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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfuß, einem sich ausgehend von dem Schaufelfuß in radialer Richtung erstreckenden Schaufelblatt und einem Hohlraum, der die Turbinenschaufel in der radialen Richtung von dem Schaufelfuß bis zu dem freien Ende des Schaufelblatts durchsetzt, wobei das Verfahren unter Verwendung einer eine Außenfläche der Turbinenschaufel definierenden Gussform und eines in der Gussform aufgenommenen und mit Positioniermitteln ausgerichteten Kerns durchgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelfuß, einem sich ausgehend von dem Schaufelfuß in radialer Richtung erstreckenden Schaufelblatt und einem Hohlraum, der die Turbinenschaufel in der radialen Richtung von dem Schaufelfuß bis zu dem freien Ende des Schaufelblatts durchsetzt.
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Derartige Verfahren zum Gießen einer Turbinenschaufel sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt und dienen der Herstellung von Turbinenschaufeln insbesondere für Gasturbinen. In solchen Gasturbinen wird die Strömungsenergie sich entspannenden Heißgases mittels Turbinenschaufeln in Rotationsenergie umgewandelt. Hierzu umfasst eine Gasturbine beispielsweise ein Turbinengehäuse, das von einer Turbinenwelle durchsetzt ist, eine an der Turbinenwelle drehfest gehaltene Turbine, die eine Mehrzahl sich radial erstreckender Turbinenschaufeln aufweist, und eine Brennkammer, in der durch Verbrennen eines mit verdichteter Luft gemischten Brennstoffs Heißgas erzeugt wird. Das Heißgas wird aus der Brennkammer durch Verbindungsrohre in die Turbine geleitet, wo es sich entspannt und die Turbinenschaufeln durchströmt. Der Turbine vorgelagert ist an der Turbinenwelle ein Verdichter drehfest gehalten, der Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Ein Teil der verdichteten Luft wird in die Brennkammer geleitet, und der andere Teil der verdichteten Luft wird zum Kühlen der Turbine verwendet.
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Während des Betriebes einer Gasturbine sind die Turbinenschaufeln infolge der hohen Temperatur des Heißgases und der hohen Drehzahl der Turbinenwelle, die üblicherweise zwischen 3000 und 3600 Umdrehungen pro Minute (U/min) liegt, jedoch bei entsprechender abtriebseitiger Untersetzung auch deutlich höher in einem Bereich zwischen 10.000 und 15.000 Umdrehungen U/min liegen kann, einer starken thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt. Massiv ausgebildete Laufschaufeln bieten zwar eine hohe mechanische Belastbarkeit, begrenzen jedoch die maximal zulässige Temperatur des durchströmenden Heißgases und somit den Wirkungsgrad der Gasturbine.
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Zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit einer Turbinenschaufel kann die Turbinenschaufel von einem Kühlfluid durchströmt werden. In einer derart gekühlten Turbinenschaufel ist wenigstens ein Hohlraum ausgebildet, der die Turbinenschaufel in radialer Richtung durchsetzt und von dem Kühlfluid durchströmt wird. Das in der Turbinenschaufel erwärmte Kühlfluid verlässt die Turbinenschaufel über entsprechende Kühlfluidauslassöffnungen und strömt zusammen mit dem entspannten Heißgas durch einen Abgaskanal aus der Gasturbine.
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Zur Erhöhung des Wirkungsgrads einer Gasturbine wird eine Verlängerung der Turbinenschaufeln angestrebt. Massive Turbinenschaufeln unterliegen in Bezug auf die Herstellung keinen praktischen Beschränkungen, da sie allein durch spanende Außenbearbeitung eines Rohlings hergestellt werden können. Gekühlte Turbinenschaufeln dagegen, die in radialer Richtung von wenigstens einem Hohlraum durchsetzt sind, können wegen ihrer komplexen Form im Allgemeinen nur durch Gießen hergestellt werden. Dazu wird in einer die Außenfläche der Turbinenschaufel definierenden Gussform zumindest ein Kern zum Erzeugen des wenigstens einen Hohlraums positioniert. Dieser wird mit Positioniermitteln in der Gussform ausgerichtet, um die geforderte Wandstärke der Turbinenschaufel einzustellen. Dann wird der zwischen der Gussform und dem Kern verbleibende Zwischenraum mit erhitztem flüssigen Gusswerkstoff gefüllt. Dabei wird der Kern, der gewöhnlich aus einem keramischen Material gefertigt ist, von dem Gusswerkstoff stark erhitzt, was während des Gießens zu einer Verformung und/oder Verlagerung des Kerns in der Gussform führt. Die Verformung des Kerns äußert sich überwiegend in einer radialen Ausdehnung. Diese Ausdehnung kann wegen der gewundenen Form der Turbinenschaufel zu unerwünschten Abweichungen von den vorbestimmten Wandstärken führen. Daneben können durch die hohe Temperatur erzeugte innere Spannungen aber auch zum Brechen des Kerns führen. Zudem unterliegen keramische Kerne bei der allgemeinen Handhabung mit zunehmender Länge einem steigenden Bruchrisiko.
