DE3105879A1

DE3105879A1 - "fluessigkeitsgekuehlte gegenstrom-turbinenschaufel"

Info

Publication number: DE3105879A1
Application number: DE3105879A
Authority: DE
Inventors: James Thomas Schenectady N.Y. Dakin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1981-02-18
Publication date: 1982-02-25
Also published as: NO154705B; US4350473A; IT1169213B; FR2476744B1; NO810601L; GB2070147B; IT8119853A0; NL8100886A; JPS6359001B2; GB2070147A; JPS56135701A; FR2476744A1; NO154705C

Description

Flüssiqkeitsqekühlte Geqenstrom-Turbinenschaufel

Die Erfindung betrifft allgemein flüssigkeitsgekühlte Turbinenschat'feln und insbesondere derartige Turbinenschaufeln, die durch direkte Berührung gegenläufiger Flüssigkeits- und Dampfströme gekühlt werden.

Ultrahochtemperatur (UHT)-Gasturbinen arbeiten in einem Bereich won 1370° C (25U0° F) bis 1925° C (3500° F), mit dem Ziel, mehr als 200 % mehr Leistung und einen mehr als 50 % höheren thermischen Uirkungsgrad als herkömmliche Gasturbinen zu erbringen. Die bei der Herstellung derartiger Turbinen verwendeten Materialien und die Arbeitsbedingungen verlangen, daß die Turbintmschaufein flüssigkeitsgekühlt sind.

Bei typischen wassergekühlten Schaufeln mit offenem Kreislauf haber Tests ergeben, daß unter bevorzugten Arbeitsbedingungen (z.B. Uasserzufuhr, Drehgeschwindigkeit, Temperatur des Antriebsfluicis usw.) das Wasser sich in einem dünnen Film durch jeden Kühldurchgang bewegt, wobei die Achse des Durchganges etwa senkrecht zur Turbinendrehachse ausgerichtet ist. Der Uaaeerfilm wird durch die Zentrifugalkraft durch den Kanal gezogen und erreicht dabei eine hohe radiale Geschwindigkeit. Gleichzeitig wird der Film einer starken Corioliskraft unterworfen, die bei betriebsmäßiger Ki/hlwasserzuf uhr den dünnan Film in einen sich

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begrenzt quer erstreckenden Abschnitt (oder eine Ecke.) des Kühl-

oder benetzt

mi t LeLdurchganges stöüt. Uenn dies geschieht, bedeckt/der Flüssigkeitsfilm nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtfläche des Kühlmitteldurchganges und die Kühlfähigkeit des Kühlstromes Liird entsprechend vermindert. Bei einem bestimmten Uärmestrom für jeden Kühldurchgang, bewirkt dieser begrenzte benetzte Kühlbereich eine höhere Oberflächentemperatur in dem Kühlmi'tteldurchnang, der seinerseits zu einer höheren Temperatur in der AuSenschicht der Schaufel und damit zu einer kürzeren Schaufellebensdauer führt. Es ist sehr wünschenswert, den wirksam befeuchteten Kühlbereich in jedem Kühldurchgang im ganzen Kühlflüsaigkeits-ε Iruinbereich zu erhöhen, wodurch die Laufschaufel-Außentemperatur wesentlich reduziert und die Standzeit wesentlich erhöht wird.

Die oben genannten Ziele und Vorteile werden durch Einrichtungen und Verfahren zum Kühlen einer Turbinenschaufel erreicht, bei denen die Flüssigkeit gezwungen wird, in einer im wesentlichen radial nach außen führenden Richtung durch Kühldurchgänge in einem Schaufel-Profilabschnitt zu strömen.

