EP2349608A1 - Verfahren zum giesstechnischen herstellen einer schaufel sowie schaufel für eine gasturbine - Google Patents

Verfahren zum giesstechnischen herstellen einer schaufel sowie schaufel für eine gasturbine

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EP2349608A1
EP2349608A1 EP09755889A EP09755889A EP2349608A1 EP 2349608 A1 EP2349608 A1 EP 2349608A1 EP 09755889 A EP09755889 A EP 09755889A EP 09755889 A EP09755889 A EP 09755889A EP 2349608 A1 EP2349608 A1 EP 2349608A1
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EP
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blade
longitudinal direction
core body
extending
tip
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EP09755889A
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Beat Von Arx
Brian Kenneth Wardle
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GE Vernova GmbH
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Alstom Technology AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/108—Installation of cores
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • Y10T29/00—Metal working
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    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49236—Fluid pump or compressor making
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    • Y10T29/49236—Fluid pump or compressor making
    • Y10T29/49245—Vane type or other rotary, e.g., fan

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine technology. It relates to a method for the technical production of a blade for a gas turbine according to the preamble of claim 1. It further relates to a blade for a gas turbine.
  • Blades of gas turbines which are typically exposed to very high hot gas temperatures, are usually made by casting from high strength alloys (e.g., nickel base alloys).
  • high strength alloys e.g., nickel base alloys
  • the blade root forth the castable alloy is introduced into the mold.
  • a cooling air channel is created in the cast blade body, which extends in the blade longitudinal direction through the blade body and can lead cooling air from the blade root to different points of the blade for cooling purposes.
  • FIG. 1 Such a blade is shown in FIG. 1:
  • the blade 10 of FIG. 1 comprises an airfoil blade 11 which extends in the blade longitudinal direction 25 and merges at the lower end into a blade root 12, above which a platform 13 is arranged, which forms the hot gas duct of the gas turbine limited to the inside.
  • At the upper end of the blade 10 ends in a blade tip 14, on which a shroud segment 15 is arranged, which limits the hot gas channel to the outside.
  • an upwardly projecting rib 16 running in the circumferential direction of the machine can be provided be provided in the interior of the blade 10, a single cooling air channel 17 extending in the blade longitudinal direction 25 is indicated by dash-dotted lines, which can be supplied with cooling air from below via a cooling air inlet 17 '.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a method for the casting manufacturing of an elongated, thin-walled gas turbine blade, which avoids the disadvantages of known methods and is characterized in particular by an error-free design of the shroud segment at the same time uniform properties of the blade as a whole.
  • the object is solved by the entirety of the features of claim 1.
  • Essential for the inventive method is that during casting of the blade, the blade material exclusively from the blade root forth in the for provided mold is introduced, and that for forming the cooling air duct during casting of the blade, a core body is used, which has towards the blade tip means for increasing the Giessqueritess there.
  • the means for increasing the available Giessqueritess comprise at least one extending in the blade longitudinal direction of the core body groove.
  • the means for increasing the casting cross section preferably comprise two grooves running in the blade longitudinal direction of the core body, one of which is arranged on the side of the core body facing the suction side of the blade and the other on the side of the core body facing the pressure side of the blade.
  • the casting process is particularly favorable if the gutters each have a depth profile which is similar to the course of a ski jumping hill. This ensures that the casting material can flow more successfully in the area of the delicate zone.
  • the two grooves are arranged offset on the core body in the transverse direction against each other.
  • the blade according to the invention for a gas turbine comprises an elongated blade leaf extending in a blade longitudinal direction, which at the lower end merges into a blade root and has a shroud segment at the blade tip, and is traversed internally by a single cooling air channel extending in the blade longitudinal direction from the blade root to the blade tip, wherein the blade is produced by the inventive method.
