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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Gasturbine besteht typischerweise aus einer Verdichterstufe, die
verdichtete Luft erzeugt. Brennstoff wird einem Teil der verdichteten
Luft zugemischt und in einer oder mehreren Brennkammern verbrannt,
wodurch ein heißes
verdichtetes Gas erzeugt wird. Das heiße verdichtete Gas wird in
einer Turbinenstufe expandieren lassen, um Leistung an der umlaufenden
Welle zu erzeugen. Die Turbinenstufe besteht typischerweise aus
einer Anzahl abwechselnder Reihen feststehender Schaufeln (Düsen) und
umlaufender Schaufeln (Laufschaufeln). Jede der umlaufenden Schaufeln
weist ein Schaufelblattteil und ein Fußteil auf, an dem sie an einem
Rotor befestigt ist.
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Bei
vielen umlaufenden Schaufelblättern werden
an dem radial außen
liegenden Ende des Schaufelblattes einstückig angeformte Deckbänder verwendet,
um eine äußere Ober- oder Begrenzungsfläche des
Kanals zu erzeugen, durch den die heißen Gase durchströmen müssen. Die
Anordnung des Deckbands als Teil des Schaufelblatts führt zu einer
Leistungsverbesserung bei der Strömungsmaschine. Es ist deshalb
zweckmäßig, dass
die gesamte außen
liegende Oberfläche
von den Deckbandteilen an der jeweiligen Spitze abgedeckt ist. Angeformte
Deckbandabschnitte auf umlaufenden Schaufelnblättern sind aber wegen der von
der Umlaufgeschwindigkeit herrührende
me chanischen Kräfte hoch
beanspruchte Teile. Das Hochtemperaturumfeld verbunden mit den hohen
Beanspruchungen macht deshalb die Konstruktion eines Deckbandes, das über die
gesamte ausnutzbare Lebensdauer des übrigen Schaufelblattes einwandfrei
arbeitet zu einer Herausforderung. Ein Schwachpunkt des Deckbandes
ist die Kehle im Übergangsbereich
zwischen dem Schaufelblatt und dem Blattspitzendeckbandabschnitt.
Eine Möglichkeit
dieser Herausforderung zu begegnen besteht darin, die auf den Blattspitzendeckbandabschnitt
ausgeübten
Beanspruchungen zu verringern. Ein gebräuchliches Verfahren besteht
darin, einen Teil des überhängenden
Deckbandabschnitts auszurunden oder zu entfernen, um auf diese Weise
die angreifende Belastung zu verringern. Die physikalische Entfernung
der Blattspitzendeckbandüberdeckung
beeinträchtigt
aber das Betriebsverhalten der Strömungsmaschine.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufel einer Turbine bspw.
eines Flugtriebwerks, einer Gasturbine, einer Dampfturbine und dergleichen.
Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Feingussverfahren,
das es ermöglicht,
dass gerichtet erstarrte, an der Blattspitze mit einem Deckband
versehene Turbinenschaufeln oder -laufschaufeln eine gleichmäßige Kornstruktur
aufweisen, die sich durch den Blattspitzendeckbandabschnitt, zusätzlich zu
einer Erhöhung
der Kornmenge im Fuß des
Teiles, erstreckt. Die Erfindung kann ohne weiteres auf die Laufschaufeln
stationärer
Turbinen oder von Flugtriebwerken angewandt werden.
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Die
Erfindung kann demgemäß bei einem Feingussverfahren
zur Ausbildung einer gerichtet erstarrten Schaufel ver wirklicht
werden, das aufweist: Bereitstellen einer Schaufel-Gießform, wobei
die Gießform
so ausgerichtet ist, dass ein Teil eines darin enthaltenen Formhohlraums
zur Ausbildung eines Basisteils der Schaufel an einem Basisteil
desselben und ein Teil des Formhohlraums zur Ausbildung einer Spitze
der Schaufel an einem vertikal oberen Ende desselben angeordnet
ist; vorsehen eines Wärmeableitmittels,
das sich unter der Gießform
erstreckt; Einströmen
lassen von geschmolzenem Metall in den Formhohlraum der Gießform und
Erstarren lassen der Schaufel von der Basis aus nach oben.
