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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemeinen Gasturbinentriebwerke
und insbesondere Turbinenleiträder
in diesen.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter mit Druck
beaufschlagt und zur Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen in einer Brennkammer
mit Brennstoff vermischt. Auf die Brennkammer folgt eine Hochdruckturbine,
die den Verbrennungsgasen Energie entzieht, um den Verdichter anzutreiben.
Auf die Hochdruckturbine folgt eine Niederdruckturbine und entzieht
den Gasen zusätzliche
Energie, um einen stromaufwärts
angeordneten Fan in der üblichen
Ausführung
eines Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks anzutreiben. Alternativ kann
die Niederdruckturbine eine externe Antriebswelle für Anwendungen
in der Schifffahrt und Industrie antreiben.
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Die
Hochdruckturbine enthält
ein oder mehrere Turbinenleiträder
zum Leiten der Verbrennungsgase in entsprechende Stufen von Turbinenrotorschaufeln,
die sich von tragenden Laufrädern
radial nach außen
erstrecken. Die Leitschaufeln und die Turbinenrotorschaufeln sind
in der Regel hohl und enthalten innere Kühlkreisläufe, durch die aus dem Verdichter
abgegebene, mit Druck beaufschlagte Luft zirkuliert, die während des
Betriebs zum Kühlen
der Schaufelmetallmaterialien dient.
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Die
Technik kennt viele verschiedene Konfigurationen zum Kühlen der
Leitschaufeln und Turbinenrotorschaufeln sowie ihrer benachbarten
Komponenten, die der Erwärmung
durch die heißen
Verbrennungsgase ausgesetzt sind, die während des Betriebs durch die
Turbinenströmungspfade
strömen.
EP 315486 zeigt eine dem
Stand der Technik entsprechende exemplarische Konfiguration. Beispielsweise
wird die Kühlluft
aus dem Verdichter abgegeben und durch einen Kreislauf entlang den
Laufrädern
und in die einzelnen Rotorschaufeln durch Einlässe geleitet, die in den im
Umfang der Laufräder gelagerten
Montageschwalbenschwänzen
der Schaufeln eingebracht sind.
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Die
einzelnen Schaufelblätter
weisen im Innern in der Regel mehrere radiale Strömungsdurchgänge auf,
um innerhalb des Blatts eine interne Prallkühlung oder Kühlschlangenkühlung oder
beide Kühlungen
in der Regel mit schmalen Turbulatorrippen zu ermöglichen,
die entlang der Innenoberfläche
des Blatts angeordnet sind, um den Kühlluftstrom so abzulenken,
dass dessen Wärmeübergangsleistung
erhöht
wird. Die verbrauchte Kühlluft
wird durch verschiedene Reihen Filmkühlbohrungen abgegeben, die
sich durch die Druck- oder Saugseite oder beide Seiten des Blatts
in verschiedenen Konfigurationen erstrecken.
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Zusätzliche
Luft kann entsprechend aus dem Verdichter auch in einen anderen
Kreislauf abgegeben werden, um die Turbinenleiträder und in Regel durch deren äußere Deckbänder, mit
Kühlluft
zu versorgen. Das Turbinenleitrad der ersten Stufe ist den heißesten Verbrennungsgasen
aus der Brennkammer ausgesetzt und enthält im Innern der einzelnen Leitschaufeln
in der Regel mehrere Kühldurchgänge oder
-hohlräume
mit zugehörigen
inneren Prallleitblechen zum Erhöhen
der Kühlleistung
der mit Druck beaufschlagten Luft.
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In
einer zweistufigen Hochdruckturbine kann auch das Leitrad der zweiten
Stufe intern von der Verdichterabluft gekühlt werden und zur Verbesserung
der Kühlleistung
auch ein inneres Prallleitblech aufweisen.
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In
beiden Leitradstufen wird die Kühlluft
in der Regel durch verschiedene Reihen Filmkühlbohrungen abgegeben, die
in die Druck- oder in die Saugseite oder in beide Seiten der Schaufelblätter eingebracht
sind, um während
des Betriebs zum Verbrennungsgas-Hauptströmungspfad zurückgeführt zu werden.
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Da
das Turbinenleitrad der zweiten Stufe in Axialrichtung zwischen
den Rotorschaufeln der ersten und zweiten Stufen und deren entsprechenden Laufrädern angeordnet
ist, wird ein Teil der durch die Schaufeln geleiteten Kühlluft in
der Regel durch das innere Deckband des Leitrads abgegeben, um Spülkühlluft in
dem vorderen und dem hinteren Hohlraum bereitzustellen, die mit
den entsprechenden Laufrädern
der ersten und zweiten Stufe gebildet werden. Eine wabenförmige Dichtung
wird in der Regel von dem inneren Deckband getragen und wirkt mit
einer ringförmigen
Dichtung zusammen, die in unmittelbarer Nähe zu der wabenförmigen Dichtung
angeordnete Labyrinthdichtungszähne
aufweist, wobei der vordere und der hintere Rotorhohlraum auf den
einander gegenüberliegenden
Seiten der Labyrinthdichtung definiert sind, die von den entsprechenden
Laufrädern
begrenzt wird.