  • An embodiment of the blade is characterized in that the blade on the inner sides of the pressure side and the suction side blade wall toward the blade tip each has a rib extending in the blade longitudinal direction, wherein the two ribs are arranged offset in the transverse direction against each other and each having a rounded, preferably circular arc-shaped cross-sectional profile ,
  • Fig. 1 in a side view of a gas turbine blade, as to
  • Fig. 2 shows the cross section through a blade of the type shown in Fig. 1 along the local level N-Il according to a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a core body for the method according to the invention. Ways to carry out the invention
  • the two grooves 24 are arranged offset on the core body 22 in the transverse direction against each other.
  • the ribs 20, 21, which can be seen in cross-section in FIG. 2 are formed on the inner sides of the blade walls 28, which are offset in the transverse direction between the front edge 18 and the rear edge 19.
  • the grooves 24 as well as the resulting ribs 20, 21 have a rounded, preferably circular arc-shaped cross-sectional profile. This configuration of the profiles ensures an optimized supply of material into the region of the blade tip 14, without the flow properties in the cooling air channel 17 being substantially impaired.
  • the heat transfer surface between the cooling air and the blade wall 28 is additionally increased, thereby improving the cooling of the blade walls 28th
  • the blade has a plurality of individual or mutually communicating cooling channels running in the longitudinal direction, then the resulting branching of the core body in the longitudinal direction of the blade tip in each case corresponding gutters, which fulfill the final purpose described above.
  • the invention provides the following advantages: The dimensional stability of the casting mold is supported.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum giesstechnischen Herstellen einer Schaufel (10) für eine Gasturbine, welche Schaufel (10) ein sich in einer Schaufellängsrichtung (25) erstreckendes, längliches Schaufelblatt (11) umfasst, welches am unteren Ende in einen Schaufelfuss (12) übergeht und an der Schaufelspitze (14) ein Deckbandsegment (15) aufweist, und im Inneren von einem in Schaufellängsrichtung vom Schaufelfuss (12) zur Schaufelspitze (14) verlaufenden einzigen Kühlluftkanal (17) durchzogen ist. Bei dem Verfahren wird auf einfache Weise eine verbesserte Qualität der Schaufelspitze mit dem Deckbandsegment dadurch erreicht, dass beim Giessen der Schaufel (10) das Schaufelmaterial ausschliesslich vom Schaufelfuss (12) her in die dafür vorgesehene Giessform eingeführt wird, und dass zur Ausbildung des Kühlluftkanals (17) beim Giessen der Schaufel (10) ein einziger Kernkörper verwendet wird, welcher zur Schaufelspitze (14) hin Mittel zur Erhöhung des dortigen Giessquerschnitts aufweist.

Description

Verfahren zum giesstechnischen Herstellen einer Schaufel sowie Schaufel für eine Gasturbine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum giesstechnischen Herstellen einer Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft des Weiteren eine Schaufel für eine Gasturbine.
Stand der Technik
Schaufeln von Gasturbinen, die üblicherweise sehr hohen Heissgastemperaturen ausgesetzt sind, werden meist aus hochfesten Legierungen (z.B. Nickelbasislegierungen) giesstechnisch hergestellt. Bei der Herstellung werden Giessformen benutzt, in die vom unteren Ende der Schaufel, vom Schaufelfuss, her die giessfähige Legierung in die Giessform eingeführt wird. Durch einen im Inneren der Giessform angeordneten Kern wird in dem gegossenen Schaufelkörper ein Kühlluftkanal erzeugt, der in Schaufellängsrichtung durch den Schaufelkörper verläuft und zu Kühlungszwecken Kühlluft vom Schaufelfuss her an verschiedene Stellen der Schaufel führen kann.
Eine solche Schaufel ist in Fig. 1 wiedergegeben: Die Schaufel 10 der Fig. 1 umfasst ein sich in Schaufellängsrichtung 25 erstreckendes Schaufelblatt 11 , das am unteren Ende in einen Schaufelfuss 12 übergeht, oberhalb dessen eine Plattform 13 angeordnet ist, die den Heissgaskanal der Gasturbine nach innen begrenzt. Am oberen Ende endet die Schaufel 10 in einer Schaufelspitze 14, an der ein Deckbandsegment 15 angeordnet ist, welches den Heissgaskanal nach aussen begrenzt. Auf der Oberseite des Deckbandsegments 15 kann eine nach oben abstehende, in Umfangsrichtung der Maschine verlaufende Rippe 16 vorgesehen sein. Im Inneren der Schaufel 10 ist ein sich in Schaufellängsrichtung 25 erstreckender einziger Kühlluftkanal 17 durch strichpunktierte Linien angedeutet, der von unten her über einen Kühllufteinlass 17' mit Kühlluft versorgt werden kann.
