DE3110098A1

DE3110098A1 - Turbinenschaufel, insbesondere turbinenleitschaufel fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3110098A1
Application number: DE19813110098
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 8031 Eichenau Hueber
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1982-10-14
Also published as: DE3110098C2; FR2501781A1; US4396349A; GB2094895A; GB2094895B; FR2501781B1; JPH023004B2; JPS57181904A

Description

s r/ s i

MTU MOTOREN- U.ND TURBINEN-UNION
MÖNCHEN GMBH

München, den 12.3.1981 10

Turbinenschaufel, insbesondere Turbinen!eit- ; ^l0 schaufel für Gasturbinentriebwerke

: Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel,

insbesondere Turbinen!eitschaufel für Gasturbinen-

• 20 triebwerke, die aus einem tragenden metallischen

; Kern besteht, der mit Abstand von einem keramischen

Schaufelmantel eingehüllt ist, wobei mindestens eine

/: sich in Schaufel 1ängsrichtung erstreckende Kühlluft

führung vorgesehen ist, und wobei ferner innere und

nc

äußere Schaufeldeckbänder bzw. -deckbandsegmente vorgesehen sind, mit denen die Turbinenschaufel an inneren und äußeren Gehäusestrukturbauteilen zum einen zentrierbar sowie zum anderen begrenzt radial

sowie axial thermoelastisch flexibel aufgehängt ist. 30

Zur besseren Kraftstoffausnutzung sowie für eine noch größere Leistungskonzentration bei Gasturbinentriebwerken werden heute besonders bei Gasturbinentriebwerken für Flugzeuge, aber auch bei modernen stationären Gasturbinenanlagen, höchst-mögliche Gastemperaturen gefordert.

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Durch auslegungsmäßig und fertigungstechnisch verhältnismäßig aufwendige Kühlkonzepte hat die Gasturbinentriebwerksbautechnik einen Stand erreicht, der es ermöglicht, mit Turbineneintrittstemperaturen zu arbeiten, die zum Teil über dem Schmelzpunkt der Turbinenschaufelwerkstoffe liegen; allerdings kann dies nur mit äußerst hochwertigen und damit verhältnismäßig teueren Werkstoffen, einem hohen fertigungstechnischen Aufwand sowie mit entsprechend hohem Risiko sowie aber auch meistenteils nur mit einem erheblichen Bedarf an Kühlluft erreicht werden.

Aus der DE-OS 28 34 864 ist eine Laufschaufel für ._ Gasturbinentriebwerke bekannt, die aus einem tragenden metallischen Kern besteht, der mit Abstand von einem keramischen Schaufelmantel eingehüllt ist. Der wesentliche Erfindungsgedanke dieser bekannten Lösung soll darin gesehen werden, daß das' dünnwandige Profilblatt in einen Fallz einer Schaufel kopfplatte entlang des Schaufelumfangs eingreift und daß die Kopfplatte durch wenigstens einen stab- oder drahtförmigen Schaufelkern mittels je eines verbreiterten Kopfes und je eines verbreiterten «j- Fußes des Kerns in der Turbinenscheibe abgestützt sein soll.

Bei dieser bekannten Lösung wird es einerseits als nachteilhaft angesehen, daß für den Schaufelkühlprozeß ^Q eine verhältnismäßig hohe Kühlluftmenge benötigt wird.

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Zum andern werden im vorliegenden bekannten Fall aus der unmittelbaren oder mittelbaren Kühlluftbestreichung des keramischen Schaufelmantels er- _ wachsende Thermospannungen zu erwarten sein.

Ferner ist bei der vorliegenden bekannten Lösung kein hinreichender Wärmestrahlungsschutz des tragenden metallischen Schau^relkerns vorgesehen, ,Q wobei im übrigen für den hier vorzusehenden stab- bzw. drahtförmigen Schaufelkern keine genaue definierbare Tragfunktion zugrundegelegt werden kann.

Darüber hinaus gelten!für die im vorliegenden be-]5 kannten Fall in erster Linie als Laufschaufel konzipierter Lösung grundlegend andere Kriterien als diejenigen, die primär bei einer als Leitschaufel konzipierten Schaufel zugrundezulegen wären,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinen! eitschaufel der eingangs genannten Art, hinsichtlich der Ermöglichung. einer äußerst hohen Turbineneintrittstemperatur zu verbessern, wobei dies mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand ermöglicht werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird hauptsächlich auf die im Kennzeichnungstell des Patentanspruchs 1 enthaltenen Erfindungsmerkmalen hingewiesen.

