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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke,
und insbesondere Hochdruckturbinendüsen.
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In
einem typischen Turbofan-Flugzeuggasturbinentriebwerk wird Luft
in einem mehrstufigen axialen Kompressor unter Druck gesetzt, mit
Brennstoff in einer Brennkammer vermischt und zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase
entzündet,
welche stromabwärts
durch eine Hochdruck-(HP)-Turbinendüse strömen, welche die Gase zur Energieentnahme
daraus in stromabwärts
von ihnen angeordnete Hochdruckturbinen-Rotorlaufschaufeln umlenkt
und beschleunigt. Die Gase strömen
dann durch eine Niederdruckturbine, welche zusätzliche Energie zum Antrieb
eines Fans entzieht, um Antriebsschub für den Antrieb des Flugzeugs
im Flug zu erzeugen. Die vielen Komponenten, die in dem Strömungspfad
der heißen
Verbrennungsgase angeordnet sind, werden dadurch erwärmt, und
müssen
in geeigneter Weise vor diesen geschützt werden.
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Beispielsweise
ist eine Wärmebarrierenbeschichtung
(TBC – thermal
barrier coating) ein keramisches Material mit verschiedenen herkömmlichen Zusammensetzungen,
welches in dünnen
Lagen über
den verschiedenen Komponenten aufgebracht werden kann, um deren
thermischen Schutz bereitzustellen. Die TBC kann in herkömmlicher
Weise unter Anwendung von Plasmaspritztechniken oder physikalischer
Dampfabscheidung aufgebracht werden.
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Die
TBC stellt eine Barriere zwischen den heißen Verbrennungsgasen und dem
darunter liegenden Metall der spezifischen Komponenten bereit und
stellt eine thermische Isolation zum Reduzieren der durch die Komponente
verspürten
maximalen Tem peratur bereit, um deren Nutzungsdauer in dem Triebwerk
zu verbessern.
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Da
die TBC ein keramisches Material ist, ist sie im Vergleich zu dem
darunter liegenden Metallsubstrat relativ spröde, und deshalb wird dessen
Unversehrtheit und die entsprechende Haltbarkeit zum großen Teil
durch die Festigkeit und die Betriebsweise der darunter liegenden
Komponente bestimmt. Beispielsweise verspüren die HP-Turbinendüsen Leitschaufeln
die Verbrennungsgase mit der heißesten Temperatur aus der Brennkammer
und benötigen einen
entsprechenden Schutz.
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Verschiedene
Konfigurationen von Turbinendüsenleitschaufeln
haben sich über
viele Jahre eines erfolgreichen kommerziellen Einsatzes erfreut,
wenn sie mit TBC beschichtet waren. Typische Düsenleitschaufeln sind radial
gerade und verdrehen sich relativ zu ihren Vorderkanten, um konvergierende
Kanäle dazwischen
auszubilden, die in Engstellen mit einer minimalen Strömungsfläche enden,
durch welche die Verbrennungsgase umgelenkt und auf die Turbinenrotorlaufschaufeln
beschleunigt werden.
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Die
TBC kann entlang der Saugseiten der Leitschaufeln sowie entlang
der Druckseiten mit Ausnahme der Leitschaufelengstelle in herkömmlicher Weise
aufgebracht werden. Der Düsenengstellenfläche ist
ein kritischer Auslegungsparameter, welcher den Betriebswirkungsgrad
der Turbine und daher des gesamten Triebwerkes beeinflusst. Die
einzelnen Leitschaufelengstellenflächen und die gesamte Engstellenfläche müssen für einen
optimalen Triebwerkswirkungsgrad innerhalb einer geeignet kleinen
Toleranz gehalten werden. Da die TBC üblicherweise mit einer Dickentoleranz
von plus minus einigen mils (1 mil = 25,4 μm) aufgebracht wird, wäre diese
Toleranz variation für
die Aufrechterhaltung einer konsistenten Düsenengstellenfläche nicht
hinnehmbar, und daher ist die TBC auf den Saugseiten der Leitschaufeln
in der Nähe
der Vorderkanten, welche eine Grenzfläche der Leitschaufelengstelle
bildet, während
die andere Begrenzung durch die Druckseite entlang der Hinterkante
der nächsten
benachbarten Düsenleitschaufeln
definiert wird, nicht vorgesehen.
