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Hintergrund der Erfindung
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Die
exemplarischen Ausführungsformen
betreffen allgemein Gasturbinentriebwerkskomponenten und insbesondere
Blattdichtungsbaugruppen für Turbinenleitapparatbaugruppen.
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Gasturbinentriebwerke
enthalten typischerweise einen Verdichter, einen Brenner und wenigstens
eine Turbine. Der Verdichter kann Luft verdichten, die mit Brennstoff
vermischt und in den Brenner geleitet wird. Das Gemisch kann dann
zum Erzeugen heißer
Verbrennungsgase entzündet
werden und die Verbrennungsgase können der Turbine zugeführt werden.
Die Turbine kann den Verbrennungsgasen Energie entziehen, um den
Verdichter anzutreiben sowie Nutzarbeit für den Antrieb eines Flugzeugs
im Flug oder für
den Antrieb einer Last, wie z. B. eines elektrischen Generators,
zu erzeugen.
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Die
Turbine kann eine Statorbaugruppe und eine Rotorbaugruppe enthalten.
Die Statorbaugruppe kann eine stationäre Leitapparatbaugruppe mit mehreren
in Umfangsrichtung in Abstand zueinander angeordneten Schaufelblättern enthalten
die sich radial zwischen Innen- und Außenbändern erstrecken, die einen
Strömungspfad
für die
Durchführung
von Verbrennungsgasen durch diese definieren. Typischerweise sind
die Schaufelblätter
und Bänder
in mehrere Segmente ausgebildet, die nur eine (typischerweise als
Singlett bezeichnete) oder zwei in Abstand zueinander angeordnete
Schaufelblätter
enthalten können,
die sich radial zwischen einem Innen- und Außenband erstrecken. Die Segmente
sind miteinander verbunden, um die Leitapparatbaugruppe auszubilden.
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Die
Rotorbaugruppe kann sich stromabwärts von der Statorbaugruppe
befinden und mehrere sich radial aus einer Scheibe erstreckende
Laufschaufeln enthalten. Jede Rotorlaufschaufel kann ein Schaufelblatt
beinhalten, das sich zwischen einer Plattform und einer Spitze erstrecken
kann. Jedes Rotorschaufelblatt kann auch einen Fuß enthalten,
der sich unterhalb der Plattform erstrecken und in einem entsprechenden
Schlitz in der Scheibe aufgenommen werden kann. Alternativ kann
die Scheibe eine einteilige Schaufelscheibe oder eine beschaufelte
Scheibe sein, was die Notwendigkeit für einen Fuß erübrigen kann, und das Schaufelblatt
kann sich direkt aus der Scheibe erstrecken. Die Rotorbaugruppe
kann radial an der Spitze durch ein stationäres ringförmiges Deckband begrenzt sein.
Die Deckbänder
und Plattformen (oder die Scheibe im Falle einer Schaufelscheibe)
definieren einen Strömungspfad
für die Durchführung der
Verbrennungsgase durch diesen. Die Leitapparatteile und Deckbänder werden
getrennt hergestellt und in das Triebwerk eingebaut. Demzufolge
sind notwendigerweise Spalte dazwischen sowohl für Einbauzwecke als auch für die Aufnahme
einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung und
Zusammenziehung während
des Betriebs des Triebwerks vorgesehen.
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Die
Spalte zwischen den stationären
Komponenten sind zur Verhinderung einer Leckage durch diese geeignet
abgedichtet. In einem typischen Turbinenleitapparat wird ein Teil
der Luft aus dem Verdichter abgezweigt und durch die Leitapparatteile
für deren
Kühlung
geleitet. Die Nutzung von Abzweigluft verringert den Gesamtwirkungsgrad
des Triebwerks und wird daher soweit wie möglich minimiert. Die Abzweigluft
steht unter relativ hohem Druck, der größer als der Druck der durch
den Turbinenleitapparat strömenden
Verbrennungsgase ist. Somit würde
die Abzweigluft in den Strömungspfad
austreten, wenn zwischen den stationären Komponenten keine geeigneten
Dichtungen vorgesehen wären.
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Eine
zur Abdichtung dieser Spalten verwendete typische Dichtung ist eine
Blattdichtung. Eine typische Blattdichtung ist gekrümmt und
aneinanderliegend um den Umfang der Statorkomponenten angeordnet.