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Die
Erfindung kann auch in einer Feingussanordnung zum Gießen einer
gerichtet erstarrten Schaufel verwirklicht werden, die aufweist:
Eine Schaufel-Gießform,
wobei die Gießform
so angeordnet ist, dass ein Teil ihres Formhohlraums zur Ausbildung
einer Basis der Schaufel an einer Basis des Formhohlraums und ein
Teil des Formhohlraums zur Ausbildung einer Spitze der Schaufel
an einem vertikal oberen Ende des Formhohlraums ausgebildet ist; ein
Wärmeabfuhrmittel,
das so angeordnet ist, dass es sich unterhalb der Gießform erstreckt
und ein lotrechtes Leitungssystem zum Einströmenlassen von geschmolzenem
Metall in den Formhohlraum der Gießform, wobei die geformte Schaufel
von der Basis aus nach oben erstarrt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Das
Verständnis
dieser und anderer Ziele und Vorteile der Erfindung wird durch die
nachfolgende detailliertere Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung erleichtert,
in der:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel mit
einem Schaufelblattspitzendeckband ist;
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2 eine
schematische Draufsicht auf bekannte Blattspitzendeckbandabschnitte
unter Veranschaulichung einer Deckbandauskehlung ist;
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3 eine
schematische Veranschaulichung einer typischen Gießeinrichtung
für eine
Turbinenschaufel ist; und
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4 eine
schematische Veranschaulichung einer Gießeinrichtung für eine Turbinenschaufel
gemäß dem einer
beispielhaften Ausführungsform der
Erfindung entsprechenden Verfahren ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Eine
typische Schaufel mit Kühlkanälen, die an
der Schaufelblattspitze so austreten, dass sich eine Strömung über das
Schaufelblattspitzendeckband ergibt, ist schematisch in 1 veranschaulicht.
Wie hier schematisch dargestellt, besteht jede Turbinenschaufel 10 aus
einem Schaufelblattteil 12 und einem Fußteil 14. Der Schaufelblattteil
weist eine Vorderkante und eine Hinterkante auf. Eine im Wesentlichen
konkave Druckfläche
und eine im Wesentlichen konvexe Saugfläche erstrecken sich zwischen der
vorderen und der hinteren Kante auf einander gegenüber liegenden
Seiten des Schaufelblatts. Bei der veranschaulichten Ausführungsform
besteht der Schaufelfuß 14 aus
einem Schaft 16 und einem Schwalbenschwanz 18,
der zum Eingriff in eine entsprechende Schwalbenschwanz nut an dem
Rotor eingerichtet ist, um die Schaufel an dem Rotor zu befestigen.
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Wie
in den 1, 2 dargestellt, ist an der Spitze
des Schaufelblatts 12 ein (im Weiteren der Einfachheit
halber als „Deckband" bezeichneter) Deckbandabschnitt 20 ausgebildet,
der sich von dem Schaufelblatt nach außen erstreckt. Das Deckband weist
radial nach innen und außen
weisende einander gegenüberliegende
Flächen
auf und ist dem durch die Turbinenstufe durchströmenden heißen verdichteten Gas ausgesetzt.
Jedes Deckband weist Lagerflächen 24, 25 auf über die
es ein Deckband einer benachbarten Schaufel berührt, wodurch Schaufelvibrationen
eingeschränkt
werden. Außerdem
erstrecken sich von dem Deckband eine oder mehrere Prallplatten 26 typischerweise
radial nach außen,
um eine Leckage von heißem
Gas um die jeweilige Schaufelreihe herum zu verhüten. Bei einigen bekannten
Laufschaufelkonstruktionen erstrecken sich mehre Kühlluftkanäle durch
die Schaufel radial nach außen
in die Blattspitze. Bei anderen gebräuchlichen Laufschaufelkonstruktionen
sind in dem Schaufelblatt schlangenlinienförmige Kanäle ausgebildet. Wie in 2 dargestellt,
münden
die radialen Kühlluftkanäle üblicherweise
in Luftauslassöffnungen 28,
die einen Austritt der Kühlluft
auf der radial außen
liegenden Oberfläche
des Deckbandes ermöglichen.
