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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts, insbesondere für eine Turbinenlaufschaufel einer Turbinenanlage. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Schaufelblatt, ein Schaufelblattkit zur Herstellung eines derartigen Schaufelblatts sowie eine Turbinenlaufschaufel mit einem derartigen Schaufelblatt.
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In einer Turbinenanlage wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines zumeist heißen Arbeitsfluids in Rotationsenergie umgewandelt, die anschließend meist in einem Generator in elektrische Energie konvertiert wird. Dazu besitzt die Turbinenanlage einen Strömungskanal, in dessen axialer Richtung ein Turbinenläufer drehbar gelagert ist. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Radscheiben, an deren radial äußeren Stirnflächen jeweils eine Mehrzahl von Turbinenlaufschaufeln in Form eines Schaufelkranzes angehalten sind. Die Turbinenlaufschaufeln weisen hierzu jeweils Schaufelfüße auf, die in eine oder mehrere an den Stirnflächen der Radscheiben ausgebildete Aufnahmenuten eingesetzt und darin festgelegt sind. An der Oberseite der Schaufelfüße sind Schaufelplattformen ausgebildet, von deren von der Radscheibe wegweisende Außenseite Schaufelblätter in den Strömungskanal vorstehen.
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Während des Betriebs der Turbinenanlage wird der Strömungskanal von dem Arbeitsfluid durchströmt, wobei das strömende Arbeitsfluid die Turbinenlaufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die aufgrund der Form der Schaufelblätter in ein auf den Turbinenläufer wirkendes Drehmoment umgewandelt wird.
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Der thermodynamische Wirkungsgrad von Turbinenanlagen ist umso größer, je höher die Eintrittstemperatur des heißen Arbeitsfluids in die Turbinenanlage ist. Der Höhe der Eintrittstemperatur sind jedoch Grenzen durch die thermische Belastbarkeit der Turbinenlaufschaufeln gesetzt. Dementsprechend besteht eine Zielsetzung darin, Turbinenlaufschaufeln zu schaffen, die auch bei hohen thermischen Belastungen eine für den Betrieb der Turbinenanlage ausreichende mechanische Festigkeit besitzen. Hierzu werden Turbinenlaufschaufeln mit aufwendigen Beschichtungssystemen versehen. Zur weiteren Erhöhung der zulässigen Eintrittstemperatur werden Turbinenlaufschaufeln während des Betriebs der Turbinenanlage gekühlt. Dazu sind in ihrem Inneren Kühlkanäle ausgebildet, die von einem Kühlfluid durchströmt werden. Gängige Kühlverfahren sind beispielsweise die Prallkühlung, bei der das Kühlfluid derart geführt wird, dass es von innen auf die Wandung des Schaufelblatts prallt, oder die Filmkühlung, bei der das Kühlfluid durch in dem Schaufelblattkörper ausgebildete Kühlbohrungen aus dem Inneren des Schaufelblatts nach außen strömt, um an dessen Außenseite einen Kühlfilm zu bilden.
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Es ist bekannt, die Schaufelblätter gekühlter Turbinenlaufschaufeln in einem Gussverfahren herzustellen. Gängige gegossene Schaufelblätter umfassen jeweils einen Schaufelblattkörper, der in der Längsrichtung von Kühlkanälen durchsetzt ist und an seinem oberen Endbereich durch einen sogenannten Kronenboden verschlossen ist. Der Schaufelblattkörper trägt an seinem oberen Endbereich ferner eine Anstreifkante, die außenseitig bündig an den Schaufelblattkörper angegossen ist und entlang der Außenkontur des Kronenbodens nach oben vorsteht. Zwischen der Anstreifkante und einer Wandung des Strömungskanals verbleibt ein enger Radialspalt vorgegebener Breite, um einerseits ein reibungsarmes Rotieren des Turbinenläufers in den Strömungskanal zu ermöglichen, andererseits aber nur einen geringen Teil des Arbeitsfluids ungenutzt durch den Radialspalt durchströmen zu lassen.