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Auf
diese Weise kann durch die Leitschaufeln geleitete Kühlluft zum
Kühlen
der hinteren Fläche des
Rotors der ersten Stufe in den vorderen Rotorhohlraum abgegeben
werden, wobei die verbrauchte Spülluft
an den Labyrinthdichtungszähnen
entweicht, um dann den hinteren Rotorhohlraum zu spülen und die
vordere Fläche
des Laufrads der zweiten Stufe entsprechend zu kühlen.
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Die
verschiedenen Kühlungskonfigurationen,
die für
die Leitschaufeln, Turbinenschaufeln, Spülhohlräume und andere an den heißen Verbrennungsgas-Strömungspfad
grenzende Komponenten bereitgestellt werden, sind in der Regel auf
deren unterschiedliche Betriebsumgebungen zugeschnitten, um die
Kühlwirkung
zu maximieren und gleichzeitig die Nutzung von Verdichterabluft
zu minimieren. Aus dem Verdichter abgegebene Luft, die nicht im
Verbrennungsprozess verwendet wird, senkt den Gesamtwirkungsgrad
des Gasturbinentriebwerks und macht eine größere Brennstoffverbrennung
erforderlich.
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Bei
Flugzeugtriebwerksausführungen
ist die Senkung des Brennstoffverbrauchs stets ein vorrangiges Konstruktionsziel,
weswegen moderne Mantelstromtriebwerk-Konstruktionen zur Minimierung des Brennstoffverbrauchs
kontinuierlich verbessert werden. Da die Hochdruckturbine während des
Betriebs den heißesten
Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, stellt der Zwang zur Kühlluftreduzierung
daher im Hinblick auf das problematische Temperaturniveau dieses
Triebwerksabschnitts und im Hinblick auf dessen ausgereifte Konstruktion
eine erhebliche Herausforderung dar.
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Daher
ist es erwünscht,
die Kühlleistung
in Hochdruckturbinen weiter zu verbessern, um die Leistung und den
Wirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks entsprechend weiter zu verbessern.
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Ein
Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung
enthält
einen von einer Turbine angetriebenen Verdichter. Die Turbine enthält ein Leitrad
mit Leitschaufeln, die sich zwischen dem äußeren und dem inneren Deckband
erstrecken. Jede Leitschaufel weist eine innere Kühlkammer
und ein sich durch die Deckbänder
erstreckendes Bypassrohr auf. Erste und zweite Verteiler umschließen das äußere Deckband
und sind in Strömungsverbindung
mit den Kammern bzw. den Bypassrohren angeordnet. Ein Zapfluftkreis
verbindet den Verdichter mit den Verteilern, um diesen Druckluft
bereitzustellen. Ein Steuerventil beeinflusst den Luftstrom zu dem
ersten Verteiler und anschließend
durch die Kühlkammern
der Schaufeln.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels detaillierter
beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen
wird:
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1 ist
eine Teilschnittansicht in axialer Richtung durch ein exemplarisches
Mantelstromtriebwerk, das am Tragflügel eines Flugzeugs befestigt
ist.
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2 ist
eine schematische Teilschnittansicht in axialer Richtung durch einen
Bereich der Hochdruckturbine des in 1 dargestellten
Triebwerks.
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3 ist
eine allgemein entlang der Linie 3-3 erzeugte flächenförmige Ansicht eines Bereichs
des in 2 dargestellten Turbinenleitrads.
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4 ist
eine 2 gleichende, allgemein entlang der Linie 4-4
aus 3 erzeugte Teilschnittansicht in axialer Richtung
durch das Leitrad der zweiten Stufe, wobei die Schnittansicht aus 2 allgemein
entlang der Linie 2-2 aus 3 erzeugt
wurde.
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5 ist
eine 2 gleichende Schnittansicht in axialer Richtung
durch eine andere Ausführungsform
des Turbinenleitrads der zweiten Stufe.
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1 veranschaulicht
ein exemplarisches Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk 10,
das auf geeignete Weise durch einen Gondelstiel an dem Tragflügel eines
Flugzeugs befestigt ist, um dieses im Flug anzutreiben. Das Triebwerk
ist achsensymmetrisch um eine Längs-
oder axiale Mittelachse 12 angeordnet und ist bezüglich Konfiguration
und Betrieb vorwiegend konventionell.
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Das
Triebwerk enthält
einen Fan 14 und einen entsprechenden Niederdruck- oder
Boosterverdichter, der zuerst Umgebungsluft 16 aufnimmt,
um diese mit Druck zu beaufschlagen. Ein innerer Anteil der Luft
wird durch den Boosterverdichter in das Kerntriebwerk geleitet,
um in einem mehrstufigen Axialverdichter 18 zusätzlich mit
Druck beaufschlagt zu werden. Ein äußerer Anteil der Fan-Luft umgeht das
Kerntriebwerk und wird durch den Fan-Auslass am Ende der umschließenden Fan-Gondel
abgegeben, um während
des Betriebs einen Großteil
des Antriebsschubs zu liefern.
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Die
vom Verdichter 18 mit Druck beaufschlagte Luft wird mit
Brennstoff vermischt und zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase 22 in
einer ringförmigen
Brennkammer 20 gezündet.
