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Die
Erfindung betrifft eine hohle Rotorschaufel für die Turbine eines Gasturbinentriebwerks,
insbesondere für
eine Turbine vom Typ Hochdruckturbine.
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Genauer
gesagt betrifft die vorliegende Erfindung die Ausbildung einer hohlen
Schaufel vom Typ derer, die folgendes umfaßt, nämlich einen inneren Kühldurchgang,
einen offenen Hohlraum, der am freien Ende der Schaufel gelegen
ist und der durch eine bodenseitige Wand, die sich über das
gesamte Ende der Schaufel erstreckt, und durch einen Rand, der sich
zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante entlang der außenseitigen
Wand und der innenseitigen Wand erstreckt, begrenzt ist, sowie Kühlkanäle, die
den inneren Kühldurchgang
und die Außenseite der
innenseitigen Wand verbinden, wobei die Kühlkanäle gegenüber der innenseitigen Wand
geneigt sind, so daß sie
im Bereich ihres Ausgangs an der Außenseite der innenseitigen
Wand in Richtung des Scheitels des Randes ausmünden.
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Die
Kühlkanäle dieser
Art sind dazu bestimmt, das freie Ende der Schaufel zu kühlen, da
sie ermöglichen,
einen Kühlluftstrahl
von dem inneren Kühldurchgang
aus in Richtung des Endes der Schaufel im Bereich des oberen Endes
der Außenseite
der innenseitigen Wand zu fördern.
Dieser Luftstrahl erzeugt „thermisches
Pumpen", nämlich eine Verringerung
der Temperatur des Metalls durch Wärmeaufnahme im Innersten der
Metallwand, sowie einen Kühlluftfilm,
der das Ende der Schaufeln innenseitig schützt.
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Aufgrund
der hohen Arbeitsgeschwindigkeiten am Ende dieser Schaufeln sowie
aufgrund der Temperaturen, denen diese Schaufeln ausgesetzt sind,
ist es erforderlich, sie zu kühlen,
damit ihre Temperatur unter derjenigen der Gase bleibt, bei denen sie
arbeiten.
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Aus
diesem Grund sind die Schaufeln herkömmlicherweise hohl, um ihre
Kühlung
mittels der in einem inneren Kühldurchgang
vorhandenen Luft zu ermöglichen.
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Darüber hinaus
ist bekannt, am Ende der Schaufel einen auch als „Badewanne" bezeichneten offenen
Hohlraum vorzusehen; diese Schaufelendform begrenzt die gegenüberliegenden
Flächen
zwischen dem Ende der Schaufel und der entsprechenden ringförmigen Fläche des
Turbinengehäuses,
um den Körper
der Schaufel gegen Schäden
zu schützen,
die durch den eventuellen Kontakt mit einem Ringsegment verursacht
werden.
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Die
Dokumente
US 6,231,307 und
EP 0 816 636 stellen eine
solche hohle Schaufel vor, die außerdem mit Kühlkanälen ausgestattet
ist, welche den inneren Kühldurchgang
und die Außenseite
des Randes des Hohlraums im Bereich der innenseitigen Wand verbinden.
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Diese
Kühlkanäle, die
auf der Seite der innenseitigen Wand gelegen sind, ermöglichen
somit den Austritt eines Luftstrahls aus dem inneren Kühldurchgang,
der kälter
als derjenige ist, welcher die innenseitige Wand umgibt, wobei dieser
Luftstrahl einen örtlich
begrenzten Kühlluftfilm
an der Außenseite der
innenseitigen Wand bildet, der in Richtung der außenseitigen
Wand gesogen wird.
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In
dem Dokument
US 6,231,307 verbinden diese
geneigten Kühlkanäle den inneren
Kühldurchgang
und die Außenseite
des Randes des Hohlraums im Bereich der innenseitigen Wand dadurch,
daß sie (siehe
2 dieses
Dokuments) derart angeordnet sind, daß sie die bodenseitige Wand
des Hohlraums und den Rand des Hohlraums im Bereich der innenseitigen
Wand durchqueren und dabei durch den Hohlraum verlaufen.
