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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung zur Sicherung eines Schaufelelements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Sicherungsvorrichtung wird dabei insbesondere bei Laufschaufeln einer Turbine oder eines Verdichters eines Flugzeugtriebwerks oder einer stationären Gasturbine eingesetzt.
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Aus der Druckschrift
DE 1 551 202 C ist eine lösbare Sicherungsvorrichtung für Laufschaufeln einer Strömungsmaschine bekannt. Eine Läuferscheibe, die Teil der Strömungsmaschine ist, weist dabei Axialnuten auf, in welche jeweils ein schwalbenschwanzförmiger Laufschaufelfuß einer Laufschaufel eingeschoben wird. Um jeden Laufschaufelfuß in seiner Axialnut so festzulegen, dass er sich darin nicht axial bewegen kann, ist eine Sicherungsvorrichtung vorgesehen. Diese besteht aus zwei selbständigen Sicherungselementen. Jedes Element weist an seinen Enden Haltelappen auf, die sich an den beiden Stirnflächen des Schaufelfußes bzw. der Läuferscheibe anlegen. Die Sicherungselemente sind zwischen der Nut und dem Schaufelfuß einführbar und miteinander verrastbar oder formschlüssig verbindbar ausgebildet.
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Die Druckschrift
DE 1 751 071 A betrifft ebenfalls eine Sicherungsvorrichtung zur Sicherung eines Schaufelelements in einer Nut einer Laufscheibe. Die Sicherungsvorrichtung besteht aus zwei Sicherungselementen, wovon eines als Brücke und das andere als Riegel bezeichnet ist. Die Brücke wird mit dem Schaufelfuß in die Nut eingeführt, danach wird der Riegel eingeschoben. Ein Ende des Riegels wird durch Abwinkeln plastisch verformt, wodurch die Schaufelsicherung vervollständigt wird. Starke plastische Verformungen können zu Schaden, wie z. B. Rissen, führen, welche die Bauteillebensdauer drastisch reduzieren können.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 049 216 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckturbinen-Rotors mit integraler Beschaufelung und mit einem inneren Kanalsystem zur Luftkühlung. Dabei wird mindestens ein Abschnitt dieses Turbinenrotors durch ein generatives Verfahren erzeugt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Sicherungsvorrichtung zur Sicherung, insbesondere axialen Sicherung, eines Schaufelelements bereitzustellen.
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Es wird eine Sicherungsvorrichtung zur Sicherung eines Schaufelelements in einer Nut einer Laufscheibe, insbesondere einer Laufscheibe eines Verdichters oder einer Turbine, bereitgestellt, wobei die Sicherungsvorrichtung ein erstes und zweites Sicherungselement aufweist, die zwischen der Nut und dem Schaufelfuß einführbar und miteinander verrastbar oder miteinander formschlüssig verbindbar ausgebildet sind. Erfindungsgemäß weist das erste Sicherungselement einen ersten Abschnitt mit mehreren Vertiefungen und das zweite Sicherungselement einen ersten Abschnitt mit mehreren Vorsprüngen auf, wobei die Vertiefungen und Vorsprünge zueinander korrespondieren. Weiterhin weisen das erste und das zweite Sicherungselement jeweils einen von dem ersten Abschnitt abgewinkelten zweiten Abschnitt zur seitlichen Abstützung des Schaufelfußes auf.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis/Idee besteht darin, eine Sicherungsvorrichtung zur Sicherung eines Schaufelelements bereitzustellen, bei welcher die Sicherungsvorrichtung montiert werden kann, ohne dass Haltelappen hierfür umgebogen werden müssen mittels einer Biegeeinrichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der Sicherungsvorrichtung gebogene Abschnitte mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt, so dass solche Abschnitte nicht wie bisher durch ein maschinelles Umbiegen hergestellt werden müssen.