Die Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer in eine Hochdruckturbine 24 abgegeben,
die ihnen Energie entzieht, um den Hochdruckverdichter 18 über eine
entsprechende, sich in Axialrichtung dazwischen erstreckende Rotorwelle
anzutreiben. Eine Niederdruckturbine 26 folgt auf die Hochdruckturbine und
entzieht den Verbrennungsgasen zusätzliche Energie, um den Fan 14 und
den Boosterverdichter über
eine andere, sich in Axialrichtung dazwischen erstreckende Rotorwelle
anzutreiben.
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Die
Hochdruckturbine 24 ist in 2 detaillierter
dargestellt. Die Hochdruckturbine enthält ein Leitrad 28 der
ersten Stufe, das eine Reihe Leitschaufeln aufweist, die auf konventionelle
Weise in äußeren und
inneren Deckbändern
gelagert sind. Auf das Leitrad 28 folgt ein Laufrad 30 der
ersten Stufe, das eine Reihe Rotorschaufeln 32 der ersten
Stufe aufweist, die sich von diesem auf eine andere konventionelle
Weise radial nach außen
erstrecken.
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Auf
die Schaufeln der ersten Stufe folgt ein Turbinenleitrad 34 der
zweiten Stufe und ist auf geeignete Weise in einem Turbinen- oder
Außengehäuse 36 gelagert.
Auf das Leitrad der zweiten Stufe folgt ein Laufrad 38 der
zweiten Stufe und weist eine Reihe Rotorschaufeln 40 der
zweiten Stufe auf, die sich auf eine konventionelle Weise von ihm
radial nach außen
erstrecken.
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Während des
Betriebs werden die Verbrennungsgase 22 aus der Brennkammer
abgegeben und von den zwei Leiträdern
durch die entsprechenden Rotorschaufeln der ersten und zweiten Stufe
geleitet, die ihnen Energie entziehen, um die zwei Laufräder 30, 38 zu
drehen, die wiederum auf geeignete Weise mit der gemeinsamen Antriebswelle
oder dem gemeinsamen Rotor verbunden sind, die bzw. der die entsprechenden
Rotorschaufeln des in 1 dargestellten Hochdruckverdichters 18 auf
konventionelle Weise dreht. Die verschiedenen Komponenten der zwei
Turbinen weisen im Innern geeignete Kühlkreise auf, die die Turbinenkomponenten
gegen die während
des Betriebs erzeugten heißen
Verbrennungsgase schützen,
um eine angemessene lange Lebensdauer dieser Komponenten sicherzustellen.
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Wie
oben erwähnt,
können
in den zwei Turbinen und den sie umgebenden Komponenten verschiedene
Kühlungskonfigurationen
verwendet werden, um die Kühlleistung
zu maximieren und gleichzeitig den Bedarf an Abluft aus dem Verdichter
zu minimieren. Es wurde jedoch festgestellt, dass eine signifikante
Reduzierung des Abluftbedarfs durch die Modifizierung des Turbinenleitrads 34 der
zweiten Stufe erreicht werden kann, wie nachfolgend näher beschrieben
wird.
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Genauer
gesagt weist das in 2 dargestellte Leitrad 34 der
zweiten Stufe eine Reihe hohler Leitschaufeln 42 auf, die
sich radial zwischen einem äußeren und
einem inneren Deckband 44, 46 erstrecken. Jede
der Schaufeln weist einen inneren Kühlhohlraum oder eine innere
Kühlkammer 48 auf,
die sich zwischen den zwei Deckbändern
vom Fuß bis zur
Spitze der Schaufel erstreckt, und ein radiales, längliches
Bypassrohr 50 erstreckt sich radial durch die Schaufel
und das äußere und
innere Deckband.
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Ein
bogen- oder ringförmiger
erster Verteiler 52 umschließt das äußere Deckband 44 und
ist in Strömungsverbindung
mit den mehreren Plenumkammern 48 der Schaufelreihe angeordnet.
Ein bogen- oder ringförmiger zweiter
Verteiler 54 umschließt
vorzugsweise den ersten Verteiler 52 und ist in Strömungsverbindung
mit den mehreren Bypassrohren 50 der Schaufelreihe angeordnet.
Der zweite Verteiler 54 ist vorzugsweise in Radialrichtung
außerhalb
des inneren ersten Verteilers 52 angeordnet, die zwei unabhängige und
separate Strömungspfade
zu den Bypassrohren und Kühlkammern
der Schaufeln darstellen.
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Wie
in den 1–3 dargestellt,
wird ein Zuführungs-
oder Zapfluftkreis 56 auf geeignete Weise in Strömungsverbindung
zwischen dem Hochdruckverdichter 18 und den zwei Verteilern 52, 54 angeordnet,
um während
des Betriebs mit Druck beaufschlagte Abluft 16 dazwischen
durchzuleiten. Ein oder mehrere Steuerventile 58 sind zwischen
dem Zapfluftkreis 56 und dem ersten Verteiler 52 angeordnet,
um den aus dem Verdichter in die Schaufelkammern 48 abgegebenen
Strom mit Druck beaufschlagter Kühlluft 16 zu
beeinflussen. Die Steuerventile 58 sind auf geeignete Weise
mit dem elektrischen Steuergerät 60 des
Triebwerks verbunden, das selbst eine beliebige konventionelle Konfiguration
aufweisen kann.