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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich

eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinenleitschaufel schaffen, die trotz des Einsatzes bei verhältnismäßig hohen Turbineneintrittstemperaturen einen äußerst geringen Kühlluftbedarf erfordert. Darüber hinaus besteht die Einsatzmöglichkeit verhältnismäßig billiger Nickel- oder Fe-Basiswerkstoffe, was durch den verhältnismäßig geringen Temperaturan- ; fall der genannten metallischen Komponenten erreichbar

ist.

Darüber hinaus wird im vorliegenden Fall die Gitterströmung im Turbinenkanal durch keinerlei Kühlluft-

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ausblasung aus der Schaufel beeinträchtigt, wodurch bessere Turbinenwirkungsgrade ermöglichst werden. Ferner läßt sich eine Turbinenschaufel, insbesondere -leitschaufel schaffen, die sich durch gutes Heißgas-„_n korrosionsverhalten auszeichnet und somit keine zusätzlichen Korrosionsschutzschichten erfordert. Weiterhin läßt sich eine Turbinenschaufel, insbesondere -leitschaufel mit verhältnismäßig dünner Eintrittsv_ kante schaffen, wodurch aerodynamisch günstige Voraus-

._- nc Setzungen geschaffen werden, wie sich aber auch Vorteile -^ in Bezug auf etwaigen Fremdkörperaufprall (Russ) erwarten lassen.

Der grundlegende Erfindungsgedanke äußert sich hierbei 2Q somit darin, daß der keramische Leitschaufelmantel durch ein in sich geschlossenes thermoelastisches System stets auf Druck belastet wird. Es kann hierbei also zur thermoelastischen Verspannung die geringe Wärmedehnung des keramischen Leitschaufelmantels durch die

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Rauelemente (hülsenförmige Bauteile nebst äußerem

und innerem Schaufeldeckband) mit besonders hoher Wärmedehnung und den metallischen Schaufelkern mit c besonders niedriger Wärmedehnung kompensiert werden.

Durch das erfindungsgemäße Wärmeschutzblech wird ein hoher Wärmefluß vom keramischen Schaufelmantel zum metallischen Schaufelkern vermieden, wodurch ^q die erforderliche Kühlluftmenge verhältnismäßig klein gehalten werden kann und andererseits verhindert wird, daß der keramische Schaufelmantel unmittelbar mit Kühlluft beaufschlagt wird, wodurch Thermospannungen weitestgehend vermieden werden können.

Anhand der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Turbinenabschnitts nebst der erfindungsgemäßen Turbinen!eitschaufel,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie G-G der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. und

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie B-B der Fig.

In den Zeixhnungen nach Fig. 1 und 2 besteht die Turbinen!eitschaufel 1 aus einem tragenden metallischen Kern 2, der mit Abstand von einem .Schaufelmantel 3 eingehüllt ist. Zur Gewichtsverminderung ist der metallische Kern 2 mit einem Hohlraum 4 versehen, der unten

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mit einem angelöteten Deckblech 4' verschlossen ist. Mit 5 ist ein Kühl 1uftkanal bezeichnet. Mit 6 und 7 sind innere und äußere Schaufeldeckbänder bezeichnet, mit denen die Turbinen!eitschaufel 1 in später noch näher erläuterter Weise an inneren und äußeren Gehäusestrukturbauteilen zum einen zentrierbar sowie zum anderen begrenzt radial sowie axial thermoelastisch flexibel aufgehängt ist.

Der in Ausnehmungen 8, 9 der inneren und äußeren '\'~ Schaufeldeckbänder 6, 7 eingesetzte Schaufelmantel 3

soll vorteilhafterweise bereits im Außerbetriebszu-J^ stand der Turbine bzw. des Gasturbinentriebwerkes

unter in Schaufel 1ängsrichtung wirkender Druckvor- ! spannung zwischen den beiden Schaufeldeckbändern 6, 7 j festgelegt sein. Ein für diese Druckvorspannung des ; Schaufelmantels 3 unter gleichzeitiger Krafteinwirkung stehendes erstes und ein zweites hülsenartiges Bauteil 10 und 11 werden bei der Montage mit dem metal-Tischen Schaufelkern 2 verschweißt (siehe Schweißstellen S, S¹). Hierbei greift jedes der beiden genannten hülsenartigen Bauteile 10 bzw. 11 mit seinem r von der genannten Schv/eißstel 1 e S bzw. S¹ abgewandten,

""* dem Schaufelkern 3 zugekehrten Ende in eine entsprechende *H 25 Ausnehmung 12 bzw. 13 des inneren bzw. äußeren Deck-'^ bands 6 bzw. 7 ein.