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Durch Zusammenstecken der Sicherungselemente mit ihren ersten Abschnitten können diese sehr leicht montiert werden. Dazu werden die Sicherungselemente von gegenüberliegenden Seiten mit ihren ersten Abschnitten in die Nut eingeführt und zusammengesteckt. Die beiden zweiten Abschnitte der Sicherungselemente liegen wiederum an der Laufscheibe an und sichern so das Schaufelelement vor einem ungewollten Herausschieben aus der Nut.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der jeweils zweite Abschnitt des ersten Sicherungselements und/oder der zweite Abschnitt des zweiten Sicherungselements federnd ausgebildet. In eingebautem Zustand drückten die Sicherungselemente von beiden Seiten mit ihren zweiten Abschnitten gegen den Schaufelfuß bzw. die Laufscheibe.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist jeweils der erste Abschnitt des ersten Sicherungselements und/oder der erste Abschnitt des zweiten Sicherungselements federnd ausgebildet. Dadurch kann bei montierter Sicherungsvorrichtung diese den Schaufelfuß von unten nach außen gegen die Laufscheibe drücken.
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Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der erste Abschnitt des ersten Sicherungselements eine Aufnahme zur Aufnehmen des ersten Abschnitts des zweiten Sicherungselements auf. Die Aufnahme ist beispielsweise derart ausgebildet, dass der erste Abschnitt des ersten Sicherungselements in zusammengestecktem Zustand mit dem ersten Abschnitt des zweiten Sicherungselements eine übergangslose oder im Wesentlichen übergangslose Verbindung bildet. Dies hat den Vorteil, dass die Sicherungsvorrichtung nicht mit einem sondern beiden Sicherungselementen beispielsweise an der Unterseite des Schaufelfußes anliegen und beispielsweise eine Federkraft der beiden ersten Abschnitte der Sicherungselemente übertragen kann.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenchnittansicht eines Schaufelelementes, welches an einer Laufscheibe mittels einer Sicherungsvorrichtung gemäß der Erfindung gesichert ist;
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2 eine Vorderansicht des in der Laufscheibe gesicherten Schaufelelements und der Sicherungsvorrichtung gemäß 1;
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3 eine Draufsicht auf die Sicherungsvorrichtung in zusammengebautem Zustand;
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4 eine Seitenschnittansicht der Sicherungsvorrichtung gemäß 3;
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine stark vereinfachte Schnittansicht der Befestigung eines Schaufelelements 1 an einer Lauf oder Radscheibe, mittels einer Sicherungsvorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
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Bisher werden Laufschaufeln mit Sicherungsblechen gesichert, die zunächst eingelegt und dann auf einer Seite umgebogen werden. Die andere Seite des Sicherungsblechs ist dabei bereits vorgebogen. Als Alternative hierzu werden außerdem Drahtsicherungen und Nietsicherungen eingesetzt, die nach dem gleichen, nicht dynamischen Prinzip funktionieren, wie das zuvor beschriebene Sicherungsblech.
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Das Sicherungsblech hat jedoch den Nachteil, dass es bei der Montage maschinell gebogen werden muss. Bei bestimmten, häufig notwendigen, Bauteilgeometrien brechen die Bleche jedoch während der Montage oder es entstehen Risse.
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Gemäß der Erfindung wird nun eine Sicherungsvorrichtung 2 bereitgestellt, welche z. B. als Dichtblech, und ohne die mechanische Verformung in dem bisherigen Umfang montiert werden kann. Die Sicherungsvorrichtung 2 weist hierzu zwei Sicherungselemente 3, 4 auf, die mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sind und mit geringer mechanischer Verformung gefügt werden können.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt ist, wird das Schaufelelement 1 mit seinem Schaufelfuß 5 in einer zugeordneten Nut 6 einer Scheibe 7, z. B. einer Lauf- oder Radscheibe, angeordnet und mittels der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung 1 gesichert. Üblicherweise bildet der Schaufelfuß 5 mit der Nut 6 eine Schwalbenschwanzverbindung 8, wie beispielhaft in 1 und nachfolgender 2 gezeigt ist. Der Schaufelfuß 5 wird durch die Schwalbenschwanzverbindung S in radialer Richtung durch die Laufscheibe 7 gehalten und durch die Sicherungsvorrichtung zusätzlich in axialer Richtung gesichert.