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Nach einer gewissen Betriebsdauer der Turbinenanlage kann es zu Veränderungen des Radialspalts kommen. Beispielsweise kann der Rotor durch Kriechen seine ursprünglich zentrale Lage verlassen, die Länge der Turbinenlaufschaufeln zunehmen oder sich ein ursprünglich kreisrunder Strömungskanal ovalisieren. Diese Effekte resultieren aus einem Setzen und/oder einer Längung infolge thermischer Belastung durch das Arbeitsfluid und/oder von rotationsbedingten Fliehkräften bzw. der Schwerkraft.
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Wenn im Rahmen einer Wartung Turbinenlaufschaufeln ersetzt werden müssen, können neue Turbinenlaufschaufeln eine Kürzung erfordern, um den vorgeschriebenen Radialspalt einzuhalten. Dazu wird das Schaufelblatt spanend und/oder abtragend bearbeitet, um die Länge der Turbinenlaufschaufel zu verringern. Dabei kommt es vor, dass die Anstreifkante vollständig weggeschliffen und sogar ein Teil des ohnehin schon dünnen Kronenbodens entfernt werden muss, was die Gefahr einer Fehlfunktion mit sich bringt.
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Zwar können alternativ auch Turbinenlaufschaufeln derart gegossen werden, dass der Kronenboden an einer tieferen Längsposition angeordnet ist. Ein tiefer positionierter Kronenboden kann jedoch zu einer unzureichenden Kühlung der Anstreifkante führen. Zudem ist für eine derartige Veränderung ein langwieriger und kostspieliger Engineering-Prozess erforderlich, da neue Zeichnungen, neue Materialstämme und entsprechende Qualifizierungsaufwendungen bei den Gusslieferanten erforderlich werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, dass die genannten Nachteile beseitigt und eine kostengünstige Herstellung eines längenangepassten Schaufelblatts für eine Turbinenschaufel einer Turbinenanlage ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend die Schritte:
- – ein länglicher Schaufelblattkörper, der in der Längsrichtung von wenigstens einem Kühlkanal durchsetzt ist und einen offenen oberen Endbereich aufweist, wird bereitgestellt;
- – ein plattenförmiger Kronenboden zum Verschließen des oberen Endbereichs wird bereitgestellt;
- – der Kronenboden wird von dem oberen Endbereich her in den Schaufelblattkörper eingesetzt und in dem Schaufelblattkörper an einer vorgegebenen Längsposition angeordnet; und
- – der eingesetzte Kronenboden wird mit dem Schaufelblattkörper unlösbar verbunden.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, den Kronenboden nicht an den Schaufelblattkörper anzugießen, sondern den Schaufelblattkörper und den Kronenboden als separate Bauteile vorzusehen. Dies bietet den Vorteil, dass der Kronenboden von dem oberen Endbereich her in den Schaufelblattkörper eingesetzt und in dem Schaufelblattkörper an einer gewünschten Längsposition angeordnet werden kann, die durch ggf. betriebsbedingt veränderte geometrische Einbaubedingungen in dem Strömungskanal der Turbinenanlage vorgegeben ist. Dort lässt er sich dann mit dem Schaufelblattkörper unlösbar verbinden, um den oberen Endbereich des Schaufelblattkörpers zu verschließen. Bevorzugt wird der Kronenboden mit dem Schaufelblattkörper durch Schweißen, insbesondere durch 2D-Laserschweißen unlösbar verbunden. Dies ermöglicht eine spannungsarme Verbindung zwischen dem Schaufelblattkörper und dem Kronenboden. Dabei ist der Kronenboden zweckmäßigerweise aus einem Metallblech gefertigt, das insbesondere aus demselben Werkstoff wie der Schaufelblattkörper besteht.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass sich der Gussprozess für einen Schaufelblattkörper mit einem offenen oberen Endbereich einfach gestaltet, da ein endseitig offenes Gussmodell verwendet werden kann. Schließlich ist eine Messung der Wandungsdicke des Schaufelblattkörpers im Rahmen von Qualitätsprüfungen wegen des offenen oberen Endbereichs leicht möglich, was Zeit und Kosten spart. Schließlich kann der Schaufelblattkörper vor dem Einsetzen des Kronenbodens an dem oberen Endbereich bearbeitet werden, bis eine vorgegebene Länge des Schaufelblattkörpers erreicht ist.