Vfie weiter aus Fig. 1 und 3 hervorgeht, befindet sich zwischen dem Schaufelkern 2 und dem Schaufelmantel 3 ein sich in Schaufel 1ängsrichtung erstreckendes Wärmeschutzblech 14. Dieses Wärmeschutzblech 14 schließt zwischen sich und dem Schaufelkern 2 den zuvor schon

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genannten Schaufelkühlkanal 5 ein, so daß die Kühlluft nicht mit dem keramischen Schaufelmantel 3 in Berührung kommt, wobei das Wärmeschutzblech 14 die.Funktion eines Schutzschildes des Schaufelkerns 2 gegenüber der Wärmeabstrahlung aus dem Schaufelmantel 3 hat. Im Rahmen des erwähnten Schaufel aufbaus ist die schon bei der Montage über die beiden hülsenartigen Bauteile 10 und 11 aufgebrachte, und somit auch im Außerbetriebszustand stets . vorhandene Druckvorspannung des Schaufel man/tel s 3 auch im Betriebzustand haltbar bzw. erhöhbar. Hierzu ist für den metallischen Schaufelkern 2 ein Material mit geringer Wärmedehnung, für die metallischen inneren und äußeren Schaufeldeckbänder 6 und 7, aber hauptsächlich für die inneren und äußeren metallischen hülsenartigen Bauteile 10, 11 ein Material mit großer Wärmedehnung vorgesehen. Weiter ist hierzu dann für den im Betrieb hochtemperaturbelasteten Schaufelmantel 3 ein Material mit dem

typischen geringen Wärmedehnverhalten zuarundepelegt.

Zur verbesserten Temperaturabschirmung des Schaufelkerns 2 soll dann weiter das Wärmeschutzblech 14 auf der dem Schaufelmantel 3 zugekehrten Seite mit einer Wärmedämmschicht 15 versehen werden können, die z.B. aus ZrO2 bestehen kann. Gemäß Fig. 1 können dann

ferner die von den Ausnehmungen 8 bzw. 9 des inneren bzw. äußeren Schaufeldeckbands 6, 7 gebildeten Kontaktflächen für den keramischen Schaufelmantel 3 mittels einer duktilen wärmedämmenden Beilage 16 bzw. einer geeigneten Beschichtung versehen werden. Im übrigen . kann die genannte Beilage folienartig ausgebildet sein.

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' Aus Fig. 3 geht dann weiter hervor, daß das Wärmeschutzblech 14 mittels knopfförmiger Ausprägungen 17 bzw. 17' am Schaufelkern 2 bzw. am Schaufelmantel 3 zur Anlage gebracht werden kann.

Gemäß Fig. 1 ist dann ferner das innere Deckband 6 einerseits Über eine gegebenenfalls zahnartige Zentrierverbindung 13 und andererseits über eine >- '^ nut-federartige Verbindung 19 an einem inneren Leitschaufelträger 20 angeordnet. Die zuletzt genannte

nut-federartige Verbindung soll ein räumlich begrenztes Radialspiel zwischen dem Leitschaufel träger 20 und der Leitschaufel 1 bzw. über das innere Deckband 6 gewährleisten. J

Aus Fig. 1 geht weiter hervor, daß der Schaufelkern 2 bis in die Nähe der ringförmigen Umfangswand des Leitschaufelträgers 20 geführt ist. Der Leitschaufel träger

20

20 schließt zusammen mit dem inneren hülsenartigen Bauteil 10 und Wandpartien des inneren Schaufeldeckbands 6 einen mittels Kühlluft (Pfeil K) beaufschlagbaren Ringraum 21 ein. Dieser Ringraum 21 ist über Schlitze 22 des inneren hülsenartigen Bauteils 10 mit einem zwischen diesem und dem Schaufelkern 2 gebildeten Kanal 23 in Verbindung. In diesen Kanal 23 ragt das untere Ende des Wärmeschutzbleches 14 so herein, daß dieser Kanal 23 unmittelbar mit dem Schaufelkühlkanal 5

in Verbindung steht. Hierbei ist ferner eine den Spalt 30

zwischen dem Wärmeschutzblech 14 und dem angrenzenden inneren Schaufeldeckband 6 überbrückende, vorzugsweise folienartige metallische Dichtung 24 vorgesehen.