Beispielsweise enthält
das radial äußere Band
des Leitapparates axial in Abstand angeordnete vordere und hintere
Profile. Die Profile erstrecken sich radial nach außen und
liegen an einer komplementären
Oberfläche
einer angrenzenden Strukturkomponente, wie z. B., jedoch ohne Einschränkung darauf,
an einem Deckband, einer Deckbandaufhängung und/oder einem Brennereinsatz
an, um eine primäre
Reibdichtung damit auszubilden. Die Blattdichtung stellt eine sekundäre Dichtung
an dieser Übergangsstelle
bereit und überbrückt einen
Abschnitt des Profils und der angrenzenden Strukturkomponente. Blattdichtungen
sind typischerweise relativ dünne
nachgiebige Bereiche, die dafür
eingerichtet sind, entlang eines Stifts zu gleiten, der an einer
von den angrenzenden Strukturkomponenten befestigt ist.
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Unabhängig von
der speziellen Form der abzudichtenden Strukturkomponenten können Blattdichtungen
in eine geschlossene, abdichtende Position, in der sie an jeder
Strukturkomponente angreifen und den Raum dazwischen abdichten,
und eine offenen Position bewegt werden, in der wenigstens ein Abschnitt
der Blattdichtungen eine Strukturkomponente freigibt und den Durchlass
von Gasen zwischen derartigen Komponenten zulässt. In den meisten Anwendungen
wird die Bewegung der Blattdichtungen entlang den Stiften in eine
geschlossene Position beeinflusst, indem über der Dichtung eine Druckdifferenz
angelegt wird, d. h. ein relativ hoher Druck auf einer Seite der
Dichtung und ein vergleichsweise niedriger Druck auf der gegenüberliegenden
Seite drückt
die Dichtung in eine geschlossene, abgedichtete Position gegenüber Oberflächen der
angrenzenden Strukturkomponenten, um den Durchtritt von Gasen dazwischen
zu verhindern.
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Obwohl
Blattdichtungen breiten Einsatz in Turbinentriebwerken gefunden
haben, ist ihre Effektivität
in der Erzeugung einer fluiddichten Abdichtung von dem Vorliegen
einer ausreichenden Druckdifferenz zwischen der einen Seite der
Dichtung und der anderen abhängig.
Während
bestimmter Betriebszustände
eines Turbinentriebwerks ist der Unterschied im Fluiddruck auf den
gegenüberliegenden
Seiten der Blattdichtungen relativ niedrig. Unter diesen Umständen ist
es möglich,
dass sie die Blattdichtungen aus ihrem Eingriff mit den anliegenden
Strukturkomponenten der Turbomaschine lösen und eine Leckage dazwischen
zulassen. Eine relativ kleine Druckdifferenz über den Blattdichtungen ermöglicht auch eine
Bewegung oder Schwingung der Blattdichtungen in Bezug auf die Strukturkomponenten,
mit denen sie in Berührung
stehen. Diese Schwingung der Blattdichtungen, welche durch den Betrieb
des Turbinentriebwerks und andere Quellen verursacht ist, erzeugt
einen unerwünschten
Verschleiß sowohl
der Blattdichtungen als auch der Oberflächen der Strukturkomponenten,
an welchen die Blattdichtungen anliegen. Ein derartiger Verschleiß führt nicht
nur zu einer Leckage von Gasen zwischen den Blattdichtungen und
den Strukturkomponenten des Turbinentriebwerks, sondern kann auch
dessen vorzeitigen Ausfall verursachen.
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Um
dieses Problem zu überwinden,
enthielten andere Konstruktionen eine Vorspannungsstruktur, wie
z. B. eine Feder, um die Blattdichtung in eine bestimmte Position
vorzuspannen. Beispielsweise kann ein Band zwei in Umfangsrichtung
in Abstand angeordnete, sich radial erstreckende Vorsprünge in axialem
Abstand von einem Profil enthalten. Eine Vertiefung kann zwischen
den Vorsprüngen
und dem Profil dort ausgebildet sein, wo die Blattdichtung und Feder
angeordnet sind. Die Vorsprünge,
Blattdichtungen und Federn können
Löcher
zur Aufnahme eines Stiftes für
die Befestigung an dem Band enthalten. Wenigstens einer von den
Vorsprüngen
ist typischerweise von den Umfangskanten des Bandes in Abstand angeordnet.
Der Vorsprung, die Blattdichtung und die Feder sind so angeordnet,
dass die Feder die Blattdichtung gegen eine angrenzende Strukturkomponente
dergestalt drückt,
dass sie die Blattfeder jederzeit in einer geschlossenen dichten
Position hält.