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Die
zwei in den 2 und 3 dargestellten
Verteiler 52, 54 sind in Strömungsrichtung parallel zu dem
gemeinsamen Zapfluftkreis 56 angeordnet, um aus diesem
dieselbe Abluft 16 unter demselben Abluftdruck aufzunehmen.
Der zweite Verteiler 54 ist ohne ein Strömungsbeeinflussungsventil
direkt mit dem Zapfluftkreis 46 verbunden, um einen dauerhaften
oder kontinuierlichen Strom der mit Druck beaufschlagten Kühlluft zu
diesem in allen Betriebszuständen
des Triebwerks zu ermöglichen.
Im Gegensatz dazu können
die Steuerventile 58 dazu verwendet werden, den Strömungsdurchsatz
derselben Abluft 16 zu dem ersten Verteiler 52 vorteilhaft
zu beeinflussen, um die in die Kühlkammern 48 der
einzelnen Schaufeln 42 hinein- und aus den Bypassrohren
herausgeleitete Kühlluft
zu beeinflussen.
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Die
Einführung
der zwei Verteiler 52, 54 und Bypassrohre 50 erlaubt
sowohl eine bessere Steuerung der Kühlluft für die Leitschaufeln der zweiten Stufe
als auch der nachfolgenden Spülluft.
Wie in 2 dargestellt, ist eine konventionelle ringförmige Dichtung 62,
die sich radial von dieser nach außen erstreckende Labyrinthdichtungszähne aufweist,
zwischen den zwei Laufrädern 30, 38 angeordnet
und bildet entsprechende Schaufelsicherungen für diese.
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Das
Laufrad 30 der ersten Stufe ist in Axialrichtung vor dem
Leitrad 34 der zweiten Stufe angeordnet, um mit der ringförmigen Dichtung 62 einen ringförmigen vorderen
Hohlraum 64 dazwischen zu definieren. Das Laufrad 38 der
zweiten Stufe ist hinter dem Leitrad der zweiten Stufe angeordnet,
um mit der ringförmigen
Dichtung 62 einen ringförmigen
hinteren Hohlraum 66 dazwischen zu definieren.
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Die
Bypassrohre 50 erstrecken sich radial durch das innere
Deckband 46 und stehen in Strömungsverbindung mit dem vorderen
Hohlraum 64, um die mit Druck beaufschlagte Luft abzugeben,
die als Spülluft
von den Rohren in den vorderen Hohlraum geleitet wird, um diesen
Bereich der Turbine, einschließlich
der hinteren Fläche
des Laufrads der ersten Stufe, zu kühlen. Ein Teil der Spülluft entweicht
dann an den Labyrinthdichtungszähnen
aufgrund des dort herrschenden Druckgefälles, um wiederum den hinteren Hohlraum 66 zu
spülen
und diesen Bereich der Turbine, einschließlich der vorderen Fläche des
Laufrads 38 der zweiten Stufe, zu kühlen.
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Daher
wird gemäß einem
bevorzugten Anwendungsverfahren mit Druck beaufschlagte Spülluft 16 von
dem Verdichter radial durch die Bypassrohre 50 in die entsprechenden
Schaufeln 42 geleitet, um sowohl den vorderen als auch
den hinteren Hohlraum 64, 66 zu spülen, die
zwischen dem inneren Deckband 46 des Leitrads und den Laufrädern der
ersten bzw. der zweiten Stufe 30, 38 angeordnet
sind. Zusätzlich
wird mit Druck beaufschlagte Kühlluft 16 ebenfalls
von dem Verdichter in die Kammern 48 der einzelnen Schaufel
geleitet, um die Schaufeln unabhängig
von der parallel durch die Bypassrohre 50 strömenden Spülluft intern
zu kühlen.
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Die
Steuerventile 58 können
dann dazu verwendet werden, den Strömungsdurchsatz der in die Schaufeln 42 geleiteten
Kühlluft 16 auf
geeignete Weise zu beeinflussen, ohne den Strömungsdurchsatz der durch die
Bypassrohre 50 in dieselben Schaufeln geleiteten Spülluft zu
beeinflussen.
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Die
zwei Verteiler 52, 54 und die Bypassrohre 50 erlauben
es, verschiedene Anteile derselben mit Druck beaufschlagten Verdichterabluft
sowohl als Spülluft
als auch als Kühlluft
von dem Verdichter auf parallelen Strömungspfaden durch die Schaufeln 42 zu
leiten, die durch das äußere Deckband 44 voneinander
isoliert sind. Der beeinflusste Luftstrom des ersten Verteilers
steuert die Kühlung
innerhalb der Schaufelkammern, wohingegen der nicht beeinflusste
Luftstrom des zweiten Verteilers durch die Bypassrohre 50 zum
kontinuierlichen Spülen
der vorderen und hinteren Hohlräume 64, 66 dauerhaft
bereitgestellt wird.