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Das Wärmeschutzblech 14 soll ferner an einem Halteblech 25 (oben) in der Ausnehmung 9 zwischen dem äußeren Schaufeldeckband 7 und dem daran angrenzenden Ende des äußeren hülsenartigen Bauteils 11 befestigt sein.

Der metallische Schaufelkern 2 ist einschließlich des äußeren hiil senartigen Bauteils 11 oberhalb des keramischen Schaufelmantels 3 in einem von Gehäusestrukturbauteilen 26, 27 sowie von Abschnitten des oberen Deckbands 7 einge schlossenen Ringraum 28 angeordnet. Der Ringraum 28 steht über Kühlluftschlitze 29 im Mantel des äußeren hülsenförmigen Bauteils 11 mit dem zwischen letzterem und dem Schaufelkern 2 gebildeten Kanal 30 in Verbindung. Dieser Kanal 30 kommuniziert seinerseits wiederum mit dem Schaufelkühlkanal 5, der zwischen dem Schaufelkern 2 und Wärmeschutzblech 14 liegt. Die erforderliche Kühlluft kann z.B. vom Verdichterende (Hochdruckverdichterende bei Mehrwellen-Gasturbinenstrahltriebwerken) des Gasturbinentriebwerkes abgezapft werden.

20

Wie ferner insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist das äußere Deckband 7 über axial verlaufende f Nutfederverbindungen 31, 32 an den betreffenden angrenzenden äußeren Gehäusestrukturbauteilen 26, 33 aufgehängt, wobei die eine der genannten Verbindungen 31, axial flexibel ausgebildet sein soll, d.h., ein räumliches begrenztes Axialspiel gewährleisten soll.

Die in dem äußeren Ringraum 28 enthaltene Luft wird

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dann schließlich gemäß Pfe.ilrichtung R über mehrere gleichförmig im Umfangsrichtung verteilt angeordnete

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zylindrische Kühlluftführungen 34 des äußeren Deckbands 7 und des Gehäusebauteils 33 zu nicht weiter dargestelllten Kühlzwecken einer äußeren Turbinengehäusepa-rtie im Bereich der äußeren Laufschaufelenden zugeführt, und zwar im Wege einer sogenannten, an sich bekannten Aufprallkühlung. Nach entsprechendem Wärmeentzug für diese Turbinengehäusekühlung kann dann die Kühlluft gemäß Pfeil richtung Q über Radialbohrungen 35 im Gehäusebauteil 33 dem ; - Arbeitsprozeß bzw. dem Turbinenkanal 36 zugeführt

werden.

Der guten Ordnung halber sei vermerkt, daß die Erfindung bei Gasturbinentriebwerken, d.h. also z.B. bei stationären Gasturbinenanlagen ebenso wie aber auch bei Turbinenluftstrahltriebwerken angewendet werden kann.

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4b

Leerseite

Claims

s r/ s i MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH München, den 12.3.1981 Patentansprüche ^ 15

1. Turbinenschaufel, insbesondere Turbinenleitschaufel für Gasturbinentriebwerke, die aus einem tragenden metallischen Kern besteht, der mit Abstand von einem keramischen Schaufelmantel eingehüllt ist, wobei mindestens eine sich in Schaufel 1ängsrichtung erstreckende Kühlluftführung vorgesehen ist, und wobei ferner innere und äußere Schaufeldeckbänder bzw. -deckbandf;egmente vorgesehen sind, mit denen die Turbinenschaufel an inneren und

äußeren Gehäusestrukturbauteilen zum einen / zentrierbar sowie zum anderen begrenzt radial

sowie axial thermoelastisch flexibel aufgehängt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: "

a) Der in Ausnehmungen (8,9) der inneren (6) und äußeren Schaufeldeckbänder (7) eingesetzte Schaufelmantel (3) ist bereits im Außerbetriebszustand der Turbine 35

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unter in Schaufel!ängsrichtung wirkender

Druckvorspannung zwischen den Schaufeldeckbändern (6,7) festgelegt;

b) ein für diese Druckvorspannung des Schaufelmantels (3) uner gleichzeitiger Krafteinwirkung stehendes erstes (10) und ein zweites hülsenartiges Bauteil (11)· werden mit dem metallischen Schaufelkern (2) verschweißt, von denen jedes mit seinem der 's. Schweißstelle abgewandten, dem Schaufelkern

' (3) zugekehrten Ende in eine entsprechende

Ausnehmung (12 bzw. 13) des inneren bzw. ' äußeren Deckbands (6 bzw. 7) eingreift;

