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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Schaufelprofil und ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelprofils.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Turbinen finden weit verbreitete Anwendung in industriellen und gewerblichen Betrieben. Eine typische gewerbliche Dampf- oder Gasturbine zur Erzeugung von elektrischem Strom weist abwechselnde Stufen von stationären und rotierenden Schaufelprofilen auf. Beispielsweise können stationäre Leitschaufeln an einem stationären Bauteil, wie etwa ein die Turbine umgebendes Gehäuse, angebracht sein, und rotierende Laufschaufeln können an einem längs einer axialen Mittelinie der Turbine befindlichen Rotor angebracht sein. Ein druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid, wie etwa, jedoch nicht beschränkt darauf, Dampf, Verbrennungsgase oder Luft strömt durch die Turbine, und die stationären Leitschaufeln beschleunigen und leiten das druckbeaufschlagte Arbeitsfluid auf die nachfolgende Stufe der rotierenden Laufschaufeln, um Bewegung auf die rotierenden Laufschaufeln zu übertragen und somit den Rotor zu drehen und Arbeit auszuführen oder Schubkraft zu erzeugen.
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Der Wirkungsgrad der Turbine steigt im Allgemeinen mit steigenden Temperaturen des druckbeaufschlagten Arbeitsfluids. Zu hohe Temperaturen können jedoch die Lebensdauer des Schaufelprofils in der Turbine verkürzen und dadurch Reparaturen, Wartung und Ausfälle im Zusammenhang mit der Turbine erhöhen. Dies hat dazu geführt, dass verschiedene Bauformen und Verfahren entwickelt wurden, um die Schaufelprofile zu kühlen. Beispielsweise kann ein Kühlmedium in einen Hohlraum im Innern des Schaufelprofils gefördert werden, um dem Schaufelprofil umwälzend und/oder ableitend Wärme zu entziehen. In besonderen Ausführungsformen kann das Kühlmedium aus dem Hohlraum durch Kühldurchgänge in dem Schaufelprofil fließen, um für eine Filmkühlung über der äußeren Oberfläche des Schaufelprofils zu sorgen.
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Der Hohlraum und die Kühldurchgänge in dem Schaufelprofil können mittels eines Feingussprozesses hergestellt werden, der gemeinhin als Wachsausschmelzprozess bezeichnet wird. Der Wachsausschmelzprozess verwendet einen Keramikkern, um den Hohlraum im Innern des Schaufelprofils zu definieren. Über dem Keramikkern wird Wachs aufgetragen, und die Wachsoberfläche wird in die gewünschte Krümmung des Schaufelprofils geformt. Der mit Wachs überzogene Keramikkern wird dann wiederholt in eine flüssige Keramiklösung eingetaucht, um über der Wachsoberfläche eine Keramikhülle zu schaffen. Das Wachs kann dann erhitzt werden, um das Wachs zwischen dem Keramikkern und der Keramikhülle zu entfernen, wodurch zwischen dem Keramikkern und der Keramikhülle ein leerer Raum entsteht, der als Form für das Schaufelprofil dient. Um das Schaufelprofil zu formen, kann dann geschmolzenes Metall in die Form gegossen werden. Nach dem Abkühlen und Verfestigen des Metalls kann die Keramikhülle zerbrochen und entfernt werden, wodurch das Metall freigelegt wird, das die Form des durch Entfernen des Wachses erzeugten leeren Raums angenommen hat. Der Keramikkern kann dann aufgelöst werden, um das Schaufelprofil mit dem Hohlraum und den Kühldurchgängen herzustellen.
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Um die Menge der durch das Schaufelprofil fließenden Kühlmedien zu reduzieren wurden verschiedene Bemühungen wurden unternommen. Beispielsweise kann eine Reduzierung der Größe und/oder Breite der Kühldurchgänge die Wärmeübertagung zu den Kühlmedien verstärken, während gleichzeitig die Menge des durch das Schaufelprofil fließenden Kühlmediums reduziert wird. Die kleineren Kühldurchgänge erfordern jedoch entsprechend kleinere Auskragungen vom Keramikkern, die empfindlich gegen Beschädigung während des Gießprozesses sind. Die Auskragungen vom Keramikkern in der Nähe beider Enden des Keramikkerns sind insbesondere anfällig gegen Abbrechen während des Gießens. In der Bemühung, die Keramikkerne zu verstärken und dennoch kleinere Kühldurchgänge bereitzustellen, können die Auskragungen vom Keramikkern an beiden Enden größer und in der Mitte schmaler sein. Die größeren Auskragungen können jedoch zu einem ungleichmäßigen Kühlmittelfluss durch die entsprechend größeren Kühldurchgänge führen und dabei einen ausreichenden Kühlmitteldurchfluss durch die kleineren Kühldurchgänge verhindern. Demzufolge wären ein Schaufelprofil und ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelprofils, welches ein erwünschtes Kühlmedienströmungsprofil in dem Schaufelprofil erzeugt, sinnvoll.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung sind weiter unten in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt oder sind aus der Beschreibung naheliegend oder können durch praktische Ausführung der Erfindung erlernt werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Schaufelprofil das eine Druckseite, eine der Druckseite gegenüberliegende Sogseite und einen im Innern des Schaufelprofils befindlichen Hohlraum zwischen der Druck- und der Sogseite aufweist, sowie eine Abströmkante, die sich stromabwärts des zwischen der Druck- und Sogseite angeordneten Hohlraums befindet. Ein erster Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante stellt eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante her. Eine erste Trennwand durch jeden Kühldurchgang im ersten Satz von Kühldurchgängen erstreckt sich von der Druckseite zur Sogseite an der Abströmkante. Das Schaufelprofil kann umfassen:
- a. eine Druckseite;
- b. eine der Druckseite gegenüberliegende Sogseite;
- c. einen Hohlraum im Innern des Schaufelprofils zwischen der Druck- und der Sogseite;
- d. eine Abströmkante, die sich stromabwärts des zwischen der Druck- und Sogseite angeordneten Hohlraums befindet;
- e. einen ersten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante, wobei der erste Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante herstellt; und
- f. eine erste Trennwand durch jeden Kühldurchgang im ersten Satz von Kühldurchgängen, wobei sich jede erste Trennwand von der Druckseite zur Sogseite an der Abströmkante erstreckt.
