EP2265799B1 - Leitschaufel für eine gasturbine - Google Patents

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EP2265799B1
EP2265799B1 EP09723174A EP09723174A EP2265799B1 EP 2265799 B1 EP2265799 B1 EP 2265799B1 EP 09723174 A EP09723174 A EP 09723174A EP 09723174 A EP09723174 A EP 09723174A EP 2265799 B1 EP2265799 B1 EP 2265799B1
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EP
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cavity
trailing edge
gas turbine
stator blade
shroud
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Jose Anguisola Mcfeat
Christoph Nagler
Sergei Riazantsev
Brian Kenneth Wardle
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
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    • F05D2240/81—Cooled platforms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/11—Purpose of the control system to prolong engine life
    • F05D2270/114—Purpose of the control system to prolong engine life by limiting mechanical stresses

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a guide vane for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines with sequential combustion are known and have proven themselves in industrial use.
  • Such a gas turbine which has become known in the art as GT24 / 26, for example, from an article of Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24 / GT26 Gas Turbine Family", IGTI / ASME 98-GT-220, 1998 Sweden ,
  • the local Fig. 1 shows the basic structure of such a gas turbine, where the local Fig. 1 in the present application as Fig. 1 is reproduced. Furthermore, such a gas turbine goes out EP-B1-0 620 362 out.
  • the vanes 10 of Fig. 1 have a longitudinally extending airfoil 11, which in the flow direction of the hot gas (parallel arrows in Fig. 1 ) is bounded by a leading edge 14 and a trailing edge 15.
  • the blade 11 is bounded by the blade head 13 and a cover plate 12 (sometimes also referred to as shroud).
  • the blade head 13 defines the annular hot gas channel of the turbine on the inside and usually abuts on the rotor shaft of the turbine via a seal segment not shown in detail.
  • the cover plate 12 defines with its inner side 19 the hot gas channel to the outside.
  • a cooling medium eg cooling air
  • Fastening element 16 or 17 integrally formed which serve on the one hand for fastening the guide vane 10 on the inner housing of the turbine and on the other hand for receiving and fixing adjacent in the flow direction heat shield segments ("heat shields" Fig. 2 , Pos. 24) are available.
  • a receiving groove 18 is provided on the rear fastening element 17, in which a heat recovery segment can be inserted.
  • the receiving groove 18 is limited to the cover plate 12 through a horizontal base surface 18 ', which together with the oblique inner side 19 of this cover plate 12 in the region of the trailing edge 15 forms a wedge-shaped portion 19', which is characterized by a large volume of material.
  • the transition 21 between the trailing edge 15 of the vane 10 and the cover plate 12 is a critical range for the life of the vane 10, since it sets a high thermal load resulting from a thermal-mechanical mismatch between the cover plate 12 and the blade 11 This results in a peak being superimposed on the stress resulting from the load of the airfoil 11 loaded by the hot gas flow.
  • the above-mentioned large volume of material in the wedge-shaped portion 19 'above the trailing edge 15 now leads to a significant increase in the thermal stresses in this important for the life of the vane 10 area and thus to a reduction in the life itself, bearing in mind the fact that modern gas turbines high Require temperatures related to the working fluids, which are in many cases beyond the permissible material temperature economically useful materials.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a guide vane for gas turbines, which avoids the disadvantages of the previous vanes with small changes in the design and is characterized by a significantly improved life.
  • An embodiment of the invention is characterized in that the cavity has a circular edge contour with a predetermined diameter, and that the size of the diameter of the cavity is used to limit the stresses in the region of the cavity.
  • a development is characterized in that the cavity extends from the trailing edge of the cover plate up to a predetermined distance into the cover plate, and that the ratio of the distance and the diameter of the cavity is used to limit the stresses in the region of the cavity.
  • the hook-shaped fastening element located above the cavity has a predetermined length measured from the receiving groove for the heat spreader segment, and that for limiting the stresses in the region of the cavity, the ratio of the length of the fastening element and the diameter of the cavity is used.