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Wegen dieser hauptsächlich auf den Kern zurückführender Probleme lassen sich hohle Turbinenschaufeln nicht in beliebiger Länge herstellen, was den erreichbaren Wirkungsgrad einer mit gekühlten Turbinenschaufeln versehenen Gasturbine begrenzt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Gießen einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Turbinenschaufeln großer Länge hergestellt werden können.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe ist für ein Verfahren zum Gießen einer Turbinenschaufel dadurch gelöst, dass in der Gussform wenigstens ein zweiter Kern aufgenommen und mit Positioniermitteln ausgerichtet ist, wobei der erste Kern und der zweite Kern in der radialen Richtung hintereinander und derart voneinander beabstandet in der Gussform angeordnet sind, dass zwischen diesen Kernen ein Spalt ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, dass die Verwendung zweier kleinerer Kerne anstelle eines großen einzelnen Kerns die Herstellung und Handhabbarkeit der Kerne erleichtert und zudem deren jeweilige Verformung und/oder Verlagerung während des Gießens reduziert, wodurch einerseits die Gefahr des Brechens verringert wird, andererseits aber auch einem unerwünschten Abweichen von der geforderten Wandstärke der Turbinenschaufel entgegengewirkt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst jeder Kern mehrere sich in der radialen Richtung erstreckende und beabstandet nebeneinander angeordnete Kernabschnitte, die durch Verbindungsstifte miteinander verbunden sind. Mit derartigen Kernen lassen sich in einer Turbinenschaufel mehrere quer zu der radialen Richtung nebeneinander liegende und voneinander getrennte Hohlräume erzeugen.
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Bevorzugt erstreckt sich der Spalt im Wesentlichen quer zu der radialen Richtung. Eine derartige Erstreckung des Spalts ermöglicht jedem Kern eine Ausdehnung in der radialen Richtung, ohne dass in den Kernen eine Druckspannung entsteht, die zum Bruch der Kerne führen könnte. Die Längenausdehnung der Kerne führt dann lediglich zu einer Verringerung des Spaltmaßes, was jedoch bei der Auslegung der Kerne unberücksichtigt bleiben kann.
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Vorteilhaft besitzt der Spalt ein von der Gussform einwärts insbesondere gleichmäßig abnehmendes Spaltmaß. Mit anderen Worten nimmt die Dicke des Spaltes mit zunehmendem Abstand von der Gussform ab, wodurch der Spalt in einer Seitenansicht die Form zweier Keile besitzt, deren Spitzen zueinander weisen. Durch die Gestalt des Spaltes kann berücksichtigt werden, dass die Verformung und/oder Verlagerung der Kerne quer zu der radialen Richtung unterschiedlich sein kann.
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Bevorzugt erstrecken sich zwischen dem ersten Kern und dem zweiten Kern Führungsstifte, die in ihrer Längsrichtung verschiebbar in korrespondierenden Bohrungen des ersten Kerns und des zweiten Kerns aufgenommen sind, wobei sich die Führungsstifte bevorzugt parallel zueinander und/oder in der radialen Richtung erstrecken. Derartige Führungsstifte sorgen für eine spezifische relative Ausrichtung der beiden Kerne und bewirken zudem, dass diese relative Ausrichtung auch bei der Ausdehnung der Kerne während des Gießens beibehalten wird. Zudem können die Führungsstifte Verbindungsöffnungen in einer in dem Spalt erzeugten Rippe der Turbinenschaufel erzeugen, um die von dem Kernen erzeugten Hohlräume miteinander zu verbinden.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Positioniermittel Distanzstifte verwendet, die sich zwischen dem ersten Kern und der Gussform und/oder zwischen dem zweiten Kern und der Gussform erstrecken, wobei wenigstens einige der Distanzstifte bevorzugt benachbart zu dem Spalt angeordnet sind. Mit Distanzstiften, die an den Kernen angebracht sind und sich von innen gegen die Gussform abstützen, lässt sich der Abstand zwischen den Kernen und der Gussform einfach einstellen. Durch benachbart zu dem Spalt angeordnete Distanzstifte können die beiden Kerne relativ zueinander und zu der Gussform ausgerichtet werden.
