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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, eine Laufschaufel für eine Strömungsmaschine mit einer Schleifpartikel aufweisenden Spitzenpanzerung sowie eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit der Laufschaufel.
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Aus betriebsinterner Praxis ist es bekannt, Laufschaufeln von beispielsweise Gasturbinen-Verdichterstufen bzw. Verdichter(lauf)schaufeln an den Schaufelspitzen mit einer galvanischen Nickel-/cBN-Schicht zu „panzern“.
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Die in der Regel sehr schmalen Schaufelspitzen werden dabei mit einer galvanischen Nickelschicht versehen. In diese Nickelmatrix werden Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid („cBN“, vergleichbare Härte von Diamant) mit definierter Korngröße eingebettet und von der Nickelschicht soweit umschlossen, dass die scharfkantigen cBN-Kornspitzen noch aus der Nickelschicht heraus ragen.
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Beim Anstreifen der Schaufelspitzen an den harten Gehäusebelag schneiden sich die cBN-Körner in den harten Gehäusebelag ein, ohne dass die Schaufelspitze nennenswert geschädigt wird.
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Da die cBN-Körner als eine Art Schleifmittel fungieren, bekommen die Schaufelspitzen Eigenschaften ähnlich einem Schneidwerkzeug und sind vor einer Beschädigung beim Anstreifen in den harten Gehäusebelag geschützt.
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Mit dieser Technologie kann ein minimaler Dichtungsspalt zwischen den Schaufelspitzen des Rotors und dem Gehäusebelag über sehr lange Zeit gewährleistet werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass mit der Nickel-/cBN-Beschichtung der Schaufelspitzen eine erhebliche Verminderung von mehr als 50% der HCF-Schwingfestigkeit in Kauf genommen werden muss.
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Als Ursachen dieser Minderung der HCF-Festigkeit kommt insbesondere in Betracht:
- 1. Die Nickelschicht der Schaufelspitze hat bei Schaufeln aus Hochleistungslegierungen selbst nicht die Werkstoff-Festigkeit des Grundwerkstoffes der Laufschaufel und wird daher unter HCF-Bedingungen eher reißen als der unbeschichtete höherfeste Grundwerkstoff.
- 2. Die scharfkantigen cBN-Partikel stellen innerhalb der Nickelmatrixschicht Kerben dar. An den schwingungstechnisch hochbelasteten Stellen entstehen an diesen cBN-Kerben Risse, die sich in der Nickel-/cBN-Schicht weiter ausbreiten und aufgrund der guten Haftung zum Grundwerkstoff in diesen weiter wachsen können, bis zum Bruch der Schaufel.
- 3. Bei der galvanischen Beschichtung wächst die Nickel-/cBN-Schicht nicht nur in Längsrichtung der Schaufel, sondern auch in die Breite. Es entsteht das sog. „Mushrooming“. Durch diese Verbreiterung des Schaufeltips werden Risse noch leichter initiiert. Nach betriebsinterner Praxis wird das Mushrooming nach der Beschichtung manuell entfernt, was sehr zeit- und kostenintensiv ist.
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Die Anmelderin hat beobachtet, dass Risse sehr häufig ihren Ursprung in von cBN-Partikeln verursachten Kerben im Bereich von mechanisch hochbelasteten Zonen haben. Ein Beispiel einer solchen hochbelasteten Zone liegt in der Nähe der Schaufelmitte des Tips bzw. der Schaufelspitze. Risse wurden in diesem Fall sehr häufig etwa mittig und von der konvexen Seite ausgehend beobachtet.
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Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine bzw. Laufschaufel einer Strömungsmaschine und/oder deren Herstellung zu verbessern, insbesondere ein Verfahren bereitzustellen, das das Aufbringen einer Schaufelspitzenpanzerung bei gleichzeitig verringertem Abfall der HCF-Schwingfestigkeit ermöglicht, und/oder eine Laufschaufel für eine Gasturbine mit Spitzenpanzerung und verbesserter HCF-Schwingfestigkeit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 9, 11 stellen eine entsprechende Laufschaufel bzw. Strömungsmaschine unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine, in einer Ausführung einer Laufschaufel einer Strömungsmaschine, in einer Weiterbildung einer Laufschaufel für eine bzw. einer Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, die folgenden Schritte auf:
- a) Bereitstellen eines Halbzeugs der zu beschichtenden Laufschaufel;
- b) Ermitteln, Bestimmen oder Selektieren zumindest eines Bereichs der Schaufelspitze, an dem eine lokale oder globale Spannungsspitze aufgrund von Schwingungs- bzw. Wechselbelastungen auftritt; und
- c) Aufbringen der Spitzenpanzerung auf die Schaufelspitze, wobei die Spitzenpanzerung Schleifpartikel aufweist.