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In
einer neuen Entwicklung, welche sich hierzulande seit mehreren Jahren
einer erfolgreichen kommerziellen Nutzung Lande erfreut, enthält eine 3-D
Düsenleitschaufel,
statt gerade zu sein, eine Hinterkante mit einem Bogen, um den Gesamtdruck
und den Impuls in den Verbrennungsgasen an dem Fuß der Leitschaufeln
in der Nähe
des Innenbandes zu erhöhen.
Die 3-D Leitschaufel verdreht sich um ihre Vorderkante zwischen
den Innen- und Außenbändern und
verjüngt
sich entlang der Hinterkante, um den Bogen auszubilden. Es steht
eine dreidimensionale Computeranalyse-Software zur Definition der spezifischen
Krümmung
und des Maßes
des Bogens zur Verfügung,
um den Gasströmungsimpuls
in der Nähe
des Innenbandes zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Turbine
und des Triebwerks zu erhöhen.
Eine derartige gebogene 3-D Düsenleitschaufel
ist in
US 5 342 170 offenbart.
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Um
die gebogenen 3-D Leitschaufeln gegen die hohen Temperaturen der
Verbrennungsgase zu schützen,
enthielten die Leitschaufeln eine Vollabdeckungs-TBC sowohl entlang
ihren Druck- als auch Saugseiten mit Ausnahme der Leitschaufelengstellen.
Die Aufbringung der TBC auf die gebogene Düsenleitschaufel ist sogar noch
kritischer als für
gerade Leitschaufeln, da unterschiedliche Temperaturen, die üblicherweise über den
Oberflächen
der Leitschaufeln auftreten, eine entsprechende thermische Spannung
und Verwerfung darin erzeu gen können. Die
gebogene Hinterkante ist nun beispielsweise Biegebelastungen aufgrund
ihrer nicht geradlinigen Konfiguration unterworfen und ist somit
auch einer Verwerfung in ihrer Krümmung unterworfen. Da die Hinterkante
eine Begrenzung der Leitschaufelengstelle darstellt, verändert jede
Variation dieser Begrenzung die Engstellenfläche, was in unerwünschter
Weise den Wirkungsgrad der Turbine und des Triebwerks verringern
kann.
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Flächenveränderungen
der Engstellen verändern
auch den Gesamtdruckabfall über
der Turbinendüse
und erhöhen
dementsprechend die Belastungen in dem Axiallager, welches auf die
unterschiedlichen Belastungen zwischen dem Kompressor und dem Turbinenrotor
reagiert.
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Mehrere
Jahre kommerzieller Betriebserfahrung bezüglich 3-D gebogener Turbinendüsen mit voller Überdeckung
haben einen Ausfall in der TBC, wie z.B. ein vorzeitiges Abplatzen
entlang der Vorderkanten der Leitschaufeln gezeigt.
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Demzufolge
ist es erwünscht,
den vorzeitigen Ausfall der TBC in der gebogenen 3-D Düsenleitschaufel,
ohne nachteilig das aerodynamische Verhalten oder den Wirkungsgrad
der Düse
und des Triebwerks zu beeinträchtigen,
zu eliminieren und eine geeignete Nutzlebensdauer der Turbinendüse zu erzielen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Turbinendüse
bereitgestellt, welche Außen-
und Innenbänder
enthält,
zwischen welchen sich mehrere Leitschaufeln zur Kanalisierung von
Verbrennungsgasen erstrecken. Jede von den Leitschaufeln enthält Vorder-
und Hinterkanten und sich dazwischen erstreckende Saugseiten und
auch einen Bogen entlang der Hinterkante, um den Druck in den Gasen
angrenzend an das Innenband zu erhöhen. Die Leitschaufeln enthalten
auch eine Wärmebarrierenbeschichtung
(TBC), die selektiv nur entlang der Saugseite zwischen den Vorder-
und Hinterkanten angeordnet ist.