' 15

.c) im wesentlichen im Zwischenraum zwischen Schaufelkern (2) und -mantel (3) ist ein sich in Schaufel 1ängsrichtung erstreckendes Wärmeschutzblech (14) angeordnet, das zwischen sich und dem Schaufelkern (2) einen Kühlluftkanal (5) einschließt;

d) im Rahmen des erwähnten Schaufel aufbaus ist die schon bei der Montage aufgebrachte und i_m Außerbetriebszustand vorhandene Druckvorspannung des Schaufelmantels (3) im ßetriebs- ( zustand haltbar oder gar erhöhbar, indem für

den metallischen Schaufelkern (2) ein Material mit geringer Wärmedehnung, für die metal-Tischen inneren und äußeren Schaufeldeck

bänder (6,7), hauptsächlich aber für die

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inneren und äußeren metallischen hülsenartigen Bauteile (10,11) Materialien mit großer Wärmedehnung und für den hochtempera- ** turbel asteten bzw. -baren keramischen

Schaufelmantel (3) ein Material mit dem typischen geringen Wärmedehnverhalten zugrundegelegt sind.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschutzblech (14) auf der dem Schaufelmantel (3) zugekehrten Seite mit einer Wärmedämmschicht, z.B. aus Zr O₉, versehen ist. ^C

■

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ausnehmungen (8 bzw. 9) der inneren bzw.

äußeren Schaufeldeckbänder (6,7) gebildeten

20

Kontaktflächen für den keramischen Schaufelmantel (3) mittels einer duktilen, wärmedämmenden Beilage (16) oder Beschichtung

35

f versehen sind.

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4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch

gekennzeichnet, daß die Beilage fölien-C artig ausgebildet ist.

5. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschutzblech (14) zumindest teilweise mittels knopfförmiger Ausprägungen (17 bzw. 17') desselben am Schaufelkern (2) bzw. am Schaufelmantel (3) anliegt.

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6. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Schaufeldeckband (6) einerseits über eine Zentrierverbindung (18) und andererseits über eine nutfeder-artige, radial flexibel ausgebildete Verbindung

(19) an einem inneren Leitschaufel träger

(20) angeordnet ist.

10
. *

7. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der

Schaufelkern (2) bis in die Nähe der ringförmigen Umfangswand des Leitschaufel- ζ trägers (20) geführt ist und hierbei zu

sammen mit dem inneren hülsenartigen Bauteil (10) und Wandpartien des inneren Schaufeldeckbands (6) einen mittels Kühlluft beaufschlagbaren Ringraum (21) ein-

«Q schließt, der über öffnungen bzw. Schlitze

(22) des inneren hülsenartigen Bauteils (10) mit einem zwischen letzterem und dem Schaufelkern (2) gebildeten Kanal (23) in (^ Verbindung steht, in welchen das untere

Ende des Wärmeschutzblechs (14) so hinein-

ragt, daß dieser Kanal unmittelbar mit dem Schaufelkühlkanal (5) zwischen Kern (2) uns Wärmeschutzblech (14) in Verbindung steht, wobei eine den Spalt zwischen Wärmeschutzblech (14) und innerem Schaufeldeck

band (6) überbrückende, vorzugsweise folienartige, metallische Dichtung (24) vorgesehen ist.

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8. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschutzblech (14) an einem Halteblech (25) in der Ausnehmung (13) zwischen dem äußeren Schaufeldeckband (7) und dem daran angrenzenden Ende des äußeren hülsenartigen Bauteils (11) befestigt ist.

9. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen

1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Schaufelkern (2) einschließ-

C lieh des äußeren hülsenartigen Bauteils

JP (11) oberhalb des keramischen Schaufel

f mantels (3) in einem u.a. von Gehäuse-

¹V 15

Strukturbauteilen (26,27) sowie von Abschnitten des äußeren Deckbands (7) eingeschlossenen Ringraum (28) angeordnet ist, der über üffnungen bzw. Kühlluftschlitze (29) im Mantel des äußeren hülsenförmigen Bauteils (11) mit dem zwischen letzterem und dem Schaufelkern (2) gebildeten Kanal (30) in Verbindung steht, der seinerseits wiederum

-*' mit dem Schaufelkühlkanal (5) zwischen Kern

(2) und Wärmeschutzblech (14) kommuniziert.

10. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen

1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Deckband (7) über axial verlaufende ^r- Nut-Feder-Verbindungen (31,32) an den äußeren

Gehäusestrukturbauteilen (26,33) aufgehängt ist, wobei die eine Verbindung (31) axial flexibel ausgebildet ist.

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