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Das Halbzeug kann in einer Ausführung eine BLISK oder eine, insbesondere lösbar, mit einem Rotor der Strömungsmaschine verbindbare bzw. verbundene Laufschaufel sein.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird beim Aufbringen der Spitzenpanzerung der (zumindest eine) ermittelte, bestimmte oder selektierte Bereich der Schaufelspitze, an dem eine lokale oder globale Spannungsspitze auftritt, frei von Schleifpartikeln, in einer Ausführung insgesamt frei von der Spitzenpanzerung („spitzenpanzerungsfrei“), gehalten oder in dem (zumindest einen) ermittelten oder bestimmten Bereich, an dem eine lokale oder globale Spannungsspitze auftritt, die Schaufelspitzenpanzerung nach dem Aufbringen abgetragen.
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Durch das Vermeiden von Schleif-, insbesondere cBN-Partikeln in der hochbelasteten Zone kann in einer Ausführung vorteilhaft der HCF-Festigkeitsabfall aufgrund der Kerbwirkung verringert, in einer Ausführung vermieden, werden.
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In einer Ausführung wird die Schaufelspitzenpanzerung galvanisch aufgetragen oder aufgelötet.
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Für solch(erart aufgebrachte Schaufelspitzenpanzerungen eignet sich die vorliegende Erfindung besonders, da hier einerseits das erfindungsgemäße Freihalten bzw. Abtragen besonders vorteilhaft bzw. mit besonderem Vorteil realisiert werden und andererseits die beschriebene Kerbwirkung(sfortpflanzung) besonders stark sein kann.
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Das gesamte Schaufelblatt inklusive des Tipbereiches wird bzw. ist nach betriebsinterner Praxis mit Abdecklack versehen. Die zu beschichtende Schaufeltipfläche wird nach betriebsinterner Praxis mittels scharfen Schneidewerkzeugs, insbesondere eines Skalpells oder dergleichen, vom Lack befreit. Schneidet man jetzt nicht die gesamte Schaufeltipfläche frei, sondern belässt im Bereich der höchsten Spannung des Tips einen wenige Millimeter breiten Streifen an Abdecklack, so wird sich genau an dieser Stelle keine Schaufelspitzenpanzerungsschicht (Ni-/cBN) abscheiden.
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Eine Verbesserung kann insbesondere erzielt werden, wenn in einer Ausführung die komplette Schichtfreiheit in dem (zumindest einen) ermittelten oder bestimmten Bereich höchster Spannung, in einer Ausführung in der Mitte des Schaufelblatt-Tips, gewährleistet wird. Dies ist sehr einfach möglich, indem genau in diesem hochbelasteten Bereich eine abdeckende Isolationsschicht, insbesondere Abdecklack, von wenigen Millimetern Breite verbleibt. Das HCF-Schwingfestigkeitsverhalten dürfte einer unbeschichteten Schaufel nahe kommen.
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In einer Ausführung wird, insbesondere daher, der (zumindest eine) ermittelte oder bestimmte Bereich, an dem eine lokale oder globale Spannungsspitze auftritt, vor dem Aufbringen der Spitzenpanzerung mit einem Abdeckmittel, insbesondere einem Abdecklack, bedeckt bzw. maskiert. In einer Ausführung wird das Abdeckmittel nach dem Aufbringen der Spitzenpanzerung entfernt, in einer Ausführung durch Entlacken. In einer Ausführung wird das Abdeckmittel auf dem Halbzeug, insbesondere wenigstens im Bereich der Schaufelspitze, aufgebracht und anschließend lokal wieder entfernt, in einer Ausführung manuell und/oder mittels eines Schneidewerkzeugs, und dadurch der (zumindest eine) ermittelte oder bestimmte Bereich, an dem eine lokale oder globale Spannungsspitze auftritt, vor dem Aufbringen der Spitzenpanzerung mit dem (nicht entfernten) Abdeckmittel bedeckt bzw. maskiert. In einer Ausführung wird, beispielsweise durch entsprechende Maskierung, das Abdeckmittel bereits lokal begrenzt aufgebracht und dadurch der (zumindest eine) ermittelte oder bestimmte Bereich, an dem eine lokale oder globale Spannungsspitze auftritt, vor dem Aufbringen der Spitzenpanzerung mit dem Abdeckmittel bedeckt bzw. maskiert.
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Dadurch kann in einer Ausführung eine Kerbwirkung durch Schaufelspitzenpanzerung(sschleifpartikel) bzw. ein dadurch bewirkter HCF-Festigkeitsabfall vorteilhaft, in einer Ausführung besonders einfach und/oder (prozess)sicher, verringert werden.
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In einer Ausführung erfolgt das Ermitteln oder Bestimmen des zumindest einen Bereichs der Schaufelspitze, an dem eine lokale oder globale Spannungsspitze auftritt, auf Basis einer numerisch berechneten Spannungsverteilung und/oder auf Basis empirischer Erkenntnisse.