Dampf, der bei der Kühlung der Schaufel erzeugt wird, wird zwangsweise in einer direkt berührenden gegenläufigen Beziehung zur Flüssigkeit geführt, wobei ein Teil der Flüssigkeit durch Grenzflächen-Schervorgänge auf genommen wird, wodurch die aufgenommene Flüssigkeit zusätzliche Oberflächenbereiche des Kühlrnitteldurchganges befeuchtet. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind strömungsdispergierende Einrichtungen vorgesehen, wodurch die vom Dampf aufgenommene Flüssigkeitsmenge erhöht wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnung bezug genommen; in dieser zeigenj

Figur 1 einen Querschnitt durch den Rand einer Gasturbinen-Läuferscheibe und eine flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel gemMö einer Ausgestaltung der Erfindung entlang Linie 1-1 der Figur 2 ;

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Figur 2 eine Schnittdarstellung entlang einer senkrecht durch die Drehachse eines dazugehörenden Turbinenläufers verlaufende Schnittansicht, der in Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel j

Figur 3 eine Schnittansicht der Turbinenschaufel der Figur 1, entlang der Linie 3-3 in V

Figur 4 eine Schnittansicht eines einzelnen Kü.hldurchganges, de gemäß dar vorliegenden Erfindung arbeitet.

Es wird allgemein auf die Figuren 1,2 und 3 Bezug genommen, rii einen Turbinenläufer oder eine Turbinenscheibe 1 einschließlich eines Randabschnittes 2 zeigen, in den im wesentlichen quer ver laufend schwalbenschwanzförmige Schlitze 3 eigearbeitet sind. Uie dargelegt, weist eine Turbinenschaufel 4 einen zentralen Kern 5 und eine überlagernde Auf3enschicht 6 mit einer aerodynamischen Form auf, uie am besten in Figur 3 dargestellt iet. Die Turbinenschaufel 4 ueist auch einen Uurzelabechnitt 7 auf, der υοη einem ähnlich gestalteten schwalbenschwanzförmigen Schlitz : zur festen Halterung der Schaufel an der Scheibe aufgenommen uird. Diese Befestigungsanordnung bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung und es sei angemerkt, daß alternative Befestigungsanordnungen gleichfalls verwendet uerden können.

Kühldurchgänge 8 erstrecken sich in einer im wesentlichen radiaJ verlaufenden Richtung im Profilteil der Schaufel. Uie dargestelJ werden die Kühldurchgänge B von zylindrischen,vorgeformten Röhfsn gebildet, die in einer Kupfereinbettung 10 in im zentralen Kern 5 der Laufschaufel ausgebildeten Kanälen angeordnet sind. Es SBi jedoch angemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezielle Kühldurchgangsanordnung oder eine spezielle Anord nung zur Unterbringung der Durchgänge im Schaufelaufbau beschränkt ist. Beispielsweise ist die Erfindung auch anwendbar bei einem monolithischen Aufbau der Schaufel, bei dem die Kühlmitteldurchgänge in radialer Richtung unter der äußeren Fläche gebohrt sind. Es werden jedoch Kühlmitteldurchgänge von im

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wesentlichen kreisförmigen Querschnitt bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da deren gekrümmte Kontur die j Ausbreitung des flüssigen Kühlmittels erleichtert, wodurch ein j größerer Teil des Kühlmitteldurchganges befeuchtet bzw. benetzt wird

