DE1601563A1

DE1601563A1 - Gekuehlte Schaufel fuer mit hohen Temperaturen arbeitende Turbinen

Info

Publication number: DE1601563A1
Application number: DE1967G0050766
Authority: DE
Inventors: Kercher David Max
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-02-26
Filing date: 1967-07-29
Publication date: 1970-12-17
Also published as: GB1188401A; DE1601563B2; DE1601563C3

Description

ELECTRIC COKMFx
ocaetiectad/, ITe w iork, V.St.A.

Zeichen: G 1106

Gek-ihlte Schaufel für mit hohen Temperaturen arbeitende

Turbinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Beschaufelung für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbinenmaschinen und insbesondere auf einen Tur.binenschaufelaufbau, der verbesserte Einrichtungen zum Steuern und Leiten der Strömung eines Kühlmittels durch das Innere der Schaufel und Jber die Unseren Oberflächen der Schaufel aufweist.

iiia ist bekannt, daß der Wirkungsgrad und die leistung einen Gasturbinentriebwerkes in Beziehung zur Betriebs temperatur der Turbine stehen und dai3 Wirkungsgrad und

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Leiatung

Gei/Kü

Leistung theoretisch dadurch erhöht werden können, daij die Betriebstemperatur erhöht wird. In der Praxis ist jedoch die maximale Turbinenbetriebstemperatur durch die i'-'higkeit der verschiedenen Turbinenelemente begrenzt, hohe Temperaturen aufzunehmen. Da die Trieb-Werksleistung auf diese Ueise durch die Temperatur begrenzt ist, haben Triebwerkshersteller beträchtliche Anstrerrungen unternommen, um die Auinahmef-'lhigkeit von Turbinenelementen für hohe Temperaturen zu erhöhen

* und zwar insbesondere die Aufnahmefähigkeit der Schaufeln mit Tragflächenprofil, auf die die Yerbrennungsprodukte mit hohen Temperaturen aufprallen. Eine gewisse Eichung der Triebwerkslei&tung wurde durch die Entwicklung und 'Verwendung von neuen Materialien erreicht, die höheren Temperaturen widerstehen können. Diese neuen Katerialien sind jedoch ganz allgemein nicht in der Lage, den extrem hohen Temperaturen zu widerstehen, die in modernen Gasturbinen erwünscht sind. Es wurden deshalb verschiedene Kühlanordnungen für Schaufeln entwickelt, ura die obere Betriebstemperaturgrenze dadurch zu erhöhen^ daw das Schaufelmaterial auf geringeren Temperaturen gehalten wird, denen es widerstehen kann, ohne beschädigt zu werden oder zu verbrennen. Der Begriff "Schaufel" ist ein ganz allgemeiner Begriff, der sich auf Elemente mit Tragflächenprofil bezieht, die in Turbinenmaschinen verwendet werden, welche mit hohen Temperaturen arbeiten.

Dieser 00985 1/0607' BADORIGfNAL

Dieser Begriif umfaßt nicht nur Elemente, die allgemein als Schaufeln bekannt sind, sondern auch andere J^-uteile mit Tragflächenproiil, die als Rotorflügel oder Rotorblätter usw. bezeichnet werden. Die Erfindung soll ±Q folgenden unter Bezugnahme auf Schaufeln mit TragfläcJienprofil eines Turbinenrotors beschrieben werden.

Das Kühlen von Schaufeln wird im allgemeinen in der './"eise durchgeführt, daß innere Strömungskanäle innerhalb der Schaufeln ausgebildet v/erden, welche die Strömung eines Kühlmittels aufnehmen. Dieses Kühlmittel ist hauptsächlich Druckluft, welche, entweder vom Kompressor oder aus dem Brennkammerabschnitt abgezapft v/ird. iis ist ebenfalls bekannt, daß die Triebwerksleistung möglicherweise theoretisch durch das Abzapfen von l'iüilluft verringert wird. Es ist deshalb wesentlich, daß diese Kühlluft in hochwirksamer weise ausgenutzt , wird. Insbesondere ist es erforderlich, daß dafür geborgt wird, daß die Leistungsabnahme, die durch das Abzapfen von Luft bewirkt wird, nicht größer ist als die Leistungszunähme, die sich aus den höheren Turbinenbetriebstemperaturen ergibt. Dies bedeutet mit anderen i/orten, daß das System vom Standpunkt der Herabsetzung der benötigten Kühlluftmenge außerordentlich leistungsfähig nein muß. Es ist ferner wesentlich, daß.alle

Teile

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Teile der Turbinenschaufel]! ausreichend gekühlt werden. Eine ausreichende Kühlung muß nicht nur für den Vorderkanten- und Ilinterkantenbereich der Schaufeln erzielt v/erden, v/obei diese Teile am meisten in nachteiliger Weise durch die Verbrennungsgas« mit hohen Temperaturen beeinflußt werden, sondern auch für den I-Iittelbereich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante.

. Es wurde nun gefunden, daß bisher zur Verfugung stehende Kühlanordnungen bezüglich der im "vorstehenden dargelegten Forderungen Nachteile aufweisen, feiihlsysteme, bei denen minimale Kühlluftmengen verwendet werden, sind meist nicht in "der Lage, in ausreichender Vieise alle Teile der Schaufel zu kahlen. Dies führt dazii, da« ein kritischer Abschnitt, v/ie beispielsweise die Vorderkante, Risse bekommen kann, verbrennen kann oder bereits nach kurzer Betriebsdauer zerstört v/erden kanu. Diejenigen Systeme, mit denen in ausreichender Weise

^: alle Teile der Schaufeln gekühlt v/erden können, benötigen andererseits zu viel Luft bezüglich des G-esa'itwirkungsgrades des Triebwerkes und der G-rund dafür liegt darin, daß die-Kühlluft nicht wirksam ausgenutzt wird. Bei einer nicht v/irksamen Anordnung kann die Kühlluft durch das Innere der Schaufel derart hindurchgeführt v/erden, da J j kleine Konvektionswfirraeübertragungskoeffizienten oder "w irmeübertragungsraten

erzeugt S.r.AÖ &ß1

erzeugt v/erden. Atidere-!augenschatten, -rfie beispielsweise nicht ausreichende· ;/ärmeübertragung:sf lachen,-. lcönnen die wirksame Ausnutzung der Kühlluft verhindern,

Äs ist deshalb ein Ziel dor Erfindung, für Turblnenij.ischinen, die mit hohen D^enrp'eraturen arbeiten,. einen /ei/besb-erten Schaufeluul'bau zu schaffen, mit-dem das hohem v/irkungsgrad auGgeniitzt wird.