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Die
Erfindung wird gemäß bevorzugten
und exemplarischen Ausführungsformen
zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen ausführlicher in
der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
axiale Schnittansicht durch einen Abschnitt eines Turbofan-Flugzeuggasturbinentriebwerks
mit einer Hochdruckturbinendüse
ist, die stromabwärts
von einer Brennkammer und stromaufwärts vor einer Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
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2 eine
isometrische Ansicht eines Segmentes mit zwei Leitschaufeln der
in 1 dargestellten HP-Düse ist, welche die selektiv
darauf aufgebrachte TBC darstellt.
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3 eine
isometrische Ansicht des in 2 dargestellten
Düsensegmentes
und insbesondere entlang der Linie 3-3 ist.
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4 eine
Draufsichtschnittansicht durch das in 2 dargestellte
Düsensegment
und insbesondere entlang der Linie 4-4 ist.
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In 1 ist
ein Abschnitt eines Flugzeug-Turbofan-Gasturbinentriebwerks 10 dargestellt, welcher
achsensymmetrisch um eine Längs-
oder Axialmittellinienachse 12 ist. Das Triebwerk enthält einen
(nicht dargestellten) Fan zum Erzeugen eines Vorschubs für den Antrieb
eines Flugzeugs im Flug.
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Stromabwärts von
dem Fan ist ein mehrstufiger axialer Kompressor 14 angeordnet,
um Luft 16 unter Druck zu setzen, welche dann einer Ringbrennkammer 18 (nur
ein Teil davon ist dargestellt) zugeleitet wird, wo sie mit Brennstoff
vermischt und gezündet
wird, um heiße
Verbrennungsgase 20 zu erzeugen, welche stromabwärts daraus
strömen.
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Die
Brennkammer ist innerhalb eines ringförmigen Gehäuses 22 montiert und
direkt stromabwärts
davon ist eine Hochdruck-(HP)-Turbinendüse 24 gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung angeordnet. Die Verbrennungsgase strömen stromabwärts durch
die Düse 24 auf
eine Reihe von HP-Turbinenrotorlaufschaufeln 26, die sich
radial aus einer lagernden Rotorscheibe, welche wiederum mit dem
Kompressor 14 verbunden ist, nach außen erstrecken. Die Turbinenlaufschaufeln 26 entziehen
den Verbrennungsgasen 20 Energie, um den Kompressor während des
Betriebs anzutreiben.
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Die
in 1 dargestellten Turbinendüse ist eine ringförmige Anordnung
von Komponenten und ist um eine Triebwerksmittellinienachse 12 axialsymmetrisch.
Die Düse
enthält
ein ringförmiges
radial äußeres Band 28,
das typischerweise aus mehreren um den Umfang herum verbundenen
gekrümmten
Segmenten aufgebaut ist. Ebenso enthält die Düse ein ringförmiges radial
inneres Band 30, das ebenfalls aus entsprechenden gekrümmten Segmenten
aufgebaut ist. Mehrere hohle Leitschaufeln 32 erstrecken sich
radial zwischen den äußeren und
inneren Bändern
und sind darin typischerweise in einem gemeinsamen Gussteil befestigt.
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Gemäß Darstellung
in 2 kann jedes Düsensegment
zwei um den Umfang herum in Abstand angeordnete Leitschaufeln 32 enthalten,
und angrenzende Düsensegmente
sind in geeigneter Weise miteinander verbunden, um eine vollständige Reihe
von Düsenleitschaufeln
auszubilden, die zur Umlenkung und Beschleunigung der Verbrennungsgase
auf die Reihe der Rotorlaufschaufeln 26 ausgelegt sind,
welche daraus Energie entziehen.
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Gemäß 2 wie
auch 3 enthält
jede von den Leitschaufeln 32 axial in Abstand angeordnete
Vorder- und Hinterkanten 34, 36, eine konkave Druckseite 38,
eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende
im Allgemeinen konvexe Saugseite 40, welche sich beide
axial zwischen den Vorder- und Hinterkanten erstrecken. Jede Leitschaufel
enthält
auch einen Fuß oder
eine Nabe 42, der fest mit dem Innenband 30 verbunden
ist, und eine radial gegenüberliegende
Spitze 44, die fest mit dem Außenband verbunden ist.