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Es
wurde festgestellt, dass die Beeinflussung des Schaufelkühlstroms
während
des Betriebs bei Reisegeschwindigkeit zu einer signifikanten Verbesserung
der Triebwerkleistung führen
kann, die auf eine Reduzierung des Kühlluftbedarfs zurückzuführen ist,
die es wiederum erlaubt, während
des Betriebs weniger Brennstoff zu verbrennen. Während des Triebwerkbetriebs
bei Reisegeschwindigkeit kann insbesondere die Menge der in die
einzelnen Schaufeln 42 geleiteten Kühlluft reduziert werden, während gleichzeitig
ein ausreichender Spülluftstrom zu
dem vorderen und hinteren Rotorhohlraum 64, 66 aufrechterhalten
bleibt.
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Es
gilt zu beachten, dass das Druckprofil der Verbrennungsgase über den
Druck- und Saugseiten der einzelnen Leitschaufeln 42 während des
Betriebs variabel ist und dass das Druckgefälle zwischen der Abluft und
den Verbrennungsgasen und in den verschiedenen Bereichen der Turbine,
einschließlich
der Schaufeln selbst, sowie in den zwei Spülhohlräumen 64, 66 während des
Betriebs ebenfalls variabel ist.
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Ein
dauerhafter oder kontinuierlicher Spülluftstrom in den vorderen
und den hinteren Hohlraum 64, 66 ist erwünscht, wohingegen
die Beeinflussung des internen Schaufelkühlstroms einer signifikanten Leistungsverbesserung
dienen kann, ohne dass die Haltbarkeit oder Lebensdauer der Leitschaufeln selbst
beeinträchtigt
wird. Die aus derselben Quelle stammende Abluft kann dazu dienen,
die zwei Verteiler 52, 54 in einem relativ einfachen
System zu beliefern, das die Beeinflussung der Schaufelkühlluft ohne Beeinflussung
der Hohlraumspülluft
erlaubt.
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Die
zwei in 2 dargestellten Verteiler 52, 54 können in
verschiedene Konfigurationen eingefügt werden. Beispielsweise kann
das Leitrad 34 der zweiten Stufe auf konventionelle Weise
mithilfe geeigneter Aufhängeeinrichtungen,
in denen die zwei Verteiler definiert werden können, an dem ringförmigen Außengehäuse 36 befestigt
oder in diesem gelagert werden. In der in 2 dargestellten
exemplarischen Ausführungsform
erstreckt sich eine ringförmige
Blechzwischenwand 68 in Axialrichtung zwischen den sich
gegenüberliegenden
Haken des äußeren Deckbands
und ist radial zwischen dem Außengehäuse 36 und
dem äußeren Deckband 44 angeordnet,
um den ersten und den zweiten Verteiler 52, 54 in
Radialrichtung voneinander zu trennen.
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Wie
in den 2–4 dargestellt,
enthält der
Zapfluftkreis 56 vorzugsweise mehrere erste Zuleitungsrohre 70,
die sich radial durch Öffnungen
im Außengehäuse 36 zu
dem ersten Verteiler 52 erstrecken, um diesem die mit Druck
beaufschlagte Kühlluft
zuzuleiten. Mehrere sekundäre
Zuleitungsrohre 72 erstrecken sich radial durch Öffnungen
im Außengehäuse 36 zu
dem zweiten Verteiler 54, um diesem die mit Druck beaufschlagte
Spülluft
zuzuleiten.
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Jedes
der ersten Rohre 70 weist ein entsprechendes der Steuerventile 58 zur
Beeinflussung des durchgeleiteten Luftstroms auf, der von dem mit
dem Ventil verbundenen Steuergerät 60 synchronisiert wird.
Die ohne Strömungsbeeinflussungsventile
ausgestatteten sekundären Rohre 72 dienen
dem dauerhaften Durchleiten der Verdichterabluft in allen Phasen
des Triebwerkbetriebszyklus.
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Der
Zapfluftkreis 56 enthält
außerdem
einen allgemeinen Lieferverteiler 74, der das Außengehäuse 36 umschließt und durch
mehrere Rohre 76 in Strömungsverbindung
mit dem Hochdruckverdichter 18 steht. Die Abluftrohre leiten
gemeinsam dieselbe mit Druck beaufschlagte Abluft von dem Verdichter zu
dem allgemeinen Lieferverteiler 74, und die mehreren ersten
und sekundären
Zuleitungsrohre 70, 72 gehen von dem allgemeinen
Lieferverteiler ab, um dieselbe mit Druck beaufschlagte Luft zu
dem ersten und dem zweiten Verteiler 52, 54 zu
leiten.
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Auf
diese Weise kann die aus derselben Quelle stammende Abluft gleichmäßig entlang
dem Umfang des Außengehäuses verteilt
werden, sodass die entsprechenden Zuleitungsrohre und verschiedenen
Bereiche der zwei Verteiler 52, 54 gespeist werden,
um in Umfangsrichtung die gleichmäßige Schaufelkühlung und
Hohlraumspülung
sicherzustellen.