IiS ist ein weiteres Ziel der Erfindung, für Surbinenuasohinen, die mit liohen Temperaturen arbeiten, einen verbesserten Öchaufelaufbati zu schaffen, mit dem,es aiügllch ist, alle Teile der Schaufeln in ausreichender .,eise zu lilüilen. ■

weiteres Ziel der Erfindung, ist es, für Turbinen, die mit hohen Temperaturen arbeiten,, eine verbesserte ijchaufelanordnung zu schaffen, die verhältnismäßig einfach und billig hergestellt werden kann und die leicht, robust und im Betrieb zuverlässig ist.

]'urz genagt, weist getnfui einer imiüihrungsform. der ■ ')r LLndunr·; eine Schaufel fur mit hohen Temperaturen uüdei boride Turbinenmauchinen, eine Anzahl von im axialen Abstand angeordneten Kanälen ax% wobei diese

Kanüle '0098 5 1/06Of bad. original

ι y

Kanäle einen radialen Kanal neben der Vorderkante der Schaufel umfassen, einen radialen Kanal neben der Hinterkante der Schaufel, einen ersten serpentinenförmigen Kanal neben-dem Vorderkantenkanal und einen zweiten serpentinenföriaigen Kanal neben dem ILinterkantenkaiial. Der Vorderkantenkanal und der ersteserpentinenformige Kanal sind durch eine Anzahl von im radialen Abstand voneinander angeordneten Öffnungen verbunden und der Hinterkantenkanal und der "zweite serpentinenf oriaige Kanal sind in ähnlicher V/eise durch eine Anzahl von im radialen -ibstand voneinander angeordneten Öffnungen «/•erblinden. Die Schaufel weist Einlasse aux, um Kühlmittel, wie beispielsweise Luft, den serpentinenförrafc;en Kanälen zuzuführen. Vom Vorderkantenkanal und liinterkantenkanal wird das Kühlmittel durch Auslässe abgegeben, die eine Vielzahl von Kanälen im ⁽/orderkantenbereich und im Hinterkantenbereich der Schaufel umfassen. Im Vorderkantenbereich sind die Kanäle längs Achsen angeordnet, die spitze Winkel mit der äußeren Schaufeloberfläche bilden, so daß das Kühlmittel eine dünne Schicht auf der äußeren Ί/andungsoberfläche bildet, wodurch eine sogenannte Pilmlcühlung erzeugt wird. Insbesondere sind diese Kanäle derart angeordnet, daß das Kühlmittel, welches längs der konvexen und konkaven Seitenwandungen ausgestoßen wird, längs der Wandungen zur Hinterkante der Schaufel hin gerichtet ist und derart_s daß das Kühlmittel^

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mittel, welches an der Vorderkante ausgestoßen wird, radial längs der Vorderkante gerichtet ist. Die Winkelanordnung der Kanäle ergibt weiterhin größere Konvektioiiswärmeaustauschflächen im: Vorderkantenbereich. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Kühlung im kritischen Vorderkantenbereich durch eine sogenannte Aufprallkülilung verbessert. Die im radialen Abstand voneinander angeordenten Kanäle, die den Vorderkantenkanal und den ersten serpentinenfö'rmigen Kanal miteinander verbinden, sind derart bemessen, daß die Kühlmittelströmung durch diese öffnungen hindurch gedrosselt wird und daß das beschleunigte Kühlmittel gegen die innere Wandungsoberflache im Vorderkantenbereich der Schaufel gerichtet wird. Die turbulenz, die auf diese l/eise im Kühlmittel erzeugt wird, führt zu hohen KonvektIonswarmeübertragungsraten oder Koeffizienten an der Vorderkante.

Gemäß v/eiteren Aspekten der Erfindung wird eine wirksame Kühlung ebenfalls im kritischen Hintefcantenbereich geschaffen und ferner im Hittelbereich der Schaufel. Der Mittelbereieli der Schaufel wird durch eine Konvektionswärmeübertragung auf das-Kühlmittel gekühlt, welches durch den ersten und den zweiten serpentinenförmigen Kanal strömt. Diese Kanäle haben vorzugsweise Strömungsuuerschiiitte, die zwischen den Einlassen und den Auslassen

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VS-VERIRAUtI

derart abnehmen, daß Eönveictioiiswärmeübertragungskoeffizienten durch das Kühlmittel erzeugt werden, die zwischen den Einlassen und Auslässen zunehmen. Durch die Anordnung der Kanäle der serpentinenförmigen Kanäle derart, daß die maximalen Strömungsquerschnitte im wesentlichen in der Mitte zwischen der "Vorderkante und der Hinterkante liegen, an welcher Stelle die Schaufei am dicksten ist und daß die minimalen Strönnmgs- _-.uerschnitte dichter bei der Vorderkante und der Hinterkante angeordent sind, werden zwei wesentliche.Vorteile erreicht und zwar einmal der, daΰ-die Temperaturgradienten in Sehnenriclitung außerordentlich herabgeaetsx werdej. und ferner der, daß das ,3 c hau j. ex ge wicht wesentlich verringert wird. Kach der Kühlung des Xittelabschiiitte;j strömt das Kühlmittel im zweiten serpentinenf üriiiige:?. Kanal zum Hinterkantenkanal, von welchem das rühlr;ij.ttel durch eine Vielzahl von im radialen Abstand voneinander angeordneten ?anälen austritt, die in axialer ilicliiuio;·· den Hinterkantenkanal und die gesamte pTinterkante dei: Schaufel miteinander verbinden. Diese Vielzahl von Kanälen, welche eine Konzentration von Konveictionsoberflachen bildet, sichert eine ausreichende llhlhlunj: im Hinterkantenbereich. Wenn die Schaufeln in Rotoren verwendet werden, können die Schaufeln Ablaßöfinungon aufweisen, um Fremdstoffteilchen abgeben zu können, so daß die serpentinenförmigen Kanäle nicht durch