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Das Schaufelprofil kann ferner mehrere erste Trennwände durch jeden Kühldurchgang im ersten Satz von Kühldurchgängen umfassen.
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Die oben erwähnten Schaufelprofile können weiterhin jeweils einen zweiten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante umfassen, wobei der zweite Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante herstellt, und die Kühldurchgänge des ersten Satzes breiter sind als die Kühldurchgänge des zweiten Satzes.
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Das oben erwähnte Schaufelprofil kann ferner einen dritten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante umfassen, wobei der dritte Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante herstellt und die Kühldurchgänge des zweiten Satzes breiter sind ist als die Kühldurchgänge des dritten Satzes.
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Die oben erwähnten Schaufelprofile können jeweils einen zweiten Satz von Stiften umfassen, die sich durch jeden Kühldurchgang in dem zweiten Satz von Kühldurchgängen stromaufwärts der Abströmkante erstrecken. Der zweite Satz von Stiften kann im Innern eines jeden Kühldurchgangs im zweiten Satz von Kühldurchgängen axial gestaffelt werden.
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Die oben erwähnten Schaufelprofile können ferner jeweils eine zweite Trennwand durch jeden Kühldurchgang im zweiten Satz von Kühldurchgängen umfassen, wobei sich jede zweite Trennwand von der Druckseite zu der Sogseite an der Abströmkante erstreckt. Jede erste Trennwand kann breiter als jede zweite Trennwand sein.
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Der erste Satz von Kühldurchgängen eines jeden der oben erwähnten Schaufelprofile kann sich axial verjüngen.
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Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Schaufelprofil, das eine Druckseite, eine der Druckseite gegenüberliegende Sogseite und einen im Innern des Schaufelprofils befindlichen Hohlraum zwischen der Druck- und der Sogseite aufweist, sowie eine Abströmkante, die sich stromabwärts des zwischen der Druck- und Sogseite angeordneten Hohlraums befindet. Ein erster Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante stellt eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante her. Ein erster Satz von Stiften erstreckt sich durch jeden Kühldurchgang im ersten Satz von Kühldurchgängen stromaufwärts der Abströmkante. Dieses Schaufelprofil kann umfassen:
- g. eine Druckseite;
- h. eine der Druckseite gegenüberliegende Sogseite;
- i. einen Hohlraum im Innern des Schaufelprofils zwischen der Druck- und der Sogseite;
- j. eine Abströmkante, die sich stromabwärts des zwischen der Druck- und Sogseite angeordneten Hohlraums befindet;
- k. einen ersten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante, wobei der erste Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante herstellt; und
- l. einen ersten Satz von Stiften, die sich durch jeden Kühldurchgang im ersten Satz von Kühldurchgängen stromaufwärts der Abströmkante erstrecken.
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Der erste Satz von Stiften des Schaufelprofils kann axial gestaffelt im Innern jedes Kühldurchgangs im ersten Satz von Kühldurchgängen angeordnet sein.
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Das Schaufelprofil kann ferner einen zweiten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante umfassen, wobei der zweite Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung von dem Hohlraum durch die Abströmkante herstellt und die Kühldurchgänge des ersten Satzes breiter sind als die Kühldurchgänge des zweiten Satzes.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Schaufelprofil einen dritten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante umfassen, wobei der dritte Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung von dem Hohlraum durch die Abströmkante herstellt und die Kühldurchgänge des zweiten Satzes breiter sind als die Kühldurchgänge des dritten Satzes.
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Jedes der oben erwähnten Schaufelprofile kann weiter einen zweiten Satz von Stiften umfassen, die sich durch jeden Kühldurchgang im zweiten Satz von Kühldurchgängen stromaufwärts der Abströmkante erstrecken.
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Jedes der oben erwähnten Schaufelprofile kann weiter eine zweite Trennwand durch jeden Kühldurchgang im zweiten Satz von Kühldurchgängen umfassen, wobei sich jede zweite Trennwand von der Druckseite zur Sogseite an der Abströmkante erstreckt. Optional können sich die Kühldurchgänge des ersten Satzes axial verjüngen.