Die Kühlflüssigkeit wird in einen radial innen gelegenen Abschnitt 11 der KiSümittelkanäle 8 mittels einer Einrichtung zum Zuführen der Flüssigkeit eingeführt. Uie in den Figuren 1 und dargestellt ist, uird Flüssigkeit, uie beispielsweise Wasser, von einer Kühlmittelquelle mit Sprühköpfen 12 über Durchgänge die sich durch den Rand der Turbinenscheibe erstrecken, zu Rinnen 13 geführt. Die Rinnen 13 sind in Strömungsverbindung mit Kühlflüssigkeitsmulden 15 über flüssigkeitsführende Rohre 16, die Auslaßenden 17 mit positionierenden Ablenkenden 18 aufweisen. Wehre 19 sind als integraler Bestandteil von Plattformelementen 20, die am Schaufelkern 5 befestigt sind, ausgebildet. Die Kühlmittelmulden 15 sind über eine Anzahl v/on Leitungen 21, die teilweise von den Oberflächen der Uehre 19 und dem zentralen Schaufelkern 5 gebildet werden, mit einzelnen Kühlmitteldurchgängen θ in Strömungsverbindung. Das Kühlmittal, das den einzelnen Kühldurchgängen B zugemessen wird, fließt unter der Uirkung von Zentrifugalkräften in einer radial nach außen gerichteten Richtung zum Spitzenabschnitt 22 der Schaufel. Einrichtungen zum Abführen flüssigen Kühlmittels aua dar Schaufel sind in Strömungsverbindung mit radial außan liegenden Abschnitten 24 der Kühldurchgänge 8 angeordnet. Diese FlUssigkaitsabführeinrichtungen weisen Einrichtungen zum Drosseln des DampfstroniBs, dar von den Kühldurchgängen in die Flüesigksiteabführeinrichtungen strömt, auf. Bei der in Figur 1 beispielsweise dargestellten Ausführungsform weisen die Einrichtungen zum Abgeben dar Flüssigkeit eina Flüssigkeitssammelleitung 25 auf, diB im Schaufelspitzenabschnitt 22 in Strömungsverbindung mit den außBn liegenden Enden der Kühldurchgänge θ angeordnet ist. Die Strömung das Dampfes in dia FlüssigkBitsabgabseinrichtungen wird bei dieser Ausgestaltung von einer Flüssigkeitsfalle 26 gedrosselt. Die

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NACHGEREIOHTl ■' -- ' ' "

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Flüssigkeitofalle 26 ueist einen Schlitz 27 auf-, der irn zentralen Kern 5 der Turbinenschaufel ausgebildet ist. Der Schlitz ?7 isL in Strnmungsverbindung souohl mit der FlüssigkeitssammellBit.ung 25 als auch mit der Flüssigkeitsauslaßöffnung 20. Die Ausi aJijffnung 28 ist mit einerr. Flüssigkeitssammelschlitz 29 ausgerichtet, der im Turbinengel,äuse/vorgesehen ist, uobei der SammelschJitz das aus der Öffnung 28 abgegebene Kühlmittel zürn Sainliio Ln und zur ZirkulaLiun ai. fnimmt. Bei einer alternation AusgesLaltung, die hier nicht dargestellt ist, ueiaen die Einrichtungen zum Drussein dss Dampfstromes eine Auslaßäffnung auf, die geeignet ist, den herausströmenden Flüssigkeitsstrom zu begrenzen, was zu einer Flüssigkeitssäule führt, die den Danpfstrctn in die Flüssi keitsabgabeeinrichtungen begrenzt.

biie am besten in Figur 2 dargestellt ist, ueist die Turbinenschaufel auch Einrichtungen zum Abführen des Dampfes auf. Bei der dargestellten AusyestaJtung ueisen diese Einrichtungen eine

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Sammelleitung/32 auf, die mit einzelnen radial innen liegenden Alischnitten 33 der Kühlmit1 θ Ldurchgänge Θ über Leitungen 34 verbunden isL. Hei dar bevorzugten Ausgestaltung sind die Kühlmil.-te l.durchgangsabschnit te 33, die mit den Leitungen 34 verbunden sind, in radialer Richtung innen van dem Abschnitt dBr Kühlmit- teldurchgänge angeordnet, eier mit den Leitungen 21 verbunden ist, uin die Flüssigkeitsströmunci in die Kühlmitteldurchgänge zu erleichtern, uie aus dem fönenden ersichtlich ist.