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Alternativ oder zusätzlich wird als Positioniermittel wenigstens eine Zunge verwendet, die einteilig mit dem ersten oder dem zweiten Kern ausgebildet ist und von diesem auswärts in Richtung der Gussform vorsteht, insbesondere im Bereich des freien Endes des Schaufelblatts oder des Schaufelfußes angeordnet ist und sich in der radialen Richtung erstreckt. Eine derartige Zunge bietet den Vorteil, einteilig mit dem Kern hergestellt werden zu können. Derartige Zungen eignen sich dafür, die Kerne in gegenüberliegenden Endbereichen der Gussform festzulegen.
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Bevorzugt ist die wenigstens eine Zunge in der Gussform aufgenommen und mit dieser in Eingriff. Eine solche Zunge erzeugt entsprechende Öffnungen in der Wand des Gussstücks, die als Einlass- oder Auslassöffnungen für ein Kühlfluid dienen können.
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Vorteilhaft weist die wenigstens eine Zunge eine sich quer zu der radialen Richtung erstreckende Ausnehmung und/oder einen sich quer zu der radialen Richtung erstreckenden Vorsprung auf. Ausnehmungen oder Vorsprünge an der Zunge im Bereich des Eingriffs mit der Gussform verhindern eine Bewegung des Kerns in radialer Richtung. Dadurch wirkt sich die Längenausdehnung des Kerns infolge des Kontakts mit dem heißen Gusswerkstoff ausschließlich in Richtung des Spalts aus, wodurch die Verformung gut kontrollierbar bleibt.
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In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach dem Gießen in einer durch den Spalt erzeugten Rippe Verbindungsöffnungen zwischen einem durch den ersten Kern erzeugten Hohlraum und einem durch den zweiten Kern erzeugten Hohlraum gebohrt. Weil die Rippe eine Trennwand darstellt, die sich quer zu der radialen Richtung der Turbinenschaufel erstreckt, muss sie mit Verbindungsöffnungen versehen werden, um die mit den Kernen erzeugten Hohlräume miteinander zu verbinden, damit das Kühlfluid die gesamte Turbinenschaufel durchströmen kann.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, deren Hohlraum durch zumindest eine sich quer zu der radialen Richtung erstreckende und mit Verbindungsöffnungen versehene Rippe unterteilt ist, wobei die Rippe insbesondere in einem bezogen auf die radiale Richtung mittleren Bereich der Turbinenschaufel angeordnet ist. Durch die Wahl eines geeigneten Längenverhältnisses der Kerne lässt sich die Position der Rippe in der Turbinenschaufel in radialer Richtung derart bestimmen, dass die Steifigkeit der Turbinenschaufel erhöht ist und ihre Eigenschwingung während des Betriebs der Gasturbine erheblich gedämpft ist. Eigenschwingungen der Turbinenschaufel können zu einem Defekt der Gasturbine führen und deren Lebensdauer verkürzen.
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Eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann eine Länge von wenigstens 70 cm, vorteilhafter von wenigstens 80 cm und bevorzugt von wenigstens 100 cm aufweisen. Je größer die Länge der Turbinenschaufel ist, desto größer ist auch der mögliche Wirkungsgrad der entsprechenden Gasturbine.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen einer Turbinenschaufel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
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1 eine seitliche Querschnittsansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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2 eine seitliche Querschnittsansicht zweier in einer Gussform angeordneter Kerne zur Herstellung der in 1 dargestellten Turbinenschaufel; und
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3 eine radiale Querschnittsansicht des in 2 gezeigten und in einer Gussform angeordneten ersten Kerns entlang der Linie III-III.