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Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls ein Schaufelprofil mit einer Druckseite, einer der Druckseite gegenüberliegende Sogseite und einen im Innern des Schaufelprofils befindlichen Hohlraum zwischen der Druck- und der Sogseite aufweisen, sowie eine Abströmkante, die sich stromabwärts des zwischen der Druck- und Sogseite angeordneten Hohlraums befindet. Ein erster Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante stellt eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante her. Ein zweiter Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante stellt eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante her, und die Kühldurchgänge des ersten Satzes sind breiter als die Kühldurchgänge des zweiten Satzes. Das Schaufelprofil weist weiter Mittel zum Reduzieren des Durchflusses durch den ersten Satz von Kühldurchgängen auf. Dieses Schaufelprofil hat die Merkmale:
- m. eine Druckseite;
- n. eine der Druckseite gegenüberliegende Sogseite;
- o. einen Hohlraum im Innern des Schaufelprofils zwischen der Druck- und der Sogseite;
- p. eine Abströmkante, die sich stromabwärts des zwischen der Druck- und Sogseite angeordneten Hohlraums befindet;
- q. einen ersten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante, wobei der erste Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante herstellt;
- r. einen zweiten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante, wobei der zweite Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante herstellt und die Kühldurchgänge des ersten Satzes breiter sind als die Kühldurchgänge des zweiten Satzes; und
- s. erste Mittel zum Reduzieren des Durchflusses durch den ersten Satz von Kühldurchgängen.
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Das Schaufelprofil kann ferner zweite Mittel zum Reduzieren des Durchflusses durch den zweiten Satz von Kühldurchgängen umfassen.
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Jedes der oben erwähnten Schaufelprofile kann ferner einen dritten Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante umfassen, wobei der dritte Satz von Kühldurchgängen eine Fluidverbindung vom Hohlraum durch die Abströmkante herstellt und die Kühldurchgänge des zweiten Satzes breiter sind als die Kühldurchgänge des dritten Satzes. Optional verjüngen sich die Kühldurchgänge des ersten Satzes axial.
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Der Durchschnittsfachmann wird die Merkmale und Aspekte solcher und anderer Ausführungsformen nach Durchsicht der Beschreibung besser verstehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine vollständige und für den Fachmann nachvollziehbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich deren bester Ausführung ist insbesondere in der übrigen Beschreibung auch mit Bezugnahme auf die beigefügten Figuren dargelegt, wobei:
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaufelprofils einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Draufsicht eines Kerns zum Herstellen des in 1 gezeigten Schaufelprofils;
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaufelprofils gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine Draufsicht eines Kerns zum Herstellen des in 3 gezeigten Schaufelprofils;
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5 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaufelprofils gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 ist eine Draufsicht eines Kerns zum Herstellen des in 5 gezeigten Schaufelprofils;
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7 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaufelprofils gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 ist eine Draufsicht eines Kerns zum Herstellen des in 7 gezeigten Schaufelprofils; und
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9 ist ein beispielhaftes Diagramm von Spannungen in dem in 8 gezeigten Kern.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun ausführlich Bezug genommen auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Die ausführliche Beschreibung verwendet Zahlen- und Buchstabenbezeichnungen, um auf Merkmale in den Zeichnungen zu verweisen. Gleichartige oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung wurden verwendet, um auf gleichartige oder ähnliche Teile der Erfindung zu verweisen. Die hier verwendeten Begriffe „erste”, „zweite” und „dritte” können austauschbar verwendet werden, um ein Bauteil von einem anderen zu unterscheiden und sind nicht angedacht, die Position oder die Wichtigkeit der einzelnen Bauteile zu kennzeichnen. Außerdem beziehen sich die Begriffe „stromaufwärts” und „stromabwärts” auf relative Positionen der Bauteile in einem Fluidpfad. Beispielsweise befindet sich Bauteil A stromaufwärts von Bauteil B, wenn ein Fluid von Bauteil A zum Bauteil B fließt. Umgekehrt befindet sich Bauteil B stromabwärts von Bauteil A, wenn Bauteil B eine Fluidströmung von Bauteil A empfängt.
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Jedes Beispiel wird durch Erklärung der Erfindung und nicht durch Einschränkung der Erfindung gegeben. Es wird in der Tat dem Fachmann deutlich gemacht, dass Abwandlungen und Änderungen in der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung oder dem Erfindungsgedanken abzuweichen. Beispielsweise können die als Teil einer Ausführungsform dargestellten oder beschriebenen Merkmale zusammen mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erzielen. Es ist somit beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Abwandlungen und Abänderung mit einbezieht, die in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Schaufelprofil und ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelprofils. Das Schaufelprofil umfasst im Allgemeinen eine Druckseite mit einer konkaven Krümmung, eine Sogseite, die eine konvexe Krümmung aufweist und der Druckseite gegenüberliegt, einen Hohlraum, der sich im Innern des Schaufelprofils zwischen der Druck- und der Sogseite befindet, und eine Abströmkante stromabwärts des Hohlraums zwischen der Druck- und der Sogseite. Das Schaufelprofil umfasst ferner einen oder mehrere Sätze von Kühldurchgängen durch die Abströmkante, die eine Fluidverbindung von dem Hohlraum durch die Abströmkante herstellen. Ein oder mehrere Sätze können verschiedene Mittel zur Reduzierung des Durchflusses durch die Kühldurchgänge aufweisen. In besonderen Ausführungsformen können diese Mittel beispielsweise eine oder mehrere Trennwände durch einige der Kühldurchgänge an der Abströmkante aufweisen. In anderen bestimmten Ausführungsformen können die Mittel einen Satz von Stiften umfassen, die sich durch einige der Kühldurchgänge erstrecken. Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen im Zusammenhang mit einem in einer Turbine eingesetzten Schaufelprofil beschrieben werden ist es für den Durchschnittsfachmann aus den hier vorliegenden Lehren ohne weiteres verständlich, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Turbine beschränkt sind, es sei denn dies ist ausdrücklich in den Ansprüchen angegeben.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen identische Ziffern durchgehend in den Figuren dieselben Elemente kennzeichnen, wird in 1 eine perspektivische Ansicht eines Schaufelprofils 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Schaufelprofil 10 im Allgemeinen eine Druckseite 12 mit einer konkaven Krümmung und eine Sogseite 14, die eine konvexe Krümmung aufweist und der Druckseite 12 gegenüberliegt. Die Druck- und die Sogseite 12, 14 sind voneinander getrennt, um einen Hohlraum 16 im Innern des Schaufelprofils 10 zwischen der Druck- und der Sogseite 12, 14 zu definieren. Der Hohlraum 16 kann einen schlangenförmigen oder verwundenen Pfad für ein Kühlmedium vorsehen, das in das Innere des Schaufelprofils 10 fließt, um Wärme aus dem Schaufelprofil 10 zu entziehen. Das Schaufelprofil 10 umfasst ferner eine Abströmkante 18 stromabwärts des Hohlraums 16 zwischen der Druck- und der Sogseite 12, 14, und mehrere Kühldurchgänge 20 durch die Abströmkante 18 stellen eine Fluidverbindung vom Hohlraum 16 durch die Abströmkante 18 her. Der hier verwendete Begriff „Abströmkante” ist nicht auf den am weitesten stromabwärts befindlichen Teil des Schaufelprofils 10 beschränkt und kann ebenfalls Teile des Schaufelprofils 10 auf der Druck- und/oder Sogseite 12, 14 umfassen, dies sich stromabwärts des Hohlraums 16 befinden.