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Gerichtet
erstarrte (DS = Directionally Solidified) Turbinenschaufeln/Laufschaufeln
(1) sind bei einigen Anwendungen wegen der überlegenen mechanischen
Eigenschaften, die eine DS-Kornstruktur im Vergleich mit äquiaxialen
Kornstrukturen zeigt, begehrt. Typischerweise wachsen gerichtet
erstarrte (DS-)Körner
in der jeweils gewünschten
Richtung normal zu der Abschreckplatte und parallel zu der Abzugsrich tung,
jedoch lediglich bis zu einem bestimmten Punkt. Die gerichtet erstarrten
(DS-)Körner wachsen
nicht um 90° Winkel
oder Ecken herum. Außerdem
werden, bspw. über
Radien, bei denen Plattenformen oder Blattspitzendeckbänder sich
an Schaufelblätter
anschließen,
die Kornstruktur in solchen Flächen,
die mehr oder weniger rechtwinklig zu dem Schaufelblatt verlaufen
und die Kornwachsrichtung schließlich äquiaxial oder irgendwie dazu ähnlich.
Demzufolge hat die Kornstruktur in Bereichen der Turbinenschaufeln/Laufschaufeln,
wie etwa Teilen des Blattspitzendeckbands, nicht die gewünschten
oder erforderlichen mechanischen Eigenschaften. Die vorliegende
Erfindung schafft ein Verfahren mit dem eine gerichtet erstarrte
(DS-)Kornstruktur von dem Schaufelblatt durchgehend bis zu dem Blattspitzendeckband
bei gewissen Schaufeln/Laufschaufeln zusätzlich zu einer Erhöhung der
Menge der Körner
in dem Fuß dieses
Teiles erzielt werden kann.
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Bevor
Gusstechniken mit gerichteter Erstarrung (DS) und Einkristallgusstechniken
(SC) Produktionsreife erlangt hatten, wurden Feingussturbinenschaufeln
und -laufschaufeln mit einer äquiaxialen Kornstruktur
gegossen. Wegen der Geometrie dieser Komponente, d.h. schwerere
Querschnitte am Fuß und
an den Schaftenden, Verjüngung
zu dünneren Querschnitten
an dem Schaftende, Anschnitte um dem geschmolzenem Metall den Eintritt
in die Gießformen
und deren Ausfüllung
zu ermöglichen,
wurden an den schwereren Enden Anschnitte angebracht. Diese Komponenten
werden üblicherweise
in einer mit der Spitze nach unten weisenden Lage gegossen, teilweise
um den Vorteil der Schwerkraft bei Füll- und Speisevorgängen auszunutzen,
die zur Herstellung von einwandfreien Gussstücken erforderlich sind. Diese
mit der Spitze nach unten weisende Lage gestattet es, dass ein natürliches
Füllen
und Speisen statt findet, wobei das geschmolzene Metall am längsten an
dem Ende mit Anschnitt geschmolzen und für die Zuspeisung zu dem Gussstück verfügbar blieb,
während
dieses beim Abkühlen
volumetrisch schrumpfte. Diese Strukturen haben in verschiedenen
kristallographischen Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften.