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In
einigen Fällen,
wie z. B., jedoch ohne Beschränkung
darauf, emissionsarmen Brennern, ist diese Konfiguration nicht ausreichend.
Beispielsweise sind emissionsarme Brenner gegenüber Flammeninstabilität empfindlich,
welche zu einer akustischen Resonanz und einer hohen dynamischen Druckschwankung
führen
kann. Die hochfrequenten Druckschwankungen können die Blattdichtungen beschädigen, insbesondere
die Blattdichtungen zwischen dem hinteren Ende des Brennereinsatzes
und der Vorderkante der Leitapparatbänder, indem die Dichtungen
wiederholt gegenüber
der angrenzenden Strukturkomponente belastet und entlastet werden. Die
Dichtungen sind insbesondere gegenüber Beschädigung dort empfindlich, wo
sie nicht von den Federn und/oder Vorsprüngen unterstützt werden. Die
Dichtungen können
nicht vollständig
an ihren Umfangskanten und/oder zwischen den Vorsprüngen auf
den Bändern
unterstützt
werden.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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In
einer exemplarischen Ausführungsform enthält ein Turbinenleitapparatsegment
ein erstes Band, ein sich aus dem ersten Band erstreckendes Schaufelblatt
und eine an dem ersten Band befestigte Unterstützung. Die Unterstützung kann mehrere
in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Vorsprünge enthalten. In einer weiteren
exemplarischen Ausführungsform
enthält
ein repariertes Turbinenleitapparatsegment ein erstes Band mit einer
eingeschliffenen Vertiefung, ein sich aus dem ersten Band erstreckendes
Schaufelblatt und eine in die Vertiefung hart eingelötete Unterstützung. Die
Unterstützung
kann drei oder mehr in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Vorsprünge haben.
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In
noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform kann ein Verfahren
zum Reparieren eines Turbinenleitapparatsegmentes die Schritte der Bereitstellung
einer Unterstützung
mit mehreren Vorsprüngen,
das Schleifen mehrerer Vorsprünge
aus dem Turbinenleitapparatsegment und einer Befestigung der Unterstützung an
dem Turbinenleitapparatsegment beinhalten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks.
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer exemplarischen Turbinenleitapparatbaugruppe.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Turbinenleitapparatsegmentes.
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4 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
einer exemplarischen Blattdichtungsbaugruppe des Turbinenleitapparats.
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5 ist
eine Draufsicht von oben auf ein exemplarisches Turbinenleitapparatsegment.
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6 ist
ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Reparieren
eines Turbinenleitapparatsegmentes.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 veranschaulicht
eine schematische Querschnittsansicht eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks 100.
Das Gasturbinentriebwerk 100 kann einen Niederdruckverdichter 102,
einen Hochdruckverdichter 104, einen Brenner 106,
eine Hochdruckturbine 108 und eine Niederdruckturbine 110 enthalten.
Der Niederdruckverdichter kann mit der Niederdruckturbine über eine
Welle 112 verbunden sein. Der Hochdruckverdichter 104 kann
mit der Hochdruckturbine 108 über eine Welle 114 verbunden
sein. Im Betrieb strömt
Luft durch den Niederdruckverdichter 102 und den Hochdruckverdichter 104.
Die hoch verdichtete Luft wird dem Brenner 106 zugeführt, wo
sie mit einem Brennstoff vermischt und entzündet wird, um Verbrennungsgase
zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden aus dem Brenner 106 geleitet,
um die Turbinen 108 und 110 anzutreiben. Die Turbine 110 treibt
den Niederdruckverdichter 102 mittels einer Welle 112 an.
Die Turbine 108 treibt den Hochdruckverdichter 104 mittels
einer Welle 114 an.
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Wie
in 2 dargestellt, kann die Hochdruckturbine 108 eine
Turbinenleitapparatbaugruppe 116 enthalten. Die Turbinenleitapparatbaugruppe 116 kann
sich stromabwärts
von dem Brenner 106 oder einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln
befinden. Die Turbinenleitapparatbaugruppe 116 enthält eine
ringförmige
Gruppierung von Turbinenleitapparatsegmenten 118. Mehrere
gekrümmte
Turbinenleitapparatsegmente 118 können miteinander verbunden
sein, um eine ringförmige
Turbinenleitapparatbaugruppe 116 auszubilden. Gemäß Darstellung
in den 2–5 können die
Düsensegmente 118 eines
oder mehrere Schaufelblätter 120 enthalten, die
sich zwischen einem Innenband 122 und einem Außenband 124 erstrecken.