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Diese
Lösung
erfordert folglich eine große Materialdicke,
sei es für
die bodenseitige Wand des Hohlraums oder für den Rand des Hohlraums, um nicht
die Leistungen thermomechanischer Festigkeit am Schaufelende in
Frage zu stellen. Des weiteren begrenzt diese Lösung sehr stark den Kühlluftstrom, der
den Scheitel des Randes erreicht, da der größte Teil des Stroms aus dem
inneren Kühldurchgang über den
ersten Abschnitt der Kühlkanäle austritt
und direkt in den Hohlraum eindringt, ohne zur Außenseite
der innenseitigen Wand zu gelangen.
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Die
Lösung
des Dokuments
EP 0 816 636 , die
in
5 dieses Dokuments zu sehen ist, besteht darin,
diese Kühlkanäle derart
anzuordnen, daß sie die
innenseitige Wand durchqueren und dabei an der Außenseite
dieser innenseitigen Wand im Bereich der Basis des Randes des Hohlraums
ausmünden.
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Auch
hier erfordert diese Lösung
eine große Materialdicke,
sei es für
die bodenseitige Wand des Hohlraums oder für den Rand des Hohlraums, um nicht
die Leistungen thermomechanischer Festigkeit am Schaufelende in
Frage zu stellen.
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In
Anbetracht der immer höheren
Betriebstemperaturen der Turbinen ermöglichen diese Lösungen jedoch
derzeit nicht die Ausbildung einer hohlen Schaufel, deren Kühlung am
Ende ausreichend ist.
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Denn
um eine ausreichende thermomechanische Festigkeit um die Kühlkanäle herum
aufrechtzuerhalten, führt
der Einsatz großer
Wanddicken zu einer sehr erheblichen Beschwerung des Laufrades (oder
der Laufräder)
der Turbine. Da, je größer die Materialdicken
sind, die Temperatur aufgrund einer langsameren Kühlung um
so mehr ansteigt, ermöglichen
diese großen
Materialdicken demzufolge nicht, eine ausreichende Kühlung am
Schaufelende zu bewerkstelligen, um einen Betrieb der Turbine bei
den gewünschten
höheren
Temperaturen zu ermöglichen.
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Es
ist anzumerken, daß wenn
die Kühlung am
Ende der Schaufel unzureichend ist, es zu lokalen Verbrennungen
oder überhitzten
Stellen kommen kann, die zu Metallverlusten führen können, welche die Spiele vergrößern, was
dem aerodynamischen Leistungsgrad der Turbine schadet. Auch wenn
die Temperatur des Randes des Hohlraums zu stark steigt, werden
Risiken von Verbrennungen oder überhitzten
Stellen mit einer Abnutzung oder Beschädigung der Metallwand festgestellt.
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Die
vorliegende Erfindung versucht, die vorgenannten Probleme zu lösen.
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Demzufolge
besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine hohle Rotorschaufel
vorgenannter Art für
die Turbine eines Gasturbinentriebwerks zu liefern, die ermöglicht,
das Ende der Schaufel ausreichend zu kühlen, um deren Zuverlässigkeit zu
verbessern, ohne die aerodynamischen und thermomechanischen Leistungen
der Schaufel zu verringern.
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Zu
diesem Zweck ist die Schaufel gemäß der vorliegenden Erfindung
durch Patentanspruch 1 definiert.
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Auf
diese Weise wird verständlich,
daß durch das
Vorliegen der Materialverstärkung
die Kühlkanäle so näher am Scheitel
des Randes ausmünden
können,
ohne den Abstand zwischen diesen Kühlkanälen und der bodenseitigen Wand
des Hohlraums zu verändern.
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Diese
Materialverstärkung
erzeugt nämlich eine Überdicke
in dem Teil des Endes der Schaufel, in dem der Rand und die bodenseitige
Wand auf der Innenseite des Hohlraums aufeinandertreffen.
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Eine
solche Verstärkung
ist auch leicht herzustellen, ohne das Herstellungsverfahren der Schaufel
zu verändern,
da ab dem Schritt des Gießens,
insbesondere bei der Gestaltung der diesem Teil der Schaufel entsprechenden
Form, an dieser Stelle lediglich eine größere Metallmenge vorgesehen
werden muß.
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Diese
Lösung
weist auch den zusätzlichen Vorteil
auf, daß die
Struktur der Schaufel nicht erheblich schwerer gemacht wird.
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Ingesamt
ist es dank der Lösung
gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die am Ende der Schaufel, vor allem im Bereich des Scheitels des Randes
der innenseitigen Wand erzeugte Kühlung durch die aus den Kühlkanälen austretende
Luft zu verbessern, ohne die thermomechanischen und aerodynamischen
Leistungen der Schaufeln zu verändern.