  • the receiving groove for the heat spreader segment preferably has a height which corresponds approximately to one fifth of the length of the hook-shaped fastening element.
  • the vane of the invention can be used to advantage in a gas turbine.
  • FIGS. 2 and 3 is in one too Fig. 1 comparable representation of a guide vane according to an embodiment of the invention. It should be related to Fig. 3 always Fig. 4 are used, from which an enlarged view of the fastener is apparent, in which case reference is made specifically to the configuration of the cavity.
  • the guide vane 20 in turn comprises an airfoil 11 with leading edge 14 and trailing edge 15 which is delimited in the longitudinal direction by a vane head 13 and a cover plate 12.
  • the cover plate 12 also has an inside obliquely outwardly inclined in the flow direction 19.
  • hook-shaped fasteners 16 and 17 are formed, wherein the rear fastener 17 on the rear side a receiving groove 22 is formed for an adjacent heat recovery segment 24 ,
  • the cavity 23 is bounded at its inner end by a circular edge contour with a predetermined diameter w A. It extends from the trailing edge 25 of the cover plate 12 up to a distance d into the cover plate 12 ( Fig. 3 , see in particular also Fig. 4 ).
  • the length of the rear hook-shaped fastening element 17 from the bottom of the receiving groove 22 to the outer end is denoted by L1.
  • This length L1 is preferably divided into the height L3 of the receiving groove 22 and the remaining length L2 such that L3 corresponds to about one fifth of L1, while L2 is about 4 fifths of L1.
  • the two quantities d and L1 are two influencing factors on the forces in the cavity 23.
  • the ratios d / w A and L1 / w A play an essential role in this case. Too big d / w A and L1 / w A would drive up the tensions, therefore w A must counteract as a substantial quantity. If, therefore, the sizes d and L1 are too large with respect to the stresses occurring at the cavity, the diameter w A of the cavity 23 is selected correspondingly greater in order to reduce the abovementioned ratios again to a tolerable level. In this way, design freedom is gained in the execution of the cover plate, without the voltages grow and lead to a reduction in the life.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Leitschaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung sind bekannt und haben sich im industriellen Einsatz bewährt.
    Eine solche Gasturbine, welche in Fachkreisen als GT24/26 bekannt geworden ist, geht beispielsweise aus einem Aufsatz von Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24/GT26 Gasturbine Family", IGTI/ASME 98-GT-220, 1998 Stockholm. Die dortige Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Gasturbine, wobei die dortige Fig. 1 in der vorliegenden Anmeldung als Fig. 1 wiedergegeben ist. Des Weiteren geht eine solche Gasturbine aus EP-B1-0 620 362 hervor.
  • Die Leitschaufeln 10 der Fig. 1 haben ein sich in Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 11, das in Strömungsrichtung des Heissgases (parallele Pfeile in Fig. 1) von einer Vorderkante 14 und einer Hinterkante 15 begrenzt ist. In der Längsrichtung wird das Schaufelblatt 11 von Schaufelkopf 13 und einer Deckplatte 12 (bisweilen auch Deckband genannt) begrenzt. Der Schaufelkopf 13 begrenzt den ringförmigen Heissgaskanal der Turbine auf der Innenseite und stösst üblicherweise über ein nicht näher gezeigtes Dichtungssegment an die Rotorwelle der Turbine an. Die Deckplatte12 begrenzt mit ihrer Innenseite 19 den Heissgaskanal nach aussen.
