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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für Gasturbinen-Statordüsen.
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Wie
es allgemein bekannt ist, sind Gasturbinen Maschinen, welche aus
einem Kompressor und einer Turbine mit einer oder mehreren Stufen
bestehen, wobei diese Komponenten über eine drehende Welle miteinander
verbunden sind und wobei zwischen dem Kompressor und der Turbine
eine Brennkammer vorgesehen ist.
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In
diesen Maschinen wird dem Kompressor aus der Außenumgebung erhaltene Luft
zugeführt, um
die letztere unter Druck zu setzen.
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Die
komprimierte Luft durchläuft
eine Reihe von Vormischkammern, wovon jede in einem konvergierenden
Abschnitt endet, in welchen eine Einspritzeinrichtung Brennstoff
zuführt,
welche mit der Luft vermischt wird, um ein zu verbrennendes Luft/Brennstoff-Gemisch
zu erzeugen.
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Innerhalb
der Brennkammer wird der Brennstoff zugeführt, welcher mittels geeigneter
Zündkerzen
entzündet
wird, um eine Verbrennung in Gang zu bringen, welche dafür ausgelegt
ist, die Temperatur und den Druck und somit die Enthalpie des Gases
zu erhöhen.
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Gleichzeitig
liefert der Kompressor komprimierte Luft, die dazu gebracht wird,
sowohl die Brennkammern als auch die Auskleidungen der Brennkammern
so zu durchlaufen, dass die komprimierte Luft zur Speisung der Verbrennung
zur Verfügung
steht.
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Anschließend erreicht
das Hochtemperatur- und Hochdruckgas mittels geeigneter Rohre die
unterschiedlichen Stufen der Turbine, welche die Enthalpie des Gases
in für
einen Benutzer verfügbare mechanische
Energie umwandelt.
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Es
ist ebenso bekannt, dass es an diesem Punkt zum Erzielen der maximalen
Leistung aus einer spezifischen Gasturbine erforderlich ist, dass
die Temperatur des Gases so hoch wie möglich ist; jedoch sind die
maximalen Temperaturwerte, welche im Einsatz der Turbine erzielbar
sind, durch die Beständigkeit
der verwendeten Materialien begrenzt.
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Um
die technischen Probleme, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden,
deutlicher zu machen, wird hierin nachstehend eine kurze Beschreibung
eines Stators einer Hochdruckstufe einer Gasturbine gemäß des Standes
der Technik gegeben.
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Stromabwärts von
der Brennkammer weist die Turbine einen Hochdruckstator und -rotor
auf, wobei der Stator dazu verwendet wird den Strom der verbrannten
Gase in geeigneten Zuständen
auf den Einlass des Rotors zu leiten und insbesondere ihn entsprechend
auf die Leitschaufeln der Rotorblätter zu transportieren, um
somit zu verhindern, dass der Strom direkt auf die dorsale oder
konvexe Oberfläche und
die ventrale oder konkave Oberfläche
der Laufschaufeln auftrifft.
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Der
Stator besteht aus einer Reihe von Statorleitschaufeln, wobei zwischen
jedem Paar davon eine entsprechende Düse ausgebildet ist.
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Die
Gruppe der Statorleitschaufeln liegt in der Form eines Rings vor
und ist außen
mit dem Turbinengehäuse
und innen mit einer entsprechenden Unterstützung verbunden.
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Diesbezüglich kann
angemerkt werden, dass ein erstes technisches Problem der Statoren,
insbesondere in dem Falle der Hochdruckstufen, in dem Umstand besteht,
dass der Stator hohen Druckbelastungen unterworfen ist, welcher
durch die Reduzierung des Druckes des Fluids erzeugt wird, welches
in den Statorleitschaufeln expandiert.
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Zusätzlich ist
der Stator hohen Temperaturgradienten unterworfen, die durch die
Strömung
aus der Brennkammer erhaltener heißer Gase verursacht werden,
und durch die Ströme
kalter Luft, welche in die Turbine eingeführt werden, um die Teile zu
kühlen,
welche von dem thermischen Gesichtspunkt aus den größten Beanspruchungen
unterworfen sind.
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Aufgrund
dieser hohen Temperaturen müssen
die in der Hochdruckstufe der Turbine verwendeten Statorleitschaufeln
gekühlt
werden, und für
diesen Zweck besitzen sie eine Oberfläche, die entsprechend mit Löchern versehen
ist, die zur Zirkulation von Luft innerhalb der Statorleitschaufel
selbst verwendet werden.
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In
diesem Zusammenhang sollte jedoch angemerkt werden, dass die ständige Suche
nach Leistungssteigerung von Gasturbinen eine Optimierung aller
Strömungen
innerhalb von Turbinentriebwerken erforderlich macht.