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Hierdurch können in einer Ausführung vorteilhaft besonders geeignete bzw. hochbelastete Bereiche, in denen eine Kerbwirkung durch Schaufelspitzenpanzerung(sschleifpartikel) einen besonders signifikanten HCF-Festigkeitsabfall bewirkt, vorteilhaft, insbesondere präzise und/oder zuverlässig, ermittelt bzw. bestimmt und dadurch ein HCF-Festigkeitsabfall besonders vorteilhaft verringert werden.
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In einer Ausführung ist bzw. bleibt zumindest eine der Seitenkanten der Schaufelspitze in Sehnenrichtung frei von Schleifpartikeln, in einer Ausführung spitzenpanzerungsfrei. In einer Ausführung ist bzw. wird zumindest an einer der Seitenkanten der Schaufelspitze in Sehnenrichtung die Schaufelspitzenpanzerung nach dem Aufbringen wenigstens bereichsweise abgetragen.
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Dadurch kann in einer Ausführung in einem besonders geeigneten, hochbelasteten Bereich eine Kerbwirkung durch Schaufelspitzenpanzerung(sschleifpartikel) bzw. ein dadurch bewirkter HCF-Festigkeitsabfall vorteilhaft verringert werden.
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In einer Ausführung wird bzw. ist die Schaufelspitzenpanzerung in Sehnenrichtung nur über die neutrale Faser bzw. im Schaufelquerschnitt betrachtet im Wesentlichen mittig aufgetragen. In einer Ausführung wird bzw. ist die Schaufelspitzenpanzerung in Sehnenrichtung nur über die neutrale Faser nicht abgetragen bzw. im Schaufelquerschnitt betrachtet nur im Wesentlichen mittig nach dem Aufbringen nicht abgetragen.
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Dadurch wird in einer Ausführung eine Kerbwirkung durch Schaufelspitzenpanzerung(sschleifpartikel) auf einen Abschnitt der Schaufelspitze konzentriert, in dem diese keinen bzw. einen verringerten HCF-Festigkeitsabfall bewirkt/bewirken, und dabei gleichermaßen eine besonders vorteilhafte Dichtungsfunktionalität beibehalten.
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In einer Ausführung sind die Schleifpartikel aus kubischem Bornitrid oder aus Diamant. Zusätzlich oder alternativ weist in einer Ausführung die Schaufelspitzenpanzerung eine Matrix aus Nickel auf. Zusätzlich oder alternativ weist in einer Ausführung die Laufschaufel wenigstens eine Hochleistungslegierung als Grundwerkstoff auf.
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Für solche Schaufel(spitzenpanzerung)en eignet sich die vorliegende Erfindung besonders, da hier einerseits das erfindungsgemäße Freihalten bzw. Abtragen mit besonderem Vorteil realisiert wird und andererseits die beschriebene Kerbwirkung(sfortpflanzung) besonders stark ist.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist eine Laufschaufel für eine bzw. einer Strömungsmaschine eine Schleifpartikel aufweisende Spitzenpanzerung auf, die nach einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt ist bzw. wird und/oder die im Bereich einer der Außenkanten der Schaufelspitze eine Aussparung oder einen schleifpartikelfreien Bereich aufweist.
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Wie vorstehend erläutert, kann dadurch in einer Ausführung in einem besonders geeigneten, hochbelasteten Bereich eine Kerbwirkung durch Schaufelspitzenpanzerung(sschleifpartikel) bzw. ein dadurch bewirkter HCF-Festigkeitsabfall vorteilhaft verringert werden.
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In einer Ausführung ist diese Aussparung bzw. dieser schleifpartikelfreie Bereich im Bereich der konvexen Kante der Schaufelspitze, in einer Ausführung mittig, angeordnet.
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Es hat sich überraschend herausgestellt, dass dadurch in einer Ausführung eine Kerbwirkung durch Schaufelspitzenpanzerung(sschleifpartikel) bzw. ein dadurch bewirkter HCF-Festigkeitsabfall besonders vorteilhaft verringert werden kann.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Strömungsmaschine eine Gasturbine, in einer Ausführung eine Flugtriebwerk-Gasturbine, und die Laufschaufel eine Laufschaufel für eine bzw. einer Turbinen- oder Verdichterstufe.
