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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Gasturbinenanlagen bzw. -triebwerke und im Einzelnen auf eine optimale Form für ein abtragbares Muster an einer Laufschaufelummantelung zur Verwendung in einer Gasturbinenanlage und dergleichen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Allgemein beschrieben neigt die Effizienz einer Gasturbinenanlage dazu, mit erhöhten Verbrennungstemperaturen anzusteigen. Höhere Verbrennungstemperaturen können jedoch eine Vielzahl von Problemen im Zusammenhang mit der Widerstandsfähigkeit, der Metallurgie und der Lebensdauererwartung der Komponenten innerhalb des Pfades des heißen Verbrennungsgases und anderswo aufwerfen. Diese Probleme sind insbesondere für Komponenten, wie z. B. die rotierenden Laufschaufeln und die stationären Turbinenummantelungen, die in den ersten Stufen der Turbine angeordnet sind, eine Herausforderung.
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Eine hohe Turbineneffizienz erfordert es auch, dass die Laufschaufeln innerhalb des Turbinengehäuses oder der Turbinenummantelung mit minimaler Beeinträchtigung rotieren, um eine unerwünschte „Leckage” des heißen Verbrennungsgases über die Spitzen der Laufschaufeln hinweg zu verhindern. Das Erfordernis, ein angemessenes Spiel ohne einen erheblichen Effizienzverlust aufrechtzuerhalten, wird durch die Tatsache erschwert, dass Zentrifugalkräfte eine Ausdehnung der Laufschaufeln in einer Richtung nach außen zu der Ummantelung hin bewirken, wenn die Turbine sich dreht. Die Laufschaufelspitzen können jedoch erodieren, wenn die Laufschaufelspitzen an der Ummantelung reiben. Eine derartige Erosion kann ein vergrößertes Spiel dazwischen sowie eine verkürzte Lebensdauer der Komponenten bewirken. Weitere Gründe für eine Leckage umfassen eine Wärmedehnung und sogar eine aggressive Betriebsweise des Triebwerks z. B. in militärischen Anwendungen und dergleichen.
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Es sind abtragbare Beschichtungen auf die Oberfläche der Turbinenummantelung aufgebracht worden, um beim Herstellen eines minimalen oder optimalen Spiels zwischen der Ummantelung und den Laufschaufelspitzen, d. h. des Laufschaufelspitzenspaltes zu helfen. Ein derartiges Material kann von den Spitzen der Laufschaufeln bei geringem oder gar keinem Schaden an diesen leicht abgetragen werden. Dadurch kann das Spiel des Laufschaufelspitzenspaltes mit der Gewissheit verringert werden, dass die abtragbare Beschichtung anstelle des Laufschaufelspitzenmaterials geopfert wird.
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Zusätzlich zum Ermöglichen des Kontaktes zwischen Spitze und Ummantelung ist herausgefunden worden, dass die Verwendung einer abtragbaren Oberfläche als ein Muster von Rippen und dergleichen darauf weitere aerodynamische Vorteile beim weiteren Verringern der Leckströmung zwischen Spitze und Ummantelung hindurch bietet. Im Einzelnen können die Rippen der Hauptströmung eine Richtung weg von dem Spalt des Spitzenspiels verleihen. Es ist herausgefunden worden, dass bekannte abtragbare Muster aerodynamische Vorteile bei der Verringerung der minimalen Höhe des Spitzenspiels und in anderer Weise schaffen.
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Es besteht demnach ein Wunsch nach einem verbesserten abtragbaren Laufschaufelummantelungsmuster, um die Leckströmung durch den Schaufelspitzenspalt und anderswo zu verringern. Ein derartiges abtragbares Laufschaufelummantelungsmuster kann für eine bestimmte Laufschaufelausführung im Hinblick auf die Leckströmung an dieser vorbei und den Wärmebelastungen an ihr optimiert sein. Im Einzelnen würde eine derartige Laufschaufelummantelungsausführung eine angemessene abtragbare Ummantelungsoberfläche im Zusammenhang mit einem die Strömung verringernden Muster für eine verbesserte Leistungsfähigkeit schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung offenbart demnach eine abtragbare Laufschaufelummantelung zur Verwendung mit einer Laufschaufelspitze, um eine Leckströmung zwischen diesen hindurch zu begrenzen und die Wärmebelastungen darauf zu verringern. Die abtragbare Laufschaufelummantelung kann eine Grundplatte und eine Anzahl von Rippen aufweisen, die auf dieser angeordnet sind. Die Rippen können aus einem abtragbaren Material hergestellt sein. Die Rippen können ein Muster bilden. Die Rippen können eine Anzahl von Bögen mit wenigstens einem ersten Bogen und einem zweiten Bogen aufweisen, wobei der zweite Bogen eine entgegengesetzt gekrümmte Form aufweist.