  • An der Aussenseite der Deckplatte 12, die mit einem Kühlmedium (z. B. Kühlluft) durchströmt ist, sind ein vorderes und hinteres hakenförmiges
  • Befestigungselement 16 bzw. 17 angeformt, die einerseits zur Befestigung der Leitschaufel 10 am inneren Gehäuse der Turbine dienen und andererseits zur Aufnahme und Fixierung von in Strömungsrichtung benachbarten Wärmestausegmenten ("heat shields". Siehe Fig. 2, Pos. 24) zur Verfügung stehen. Hierzu ist am hinteren Befestigungselement 17 eine Aufnahmenut 18 vorgesehen, in die ein Wärmestausegment eingeschoben werden kann. Die Aufnahmenut 18 ist zur Deckplatte 12 hin durch eine horizontale Grundfläche 18' begrenzt, die zusammen mit der schrägen Innenseite 19 dieser Deckplatte 12 im Bereich der Hinterkante 15 einen keilförmigen Abschnitt 19' bildet, der durch ein grosses Materialvolumen charakterisiert ist.
  • Der Übergang 21 zwischen der Hinterkante 15 der Leitschaufel 10 und der Deckplatte 12 stellt einen kritischen Bereich für die Lebensdauer der Leitschaufel 10 dar, da sich in ihm eine hohe thermische Belastung einstellt, die sich aus einer thermisch-mechanischen Fehlanpassung zwischen Deckplatte 12 und Schaufelblatt 11 ergibt, wobei dies dazu führt, dass eine Spitze in der mechanischen Spannung, welche aus der Belastung des durch die Heissgasströmung beaufschlagten Schaufelblattes 11 resultiert, überlagert wird. Das oben erwähnte grosse Materialvolumen im keilförmigen Abschnitt 19' oberhalb der Hinterkante 15 führt nun zu einem deutlichen Anstieg der thermischen Spannungen in diesem für die Lebensdauer der Leitschaufel 10 wichtigen Bereich und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer selbst, eingedenk der Tatsache, dass moderne Gasturbinen hohe Temperaturen betreffend die Arbeitsfluide erfordern, die in vielen Fällen jenseits der zulässigen Materialtemperatur wirtschaftlich einsetzbarer Werkstoffe liegen.
  • Weiterhin zeigt US4820116 eine Leitschaufel mit einem Befestigungshaken nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leitschaufel für Gasturbinen zu schaffen, welche mit geringen Änderungen im Design die geschilderten Nachteile der bisherigen Leitschaufeln vermeidet und sich durch eine deutlich verbesserte Lebensdauer auszeichnet.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass an der Deckplatte der Leitschaufel zwischen der Aufnahmenut für das Wärmestausegment und der Hinterkante des Schaufelblattes zur Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen im Bereich des Übergangs zwischen Hinterkante und Deckplatte eine Kavität vorgesehen ist. Durch die mit der Kavität erzielte Materialabnahme direkt an der Deckplatte im Bereich der Hinterkante können auf sehr einfache und effiziente Weise dort die thermischen und mechanischen Belastungen im Hinblick auf die Lebensdauer der Schaufel nachhaltig verbessert werden.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität eine kreisförmige Randkontur mit einem vorgegebenen Durchmesser aufweist, und dass die Grösse des Durchmessers der Kavität zur Begrenzung der Spannungen im Bereich der Kavität herangezogen wird.
  • Eine Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kavität von der Hinterkante der Deckplatte ausgehend bis zu einem vorgegebenen Abstand in die Deckplatte hinein reicht, und dass für die Begrenzung der Spannungen im Bereich der Kavität das Verhältnis des Abstands und des Durchmessers der Kavität herangezogen wird.
  • Eine andere Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass das oberhalb der Kavität befindliche hakenförmige Befestigungselement von der Aufnahmenut für das Wärmestausegment aus gemessen eine vorgegebene Länge aufweist, und dass für die Begrenzung der Spannungen im Bereich der Kavität das Verhältnis der Länge des Befestigungselements und des Durchmessers der Kavität herangezogen wird. Die Aufnahmenut für das Wärmestausegment weist dabei vorzugsweise eine Höhe auf, die etwa einem Fünftel der Länge des hakenförmigen Befestigungselements entspricht.
