DE102018211592A1 - CMC molded body with cooling system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen CMC-Formkörper mit Kühlsystem. Ein CMC-Formkörper ist eine Komponente aus einem keramischen faserverstärkten Komposit-Material, dem Ceramic-Matrix-Composite oder „CMC“-Material. Diese Komponenten sind insbesondere für Heißgasapplikationen geeignet und beispielsweise als Turbinenkomponenten, insbesondere Gasturbinenkomponenten und/oder als Bauteile eines Abgasstrangs einsetzbar. Durch die Erfindung wird erstmals das Prinzip eines zweikomponentigen Kühlsystems, eine Prallkühlung mit relativ großen, ersten Hohlräumen und eine fein ziselierte zweite Kühlstruktur mit relativ kleinen zweiten Hohlräumen umfassend, offenbart, wobei die Kühlstruktur mit kleineren Hohlräumen vor allem in Bereichen großer Wandstärke des CMC-Formkörpers vorgesehen ist und umgekehrt.The invention relates to a CMC molded body with a cooling system. A CMC molded body is a component made of a ceramic fiber-reinforced composite material, the ceramic matrix composite or “CMC” material. These components are particularly suitable for hot gas applications and can be used, for example, as turbine components, in particular gas turbine components and / or as components of an exhaust line. The invention for the first time discloses the principle of a two-component cooling system, comprising impingement cooling with relatively large, first cavities and a finely chased second cooling structure with relatively small second cavities, the cooling structure with smaller cavities, especially in areas of large wall thickness of the CMC molded body is provided and vice versa.
Description
Die Erfindung betrifft einen CMC-Formkörper mit Kühlsystem. Ein CMC-Formkörper ist eine Komponente aus einem keramischen faserverstärkten Komposit-Material, dem Ceramic-Matrix-Composite oder „CMC“-Material. Diese Komponenten sind insbesondere für Heißgasapplikationen geeignet und beispielsweise als Turbinenkomponenten, insbesondere Gasturbinenkomponenten und/oder als Bauteile eines Abgasstrangs einsetzbar.The invention relates to a CMC molded body with a cooling system. A CMC molded body is a component made of a ceramic fiber-reinforced composite material, the ceramic matrix composite or “CMC” material. These components are particularly suitable for hot gas applications and can be used, for example, as turbine components, in particular gas turbine components and / or as components of an exhaust line.
Bislang werden beispielsweise Formkörper wie Turbinenschaufeln, beispielsweise für stationäre Gasturbinen, aus Nickelbasierten Superlegierungen mit zusätzlichen Schutz-Beschichtungen, z.B. TBC-Beschichtungen, eingesetzt. Zwar werden die Eigenschaften dieser Materialien ständig weiterentwickelt, jedoch scheint diese Technik ziemlich ausgereizt zu sein und nach allgemeiner Abschätzung der Fachwelt ist nur wenig substanzielle Steigerung noch möglich.For example, molded bodies such as turbine blades, for example for stationary gas turbines, made of nickel-based superalloys with additional protective coatings, e.g. TBC coatings used. Although the properties of these materials are constantly being developed, this technology seems to be quite exhausted and, according to the general assessment of the experts, only a small substantial increase is still possible.
Demgegenüber ist die Technik des Bauteil-Aufbaus mit CMCs, also der faserverstärkten keramischen Materialien eine Alternative, die allein und/oder in Kombination mit Teilelementen aus Metallen und insbesondere aus Superlegierungen, als CMC-Formkörper oder so genannte CMC-Metall-Hybrid-Formkörper, zur Schaffung neuartiger heißgasstabiler Produkte wie Turbinenkomponenten und/oder Bauteile in einem Abgasstrang noch gewinnbringend, also zu substantiellen Steigerungen führend, eingesetzt werden kann. In der Kombination mit Legierungen, insbesondere der genannten Superlegierungen, oder auch anderen Metallen spricht man dann von einem Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente in einem Verbund umfasst.In contrast, the technology of component construction with CMCs, that is, fiber-reinforced ceramic materials, is an alternative that can be used alone and / or in combination with partial elements made of metals and in particular of superalloys, as CMC moldings or so-called CMC-metal hybrid moldings. can still be used profitably for the creation of new types of hot gas-stable products such as turbine components and / or components in an exhaust line, that is, leading to substantial increases. In combination with alloys, in particular the superalloys mentioned, or also other metals, one then speaks of a shaped body made of hybrid material, which comprises CMC sub-elements and metal sub-elements in a composite.