Die Schaufelblätter 120 können hohl
sein und interne Kühlkanäle aufweisen oder
können
einen oder mehrere Kühleinsätze aufnehmen.
Die Innen- und Außenbänder 122 und 124 können ein
oder mehrere axial in Abstand angeordnete Profile zum Verbinden
des Leitapparatsegmentes 118 mit den stromaufwärts und
stromabwärts
angrenzenden Komponenten haben.
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Das
Innenband 122 kann ein vorderes Profil 126 und
ein hinteres Profil 128 enthalten. Das Innenband 122 kann
auch mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Vorsprünge 130 haben.
Die Vorsprünge 130 können axial
in Abstand von dem vorderen Profil 126 angeordnet sein
und dadurch eine Vertiefung 132 zwischen den Vorsprüngen 130 und
dem vorderen Profil 126 definieren. Eine Blattdichtung 134 kann
in der Vertiefung 132 angeordnet und so positioniert sein,
dass sie an einer angrenzenden Komponente anliegt. In einer exemplarischen Ausführungsform
kann die angrenzende Komponente ein Brennereinsatz, wie z. B. der
Brennereinsatz 136, sein. In einer weiteren exemplarischen
Ausführungsform
kann die angrenzende Komponente ein Turbinendeckband sein. Die Blattdichtung 134 kann in
der Vertiefung 132 mit einem Stift 138 festgehalten sein.
Der Stift 138 kann durch ein Loch 140 in den Vorsprung 130 und
ein entsprechendes Loch 142 in der Blattdichtung 134 hindurch
positioniert sein. Eine Vorspannungsstruktur 144 kann durch
den Stift 138 gehalten werden und die Blattdichtung 134 in
einen anliegenden Kontakt mit der angrenzenden Komponente vorspannen.
Der Vorsprung 130, der Stift 138 und die Vorspannungsstruktur 144 können an
einer Umfangskante 146 und/oder Umfangskante 147 des Leitapparatsegmentes 118 angrenzen.
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Das
Außenband 124 kann
ein vorderes Profil 148 und ein hinteres Profil 150 enthalten.
Das Innenband 124 kann auch mehrere in Umfangsrichtung
in Abstand angeordnete Vorsprünge 152 haben.
Die Vorsprünge 152 können axial
in Abstand von dem vorderen Profil 148 angeordnet sein
und dadurch eine Vertiefung 154 zwischen den Vorsprüngen 152 und
dem vorderen Profil 148 definieren. Eine Blattdichtung 156 kann
in der Vertiefung 154 angeordnet und so positioniert sein,
dass sie an einer angrenzenden Komponente anliegt. In einer exemplarischen Ausführungsform
kann die angrenzende Komponente ein Brennereinsatz, wie z. B. der
Brennereinsatz 158, sein. In einer weiteren exemplarischen
Ausführungsform
kann die angrenzende Komponente ein Turbinendeckband sein. Die Blattdichtung 156 kann in
der Vertiefung 154 mit einem Stift 140 festgehalten sein.
Der Stift 140 kann durch ein Loch 162 in den Vorsprung 152 und
ein entsprechendes Loch 164 in der Blattdichtung 156 hindurch
positioniert sein. Eine Vorspannungsstruktur 166 kann durch
den Stift 160 gehalten werden und die Blattdichtung 156 in
einen anliegenden Kontakt mit der angrenzenden Komponente vorspannen.
Wie in 3 dargestellt können der Vorsprung 152 der
Stift 160 und die Vorspannungsstruktur 166 an
einer Umfangskante 168 und/oder Umfangskante 170 des
Leitapparatsegmentes 118 angrenzen.
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Die
Vorsprünge 130, 152 können in
einem Stück
mit einer Unterstützung 172 ausgebildet
sein, welche an dem Innenband 122 und/oder Außenband 124 befestigt
sein kann. Die Unterstützung
kann durch Hartlötung,
Schweißung,
unter Verwendung eines Befestigungselementes oder durch irgendein
anders im Fachgebiet bekanntes Anbringungsverfahren angebracht sein.
In einer exemplarischen Ausführungsform
kann eine Vertiefung 174 in dem Innenband 122 und/oder
Außenband 124 ausgebildet
sein. Die Unterstützung 172 kann
in der Vertiefung 174 befestigt sein. Die Unterstützung 172 kann
mehrere Vorsprünge 130, 152 beinhalten.