Fr emds t ol'x t e j lci ι on

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Premdstoffteilchen verstopft xirerden. "

'Die Erfindung soll znasmxaen mit weiteren Zielen und Merkmalen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme aui die Piguren der Zeichnung erläutert werden. Bs zeigen:

Pig. 1 eine Schnitt ans! ent eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes, velches einen Turbinen- ä rotor aufweist, der gemäß der Erfindung aufgebaut iat, , ■

Pig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles des in Kg. 1 gezeigten Rotors, - '

Pig. 3 eine perspektivische Ansicht in vergrößertera Maßstab von Schaufeln des Rotors,

Pig.4 eine Iiängsschnittansicht in vergrößertem Maßstab einer Schaufel, . ■

j;¹ig. 5 eine Schnittansicht genommen längs der Linie '5-5 der Fig. 4,

I¹Mg. 6 eine Schnittansicht genommen längs der Linie 6-6 der Pig. 4 und

' " ' ■"■ ■ Pig. 7 009851/0107

BAD

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Fig. 7 eine Schnittansicht genommen längs der Linie 7-7 der Fig. 5.

Die mit hohen Temperaturen arbeitenden Teile eines Axialströmungs-Gasturbinentriebwerkes 10 sind in Fig. 1 dargestellt und das Triebwerk weist ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11 auf, welches diese, mit hohen Temperaturen arbeitenden Abschnitte umgibt. DuS dark gestellte Gasturbinentriebwerk weist einen ringförmigen Brennkammerraum 12 aux, wobei dieser Brennkammerraum 12 zwischen .dem zylindrischen Gehäuse 11 und einer inneren Wandung 13 ausgebildet ist. Eine ringförmige Brennkammerauskleidung 14 ist innerhalb des Raumes 12 im Abstand vom Gehäuse 11 und der Wandung 13 angeordnet. Die eigentliche 'Verbrennung findet innerhalb der ringförmigen Brennkammerauskleidung 14 statt. Die Ringräume 15 und 16 zwischen der Brennkammerauskleidung 14 und dem Gehäuse 11 und der Wandung 13 sind mit unter hohem Druck stehender Luft gpEüllt, die von einem nicht dargestellten Kompressor abgegeben wird. Diese unter hohem Druck stehende Luft, die relativ zu den. unter hohen Temperaturen stehenden Verbrennungsgasen innerhalb der Brennkammerauskleidung 14 verhältnismäßig kühl ist, wird in gesteuerter Weise dem Innenraum der Brennkammerauskleidung zugeführt, um die Verbrennung auxrechtsuerhalten und um eine Kühlung durchzuführen.'Erfindrnigs-

gemäß

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gemäß kann diese relativ kühle" Luft ebenfalls zura Kühlen bestimmter Turbineiieleroeiite verwendet werden, die den Terbrenniingsprodukten mit hohen Temperaturen ausgesetzt sind. .-.- * ■

Am stromab gelegenen Ende der BrennkammerauskTeidung ist ein Leitkranz 20 angeordnet, um die heilSen Verbrennung^ produkte Turbinenschaufeln 21 mit der richtigen Geschwindigkeit und unter dem richtigen rfinkel zuzuführen* Die Stirbineiischaufeln 21 sind-am umfang eines Turbinenrades 22 montiert, welches ■ zusammen mit der iiel-le 23 und einem zweiten Turbinenrad 24» welches Schaui'elii 25 aufweist, drehbar auf der Triebwerksaeh.se 26 mittels lagern 27 gelagert ist. Die Turbine, Vielehe die Kader 22 und 24 und die ¥eHe 23 umfaßt, treibt den nicht.dargestellten Kompressor des Triebwerkes 10 an.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 sei bemerkt, daß die Gesamtströmung der Verbrennungsgase durch die Leitkränze 20 und 28 hindurchgeht und sich über die Turbinenschaufeln 21 und 25 hinwegbewegt. ¥enn das Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Leistung utid einem Wirkungsgrad betrieben werden soll, welche in modernen Gasturbinentriebwerken erwünscht sind, müssen die brennungsprodukte aus der Bremikammerauskleidung 14

Γ.

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mit Temperaturen abgegeben v/erden, die höher sind •als diejenigen, denen die Schaufeln, die aus gegenwärtig zur Verfugung stehenden Materialien hergestellt sind, ohne Kühlung widerstehen können. Durch die Krfindung wird dieser wünschenswerte Betrieb dadurch ermöglicht, daß eine ausreichende Kühlung in einer hochwirksamen Weise für alle Schaufelabschnitte vorgesehen wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel * ist die erfindungsgemäße Kühlanordnung lediglich bei

den Turbinenschaufeln 21 vorgesehen. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch bei einer anderen Beschaufelung als bei einer Turbinenbeschauielung vorgesehen sein kann, beispielsweise bei den Schaufeln mit Tragflächenprofil der Leitkir.inze 20 und 2'ö.

