EP2462320B1 - Schaufelblatt - Google Patents

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EP2462320B1
EP2462320B1 EP10754675.6A EP10754675A EP2462320B1 EP 2462320 B1 EP2462320 B1 EP 2462320B1 EP 10754675 A EP10754675 A EP 10754675A EP 2462320 B1 EP2462320 B1 EP 2462320B1
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EP
European Patent Office
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blade
thickening
profile
housing
area
Prior art date
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EP10754675.6A
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Sergio Elorza Gomez
Rudolf Selmeier
Wilfried SCHÜTTE
Peter EIBELSHÄUSER
Harald Passrucker
Manfred Dupslaff
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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    • F01D5/12—Blades
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    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
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Definitions

  • the present invention relates to an airfoil of a turbomachine, in particular an adjustable guide vane of a gas turbine, with at least one thickening on a pressure side of the airfoil profile, wherein the thickening is arranged in a radially outer, housing-side region of the airfoil.
  • Such blades for turbomachines are from the DE 28 41 616 , of the DE 10 2004 026 386 and the EP 0 789 447 B1 known.
  • the disclosed thickenings of the blades serve in particular to minimize the so-called secondary flow losses.
  • the thickening of the airfoil is in each case formed in the housing and / or scar-side suction and pressure region of the airfoil.
  • the known thickenings of the blade profile in the housing-side area are also necessary to counteract the high static stresses that frequently occur on the housing side of adjustable guide vanes of compressors.
  • the known circumferential, ie formed on the suction and pressure side thickenings have aerodynamic disadvantages. From the EP 1591624 is another compressor blade with a thickening known.
  • An inventive blade of a turbomachine in particular an adjustable guide vane of a gas turbine, comprising at least one thickening on a pressure side of the airfoil profile, wherein the thickening is disposed in a radially outer, housing-side portion of the airfoil and the thickening of a leading edge and a trailing edge of the airfoil each spaced is trained.
  • a complete thickening of the radially outer, housing-side regions of the airfoils is dispensed with.
  • thin, aerodynamic favorable airfoil profiles can be designed, which still have the required strength due to the locally pronounced thickening.
  • the thickening is designed as a convex contour within the overall concave contour of the pressure side of the airfoil profile.
  • the convex contour or the at least partially convex configuration of the thickening has proved to be advantageous in terms of flow mechanics.
  • the thickening in the housing-side end region of the airfoil can have their greatest profile thickness. In this case, the profile thickness of the thickening, starting from the largest profile thickness continuously decrease to a normal profile thickness of the airfoil profile without thickening.
  • the thickening extends maximally to a height of the housing and pressure-side region of the blade, which corresponds to 25% of the blade blade height. It has been found that such a dimensioning of the thickening the necessary strength ensures the blade in the housing-side area.
  • predominant regions of the airfoil may have a relatively thin, aerodynamically optimized airfoil profile.
  • the distance between the leading edge of the blade and the thickening in the housing-side end region of the blade is at least 15% of a chord length of the blade in this end region.
  • the convex contour of the thickening at the ends of the thickening can each extend tangentially to the concave contour of the pressure side of the airfoil profile.
  • the thickening may be formed at least partially bead or hump.
  • An inventive blade is on the housing side connected to a rotatably mounted in a housing of the turbomachine turntable.
  • the leading edge of the blade can be arranged completely within the diameter of the turntable.
  • the trailing edge of the airfoil protrudes beyond the turntable, and the thickening ends outside the diameter of the turntable. As a result, it is possible to specifically reduce stresses on the edge of the turntable.
  • a turbomachine according to the invention in particular gas turbine, with a stator and / or rotor blading comprises a plurality of blades according to the embodiments of the invention described above.
  • a compressor according to the invention of a turbomachine in particular a high-pressure compressor of a gas turbine, comprises a stator blading with a multiplicity of airfoils according to one of the embodiments described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an airfoil 10 without thickening according to the prior art.
  • the airfoil 10 has a conventional airfoil contour 16, wherein the airfoil contour 16 on the pressure side D of the airfoil 10 as a whole is concave and on the suction side S of the airfoil 10 is formed as a whole convex.