Wenn eine solche Gasturbinenschaufel - wie in Fig. 1 dargestellt - langgestreckt ausgebildet ist und dünne Schaufelwände aufweist, ist es schwierig, bei der giesstechnischen Herstellung durch die geringen Querschnitte zwischen dem (einzigen) Kern und der Giessform ausreichend viel Material vom Schaufelfuss her in die Giessform und bis oben in die Spitze einzubringen, damit das vergleichsweise massive Deckbandsegment fehlerfrei und ohne Hohlräume oder Porositäten erzeugt wird.
In der Vergangenheit wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass entweder von der Schaufelspitze her zusätzlich Material in die Giessform eingeführt wurde, oder eine zweite Zuführung auf der Oberfläche des Schaufelblattes vorgesehen wurde. Derartige Mehrfachzuführungen sind jedoch eher unerwünscht, weil sie zu unterschiedlich erstarrenden Bereichen führen können, die der mechanischen Stabilität und Gleichmässigkeit der mechanischen Eigenschaften Abbruch tun.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum giesstechnischen Herstellen einer langgestreckten, dünnwandigen Gasturbinenschaufel anzugeben, welches die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet und sich insbesondere durch eine fehlerfreie Ausbildung des Deckbandsegments bei gleichzeitig gleichmässigen Eigenschaften der Schaufel insgesamt auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für das erfindungsgemässe Verfahren ist, dass beim Giessen der Schaufel das Schaufelmaterial ausschliesslich vom Schaufelfuss her in die dafür vorgesehene Giessform eingeführt wird, und dass zur Ausbildung des Kühlluftkanals beim Giessen der Schaufel ein Kernkörper verwendet wird, welcher zur Schaufelspitze hin Mittel zur Erhöhung des dortigen Giessquerschnitts aufweist.
Durch die (lokale) Erhöhung des Giessquerschnitts zur Schaufelspitze hin kann beim Giessen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls mehr Material in die Schaufelspitze und damit in das Deckbandsegment und allfällige Rippen gelangen. Dies führt dazu, dass hierdurch Abhilfe gegen eine mögliche Porosität im Deckbandsegment und gegen die Gefahr einer zu schnellen Erstarrung des Giessmaterials am heiklen Übergang zum Deckbandsegment geschaffen wird, gleichzeitig können die geometrischen Abmessungen der Schaufel genauer eingehalten werden.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Erhöhung des zur Verfügung stehenden Giessquerschnitts wenigstens eine in Schaufellängsrichtung des Kernkörpers verlaufende Rinne. Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Erhöhung des Giessquerschnitts zwei in Schaufellängsrichtung des Kernkörpers verlaufende Rinnen, von denen die eine auf der der Saugseite der Schaufel zugewandten Seite des Kernkörpers und die andere auf der der Druckseite der Schaufel zugewandten Seite des Kernkörpers angeordnet ist.
Besonders günstig gestaltet sich der Giessvorgang, wenn die Rinnen jeweils ein Tiefenprofil aufweisen, das dem Verlauf einer Skisprungschanze ähnelt. Damit wird erreicht, dass das Giessmaterial im Bereich der heiklen Zone erfolgreicher fliessen kann. Vorzugsweise sind die beiden Rinnen an dem Kernkörper in Querrichtung gegeneinander versetzt angeordnet.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Rinnen ein gerundetes, vorzugsweise kreisbogenförmiges Querschnittsprofil aufweisen. Die erfindungsgemässe Schaufel für eine Gasturbine umfasst ein sich in einer Schaufellängsrichtung erstreckendes, längliches Schaufelblatt, welches am unteren Ende in einen Schaufelfuss übergeht und an der Schaufelspitze ein Deckbandsegment aufweist, und im Inneren von einem in Schaufellängsrichtung vom Schaufelfuss zur Schaufelspitze verlaufenden einzigen Kühlluftkanal durchzogen ist, wobei die Schaufel nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist.