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Das
Bridgeman-Verfahren erlaubte die Herstellung von Feingussteilen
mit einer kontrollierten kristallographischen Ausrichtung, so dass
die überlegenen
Eigenschaften einer speziellen kristallographischen Orientierung
ausgenutzt werden konnten. Bei dem Verfahren mit gerichteter Erstarrung
(DS) keimen Körner
auf einer Abschreckplatte und deren Wachstum ist durch die Richtung
und den Vorgang der Wärmeabfuhr
gesteuert. Die Körner
wachsen normal zu der Abschreckplatte. Sie können unter einem Winkel wachsen,
doch wachsen sie normalerweise nicht um Ecken herum, d.h. sie beenden üblicherweise
ihr Wachstum, wenn sie parallel zu der Abschreckplatte werden (oder
rechtwinklig zu der Abzugsrichtung). Die Körner stellen außerdem ihr Wachstum
in der gewünschten
Richtung ein, wenn/sobald ihr Wachstum durch eine Fläche der Gießform unterbrochen
wird, die die Wachstumsrichtung schneidet (z.B. ein Blattspitzendeckband
oder eine Plattform).
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Da
gebräuchliche
gerichtet erstarrte (DS-)Gussstücke
in der mit der Spitze nach unten weisenden Lage erzeugt werden,
beginnt das Kornwachstum an der zuäußerst liegenden Oberfläche des
Blattspitzendeckbands der Laufschaufel. Beim Wachsen der Körner zu
dem Schaufelblatt hin, treffen die Körner, die an das Blattspitzenabdeckband
von der Abschreckplatte (außerhalb
des Gussstücks)
eintreten, auf die Schaufelblatt-Gaswegoberfläche des Teils (das Gießformmaterial)
und werden so am Weiterwachsen gehindert. Diese Körner sind
kegelstumpfförmige,
gerichtet erstarrte (DS-)Körner
und haben beim Ätzen
des Teils das Aussehen von äquiaxialen
Körnern.
Sie sind nicht wirklich äquiaxial, sondern
kurze Abschnitte von gerichtet erstarrten (DS-)Körnern, und die Eigenschaften
in diesen Bereichen sind höchstwahrscheinlich
mit den Quereigenschaften der gerichtet erstarrten Kornstruktur
vergleichbar.
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Die
Zahl der Körner
in dem gesamten Gebilde ist durch den kleinsten Querschnitt begrenzt, durch
den die Körner
durchwachsen können.
Bezugnehmend auf 3 nimmt bei dem typischen Gießverfahren
einer Turbinenlaufschaufel oder einer Lufttriebwerksschaufel beim
Fortschreiten des Kornwachstums von dem Blattspitzendeckband 120,
einem kleineren Querschnitt über
den weiter zunehmenden Querschnitt des Schaufelblattes 112 und
sodann durch die Plattform und den noch größeren Querschnitt des Schaftes
und des Schwalbenschwanzes, wie er allgemein bei 114 dargestellt
ist, die Zahl der Körner,
die durch das kleine Blattspitzendeckband 120 durchgewachsen
sind, nicht zu und sie kann tatsächlich
sogar abnehmen, weil die größeren schneller
wachsenden Körner
die kleiner wachsenden Körner
absorbieren und ausdünnen.
Die beschränkte
Zahl von vorhandenen Körner
wird deshalb benötigt,
um den größeren Querschnitt
und das größere Volumen
des Teils auszufüllen,
und deshalb wird der Schwalbenschwanz weniger Körner enthalten als das Blattspitzendeckband.
In dem ganzen Schaufelblatt werden viele Körner vorhanden sein, die sich
nicht bis zu dem Schwalbenschwanz oder durch diesen hindurch erstrecken.
Diese Körner
sind lediglich durch die Kraft zusammengehalten, die sie an das
jeweils benachbarte Korn bindet. Der Wunsch geht dahin, so viel
Körner
wie möglich
bei dem Schwalbenschwanz zu halten, so dass die Festigkeit der Komponente
jene der kristallographischen Körner
und nicht lediglich die Korngrenzenfestigkeit ist.