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Die
exemplarische Blechzwischenwand 68 ist in den 2–4 in
verschiedenen Ansichten dargestellt und besteht vorzugsweise aus
einer zweilagigen Konstruktion aus einer äußeren und einer inneren Lage,
die auf geeignete Weise entlang entsprechender Kanten miteinander
verbunden und radial voneinander beabstandet sind, um dazwischen den
ersten Verteiler 52 zu definieren. Der zweite Verteiler 54 wird
entsprechend radial zwischen der äußeren Lage der Zwischenwand
und dem Außengehäuse 36 definiert.
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Wie
in 2 dargestellt, weist jedes der Bypassrohre 50 ein äußeres Ende,
das in Strömungsverbindung
mit dem zweiten Verteiler 54 durch eine Öffnung in
der inneren Lage der Zwischenwand 68 verläuft, und
zudem ein inneres Ende auf, das sich durch das innere Deckband 46 radial
nach innen erstreckt. Dies ermöglicht
eine direkte Strömungsverbindung
von dem zweiten Verteiler 54 durch das innere Deckband 46 unter
Umgehung der Leitschaufel 42.
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Wie
in den 3 und 4 dargestellt, weist die äußere Lage
der Zwischenwand 68 mehrere Einlassöffnungen 78 auf, die
in Strömungsverbindung
mit den sekundären
Zuleitungsrohren 70 angeordnet sind, um aus diesen die
mit Druck beaufschlagte Luft aufzunehmen.
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Jedes
der Bypassrohre 50 ist durch eine röhrenförmige Muffe oder ein inneres
Röhrchen 80,
das in Strömungsverbindung
mit dem zweiten Verteiler 54 steht, mit der inneren Lage
der in 2 dargestellten Zwischenwand 68 abdichtend
verbunden. Das innere Röhrchen 80 ist
in direkter Strömungsverbindung
mit dem zweiten Verteiler 54 an das Bypassrohr 50 angeschlossen,
um den ersten Verteiler 52 und dessen Bereich zu umgehen,
der die mehreren Leitschaufeln unmittelbar umschließt.
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Eine äußere röhrenförmige Muffe
oder Röhrchen 82 verbindet,
wie in 4 dargestellt, jedes der sekundären Zuleitungsrohre 70 mit
der äußeren Lage
der Zwischenwand 68, um eine direkte Strömungsverbindung
mit dem ersten Verteiler 52 unter Umgehung des umschließenden zweiten
Verteilers 54 zu ermöglichen.
Auf diese Weise können
die ersten Zuleitungsrohre 70 direkt mit dem ersten Verteiler 52 verbunden
werden, wobei der zweite Verteiler 54 direkt mit den sekundären Zuleitungsrohren 72 verbunden
wird, um aus diesen die mit Druck beaufschlagte Luft aufzunehmen
und diese Luft durch die inneren Röhrchen 80 zu den entsprechenden
Bypassrohren 50 zu übertragen.
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Die
zweilagige Zwischenwand 68 stellt einen praktischen und
einfachen Mechanismus zur Definition der unabhängigen Verteiler 52, 54 und
der entsprechenden parallelen Strömungspfade zum Kühlen der
Leitschaufeln dar, wobei gleichzeitig diejenigen Schaufeln umgangen
werden, durch welche die mit Druck beaufschlagte Spülluft nach
innen zu dem vorderen Rotorhohlraum 64 geleitet wird. Wie
in den 2 und 3 dargestellt, weist die Zwischenwand 68 eine
Lage auf, die vorzugsweise über
den Vorder- oder Anströmkantenenden
der Leitschaufeln 42 liegt, und trägt die inneren Röhrchen 80 auf
geeignete Weise in entsprechenden röhrenförmigen Aufnahmen. Die Zwischenwand 68 ist
auch in Umfangsrichtung zwischen den vorderen Enden der Schaufeln
zweilagig, und trägt
die äußeren Röhrchen,
wie in 4 dargestellt, in entsprechenden röhrenförmigen Aufnahmen
in ihrer äußeren Lage.
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Wie
in den 2 und 4 im Einzelnen und in 3 im
Kollektiv dargestellt, ist die Zwischenwand 68 auch in
Umfangsrichtung zwischen und über
den Hinter- oder Abströmkanten
der Reihe Leitschaufeln 42 zweilagig, um einen in Umfangsrichtung
durchgehenden ersten Verteiler 52 über mehreren benachbarten Schaufeln
zu schaffen. 3 stellt die Zinnen- oder Schlangenform
der zweilagigen Zwischenwand 68 dar, die die Kontinuität des ersten Verteilers 52 in
Umfangsrichtung aufrechterhält
und gleichzeitig in den einlagigen Bereichen der Zwischenwand mit
praktischen Öffnungen
oder Aufnahmen zum Befestigen der inneren Röhrchen 80 ausgeführt ist,
die mit den darunter liegenden Bypassrohren 50 verbunden
sind.
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In
der Schnittperspektive in 3 ist am
besten dargestellt, dass die innere Lage der Zwischenwand 68 perforiert
ist und eine Menge oder Vielzahl in geringem Abstand zueinander
liegender Prallkühlungslöcher 84 aufweist,
die entlang dem ersten Verteiler 54 angeordnet sind, um
zuerst die mit Druck beaufschlagte Luft aus diesem zur Prallkühlung des darunter
liegenden äußeren Deckbands 44 des
Leitrads abzugeben. Die allgemeine Zwischenwand 68 ermöglicht daher,
die unabhängigen
ersten und zweiten Verteiler 52, 54 auf praktische
Weise in den freien Raum zwischen dem Außengehäuse 36 und dem äußeren Deckband
einzufügen,
und ist gleichzeitig ein praktisches Element für das Einbringen der Prallkühlungslöcher 84 zur
Prallkühlung
des äußeren Deckbands.
