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Anwendungsgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Turbinenbaus und kann
bei Gasturbinen verwendet werden, die für verschiedene Zwecke mit gekühlten Laufschaufeln
oder Leitschaufeln versehen sind. Die Erfindung betrifft insbesondere
eine Schaufel für eine
Gasturbine mit mindestens einem Kühldurchgang in der Schaufel
und mindestens einer inneren mit einer Seitenwand der Schaufel untrennbar
verbundenen, sich in Längsrichtung
der Schaufel zwischen druckseitiger und saugseitiger Seitenwand
erstreckenden Trennwand, die einen Teil der Wand des mindestens
einen Kühldurchgangs
bildet.
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Aus
dem U.S.-Patent Nr. 3854842 ist eine gekühlte Laufschaufel für eine Gasturbine
bekannt, die einen mit einer Kühlmittelquelle
verbundenen Hohlraum aufweist. Der Hohlraum wird durch eine dadurch
verlaufende Kühlluftströmung gekühlt.
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Eine
gekühlte
Leitschaufel aus dem U.S.-Patent Nr. 4193738 bietet eine analoge
technische Lösung.
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Bei
den bekannten Ausführungen
von Kühldurchgängen besteht
jedoch aufgrund der unausgeglichenen Wärmeströmung des Gases zur Schaufel von
außen
und aufgrund der großen
Auswirkung der geometrischen Form der verschiedenen Profilflächen auf
die Kühlung
ein sehr unausgeglichener Kühlungsgrad.
Insbesondere in Verbindung mit der wesentlich vergrößerten Intensität der Wärmeströmung des
Gases zu der Wand der Schaufel, gegen die das Arbeitsmedium strömt, und
in Zusammenhang mit dem ungünstigen
Einfluß der
geometrischen Form der Schaufelwand auf die Kühlung ist die Wirksamkeit der
letzteren in der Regel vermindert.
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Dieser
Mangel wird zum großen
Teil bei einer anderen bekannten Ausführung eines Kühlbereichs, die
aus dem U.S.-Patent Nr. 3807892 bekannt ist, beseitigt. Bei diesem
Kühlsystem
sind geradlinige Trennwände
in dem Hohlraum der Schaufel eingesetzt, die den Innenhohlraum in
mehrere getrennte Hohlräume
(mindestens zwei), die mit der Kühlmittelquelle
verbunden sind, unterteilen. Bei diesem Kühlsystem ist es aufgrund des
Vorhandenseins getrennter Hohlräume
möglich,
die innere Wärmeübertragung
von der Schaufelwand auf das Kühlmittel
in verschiedenen Bereichen der Schaufel örtlich zu verstärken, und
zwar insbesondere an der Wand der Schaufel, gegen die das Arbeitsmedium
strömt,
wodurch die Wirksamkeit seiner Kühlung
erhöht
wird. Dies führt
wiederum zu einer ausgeglicheneren Kühlung der Schaufel insgesamt.
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Eine
derartige Ausführung
eines Kühlbereichs
weist jedoch einen wesentlichen Mangel auf, der in folgendem liegt.
Die wand der Schaufel, auf die das heiße Gas direkt auftrifft und
deren Außenfläche es berührt, weist
in ortsfestem Zustand eine höhere Temperatur
auf als die inneren geradlinigen Trennwände, die von dem relativ kalten
Kühlmittel
berührt werden.
Der Unterschied zwischen den Temperaturen, d.h. zwischen den Wänden der
Schaufel und den inneren geradlinigen Trennwänden, kann hohe Werte von 400
K und darüber
betragen. Infolgedessen ist die Wärmeausdehnung der Schaufelwand.
wesentlich größer als
die Wärmeausdehnung
der inneren geradlinigen Trennwände.