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Hierfür eignet sich die vorliegende Erfindung, insbesondere aufgrund der mechanischen, thermischen, aerodynamischen, Festigkeits-, Gewichts- und/oder Sicherheitsanforderungen und insbesondere des dadurch resultierenden Grundwerkstoffs der zu beschichtenden Laufschaufel bzw. des Halbzeugs, besonders.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
- 1: eine Riss-Initiierung durch cBN-Partikel;
- 2: eine numerisch berechnete Spannungsverteilung am Tip einer Laufschaufel;
- 3: ein Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. die entsprechende Laufschaufel nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
- 4, 5: ein Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. die entsprechende Laufschaufel nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
- 6: ein Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. die entsprechende Laufschaufel nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
- 7: ein Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. die entsprechende Laufschaufel nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
- 8A, 8B: Verfahren zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. entsprechende Laufschaufeln nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung; und
- 9: eine Laufschaufel nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 1 beispielsweise einer Hochdruckverdichterstufe einer Gasturbine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem Schaufelblatt 2 und einer Schaufelspitze 3 bzw. ein in Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestelltes Halbzeug der zu beschichtenden Laufschaufel. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann die Laufschaufel auch Teil einer BLISK sein.
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1 verdeutlicht schematisch die Beobachtungen der Anmelderin, dass die Riss-Initiierung in Laufschaufelspitzenpanzerungen insbesondere durch Kerbwirkung von cBN-Partikeln 4 erfolgte. Mit A ist ein Ort höchster Spannung angedeutet.
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Die Risse 5 können sich in der Nickelschicht 6 mit den cBN-Schleifpartikeln 4 weiter ausbreiten und aufgrund der guten Haftung zum Grundwerkstoff 7 in diesen weiter wachsen.
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2 zeigt eine numerisch berechnete Spannungsverteilung am Tip einer Laufschaufel. Dabei weist der schraffierte Bereich X1 an der konvexen Seitenkanten der Schaufelspitze höhere Spannungswerte auf, als die anderen in 2 sichtbaren Bereiche.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. einer entsprechenden Laufschaufel:
- Die Beschichtung 6 (vgl. 1) wird im ermittelten Bereich Y der höchsten Spannung ohne cBN-Partikel 4 aufgebracht (Vermeidung der cBN-Belegung und dadurch Vermeidung der Kerbwirkung im Bereich der höchsten Spannung).
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4, 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. einer entsprechenden Laufschaufel zur bzw. mit Vermeidung der kompletten Ni-/cBN-Beschichtung im Bereich der höchsten Spannung:
- Über das Auftragen einer Maske bzw. eines Abdeckmittels, beispielsweise eines Lacks 8, wird die Ni-/cBN-Beschichtung (4, 6) im ermittelten Bereich Y der höchsten Spannung (vgl. 3) komplett vermieden bzw. eine Schichtfreiheit 9 durch die Lackabdeckung 8 realisiert (siehe 4).
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Nach dem Aufbringen der Spitzenpanzerung wird die Maske bzw. das Abdeckmittel 8 entfernt bzw. eine Schichtfreiheit 9 nach dem Entlacken realisiert (siehe 5). Dadurch kann sich ein Schwingfestigkeitsverhalten wie bei einer unbeschichteten Schaufel ergeben.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. einer entsprechenden Laufschaufel:
- Alternativ zum Maskieren vor der Beschichtung wird bzw. ist hier ein nachträgliches mechanisches teilweises Entfernen des Coatings bzw. der Spitzenpanzerung (4+6) in den schwingungsmäßig hochbelasteten Bereichen realisiert.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. einer entsprechenden Laufschaufel:
- Insbesondere, um verschiedene Schwingformen zu berücksichtigen, werden bzw. sind zwei oder mehr spitzenpanzerungsfreie Zonen bzw. Streifen vorgesehen. 7 zeigt hierzu exemplarisch einen Schaufeltip mit mehreren Bereichen Z ohne Coating (4+6) in Umfangsrichtung bzw. Profilsehnenrichtung.
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8A, 8B zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Herstellen einer Spitzenpanzerung an einer Laufschaufel bzw. einer entsprechenden Laufschaufel:
- Dabei ist bzw. wird in einer Querschnittsbetrachtung der Schaufel gesehen das Coating bzw. die Spitzenpanzerung (4+6) in Sehnenrichtung nur über die „neutrale Faser“ aufgetragen (8A) oder entlang einer der Umfangskanten der Spitze in Sehnenrichtung, beispielsweise der konvexen Kante, die Panzerung weggelassen oder entfernt (8B). In 8A, 8B kann links jeweils die konkave oder konvexe Seite bzw. Kante liegen.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laufschaufel/Halbzeug
- 2
- Schaufelblatt
- 3
- Schaufelspitze
- 4
- cBN-Partikel
- 5
- Riss
- 6
- Nickelschicht
- 7
- Grundwerkstoff
- 8
- Lackabdeckung
- 9
- Schichtfreiheit nach dem Entlacken
- A
- Ort höchster Spannung
- X1, X2
- Spannungsverteilungsbereiche
- Y
- Ort höchster Spannung, ohne cBN-Partikel
- Z
- Bereich ohne Coating