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Die vorliegende Anmeldung offenbart weiterhin ein Verfahren zum Minimieren einer Leckströmung durch einen Laufschaufelspitzenspalt zwischen einer Laufschaufelspitze und einer Ummantelung hindurch. Das Verfahren kann die Schritte des Bestimmens einer Richtung der Leckströmung durch den Schaufelspitzenspalt an einer Anzahl von Bezugspunkten entlang der Schaufelspitze, das Anordnen einer Anzahl von Rippen aus einem abtragbaren Material an der Ummantelung und das Ausbilden der Rippen aus dem abtragbaren Material in wenigstens einem ersten und einem zweiten Bogen. Der erste Bogen kann eine Blockadestellung senkrecht zu der Leckströmung an den Bezugspunkten aufweisen.
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Die vorliegende Anmeldung schafft weiterhin eine abtragbare Laufschaufelummantelung zur Verwendung mit einer Laufschaufelspitze, um eine Leckströmung dazwischen hindurch zu begrenzen und Wärmebelastungen daran zu verringern. Die abtragbare Laufschaufelummantelung kann eine Grundplatte und eine Anzahl von parallelen Rippen aufweisen, die an dieser angeordnet sind. Die Rippen können aus einem abtragbaren Material hergestellt sein. Die Rippen können ein Muster mit einer Sinusform mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Bogen aufweisen. Der erste Bogen kann eine Position senkrecht zu der Leckströmung über ihn aufweisen.
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Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung werden für einen Fachmann bei Durchsehen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Ansicht einer Gasturbinenanlage.
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2 ist eine seitliche Ansicht einer bekannten Laufschaufel und einer bekannten Ummantelung eines Abschnitts einer Turbinenstufe.
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3 ist eine seitliche Ansicht einer abtragbaren Ummantelung, die einer Laufschaufelspitze benachbart angeordnet ist, wie es hierin beschrieben ist.
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4 ist eine Draufsicht auf ein abtragbares Muster an der Ummantelung mit einer in gestrichelten Linien gezeigten Kontur der Außenoberfläche einer Turbinenlaufschaufelspitze über den Rippen des Musters, wie es hierin beschrieben ist.
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5 ist eine schematische Ansicht einer Laufschaufelspitze mit daran gezeigten Leckströmungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente in den verschiedenen Ansichten beziehen: 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Gasturbinenanlage 10, wie sie hierin beschrieben ist. Die Gasturbinenanlage 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet einen eintretenden Luftstrom 20. Der Verdichter 15 führt den verdichteten Luftstrom 20 einer Brennkammer 25 zu. Die Brennkammer 25 mischt den verdichteten Luftstrom 20 mit einem verdichteten Brennstoffstrom 30 und zündet das Gemisch, um einen Verbrennungsgasstrom 35 zu erzeugen. Während nur eine einzige Brennkammer 25 gezeigt ist, könnte die Gasturbinenanlage 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 25 enthalten. Der Verbrennungsgasstrom 35 wird seinerseits einer Turbine 40 zugeführt. Der Verbrennungsgasstrom 35 treibt die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit zu leisten. Die in der Turbine 40 geleistete mechanische Arbeit treibt den Verdichter 15 und eine äußere Last 45 an, wie z. B. einen elektrischen Generator und dergleichen.
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Die Gasturbinenanlage 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas und/oder andere Arten von Brennstoffen verwenden. Die Gasturbinenanlage 10 könnte eine aus einer Anzahl von unterschiedlichen, von der General Electric Company in Schenectady, New York, angebotenen Gasturbinen, wie z. B. eine 7FA-Hochleistungsgasturbine und dergleichen sein. Die Gasturbinenanlage 10 könnte auch einen anderen Aufbau aufweisen und andere Arten von Komponenten verwenden. Andere Arten von Gasturbinenanlagen könnten hierin ebenfalls verwendet werden. Es könnten hierin auch mehrere Gasturbinenanlagen 10, andere Arten von Turbinen und andere Arten von Energieerzeugungsanlagen gemeinsam genutzt werden.