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Insbesondere
ist es, weil die Luft, die aus den Kompressionsstufen erhalten wird,
wie beschrieben mit einem erheblichen Gewinn in dem thermodynamischen
Kreisprozess verarbeitet wurde, vorteilhaft, dass diese Luft soweit
wie möglich
für die
Verbrennung statt für
Kühlfunktionen
verwendet wird, welche darüber
hinaus in den kritischsten heißen
Bereichen erforderlich sind.
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Ein
wichtiges technisches Problem, welches in diesem Zusammenhang auftritt,
besteht somit in der korrekten Dosierung dieser Luft in den verschiedenen
Bereichen unter Berücksichtigung
des Umstandes, dass die Menge der erforderlichen Luft abhängig von
den Funktionsbedingungen, dem Alter, dem Verschleiß oder der
Verschmutzung des Turbinentriebwerks und dessen Teilen, sowie von
den Dimensionsschwankungen und seiner Komponenten während Übergangsfunktionszuständen variiert.
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Teile,
die unter einem thermischen Gesichtspunkt einer besonderen Belastung
unterworfen sind, sind die Statordüsen, deren Auslegung die fluidmechanischen
Anforderungen erfüllen
muss, die erforderlich sind, um einen hohen fluidmechanischen Wirkungsgrad
der Maschine zu erzielen.
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Die
Auslegung muss auch die thermischen Anforderungen erfüllen, um
erstens die Temperatur des Metalls unter einem bestimmten Wert zu
halten, welcher durch die verwendeten Materialien bestimmt ist (und
900°C betragen
kann) und zweitens die Temperaturgradienten zu begrenzen, die in
dem Material vorhanden sind.
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Um
das Verständnis
der Merkmale der vorliegenden Erfindung zu unterstützen, wird
nun insbesondere Bezug auf 1 genommen,
welche einen Längsquerschnitt
einer Leitschaufel 20 darstellt, welche zu einer Düse einer
Gasturbine nach dem Stand der Technik wie zum Beispiel dem aus US-4
303 374 bekannten gehört.
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Die
Leitschaufel 20 besitzt eine konkave oder ventrale Oberfläche 71 und
eine gegenüberliegende
konvexe oder dorsale Oberfläche 22,
welche zusammenwirken, um die äußere Form
der Leitschaufel 20 zu bilden.
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Mehrere
Kühllöcher 23 sind
ebenfalls vorgesehen, die an geeigneten Punkten der Oberfläche der
Leitschaufel 20 dargestellt sind.
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Diese
Löcher
oder Schlitze dienen tatsächlich
dem Zweck der Kühlung
des eigentlichen Endteils der Düse
selbst.
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Innerhalb
der Leitschaufel 20 sind auch kleine Kästen 24 und 25 vorhanden,
das heißt
perforierte Plattenelemente, welche den Wärmeaustauschkoeffizienten auf
Werte steigern, die für
vorliegende Anwendungen akzeptabel sind (3000 W/m2K).
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Tatsächlich muss
dieser Teil der Leitschaufel der Düsen beschränkte Temperaturen einhalten, gleichzeitig
aber muss der Verbrauch aus dem Kompressor erhaltener relativ kalter
Luft beschränkt
werden (er muss beispielsweise 5 bis 10% sein), um nicht die Leistungswerte
der gesamten Maschine zu verschlechtern.
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An
der Auslasskante 26 der Leitschaufel 20 ist ebenfalls
ein Kühlloch 27 vorhanden,
welches einen in 1 dargestellten Einlassquerschnitt 28 und einen
Auslassabschnitt 29 enthält.
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Die
bekannte Technik hat das Problem einer Materialdicke, welche in
der Nähe
des Kühlloches der
Auslasskante der Leitschaufel 20 übermäßig oder zu groß ist.
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Diese
Materialmenge, welche als 30 und 30' in 1 dargestellt
ist, weist im Allgemeinen in ihren Inneren Temperaturgradienten
auf, welche schwierig zu beseitigen sind, obwohl es möglich ist,
die Koeffizienten eines lokalen Wärmeaustausches zu erhöhen, um
diese auf Werte zu bringen, die sehr hoch sind.
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Es
sollte jedoch angemerkt werden, dass, wenn der Einlassquerschnitt
der Löcher
an der Auslasskante vergrößert wird,
eine Elimination von Material vorliegt, das hohe Wärmegradienten
hat, aber gleichzeitig eine Reduzierung der Geschwindigkeit der
Kühlluft
und demzufolge des Wärmeaustauschkoeffizienten,
der in den Löchern
oder Schlitzen der Leitschaufel 20 auftritt, unter der
Voraussetzung vorliegt, dass dieser Vergleich für dieselbe Strömungsrate
der Kühlluft
durchgeführt
werden muss.