Ehe die genaue Art und Weise beschrieben wird, in der durch die Erfindung die Strömung des F.ühli.iittelü durch das Innere und über die äuuieren Oberflächen der Turbineniichaufeln 21 gesteuert und gerichtet wird, sei der allgemeine Aufbau des Turbinenrotors kurz erläutert. Dus 'Rotorrad 22 weist eine An ζ aiii von in Unifangsrichtung, im Abstand voneinander angeordneten Schlitzen 30 im äußeren Umfang rav±. '.OLe Turbinenßchauf ein 21 weisen eine 'Wurzel 51 auf, die von' den Sdiitzen 30 aufgenommen wird. Ein iJcliauielkürper 3J-¹ ist ganzteilir; an ;jede'r Wurzel 31 angeordnet und

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erstreckt sich voa dieser radial nach außen. Der SchEraxelfcörper 33 ist derjenige Seil der Ilurbinen- -■■ schaufel 21, der den VeL^rennun^produkten mit hohen yeujperaturen ausgesetzt "ist,

Der Schaufelkörper 33 einer jeden Turbinenschaur£el ist ein Bauteil mit Tragfläohenprofil und weist eine äußere konvexe Seitenwandungsoberflache 35 und eine äußere konkave SeitenwandungsOberflache 36 auf, wobei diese Oberflächen die in axialem Abstand voneinander angeordneten Vorder- und Hinterkanten 37 und mitteinander verbinden. Wie die lig, 5 und 6 zeigen, int die aerodynaiDische lOriD des Sciuraf elfcörpers 33' an: der Torderkant©37 nicht stumpf, sondern abgerundet, vr-ihrend die. Hinterkante sich konisch verjüngt und recht dünn ist* TJm diese kritische Vorderkante und Hinterkante sowie den Mittelabschnitt zu kühlen, weist gemäß der Erfindung jeder Schaufelkörper 33 Wärmeaustausch-· t-uniHe auf, wie es in den Fig» 4 bis 7 gezeigt ist. Der Sehaufelkörper 33■ .weis-t insbesOndere eine Anzahl von iro axialen Abstand voneinander angeordneten Kanälen auf, wobei diese Kanäle einen radialen Kanal 40 an der /oi/derkante 37 umfassen, einen radialen Kanal 41 neben der Hinterkante 38, einen ersten serpentinenförmigen Kanal, der im axialen Abstand voneinander angeordnete radiale Kanäle 42_r 43 und 44 auf v/eist und einen zweiten

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serpentinenförmigen Kanal, der im axialen Abstand voneinander angeordnete radiale Kanäle 45 und 4-6 aufweist. ¥ie die J?igr 4 bis 6 zeigen, sind die Kanäle 40 bis 46 radiale Bohrungen, die sich vom radial äußeren Ende 50 des Schaufelkörpers 33 aus zum Wurzelabschnitt 31 hin nach innen erstrecken. Das äußere Ende 50 des Schaufelkörpers 33 weist eine Aussparung 51 auf. Eine Endv/andu.ngsplatte 52 ist innerhalb der Aussparung 51 angeordnet^ um mit Ausnahme der AblaßÖffnungen 53 die äußeren Enden der Kanäle 40 bis 46 abzuschließen, wie Pig. 4 zeigt, sind die radialen Kanäle 42"und 43 axial durch eine öffnung 54 an ihren radial äußeren Enden neben der Endwandung 52 miteinander verbunden und die Kanäle 43 und 44 sind axial durch eine Öffnung 55 an ihren inneren Enden neben dem Wurzelabschnitt 31 miteinander verbunden« Die Kanäle 42 bis 44 bilden auf diese Weise den ersten serpentinenförinigen Kanal. In ähnlicher Weise sind die Kanäle 45 und 46 axial durch eine Öffnung 56 an ihren radialen äußeren Enden neben der Endwandung 52 miteinander verbunden, um den zweiten serpentinenförinigen Kanal zu bilden.

Innerhalb des Schaufelkörpers 33 verbindet eine Anzahl von verhältnismäßig kleinen Drosselöffnungen 57 äen. Vorderkantenkanal 40 und den radialen Kanal -44. Die

Öffnungen

Öffnungen 57 sind im radialen Abstand voneinander längs der gesamten Ausdehnung des Schaufelkörpers 33 angeordnet. Diese Öffnungen 57 sind derart bemessen, daß die Strömung des Kühlmittels gedrosselt'..wird, so dai;> dadurch die Konvektionskühlung an der Vorderkante gemäß der Erfindung unterstützt und erhöht wird. 'Eine weitere Vielzahl von im radialen Abstand voneinander angeordneten Öffnungen 58 verbindet den Hiiiterkaiitenkanal 41 und den radialen Kanal 46. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 58 derart bemessen, daß eine Verbindung ohne Drosselwirkung zwischen den Kanälen 41 und 46 hergestellt wird, ffalls eine verbesserte Konvektionswärmeübertragung an der Hinterkante gewünscht wird, können die Öffnungen 58 wie die Öffnungen 47 derart bemessen sein, daß die Strömung des Kühlmittels durch die Öffnungen hindurch gedrosselt wird.₌ -

Das Kühlmittel zur Kühlung der Turbinenschaufeln 21 ist verhältnismäßig kühle Druckluft, die aus dem Brennkammer ab schnitt 16 abgezapft wird und zwar durch in Umi'angsrichtung im Abstand voneinander angeordnete Öffnungen 60 in der inneren Wandung 13, wie es durch die Pfeile 'in 3?ig. 1 dargestellt ist. Von den Öffnungen 60 strömt die Luft durch in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnete Öffnungen 61 in der Rotorwelle 23,

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Yon hier aus strömt die Luft radial zur !Unterseite des Rotorrades 22 und von dort aus strömt die Luft über die Hinterseite des Rotorrades 22 nach außen, um" dieses Rad zu kühlen. Die Kühlluft tritt dann in einen Kammerabsclmitt 62 radial innerhalb der Wurzeln 31 ein. Ton dort aus strömt die Kühlluft radial nach außen durch ITuten 63, die mit Einlaßöffnungen 64 und 65 zu den radialen Kanälen 42 und 45 in Verbindung stehen. Auf diese vieise wird die Kühlluft dem Innenraum der Schaufelgehäuse 33 zugeführt.