In der Regel umfasst ein CMC-Formkörper Lagen, die ihrerseits Fasern, auch in Form eines Faserverbunds, eines Gewebes und/oder eines dreidimensionalen Verbunds aus - keramischen - Fasern, die in eine - keramische - Matrix eingebettet sind, umfassen. Zur Herstellung des CMC-Formkörpers werden bevorzugt CMC-Prepreg-Lagen aneinander laminiert und nachfolgend zum keramischen CMC-Formkörper gesintert.As a rule, a CMC molded body comprises layers which in turn comprise fibers, also in the form of a fiber composite, a woven fabric and / or a three-dimensional composite made of - ceramic - fibers which are embedded in a - ceramic - matrix. To produce the CMC shaped body, CMC prepreg layers are preferably laminated to one another and subsequently sintered to form the ceramic CMC shaped body.
Aus der
Dabei werden um einen Kern, eine Stützstruktur und/oder freistehend Prepreg-CMC-Laminatlagen im Wickel-Aufbaukonzept, also im Wrap-Aufbaukonzept, laminiert. Dieses Laminat wird dann als innenliegendes CMC-Teilelement eines CMC-Formkörpers von einem zweiten äußeren CMC-Teilelement umgeben, wobei das äußere CMC-Teilelement zumindest teilweise im Stack-Aufbaukonzept realisiert ist.Here, a core, a support structure and / or free-standing prepreg CMC laminate layers are laminated in the wrap construction concept, i.e. in the wrap construction concept. This laminate is then surrounded as an internal CMC sub-element of a CMC molded body by a second outer CMC sub-element, the outer CMC sub-element being at least partially implemented in the stack construction concept.
Als Kühlsystem werden bei dem aus der
Am so genannten „trailing edge“, der Austrittskante einer Leit- oder Laufschaufel einer Turbine, die nach dieser Technik in der CMC-Bauweise herstellbar ist, reicht aber beispielsweise diese Kühlung in der Regel nicht aus, so dass nach Alternativen und/oder Ergänzungen zu der aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Kühlstruktur für CMC-Formteile anzugeben.The object of the present invention is therefore to provide a cooling structure for CMC molded parts.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.This object is achieved by the subject matter of the present invention as disclosed in the description, the figures and the claims.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Formkörper aus keramischem Faserverbundwerkstoff „CMC“, der gemäß dem WrapStack-Aufbaukonzept zumindest ein innenliegendes, im Wrap-Aufbau konzipiertes, erstes CMC-Teilelement und zumindest ein außenliegendes, im Stack-Aufbau konzipiertes zweites CMC-Teilelement aufweist, wobei zur Führung eines Kühlmediums erste Hohlräume im ersten CMC-Teilelement und zweite Hohlräume im zweiten CMC-Teilelement vorgesehen sind.Accordingly, the present invention relates to a molded body made of ceramic fiber composite material “CMC”, which, according to the wrap stack construction concept, has at least one internal CMC sub-element designed in the wrap construction and at least one external CMC sub-element designed in the stack construction , wherein first cavities are provided in the first CMC sub-element and second cavities in the second CMC sub-element for guiding a cooling medium.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die ersten Hohlräume, die bevorzugt beim Aufbau des CMC-Formkörpers durch Laminieren durch Aussparung erzeugt werden, zur Prallkühlung des CMC-Formkörpers eingesetzt werden. Prallkühlung ist vor allem in Bereichen des CMC-Formkörpers mit geringer Wandstärke vorgesehen.In principle, it is provided that the first cavities, which are preferably produced by laminating through a recess during the construction of the CMC shaped body, are used for impingement cooling of the CMC shaped body. Impact cooling is primarily provided in areas of the CMC molded body with a small wall thickness.