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In an sich bekannter Weise ist der Schaufelblattkörper zweckmäßigerweise als ein Gussteil hergestellt. Dabei kann der Schaufelblattkörper an seinem oberen Endbereich eine Anstreifkante tragen, die unter Bildung einer Aufnahme für den Kronenboden außenseitig bündig an den Schaufelblattkörper angegossen ist.
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Gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens wird an dem oberen Endbereich des Schaufelblattkörpers eine Anstreifkante unter Bildung einer Aufnahme für den Kronenboden außenseitig bündig ausgebildet. Dieser Verfahrensschritt kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn die angegossene Anstreifkante und mit ihr die für den Kronenboden vorgesehene Aufnahme abgeschliffen werden muss, um die vorgegebene Länge der Turbinenlaufschaufel zu erreichen.
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Vorteilhaft besitzt der Kronenboden vor dem Bearbeiten eine Außenkontur derart, dass sie die Innenkontur des Schaufelblattkörpers an einer vorgegebenen, insbesondere an jeder möglichen Längsposition umschließt. In diesem Fall kann der Kronenboden entlang seiner Außenkontur derart bearbeitet werden, dass die Außenkontur des Kronenbodens mit der Innenkontur des Schaufelblattkörpers an der vorgegebenen Längsposition korrespondiert. Auf diese Weise wird der Kronenboden zur Positionierung in dem Schaufelblattkörper vorbereitet. Mit anderen Worten ist ein derartiger Kronenboden groß genug, um den Schaufelblattkörper nach entsprechender Bearbeitung an jeder gewünschten Längsposition zu verschließen, und ist insofern in der Längsrichtung des Schaufelplattkörpers frei positionierbar.
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Vorteilhaft ist und/oder wird in dem Kronenboden eine Mehrzahl von Kühlöffnungen zum Kühlen der Anstreifkante ausgebildet. Die Anstreifkante ist während des Betriebs der Turbinenanlage wegen ihrer radial äußeren Position einer besonders starken thermischen Belastung ausgesetzt, weshalb eine Kühlung der Anstreifkante deren Lebensdauer verlängert. Zur Kühlung der Anstreifkante wird diese mit einem Kühlfluid beaufschlagt, das aus dem Inneren des Schaufelblattkörpers durch die in dem Kronenboden vorgesehenen Kühlöffnungen zu der Anstreifkante geleitet wird.
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Vorteilhaft erfolgt die Bearbeitung des Schaufelblattkörpers und/oder des Kronenbodens spanend, insbesondere durch Schleifen oder Fräsen, und/oder abtragend, insbesondere durch Laserschneiden. Dies sind gängige Trennverfahren für die Werkstückbearbeitung. Jedoch kann der Schaufelblattkörper auch auf andere Weise bearbeitet werden.