Da die Wand der Schaufel und die innere geradlinige Trennwand untrennbar miteinander
verbunden sind, führt
diese unterschiedliche Wärmeausdehnung
zu einer bedeutenden Spannungsbeanspruchung in den Trennwänden. Diese
großen
Spannungsbeanspruchungen in den Trennwänden sind unvermeidlich, da
die geradlinige Form der letzteren ihre geringe Flexibilität und folglich
größere Längssteifigkeit
verursacht. Alle Bereiche der geradlinigen Trennwände, einschließlich ihrer
Mitte, bei der es sich um den kältesten
Bereich handelt, werden dazu gezwungen, sich in der Länge genausoweit
auszudehnen wie die Wärmeausdehnung
der heißen
Wand der Schaufel. Infolgedessen entwickeln sich beträchtliche
Spannungsbeanspruchungen, die in den kältesten mittleren Bereichen
der Trennwände
besonders stark sind. Diese Spannungen vermindern die Lebensdauer
und Zuverlässigkeit der
Schaufeln.
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Von
den vorgenannten gattungsgemässen Trennwänden, deren
Wesen es ist, untrennbar mit den Seitenwänden der Schaufel verbunden
zu sein, zu unterscheiden sind solcherart Trennwände, welche zu Kühlungszwecken
in einen Hohlraum der Schaufel eingesetzt werden, und welche nicht
oder nur punktuell mit einer Seitenwand der Schaufel verbunden sind.
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So
offenbart
DE 1601613 eine
hohl ausgeführte
Turbinenleitschaufel mit einem Einsatz, welcher im wesentlichen
der inneren Kontur der Schaufel angepasst ist. Über den Schaufelfuss tritt
Kühlluft in
einen inneren Hohlraum des Einsatzes ein, um von dort über definiert
verteilte Kühlluftbohrungen
an die Schaufelwand herangeführt
zu werden. Durch eine wellenförmige
Ausprägung
des Einsatzes werden in Ausrichtung und Dimensionierung festgelegte
Kühlkanäle gebildet,
welche eine definierte Kühlmittelströmung entlang
der Schaufelwand, beispielsweise von deren Vorderkante zur Hinterkante,
sicherstellen sollen.
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Nach
einem alternativen Vorschlag zur Verbesserung der konvektiven Kühlung einer
Gasturbinenschaufel regt die
DE
3416087 eine verbesserte Gestaltung der Kühlkanäle an, indem
in denselben Elemente zur Vergrösserung
der Wärmeübertragungsoberfläche angeordnet
werden, dergestalt, dass diese Elemente einander kreuzen und an
ihren Kreuzungsflächen
in wärmeleitender
Verbindung miteinander stehen. Nach einer besonderen Ausführungsart
soll es sich bei diesen die Wärmekonvektion verbessernden
Elementen um ein den Kanalquerschnitt ausfüllendes wellenartig gefaltetes
Drahtgewebe handeln.
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Ein
Beitrag zu der Lösung
der Aufgabe, die sich auf die Lebensdauer einer Turbinenschaufel
negativ auswirkende Spannungsbeanspruchung einer untrennbar mit
einer Seitenwand der Schaufel verbundenen Trennwand innerhalb eines
Kühlmittelkanals
zu vermindern, ist den aufgeführten
Lösungen des
Standes der Technik jedoch nicht zu entnehmen.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine innengekühlte Schaufel
mit wenigstens einer sich zwischen druckseitiger und saugseitiger
Seitenwand erstreckenden Trennwand bereitzustellen, welche sich
durch eine Verminderung der thermisch bedingten Spannungsbeanspruchung
der Trennwand auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird durch eine innengekühlte Schaufel
für eine
Gasturbine gelöst,
die mindestens einen inneren Kühldurchgang
und mindestens eine innere mit einer Seitenwand der Schaufel untrennbar verbundene,
sich in Längsrichtung
der Schaufel zwischen druckseitiger und saugseitiger Seitenwand
erstreckende Trennwand aufweist, die ein Teil der Wand des mindestens
einen Kühldurchgangs
ist, wobei die Trennwand gewellt ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß gestattet
diese technische Lösung
eine Verminderung der Spannungsbeanspruchungen in der Trennwand.
Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund
der Wellenform der Trennwand ihr mittlerer Bereich, der gleich weit
von einer konkaven Seitenwand und einer konvexen Seitenwand der Schaufel
entfernt ist, eine wesentlich größere Flexibilität aufweist
und folglich im Vergleich zu einer geradlinigen Trennwand weniger
steif ist. Infolgedessen kann der mittlere Bereich der Trennwand
während der
Wärmeausdehnung
im Betrieb möglicherweise weniger
gedehnt werden als die heiße
Wand der Schaufel. Dies ist der Hauptunterschied zwischen der Art,
in der eine gewellte Trennwand gemäß der vorliegenden Erfindung
verformt wird und der oben erläuterten
bekannten Art bei einer geradlinigen Trennwand, deren mittlerer
Bereich dazu gezwungen wird, sich in der Länge genauso weit auszudehnen wie
die Wärmeausdehnung
der heißen
Wand der Schaufel. Weniger Formänderungen
des mittleren Bereichs der gewellten Trennwand führen zu einer Verminderung
der Spannungsbeanspruchungen und folglich zu einer Erhöhung der
Lebensdauer und Zuverlässigkeit
der Schaufel.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Schaufel verläuft
die Längsrichtung
der Scheitel und Täler
der gewellten Trennwand rechtwinklig zur Richtung der gewellten
Trennwand.
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Die
Wellen der Trennwand können
aus kreisförmigen
Teilen, Dreiecks-, Trapez-, Sinus- oder Mäanderformen oder einer Kombination
daraus gebildet sein. Eine Kombination aus kreisförmigen Teilen
wird bevorzugt, da sie leichter als andere Formen hergestellt werden
kann.
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Die
gewellte Trennwand kann zur Erzielung einer besseren Konvektion
des Kühlmittels
mit Löchern
versehen sein.
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Angesichts
der Tatsache, daß die
Temperatur des gegen die Wand der Schaufel strömenden Gases in dem mittleren
Bereich der Schaufel von größter Bedeutung
ist, ist zum Zwecke einer besseren Kühlung der Vorderkante in dem
Bereich der Mindestabstand der gewellten Trennwand von der Wand der
Schaufel, gegen die das Arbeitsmedium strömt, im mittleren Teil der Trennwand
kleiner als an mindestens einem Ende der Trennwand.
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Zur
Verbesserung der Kühlung
ragen an einer der gewellten Trennwand gegenüberliegenden wand Rippen parallel
zur Richtung der Scheitel und Täler
der Wellen der Trennwand zur gewellten Trennwand.
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Diese
Rippen sind vorzugsweise senkrecht an der der gewellten Trennwand
gegenüberliegenden
Wand angeordnet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Schaufel ist jede Rippe entweder gegenüber einem Scheitel der gewellten
Trennwand oder einem Tal der gewellten Trennwand angeordnet, wobei
die Scheitel zu der Wand weisen, an der die Rippen vorgesehen sind,
während
die Täler
von dieser Wand weg weisen.
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Um
zu verhindern, daß sich
die Kühlintensität in dem
Bereich vermindert, in dem der Kühldurchgang
aufgrund der Wellenform der Trennwand am breitesten ist, ragen die
den Tälern
der gewellten Trennwand gegenüberliegenden
Rippen weiter hinaus als die den Scheiteln der gewellten Trennwand gegenüberliegenden
Rippen.
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Um
zu verhindern, daß sich
die Kühlintensität in dem
Bereich vermindert, in dem der Kühldurchgang
aufgrund der Wellenform der Trennwand am breitesten ist, ragt an
einer der gewellten Trennwand gegenüberliegenden Wand mindestens
ein Stift zu der gewellten Trennwand und ist gegenüber einem Tal
der gewellten Trennwand angeordnet.
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Wege zum Ausführen der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen ihrer Ausführung, wobei
diese den Schutzbereich möglicher
Ausführungsarten
jedoch nicht einschränken,
und von Darstellungen ausführlicher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
einer ersten Ausführungsform
einer Laufschaufel;
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2 den
Querschnitt der Schaufel entlang der Linie II-II in 1;
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3 einen
Längsschnitt
einer zweiten Ausführungsform
der Schaufel;
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4 den
Querschnitt der Schaufel entlang der Linie IV-IV in 3;
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5 einen
Längsschnitt
einer dritten Ausführungsform
der Schaufel;
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6 den
Querschnitt der Schaufel entlang der Linie VI-VI in 5;
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7 einen
Teil des Längsschnitts
der gewellten Trennwand.
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Die
in den 1 und 2 gezeigte Laufschaufel 1 ist
mit ihrem Fußteil 2 mit
der Rotorwelle 3 der Gasturbine verbunden und von einem
Gehäuse 4 umgeben,
das den Strömungskanal
begrenzt, in den das Gas in Richtung des Pfeils A strömt.