Uie am besten in Figur 1 zu sehen ist, ueisen die Dampfabgabe-Binrichtungen 31 auch eine Konvergent-Divsrgent-Düse 35 auf, die über aino Leitung 36 mit de.-r Dampf Sammelleitung 32 verbunden ist. Die Düse 35 ist vorzugsueie.e angeordnet, um Dampf aus der Schaufel in einer Richtung auszustoßen, so daß die Leistung der Turbine srhiiht uird. Dazu.ist, uie in Figur 3 dargestellt, die Düsu Vj so fcinijaurdne L, daü sie i.an Dampf aus dar Lauf achauf el in einer bezüglich der Drehrichtung des Turbinenläufers 1 nach hinten gerichtsten Richtung abgibt.. Es sei jedoch angemerkt, daß die Erfinduni] nicht auf eine Ausgestaltung beschränkt ist, bei der

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NACMGiIREICHTl · . '- - ^: '. .

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nie Dampftbf ihreinrichtungen 31 eins Dampfauslaßdüse aufweisen. ' hai einer alternativen Ausgestaltung, die hier nicht dargestellt ist, kann der Dampf aus der Schaufel über eins Leitung, die sich, entlang dos Turbinenl.Muf ers erstreckt, in ein Sammalsystem abgegeben uerden, uie dies vollständig in dar US-PS 4 134 709 von Esksnsan der Anmelderin beschrieben ist.

Im Betrieb uird den Kühlmitteldurchgängen 8 ein bemessener Strom' eines flüssigen Kühlmittels, uie beispielsweise Uaaser, zugeführt und strömt infolge der Zentrifugalkraft radial nach außen durch diese hindurch. Uis am besten in Figur 4 zu sehen ist, strömt die Kühlflüssigkeit infolge einer durch die Drehung des Turbinenläufers 1 und die Richtung des KUhlmittelatrames hervorgerufene Coriolis-Kraft entlang eines bestimmten Bereiches der Kühl- , mitteldurchgänge 8. Bei Erreichen der äußeren Enden der Durchnringe 8 tritt die Flüssigkeit in die Sammelleitung 25 und fließt \ von dieser nach außen in die Flüssigkeitsfalle 26. Das flüssige Kühlmittel uird dann durch die Öffnung 28 aus der Turbinenschaufel durch die Schlitze 29 in das Turbinengehäuse abgeben.

Die Abgabe des bei der Durchquerung des Kühlmittels durch die Durchgänge 8 erzeugten Dampfes uird durch die Flüssigkeitsabgabeeinrichtungen mittels der FlUasigkeitsfalle 26 begrenzt. Der Dampf uird somit gezuungen, durch die Kühlmittsldurchgänge 8 in

einer Richtung entgegen dem Uasserstrom zu strömen. Die Flüssigzwei

kait uird durch Grenzflächenschervorgänge zuiachen den/entgegengesetzt fließenden Strömungen aufgenommen. Eine zusätzliche Dampfaufnähme kann bei einer alternativen Auagestaltung dar Erfindung erreicht uerden, infciem flüsaigkeitszerstreuende Einrichtungen in den Kühlmitteldurchgängen 8 angeordnet sind. Diese tlüsaigkeitszerstrBuende Einrichtungen können sina Anzahl von Einschnitten aufueisen, die sich vom inneren Umfang der Uand eines zugehörigen Kühlmitteldurchganges im Flüssigkeitsetrömungsueg nach außen erstrecken. Uenn die Flüssigkeit über die f'lüssigkeitsdispergierenden Einrichtungen strömt, uerden Tropfen gebildet, die zum Mitreißen in dem entgegengesetzt strömenden Dampf-

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strom zur l/erfügung stehen.

Die Richtung der Coriolis-Kraft ist eine Funktion, die teilueise won der Richtung eines bestimmten Flüssigkeitsstromee abhängt.
Demgemäß hat bei einem Dampfstrom, dar entgegen dam Flüasigkeits· strom fließt, die resultierende Coriolis-Kraft, die auf den
Dampf und auf die mitgerissene Flüssigkeit uirk.t, eine dem Flüssigkeitsstrom im wesentlichen entgegengesetzte Richtung. Uie in Figur 4 dargestellt ist, wird daher die worn Dampfstrom aufgenommene Flüssigkeit gegen Teile der Kühlmitteldurchgangsuand gezuungen, die zuvor v/om Flüssigkeitsstrom nicht ,benetzt*, wurden,
uodurch das Wärmeübertragungsvermögender KUhlmittelkanMle erhöht wird. Tests bei wassergekühlten Rohranordnungen gemMQ einer Ausgestaltung der Erfindung haben eine etwa 50 jSige Zunahme der
übertragbaren Uärmemenge gezeigt, uobei die Anordnung durch Verwendung der vorliegenden Erfindung auf einer bestimmten Temperatur gehalten wurde.