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Die Kühldurchgänge 20 können in mehreren Sätzen angeordnet werden, wobei jeder Satz von Kühldurchgängen 20 eine unterschiedliche Größe, Form und/oder Breite aufweist. Beispielsweise kann ein ganz oben oder ganz unten an der Abströmkante 18 befindlicher erster Satz 22 von Kühldurchgängen eine größere Größe und/oder Breite aufweisen als ein in der Mitte der Abströmkante 18 befindlicher zweiter Satz 24 von Kühldurchgängen. In der beispielsweise in 1 gezeigten besonderen Ausführungsform kann der erste Satz 22 von Kühldurchgängen drei Kühldurchgänge 20 ganz oben und drei Kühldurchgänge 20 ganz unten an der Abströmkante 18 aufweisen. Wie in 1 gezeigt kann sich jeder Kühldurchgang 20 axial verjüngen und die Kühldurchgänge 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen können jeweils eine Größe und/oder Breite aufweisen, die ungefähr dreimal so groß ist wie jeweils diejenige der Kühldurchgänge 20 im zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen. Der Durchschnittsfachmann kann ohne weiteres aus den hier angegebenen Lehren entnehmen, dass die Anzahl von Kühldurchgängen 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen zwischen 1 und 10 oder mehr variieren kann und die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Kühldurchgängen 20 in irgendeinem der Sätze 22, 24 von Kühldurchgängen beschränkt ist, es sei denn dies ist ausdrücklich in den Ansprüchen angegeben. Gleichermaßen kann der Unterschied in Größe und/oder Breite zwischen den Sätzen von Kühldurchgängen 20 zwischen ungefähr dem 1,1-fachen und 10-fachen oder mehr variieren, abhängig von der Größe des Schaufelprofils 10 und der Anzahl von unterschiedlichen Sätzen 22, 24 im Schaufelprofil 10, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Unterschied in Größe und/oder Breite der Kühldurchgänge 20 beschränkt, es sei denn, dies ist ausdrücklich in den Ansprüchen angegeben.
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Der Unterschied in Größe, Form und/oder Breite zwischen dem ersten und zweiten Satz 22, 24 von Kühldurchgängen würde normalerweise eine unerwünschte Ungleichheit im Kühlmediendurchfluss entlang der Länge der Abströmkante 18 erzeugen. Insbesondere würde die größere Größe und/oder Breite des ersten Satzes 22 von Kühldurchgängen dazu führen, dass mehr Kühlmedium durch den ersten Satz 22 von Kühldurchgängen fließt, und würde möglicher dazu führen, dass nicht genug Kühlmedium durch den zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen fließt. Um diese Ungleichheit zu reduzieren kann der erste Satz 22 von Kühldurchgängen ferner Mittel zur Reduzierung des Durchflusses durch den ersten Satz 22 von Kühldurchgängen aufweisen. In der in 1 gezeigten besonderen Ausführungsform kann beispielsweise die diesen Mitteln zugeordnete Struktur eine erste Trennwand 30 durch jeden Kühldurchgang 20 im ersten Satz 22 für Kühldurchgänge aufweisen. Jede erste Trennwand 30 ist im Wesentlichen eine Stange, Lasche, Stumpf, Stift oder eine ähnliche Struktur, die sich von der Druckseite 12 zur Sogseite 14 an der Abströmkante 18 erstrecken kann. Dadurch kann jede erste Trennwand 30 den Kühlmediendurchfluss durch jeden der Kühldurchgänge 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen teilweise behindern, um jegliche Ungleichheit im Kühlmediendurchfluss entlang der Länge der Abströmkante 18 zu reduzieren. Zusätzlich können sich die Kühldurchgänge des ersten Satzes 22 stärker verjüngen als die anderen Kühldurchgänge 20, um diese Ungleichheit noch weiter zu reduzieren.