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Im
Innern der Laufschaufel 1 ist ein Innenhohlraum 6 ausgebildet,
der im Hinterkantenbereich 7 der Schaufel 1 in
einen Ausströmspalt 8 mündet. In dem
Bereich des Fußteils 2 ist
der Innenhohlraum 6 mit einer Kühlmittelquelle 9 verbunden.
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An
der Einlaßkante
der Laufschaufel 1 ist der Innenhohlraum 6 von
einer ersten Wand 10 begrenzt, die sich im wesentlichen
radial erstreckt. In dem Innenhohlraum 6 ist eine Trennwand 11 angeordnet, die
sich ebenfalls im wesentlichen radial erstreckt und an den Innenflächen einer
konkaven Seitenwand 19 und einer konvexen Seitenwand 20 der
Schaufel 1 befestigt ist. Die erste wand 10 befindet
sich gegenüber
der Trennwand 11.
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In
dem Bereich über
dem Fußteil 2 ist
die Trennwand 11 wellenförmig ausgebildet. Die Wellen erstrecken
sich rechtwinklig zur Strömungsrichtung des
Kühlmittels.
Scheitel 12, 12' und
Täler 13, 13' der gewellten
Trennwand 11 weisen zur ersten Wand 10 bzw. von
der ersten Wand 10 weg. Zwischen der Trennwand 11 und
der ersten Wand 10 ist im Bereich des Fußteils 2 eine
Einlaßöffnung 14 für das Einströmen eines
von einer Quelle 9 zugeführten Kühlmittels (z.B. Luft) in einen
durch die erste Wand 10, die gewellte Trennwand 11,
einen Teil der konkaven Seitenwand 19 der Schaufel 1 und
einen Teil der konvexen Seitenwand 20 der Schaufel 1 gebildeten
Kühldurchgang 15.
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Gegenüber jedem
Scheitel 12, 12' bzw.
jedem Tal 13, 13' der
gewellten Trennwand 11 sind Rippen 16 in einem
Kühlkanal 15 an
der Innenfläche
der ersten Wand 10 vorgesehen, wobei sich die Rippen parallel
zur Längsrichtung
der Scheitel 12, 12' und der
Täler 13, 13' erstrecken.
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Die
Ausführung
der in den 3 und 4 gezeigten
Schaufel 1 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten
darin, daß die
gegenüber
den Tälern 13, 13' der gewellten
Trennwand 11, d.h. in jedem Bereich, in dem der Kühldurchgang 15 am
breitesten ist, angeordneten Rippen 17 weiter hinaus- ragen
als die gegenüber
den Tälern 13, 13' der gewellten
Trennwand 11 angeordneten Rippen 16.
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Die
Ausführung
der in den 5 und 6 gezeigten
Schaufel 1 unterscheidet sich von der in den 3 und 4 gezeigten
darin, daß anstatt
der langen Querrippen 17 mindestens ein Stift 18 vorgesehen
ist, der sich an der ersten Wand 10 befindet, zu der gewellten
Trennwand 11 ragt und gegenüber den Tälern 13, 13' der gewellten
Trennwand 11 angeordnet ist.
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In 7 wird
eine bevorzugte Ausführungsform
der gewellten Trennwand 11 gezeigt, bei der die Scheitel 12 und
Täler 13 der
gewellten Trennwand 11 Abschnitte eines Kreises bilden,
was die leichteste Weise der Herstellung der gewellten Trennwand 11 darstellt.
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Obgleich
es sich bei dem zur Veranschaulichung ausgewählten Beispiel um eine Laufschaufel 1 handelt,
gilt das gleiche auch für
eine Leitschaufel einer Gasturbine.
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Die
Gasturbine funktioniert derart, daß heißes Gas in Richtung des Pfeils
A in 1 gegen die Laufschaufeln 1 und weiter
durch einen Kanal zwischen den Schaufeln 1 strömt und dabei
auf die Schaufeln aerodynamische Kraft ausübt. Eine Umfangskomponente
dieser Kraft, die die Richtung des Pfeils B in 2 aufweist,
bewirkt, daß sich
die Laufschaufeln 1 und der Rotor 3 der Turbine,
der durch den Fußteil 2 mit
den Schaufeln verbunden ist, drehen.