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Claims

Patentansprüche

. Vlüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel für Turbinenläufer, mit einem Spitzenabschnitt an einem äußeren Ende und einem Profilabschnitt, der radial innerhalb des Spitzenabschnittes angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

Eine Anzahl sich radial erstreckender Kühldurchgänge (ü) im Profilabschnittj

Einrichtungen (12 - 20.) zum Zuführen von Flüssigkeit zu den KühldurchgNngen (8) in radial innerhalb der Kühldurchgange angeordneten Abschnitten;

Einrichtungen (25 - 29) zum Abgeben der Flüssigkeit aus den Schaufeln (4), die in Strömungsv/erbindung mit radial aufisrhalb angeordneten Abschnitten der Kühldurchgnnge (8) stehen und die Einrichtungen zum Begrenzen des Dampfstromes v/on den Durchgängen zu den Abgabesinrich-Lungen einechlieüen; und

Einrichtungen (32 - 36) zum Abführen des Dampfes aus den Schaufeln (4), die in Strömungsuerbindung mit den Durchgängen (B) in zueiten radial innen angeordneten Abschnitten der Durchgänge angeordnet sind.

NACHQEREICHT "; * * "- * '
2. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite radial innen angeordnete Abschnitt der Durchgänge (8), der in Strömungsverbindung mit den Dampfabfühieinrichtungen (32 - 36) iat, bezüglich der Durchgangsabschnitte, die in Strömungsverbindung mit den Flüssigkeitszuführeinrichtungen (12 - 20) sind, radial innen angeordnet ist. ."
2i. Flüssigkeitsgekühlte Tui binenschauf al nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfabführeinrichtungen (32 - 36) eine Düse (35) aufweisen, die in Dampfströmungsverbindung mit zumindest einem Teil der zweiten Durchgangsabschnitte steht und so angeordnet ist, daß sie Dampf aus der Schaufel (4) in einer bezüglich der Drehrichtung des Turbinenläufers (1) nach hinten gerichteten Richtung ausläßt.
4. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dia DampfabfUhreinrichtungen (32 - 36) zumindest eine DampfSammelleitung (32) aufweisen, die in Strömungsverbindbng mit zumindest einem Teil der zweiten Durchgangsabschnitte und mit der Düse (35) steht.
5. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die FlUssigkeitsabfUhreinrichtungen (25 - 29) eine Flüssigkeitssammelleitung (25) aufweisen, die im Schaufelspitzenabschnitt (22) angeordnet ist und in Strömungsverbindung mit den radial außen angeordneten Enden der Kühldurchgänge (8) . und mit einer Öffnung zum Abget.en der Kühlflüssigkeit aus der Turbinenschaufel (4) steht
6. FlUssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch B, dadurch gekennzeichnet, daß die FlüesigkeitsabfUhreinrichtung&n (25 - 29) eine Flüssigkeitsfalle (26) aufweisen, die im Spitzenabschnitt (22) radial außerhalb und in Verbindung mit der Flüssigkeitssamnielleitung (25) zwischen dieter und

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- 3 der Kühlfiüssigkeits-Abgabeöffnung (28) angeordnet ist.
7. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühldurchgänge (8) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
8. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den KühldurchgMngan (8) l/erteilereinrichtungen für die durch die Durchgänge fließende Flüssigkeit vorgesehen sind.
9. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufel für TurbinenlMufer, mit einem Spitzenabschnitt an einem äußeren Ende und einem Profilabschnitt, der radial innerhalb des Spitzenabschnittes angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

eine Anzahl sich radial erstreckender Kühldurchgänge (8) im Profilabschnitt;