  • the chord length Se of the airfoil 10 is usually defined as a linear distance between the leading edge 12 and the trailing edge 14 of the respective profile section.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an airfoil 10, which does not belong to the subject invention.
  • the airfoil 10 is an airfoil of a turbomachine, in particular an adjustable guide vane of a gas turbine. It can be seen that the airfoil 10 has a thickening 18 on a pressure side D of the airfoil profile P, wherein the thickening 18 is arranged in a radially outer, housing-side region of the airfoil 10. In this illustration, the housing is not shown.
  • the airfoil profile P is formed and defined by an airfoil contour 16. It is clear that the thickening 18 as a convex contour 20 within the total concave contour of the pressure side D of the airfoil profile P is trained.
  • the extent E of the thickening 18 is selected such that the thickening 18 is formed in a spaced manner in total from the front edge 12 and the trailing edge 14 of the airfoil 10.
  • the distance between the front edge 12 and the thickening 18 in the housing-side end region of the blade 10 shown is approximately 15% of the chord length Se of the blade 10 in this end region. This distance is marked with Se 15 .
  • the thickening 18 in the housing-side end portion of the blade 10 has its greatest profile thickness d max. Starting from this largest profile thickness d max , the profile thickness d decreases in the direction of the housing-side end region of the airfoil 10 opposite end region - usually a hub region of a turbomachine - continuously up to a normal profile thickness d norm of the airfoil profile P without thickening 18 out. Furthermore, it is clear that the convex contour 20 of the thickening 18 at the ends of the thickening 18 runs tangentially to the concave contour of the pressure side D of the airfoil profile P. It can be seen that the thickening 18 is at least partially hump-shaped.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a arranged on a turntable 22 airfoil 10 without thickening according to the prior art.
  • the blade 10 is arranged on the turntable 22, that its front edge 12 protrudes on the turntable 22 and the rear edge 14 over the diameter of the turntable 22.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a arranged on a turntable 22 airfoil 10 according to a second Ausurugsform of the invention.
  • the turntable 22 serves to adjust the airfoil 10 and is rotatably mounted within a housing of the turbomachine.
  • the blade 10 is arranged on the turntable 22 in the illustrated embodiment such that its front edge 12 of the blade 10 on the turntable 22 and the rear edge 14 projects beyond the diameter of the turntable 22.
  • the thickening 18 is spaced from the leading edge 12 and the trailing edge 14 of the airfoil 10. In the illustrated housing-side end region of the airfoil 10, the thickening 18 their largest profile thickness d max .
  • the profile thickness d of the thickening 18 in turn decreases, starting from the largest profile thickness d max, continuously up to a normal profile thickness d norm of the airfoil profile P. Furthermore, it is clear that the thickening 18 extends maximally to a height from the housing and pressure-side region of the blade 10, which corresponds to 25% of the blade blade height Sh. From this representation of the airfoil profile P as well as in FIG. 2 As shown, it is clear that the greatest profile thickness d max of the thickening 18 protrudes beyond the imaginary line of the chord length Se. In this case, the in FIG. 4 shown thickening 18 relative to the in FIG. 2 shown thickening 18 a greater extent E on the pressure side D of the airfoil 10 on. Furthermore, it is clear that the thickening 18 ends outside the diameter of the turntable 22.
  • the exemplary embodiment shown is part of a stator blading of a compressor of a turbomachine, in particular of a high-pressure compressor of a gas turbine.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondrere eine verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine, mit mindestens einer Aufdickung auf einer Druckseite des Schaufelblattprofils, wobei die Aufdickung in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts angeordnet ist.