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Vorzugsweise
bildet die dem Hohlraum zugewandte Fläche der Verstärkung mit
der dem Hohlraum zugewandten Fläche
der bodenseitigen Wand einen Winkel (α) zwischen 170° und 100°, vorzugsweise
zwischen 135° und
110°.
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Bei
einer bevorzugten Anordnung ist der Winkel (α) im wesentlichen gleich 112°.
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Eine
solche Anordnung ermöglicht,
das Phänomen
des thermischen Pumpens zu optimieren und die Kühlung der vertikalen Wand der „Badewanne", d. h. den Rand
des offenen Hohlraums zu erhöhen.
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Vorzugsweise
verläuft
die dem Hohlraum zugewandte Fläche
der Verstärkung
im wesentlichen parallel zur Richtung der Kühlkanäle.
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Diese
bevorzugte Ausführung
ermöglicht, die
beste mechanische Verstärkung
mit einem Minimum an Material im Bereich der Verstärkung zu
erzielen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Anordnung ist der Abstand (A) zwischen
dem Ausgang der Kühlkanäle und dem
Scheitel des Randes geringer als der Abstand (B) zwischen dem Ausgang
der Kühlkanäle und der
dem Hohlraum zugewandten Fläche
der Verstärkung.
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Diese
Anordnung ermöglicht,
den Ausgang der Kühlkanäle möglichst
nahe dem Scheitel des Randes anzuordnen, der sehr wirkungsvoll gekühlt wird.
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Bei
einer bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform ist der Abstand
(B) zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle und der
dem Hohlraum zugewandten Fläche
der Verstärkung
wenigstens gleich, und insbesondere exakt gleich dem Abstand (C),
welcher den Schnittpunkt (C1) zwischen der Innenseite des Randes
im Bereich der außenseitigen
Wand und der dem Hohlraum zugewandten Fläche der bodenseitigen Wand
und den Schnittpunkt (C2) zwischen der Außenseite der außenseitigen
Wand und der dem Hohlraum abgewandten Fläche der bodenseitigen Wand
voneinander trennt.
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Auf
diese Weise wird nämlich
an der Stelle der Verstärkung,
also auf der Seite der innenseitigen Wand des Endes der Schaufel,
eine Struktur geschaffen, die genauso widerstandsfähig ist
wie diejenige, die sich an dem Ende der Schaufel auf der Seite der
außenseitigen
Wand befindet.
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Weitere
Vorteile sowie Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden,
als Beispiel zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden
Zeichnungen hervorgehen, hierin zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer hohlen Rotorschaufel für eine herkömmliche
Gasturbine,
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2 in
der Perspektive, in vergrößerter Form,
das freie Ende der Schaufel der 1,
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3 eine ähnliche
Ansicht wie die der 2, nachdem die Austrittskante
der Schaufel durch einen Längsschnitt
entfernt worden ist,
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4 eine
Ansicht im Längsschnitt
entlang der Richtung IV-IV der 3 und
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5 eine ähnliche
Ansicht wie die der 4, welche die Anpassungen der
Schaufel gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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In 1 ist
in der Perspektive ein Beispiel einer herkömmlichen hohlen Rotorschaufel 10 für eine Gasturbine
zu sehen. (Nicht dargestellte) Kühlluft strömt innerhalb
der Schaufel von dem unteren Teil des Fußes 12 der Schaufel
in radialer (vertikaler) Richtung zum freien Ende 14 der
Schaufel (in 1 oben), anschließend entweicht
diese Kühlluft über einen
Auslaß,
um sich dem Hauptgasstrom anzuschließen.
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Insbesondere
zirkuliert diese Kühlluft
in einem inneren Kühldurchgang,
der innerhalb der Schaufel gelegen ist und der am freien Ende 14 der Schaufel
im Bereich von Durchgangsbohrungen 15 endet.
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Der
Körper
der Schaufel ist derart profiliert, daß er eine innenseitige Wand 16 (in
allen Figuren links) und eine außenseitige Wand 18 (in
allen Figuren rechts) definiert. Die innenseitige Wand 16 weist eine
allgemein konkave Form auf und ist als erste Fläche dem Strom heißer Gase,
d. h. auf der Druckseite der Gase, ausgesetzt, während die außenseitige
Wand 18 konvex ist und anschließend dem Strom heißer Gase,
d. h. auf der Saugseite der Gase, ausgesetzt ist.