Eine Ausgestaltung der Schaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel auf den Innenseiten der druckseitigen und der saugseitigen Schaufelwand zur Schaufelspitze hin jeweils eine in Schaufellängsrichtung verlaufende Rippe aufweist, wobei die beiden Rippen in Querrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind und jeweils ein gerundetes, vorzugsweise kreisbogenförmiges Querschnittsprofil aufweisen.
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 erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen
Fig. 1 in einer Seitenansicht eine Gasturbinenschaufel, wie sie zur
Anwendung der Erfindung besonders geeignet ist;
Fig. 2 den Querschnitt durch eine Schaufel der in Fig. 1 gezeigten Art entlang der dortigen Ebene N-Il gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 3 einen Kernkörper für das Verfahren nach der Erfindung. Wege zur Ausführung der Erfindung
Um bei dem Verfahren nach der Erfindung trotz dünner Schaufelwände (28 in Fig. 2) mehr Material vom Schaufelfuss 12 her in die Schaufelspitze 14 mit dem dort auszubildenden, vergleichsweise massiven Deckbandsegment 15 zu bringen, wird zur Erzeugung des Kühlluftkanals 17 in der Giessform ein einziger Kernkörper 22 gemäss Fig. 3 eingesetzt, der zu seinem oberen Ende 23 hin, welches der Schaufelspitze 14 entspricht, auf den gegenüberliegenden breiten Seiten, die der Druckseite (26 in Fig. 2) und der Saugseite (27 in Fig. 2) des Schaufelblattes 11 zugewandt sind, in Schaufellängsrichtung 25 verlaufende Rinnen 24 aufweist. Die Rinnen 24, von denen in Fig. 3 nur die eine zu sehen und durch gestrichelte Linien angedeutet ist, haben in Schaufellängsrichtung 25 ein Tiefenprofil, das dem Höhenprofil einer „Skisprungsschanze" entspricht, d.h. einen langen geraden Abschnitt mit einem nachfolgenden kurz gekrümmten Abschnitt („Schanzentisch") aufweist.
Die beiden Rinnen 24 sind an dem Kernkörper 22 in Querrichtung gegeneinander versetzt angeordnet. Dadurch entstehen beim Giessen die in Fig. 2 im Querschnitt erkennbaren Rippen 20, 21 an den Innenseiten der Schaufelwände 28, die in der Querrichtung zwischen der Vorderkante 18 und der Hinterkante 19 versetzt sind. Die Rinnen 24 wie auch die dadurch entstehenden Rippen 20, 21 weisen ein gerundetes, vorzugsweise kreisbogenförmiges Querschnittsprofil auf. Durch diese Ausgestaltung der Profile wird eine optimierte Zufuhr von Material in den Bereich der Schaufelspitze 14 sichergestellt, ohne dass die Strömungseigenschaften im Kühlluftkanal 17 wesentlich beeinträchtigt werden. Durch die Rippen 20, 21 wird die Wärmeübergangsfläche zwischen Kühlluft und Schaufelwand 28 zusätzlich vergrössert und verbessert damit die Kühlung der Schaufelwände 28.
Weist die Schaufel mehrere in Längsrichtung verlaufende individuelle oder miteinander kommunizierende Kühlkanäle auf, so weisen die dadurch bedingten Verästelungen des Kernkörpers in Längsrichtung zur Schaufelspitze hin jeweils entsprechende Rinnen auf, welche den oben beschriebenen finalen Zweck erfüllen.
Insgesamt ergeben sich mit der Erfindung die folgenden Vorteile: • Die dimensionale Stabilität der Giessform wird gestützt.