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Dieses
stellt daher das Risiko dar, dass darin besteht, dass man eine zu
hohe Temperatur des Metalls in Bezug auf die physikalischen Eigenschaften des
Materials der Düse
hat.
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Die
Erfindung versucht somit, ein Kühlsystem
für Statordüsen von
Gasturbinen bereitzustellen, welches es ermöglicht, eine optimale Steuerung
der Temperatur der Leitschaufeln dieser Düsen zu erzielen.
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Die
Erfindung versucht auch, ein Kühlsystem für Statordüsen von
Gasturbinen zu schaffen, das es ermöglicht, die uner wünschten
Temperaturgradienten innerhalb der Leitschaufeln zu reduzieren.
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Die
vorliegende Erfindung versucht ferner ein Kühlsystem für Statordüsen von Gasturbinen zu schaffen,
die es ermöglicht
die große
Materialdicke in der Nähe
des Kühlloches
der Auslasskante der Leitschaufeln zu verringern.
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Diese
und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein
Kühlsystem
für Gasturbinen-Statordüsen gelöst.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung befinden sich innerhalb der Leitschaufel
wellenförmige
Elemente, um den Wärmeaustauschkoeffizienten
der Leitschaufel zu erhöhen.
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Das
System gemäß der Erfindung
weist hohe Wärmeaustauschkoeffizienten
entlang des gesamten Kühlloches
und die Abwesenheit von Temperaturgradienten innerhalb des Metalls
der Leitschaufel auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist das Kühlsystem
der Düsen
mehrere Elemente zum Erzeugen einer Verwirbelung entlang den Wänden der
Löcher
selbst auf, um immer einen hohen Wert eines Wärmeaustauschkoeffizienten zu
garantieren.
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Zusätzlich weist
das Kühlsystem
der Düsen einen
geringen Belastungsverlust auf, welcher an der Mündung des Loches lokalisiert
ist, um somit einen Verschwendungsanteil des Gesamtdruckes der Anpassungsluft
in diesem Bereich zu vermeiden, wodurch dem Kühlfluid mehr Energie belassen
wird, um den Belastungsverlust der Kühllöcher und der Elemente für die Erzeugung
von Verwirbelung zu überwinden.
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Schließlich sollte
angemerkt werden, dass die Geometrie des Loches so ist, dass es
die Aufnahme der geschmolzenen Legierung während des Giesvorgangs der
Leitschaufel erleichtert.
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Weitere
Eigenschaften der Erfindung sind in den der vorliegenden Anmeldung
beigefügten
weiteren Ansprüchen
definiert.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 schematisch
im Längsquerschnitt
eine Leitschaufel darstellt, welche zu einer Düse einer Gasturbine nach dem
Stand der Technik gehört;
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2 andererseits
im Längsquerschnitt
eine Leitschaufel darstellt, welche zu einer Düse einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung gehört;
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3 in
radialem Querschnitt den Ausgangsquerschnitt der Kühllöcher einer
Düse einer Gasturbine
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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4 in
radialem Querschnitt den Eingangsquerschnitt der Kühllöcher einer
Düse einer
Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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In
der vorliegenden Beschreibung bezeichnet "radiale Richtung" insbesondere eine Richtung senkrecht
zu dem Gasstrom der in der Maschine expandiert.
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In
einigen Fällen
ist die Strömungsrichtung des
Gases auch die Richtung der Hauptachse der Maschine.
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Gemäß spezieller
Bezugnahme vor allem auf 2 stellt diese Figur im Längsquerschnitt
eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Leitschaufel
dar, die zu einer Düse
einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung gehört.
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Die
Form der Leitschaufel ist insbesondere dafür ausgelegt, die erforderlichen
aerodynamischen Eigenschaften unter Bezugnahme auf die Gase zu schaffen,
die durch die Turbine verarbeitet werden, und hat eine konkave oder
ventrale Oberfläche 11 und
eine gegenüberliegende,
konvexe oder dorsale Oberfläche 12,
welche zusammenwirken, um die Außenform der Leitschaufel 10 auszubilden.
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Es
sind auch mehrere Kühllöcher 13 vorgesehen,
die an geeigneten Punkten der Oberfläche der Leitschaufel 10 vorhanden
sind.
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Innerhalb
der Leitschaufel 10 sind auch kleine Kästen 14 und 15,
das heißt,
perforierte Plattenelemente vorhanden, die den Wärmeaustauschkoeffizienten auf
Werte steigern, die für
die vorliegenden Anwendungen akzeptabel sind.