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Wie
es am besten in den 3 und 4 dargestellt
ist, enthält
jede von den Leitschaufeln auch eine Biegung oder einen Bogen 46,
welcher am stärksten
entlang der Hinterkante 36 ausgebildet ist, um den Gesamtdruck
in den Verbrennungsgasen 20 angrenzend an das Innenband 30 bei
dem Fuß 42 der
Leitschaufeln zu erhöhen.
Typische Düsenleitschaufeln
sind insbesondere entlang ihrer Hinterkanten gerade, und deren radialen
Spannenquerschnitte weisen eine zweidimensionale (2-D) Krümmung zum Umlenken
und Beschleunigen der Verbrennungsgase zwischen benachbarten Leitschaufeln
auf. Das sich ergebende Strömungsfeld
der Verbrennungsgase wird daher nur an jedem Spannenabschnitt nur
in zwei Dimensionen gesteuert.
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Die
Einführung
des Bogens 46 in die Leitschaufeln 32 fügt dem Gasströmungsfeld
eine dritte Steuerdimension hinzu, welche den aerodynamischen Wirkungsgrad
der Turbinendüse
signifikant verbessert, und daher den Wirkungsgrad des gesamten
Triebwerks verbessert.
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Da
jedoch die gebogenen Leitschaufeln nicht mehr gerade sind, erhöhen sie
erheblich die Komplexität
des thermischen Verhaltens der Leitschaufeln. Da die Verbrennungsgase
heiß sind,
verändert
die thermische Bewegung, welche Expansion und Kontraktion beinhaltet,
die Geometrie der Leitschaufeln während des Betriebs und bewirkt
thermisch induzierten Zug und Druck. Die Temperaturverteilung über den
Druck- und Saugseiten jeder Leitschaufel verändert sich während des
Betriebs erheblich und induziert Wärmegradienten und thermisch
induzierte Zug und Druck daraus.
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Dieser
Typ einer gekrümmten
Turbinendüsenleitschaufel
hat sich hierzulande eines eingeschränkten Erfolges im kommerziellen
Einsatz über mehrere
Jahre erfreut. Eine derartige Leitschaufel hatte eine Wärmebarrierenbeschichtung
(TBC) mit voller Überdeckung über ihren
Druck- und Saugseiten mit Ausnahme der Saugseitenbegrenzung der Leitschaufelengstellen.
Jedoch führte
ein derartiger Einsatz in einer tatsächlichen Flugzeugtriebwerkumgebung
zu einem Abplatzen der TBC in dem Vorderkantenbereich der Leitschaufeln.
Dieses TBC-Abplatzproblem ist unerwünscht, da es die Haltbarkeit der
HP-Düse
reduziert und damit deren Nutzungsdauer im Betrieb beschränkt.
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Demzufolge
ist die vorliegende Erfindung eine Verbesserung zum Reduzieren oder
Beseitigen des Abplatzproblems, indem sie eine Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) 48 beinhaltet, die
selektiv nur an oder entlang den Leitschaufelsaugseiten 40 zwischen
den Vorder- und Hinterkanten angeordnet ist.
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Wie
es am besten in 4 dargestellt ist, sind benachbarte
Leitschaufeln 32 in Umfangsrichtung voneinander in Abstand
angeordnet, um entsprechende Engstellen 50 minimaler Strömungsfläche für den Durchtritt
der Verbrennungsgase zwischen den benachbarten Leitschaufeln auszubilden. Jede
Engstelle 50 weist eine erste oder Druckbegrenzung 53 auf,
welche sich entlang der Druckseite 38 der Vorderkante 36 erstreckt,
und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende zweite oder Saugbegrenzung 54,
die sich entlang der Saugseite 48 angrenzend an die Vorderkante 34 der
nächsten
benachbarten Leitschaufel erstreckt.