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2 zeigt ein Beispiel für einen Abschnitt einer Turbinenstufe 50. Jede Turbinenstufe 50 weist ein rotierendes Turbinenblatt oder eine Laufschaufel 55 auf. Bekanntlich kann jede Turbinenlaufschaufel 55 einen Schaft 60, eine Plattform 65, ein ausgedehntes Schaufelblatt 70 und eine Schaufelblattspitze 75 aufweisen. Die Schaufelblattspitze 75 kann einen oder mehrere Schneidzähne 80 an ihr aufweisen. Es könnten hierin auch andere Ausgestaltungen und andere Arten von Laufschaufeln 55 verwendet werden.
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Jede rotierende Laufschaufel 55 kann einer stationären Ummantelung 85 benachbart angeordnet sein. Die Ummantelung 85 kann eine Anzahl von Dichtungen 90 an ihr aufweisen, die mit der Laufschaufelspitze 85 jeder Laufschaufel 55 zusammenwirken. Alternativ kann die Ummantelung 85 im Falle einer abtragbaren Ummantelung und dergleichen eine Anzahl von abtragbaren Rippen aufweisen, wie es unten genauer beschrieben ist. Es könnten hierin auch andere Konfigurationen und andere Typen von Ummantelungen 85 und Dichtungen 90 verwendet werden.
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Bekanntlich wandelt das Schaufelblatt 70 die Energie des sich ausdehnenden Verbrennungsgasstroms 35 in mechanische Energie um. Die Laufschaufelspitze 75 kann eine Oberfläche aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Schaufelblattes 70 verläuft. Die Laufschaufelspitze kann demnach auch dazu beitragen, den Verbrennungsgasstrom 35 so an dem Schaufelblatt 70 zu halten, dass ein größerer Anteil des Verbrennungsgasstroms 35 in mechanische Energie umgewandelt werden kann. In gleicher Weise erhöht die stationäre Ummantelung 85 die Gesamteffizienz, indem sie den Verbrennungsgasstrom 35 auf das Schaufelblatt 70 statt durch eine Laufschaufelspitzenspalt 95 zwischen der Schaufelspitze 75 und der Ummantelung 85 hindurch leitet. Das Minimieren des Laufschaufelspitzenspaltes 95 trägt demnach zur Minimierung einer Leckströmung durch ihn hindurch bei, wie es oben beschrieben ist. Es könnten hierin auch andere Konfigurationen verwendet werden.
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3 zeigt eine abtragbare Ummantelung 100, wie sie hierin beschrieben ist. Die abtragbare Ummantelung 100 kann eine Anzahl von Rippen 110 aufweisen, die an einer Grundplattenoberfläche 120 angeordnet sind. Die Rippen 110 können aus einem abtragbaren Material 130 hergestellt sein. Das abtragbare Material kann allgemein aus einer metallischen und/oder einer keramischen Legierung hergestellt sein. Es könnte hierin irgendeine Art von abtragbarem Material verwendet werden. Das abtragbare Material 130 kann auch an der Grundplattenoberfläche 120 und anderswo angeordnet sein.
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Wie in 4 gezeigt können die Rippen 110 der abtragbaren Ummantelung 100 ein abtragbares Muster 140 auf dieser bilden. Ein Kontaktbereich 150 mit der Kontur der Laufschaufelspitze 75 ist in gestrichelten Linien gezeigt. Ein Pfeil 160 zeigt die Richtung der Drehung der Turbinenlaufschaufel 55 bezogen auf das abtragbare Muster 140. Ein Pfeil 170 kennzeichnet die Richtung des Verbrennungsgasstroms 35 bezogen auf das abtragbare Muster 140.
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Wie gezeigt können die Rippen 110 im Wesentlichen parallel zueinander sein, und sie können auch im Wesentlichen äquidistant sein. Der Abstand und die Form der Rippen 110 können jedoch mit der Position variieren. Die Rippen 110 können irgendeine gewünschte Tiefe und/oder Querschnittsform aufweisen. Es könnten hierin auch andere Konfigurationen verwendet werden. In diesem Beispiel können die Rippen 110 eine im Wesentlichen sinusförmige Form 180 mit wenigstens einem konkaven oder einem ersten Bogen 190 gefolgt von einem konvexen oder einem zweiten Bogen 200 aufweisen, die sich von einem vorderen Abschnitt 220 zu einem hinteren Abschnitt 230 hin erstrecken. Das abtragbare Muster 140 weist demnach eine doppelte Bogenform auf, wobei der zweite Bogen eine verglichen mit dem ersten Bogen 190 entgegengesetzt gekrümmte Form 210 aufweist. Es könnten hierin auch andere Arten von Mustern verwendet werden. Es könnten hierin auch andere Arten und Anzahlen von Bögen verwendet werden.