Erfindungsgemäß sind Auslässe vorgesehen, um die Kühlluft aus dem Schaufelkörper 33 wieder abzulassen. Die Auslässe umfassen eine Vielzahl von Kanälen ?Ό ira Vorderkantenbereich des Schaufelkörpers 35. Die dargestellte Schaufel weist eine Reihe von im radialen Abstand voneinander angeordneten.Kanälen 70a auf, welche den Vorderkantenkanal 40 und die konvexe Seitenwandungsoberfläche 35 verbinden. Ferner ist eine Reihe von im radialen Abstand voneinander angeordneten l'aniilen 70b vorgesehen, weiche den Vorderkantenkanal 40 und die konkave Seitenwandungsoberfläche 36 miteinander verbinden. Weiterhin sind zwei Reihen von im radialen Abstand voneinander angeordneten Kanälen 70c vorgesehen, welche den Vorderkantenkanal 40 und die .Vorderkante 37 miteinander verbinden. Diese Kanäle 70 weisen sehr kleine .uerschnitts-

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flächen auf. Die Durchmesser der Kanäle liegen in der Größenordnung von 0,005 Zoll bis zu 0,025 Zo.ll und diese L'anäle siud .längs Achsen angeordnet, die •alt den äußeren s/andungsoberflächen spitze Winkel bilden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Achsen der Jianäle 70ä mit <ler konvexen Seitenwandungsoberfläche 35 einen, spitzen .'''/inkeT"-Θ],'"von vorzii^Li'-yeise weniger als 30°. Die Achsen der Kanäle 70b bild en einen Ihnlicben spitzen winkel mit der konkaven iSeitem^uidungsOberfiäcne 36, der vorzugsweise kleiner ■ " iiit als 30°» Zusätzlich sind die kanüle YOa und 7öb derart angeordnet, das das Kühlmittel, das vom Vorderi-:.ntenk::Uiai 40 durch .die se Lanäle abgegeben wird, -ixlal süromab längs der ,yandungsOberflächen zur Hinterkante 3B strömt, ude die I?ig. 7 zeigt, sind die-Achsen der Jianäle 70c derart angeordnet, daß diese mit der Vorderkante 37 einen spitzen ¥inkel θ^ von annähernd 30° bilden. Die Ifanäle sind derart angeordnet, daß das von den J miälen 70c abgegebene -.Kühlmittel radial nach außen längs der Vorderkante 37 strömt. Die Eunktion der Kanäle 70 und der Grund für deren spezielle Orientierung werdennoch erläutert.

Die Auslässe des Sehaufelkörpers33 weisen eine Vielzahl von Kanälen 72 im sich verjüngenden und dünnen :^;i iiberkanüonbereich UUi₀ Die im radialen Abstand voneinander

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einander angeordneten Kanäle 72 erstrecken «ich axial zwischen dem radialen Kanal 41 und der IJinterkante und sind wie die Kanäle 70 im Vorderkantenbereich Kanäle mit sehr geringem Strömungsquerschnitt.

Χω Setrieb wird verhältnismäßig kühle unter hohem Druck stehende Luft aus dem Raum 16 durch die Einlaßöffnungen 64 und 65 im ~,.^:urzelab3cunitt 31 den radialen Lanuien 42 und 45 des ersten und zweiten serpentinei:- xörmigen Kanals zur--eiüurt. Das Kühlmittel im ersten uerpentinenfürmigen .Kanal strömt■durch den Kanal 42 radial .nach auOen und dann durch den Fanal 45 radial nach innen und dann durch "den Kanal 44 W!.eder radial nach außen, von wo aus das Kühlmittel durcn die Öffnungen 57 hindurch in den Kanal 40 hinein beschleunigt wird. Das Kühlmit'tel im zweiten serpentineniörmigen Kanal strömt durch den Kanal 45 radial nach außen und dann durch den Kanal 46 radial nach innen, von wo aus das Kühlmittel durch die Öffnungen 58 in den Hinterkantenkanal 41. hinein strömt. Vom Yorderkantenkanal 40 und vom Hinterkantenkanal 41 wird die Kühlluft durch die Kanäle 70 und 72 an die Außenseite der Schaufel abgegeben.

Dieser beschriebene Aufbau ergibt ein Kühlsystem mit außerordentlich großem 'Ürkungsgrad. Beispielsweise

im ÖÖ9Ö51/06Ö?

im Vorderlcatitenbefeich, in welchem die Kühlprohleme bisher am schwierigsten zu lösen waren," wird" durch die Erfindung mit dem gleichen Kühlmittel sowohl eine Eonvektionskühlung als auch eine Filmkühlung dtirchgef ührt. Zusätzlich wird die KonvektionskÜhlung im Yorderkantenbereicli ganz erheblich dadurch verstärkt, daß eine Aufprallkühlung erzeugt wird und daß; die Iförmeübertragungsöberflachen wesentlich vergrößert sind. Es sei bemerkt, daß die Öffnungen 57» welche den ersten serpentinenförmigen Kanal und den Yorderkantenkanal 4-0 miteinander verbinden, Drosselöffnungen sind und die Öffnungen 57 sind derart bemessen, daß die Strömung des Kühlmittels gedrosselt wird. Dadurch wird das Kühlmittel, wenn es zwischen den radialen. Kanälen 44" "und 4-0 strömt, .beschleunigt. Dies führt dazu, daß das beschleunigte Kühlmittel auf die Inneren Schaufeloberflächen im Yorderkantenabschnitt als eine Yielzahl von Strahlen mit hoher Geschwindigkeit aufprallt und dadurch werden außerordentlich starke Turbulenzen und große Wärmeübertragungskoexfizienten an der Yorderkante erzielt. Die sogenannte AufprallMihliing erzeugt also an der Yorderkante 37 sehr hohe Konvektionswärmeubertragungsraten. Yom Yorderkantenkanal 40 aus wird die Kühlluft durch die Kanäle 70 abgegeben, die wegen ihrer Winkelanordnung wesentlich größere Wärmeübertragungsflächen

aufweisen

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IbUlbb^

aufv/eiGen als vorhanden wären, falls die Kanäle senkrecht zu den Ifandungs oberflächen verlaufen würden.. Diese außerordentlich wirksame Konvektionskühlung wird durch eine .ü'ilri- oder Grenzschichtkühlung ergänzt, ü.w die 'Winkelanordnung der Kanäle bewirkt, daß das abgegebene Kühlmittel in der Grenzschicht eingegangen v/ird und deshalb bildet dieses Kühlmittel dünne Schichten auf den äußeren Schaufeloberflächen ira Vorderkante!.. bereich. Hierdurch wird aber des Scliauf elgeblluxe 33 gegen die heizen YerbrennurESprodukte isoliert.