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2 ist eine Draufsicht eines Kerns 40, der verwendet werden kann, um das in 1 gezeigte Schaufelprofil 10 herzustellen. Wie in 2 gezeigt kann der Kern 40 einen schlangenförmigen Abschnitt 42 umfassen, der eine Anzahl von langen, dünnen Abzweigungen oder Vorsprüngen 44 aufweist, die von dem schlangenförmigen Abschnitt 42 ausgehen. Der schlangenförmige Abschnitt entspricht im Allgemeinen der Größe und der Position des Hohlraums 16 im Schaufelprofil 10, und die Vorsprünge 44 entsprechen im Allgemeinen der Größe und Position der Kühldurchgänge 20 durch die Abströmkante 18. Wie beispielsweise in 2 gezeigt können die Vorsprünge 44 in einem ersten Satz 46 von Vorsprüngen ganz oben und ganz unten am Kern 40 zusammengefasst werden, wobei diese Vorsprünge ungefähr die dreifache Größe und/oder Breite aufweisen wie die übrigen Vorsprünge 44 in einem zweiten Satz 48 von Vorsprüngen in der Mitte des Kerns 40. Außerdem umfasst der erste Satz 46 von Vorsprüngen Laschen oder Nuten 50 die im Allgemeinen der Position der bezüglich 1 beschriebenen ersten Trennwand 30 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen entsprechen. Die erhöhte Größe und/oder Breite der Vorsprünge des ersten Satzes 46 erhöht die Lebensdauer und die Beständigkeit gegen Beschädigungen der Vorsprünge 44 während der nachfolgenden Gießvorgänge.
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Der Kern 40 kann aus jedem beliebigen Werkstoff hergestellt werden, der eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den im Zusammenhang mit dem Gusswerkstoff (z. B. ein hochlegiertes Metall) auftretenden hohen Temperaturen zu widerstehen, während gleichzeitig die für den Kern 40 notwendige genaue Positionierung beim Gießen eingehalten wird. Der Kern 40 kann beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff, einem keramischen Verbundwerkstoff oder anderen geeigneten Werkstoffen gegossen werden. Nach dem Gießen oder einer anderen Fertigungsweise können ein Laser, eine Funkenerosionsmaschine, Bohrmaschine, Wasserstrahlschneidmaschine oder jede andere geeignete Vorrichtung eingesetzt werden, um den in 2 gezeigten schlangenförmigen Abschnitt 42, die Vorsprünge 44 und/oder Nuten 50 weiter zu entwickeln oder zu formen. Der Kern 40 kann dann in einem im Stand der Technik bekannten Wachsauschmelzprozess benutzt werden. Der Kern 40 kann beispielsweise mit Wachs oder einem anderen geeigneten Material beschichtet werden, das leicht in die gewünschte Dicke und Krümmung des Schaufelprofils 10 geformt werden kann. Der mit Wachs beschichtete Kern 40 kann dann wiederholt in eine flüssige Keramiklösung getaucht werden, um eine keramische Hülle über der Wachsoberfläche zu erzeugen. Das Wachs kann dann erhitzt werden, um das Wachs zwischen dem Kern 40 und der Keramikhülle zu entfernen, wodurch ein leerer Raum zwischen dem Kern 40 und der Keramikhülle geschaffen wird, der als Form für das Schaufelprofil 10 dient. Geschmolzenes Metall kann in die Form gegossen werden, um das Schaufelprofil 10 auszubilden. Nachdem sich das Metall abkühlt und verfestigt hat kann die Keramikhülle zerbrochen und entfernt werden, wodurch das Metall freigelegt wird, das die Form des nach dem Entfernen des Wachses erzeugten leeren Raums angenommen hat. Der Kern 40 kann dann aufgelöst werden, um das Schaufelprofil 10 mit dem Hohlraum 16, den Kühldurchgängen 20 und den in 1 gezeigten ersten Trennwänden 30 herzustellen.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaufelprofils 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt umfasst das Schaufelprofil 10 im Allgemeinen die Druckseite 12, die Sogseite 14, den Hohlraum 16, die Abströmkante 18 sowie die Kühldurchgänge 20, wie bereits in Bezug auf 1 besprochen. In dieser besonderen Ausführungsform sind die Kühldurchgänge 20 in ersten, zweiten und dritten Sätzen 22, 24, 26 von Kühldurchgängen angeordnet, wobei jeder Satz von Kühldurchgängen 20 eine unterschiedliche Größe und/oder Breite aufweist. Wie beispielsweise in 3 gezeigt umfasst der erste Satz 22 von Kühldurchgängen einen einzelnen Kühldurchgang 20 ganz oben und ganz unten an der Abströmkante 18, der zweite Satz 24 von Kühldurchgängen umfasst einen einzelnen Kühldurchgang 20, der sich jeweils neben dem Kühldurchgang 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen befindet, und der dritte Satz 26 von Kühldurchgängen umfasst die übrigen Kühldurchgänge, die sich in der Mitte der Abströmkante 18 befinden. In der in 3 gezeigten besonderen Ausführungsform können sich die Kühldurchgänge jeweils verjüngen. Die Kühldurchgänge 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen können jeweils eine Größe und/oder Breite aufweisen, die ungefähr fünfmal so groß ist wie jeweils diejenige der Kühldurchgänge 20 im dritten Satz 26 von Kühldurchgängen, und die Kühldurchgänge 20 im zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen können jeweils eine Größe und/oder Breite aufweisen, die ungefähr dreimal so groß ist wie jeweils diejenige der Kühldurchgänge 20 im dritten Satz 26 von Kühldurchgängen. Der Durchschnittsfachmann wird ohne weiteres aus den hier angegeben Lehren verstehen, dass die Anzahl von Kühldurchgängen 20 im ersten und zweiten Satz 22, 24 von Kühldurchgängen zwischen 1 und 10 oder mehr variieren kann und die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Kühldurchgängen 20 in irgendeinem der Sätze 22, 24 von Kühldurchgängen beschränkt ist, es sei denn dies ist ausdrücklich in den Ansprüchen angegeben. Gleichermaßen kann der Unterschied in Größe und/oder Breite zwischen den Sätzen 22, 24, 26 von Kühldurchgängen 20 zwischen ungefähr dem 1,1-fachen und 10-fachen oder mehr variieren, abhängig von der Größe des Schaufelprofils 10 und der Anzahl von unterschiedlichen Sätzen 22, 24, 26 im Schaufelprofil 10, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Unterschied in Größe und/oder Breite der Kühldurchgänge 20 beschränkt, es sei denn, dies ist ausdrücklich in den Ansprüchen angegeben.