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Das abtragbare Muster 140 kann bezogen auf die Form der zugehörigen Laufschaufelspitze 75 optimiert sein. Die relative Positionierung der abtragbaren Ummantelung 100 und der Laufschaufel 55 ist in 3 gezeigt, wobei der Laufschaufelspitzenspalt 95 dazwischen angeordnet ist. Die abtragbare Ummantelung 100 ist stationär, während die Laufschaufel 55 rotiert. Die relative Bewegung zwischen der Laufschaufelspitze 75 und der abtragbaren Ummantelung 100 kann infolge der Vorbeibewegung des Musters 140 der Rippen 110 Anlass zu einer zeitlich periodischen Druckpulsation 145 geben, die auf eine Leckströmung 240 einwirkt, die sich dazwischen hindurch erstreckt. Dieser instationäre Druck kann zu einer Nettoreduktion der Leckströmung 240 durch den Spitzenspalt 95 verglichen mit einer axial symmetrischen Ummantelung mit dem gleichen oder einem ähnlichen Spalt 95 dazwischen hindurch führen. Im Einzelnen wirken die Rippen 110 der abtragbaren Ummantelung 100 zusammen, um die Leckströmung 240 dort hindurch zu begrenzen.
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Die spezielle sinusförmige Form 180 oder eine andere Form der Rippen 110 kann bezogen auf die Richtung der Leckströmung maximiert werden. 5 stellt z. B. die Leckströmung 240 durch den Laufschaufelspitzenspalt 95 hindurch dar. Die Geschwindigkeitsvektoren der Leckage sind in einem Bezugssystem relativ zu der Laufschaufelspitze 75 gezeigt. Die Richtung der Leckströmung 240 an einem Bezugspunkt 245 der Sehnenmitte ist mit einem Pfeil 250 unter etwa 20° von der Drehachse dargestellt. Wenn sie in ein stationäres Bezugssystem transformiert wird, wird die Leckströmung 240 als ein Pfeil 260 unter einem Winkel von etwa 55° gesehen. Eine stationäre Rippe 110, die unter negativen 35° (–35°) ausgerichtet ist, wird sich demnach in einer senkrechten oder Blockadeposition 265 zu dem Leckströmungspfad 95 befinden. Eine derartige Blockadestellung 265 kann demnach den maximalen Blockadewinkel liefern, wenn sich die Rippe 110 bezogen auf den Spitzenspalt 95 bewegt. Dieser Vorgang kann danach an verschiedenen Bezugspunkten 245 entlang der Länge der Laufschaufelspitze 75 wiederholt werden, um die Form wenigstens des ersten Bogens 190 des Musters 140 zu erzeugen. Demnach können nach diesem Verfahren in Abhängigkeit von der Art der Laufschaufel, der Art der Turbine, den speziellen Betriebsbedingungen und anderen Variablen viele verschiedene Muster 140 gebildet werden.
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Der Winkel der Leckströmung 240 variiert z. B. mit der axialen Position innerhalb des Spitzenspaltes 95. Demnach kann auch der optimale Blockadewinkel entlang der Länge der Laufschaufelspitze 75 variieren. Die Sinusform 180 aus 4 maximiert demnach den optimalen Blockadewinkel bei gegebener Form der jeweiligen Laufschaufelspitze 75 entlang der Länge derselben. Das abtragbare Muster 140 weist demnach den konkaven oder ersten Bogen 190 an dem vorderen Abschnitt 220 des Musters und den konvexen oder zweiten Bogen 200 mit der entgegengerichteten Krümmung 210 an dem hinteren Abschnitt 230 auf. Es könnten hierin wiederum auch zahlreiche andere Muster ausgebildet sein.
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Die Gesamtform des Musters 140 im Allgemeinen und die doppelte Bogenform oder die entgegengesetzte Krümmung 210 um den hinteren Abschnitt 230 im Besonderen wirken auch zur Verringerung der Wärmebelastungen an der gesamten Ummantelung 100. Im Einzelnen erhöhen alle Rippen 110 die Wärmeübertragung, weil sie mehr benetzte Oberfläche aufweisen. Das Muster 140 kann so optimiert sein, dass der erste Bogen 190 um den vorderen Abschnitt 320 eine verbesserte Blockierung ermöglicht, während der zweite Bogen 200 oder die entgegen gerichtete Krümmung 210 um den hinteren Abschnitt 230 eine Überhitzung verhindert. Zusätzlich zum Blockieren der Leckströmung 240 können die Rippen 110 eine optimale Umwälzungsströmung 270 zwischen benachbarten Rippen 110 bewirken. Diese Umwälzungsströmung 270 zwischen Rippen kann aus kühler Luft erzeugt werden, die zwischen benachbarten Laufschaufeln 55 zurückgehalten sein kann. Das Muster 140 gleicht demnach die Leckageverringerung mit einem verringerten Wärmeübergang ab.