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Die 1 zeigt eine Turbinenschaufel 1 für eine Gasturbine, die mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Die Turbinenschaufel 1 umfasst einen Schaufelfuß 2 und ein Schaufelblatt 3, das sich ausgehend von dem Schaufelfuß 2 in radialer Richtung R erstreckt. Die Turbinenschaufel 1 weist insgesamt in der radialen Richtung eine Länge von wenigstens 70 cm auf, kann aber vorteilhaft wenigstens 80 cm und bevorzugt wenigstens 100 cm lang sein. Durch die Turbinenschaufel 1 erstrecken sich vorliegend vier Hohlräume 4, welche die Turbinenschaufel 1 in der radialen Richtung jeweils von dem Schaufelfuß 2 bis zu einem freien Ende 5 des Schaufelblatts 3 durchsetzen, wobei die Anzahl von Hohlräumen 4 variieren kann. Die Hohlräume 4 sind durch eine sich quer zu der radialen Richtung R erstreckende Rippe 6 unterteilt, die in einem bezogen auf die radiale Richtung mittleren Bereich der Turbinenschaufel 1 angeordnet ist. In der Rippe 6 sind entsprechend vier Verbindungsöffnungen 7 vorgesehen, die miteinander fluchtende Hohlräume 4 beiderseits der Rippe 6 miteinander verbinden. An dem Schaufelfuß 2 sind vier Einlassöffnungen 8 ausgebildet, und an dem freien Ende 5 des Schaufelblatts 3 sind vier Auslassöffnungen 9 vorgesehen.
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Während des Betriebs der Gasturbine strömt ein Kühlfluid durch die Einlassöffnungen 8 in die Turbinenschaufel 1 und durch die von dem ersten Kern 12 erzeugten Hohlräume 4, die Verbindungsöffnungen 7 und die von dem zweiten Kern 13 erzeugten Hohlräume radial auswärts zu dem freien Ende 5 des Schaufelblatts 3. Dann verlässt das Kühlfluid die Turbinenschaufel 1 durch die Auslassöffnungen 9, wodurch die von dem Kühlfluid aufgenommene Wärme aus der Turbinenschaufel 1 abgeführt wird.
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Die 2 und 3 zeigen eine zur Herstellung der Turbinenschaufel 1 verwendete Gussform 10, die eine Außenfläche 11 der Turbinenschaufel 1 definiert. In der Gussform 10 sind ein erster Kern 12 und ein zweiter Kern 13 aufgenommen, die in der radialen Richtung hintereinander und beabstandet voneinander in der Gussform 10 angeordnet sind. Jeder Kern umfasst mehrere Kernabschnitte 14, die sich in der radialen Richtung R erstrecken und quer zu der radialen Richtung R beabstandet nebeneinander angeordnet sind. Die Kernabschnitte 14 eines Kerns 12, 13 sind jeweils durch Verbindungsstifte 15 miteinander verbunden. Zwischen dem ersten Kern 12 und dem zweiten Kern 13 ist ein Spalt 16 ausgebildet, der sich im Wesentlichen quer zu der radialen Richtung erstreckt. Der Spalt 16 besitzt ein von der Gussform 10 einwärts gleichmäßig abnehmendes Spaltmaß, wodurch er in einer seitlichen Querschnittsansicht im Wesentlichen die Gestalt zweier Keile aufweist, deren Spitzen zueinander weisen. Die Gestalt des Spaltes 16 hängt von der Gestalt der Turbinenschaufel und erwarteten Verformungen und/oder Verlagerungen der Kerne 12, 13 ab und kann variieren. Zwischen dem ersten Kern 12 und dem zweiten Kern 13 erstrecken sich Führungsstifte 17, die in ihrer Längsrichtung verschiebbar in korrespondierenden Bohrungen 18 des ersten Kerns 12 und des zweiten Kerns 13 aufgenommen sind, wobei sich die Führungsstifte 17 parallel zueinander in der radialen Richtung R erstrecken.
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Der erste Kern 12 und der zweite Kern 13 sind in der Gussform 10 mit Positioniermitteln 19, 20, 21 ausgerichtet. Als Positioniermittel werden Distanzstifte 19 verwendet, die sich zwischen dem ersten Kern 12 und der Gussform 10 und/oder zwischen dem zweiten Kern 13 und der Gussform 10 erstrecken. Dabei sind einige Distanzstifte 19 benachbart zu dem Spalt 16 angeordnet. Als weiteres Positioniermittel ist einteilig mit dem ersten Kern 12 im Bereich des Schaufelfußes 2 eine Zunge 20 ausgebildet, die sich in der radialen Richtung erstreckt. Einteilig mit dem zweiten Kern 13 stehen von diesem auswärts in Richtung der Gussform 10 zwei Zungen 21 als weitere Positioniermittel von dem freien Ende 5 des Schaufelblatts 3 vor, die sich in der radialen Richtung erstrecken. Die Zungen 20, 21 sind in der Gussform 10 aufgenommen und mit dieser in Eingriff. Die Zunge 20 weist zwei sich quer zu der radialen Richtung R erstreckende Ausnehmungen 22 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten der Zunge 20 angeordnet sind. Die beiden Zungen 21 weisen jeweils einen sich quer zu der radialen Richtung erstreckenden Vorsprung 23 auf. Zum Festlegen der beiden Kerne 12, 13 in der radialen Richtung können die Zungen 20, 21 neben Ausnehmungen 22 oder Vorsprüngen 23 auch Hinterschneidungen aufweisen. Durch entsprechend positionierte Öffnungsstifte 24, die sich zwischen den Kernen 12, 13 und der Gussform 10 erstrecken, können an der Abströmseite der Turbinenschaufel 1 wahlweise weitere Auslassöffnungen durch Gießen vorgesehen werden. Alternativ lassen sich solche Auslassöffnungen auch nachträglich durch mechanisches Bearbeiten wie beispielsweise Bohren ausbilden.