• Die Genauigkeit in den Dimensionen der Schaufel wird verbessert.
• Die metallurgische und dimensionale Qualität von Schaufelblatt, Deckbandssegment und Deckbandrippe werden verbessert.
Bezugszeichenliste
10 Schaufel (Gasturbine)
11 Schaufelblatt
12 Schaufelfuss
13 Plattform
14 Schaufelspitze
15 Deckbandsegment
16 Rippe
17 Kühlluftkanal
17' Kühllufteinlass
18 Vorderkante
19 Hinterkante
20, 21 Rippe
22 Kernkörper
23 oberes Ende
24 Rinne
25 Schaufellängsrichtung
26 Druckseite
27 Saugseite
28 Schaufelwand

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum giesstechnischen Herstellen einer Schaufel (10) für eine Gasturbine, welche Schaufel (10) ein sich in einer Schaufellängsrichtung
(25) erstreckendes, längliches Schaufelblatt (11 ) umfasst, welches am unteren Ende in einen Schaufelfuss (12) übergeht und an der Schaufelspitze (14) ein Deckbandsegment (15) aufweist, und im Inneren mindestens von einem in Schaufellängsrichtung vom Schaufelfuss (12) zur Schaufelspitze (14) hin verlaufenden Kühlluftkanal (17) durchzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Giessen der Schaufel (10) das Schaufelmaterial ausschliesslich vom Schaufelfuss (12) her in die dafür vorgesehene Giessform eingeführt wird, und dass zur Ausbildung des Kühlluftkanals (17) beim Giessen der Schaufel (10) mindestens ein Kernkörper (22) verwendet wird, welcher zur Schaufelspitze hin (14) Mittel
(24) zur Erhöhung des dortigen Giessquerschnitts aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erhöhung des Giessquerschnitts mindestens eine in Schaufellängsrichtung (25) des Kernkörpers (22) verlaufende Rinne (24) umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erhöhung des Giessquerschnitts zwei in Schaufellängsrichtung (25) des Kernkörpers (22) verlaufende Rinnen (24) umfassen, von denen die eine auf der der Saugseite (27) der Schaufel (10) zugewandten Seite des
Kernkörpers (22) und die andere auf der der Druckseite (26) der Schaufel (10) zugewandten Seite des Kernkörpers (22) angeordnet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinnen (24) jeweils ein Tiefenprofil aufweisen, das dem Verlauf einer
Skisprungschanze ähnelt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rinnen (24) an dem Kernkörper (22) in Querrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind, von denen die eine auf der der Saugseite der Schaufel zugewandten Seite des Kernkörpers (22) und die andere auf der der Druckseite der Schaufel zugewandten Seite des Kernkörpers angeordnet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinnen (24) ein gerundetes, vorzugsweise kreisbogenförmiges Querschnittsprofil aufweisen.
7. Schaufel (10) für eine Gasturbine, welche Schaufel (10) ein sich in einer Schaufellängsrichtung (25) erstreckendes, längliches Schaufelblatt (11 ) umfasst, welches am unteren Ende in einen Schaufelfuss (12) übergeht und an der Schaufelspitze (14) ein Deckbandsegment (15) aufweist, und im
Inneren von mindestens einem in Längsrichtung der Schaufel vom Schaufelfuss (12) zur Schaufelspitze hin (14) verlaufenden Kühlluftkanal (17) durchzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.
8. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (10) auf den Innenseiten der druckseitigen und der saugseitigen Schaufelwand (28) zur Schaufelspitze (14) hin jeweils mindestens eine in Schaufellängsrichtung (25) verlaufende Rippe (20, 21 ) aufweist.
9. Schaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rippen (20, 21 ) in Querrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.
10. Schaufel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (20, 21 ) jeweils ein gerundetes, vorzugsweise kreisbogenförmiges
Querschnittsprofil aufweisen.
EP09755889A 2008-11-25 2009-11-16 Verfahren zum giesstechnischen herstellen einer schaufel sowie schaufel für eine gasturbine Withdrawn EP2349608A1 (de)

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