  • Die Leitschaufel nach der Erfindung kann mit Vorteil in einer Gasturbine eingesetzt werden.
    • Kurze Erläuterung der Figuren
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    in einer Seitenansicht eine Leitschaufel, wie sie bisher in Gasturbinen der Anmelderin vom Typ GT24/26 eingebaut worden ist,
    Fig. 2
    in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Leitschaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Fig. 3
    einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 2 mit dem Übergang von der Hinterkante des Schaufelblattes zum hinteren Befestigungselement der Leitschaufel und
    Fig. 4
    eine vergrösserte Teilansicht des Befestigungselementes, aus welcher die Konfiguration insbesondere im Bereich der Kavität hervorgeht.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In Fig. 2 und 3 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Leitschaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es soll im Zusammenhang mit Fig. 3 auch immer Fig. 4 herangezogen werden, aus welcher eine vergrösserte Ansicht des Befestigungselementes hervorgeht, wobei hier speziell auf die Konfiguration der Kavität hingewiesen wird. Die Leitschaufel 20 umfasst wiederum ein Schaufelblatt 11 mit Vorderkante 14 und Hinterkante 15, das in Längsrichtung von einem Schaufelkopf 13 und einer Deckplatte 12 begrenzt ist. Die Deckplatte 12 hat auch hier eine in Strömungsrichtung schräg nach aussen geneigte Innenseite 19. Auf der Aussenseite der Deckplatte 12 sind wiederum hakenförmige Befestigungselemente 16 und 17 ausgebildet, wobei am hinteren Befestigungselement 17 auf der hinteren Seite eine Aufnahmenut 22 für ein angrenzendes Wärmestausegment 24 ausgebildet ist.
  • Zur Verringerung der thermischen und mechanischen Spannungen zwischen der Hinterkante 15 des Schaufelblattes 11 und der Deckplatte ist nun unterhalb der Aufnahmenut 22 eine von der Hinterkante 25 der Deckplatte 12 in diese (12) hinein reichende Kavität 23 vorgesehen, die zu einer deutlichen Reduktion der Dicke und damit des Materialvolumens der Deckplatte 12 im Bereich oberhalb der Hinterkante 15 führt. Die Kavität 23 ist an ihrem inneren Ende durch eine kreisförmige Randkontur mit einem vorgegebenen Durchmesser wA begrenzt. Sie reicht von der Hinterkante 25 der Deckplatte 12 aus gemessen bis zu einem Abstand d in die Deckplatte 12 hinein (Fig. 3, siehe insbesondere auch Fig. 4).
  • Die Länge des hinteren hakenförmigen Befestigungselements 17 von der Unterseite der Aufnahmenut 22 bis zum äusseren Ende ist mit L1 bezeichnet. Diese Länge L1 teilt sich auf die Höhe L3 der Aufnahmenut 22 und die restliche Länge L2 vorzugsweise so auf, dass L3 etwa einem Fünftel von L1 entspricht, während L2 etwa 4 Fünftel von L1 ausmacht.