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Wie
in 4 dargestellt, enthält jede der Leitschaufeln vorzugsweise
einen perforierten Prallkühlungseinsatz
oder ein perforiertes Prallleitblech 86, das auf geeignete
Weise im Innern der Kammer 48 befestigt ist und einen sich
radial durch das äußere Deckband 46 nach
außen
erstreckenden röhrenförmigen Einlass 88 aufweist.
Der Einlass 88 umschließt ein entsprechendes Bypassrohr 50,
um ursprünglich
durch die Prallkühlungslöcher 84 der
inneren Zwischenwandlage abgegebene verbrauchte Prallluft aufzunehmen.
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Auf
diese Weise kann die Zwischenwand 68 auf praktische Weise
für die
Prallkühlung
der Außenfläche des äußeren Deckbands
verwendet werden, bevor die verbrauchte Prallluft zu dem Prallleitblech 86 im
Schaufelinneren weitergeleitet wird. Das Prallleitblech weist ebenfalls
eine Vielzahl von Prallkühlungslöchern auf,
die eine zweite Prallkühlung
der Innenfläche
des Leitrads ermöglichen.
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Die
verbrauchte Prallluft aus kann aus dem Innern jeder Leitschaufel
durch eine oder mehrere Reihen konventioneller Filmkühlbohrungen 90 abgegeben
werden, die sich durch dessen Druck- oder Saugseite oder durch beide
Seiten erstrecken. Die beeinflusste Kühlluft kann daher durch den
ersten Verteiler 52 in die entsprechenden Leitschaufeln 42 zu
deren Kühlung
geleitet und dann durch Filmkühlbohrungen 90 zurück in den
Verbrennungsgas-Strömungspfad
zwischen den Leitschaufeln abgegeben werden.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann in jede Schaufel 42 statt des Prallleitblechs 86 ein
beliebiger anderer konventioneller Kühlkreislauf, wie z. B. interne
Konvektions- und Kühlschlangenkühlung, integriert
werden.
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Wie
in 2 dargestellt, weist das innere Deckband 46 einen
sich entlang von dessen Umfang erstreckenden und in Strömungsverbindung
mit den mehreren Bypassrohren 50 stehenden integralen Verteiler 92 auf.
Der innere Verteiler weist eine Reihe dem vorderen Rotorhohlraum 64 gegenüberliegender
Austrittslöcher 94 auf,
damit die Spülluft
in diesen abgegeben werden kann.
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Der
innere Verteiler 92 trägt
vorzugsweise eine konventionelle, wabenförmige Dichtung 96,
die in unmittelbarer Nähe
zu den Labyrinthdichtungszähnen
der Zwischenstufendichtung 62 angeordnet ist, und trennt
den vorderen und den hinteren Rotorhohlraum 64, 66 voneinander.
Die allgemeine Zwischenwand 68 trennt den ersten und den
zweiten Verteiler 52, 54 voneinander und schafft
einen direkten Strömungspfad
durch die einzelnen Schaufeln, der deren interne Kühlkreisläufe umgeht,
um die mit Druck beaufschlagte Spülluft durch den inneren Verteiler 92 direkt
dem vorderen Rotorhohlraum 64 zuzuführen.
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In
dieser Konfiguration wird die unbeeinflusste Spülluft direkt durch das äußere Deckband 44 und durch
die Reihe Leitschaufeln geleitet, um den vorderen Hohlraum 64 und
danach den hinteren Hohlraum 66 unter Verwendung der mit
Druck beaufschlagten Spülluft
zu spülen.
Im Gegensatz dazu wird die zu dem ersten Verteiler 52 geleitete,
mit Druck beaufschlagte Kühlluft
von den Steuerventilen 58 beeinflusst und kann zuerst gegen
das äußere Deckband 44 zu
dessen Prallkühlung
geleitet werden, um dann von dem Prallleitblech 86 in die
Kammern 48 der Leitschaufeln zu deren Prallkühlung weitergeleitet
zu werden.
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5 stellt
eine Modifikation des angepassten Turbinenleitrads 34 der
zweiten Stufe dar. In dieser Ausführungsform enthält jede
der Schaufeln 42 eine unperforierte Querrippe oder Trennwand 98,
die mit den sich gegenüberliegenden
Druck- und Saugseiten der Schaufel integral verbunden ist, um die Kammer 48 in
einen vorderen und hinteren Hohlraum oder Kanal zu unterteilen.