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Bei
dem das Bridgeman-Verfahren benutzenden Stand der Technik sind deshalb
die Komponenten so ausgerichtet, dass das blattspitzendeckbandseitige
Ende 120 der Komponenten an dem Wärmeabfuhrmittel 130 (das
bspw. eine Abschreckplatte sein kann) befestigt ist, wie dies in 3 dargestellt
ist. Mehr im Einzelnen wird geschmolzenes Metall 132 in
einen Eingusstrichter 134 und dann durch ein geeignetes
lotrechtes Eingusssystem eingegossen, das das geschmolzene Metall
schließlich in
das Teil 110 einleitet. Ein Wärmeabfuhrmittel, bspw. eine
Abschreckplatte 130, ist so angeordnet, dass es sich horizontal
unterhalb der Gießform
erstreckt und es ist mit einem Kornkeimbildungsstarter versehen.
Bei der dargestellten Ausführungsform
besteht das lotrechte Eingusssystem aus einem vertikal ausgerichteten
Einguss 136, der einfach ein hohles Rohr ist und einem
Speiser 138, der sich von dem Einguss 136 zu der
Gießform
erstreckt.
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Wie
in 3 dargestellt ist die Gießform für das Teil so ausgelegt, dass
das Blattspitzendeckband 120 anschließend an das Wärmeabfuhrmittel liegt,
das Schaufelblatt 112 sich von dem Blattspitzendeckband 120 vertikal
zu dem Schaft-Schwalbenschwanz-Gießformabschnitt 114 erstreckt
und das Kornwachstum in der Richtung zu dem Schaft-/Schwalbenschwanz
hin erfolgt. Die Teile werden im Vakuum gegossen; d.h. es ist keine
Luft zugegen und es besteht demgemäß kein Bedürfnis nach Entlüftung.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kornstruktur in einem Laufschaufelspitzendeckband
zu erzeugen, die zweckentsprechender ist als das Ergebnis des Standes
der Technik. Beispielsweise will es die Erfindung ermöglichen,
dass das Laufschaufelkorn um die Schaufelspitzendeckblatthohlkehle herum
wächst,
wodurch bessere mechanische Eigenschaften in diesem hoch beanspruchten
Bereich des Teils erzeugt werden. In Anbetracht der von der Erfindung
herrührenden
besseren Eigenschaften kann die Turbinenlaufschaufel so ausgelegt
werden, dass sie bei höherer
Temperatur oder über
eine längere
Laufzeit arbeitet. Bei dem Beispiel der Blattspitzendeckbandhohlkehle
kann die Erfindung die Notwendigkeit zum Ausrunden des Blattspitzendeckbands
entfallen lassen, was zu einem besseren Betriebsverhalten der Strömungsmaschine
führt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Zahl der Körner in
dem Schwalbenschwanz (dort wo das Teil an der Turbinennabenscheibe
befestigt ist) zu erhöhen.
Bei dem bekannten Verfahren ist die Zahl der Körner, die sich von dem Blattspitzendeckband 120 zu
dem Schwalbenschwanz 114 durch das Teil erstrecken durch
die Zahl von Körnern
begrenzt, die durch das Schaufelblatt 112 und die Anschlussfläche des
Schaufelblattes, an der dieses an der Plattform/dem Schaft befestigt
ist, durch wachsen können.
Diese kleine Anschlussfläche
oder dieses kleine Fenster beschränkt die Zahl von Körnern der
jeweils gewünschten
Orientierung und Eigenschaften, die in den Schwalbenschwanz ragen.
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Die
Erfindung orientiert die Gießform
für das Teil 210 in
der Weise, dass der Fuß 214 unten
liegt, so dass die Erstarrung und die anfängliche Kornbildung und das
Kornwachstum an dem im Vergleich zum Stand der Technik gegenüber liegenden
Ende der Komponente beginnen und die Erstarrungsfront sich von dem
Schwalbenschwanz 214 zu dem Blattspitzendeckband 220 hin
vorbewegt; d.h. um etwa 180° dem
Erstarrungs- und Kornwachstumsmodell des Standes der Technik entgegengesetzt.