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Der Unterschied in Größe, Form und/oder Breite zwischen dem ersten, zweiten und dritten Satz 22, 24, 26 von Kühldurchgängen würde normalerweise eine unerwünschte Ungleichheit im Kühlmediendurchfluss entlang der Länge der Abströmkante 18 erzeugen. Insbesondere würde die größere Größe und/oder Breite des ersten und zweiten Satzes 22, 24 von Kühldurchgängen dazu führen, dass mehr Kühlmedium durch den ersten und zweiten Satz 22, 24 von Kühldurchgängen fließt, und würde möglicher dazu führen, dass nicht genug Kühlmedium durch den dritten Satz 26 von Kühldurchgängen fließt. Um diese Ungleichheit zu reduzieren, können der erste und/oder zweite Satz 22, 24 von Kühldurchgängen ferner Mittel zur Reduzierung des Durchflusses durch die entsprechenden Kühldurchgänge 20 aufweisen. In der in 3 gezeigten besonderen Ausführungsform kann beispielsweise die diesen Mitteln im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen zugeordnete Struktur mehrere erste Trennwände 30 durch jeden Kühldurchgang 20 im ersten Satz 22 für Kühldurchgänge aufweisen. Jede erste Trennwand 30 ist im Wesentlichen eine Stange, Lasche, Stumpf, Stift oder eine ähnliche Struktur, die sich von der Druckseite 12 zur Sogseite 14 an der Abströmkante 18 erstrecken kann. Dadurch können die mehreren ersten Trennwände 30 den Kühlmediendurchfluss durch jeden der Kühldurchgänge 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen teilweise behindern. Die den Mitteln im zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen zugeordnete Struktur kann gleichermaßen einen oder mehrere zweite Trennwände 32 durch jeden Kühldurchgang 20 im zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen aufweisen. Die Kombination der Mittel zum Reduzieren des Durchflusses durch den ersten und zweiten Satz 22, 24 von Kühldurchgängen reduziert jegliche Ungleichheit im Kühlmediendurchfluss entlang der Länge der Abströmkante 18. Zusätzlich können sich die Kühldurchgänge des ersten und/oder zweiten Satzes 22, 24 stärker verjüngen als die des dritten Satzes 26 von Kühldurchgängen, um diese Ungleichheit noch weiter zu reduzieren.
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4 ist eine Draufsicht des Kerns 40, der zur Herstellung des in 3 gezeigten Schaufelprofils 10 verwendet werden kann. Wie in 4 gezeigt kann der Kern 40 wieder den schlangenförmigen Abschnitt 42, die Vorsprünge 44 und die Nuten 50 aufweisen, wie bereits mit Bezug auf 2 beschrieben. In der in 4 gezeigten besonderen Ausführungsform sind die Vorsprünge 44 in ersten, zweiten und dritten Sätzen 46, 48, 49 angeordnet, die der Position und der Größe der Kühldurchgänge 20 im ersten, zweiten, beziehungsweise dritten Satz 22, 24, 26 von Kühldurchgängen entsprechen. Insbesondere umfasst der erste Satz 46 von Vorsprüngen ganz oben und ganz unten am Kern 40 die Vorsprünge 44, die ungefähr die fünffache Größe und/oder Breite der Vorsprünge 44 im dritten Satz 49 von Vorsprüngen haben. Gleichermaßen umfasst der zweite Satz 48 von Vorsprüngen die zum ersten Satz 46 von Vorsprüngen benachbarten Vorsprünge 44, die ungefähr die dreifache Größe und/oder Breite der Vorsprünge 44 im dritten Satz 49 von Vorsprüngen haben. Schließlich befinden sich die Kühldurchgänge des dritten Satzes 49 in der Mitte des Kerns 40. Außerdem umfassen der erste und der zweite Satz 46, 48 die Laschen oder Nuten 50, die im Allgemeinen den ersten und zweiten Trennwänden 30, 32 im ersten und zweiten Satz 22, 24 von Kühldurchgängen entsprechen, wie mit Bezug auf 3 beschrieben. Die erhöhte Größe und/oder Breite der Vorsprünge des ersten und zweiten Satzes 46, 48 erhöht die Lebensdauer und die Beständigkeit gegen Beschädigungen der Vorsprünge 44 während der nachfolgenden Gießvorgänge.
