweg gelangt, wie durch Pfeile in 4 angezeigt.
Die Leckströmungskühlluft,
welche durch den Leckströmungsweg
an der Abdeckplatte 6 vorbei strömt, wird durch eine signifikante Öffnung in
Richtung zu dem Gasweg repräsentiert.
Diese Öffnung
ist durch die Abmessung "b" in einer Axialebene
definiert und in der Querebene durch die kombinierte Gestalt des Spalts "a" zusammen mit dem trunkierten dreieckförmigen Spalt,
der als eine axiale Verzweigungseinrichtung zum Befördern von
Luft nach hinten wirkt.
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Das
Volumen von Kühlluft,
welche durch den Leckströmungsweg
strömt,
wird konventionell als unwesentlich angesehen, die Erfinder haben
jedoch entdeckt, das signifikante Ineffizienzen eingebracht werden,
wenn Kühlleckströmungsluft
in den Gasweg, wie vorangehend beschrieben, eingebracht wird. Natürlich ist,
wenn man den gesamten Umfang der Rotorschaufelanordnung 3 betrachtet,
der Spalt "a" sehr schmal, verglichen
mit der in Schaufelplattformen. Die extrem hohe Rotationsgeschwindigkeit
der Rotoranordnung 3 ist ein signifikanter Faktor, der
nicht unmittelbar ersichtlich ist, wenn man eine zweidimensionale
Zeichnung betrachtet.
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Bei
hohen Rotationsgeschwindigkeiten wirken die Rotorschaufeln 9 im
Effekt wie ein Laufrad, zum Antreiben der Leckströmungsluftströmung zentrifugal.
Die Leckströmungsluftströmung wird
quer zu der Axialströmung
der Luft in dem Gasweg angetrieben. Die Kollision zwischen der Leckströmungsluftströmung und
der Gaswegströmung
stört die
Gaswegströmung
und bildet eine signifikante Ineffizienz in der Maschine. Die Laufradwirkung
der Rotorschaufeln 9 bildet einen Unterdruck, der mehr
Leckströmungskühlluft an
dem Dichtungsrand 19 vorbei saugt als für die Heißluftspülfunktion benötigt wird.
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Die
Erfinder haben die Bedeutung der besseren Kontrolle des Wiedereinbringens
von Leckströmungskühlluft in
den Gasweg erkannt. Zwei Hauptparameter, welche den Wiedereintritt
der Leckströmungsluft
beeinflussen, sind die Größe der Strömung und
die Richtung der Strömung
relativ zu der Gaswegströmungsrichtung.
Idealerweise ist die Größe bei dem
minimal benötigten
Niveau zum Spülen der
Heißluft
aus dem Kühlluftleckströmungsweg
zwischen der Rotoranordnung und der Statoranordnung gehalten. Idealerweise
wird die Leckströmungsluft
in den Gasweg mit einem spitzen Winkel mit so wenig Strömung wie
möglich
eingemischt.
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Die
Erfindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform am besten in 5 in
der Form eine L-förmigen
ringförmigen
Rings 20 gezeigt, der umfangsmäßig um die Vorderseite der
Abdeckplatte 6 angeordnet ist. Die gezeigte Ausführungsform
ist auf neue Maschinen und zum Nachrüsten des Rings 20 an
existierenden Maschinen während
Routinewartung anwendbar. Eine alternative Ausführungsform kann das Verlängern der
Abdeckplatte 6 radial zu einem nach hinten ragenden Flansch 21 aufweisen.
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Wie
mit Pfeil in 5 gezeigt, lenkt der Ring 20 Kühlluftleckströmung, welche
von der Laufdichtung 19 durch den Kühlluftleckströmungsweg
strömt, weg
von den Spalten zwischen den Schaufeln 9 an eine äußere Oberfläche der
Schaufelplattform 15 und in den Gasweg mit einem spitzen
Winkel relativ zur axial nach hinten gerichteten Strömung darin.
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Der
Ring 20 deckt die trunkierten dreieckförmigen Spalte und einen signifikanten
Teil des Spalts "a" zwischen benachbarten
Schaufelplattformen 15 ab. Die verfügbare Breite des Strömungswegs
für Luftströmung ist
von der Abmessung "b" in 4 auf das
Maß "c" in 5 verringert
und somit die Strömung
beschränkt
und die Menge an vorbei strömender
Luft verringert.