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Die Sicherungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung weist ein erstes Sicherungselement 3 und ein zweites Sicherungselement 4 auf, welche jeweils mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sind. Das erste Sicherungselement 4 weist dabei einen ersten Abschnitt 9 mit mehreren Vertiefungen 10, sowie einen von dem ersten Abschnitt 9 abgewinkelten zweiten Abschnitt 11 zur seitlichen Abstützung des Schaufelfußes auf. Der zweite Abschnitt 11 ist dabei derart ausgebildet und abgewinkelt, dass er zur seitlichen Abstützung des Schaufelfußes an dem Schaufelfuß und/oder der Laufscheibe anleigt und vorzugsweise eine Andruckkraft auf den Schaufelfuß und/oder die Laufscheibe ausübt. Das zweite Sicherungselement 4 weist einen ersten Abschnitt 12 auf mit mehreren Vorsprüngen 13, z. B. Zähnen oder Widerhaken, welche mit den Vertiefungen 10 des ersten Sicherungselements 3 korrespondieren und in verbautem Zustand in den Vertiefungen 10 des ersten Sicherungselements 3 aufgenommen sind. Die Verzahnung bestehend aus den kleinen Haken oder Widerhaken kann mit geringem Kraftaufwand einmalig zusammengefügt werden, kann. Des Weiteren weist das zweite Sicherungselement 4 einen von dem ersten Abschnitt 12 abgewinkelten zweiten Abschnitt 14 auf.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt ist, wird das erste Sicherungselement 3 von einer Seite in die Nut 6 unter den Schaufelfuß 5 geschoben und das zweite Sicherungselement 4 von der anderen Seite in die Nut 6 und unter den Schaufelfuß 5. Dabei werden das erste und zweite Sicherungselement 3, 4 miteinander verbunden, indem die Vorsprünge 13 des zweiten Sicherungselements 4 in den korrespondierenden Vertiefungen 10 des ersten Sicherungselements 3 aufgenommen werden.
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Die beiden ersten und zweiten Sicherungselemente 3, 4 sind vorzugsweise federnd ausgebildet. Die beiden ersten Abschnitte 9, 12 des ersten und zweiten Sicherungselements 3, 4 bilden in einem zusammengebauten Zustand eine Feder, welche mit einer Kraft FR den Schaufelfuß 5 gegen die Laufscheibe 7 nach außen drückt. Des Weiteren sind die beiden zweiten Abschnitte 11, 14 des ersten und zweiten Sicherungselements 3, 4 ebenfalls vorzugsweise federnd ausgebildet und drücken mit einer Kraft F jeweils z. B. gegen den die Laufscheibe 7.
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Durch die Sicherungsvorrichtung 2 wird das Schaufelelement 1 mit seinem Schaufelfuß 5 in der Nut 6, z. B. einer Axialnut, der Laufscheibe 7 in axialer Richtung gesichert.
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In 2 ist ein Ausschnitt der Laufscheibe 7 und des mittels der Sicherungsvorrichtung 2 in der Laufscheibe 7 gesicherten Schaufelelements 1 gemäß 1 gezeigt. Wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben, weist die Laufscheibe 7 über den Umfang verteilt mehrere Nuten 6, z. B. Axialnuten auf, in welche die Schaufelfüße 5 der Schaufelelemente 1 einführbar sind. Die Axialnut 6 in dem Ausführungsbeispiel in 2 und der Schaufelfuß 5 sind derart gestaltet, dass sie eine Schwalbenschanzverbindung 8 bilden. Hierbei ist die Axialnut 6 beispielsweise mit einer entsprechenden Hinterschneidung ausgebildet, welche den Schaufelfuß 5 in radialer Richtung sichert. Das erste und zweite Sicherungselement 3, 4 der Sicherungsvorrichtung 2, welche mit einer gestrichelten Linie in 2 angedeutet ist, werden von jeweils gegenüberliegenden Seiten in die Axialnut 6 unter den Schaufelfuß 5 geschoben und miteinander in Eingriff gebracht.