Die zweiten Hohlräume, die bevorzugt nach dem Laminieren im CMC-Formkörper erzeugt werden, werden zur effektiven Kühlung der Bereiche des CMC-Formkörpers mit großer Wandstärke genutzt.The second cavities, which are preferably created in the CMC molded body after lamination, are used for effective cooling of the regions of the CMC molded body with a large wall thickness.
Insbesondere vorteilhaft ist dabei, wenn der CMC-Formkörper der gemäß dem WrapStack-Aufbaukonzept Hohlräume aufweist derart, dass die ersten Hohlräume durch Aussparungen beim Laminieren eines ersten Wrap-Teilelements und die zweiten Hohlräume durch nachträgliches Erzeugen - beispielsweise Einbohren in das fertige Laminats - im zweiten CMC-Teilelement herstellbar sind. Das nachträgliche Erzeugen kann sowohl im Stadium des Prepreg-Lagen-Laminats als auch beim fertig gesinterten Formkörper erfolgen. It is particularly advantageous if the CMC molded body, which has cavities according to the wrap stack construction concept, is such that the first cavities through cutouts when laminating a first wrap partial element and the second cavities through subsequent production - for example, drilling into the finished laminate - in the second CMC sub-element can be produced. The subsequent production can take place both in the stage of the prepreg layer laminate and in the finished sintered molded body.
Durch das nachträgliche Erzeugen von Kühlstrukturen im CMC-Formteil kann vor allem im äußeren Bereich des CMC-Formkörpers Kühlmedium sehr nah an der Oberfläche des CMC-Formkörpers, als so genanntes „near wall cooling“ eingesetzt werden. Das ist beispielsweise am „trailing edge“ und/oder am „leading edge“, der Eintrittskante einer Leit- oder Laufschaufel einer Turbine, ein besonderer Vorteil.By subsequently creating cooling structures in the CMC molded part, cooling medium, particularly in the outer area of the CMC molded body, can be used very close to the surface of the CMC molded body, as so-called “near wall cooling”. This is a particular advantage, for example, at the "trailing edge" and / or at the "leading edge", the leading edge of a guide or rotor blade of a turbine.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und um die Führung des Kühlmediums möglichst definiert zu gestalten, werden beispielsweise Bohrungen im Prepreg-Laminat mit entsprechenden Platzhaltern oder Stabilisatoren versehen. Diese Stabilisatoren können beispielsweise nach erfolgtem Sintern des CMC-Formkörpers wieder entfernt, also gezogen werden oder auch innerhalb des Formkörpers verbleiben.According to an advantageous embodiment of the invention and in order to make the guidance of the cooling medium as defined as possible, holes in the prepreg laminate, for example, are provided with appropriate placeholders or stabilizers. These stabilizers can, for example, be removed again after the CMC shaped body has been sintered, that is to say they can be pulled or can also remain within the shaped body.
Durch das Einführen von Stabilisatoren in die nach erfolgtem Laminieren nachträglich erzeugten Kühlstrukturen, wie Bohrungen, kann beispielsweise auch eine Leckage der Kühlstruktur vermieden werden.By introducing stabilizers into the cooling structures, such as bores, which are subsequently produced after lamination, leakage of the cooling structure can also be avoided, for example.
Die Platzhalter/Stabilisatoren können beispielsweise schmale Rohre, Röhrchen oder Schläuche sein.The placeholders / stabilizers can be, for example, narrow pipes, tubes or hoses.
Die Platzhalter/Stabilisatoren können aus Keramik, Metall und/oder einer Metalllegierung sein. Bevorzugt verbleiben diese Platzhalter/Stabilisatoren dann im CMC-Formkörper auch beim Sintern, so dass das Material des Platzhalters/ Stabilisators bevorzugt so gewählt ist, dass die Wärmeausdehnung und Temperaturstabilität mit dem umgebenden CMC-Formteil kompatibel ist.The placeholders / stabilizers can be made of ceramic, metal and / or a metal alloy. These placeholders / stabilizers then preferably remain in the CMC molded body even during sintering, so that the material of the placeholder / stabilizer is preferably selected such that the thermal expansion and temperature stability are compatible with the surrounding CMC molded part.