Die erfindun/vsgovnaße Kühlanordnung ergibt eine außerordentlich wirksame Kühlung des Mittelabsclmittes, an welchem die Kühlmittelgrenzschicht, die von den Kanälen 70 abgegeben wird, beginnt, sich von der konvexen und konkaven Seitenv/andungsoberfläche 35 und 36 abzulösen. Dieser Mittelabschnitt wird durch. Konvektion gekühlt und zwar durch das Kühlmittel, welches über die gesamte Länge der Schaufel durch die Kanäle 42 bis 46 strömt. Das gesamte Kühlmittel überquert die gesamte.länge des Schaufelkörpers 33 mehr als einmal und ein gewisser Teil des Kühlmittels überquert die gesamte Schaufellänge dreimal. Zusätzlich sei bemerkt, daß der Kanal 42 einen größeren Ströraungsquerschnitt hat als der Kanal 43 > der seinerseits v/iederun einen größeren Strömungsquersclmitt hat als der lan al -,"4

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j V S - V EJUAAtJtTQTi? bad

In ähnlicher weise hat der Kanal' 45 einen größeren 3 trörjun^-s quer schnitt" als der Kanal. 46. Dies "bedeutet "ixt anderen ¥orten, daß die Strömingsquerschnitte' des ersten und zweiten serpentinenforaigen Kanals zwischen dea Siiilaß und dem Auslaß abnehmen. Durch diese Abnnhtne des Strömungsquerschnitt.es wird die-Kühlluft beschleunigt und höhere yärmeübertraguttgsköeffizienten v/erden erzeugt, wenn die -Kühlluft durch die serpentineni'öraigen Kanäle hindurchströmt. Gleichzeitig wird jedoch die Kühlluft,., wenn sie durch die serpentinenförmigen Kanäle hindurchströmt, erwärmt. Die Zunahme der Wärmeübertragungsrate., die durch höhere Wärmeübertragungs- >oef i:izienten bedingt wird und die Abnahme -der V/ärrneübertraß-ungsrate, die durch die Irv/ärinung des Kühl-.roittela bedingt wird,, heber^ich awl und das Endergebnis 1st eine im v/esentlichen gl'eichförmige Wärmeübertragung im rtibbelbereich und ferner die Ausbildung von..minimalen TerijfVeraturgradienten iin Schaufelkörper 33. Dadurch, dai3 die Kanäle mit -maximalem Durchmesser im dicksten Abschnitt des Sclaaufelkörpers 33 angeordnet sind, wird eine yerhllltnisraäßig leichte und gleichförmig feste Schaufel gescuaffen. Diese spezielle Anordnung zur "'iulutig des l-iittelberelches ist vam Standpunkt des //i^nungö^raden her sehr vorteilhaft, da das gleiche Kühlmittel anschließend zur Kühlung der Vorderkanten— und MinLeflcantenbereiche verv/endet '

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Im kritischen Hinterkantenbereich wird eine Konvektionskühlung dadurch geschaffen, daß das Kühlmittel durch die Kanäle 72 mit kleinem Durchmesser hindurchströmt, die sich axial zwischen dem Hinterkantenkanal 41 und der Hinterkante 3& erstrecken. Ytie im Fall der Kanäle 70 im Vorderkantenbereich bilden die Kanäle 72 eine Konzentration von w'ärmeaustausciioberflachen, so da3 eine außerordentlich wirksame Konvektionswärmeübertragung erzeugt wird.

TJm eine wirkungsvolle Ausnutzung des Kühlmittels sicherzustellen, ist es wesentlich, daß die Drossel^· bohrungen 57 und die Kanäle 70 im TorderkantenbensLch und die Kanäle 72 im Hinterkantenbereich eine ausreichende, jedoch nicht übermäßige Strömung durch die verschiedenen Teile des Schaufelkörpers 33 zulassen. Dies kann dadurch erreicht v/erden, daß die Anzahl und die einzelnen Strömungsquerschnitte der Bohrungen und Kanäle genau eingestellt werden und daß die Druckunterschiede zwischen dem Innenabschnitt des Schaufelgehäuses und dem statischen Druck des heißen G-ases an den äußeren Schaufeloberflächen entsprechend eingestellt werden.

Durch die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung wird eine sehr gute Konvektionskühlung der äußeren .iiridwandung 52 durch die Kühlluft erreicut, die durch die Öffnung

zwischen

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zwischen den radialen Kanälen 42 und 45 und durch die Öffnung 56 zwischen den radialen Kanälen 45 und strömt« Ablaß öffnungen 53 sind in der Endwandung 52 vorgesehen. Diese öffnungen 53 sind mit den Öffnungen 54 und 56 der serpentinenförmigen Kanäle verbunden. "Der Zweck dieser Ablaßöffnungen 55 ist es, kleinen jTremdstoffteilchen zu ermöglichen, aus den serpentinenförmigen Kanälen auszutreten. Wenn die i':b laß öffnungen 53 nicht vorgesehen sind, könnte es möglich sein, daß durch die Zentrifugalkräfte diese 3?r emdst off teilchen ■iich in den öffnungen 54 und 56 und am' äußeren Ende des ICanales 44 ansammeln. Dies könnte eventuell dazu x'ühren, daß die serpentinenförmigen Kanäle verstopft i/erden und dafi das Kühlsystem" ausfällt. Diese Ablaßöffnungen 53 sind derart bemessen, daß lediglich ein sehr geringer Anteil der;gesamten KühlluftstrÖmungdur eh die End wandung 52 zusammen mit den !Fremdstoff- , teilchen austritt... Dieser .schmale Anteil: an luft, der durch diese Öffnungen hindurchgeht, wird in die Aussparung 51 am äußeren Ende 50 der Schaufel abgegeben uno. von hier aus tritt dieser geringe liuftanteil wieder iu den EauptverbrennungsgasstrOm .ein. --■-. . - >

Wie bereits dargelegt, ist die erfindungsgemäße: ICUhI^ anordmmg nicht auf eine Anwendung in !Eurbinenschaufeln

^: ■■'"-"■■ . ^; beschrankt.