In einer exemplarischen Ausführungsform
kann die an dem Innenband 122 angebrachte Unterstützung 172 drei
oder mehr Vorsprünge 130,
eine angrenzend an eine Umfangskante 146 des Innenbandes 122,
eine angrenzend an eine weitere Umfangskante 147 des Innenbandes 122 und
eine oder mehrere dazwischen haben. In einer weiteren exemplarischen
Ausführungs form
kann die an dem Außenband 124 angebrachte
Unterstützung 172 drei
oder mehr Vorsprünge 152,
eine angrenzend an eine Umfangskante 168 des Außenbandes 124,
eine angrenzend an eine weitere Umfangskante 170 des Außenbandes 124 und
eine oder mehrere dazwischen haben. In noch einer weiteren exemplarischen
Ausführungsform
kann die an dem Innenband 122 angebrachte Unterstützung 172 drei oder
mehr Vorsprünge 130,
eine angrenzend an eine Umfangskante 146 des Innenbandes 122,
eine angrenzend an eine weitere Umfangskante 147 des Innenbandes 122 und
eine oder mehrere dazwischen haben. Die an dem Außenband 124 angebrachte
Unterstützung 172 kann
ebenfalls drei oder mehr Vorsprünge 152,
eine angrenzend an eine Umfangskante 168 des Außenbandes 124,
eine angrenzend an eine weitere Umfangskante 170 des Außenbandes 124 und
eine oder mehrere dazwischen haben.
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6 stellt
ein Flussdiagramm für
ein exemplarisches Verfahren zum Reparieren eines verschlissenen
Turbinenleitapparatsegmentes dar. In einer exemplarischen Ausführungsform
wird eine Unterstützung 172 mit
mehreren Vorsprüngen 152 bei dem
Schritt 176 bereitgestellt. Die Unterstützung 172 kann, wie
im Fachgebiet bekannt, als eine einteilige Struktur gegossen werden.
Anschließend
werden die Vorsprünge 152 auf
dem wenigstens einen Band bei dem Schritt 178 durch mechanische
Bearbeitung herausgearbeitet. So wie hierin verwendet, kann mechanische
Bearbeitung irgendeines oder alle von den folgenden beinhalten:
Schleifen, Fräsen,
Laserbearbeiten, elektroerosives Bearbeiten, elektrochemisches Bearbeiten
oder irgendwelche andere ähnliche Prozesse,
die Material von einer Komponente entfernen. Anschließend kann
eine Vertiefung 174 in dem Band für die Aufnahme der Unterstützung 172 ausgebildet
werden. Die Vertiefung 174 kann gleichzeitig mit dem Schritt 178 oder
getrennt davon als eigener Schritt ausgebildet werden. Bei dem Schritt 180 wird die
Unterstützung 172 an
dem Band bei der Vertiefung 174 durch Hartverlötung oder
irgendein anderes Befestigungsverfahren angebracht. Bei dem Schritt 182 können eine
Dichtungsnut 184 und Vertiefung 132, 154 ausgebildet
werden, indem von dem Befestigungsschritt 180 verbliebenes
Material maschinell entfernt wird. Anschließend werden die Blattdichtung 156,
Stifte 160 und Vorspannungsstrukturen 176 an den
Vorsprüngen 152 auf
der Unterstützung 174 bei dem
Schritt 186 eingebaut.
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Während des
Betriebs werden die Blattdichtungen in einen anliegenden Kontakt
mit angrenzenden Komponenten vorgespannt, um eine Abdichtung zwischen
dem Turbinenleitapparatsegment und den angrenzenden Komponenten
zu erzeugen. Die beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen stellen
eine zusätzliche
Unterstützung
für die
Blattdichtungen in beschädigungsempfindlichen
Bereichen, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Bereichen angrenzend an
die Umfangskanten der Innen- und/oder Außenkanten und der zentralen
Bereiche dazwischen bereit. Die exemplarischen Ausführungsformen
können
auch die mechanische Dichtungsbelastung vergrößern und die nicht unterstützte Länge der
Blattdichtungen verringern.
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Diese
Beschreibung legt exemplarische Ausführungsformen einschließlich der
besten Ausführungsart
offen, und um jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung auszuführen und
zu nutzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch
die Ansprüche
definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann auf
diesem Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen
in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle
Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden,
oder wenn sie äquivalente
strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem
Wortlaut der Ansprüche
enthalten.
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Zusammenfassung
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Ein
Turbinenleitapparatsegment enthält
ein erstes Band, ein sich aus dem ersten Band erstreckendes Schaufelblatt
und eine an dem ersten Band befestigte Unterstützung. Die Unterstützung kann mehrere
in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Vorsprünge enthalten.