Demgemäß wird bezugnehmend
auf die in 4 dargestellte beispielhafte
Ausführungsform,
wie bei dem gebräuchlichen
Gießvorgang
geschmolzenes Metall 232 in einen Eingusstrichter 234 eingegossen,
bevor es durch das lotrechte Zufuhrsystem in das Teil 210 einströmt. Ein
Wärmeabfuhrmittel
z.B., eine Abschreckplatte 230 ist so angeordnet, dass
es sich als Kornkeimbildungsstarter horizontal unterhalb der Gießform erstreckt.
Bei der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform besteht das lotrechte Zufuhrsystem
aus einem vertikal ausgerichteten Einguss 236, der einfach
ein hohles Rohr ist und einem Speiserohr 238, das sich
von dem Einguss 236 zu der Gießform erstreckt. Als Alternative
kann eine Legierung in den Gießformhohlraum
durch einen nicht vertikalen Einguss eingeleitet werden, während das Speiserohr
an einem anderen Ort angeordnet sein kann, entweder nahe bei dem
Wärmeabfuhrmittel 230 oder
an höherem
Ort längs
der Gießform
des Teils.
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Im
Gegensatz zu dem im Vorstehenden unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen
gebräuchlichen
Verfahren ist bei den Ausführungsformen
der Erfindung die Gießform
so ausgelegt, dass der Schaft-/Schwalbenschwanzgießformabschnitt 214 anschließend an
das Wärmeabfuhrmittel 230 liegt, das
Schaufelblatt 212 sich von dem Schaft-/Schwalbenschwanz
vertikal nach oben zu dem Blattspitzendeckband 220 erstreckt
und ein Kernwachstum in der Richtung auf das Blattspitzendeckband 220 hin
erfolgt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
initiiert die größere Kontaktfläche mit
dem Wärmeabfuhrmittel 230 eine
größere Anzahl
ordnungsgemäß ausgerichteter
Körner,
die dann von dem größeren Querschnitt
in den kleiner werdenden Querschnitt durch das Teil durchwachsen.
Es ist erwünscht
in dem hoch beanspruchten Schwalbenschwanzbereich 214 mehr ordnungsgemäß ausgerichtete
gerichtet erstarrte (DS) Körner
mit ihren besseren Eigenschaften zu haben. Die gleichen Körner, die
in dem Schwalbenschwanz initiiert und gehalten werden, erstrecken sich
sodann über
die Länge
des Schaufelblatts 212. Eine Zunahme der Menge durchgehender
Körner führt zu einer
Zunahme der Beanspruchungsaufnahmefähigkeit der Komponente.
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Wenngleich
die Erfindung im Zusammenhang mit dem was gegenwärtig als die brauchbarste und
bevorzugte Ausführungsform
betrachtet wird, beschrieben wurde, so versteht sich doch, dass
die Erfindung nicht auf die beschrieben Ausführungsform beschränkt ist,
sondern dass sie im Gegenteil zahlreiche Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.
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- 10
- Turbinenschaufel
- 12
- Schaufelblattteil
- 14
- Fußteil
- 16
- Schaft
- 18
- Schwalbenschwanz
- 20
- Deckband
- 22,
24
- Lagerflächen
- 26
- Prallplatte
- 28
- Luftauslassöffnungen
- 110
- Teil
- 112
- Schaufelblatt
- 114
- Schaft
und Schwalbenschwanz
- 120
- Blattspitzendeckband
- 130
- Abschreckplatte
- 132
- geschmolzenes
Metall
- 134
- Eingusstrichter
- 136
- Anguss
- 138
- Speiserohr
- 210
- Teil
- 212
- Schaufelblatt
- 214
- Schaft-/Schwalbenschwanz-Gießformabschnitt
- 220
- Blattspitzendeckband
- 230
- Abschreckplatte
- 232
- Geschmolzenes
Metall
- 234
- Eingusstrichter
- 236
- Einguss
- 238
- Speiserohr
- 230
- Abschreckplatte