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Außerdem definiert
der Flansch 21 in Verbindung mit einer Statorschaufelplattform 22 eine
nach hinten offene Düse
zum Einlfießen-Lassen
von Leckströmungskühlluft allmählich in
den Gasweg mit minimaler Strömung.
Gaswegluftströmung über die
Statorplattform 22 und die Rotorschaufelplattform 15 saugt
tendenziell die Leckströmungskühlluft in
die Gaswegströmung
infolge des Venturi-Effekts und verstärkt zusätzlich einen glatten Wiedereintritt
und ein Spülen.
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Rotorschaufeln 9 weisen üblicherweise
eine Schaufelplattform 15 auf und haben eine vordere Lippe,
welche von der Rotorscheibe 5 und der Abdeckplatte 6 nach
vorne ragt. Der Kühlluftleckströmungs-Ablenkring 21 weist
einen nach vorne ragenden Flansch 21 auf, der Kühlluftleckströmung nach vorne
um die Schaufelplattformlippe ablenkt.
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Der
Flansch 21 lenkt Luft nach vorne weg von den Spalten "a" um. Die Statorplattform 22 lenkt dann
Luft nach hinten über
die Schaufelplattformen 15 um. Eine derartige verbesserte
Luftströmungskontrolle
verbessert den Labyrintheffekt, der besser die Heißgaswegluft
von dem Kühlluftsystem
separiert, und lenkt Kühlluft über die
Schaufelplattformen 15. Beide Effekte verbessern das Kühlen der
internen Bauteile innerhalb des Gaswegs und verringern so thermisch
induzierte Spannung und erhöhen
die Nutzungslebensdauer.
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In
der gezeigten Ausführungsform
weist der Ablenkring 20 ein Ablenkbasiselement 23 auf,
welches radial von dem Ablenkflansch 21 nach innen ragt.
Das Ablenkbasiselement 23 ist flach und daran angepasst,
die Klemmzusammenwirkung zwischen der planaren Oberfläche 18 der
Rotorscheibe 5 und dem planaren Scheibenabdichtrand 17 der
Abdeckplatte 6 zu überlappen.
Eine alternative Ausführungsform
kann das Verlängern
der Abdeckplatte radial beinhalten und das Vorsehen eines nach hinten
ragenden Flansches 21; in beiden Fällen ist jedoch der Flansch 21 mit
dem Scheibenabdichtrand 17 der Abdeckplatte 6 durchgängig. Das
Basiselement 23 des Ablenkrings 20 ist ohne Schrauben
oder andere Befestigungselemente durch ein Klemmen unter die Abdeckplatte 6 befestigt.
Die Abdeckplatte ist an der Maschinenwelle auf konventionelle Weise
befestigt und wirkt effektiv als eine Belleville-Scheibe, welche den
Ring 20 in Zusammenwirkung mit der Rotorscheibe 5 presst.
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Der
Flansch 21 ist hohen umfangsmäßigen und thermischen Kräften bei
Betrieb ausgesetzt. Um diesen Kräften
zu widerstehen, verjüngt
sich die Dicke des Flansches 21 mit abnehmender Dicke nach vorne,
wie in 5 gezeigt. Der Flansch 21 kann in Ruhe
bei einem Abstand radial nach innen von der Unterseitenfläche der
Schaufelplattformen 15 angeordnet sein, da unter der Zentrifugalkraft
und der wärmeinduzierten
Ausdehnung, die er während
des Betriebs erfährt,
der Flansch 21 radial nach außen in Zusammenwirkung mit
den Rotorschaufelplattformen 15 verlagert wird. Der Ablenkring 20 ist
vorzugsweise aus einer Nickellegierung, beispielsweise Waspalloy, gebildet,
um den extremen Bedingungen benachbart dem Heißgasweg zu widerstehen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
gezeigt wurde, wird man verstehen, dass der Umfang der Erfindung durch
die Ausführungen
der Ansprüche
bestimmt ist.