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Die abtragbare Ummantelung 100 mit dem abtragbaren Muster 140 begrenzt dadurch die Leckströmung 240 durch den Spalt hindurch und die Probleme im Zusammenhang damit, wie z. B. eine Verschlechterung der aerodynamischen Effizienz und erhöhte Wärmebelastungen der Ummantelung. Im Einzelnen kann das abtragbare Muster 140 bezogen auf die Leckströmung 240, die über die Laufschaufelspitze 75 hinweg strömt, und auf die gesamte Wärmeübertragung optimiert sein. Es könnten auch andere Arten von abtragbaren Mustern 140 in Verbindung mit anderen Arten und Formen von Laufschaufelspitzen verwendet werden. Im Vergleich zu einer Ummantelung ohne ein Muster auf dieser ist die hierin beschriebene abtragbare Ummantelung 100 feststellbar kühler und lässt weniger Leckströmung 240 um den vorderen Abschnitt 320 von ihr durch. Der hintere Abschnitt 230 kann etwas wärmer sein, aber weniger warm als er anderenfalls bei ähnlichen Leckströmungen dort hindurch wäre.
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Die Verringerung der Leckströmung 240 verringert demnach die aerodynamischen Verluste um die Laufschaufel 55 und die Ummantelung 100, um eine höhere Effizienz zu ermöglichen. In gleicher Weise kann die thermische Belastung an der Ummantelung 100 verringert werden, um die gesamte Dauerhaftigkeit und Lebensdauer der Komponente zu verbessern.
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Es sollte erkannt werden, dass sich das Vorangegangene nur auf bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung bezieht und zahlreiche Änderungen und Abwandlungen hieran von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne von dem allgemeinen Geist und Bereich abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente festgelegt ist.
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Die vorliegende Anmeldung offenbart eine abtragbare Laufschaufelummantelung 100 zur Verwendung mit einer Laufschaufelspitze 75, um eine Leckströmung 240 zwischen diesen hindurch zu begrenzen und die Wärmebeanspruchungen derselben zu verringern. Die abtragbare Laufschaufelummantelung 100 kann eine Grundplatte 120 und eine Anzahl von Rippen 110 aufweisen, die an dieser angeordnet sind. Die Rippen 110 können aus einem abtragbaren Material 130 hergestellt sein. Die Rippen 110 können ein Muster 140 bilden. Die Rippen 110 können eine Anzahl von Bögen 190, 200 mit wenigstens einem ersten Bogen 190 und einem zweiten Bogen 200 aufweisen, wobei der zweite Bogen 200 eine entgegengesetzt gekrümmte Form 210 aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbinenanlage
- 15
- Verdichter
- 20
- Luftstrom
- 25
- Brennkammer
- 30
- Brennstoffstrom
- 35
- Verbrennungsgasstrom
- 40
- Turbine
- 45
- Last
- 50
- Turbinenstufe
- 55
- Laufschaufel
- 60
- Schaft
- 65
- Plattform
- 70
- Schaufelblatt
- 75
- Laufschaufelspitze
- 80
- Zahn
- 85
- Ummantelung
- 90
- Dichtung
- 95
- Laufschaufelspitzenspalt
- 100
- Abtragbare Ummantelung
- 110
- Rippe
- 120
- Grundplattenoberfläche
- 130
- Abtragbares Material
- 140
- Abtragbares Muster
- 145
- Druckpulsation
- 150
- Kontaktbereich
- 160
- Pfeil
- 170
- Pfeil
- 180
- Sinusform
- 190
- Erster Bogen
- 200
- Zweiter Bogen
- 210
- Entgegen gerichtete Krümmung
- 220
- Vorderer Abschnitt
- 230
- Hinterer Abschnitt
- 240
- Leckströmung
- 245
- Bezugspunkt
- 250
- Pfeil
- 260
- Pfeil
- 265
- Blockadeposition
- 270
- Umwälzungsströmung