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Die
Engstelle 50 zwischen jedem Paar benachbarter Leitschaufeln 32 ist
somit durch den minimalen Abstand dazwischen an der Vorderkante 36 einer
Leitschaufel und einem entsprechenden Bereich auf der benachbarten,
zweiten Leitschaufel hinter deren Vorderkante definiert. Die Leitschaufelengstellen 50 definieren
die hinteren Enden von konvergierenden Kanälen zwischen benachbarten Leitschaufeln, durch
welche die Verbrennungsgase 20 beschleunigt und in Umfangsrichtung
zu den Rotorlaufschaufeln 26 in einer herkömmlichen
Weise umgelenkt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weisen sowohl die ersten als auch zweiten Engstellenbegrenzungen 52, 54 keine
Wärmebarrierenbeschichtung
auf. Durch Weglassen der TBC von der Leitschaufeldruckseite 38 gemäß Darstellung
in 4 werden beide Begrenzungen der Engstelle 50 durch die
Grundmetallaußenoberfläche der
Leitschaufeln definiert und für
eine gegebene Auslegung wird eine leichte Zunahme in der Strömungsflä che der
Engstellen 50 bewirkt, was den zusätzlichen Vorteil der Erhöhung der
Strömungsabrissreserve
des Kompressors 14 stromaufwärts davon hat.
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Jedoch
erfordert die erhöhte
3-D Komplexität der
gebogenen Leitschaufeln 32 trotzdem eine effektive Kühlung, um
nicht akzeptable Wärmegradienten darin
und eine entsprechende Spannung, Druck und Verwerfung daraus zu
verhindern.
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Insbesondere
sind die in 4 dargestellten Leitschaufeln
hohl und enthalten eine oder mehrere Aufprallplatten 56 darin,
um einen Kühlluftanteil
der aus dem Kompressor 14 abgezweigten Druckluft 16 gemäß schematischer
Darstellung in 1 zu kanalisieren. Die Aufprallplatten 56 weisen
eine herkömmliche
Konfiguration und Betriebsweise auf und enthalten ein Muster von
Aufpralllöchern
darin, welche die Kühlluft 16 durch
die Platten in der Aufprallseite der Leitschaufeln zur Aufprallkühlung sowohl
der Druck- als auch Saugseiten von deren Innenseite aus leiten. Die
Aufprallplatten 56 stellen eine effektive Kühlung in
den Vorderkanten- und Mittelsehnenbereichen der Leitschaufeln bereit,
und die verbrauchte Aufprallluft wird dann aus den Leitschaufeln
in der Rückwärtsrichtung
durch eine Reihe herkömmlicher
Hinterkantenausgabelöcher 58 in
einer herkömmlichen
Weise ausgegeben.
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Ein
Teil der verbrauchten Aufprallluft wird auch durch verschiedene
Reihen (nicht dargestellter) herkömmlicher Filmkühllöcher ausgegeben,
die sowohl auf den Druck- als auch Saugseiten der Leitschaufel angeordnet
sind, um eine zusätzliche
Leitschaufelkühlung
bereitzustellen, wie man sie ebenfalls in kommerziell genutzten
3-D gebogenen Leitschaufeln findet.
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Die
in 4 dargestellte TBC 48 ist entlang der
Saugseite 40 selektiv in der Dicke so bemessen, dass sie
eine unterschiedliche Wärmebewegung, oder
Ausdehnung oder Kontraktion zwischen den Druck- und Saugseiten wenigstens
angrenzend an den Leitschaufelbogen 64 reduziert oder minimiert.
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Insbesondere
arbeitet die selektiv angeordnete TBC mit der internen Aufprallkühlung der
Leitschaufeln so zusammen, dass sie die Leitschaufelsaugseiten-Volumentemperatur
und die Temperaturverteilungen steuert, um den thermisch induzierten Zug,
Druck und die Verformung des Leitschaufelbogens 46 zu reduzieren
oder zu minimieren. Die Saugseiten-TBC 48 begrenzt die
Erwärmung
der Leitschaufelsaugseite und steuert damit deren Wärmeausdehnung,
welche im Allgemeinen an die Wärmeausdehnung
der nicht beschichteten Druckseite 38 angepasst ist, um
den darin thermisch induzierten Druck und die Verwerfung entlang
der Hinterkante 36 zu minimieren, welche ansonsten nachteilig
die Strömungsfläche der
Engstelle 50 beeinflussen würde. Die genaue Einhaltung
der Engstellenfläche
stellt eine maximale aerodynamische Leistung der Düse bereit
und verhindert dementsprechend übermäßige Axiallagerbelastungen.