Die Fixierung der Platzhalter, also beispielsweise der Röhrchen, im CMC-Formkörper oder im CMC-Prepreg-Lagen-Laminat erfolgt nach üblichen Methoden, beispielsweise kann ein Röhrchen mit der CMC-Wand verklebt oder einfach durch Haftreibung fixiert sein.The placeholders, for example the tubes, are fixed in the CMC molded body or in the CMC prepreg layer laminate by customary methods, for example a tube can be glued to the CMC wall or simply fixed by static friction.
Als „CMC“-Formkörper wird ein Körper bezeichnet, der ganz oder teilweise aus keramischem Matrixkomposit-Material, international auch Ceramic Matrix Composite, kurz CMC, genannt, ist. Dieses Material umfasst regelmäßig Verstärkungsfasern in einer keramischen Matrix. Das Material wird bevorzugt in Form von CMC-Prepreg-Lagen, die Fasern in getrocknetem Schlicker umfassen, verarbeitet und dann gesintert.A “CMC” molded body is a body that is made entirely or partially of ceramic matrix composite material, also known internationally as Ceramic Matrix Composite, or CMC for short. This material regularly includes reinforcing fibers in a ceramic matrix. The material is preferably processed in the form of CMC prepreg layers, which comprise fibers in dried slip, and then sintered.
CMC kann beispielsweise Siliziumcarbid-basiert oder Metalloxid-basiert sein. Prominente Vertreter dieser Materialklasse sind das „Ox-Ox-CMC und das SiC-CMC. Bei einem Ox-Ox-CMC liegen beispielswese Aluminiumoxid-Fasern oder entsprechende Faserverbunde vor, die mit einem Aluminiumoxid- und/oder einem Aluminiumoxid-Mullit-Schlicker zur Ausbildung der CMC-Lage getränkt werden. Bei der SiC-basierten CMC-Variante ist das ähnlich, es liegen entsprechende Siliziumcarbid-Fasern vor, die dann in einen Siliziumcarbid-Schlicker, der zur Matrix ausgebrannt wird, eingebettet sind.CMC can be based on silicon carbide or metal oxide, for example. Prominent representatives of this class of materials are the “Ox-Ox-CMC and the SiC-CMC. With an Ox-Ox-CMC there are, for example, aluminum oxide fibers or corresponding fiber composites which are impregnated with an aluminum oxide and / or an aluminum oxide-mullite slip to form the CMC layer. This is similar for the SiC-based CMC variant, there are corresponding silicon carbide fibers which are then embedded in a silicon carbide slip which is burned out to form the matrix.
Ein „CMC-Formkörper“ umfasst das fertig gesinterte CMC-Lagen-Matrixkomposit. Das „Zwischenprodukt“ umfasst die fertig laminierten aber noch nicht gesinterten Prepreg-CMC-Laminatlagen.A “CMC molded body” comprises the finished sintered CMC layer matrix composite. The “intermediate product” comprises the fully laminated but not yet sintered prepreg CMC laminate layers.
Als „CMC-Lage“ wird dann eine Lage aus dem mit Schlicker überzogenen Faserverbund oder Fasergewebe bezeichnet.A “CMC layer” is then a layer made of the fiber composite or fiber fabric covered with slip.
Als „Laminieren“ wird der Prozess bezeichnet, durch den die einzelnen CMC-Lagen aufeinandergestapelt und/oder auf andere Weise verbunden werden. Beim Laminieren sind die CMC-Lagen beispielsweise weder getempert noch gesintert, aber möglicherweise bereits getrocknet, noch nicht getempert und noch nicht gesintert. Zur Ausbildung einer Prepreg-CMC-Lage werden auch die getrockneten CMC-Lagen bevorzugt einer Temperaturbehandlung unterzogen.“Laminating” is the process by which the individual CMC layers are stacked on top of one another and / or connected in some other way. When laminating, for example, the CMC layers are neither tempered nor sintered, but may have already dried, not yet tempered and not yet sintered. To form a prepreg CMC layer, the dried CMC layers are also preferably subjected to a temperature treatment.