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BAD ORIGINAL

beschränkt. Die Kühlanordnung kann mit gleicher "Wirksarakeit bei l'eitkränzen lür G-asturbineutriebwerke verwendet .werden und "bei Schani ein," die in anderen alt hohen 'i'emperaturen arbeitenden Turbinenwas chine η verwendet ,werden, wie beispielsweise in Ilocndruckkornpressoren. Die allgemeine erfindunge^e-:.'.. Ό Anordnung kann, falls gewünscht, auch für andere Zwecke verwendet werden, wie beispielsweise zum Enteisen von Kompressorschauieln. Es ist klar, daß die Anordnung auch bei Schaufeln verwendet werden kann, die anders ausgebildet sind als die dargestellten Schaufeln 21, die gebohrte Kanäle haben.

Durch den erfindungsgeuiäßen Schaufelaufbau ist es möglich, die Kuhllufttnenge bei ausreichender Külil^inj aller Schaufelteile auf ein Minimum herabzusetzen. Zusätzlich ißt die Schaufel außerordentlich einfach und leicht und diese Schaufel ist robust und im Ee- ·. trieb zuve r 1 < '■ s s i g.

Es können Abänderungen und Veränderungen vorgenommen " werden, die i/ü Raiimen der Erfindung liegen.

Patent-

Claims

Ir a t e ii t a η s ρ r ü c h e -

1. .'jciiaufel für eine Axialströnamgs-^fI!urbin.e'cimascliine, gekennzeichnet durch einen, radial sich erstreckenden fJchaufelkörper, der äußere ¥andungsoberflächen aufweist, wobei eine konvexe und eine tonka ve Seiten-wandungsoberiläche vorgesehen ist, welche im axialen .abstand voneinander angeordnete- Vorder- und Hinterkanten TDite-lniider verbinden, innere WändungsoberiLlächen, die einen radial sieh erstreckenden Kanal neben der Vorderkante bilden, einen radial sich eratreckenden Kanal neben der llinterkanbe, einen ersten serpentineni'Ürraigen Kanal neben dem Vorderi:anteiikuna.L und einen zva.ten serpentineiixörtnlgen "anal neben dem Hinterkantenkanal, wobei eine Anzahl you irn radialen Abatarid voneinander angeordneten ." -■'in?.!en vorgesehen iöt, welche den ersten Serpentinen

^orRiicjen J'anal· und den Yorderkcintenkanal verbinden und v/obei eine Anzahl von im radialen Abstand vono"j.^:iaade.u' angeordneten Kanälen vorgesehen ist, welche den, zv/eiten serpentinenförmigen Kanal und den Hinteri.iuifcmkunal verbinden und v/obei ein Einlaß vorgeseneu ist, uiij "Jur'iieauöbaurichfflibtel dem ersten und zweiten ,iornontirieniortnigen I.anal zuzuführen und wobei au uor/ /orr-leri'nnte Aiiül^;',.fiöG vorgesehen sind, die eine uLJ. von Kauälen umfassen,- die den - Yorderkaubea-

kanal und das Äußere der ,/andungsoberflächen miteinander verbinden und wobei der Hinterkantenaus- -IaJB eine Anzahl von Kanälen auf v/eist, welche den Hinterkantenkanal und die Hinterkante des Ventilgehäuses miteinander, verbinden.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurcli gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle im yorderkantenbereich . des Scliaufelkörpers wenigstens eine Reihe von im

radialen Abstand voneinander angeordneten öffnungen in der konvexen Seitenv/andungs oberfläche bilden und wenigstens eine Lleiae von in radialen Abständen voneinander abordneten Öffnungen in der konkaven Seitenwandungsoberfläche, wobei die Kanäle dieser beiden Reihen längs Achsen angeordnet sind, die spitze Winkel mit den Seitenvandungsoberflächen bilden und wobei diese Kanäle zur Hinterkante derart hin gerichtet sind, daß das T/äCTieaustaiischralttel welches von diesen Kanälen abgegeben wird, eine verhältnismäßig dünne Schicht auf der konvexen und ' konkaven Seitenwaudung im Yorderkantenbereich bildet

3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Kanälen im Vorderkantenbereich des Schaufelkörpers weiterhin wenigstens eine RoHie von im radialen Abstand voneinander angeordneten

Kanälen 51/06 0J

(BTi 5ff 3;

Kanälen aufweist, die in der Torderkante münden, wobei die Kanäle dieser Reihe längs Achsen angeordnet sind, die spitze YiinkeJ, .mit der Torderkante bilden und/wobei diese Kanäle radial derart gerichtet sind, daß das Wärmeaustauschmittel, welches aus diesen Kanälen austritt, eine verhältnismäßig dünne Schicht bildet, welche radial längs der Vorderkante des Schaufelkörpers strüiut.

4-. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im radialen Abstand voneinander angeordneten Kanäle, welche den ersten serpentinenfdrmigen Kanal und den Vorderkantenkanal miteinander verbinden, derart bemessen sind, daß das Warmeaustauschmittel, welches durch diese öffnungen hindurchströnrt, gedrosselt wird." und "daß das I litt el mit hoher &e~ sehwindigkeit gegen die innere Vfendungsoberfläche des Vorderkantenkanals gerichtet wird, so daß hohe Eonvektionswärmeübertragu-iigskoeffizienten an der Vorderkante erzeugt werden.