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Beim Gießen wird ein erhitzter und flüssiger Gusswerkstoff in die Zwischenräume eingefüllt, die zwischen den Kernen 12, 13 und der Gussform 10 bzw. zwischen den jeweiligen Kernabschnitten 14 ausgebildet sind. Dabei werden die Kernabschnitte 14 des ersten Kerns 12 und des zweiten Kerns 13 durch den Gusswerkstoff erhitzt und dehnen sich auch in der radialen Richtung aus. Die Längenausdehnung des ersten Kerns 12 bzw. des zweiten Kerns 13 führt zu einer Verringerung des Spaltmaßes des Spalts 16, weil die Kernabschnitte 14 des ersten Kerns 12 im Bereich des Schaufelfußes 2 in der Gussform 10 und die Zungen 21 des zweiten Kerns 13 im Bereich des freien Endes 5 des Schaufelblattes 3 radialfest gehalten sind. Das Spaltmaß des Spalts 16 verringert sich wegen der infolge der unterschiedlichen Längenerstreckung unterschiedlichen Längenausdehnung der Kerne 12, 13 bei einer gewundenen Turbinenschaufel 1 in den seitlichen Randbereichen der Turbinenschaufel 1 stärker als in ihrem mittleren Bereich. Dies führt im Ergebnis zu einer Abflachung der Keilform des Spalts 16 und somit der Rippe 6 der Turbinenschaufel 1, was aus dem Vergleich der 1 und 2 deutlich hervorgeht. Die Veränderung des Spaltmaßes des Spaltes 16 während des Gießens hängt von der Gestalt der Turbinenschaufel 1 und der Kerne 12, 13 ab und kann variieren.
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Die Führungsstifte 17 erzeugen Verbindungsöffnungen 7, die miteinander fluchtende Hohlräume 4 beiderseits der in dem Spalt 16 von dem ausgehärten Gusswerkstoff gebildeten Rippe 6 miteinander verbinden und durch die das Kühlfluid aus den von dem ersten Kern 12 erzeugten Hohlräumen in die von dem zweiten Kern 13 erzeugten Hohlräume strömen kann. Wenn dagegen keine Führungsstifte 17 verwendet werden, trennt die Rippe 6 die Hohlräume 4, die durch den ersten Kern 12 und den zweiten Kern 13 erzeugt werden, wie eine Trennwand voneinander, so dass ein Kühlfluid die Turbinenschaufel 1 nicht durchströmen könnte. Bei dieser Variante werden daher nachträglich durch Bohren Verbindungsöffnungen 7 in die Rippe 6 eingebracht, um jeweils miteinander fluchtende durch den ersten Kern 12 und den zweiten Kern 13 erzeugte Hohlräume 4 miteinander zu verbinden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei Verwendung zweier Kerne 12, 13 jeder Kern 12, 13 eine geringere Länge aufweist, was einerseits seine Herstellung und Handhabbarkeit erleichtert und andererseits seine Längenausdehnung verringert. Auf diese Weise lassen sich längere Turbinenschaufeln 1, die von Hohlräumen 4 durchsetzt sind, die sich von dem Schaufelfuß 2 bis zu dem freien Ende 5 des Schaufelblattes 3 erstrecken, zuverlässig gießen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich also lange Turbinenschaufeln 1 herstellen, die effektiv gekühlt werden können. Dies erlaubt eine hohe Temperatur des Heißgases, was mit einem hohen Wirkungsgrad der Gasturbine einhergeht. Zudem kann die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Spalt 16 ausgebildete Rippe 6 die Eigenschwingung der Turbinenschaufel 1 erheblich dämpfen und einem Defekt der Gasturbine vermeiden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