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Das
Bypassrohr ist entsprechend in der modifizierten Form eines vorderen
Prallkühlungseinsatzes
oder Prallleitblechs 100 ausgeführt, das innerhalb des vorderen
Kanals angeordnet ist. Das obere Ende des vorderen Rohrprallleitblechs 100 erstreckt sich
durch das äußere Deckband,
um das innere Röhrchen 80 wie
oben beschrieben aufzunehmen. Das untere Ende des vorderen Rohrprallleitblechs 100 erstreckt
sich durch das innere Deckband und steht, wie ebenfalls oben beschrieben,
in Strömungsverbindung
mit dem inneren Verteiler.
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Das
vordere Prallleitblech 100 weist eine Vielzahl von Prallkühlungslöchern zur
Prallkühlung der
Innenfläche
des vorderen Kanals auf, wobei ein Anteil der mit Druck beaufschlagten
Luft, die durch dieses hindurchgeleitet wird, die Schaufel selbst
weiterhin umgeht, um zur kontinuierlichen Spülung des vorderen und hinteren
Hohlraums direkt zu dem inneren Verteiler 92 zu strömen, wie
oben näher
beschrieben ist.
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In
dieser Ausführungsform
unterteilt die Trennwand 98 die Kammer 48 in der
Nähe der
Mittelsehne der Schaufel, damit deren vordere und hintere Bereiche
separat gekühlt
werden. Auf diese Weise kann vollständig mit Druck beaufschlagte
Kühlluft kontinuierlich
dem vorderen Kanal zugeführt
werden, um in Bezug auf die außerhalb
der Schaufeln strömenden
Verbrennungsgase einen angemessenen Rückstromdruckabfall aufrechtzuerhalten.
Die verbrauchte Prallluft im vorderen Kanal wird, wie oben beschrieben,
durch die Filmkühlungslöcher 90 mit
einem Rückstromdruckabfall
abgegeben, der von der Beeinflussung der Kühlluft in dem hinteren Kanal nicht
betroffen ist.
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Der
hintere Kanal der Kammer 48 enthält vorzugsweise ein eigenes
hinteres Prallleitblech 86, das, wie oben beschrieben,
den durch das äußere Deckband 44 hindurchgehenden
Einlass 88 aufweist. Ein hinteres Röhrchen 102 kann dazu
verwendet werden, den ersten Verteiler 52 in Strömungsverbindung
mit dem Einlass 88 des hinteren Prallleitblechs 86 zu
verbinden und diesem beeinflusste Kühlluft direkt zuzuführen.
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In
dieser Ausführungsform
kann die zweilagige Zwischenwand 68 mit Ausnahme der für die drei verschiedenen
Röhrchen 80, 82, 102 erforderlichen Öffnungen
ansonsten ohne Prallkühlungslöcher unperforiert
bleiben. Die drei Röhrchen
ermöglichen praktische
Strömungsverbindungen
zwischen der allgemeinen zweilagigen Zwischenwand 68 und
den angepassten ersten Zuleitungsrohren 70 auf deren Einlassseite
sowie zu den vorderen und hinteren Prallleitblechen 100, 86 auf
deren Auslassseite.
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Bei
dem oben in exemplarischen Ausführungsformen
beschriebenen Turbinenleitrad der zweiten Stufe werden die allgemeine
Zwischenwand 68 und Bypassrohre 50 eingefügt, um zwei
unabhängige
und parallele Strömungspfade
durch die allgemeinen Leitschaufeln zu schaffen. Der durch den ersten
Verteiler 52 definierte angepasste Kühlluftströmungspfad ermöglicht die
beeinflusste Kühlung
der Leitschaufeln 42 und der tragenden äußeren Deckbänder. Der von dem zweiten Verteiler 54 und
mitwirkenden Bypassrohren 50 definierte Strömungspfad für nicht
beeinflusste Spülluft
leitet zur Spülung
des vorderen Rotorhohlraums 64 die Spülluft durch die einzelnen Leitschaufeln
direkt um.
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Auf
diese Weise wird dem vorderen und dem hinteren Rotorhohlraum 64, 66 dauerhaft
Spülluft
zugeführt,
während
beeinflusste Kühlluft
den einzelnen Leitschaufeln 42 zugeführt wird. Während das ein Flugzeug antreibende
Mantelstromtriebwerk bei Reisegeschwindigkeit betrieben wird, kann
der Kühlluftstrom
zu den einzelnen Schaufeln selektiv reduziert werden, wenn die für die vorübergehende
Reduzierung der zugeführten
Kühlluftmenge
relevanten Betriebsparameter des Triebwerks dies erlauben. Da der
Betrieb des Flugzeugs bei Reisegeschwindigkeit eine typische Langzeit-Triebwerkleistungsstufe
mit reduzierter Leistung darstellt, erlaubt die temporäre Reduzierung
der den Leitschaufeln zugeführten Kühlluft eine
wesentliche Senkung des Brennstoffverbrauchs.
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Wenn
eine genaue Anpassung des Rückstromdruckabfalls
in jeder Schaufel erwünscht
ist, kann die unterteilende Trennwand 98 eingefügt werden,
um die beeinflusste Kühlung
des hinteren Schaufelbereichs und die nicht beeinflusste Kühlung des
vorderen Schaufelbereichs sowie das dauerhafte Umleiten der Spülluft durch
den vorderen Schaufelbereich zu dem inneren Verteiler zum Spülen des vorderen
und des hinteren Rotorhohlraums zu ermöglichen.