5. Rotor für eine mit hoher Temperatur arbeitende Axialstromungsturbine, gekennzeichnet durch ein Motorrad, eine Anzahl von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneAön radial sich erstreckenden Schattfein, die am Umxartg des Rotorrades

montiert 009851/0607 BAD OFlieiNAL

■montiert sind, wobei jede Schaufel einen "/urzelabschnitt aufweist, der in das Rotorrad e'ingreift und einen Schaufelkörper, der sich radial vow liurzelabsehnitt nach außen erstreckt, wobei der Schaufelkörper eine äußere Bndwandung und äußere Wandungsoberflachen hat, wobei eine konvexe und eine konkave Seitenwandungsoberfläche vorgesehen ist, • welche im axialen Abstand angeordnete Vorder- und Hinterkanten miteinander verbinden, wobei innere Wandungsoberflächen vorgesehen sind, die einen Kanal neben der Vorderkante bilden, der sich radial zwischen der Wurzel und der äußeren Endwandung erstreckt, einen Kanal neben der Hinterkante, der sicli radial zwischen der Wurzel und der äußeren Endwandung erstreckt, einen ersten serpentinenförmigen Kanal neben dem Vorderkantenkanal und einen zweiten serpentinenförmigen Kanal neben dem Hinterkantenkanal, wobei der erste und der zweite serpentinenförmige Kanal wenigstens zwei miteinander verbundene im axialen Abstand voneinander angeordnete Kanäle aufweist, ύοπ denen sich jeder radial zwischen der Wurzel und der äußeren Endwandung erstreckt, wobei eine Anzahl von im radialen Abstand voneinander, angeordneten Kanälen vorgesehen ist, die den ersten serpentinenförmigen KaraL und den Vorderkantenkanal verbinden und .wobei eine Anzahl von im radialen Abstand voneinander

angeordneten 009851/0607

angeordneten Kanälen vorgesehen Ist, .welche, den zweiten serpentinenförmlgen Kanal und den Hinterkantenkanal miteinander verbinden, wobei Blnläs.se vorgesehen sind, um Kühlmittel durch die Wurzel dem ersten und zweiten serpentinenförmigen Kanal" zuzuführen und wobei an der Vorderkante Auslässe vorgesehen sind, die eine Anzahl von Kanälen umfassen, welche den Torderkantenkanal und die äußeren TiandungsOberflächen miteinander verbinden,,wobei diese Kanäle längs Achsen angeordnet sind, die

spitze yfinkel mit der äußeren Wandungsoberfläche derart bilden, daß das'Kühlmittel, - welches'durch diene Kanäle abgegeben wird, eine verhältnismäßigdünne Schicht auf der äußeren Wandungsoberfläche •im Vorderkantenabschnitt bildet und wobei die Auslässe an der Hinterkante.- eine Anzahl von Im. radialen Abstand voneinander angeordneten Kanälen aufweisen, die den Hinterkantenkanal und die Hinterkante des Schaufelkörp.ers miteinander verbinden.

6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle im Vorderkantenbereich des Schaui'elkörpers eine erste ,Reihe von im radialen . Abstand voneinander angeordneten öffnungen in der; konkaven Wandungsoberflache bilden, eine zweite Reihe von im radialen Abstand angeordneten Öffnungen

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in. der konvexen Seitenwandung und eine dritte und vierte parallele Reihe von im radialen Abstand voneinander, angeordneten Öffnungen in der Vorderkante, wobei die Achsen der Kanäle der ersten und zweiten Reihe derart angeordnet sind, daß Kühlmittel, welches aus den Kanälen austritt, zur Plinterkante hin gelenkt wird und die Achsen der Kanäle der dritten und vierten Reihe sind derart angeordnet, daß das abgegebene Kühlmittel radial nach außen längs der Vorderkante des Schaufelkörpers gerichtet wird.

7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im radialen Abstand voneinander angeordneten Kanäle, die den ersten serpentinenförmigen Kanal und den Vorderkantenkanal miteinander verbinden, derart bemessen sind, daß die Kühlmittelströmung durch diese Öffnungen hindurch gedrosselt wird, um Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit gegen die Innenwandungsoberflächen des Vorderkantenkanals zu richten, wodurch hohe Konvetctionswärmeübertragungskpeffizienten im Vorderkantenbereich erzeugt werden.

8. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der radialen Kanäle, die der erste und der zweite serpentinenförmige Kanal aufweist, axial am radial äußeren Ende des Schauxelkörpers

neben 009851/06

neben der äußeren Endwand miteinander verbunden sind, wobei die äußere Endwandung Ablaßöffnungen aufweist, die mit den serpentinenförmigen Kanälen ^; in Verbindung stehen, damit fremdstoffteilchen abgeschleudert werden können,

9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsq'uerschnitte der radialen Kanäle, die unmittelbar mit dem Einlaß in Verbindung stehen, größer sind als die Strömungsquerschnitte der radialen Kanäle, die mit dem Vorderkanten- und Hinterkantenkanal in Verbindung stellen und zwar derart, daß Wärmeübertragungskoeffizienten durch das Kühlmittel, welches durch die serpentinenförmigen Kanäle strömt, erzeugt werden, die zwie.chen dem Einlaß und dem Vorderkanten- und Hinterkantenkanal zunehmen.

10. Rotor nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Kanäle, die im ersten und zweiten serpentinenförmigen Kanal vorgesehen sind, derart angeordnet sind, daß die Kanäle mit maximalem Strömungsquerschnitt nebeneinander im wesentlichen in der Mitte zwischen der Vorderkante und Hinterkante angeordnet sind und zwar an der Stelle, wo der Abstand zwischen der konvexen und konkaven Seitenwandung am 'größten ist und daß die Kanäle mit minimalem Querschnitt neben der Vorderkante und der Hinterkante angeordnet sind -. . unä zwar derart, daß Temperaturgradienten in SeiiEnrichtung auf ein Minimum herabgesetzt werden und daß Schaufelgewicht ebenfalls vermindert wird.

L e e r s e i t e