  • Die beiden Grössen d und L1 sind zwei der Einflussgrössen auf die Kräfte in der Kavität 23. Die Verhältnisse d/wA sowie L1/wA spielen dabei eine wesentliche Rolle. Ein zu grosses d/wA und L1/wA würden die Spannungen nach oben treiben, daher muss wA als eine substantielle Grösse entgegenwirken. Sollten daher die Grössen d und L1 im Hinblick auf die an der Kavität auftretenden Spannungen zu gross sein, wird der Durchmesser wA der Kavität 23 entsprechend grösser gewählt, um die o.g. Verhältniszahlen wieder auf ein tolerierbares Mass zu reduzieren. Auf diese Weise wird bei der Ausführung der Deckplatte Gestaltungsfreiheit gewonnen, ohne dass die Spannungen wachsen und zu einer Reduzierung der Lebensdauer führen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10,20
    Leitschaufel (Gasturbine)
    11
    Schaufelblatt
    12
    Deckplatte
    13
    Schaufelkopf
    14
    Vorderkante
    15
    Hinterkante (Schaufelblatt)
    16, 17
    Befestigungselement (hakenförmig)
    18, 22
    Aufnahmenut (Wärmestausegment)
    18'
    Grundfläche (Aufnahmenut)
    19
    Innenseite (äussere Deckplatte
    21
    Übergang (Hinterkante-äussere Deckplatte)
    23
    Kavität
    24
    Wärmestausegment
    25
    Hinterkante (äussere Deckplatte)
    26
    Heissgas
    d
    Abstand
    L1, L2, L3
    Länge
    wA
    Durchmesser

Claims (6)

  1. Leitschaufel (20) für eine Gasturbine, welche Leitschaufel (20) ein sich in Schaufellängsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (11) umfasst, das von einer Vorderkante (14) und einer Hinterkante (15) begrenzt ist, sowie eine Deckplatte (12) aufweist, deren Innenseite (19) dem durch die Gasturbine strömenden Heissgas ausgesetzt ist, und an der radial nach aussen abstehend im Bereich der Hinterkante mindestens ein hakenförmiges Befestigungselement (17) zum Befestigen der Leitschaufel (20) an einem Gehäuse oder an Elementen der Gasturbine vorgesehen ist, wobei das hakenförmige Befestigungselement oberhalb der Hinterkante (15) mindestens eine Aufnahmenut (22) zum Fixieren eines an die äussere Deckplatte (12) der Leitschaufel (20) in Strömungsrichtung des Heissgases anschliessenden Wärmestausegments (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Deckplatte (12) der Leitschaufel (20) zwischen der Aufnahmenut (22) und der Hinterkante (15) des Schaufelblattes (11) zur Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen im Bereich des Übergangs (21) zwischen Hinterkante (15) und Deckplatte (12) eine Kavität (23) vorgesehen ist und dass die Kavität (23) eine kreisförmige Randkontur mit einem vorgegebenen Durchmesser (WA) aufweist, und dass die Grösse des Durchmessers (wA) der Kavität (23) zur Begrenzung der Spannungen im Bereich der Kavität (23) herangezogen wird.
  2. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (23) von der Hinterkante (25) der Deckplatte (12) ausgehend bis zu einem vorgegebenen Abstand (d) in die Deckplatte (12) hinein reicht, und dass für die Begrenzung der Spannungen im Bereich der Kavität (23) das Verhältnis d/wA des Abstands (d) und des Durchmessers (wA) der Kavität (23) herangezogen wird.
  3. Leitschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oberhalb der Kavität (23) befindliche hakenförmige Befestigungselement (17) von der Aufnahmenut (22) für das Wärmestausegment (24) aus gemessen eine vorgegebene Länge (L1) aufweist, und dass für die Begrenzung der Spannungen im Bereich der Kavität (23) das Verhältnis (L1)/wA der Länge (L1) des Befestigungselements (17) und des Durchmessers (wA) der Kavität (23) herangezogen wird.
  4. Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmenut (22) für das Wärmestausegment (24) eine Höhe (13) aufweist, die etwa einem Fünftel der Länge (L1) des hakenförmigen Befestigungselements (17) entspricht.
  5. Anwendung der Leitschaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für eine Gasturbine.
  6. Anwendung der Leitschaufel (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ist.
EP09723174A 2008-03-19 2009-02-19 Leitschaufel für eine gasturbine Not-in-force EP2265799B1 (de)

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PCT/EP2009/051969 WO2009115390A1 (de) 2008-03-19 2009-02-19 Leitschaufel für eine gasturbine

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EP2265799A1 EP2265799A1 (de) 2010-12-29
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US (1) US8142143B2 (de)
EP (1) EP2265799B1 (de)
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WO (1) WO2009115390A1 (de)

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