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Des Weiteren ist in 3 eine Draufsicht der zusammengebauten Sicherungsvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie zuvor beschrieben weist die Sicherungsvorrichtung 2 ein erstes und zweites Sicherungselement 3, 4 auf. Das erste Sicherungselement 3 weist dabei den ersten Abschnitt 9 auf, in welchem mehrere Vertiefungen 10 ausgebildet sind, wie mit einer gestrichelten Lilie in 3 angedeutet ist, zum Aufnehmen der entsprechenden Vorsprünge 13 des ersten Abschnitts 12 des zweiten Sicherungselements 4. Wie in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 10 auf beiden Seiten geschlossen ausgebildet, so dass die Vorsprünge 13 nicht ungewollt aus den Vertiefungen seitlich herausrutschen können. Grundsätzlich können die Vertiefungen 10 jedoch auch an einer oder beiden Seiten offen ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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Des Weiteren weisen das erste und zweite Sicherungselement 3, 4 jeweils einen von dem erstere Abschnitt 9, 12 abgewinkelten zweiten Abschnitt 11, 14 auf. Der zweite Abschnitt 11, 14 des ersten bzw. zweiten Sicherungselements 3, 4 kann dabei, wie zuvor beschrieben, zusätzlich federnd ausgebildet sein. Entsprechend kann auch der erste Abschnitt 12 des ersten und zweiten Sicherungselements 3, 4 federnd ausgebildet sein. Die Sicherungsvorrichtung 2 wirkt dabei in eingebautem Zustand als Feder mit welcher der Schaufelfuß 5 nach außen gegen die Laufscheibe 7 gedrückt wird.
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In 4 ist eine Seitenansicht der Sicherungsvorrichtung 2 gemäß 3 in einer geschnittenen Darstellung gezeigt. Das erste Sicherungselement 3 weist dabei den ersten Abschnitt 11 auf mit einer Aufnahme 15, beispielsweise in Form einer Vertiefung, zur Aufnahme des ersten Abschnitts 12 des zweiten Sicherungselements 4. In der Aufnahme 15 sind des Weiteren mehrere Vertiefungen 10 vorgesehen zum Aufnehmen der dazu korrespondierender Vorsprünge 13 des ersten Abschnitts 12 des zweiten Sicherungselements 4. Die Vorsprünge 13 sind dabei beispielsweise in Form von Zähnen oder Widerhaken ausgebildet, die wiederum in die entsprechend geformten Vertiefungen 10 des ersten Sicherungselements 3 eingreifen oder einhaken, wie in dem Ausführungsbeispiel in 4 illustriert ist.
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Wie in dem zusammengebauten Zustand der beiden Sicherungselemente 3, 4 in 4 gezeigt ist, werden die Vorsprünge 13 des zweiten Sicherungselements 4 in den entsprechenden Vertiefungen 10 des ersten Sicherungselements 3 aufgenommen, Des Weiteren wird das zweite Sicherungselement 4 mit seinem ersten Abschnitt 12 dabei in der Aufnahme 15 des ersten Abschnitts 11 des ersten Sicherungselements 3 derart aufgenommen, dass das erste und das zweite Sicherungselement 3, 4 beispielsweise ohne Übergang miteinander verbindbar sind, wie in 4 angedeutet ist. Der zweite Abschnitt 11, 14 des jeweiligen Sicherungselements 3, 4 ist jeweils von dem ersten Abschnitt 9, 12 des Sicherungselements 3, 4 abgewinkelt ausgebildet. Der zweite Abschnitt 11, 14 ist hierbei z. B. federnd ausgebildet, so dass, wenn er durch den Schaufelfuß 5 beim Einbau auseinandergedrückt wird zurückfedern und so die Sicherungsvorrichtung 2 an den Schaufelfuß 5 und/oder der Laufscheibe 7 angedrückt werden kann. Wie zuvor beschrieben, wird die Sicherungsvorrichtung 2 gemäß der Erfindung mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Wie zuvor beschrieben, sind auch die ersten Abschnitte 9, 11 des ersten und zweiten Sicherungselements 3, 4 zusätzlich z. B. federnd ausgebildet, so dass sie in eingebautem Zustand als Feder wirken, welch den Schaufelfuß 5 des Schaufelelements 1 nach außen gegen die Laufscheibe 7 andrückt.