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Die
innenseitige Wand 16 und die außenseitige Wand 18 laufen
an der Stelle der Eintrittskante 20 und an der Stelle der
Austrittskante 22, die sich radial zwischen dem freien
Ende 14 der Schaufel und dem oberen Teil des Fußes 12 der
Schaufel erstrecken, zusammen.
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Wie
aus den vergrößerten Ansichten
der 2 bis 5, im Bereich des freien Endes 14 der Schaufel
hervorgeht, ist der innere Kühldurchgang 24 durch
die Innenseite 26a einer bodenseitigen Wand 26 begrenzt,
die sich über
das gesamte freie Ende 14 der Schaufel, zwischen der innenseitigen Wand 16 und
der außenseitigen
Wand 18, also von der Eintrittskante 20 bis zur
Austrittskante erstreckt.
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Im
Bereich des freien Endes 14 der Schaufel bilden die innenseitige
und die außenseitige
Wand 16, 18 den Rand 28 eines Hohlraums 30,
der in der zum inneren Kühldurchgang 24 entgegengesetzten Richtung,
also radial nach außen
(in allen Figuren nach oben) geöffnet
ist.
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Wie
aus den Figuren ersichtlich ist, ist dieser offene Hohlraum 30 also
seitlich durch die Innenseite dieses Randes 28 und im unteren
Teil durch die Außenseite 26b der
bodenseitigen Wand 26 begrenzt.
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Der
Rand 28 bildet folglich eine dünne Wand entlang dem Profil
der Schaufel, welche das freie Ende 14 der Schaufel 10 vor
dem Kontakt mit der entsprechenden Ringfläche des Turbinengehäuses schützt.
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Wie
aus den Schnittansichten der 4 und 5 genauer
ersichtlich ist, durchqueren geneigte Kühlkanäle 32 die innenseitige
Wand 16, um den inneren Kühldurchgang 24 mit
der Außenseite
der innenseitigen Wand 16 zu verbinden.
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Diese
Kühlkanäle 32 sind
derart geneigt, daß sie
in Richtung des Scheitels 28a des Randes ausmünden, um
diesen Scheitel 28a, entlang der innenseitigen Wand 16 soweit
wie möglich
zu kühlen.
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Wie
aus den 4 und 5 durch
die schwarzen dicken Pfeile 33 am Ausgang der Kühlkanäle zu sehen
ist, ist ein Luftstrahl entlang der innenseitigen Wand 16 in
Richtung des Scheitels 28a des Randes gerichtet.
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Im
Fall der bekannten Schaufeln, wie in 4 genauer
gezeigt ist, empfiehlt es sich zum Aufrechterhalten einer ausreichenden
thermomechanischen Festigkeit am freien Ende 14 der Schaufel, zwischen
dem Ausgang der Kühlkanäle 32 (wobei der
Meßpunkt
die Achse dieser Kanäle
ist) und dem Schnittpunkt (B1) zwischen der Innenseite des Randes 28 im
Bereich der innenseitigen Wand 16 und der dem Hohlraum 30 zugewandten
Außenseite 26b der bodenseitigen
Wand 26 einen ausreichenden Abstand B zu lassen.
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Diese
Situation, die sich aus einer maschinenbaulichen Notwendigkeit ergibt,
führt zu
der Tatsache, daß der
Abstand A, der zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle 32 (wobei der Meßpunkt die Achse
dieser Kanäle
ist) und dem Scheitel 28a des Randes 28 auf der
Seite der innenseitigen Wand gemessen wird und der weit größer als
der vorgenannte Abstand B ist, nicht ausreicht, um den Scheitel 28a ausreichend
stark zu kühlen.
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Um
diesen Nachteil zu beheben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung,
und wie aus 5 ersichtlich ist, zwischen
der dem Hohlraum 30 zugewandten Seite des Randes 28,
entlang der innenseitigen Wand 16, und der dem Hohlraum 30 zugewandten
Seite 26b der bodenseitigen Wand 26 eine Materialverstärkung 34 vorgesehen.