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5 ist eine perspektivische Ansicht des Schaufelprofils 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 6 ist eine Draufsicht des Kerns 40 zum Herstellen des in 5 gezeigten Schaufelprofils 10. Wie in den 5 und 6 gezeigt, weisen das Schaufelprofil 10 und der Kern 40 im Allgemeinen dieselben Bauteile auf wie die zuvor mit Bezug auf die in den 1–4 gezeigten Ausführungsformen. In dieser besonderen Ausführungsform können sich die Kühldurchgänge 20 jeweils axial verjüngen. Die Kühldurchgänge 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen 22 können jeweils eine Größe und/oder Breite aufweisen, die ungefähr viermal so groß ist wie jeweils diejenige der Kühldurchgänge 20 im dritten Satz 26 von Kühldurchgängen, und die Kühldurchgänge 20 im zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen können jeweils eine Größe und/oder Breite aufweisen, die ungefähr dreimal so groß ist wie jeweils diejenige der Kühldurchgänge 20 im dritten Satz 26 von Kühldurchgängen. Die den Mitteln zur Reduzierung des Durchflusses durch die Kühldurchgänge 20 im ersten und zweiten Satz 22, 24 von Kühldurchgängen zugeordnete Struktur kann wieder erste und zweite Trennwände 30, 32 aufweisen, wie zuvor mit Bezug auf 3 beschrieben. In der in 5 beschriebenen besonderen Ausführungsform sind jedoch die ersten Trennwände 30 jeweils breiter als die jeweiligen zweiten Trennwände 32. Insbesondere können die ersten Trennwände 30 jeweils um das 1,1-fache bis 5-fache oder mehr breiter sein als jeweils die zweiten Trennwände 32, abhängig von der besonderen Ausführungsform. Dadurch verbinden sich die breiteren ersten Trennwände 30 mit den breiteren Kühldurchgängen 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen, um jegliche Ungleichheit im Kühlmediendurchfluss entlang der Länge der Abströmkante 18 zu reduzieren. Außerdem können sich die Kühldurchgänge des ersten und/oder zweiten Satzes 22, 24 stärker verjüngen als die Kühldurchgänge des dritten Satzes 26, um die Ungleichheit noch weiter zu reduzieren.
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Wie am deutlichsten in 6 gezeigt wird umfasst der erste Satz 46 von Vorsprüngen ganz oben und ganz unten am Kern 40 die Vorsprünge 44, die ungefähr viermal die Größe und/oder Breite der Vorsprünge 44 im dritten Satz 49 von Vorsprüngen aufweisen, und der zweite Satz 48 von Vorsprüngen umfasst die zum ersten Satz 46 von Vorsprüngen benachbarten Vorsprünge 44, die ungefähr dreimal die Größe und/oder Breite der Vorsprünge 44 im dritten Satz 49 von Vorsprüngen aufweisen. Die erhöhte Größe und/oder Breite der Vorsprünge des ersten und zweiten Satzes 46, 48 erhöht die Lebensdauer und die Beständigkeit gegen Beschädigungen der Vorsprünge 44 während der nachfolgenden Gießvorgänge.
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7 ist eine perspektivische Ansicht des Schaufelprofils 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 8 ist eine Draufsicht des Kerns 40 zum Herstellen des in 7 gezeigten Schaufelprofils 10. Insbesondere umfasst das Schaufelprofil 10 im Allgemeinen die Druckseite 12, die Sogseite 14 den Hohlraum 16, die Abströmkante 18 und die Kühlungsdurchgänge 20, wie zuvor mit Bezug auf die 1 besprochen. In dieser besonderen Ausführungsform umfasst der erste Satz 22 von Kühldurchgängen zwei Kühldurchgänge 20 ganz oben und ganz unten an der Abströmkante 18, und der zweite Satz 24 von Kühldurchgängen umfasst die in der Mitte der Abströmkante 18 befindlichen Kühldurchgänge 20. Die Kühldurchgänge können sich jeweils axial verjüngen und die Kühldurchgänge 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen können jeweils eine Größe und/oder Breite aufweisen, die ungefähr dreimal so groß ist wie jeweils diejenige der Kühldurchgänge 20 im zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen. Die den Mitteln zur Reduzierung des Durchflusses durch die Kühldurchgänge 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen zugeordnete Struktur kann einen ersten Satz 60 von Stiften umfassen, die sich durch jeden Kühldurchgang 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen stromaufwärts der Abströmkante 18 erstrecken. Die Stifte 60 können den Kühlmediendurchfluss durch die Kühldurchgänge 20 stören, um die Menge an durch den ersten Satz 22 von Kühldurchgängen fließenden Kühlmedien zu reduzieren, während ebenfalls der Wärmeaustausch zwischen dem Schaufelprofil 10 und den Kühlmedien verstärkt wird. Wie in der in 7 gezeigten besonderen Ausführungsform gezeigt wird können ein oder mehrere der Stifte 60 axial versetzt innerhalb der Kühldurchgänge 20 angeordnet werden, um den Wärmeaustausch weiter zu verstärken und den Kühlmediendurchfluss durch die Kühldurchgänge 20 zu steuern. Dadurch kann der erste Satz 60 von Stiften mit den breiteren Kühldurchgängen 20 im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen kombiniert werden, um jegliche Ungleichheiten im Kühlmediendurchfluss entlang der Länge der Abströmkante 18 zu reduzieren. Außerdem können sich die Kühldurchgänge des ersten Satzes 22 von Kühldurchgängen stärker verjüngen als diejenigen des zweiten Satzes 24, um diese Ungleichheiten noch weiter zu reduzieren. Der Durchschnittsfachmann kann ohne weiteres aus den hier angegebenen Lehren entnehmen, dass in noch weiteren Ausführungsformen die Mittel zur Reduzierung des Durchflusses durch den in den 3 und 5 gezeigten zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen einen zweiten Satz von Stiften in jedem Kühldurchgang 20 im zweiten Satz 24 von Kühldurchgängen stromaufwärts der Abströmkante 18 umfassen kann, und eine weitere Darstellung dieser alternativen Struktur ist nicht nötig.