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Von
besonderer Wichtigkeit für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist die Auslasskante 16 der
Leitschaufel 10, innerhalb welcher ein Kühlloch 17 vorgesehen
ist, welches ei nen Einlassquerschnitt 18 besitzt, der im
Vergleich zu dem Stand der Technik vergrößert ist.
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2 stellt
auch den Auslassabschnitt 19 des Kühlloches 17 in dem
Teil dar, in welchem die Leitschaufel 10 dünner wird.
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Demzufolge
wird mit dieser Konfiguration eine Vergrößerung des Einlassquerschnittes 18 der Kühllöcher 17 der
Leitschaufeln 10 erzielt.
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Um
diesen Nachteil zu beseitigen, haben die Kühllöcher, die üblicherweise einen konstanten Querschnitt
aufweisen, eine Höhe,
die in der radialen Richtung variabel ist.
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Tatsächlich ist,
wenn der Einlass des Kühlloches
(Fläche 18 in 2)
in der Ebene in der Figur breiter ist, die Abmessung in rechten
Winkeln zu der Ebene selbst (radiale Richtung der Maschine) kleiner als
in den herkömmlichen
Anwendungen.
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In
der Tat hat der Einlassquerschnitt 18 des Kühlloches 17 der
Auslasskante 16 der Leitschaufel 10 eine (als
Hin in 4 dargestellte) Abmessung, die kleiner als die
entsprechende (als Hout dargestellte) Abmessung
des Auslassquerschnittes 19.
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Wenn
das Kühlsystem
für die
Düse gemäß der fraglichen
Erfindung auch dadurch gekennzeichnet ist, dass es dieselbe Abmessung
des Kühlloches in
der Nähe
der Auslasskante der Leitschaufel (Bereich 29 in 1 und
Bereich 19 in 2) hat, nimmt dieses eine rein
dreidimensionale Form mit dem in Figu ren 3 bis 4 dargestellten Einlassquerschnitt 18 und Auslassquerschnitt 19 an.
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Mittels
dieser Geometrie ist es daher möglich,
hohe Wärmeaustauschkoeffizienten
entlang des gesamten Kühlloches 17 zu
haben und somit die Temperaturgradienten innerhalb des Metalls der
Leitschaufel zu beseitigen.
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Eine
weitere Verbesserung des Wärmeaustausches
kann auch durch Verwendung von Elementen zur Erzeugung einer Verwirbelung
entlang der Wänden
der Löcher
selbst erreicht werden, um immer einen hohen Wert des Wärmeaustauschkoeffizienten
zu garantieren.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der Erfindung wird durch einen an der Mündung des Loches lokalisierten verringerten
Belastungsverlust repräsentiert,
der es ermöglicht,
keinen Teildruck des Gesamtdruckes der Anpassungsluft in diesem
Bereich zu verschwenden, um somit dem Kühlfluid mehr Energie zu belassen, um
den Belastungsverlust der Kühllöcher und
der Elemente für
die Erzeugung von Verwirbelung zu überwinden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung tritt während des Gießvorgangs
der Leitschaufel auf, wobei die fragliche Geometrie eine Art von
Trichter in dem Mündungsbereich
der Schlitze bildet, der die Aufnahme der geschmolzenen Legierung
erleichtert.
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Die
theoretischen und experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Erfindung
waren so zufriedenstellend, dass das System für neue Gasturbinen genutzt
werden kann, die in großem
Umfang verfügbar
sind.
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Die
gebotene Beschreibung macht die Merkmale und Vorteile des Kühlsystems
für Gasturbinen-Statordüsen gemäß der vorliegenden
Erfindung ersichtlich.
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Die
nachfolgenden abschließenden
Kommentierungen und Beobachtungen werden nun gemacht, um die Vorteile
deutlicher und genauer zu definieren.
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Die
Aufgabe der vorgeschlagenen Lösung besteht
in der Reduzierung der großen
Dicke des Materials in der Nähe
des Kühlloches
der Auslasskante der Leitschaufel.
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Die
vorliegende Erfindung besteht somit in der Beseitigung der Bereiche
großer
Materialdicken und auch in der Beseitigung der entsprechenden Temperaturgradienten.
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Dieses
ermöglicht
die vorstehend dargestellten vorteilhaften Konsequenzen unter Bezugnahme auf
den an der Mündung
des Loches 17 lokalisierten verringerten Belastungsverlust,
um den Verschwendungsanteil des Gesamtdruckes der Einstellluft in diesem
speziell kritischen Bereich zu vermeiden.
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Die
Geometrie des Loches 17 ist so, dass sie die Aufnahme der
geschmolzenen Legierung während
des Gießvorgangs
der Leitschaufel 10 erleichtert.