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Im Allgemeinen gehören zu generativen Fertigungsverfahren beispielsweise das sog. Rapid Manufacturing und das sog. Rapid Prototyping. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile insbesondere schichtweise durch Materialauftrag aufgebaut. Bei den entsprechenden Verfahren, die z. B. als LaserCusing, Selective Laser Melting (SLM), Lasersintern, Selective Laser Sintering (SLS), Elektronenstrahlsintern, Electron Beam Melting (EBM), oder 3D-Printing usw. bekannt sind, wird der hinzuzufügende oder aufzutragende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Das Pulver wird hierbei insbesondere schichtweise auf eine Grundplatte oder einen Träger aufgetragen. Anschließend wird die Pulverschicht in einem Bauteilbereich zum Ausbilden des Bauteils mittels einer Energiestrahlung verfestigt, wie z. B. eines Laserstrahls und/oder Elektronenstrahls. Anschließend wird über dieser Pulverschicht die nächste Pulverschicht aufgetragen und mittels Energiestrahlung wiederum selektiv verfestigt. Auf diese Weise kann Schicht für Schicht das Bauteil aufgebaut werden. Die Verfestigung der jeweiligen Pulverschicht erfolgt dabei üblicherweise auf Basis von Geometriedaten, z. B. CAD-Daten, des herzustellenden Bauteils. Der Bereich der Pulverschicht kann beispielsweise abgescannt und der Bauteilbereich der Pulverschicht mittels Energiestrahlung verfestigt werden. Durch Einwirken der Energiestrahlung wird das Pulver in diesem Bereich gesintert oder aufgeschmolzen. Zudem kann die Verfestigung des Pulvers mittels Energiestrahlung ohne Abschirmung oder abgeschirmt z. B. in einer Schutzgas- oder Edelgasatmosphäre, oder im Vakuum, erfolgen.
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Bei der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung 2 kann als Pulver beispielsweise ein Pulver aus einem Metall oder einer Metallergierung eingesetzt werden oder aus einem anderen geeigneten Material oder Materialkombination. Das Pulver wird, wie zuvor beschrieben, schichtweise auf einen Träger aufgebracht und in einem Bauteilbereich der Pulverschicht mittels Energiestrahlung einer Energiestrahlungsquelle, wie z. B. einem Laser oder einer Elektronenstrahlquelle, verfestigt. Der Bauteilbereich umfasst dabei den Bereich des ersten Sicherungselements 3 bzw. zweiten Sicherungselements 4 der Sicherungsvorrichtung 2. Das erste Sicherungselement 3 wird dabei unabhängig von dem zweiten Sicherungselement 4 hergestellt. Später werden beide Sicherungselemente 3, 4 zusammen montiert zum Sichern eines Schaufelelements 1. Beide Sicherungselemente 3, 4 bilden hierbei gemeinsam die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung 2. Nachdem die Pulverschicht in ihrem Bauteilbereich mittels Energiestrahlung aufgeschmolzen und verfestigt wurde, wird die nächste Pulverschicht darüber aufgetragen und der Bauteilbereich dieser Pulverschicht mittels Energiestrahlung aufgeschmolzen und verfestigt. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das fertige Bauteil hergestellt ist, d. h. das erste bzw. zweite Sicherungselement 3, 4. Nach dem Entfernen des nicht verfestigten Pulvers kam das Sicherungselement 3 bzw. 4 sofort verwendet werden oder auch bei Bedarf noch nachbearbeitet oder nachbehandelt werden.
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Als Schaufelelement kann mittels der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung, wie sie zuvor mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben wurde, beispielsweise eine Laufschaufel eines Verdichters oder einer Turbine eines Flugzeugtriebwerks oder einer stationären Gasturbine gesichert werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sendern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufelelement
- 2
- Sicherungsvorrichtung
- 3
- erstes Sicherungselement
- 4
- zweites Sicherungselement
- 5
- Schaufelfuß
- 6
- Nut
- 7
- Scheibe (Lauf- oder Radscheibe)
- 8
- Schwalbenschwanzverbindung
- 9
- erster Abschnitt (erstes Sicherungselement)
- 10
- Vertiefung (erstes Sicherungselement)
- 11
- zweiter Abschnitt (erstes Sicherungselement)
- 12
- erster Abschnitt (zweites Sicherungselement)
- 13
- Vorsprung (zweites Sicherungselement)
- 14
- zweiter Abschnitt (zweites Sicherungselement)
- 15
- Aufnahme