Einrichtungen (12 - 20) zum Zuführen von Flüssigkeit zu radial innen angeordneten Abschnitten dar Durchgänge (8);

Einrichtungen (25 - 29) zum Abgeben von Flüssigkeit aus der Schaufel, mit einer Flüssigkeitssammelleitung (25), die im Schaufel-Spitzenabachnitt (22) in Strömungsverbindung mit radial Muöeren Enden der KUhI-durchgänge (8) angeordnet ist und mit einer Öffnung, die in Verbindung mit der Flüseigkeitssammelleitung (25) steht, um den Dampfetram in die Flüseigkaitsebgabeeinrichtungen (25 - 29) zu drosseln und um die Kühlflüssigkeit aus der Schaufel (4) abzugeben? und

Einrichtungen (32 - 36) zum Abführen des Dampfes aus der Schaufel (4), mit zumindest einer DampfSammelleitung (32), die in Strömungsverbindung radial innen liegenden Enden der Kühldurchga'nga (8) ist und mit einer Düse (35), die in DampfStrömungsverbindung mit

der- DampfSammelleitung (32) ist und so angeordnet ist, daß sie Dampf in einer bezüglich der Drehrichtung des Turbinenläufers nach hinten gerichteten Richtung abgibt.
10. Verfahren zum Kühlen von Turbinenschaufeln, die auf einem um eine Turbinenuelle drehbaren Turbinenläufer angebracht sind und die eine Anzahl sich radial erstreckender KUhldurchgänge und einen Schaufelprofilabschnitt aufweisen, uobei die Kühlmittelkanäle an ihrem radial äußeren Ende neben einem Schaufelspitzenbereich enden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Zuführen von Kühlflüssigkeit zu radial innen angeordneten Abschnitten der' Durchgänge}

Führen der Kühlflüssigkeit durch die Zentrifugalkraft in radialer Richtung nach oben durch die Kühldurchgänge}

Kühlen eines ersten bogenförmigen Abschnittes der Uände der Kühldurchgänge durch Berührung mit der hindurchgeführten Kühlflüssigkeit und durch Erwärmen der Kühlflüssigkeit bei dieser Berührung, uobei zumindest ein Teil der Kühlflüssigkeit in eine Dampfphase übergeht;

Drosseln des verdampften Kühlmittels in dem Schaufel-Spitzenabschnitt j

Abführen von flüssigem Kühlmittel aus dem Schaufel-Spitzei abschnitt}

Führen des verdampften Kühlmittels radial nach innen durch die Kühldurchgänge, in Berührung mit dem hindurchgeführten flüssigen Kühlmittel}

Vorsehen von Dampfabführeinrichtungen, die in Verbindung mit radial innen gelegenen Enden der Kühldurchgänge sind}

Abführen des verdampften Kühlmittels aus den Dampfababgabeeinrichtungen.

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11. Verfahren zum Kühlen van Turbinenachauf ein nach Anspruch 1L), ! dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des flüssigen Kühlmittels im Strom des verdampften Kühlmittels mitgeführt uird, wodurch ein zweiter bogenförmiger Abschnitt der KUhldurchgangsuandungen durch Berührung mit dem mitgeführten flüssigen Kühlmittel gekühlt uird.
12. l/erfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daü die durch die Kühldurchgänge radial nach außen geführte ; Kühlflüssigkeit verteilt u/ird, um Flüssigkeitströpfchen zu erzeugen; und

daß zumindest ein Teil der Flüssigkeitströpfchen in den Strom des verdampften Kühlmittels eingeführt uird, der in den | Durchgängen radial nach innen geführt uird. ■

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13. Verfahren zum Kühlen von Turbinenschaufsin nach Anspruch 10, ι dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Kühlmittel aus den Dampfabgabeeinrichtungen in einer bezüglich der Drehrichtung des Turbinanläufers nach hinten gerichteten Richtung abgegeben uird.