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Das
von der Quelle 9 in den Innenhohlraum 6 und insbesondere
in den Kühldurchgang 15 strömende Kühlmittel
kühlt alle
Bereiche der Laufschaufel 1, einschließlich der ersten Wand 10.
Die Einströmöffnung 14 leitet
das von der Quelle 9 zugeführte Kühlmittel in den Kühldurchgang 15.
Nachdem das Kühlmittel
den Innenhohlraum 6 und insbesondere den Kühldurchgang 15 passiert
hat, strömt
es in den Strömungsbereich
der Turbine durch den Ausströmspalt 8 und
teilweise durch Öffnungen
im Endbereich der Laufschaufel 1, die sich gegenüber dem
Fußteil 2 befinden,
in den Strömungsbereich
der Turbine aus.
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Da
die Trennwand 11 wellenförmig ist, wobei die Wellen
durch die Wellenscheitel 12, 12' und die Täler 13, 13', ihren mittleren
Bereich, der sich gleich weit von der konkaven Seitenwand 19 und
der konvexen Seitenwand 20 der Schaufel 1 entfernt
befindet, gebildet werden, ist sie wesentlich flexibler und folglich
weniger steif im Vergleich zu einer geradlinigen Trennwand. Bei
der Wärmeausdehnung
während
des Arbeitsprozesses dehnt sich der mittlere Bereich der gewellten
Trennwand 11 infolgedessen weniger aus als die heißen Wände der
Schaufel 1. Dies führt
zu einer geringeren Spannungsbeanspruchung und folglich zu einer
längeren
Lebensdauer und größeren Zuverlässigkeit
der Schaufel. Ein geringerer Mindestabstand zwischen der gewellten Trennwand 11 und
der ersten Wand 10, gegen die das Arbeitsmedium strömt, im Vergleich
zu mindestens an einem Ende der gewellten Trennwand 11 gestattet
eine verbesserte Kühlung
der ersten Wand 10 in dem entsprechenden Bereich, in dem
in der Regel das gegen die Laufschaufel 1 strömende Gas
am heißesten
ist.
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Die
im Kühldurchgang 15 an
der ersten Wand 10 gegenüber jedem der Scheitel 12, 12' und der Täler 13, 13' der gewellten
Trennwand 11 angeordneten Rippen 16, 17 gestatten
eine verbesserte innere Wärmeübertragung
in dem Kühldurchgang 15 und
erhöhen
aus diesem Grunde die Wirksamkeit der Kühlung der ersten Wand 10.
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Erstrecken
sich die gegenüber
den Tälern 13, 13' der gewellten
Trennwand 11, d.h. in den Bereichen, in denen der Kühldurchgang 15 aufgrund
der Wellenform der Trennwand 11 am breitesten ist, angeordneten
Rippen 17 weiter als die gegenüber den Scheiteln 12, 12' der gewellten
Trennwand 11 angeordneten Rippen 16, kann in diesen
Bereichen eine Verminderung der Intensität der Kühlung der ersten Wand 10 verhindert
und eine ausreichende Wirksamkeit der Kühlung erreicht werden. Ist
mindestens ein Stift 18 an der Innenfläche des Kühldurchgangs 15 befestigt,
der den Bereich eines Tals 13, 13' der gewellten Trennwand 11,
d.h. den Bereich, in dem der Kühldurchgang 15 aufgrund
der Wellenform der Trennwand 11 am breitesten ist, teilweise
ausfüllt, kann
eine Verminderung der Intensität
der Kühlung der
ersten Wand 10 in diesem Bereich verhindert und eine ausreichende
Wirksamkeit der Kühlung
erreicht werden. Die wellen der Trennwände können aus kreisförmigen Teilen,
Dreiecks-, Trapez-, Sinus- oder Mäanderformen oder einer Kombination
daraus gebildet sein. Die gewellte Trennwand kann zur Erzielung
einer besseren Luftkonvektion auch mit Löchern versehen sein.
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Das
Bilden der Scheitel 12, 12' und Täler 13, 13' der gewellten
Trennwand 11 aus Abschnitten eines Kreises stellt die leichteste
Art der Herstellung der gewellten Trennwand 11 dar.