  • Derartige Schaufelblätter für Strömungsmaschinen sind aus der DE 28 41 616 , der DE 10 2004 026 386 und der EP 0 789 447 B1 bekannt. Die offenbarten Aufdickungen der Schaufelblätter dienen insbesondere zur Minimierung der so genannten Sekundärströmungsverluste. Die Aufdickung des Schaufelblatts ist dabei jeweils im gehäuse- und/oder narbenseitigen Saug- und Druckbereich des Schaufelblatts ausgebildet. Die bekannten Aufdickungen des Schaufelprofils im gehäuseseitigen Bereich sind zudem notwendig, um die an der Gehäuseseite von verstellbaren Leitschaufeln von Verdichtern häufig auftretenden hohen statischen Spannungen entgegenzuwirken. Die bekannten umlaufenden, d. h. auf der Saug- und Druckseite ausgebildeten Aufdickungen weisen jedoch aerodynamische Nachteile auf. Aus der EP 1591624 ist eine weitere Verdichterschaufel mit einer Aufdickung bekannt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schaufelblatt der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine relativ dünnes, aerodynamisch günstiges Schaufelprofil bei gleichzeitig verbesserter Festigkeit aufweist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schaufelblatt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
  • Ein erfindungsgemäßes Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere eine verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine, umfasst mindestens eine Aufdickung auf einer Druckseite des Schaufelblattprofils, wobei die Aufdickung in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts angeordnet ist und die Aufdickung von einer Vorderkante und einer Hinterkante des Schaufelblatts jeweils beabstandet ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird auf eine vollumfängliche Aufdickung der radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereiche der Schaufelblätter verzichtet. Vorteilhafterweise können somit dünne, aerodynamische günstige Schaufelblattprofile ausgelegt werden, die aufgrund der lokal ausgeprägten Aufdickung dennoch die geforderte Festigkeit aufweisen. Dadurch können zudem Spannungen im Bereich der Gehäuseseite, insbesondere hohe statische Spannungen, die im Bereich eines gehäuseseitigen Drehtellers bei verstellbaren Schaufelblättern auftreten, minimiert werden. Durch eine optimierte Ausformung der Aufdickung ist es zudem möglich, dass lokal der statische Druck im druckseitigen Bereich einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leitschaufel reduziert werden kann. Dadurch verringert sich vorteilhafterweise die Intensität der Spaltströmung in diesen Bereich.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaufelblatts ist die Aufdickung als konvexe Kontur innerhalb der insgesamt konkaven Kontur der Druckseite des Schaufelblattprofils ausgebildet. Die konvexe Kontur bzw. die zumindest teilweise konvexe Ausgestaltung der Aufdickung hat sich als strömungsmechanisch vorteilhaft erwiesen. Zudem kann die Aufdickung im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts ihre größte Profildicke aufweisen. Dabei kann die Profildicke der Aufdickung ausgehend von der größten Profildicke kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke des Schaufelblattprofils ohne Aufdickung abnehmen. Auch diese Ausgestaltungen der Aufdickung haben sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich der strömungsmechanischen Anforderungen in diesem Bereich erwiesen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelblatts erstreckt sich die Aufdickung maximal bis zu einer Höhe von dem gehäuse- und druckseitigen Bereich des Schaufelblatts, die 25 % der Schaufelblatthöhe entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Dimensionierung der Aufdickung die notwendige Festigkeit des Schaufelblatts im gehäuseseitigen Bereich gewährleistet. Zudem können überwiegende Bereiche des Schaufelblatts ein relativ dünnes, aerodynamisch optimiertes Schaufelblattprofil aufweisen.
  • In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaufelblatts beträgt der Abstand zwischen der Vorderkante des Schaufelblatts und der Aufdickung im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts mindestens 15 % einer Sehnenlänge des Schaufelblatts in diesem Endbereich. Zudem kann die konvexe Kontur der Aufdickung an den Enden der Aufdickung jeweils tangential zur konkaven Kontur der Druckseite des Schaufelblattprofils verlaufen. Die Aufdickung kann zumindest teilweise wulst- oder höckerförmig ausgebildet sein. Auch diese Ausgestaltungsmöglichkeiten der Aufdickung beinhalten die Möglichkeit der Ausbildung eines aerodynamisch günstigen Schaufelprofils bei einer gleichzeitig verbesserten Festigkeit des Schaufelblatts zum Ausgleich von gehäuseseitig auftretenden Spannungen.