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Wie am deutlichsten in 8 gezeigt wird, kann der Kern 40 wieder den schlangenförmigen Abschnitt 42 und die Vorsprünge 44 aufweisen, wie zuvor mit Bezug auf die 2 beschrieben. In der in 8 gezeigten besonderen Ausführungsform sind die Vorsprünge 44 in ersten und zweiten Sätzen 46, 48 angeordnet, die der Position und der Größe der Kühldurchgänge 20 im ersten, beziehungsweise zweiten Satz 22, 24 von Kühldurchgängen entsprechen. Insbesondere umfasst der erste Satz 46 von Vorsprüngen die zwei Vorsprünge 44 ganz oben und ganz unten am Kern 40, die ungefähr dreimal die Größe und/oder Breite der Vorsprünge 44 im zweiten Satz 48 von Vorsprüngen aufweisen. Außerdem umfasst der erste Satz 46 von Vorsprüngen mehrere Löcher 62, die im Allgemeinen der Position des ersten Satzes 60 von Stiften im ersten Satz 22 von Kühldurchgängen entsprechen, wie mit Bezug auf 7 beschrieben. Die erhöhte Größe und/oder Breite der Vorsprünge des ersten Satzes 46 erhöht die Lebensdauer und die Beständigkeit gegen Beschädigungen der Vorsprünge 44 während der nachfolgenden Gießvorgänge.
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9 ist ein beispielhaftes Diagramm von Spannungen in dem in 8 gezeigten Kern 8. Insbesondere stellt die horizontale Achse das Verhältnis der Breiten der Vorsprünge 44 mit und ohne die Stifte dar, und die vertikale Achse stellt das Verhältnis der Spannungen an den Vorsprüngen mit und ohne Stifte 60 dar. Wie in 9 gezeigt reduziert das Verdoppeln der Breite der Vorsprünge 44 und das Zufügen von Stiften 60 zu den Vorsprüngen die Spannung über die Vorsprünge 44 hinweg um mehr als 50%. Für die in 8 gezeigte besondere Ausführungsform, in der die Vorsprünge 44 im ersten Satz 46 von Vorsprüngen ungefähr dreifach größer und/oder breiter als die Vorsprünge im zweiten Satz 48 von Vorsprüngen sind, betragen die errechneten Spannungen über die Vorsprünge 44 im ersten Satz 46 von Vorsprüngen hinweg weniger als 20% der Spannungen über die Vorsprünge 44 im zweiten Satz 48 der Vorsprünge hinweg.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsform zu offenbaren, und ebenfalls um einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, auch zu dem Zwecke, beliebige Vorrichtungen oder Systeme herzustellen und beliebige darin aufgenommene Verfahren auszuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die für den Fachmann offensichtlich sind. Derartige andere Beispiele sollen in den Schutzumfang der Erfindung fallen, sofern sie bauliche Elemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder sofern sie gleichwertige bauliche Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche umfassen.
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Ein Schaufelprofil umfasst eine Druckseite, eine der Druckseite gegenüberliegende Sogseite, einen im Innern des Schaufelprofils befindlichen Hohlraum zwischen der Druckseite und der Sogseite und eine Abströmkante stromabwärts des Hohlraums zwischen der Druckseite und der Sogseite. Ein erster Satz von Kühldurchgängen durch die Abströmkante stellt eine Fluidverbindung von dem Hohlraum durch die Abströmkante her. Eine erste Trennwand durch jeden Kühldurchgang im ersten Satz von Kühldurchgängen erstreckt sich von der Druckseite zur Sogseite an der Abströmkante.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaufelprofil
- 12
- Druckseite
- 14
- Sogseite
- 16
- Hohlraum
- 18
- Abströmkante
- 20
- Kühldurchgänge
- 22
- Erster Satz von Kühldurchgängen
- 24
- Zweiter Satz von Kühldurchgängen
- 26
- Dritter Satz von Kühldurchgängen
- 28
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- 30
- Erste Trennwand
- 32
- Zweite Trennwand
- 34
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- 36
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- 38
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- 40
- Kern
- 42
- Schlangenförmiger Abschnitt
- 44
- Vorsprünge
- 46
- Erster Satz von Vorsprüngen
- 48
- Zweiter Satz von Vorsprüngen
- 49
- Dritter Satz von Vorsprüngen
- 50
- Nuten
- 52
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- 54
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- 56
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- 58
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- 60
- Erster Satz von Stiften
- 62
- Löcher
- 64
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- 66
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- 68
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- 70
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- 72
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- 74
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- 76
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- 78
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- 80
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- 82
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- 84
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- 86
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- 88
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- 90
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- 92
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- 94
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- 96
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- 98
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- 100
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- 102
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- 104
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- 106
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- 108
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- 110
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- 112
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- 114
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- 116
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- 118
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- 120
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- 122
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- 124
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- 126
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- 128
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- 130
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- 132
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- 134
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- 136
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- 138
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- 140
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- 142
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- 144
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- 146
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- 148
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- 150
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- 152
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