Als Zwischenprodukt erhält man vor dem Sintern einen Formkörper aus Prepreg-CMC-Lagen. Die Lagen sind laminiert, so dass das Zwischenprodukt vorliegend auch als Prepreg-CMC-Lagen-Laminat bezeichnet wird.As an intermediate product, a molded body made of prepreg CMC layers is obtained before sintering. The layers are laminated, so that in the present case the intermediate product is also referred to as a prepreg-CMC layer laminate.
Als „Kühlsystem“ wird vorliegend die Gesamtheit von ersten und zweiten Hohlräumen, die zur Kühlung des CMC-Formkörpers während des Betriebs im Heißgasstrom eingesetzt werden, bezeichnet. Die betrifft also die bereits bekannte Prallkühlung, die vor allem in Bereichen mit relativ dünner CMC-Wand einsetzbar ist und die Kühlmedium in den ersten Hohlräumen umfasst. Darüber hinaus umfasst das Kühlsystem die hier erstmals beschriebene Kühlstruktur, die durch nachträgliche Bearbeitung des Prepreg-CMC-Laminat-Lagen Formkörpers und/oder des fertig gesinterten CMC-Formkörpers gebildet ist.In the present case, the “cooling system” refers to the entirety of first and second cavities that are used to cool the CMC molded body during operation in a hot gas stream. This relates to the already known impingement cooling, which can be used above all in areas with a relatively thin CMC wall and which comprises the cooling medium in the first cavities. In addition, the cooling system includes the cooling structure described here for the first time, which is formed by subsequent processing of the prepreg-CMC laminate layer molded body and / or the finished sintered CMC molded body.
Mit „Kühlstruktur“ hingegen wird vorliegend das hier erstmals beschriebene Prinzip aus nachträglich erzeugten zweiten Hohlräumen bezeichnet. „Nachträglich“ heißt hier nach dem Laminieren des Prepreg-CMC-Laminat-Lagen-Formkörpers. Die Kühlstruktur umfasst sowohl einfache Hohlräume innerhalb des CMC-Formkörpers als auch durch Stabilisatoren/Platzhalter versteifte Teile des CMC-Formkörpers. “Cooling structure”, on the other hand, refers here to the principle described here for the first time, consisting of second cavities created subsequently. “Afterwards” means here after the lamination of the prepreg CMC laminate layer molded body. The cooling structure comprises both simple cavities within the CMC molded body and parts of the CMC molded body stiffened by stabilizers / placeholders.
Die Dimensionen der Bohrungen richten sich nach dem Kühlsystem, also den erforderlichen Mengen an Kühlmedium, die durch die Kanäle der erzeugten Kühlstruktur fließen und/oder auch nach der Stabilität des CMC-Formkörpers an der betroffenen Stelle.The dimensions of the bores depend on the cooling system, that is to say the required amounts of cooling medium which flow through the channels of the cooling structure produced and / or also on the stability of the CMC molded body at the affected point.
Die Bohrungen können innerhalb eines CMC-Formkörpers gleichen oder verschiedenen Durchmesser aufweisen.The bores can have the same or different diameters within a CMC molded body.
Durch die hier beschriebene Kühlmedienführung ergeben sich folgende Vorteile:
- Das Kühlmedium, wie beispielsweise Kühlluft, kann sehr nah an der heißen Oberfläche der CMC-Wand geführt werden und damit wird das sehr effektive Konzept des „near wall cooling“ realisiert.
- The cooling medium, such as cooling air, can be guided very close to the hot surface of the CMC wall, thus realizing the very effective concept of "near wall cooling".
Die Orientierung der äußeren im Stapel-Aufbaukonzept angeordneten CMC-Lagen verläuft nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Richtung des Wärmestroms und erhöht dadurch vorteilhafterweise die Wärmeleitung von der heißen Oberfläche zu den Röhrchen, die von Kühlmedium durchflossen sind.According to a preferred embodiment of the invention, the orientation of the outer CMC layers arranged in the stack construction concept runs in the direction of the heat flow and thereby advantageously increases the heat conduction from the hot surface to the tubes through which cooling medium flows.