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Diese
Materialverstärkung 34 ist
vorteilhafterweise derart ausgebildet, daß sie eine dem Hohlraum 30 zugewandte
Fläche 34a bildet,
die im wesentlichen eben ist, so daß der Übergang zwischen der dem Hohlraum 30 zugewandten
Außenseite 26b der
bodenseitigen Wand 26 und der Innenseite des Randes 28 stufenweise
erfolgt.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist, wird dank dieser Materialverstärkung 34 der
vorgenannte Abstand B, der zur Sicherstellung der thermomechanischen Festigkeit
am Schaufelende aufrechterhalten werden muß, zu einem Abstand B', der zwischen dem
Ausgang der Kühlkanäle 32 (wobei
der Meßpunkt
die Achse dieser Kanäle
ist) und der genannten Fläche 34a der
Verstärkung 34 gemessen
wird.
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Da
dieser Abstand B' auf
dem Wert des Abstandes B der 4 gehalten
wird, wird dem Ausgang der Kühlkanäle durch
das Vorliegen der Verstärkung 34 ermöglicht,
sich dem Scheitel 28a des Randes 28 entlang der
innenseitigen Wand 16 sehr stark anzunähern, da der vorgenannte Abstand
A nun kleiner als der Abstand B' ist
(siehe 5).
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Diese
Verstärkung 34 ist
entlang wenigstens einem Teil der innenseitigen Wand angeordnet.
Diese Verstärkung 34 kann
von einem durchgehenden Streifen oder einer Reihe von Vorsprüngen gebildet sein,
vorausgesetzt, daß diese
Materialverstärkung 34 in
jeder durch einen Kühlkanal 32 verlaufenden Querebene
vorhanden ist.
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In
einem gemäß 5 eingesetzten
Ausführungsbeispiel
für die
Hochdruckturbine eines Triebwerks vom Typ M88, wurde eine Schaufel 10 aus
einer Legierung auf Nickelbasis von der Art AM1 (NTa8GKWA) ausgebildet,
bei der die Materialverstärkung – durch
Bildung eines Wulstes entlang der gesamten innenseitigen Wand 16 – direkt
aus dem Gießvorgang
hervorgegangen ist. Die Abmessungen dieses Beispiels sind insbesondere
folgende:
- – Höhe des Randes 28 (vom
Scheitel 28a bis zur Außenseite 26b der bodenseitigen
Wand 26): 1 mm
- – Dicke
des Randes 28 sowie der innenseitigen Wand 16 und
der außenseitigen
Wand 18: 0,65 mm;
- – konstante
Dicke der bodenseitigen Wand 26: 0,8 mm;
- – Durchmesser
der Kühlkanäle 32:
0,3 mm (es kann ein Durchmesser zwischen 0,25 mm und 0,35 mm in
Betracht gezogen werden);
- – Abstand
A: 1,7 mm;
- – Abstand
B: 1,2 mm.
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Unter
Einsatz der Lösung
der vorliegenden Erfindung durch Hinzufügen der Materialverstärkung 34 über eine
an der Oberseite 26b der bodenseitigen Wand 26 gemessene
Breite von 0,5 mm, gelangt man zu der Situation der 5 mit
dem Abstand B = B' =
1,2 mm, während
der Abstand A nun lediglich gleich 1 mm ist.
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Diese
Annäherung
von 0,7 mm des Ausgangs der Kühlkanäle 32 an
den Scheitel 28a ermöglicht
einen Gewinn von 40°C
bei der während
des Betriebs der Hochdruckturbine erzielten Kühlung.
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Auch
die dem Hohlraum zugewandte Fläche der
Verstärkung
ist im wesentlichen eben und bildet mit der dem Hohlraum zugewandten
Fläche
der bodenseitigen Wand einen Winkel α gleich 112°.
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Der
Rand 28, der vorteilhafterweise eine dünne Wand bildet, weist folglich
eine geringe Dicke auf, nämlich
weniger als 1,5 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, und in weiterhin
bevorzugter Weise eine Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm.
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Wie
aus 5 hervorgeht, welche die bevorzugte Ausführungsform
darstellt:
- – weist ferner, im Bereich
des Hohlraums 30, der Rand 28 und insbesondere
sein Ende eine zur bodenseitigen Wand 26 des Hohlraums
oder genauer gesagt zur Außenseite 26b der
bodenseitigen Wand 26, die im wesentlichen eben (und in 5 horizontal)
ist, orthogonale Allgemeinrichtung auf;
- – befindet
sich die Verstärkung 34 an
der Basis des Randes 28; und
- – weisen
die Kühlkanäle 32 einen über ihre
gesamte Länge
konstanten Querschnitt auf.