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Die
Saugseiten-TBC hält
die Temperatur des darunter liegenden Grundmetalls unter dessen
maximalen Grenzwerten und reduziert Wärmegradienten darin, um eine
vorzeitige Rissbildung der Saugseite im längeren Gebrauch zu verhindern.
Außerdem
beseitigt das Weglassen der TBC in den Vorderkantenbereichen der
Leitschaufeln dementsprechend deren Abplatzen.
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Gemäß Darstellung
in 4 ist der Leitschaufelbogen 48 zwischen
den Außen-
und Innenbändern
entlang der Druckseite 38 radial konvex und dementsprechend
entlang der Saugseite 40 mit der TBC 48 darauf
radial konkav. Die Leitschaufeln weisen daher eine zusammengesetzte
Krümmung
auf, da die Druckseite 38 im Allgemeinen in der axialen Richtung
konkav ist, während
der Bogen 46 in der radialen Richtung konvex ist, und die
Saugseite 40 in der axialen Richtung im Allgemeinen konvex
ist, während
die entsprechende Seite des Bogens 46 in der radialen Richtung
konkav ist.
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Der
Leitschaufelbogen 46 weist bevorzugt eine maximale radiale
Krümmung
an der Hinterkante 36 auf und nimmt in der Krümmung zu
der Vorderkante 34 hin ab, und geht glatt in den radial
geraden Abschnitt der Leitschaufel in der Nähe ihres Mittelsehnenbereiches über. Die
TBC 48 nimmt bevorzugt von der Hinterkante 36 zu
der zweiten Engstellenbegrenzung 54 in der Nähe der Vorderkante
hin in der Dicke ab.
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Beispielsweise
weist die TBC 48 eine nominelle maximale Dicke von etwa
0,18 mm (7 mils) auf, welche im Wesentlichen in der Richtung stromaufwärts von
der Hinterkante bis zu der Stelle der hinteren Aufprallplatte konstant
bleibt und dann in einer abnehmenden Dicke zu der zweiten Begrenzung 54 der
Engstelle abnimmt, um dort komplett weggelassen zu sein. Diese Konfiguration
stellt einen maximalen thermischen Schutz der Leitschaufel über den größten Teil
des Leitschaufelbogens 46 bereit. Auf diese Weise schützt die
TBC die Saugseite jeder Leitschaufel hauptsächlich über die gesamte Erstreckung
des Leitschaufelbogens 46.
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Da
die Wärmebarrierenbeschichtung
auf der 3-D Leitschaufel in der Vergangenheit auf der Druckseite
mit einer nominellen Dicke von 0,125 mm (5 mils) und auf der Saugseite
mit einer nominalen Dicke von 0,25 mm (10 mils) vorgesehen wurde,
nimmt die bevorzugte Reduzierung in der nominellen Saugseitendicke
von 0,25 auf 0,175 mm (10 auf 7 mils) die Weglassung der Wärmebarrierenbeschichtung
auf der Druckseite 38 auf, um das thermische Gleichgewicht
zwischen den Druck- und Saugseiten aufrechtzuerhalten. Dieses ist
besonders für
die gekrümmten Leitschaufeln
wichtig, welche eine größere Tendenz für eine thermisch
induzierte Verwerfung haben.
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Insbesondere
stellen die 3 und 4 dar, dass
der Leitschaufelbogen 46 näher an dem Innenband 30 als
an dem Außenband 28 angeordnet ist.