Durch den Einsatz der keramischen oder metallischen Röhrchen tritt keine Leckage des Kühlmediums auf.There is no leakage of the cooling medium through the use of ceramic or metallic tubes.
Das hier erstmals vorgeschlagene Kühlsystem erlaubt die effiziente Kühlung der Austrittskante einer Leit-oder Laufschaufel, zusätzlich zur bekannten Prallkühlung.The cooling system proposed here for the first time allows efficient cooling of the trailing edge of a guide or moving blade, in addition to the known impingement cooling.
Das hier erstmals beschriebene WrapStack-Aufbaukonzept ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit robusten Wärmedämmschichten und/oder Korrosionsschutzschichten wie den so genannten Thermal Barrier Coating-„TBC“-Beschichtungen und/oder mit den so genannten Environmental Barrier-Coating-„EBC“-Beschichtungen kombinierbar.According to an advantageous embodiment of the invention, the wrap stack construction concept described here for the first time is provided with robust thermal insulation layers and / or corrosion protection layers such as the so-called thermal barrier coating “TBC” coatings and / or with the so-called environmental barrier coating “EBC”. Coatings can be combined.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeigen, näher erläutert:
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leit- oder Laufschaufel einer Turbine, die als CMC-Formkörper 1 gemäß dem WrapStack-Aufbaukonzept, also mit innenliegendem Wrap- und außen umgebenden Stack-CMC-Teilelement, aufgebaut ist. Zu erkennen sind dabei erste Hohlräume2a ,2b und zweite Hohlräume3a bis 3x , in denen Kühlmedium geführt wird.
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1 shows a schematic representation of a guide or rotor blade of a turbine, the CMC moldedbody 1 in accordance with the WrapStack assembly concept, i.e. with an internal wrap and a surrounding stack CMC sub-element. The first cavities can be seen2a .2 B andsecond cavities 3a to3x in which cooling medium is carried.
Zu erkennen sind zwei innere WRAP-CMC-Teilelemente
An der Austrittskante sind die zweiten Hohlräume
In die zweiten Hohlräume
Bei der hier gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Hohlräume zur Führung des Kühlmediums durch nachträgliches Einbohren erzeugbar. So entstehen die Bohrungen
Die hier vorgeschlagene Kühlstruktur eignet sich bei CMC-Formteilen vor allem in Bereichen mit großer Wandstärke, wie beispielsweise Rippen oder Austrittskante einer Leit- oder Laufschaufel.The cooling structure proposed here is particularly suitable for CMC molded parts in areas with a large wall thickness, such as, for example, ribs or the trailing edge of a guide or moving blade.
Die Bohrungen
Durch die Öffnungen
In Bereichen des hier gezeigten WrapStack-CMC-Formkörpers 1 mit kleiner Wandstärke, wie beispielsweise am Leading Edge der Leit- oder Laufschaufel, wird über einen oder mehrere erste Hohlräume
Zu erkennen ist wieder der gleiche CMC-Formkörper wie in
Die beiden Bohrungen
Durch die Erfindung wird erstmals das Prinzip eines zweikomponentigen Kühlsystems, eine Prallkühlung mit relativ großen, ersten Hohlräumen und eine fein ziselierte zweite Kühlstruktur mit relativ kleinen zweiten Hohlräumen umfassend, offenbart, wobei die Kühlstruktur mit kleineren Hohlräumen vor allem in Bereichen großer Wandstärke des CMC-Formkörpers vorgesehen ist und umgekehrt.The invention for the first time discloses the principle of a two-component cooling system, comprising impingement cooling with relatively large, first cavities and a finely chased second cooling structure with relatively small second cavities, the cooling structure with smaller cavities, especially in areas of large wall thickness of the CMC molded body is provided and vice versa.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102018201555 [0005, 0007, 0008]DE 102018201555 [0005, 0007, 0008]
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CN117823234A (en) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 西北工业大学 | Ceramic fiber laminated double-cavity air-cooled turbine rotor blade structure |
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2018
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