  • Ein erfindungsgemäßes Schaufelblatt ist gehäuseseitig mit einem in einem Gehäuse der Strömungsmaschine drehbar gelagerten Drehteller verbunden. Dabei kann die Vorderkante des Schaufelblatts vollständig innerhalb des Durchmessers des Drehtellers angeordnet sein. Die Hinterkante des Schaufelblatts ragt über den Drehteller hinaus, und die Aufdickung endet außerhalb des Durchmessers des Drehtellers. Dadurch können insbesondere Spannungen am Rand des Drehtellers gezielt reduziert werden.
  • Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit einer Statorund/oder Rotorbeschaufelung umfasst eine Vielzahl von Schaufelblättern gemäß den im vorhergehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen. Ein erfindungsgemäßer Verdichter einer Strömungsmaschine, insbesondere ein Hochdruckverdichter einer Gasturbine, umfasst eine Statorbeschaufelung mit einer Vielzahl von Schaufelblättern gemäß einem der im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweiter zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele. Dabei zeigen
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Schaufelblatts ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines Schaufelblatts;
    Figur 3
    eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller angeordneten Schaufelblatts ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik; und
    Figur 4
    eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller angeordneten erfindungsgemäßen Schaufelblatts gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaufelblatts 10 ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik. Das Schaufelblatt 10 weist eine übliche Schaufelblattkontur 16 auf, wobei die Schaufelblattkontur 16 auf der Druckseite D des Schaufelblatts 10 insgesamt konkav und auf der Saugseite S des Schaufelblatts 10 insgesamt konvex ausgebildet ist. Die Sehnenlänge Se des Schaufelblatts 10 wird üblicherweise als linearer Abstand zwischen der Vorderkante 12 und der Hinterkante 14 des jeweiligen Profilschnitts definiert.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaufelblatts 10, die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehört. Bei dem Schaufelblatt 10 handelt es sich um ein Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere um eine verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine. Man erkennt, dass das Schaufelblatt 10 eine Aufdickung 18 auf einer Druckseite D des Schaufelblattprofils P aufweist, wobei die Aufdickung 18 in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts 10 angeordnet ist. In dieser Darstellung ist das Gehäuse nicht dargestellt. Das Schaufelblattprofil P wird durch eine Schaufelblattkontur 16 ausgebildet und definiert. Dabei wird deutlich, dass die Aufdickung 18 als konvexe Kontur 20 innerhalb der insgesamt konkaven Kontur der Druckseite D des Schaufelblattprofils P ausgebildet ist. Die Erstreckung E der Aufdickung 18 ist dabei derart gewählt, dass die Aufdickung 18 insgesamt von der Vorderkante 12 und der Hinterkante 14 des Schaufelblatts 10 jeweils beabstandet ausgebildet ist. Dabei beträgt der Abstand zwischen der Vorderkante 12 und der Aufdickung 18 in dem gezeigten gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 ca. 15 % der Sehnenlänge Se des Schaufelblatts 10 in diesem Endbereich. Dieser Abstand ist mit Se15 gekennzeichnet.
  • Des Weiteren erkennt man, dass die Aufdickung 18 im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 ihre größte Profildicke dmax aufweist. Ausgehend von dieser größten Profildicke dmax nimmt die Profildicke d in Richtung des dem gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 gegenüberliegenden Endbereichs - üblicherweise ein Nabenbereich einer Strömungsmaschine - kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke dnorm des Schaufelblattprofils P ohne Aufdickung 18 hin ab. Weiterhin wird deutlich, dass die konvexe Kontur 20 der Aufdickung 18 an den Enden der Aufdickung 18 tangential zur konkaven Kontur der Druckseite D des Schaufelblattprofils P verläuft. Man erkennt, dass die Aufdickung 18 zumindest teilweise höckerförmig ausgebildet ist.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller 22 angeordneten Schaufelblatts 10 ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik. Das Schaufelblatt 10 ist dabei derart auf dem Drehteller 22 angeordnet, dass dessen Vorderkante 12 auf dem Drehteller 22 und dessen Hinterkante 14 über den Durchmesser des Drehtellers 22 hinausragt.
  • Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller 22 angeordneten Schaufelblatts 10 gemäß einer zweiten Ausführugsform der Erfindung. Der Drehteller 22 dient dabei zur Verstellung des Schaufelblatts 10 und ist innerhalb eines Gehäuses der Strömungsmaschine drehbar gelagert. Das Schaufelblatt 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart auf dem Drehteller 22 angeordnet, dass dessen Vorderkante 12 des Schaufelblatts 10 auf dem Drehteller 22 und dessen Hinterkante 14 über den Durchmesser des Drehtellers 22 hinausragt. Es wird wiederum deutlich, dass die Aufdickung 18 von der Vorderkante 12 und der Hinterkante 14 des Schaufelblatts 10 beabstandet ausgebildet ist. Im dargestellten gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 weist die Aufdickung 18 ihre größte Profildicke dmax auf. Die Profildicke d der Aufdickung 18 nimmt wiederum ausgehend von der größten Profildicke dmax kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke dnorm des Schaufelblattprofils P hin ab. Des Weiteren wird deutlich, dass sich die Aufdickung 18 maximal bis zu einer Höhe von dem gehäuse- und druckseitigen Bereich des Schaufelblatts 10 erstreckt, die 25 % der Schaufelblatthöhe Sh entspricht. Aus dieser Darstellung des Schaufelblattprofils P wie auch der in Figur 2 gezeigten Darstellung wird deutlich, dass die größte Profildicke dmax der Aufdickung 18 über die gedachte Linie der Sehnenlänge Se hinausragt. Dabei weist die in Figur 4 gezeigte Aufdickung 18 relativ zu der in Figur 2 dargestellten Aufdickung 18 eine größere Erstreckung E über die Druckseite D des Schaufelblatts 10 auf. Des Weiteren wird deutlich, dass die Aufdickung 18 außerhalb des Durchmessers des Drehtellers 22 endet.
  • Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist Teil einer Statorbeschaufelung eines Verdichters einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Hochdruckverdichters einer Gasturbine.

Claims (9)

  1. Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine, mit mindestens einer Aufdickung (18) auf einer Druckseite (D) des Schaufelblattprofils (P), wobei die Aufdickung (18) in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts (10) angeordnet ist, wobei die Aufdickung (18) von einer Vorderkante (12) und einer Hinterkante (14) des Schaufelblatt (10) beabstandet ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (10) gehäuseseitig mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Drehteller (22) verbunden ist, wobei die Hinterkante (14) über den Drehteller (22) hinausragt und die Aufdickung (18) außerhalb des Durchmessers des Drehtellers
  2. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (18) als konvexe Kontur (20) innerhalb der insgesamt konkaven Kontur der Druckseite (D) des Schaufelblattprofils (P) ausgebildet ist.
  3. Schaufelblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (18) im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts (10) ihre größte Profildicke (dmax) aufweist.
  4. Schaufelblatt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profildicke (d) der Aufdickung (18) ausgehend von der größten Profildicke (dmax) kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke (dnorm) des Schaufelblattprofils (P) ohne Aufdickung (18) abnimmt.
  5. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aufdickung (18) maximal bis zu einer Höhe von dem gehäuse- und druckseitigen Bereich des Schaufelblatts (10) erstreckt, die 25% der Schaufelblatthöhe(Sh) entspricht.
  6. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Vorderkante (12) des Schaufelblatts (10) und der Aufdickung (18) im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts (10) mindestens 15% einer Sehnenlänge (Se) des Schaufelblatts (10) in diesem Endbereich entspricht.
  7. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Kontur (20) der Aufdickung (18) an den Enden der Aufdickung (18) jeweils tangential zur konkaven Kontur der Druckseite (D) des Schaufelblattprofils (P) verläuft.
  8. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (18) zumindest teilweise wulst- oder höckerförmig ausgebildet ist.
  9. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (12) des Schaufelblatts (10) über den Drehteller (22) hinausragt.
EP10754675.6A 2009-08-06 2010-08-05 Schaufelblatt Active EP2462320B1 (de)

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