Wie es am besten in 4 dargestellt ist, dreht sich
jede von den Leitschaufeln 32 um die Vorderkante 34 von
dem Innenband 30 ausgehend zu dem Außenband, um teilweise den Leitschaufelbogen 46 zu definieren.
Die kombinierte Verdrehung und Verjüngung der Leitschaufeln 32 reicht
aus, um die einzelnen Bögen 46 zu
definieren.
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Insbesondere
kann jede Leitschaufel 32 durch mehrere radiale oder Spannenabschnitte
von dem Fuß 42 bis
zu der Spitze 44 in einer herkömmlichen Weise definiert werden.
Durch Verdrehen der benachbarten Spannenabschnitte um die Vorderkante 34 von
dem Fuß bis
zur Spitze der Leitschaufel und durch Verjüngen der Hinterkante 36 von
Querschnitt zu Querschnitt kann der Leitschaufelbogen 46 ausgebildet
werden. Eine herkömmliche
Finite Elemente Analysesoftware steht für die Konstruktion der spezifischen
Konfiguration der einzelnen Leitschaufeln für eine gegebene Triebwerksanwendung
und für die
Analyse von deren aerodynamischen Verhalten in drei Dimensionen
zur Verfügung.
Auf diese Weise kann der Leitschaufelbogen 46 im Detail
so konfiguriert werden, dass er dass Impuls der Verbrennungsgase 20 angrenzend
an das Innenband 30 vergrößert, um die 3-D aerodynamische
Leitschaufel und deren erheblichen Zunahme im aerodynamischen Wirkungsgrad
der Hochdruckturbine und des Triebwerks herbeizuführen.
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Ein
Vergleich der verbesserten gebogenen 3-D Düsenleitschaufeln 32 mit
herkömmlichen
2-D Düsenleitschaufeln
ohne Leitschaufelbögen
und mit im Wesentlichen geraden Hinterkanten führt zu erheblichen Unterschieden
im aerodynamischen Verhalten zwischen diesen. Eine typische gerade
2-D Düsenleitschaufel
ist im Allgemeinen entlang ihrer Hinterkante gerade und ist um diese
verdreht, um die individuell konvergierenden Kanäle zwischen den Leitschaufeln
auszubilden. Für
eine gegebene Triebwerkskonstruktion strömt eine vorgegebene Strömungsrate
der Verbrennungsgase durch die Turbinendüsen. Die gebogenen 3-D Leitschaufeln 32 bewirken
einen erheblich höheren
Gesamtdruck in der Nähe
der Leitschaufelfüße 42 im
Vergleich zu den herkömmlichen
2-D Leitschaufeln, was zu einer erheblichen Zunahme im Gasströmungsimpuls
in diesem Bereich führt.
Demzufolge weist die 3-D Leitschaufel eine erhebliche Reduzierung
im Drallwinkel der entlang deren Hinterkante ausgegebenen Verbrennungsgase 20 im
Vergleich zu dem höheren Drallwinkel
aus der 2-D Leitschaufel auf.
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Ferner
sind Gasströmungslinien
in den 2-D-Leitschaufeln in der Nähe der Leitschaufelfüße nicht
eben und drehen sich um sich selbst. Im Gegensatz dazu bewirkt die
3-D Leitschaufel aufgrund des zusätzlichen radialen Einflusses
des Leitschaufelbogens 46, der ansonsten in der 2-D Konstruktion nicht
erzielbar ist, ebene Gasströmungslinien
in der Nähe
der Füße.
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Als
eine Folge dieser Unterschiede im Aufbau und Verhalten wird eine
erhebliche Zunahme im aerodynamischen Wirkungsgrad der Turbinendüse und des
Triebwerks durch die 3-D Leitschaufeln bewirkt. Die verbesserte
selektive Aufbringung der TBC 48 nur auf die Saugseite
der 3-D Leitschaufeln bewahrt deren verbessertes aerodynamisches
Verhalten; vergrößert die Strömungsabrissreserve
des Kompressors; beseitigt das Vorderkanten-Abplatzproblem; und
verbessert die Haltbarkeit der Düsenleitschaufeln
durch eine entsprechend nützliche
niederzyklische Ermüdungslebensdauer.