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Gemäß einer Alternative wird der Kronenboden auf obere Stirnflächen von Stegen und/oder Rippen, die sich in dem Schaufelblattkörper in dessen Längsrichtung erstrecken, und/oder eine entlang einer Innenkontur des Schaufelblattkörpers vorgesehene Auflageschulter aufgesetzt. Dies erleichtert die Positionierung des Kronenbodens und die unlösbare Verbindung des Kronenbodens mit dem Schaufelblattkörper.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Schaufelblatt für eine Turbinenlaufschaufel einer Turbinenanlage mit einem länglichen Schaufelblattkörper, der in der Längsrichtung von wenigstens einem Kühlkanal durchsetzt ist und einen offenen oberen Endbereich aufweist, und einem als separates Bauteil gefertigten plattenförmigen Kronenboden, der zum Verschließen des oberen Endbereichs von dem oberen Endbereich her in den Schaufelblattkörper eingesetzt, in dem Schaufelblattkörper an einer vorgegebenen Längsposition angeordnet und mit dem Schaufelblattkörper unlösbar verbunden ist. Ein solches Schaufelblatt mit einem Schaufelblattkörper und einem separat gefertigten Kronenboden ist kostengünstig in der Herstellung und bei freier Längspositionierung des Kronenbodens eine einfache Längenanpassung des Schaufelblatts.
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Gemäß einer Weiterbildung ist in dem Inneren des Schaufelblattkörpers eine Mehrzahl von Kühlkanälen ausgebildet, zwischen denen sich in der Längsrichtung erstreckende Stege angeordnet sind. Mehrere Kühlkanäle können das Kühlfluid gezielt zu den kühlungsbedürftigen Abschnitten des Schaufelblattkörpers leiten.
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Bevorzugt ist in dem Inneren des Schaufelblattkörpers eine Mehrzahl von sich in der Längsrichtung erstreckenden Rippen vorgesehen, die von der Innenseite des Schaufelblattkörpers nach innen vorstehen. Derartige Rippen vergrößern die Innenfläche des Schaufelblattkörpers, was mit einer besseren Kühlungsleistung einhergeht.
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Vorteilhaft liegt der Kronenboden auf oberen Stirnflächen der Stege und/oder der Rippen und/oder einer entlang einer Innenkontur des Schaufelblattkörpers vorgesehenen Auflageschulter auf. In dieser Anordnung lässt sich der Kronenboden besonders einfach positionieren und mit dem Schaufelblattkörper unlösbar verbinden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist an dem oberen Endbereich eine mit dem Schaufelblattkörper außenseitig bündige Anstreifkante vorgesehen, die unter Bildung einer Aufnahme für den Kronenboden an dem Schaufelblattkörper angegossen und/oder mittels spanender und/oder abtragender Bearbeitung ausgebildet ist, und ist der Kronenboden in die Aufnahme eingesetzt. Die Anstreifkante kann angepasst werden, um eine vorgegebene Breite des Radialspalts einzuhalten.
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Bevorzugt weist der Kronenboden zur Kühlung der Anstreifkante eine Mehrzahl von Kühlöffnungen auf. Durch die Kühlöffnungen kann Kühlfluid aus dem Inneren des Schaufelblattkörpers zu der Anstreifkante geleitet werden. Ein kostspieliges Einbringen von Kühlluftbohrungen in den gegossenen Schaufelblattkörper entfällt.
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Vorteilhaft besteht der Kronenboden aus demselben Werkstoff wie der Schaufelblattkörper und ist insbesondere mit dem Schaufelblattkörper durch Schweißen, insbesondere durch 2D-Laserschweißen unlösbar verbunden.
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Im Allgemeinen sind der Schaufelblattkörper und/oder der Kronenboden durch spanende und/oder abtragende Bearbeitung an die geometrischen Einbaubedingungen der Turbinenanlage angepasst. Im Rahmen der Anpassung wird die Länge Schaufelblattkörpers und die Längsposition des Kronenbodens derart verändert, dass ein vorgegebener Radialspalt erreicht wird.
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Schließlich schafft die vorliegende Erfindung ein Schaufelblattkit für eine Turbinenlaufschaufel einer Turbinenanlage mit einem länglichen Schaufelblattkörper, der in der Längsrichtung von wenigstens einem Kühlkanal durchsetzt ist und einen offenen oberen Endbereich aufweist, und einem als separates Bauteil gefertigten plattenförmigen Kronenboden, wobei insbesondere der Schaufelblattkörper und/oder der Kronenboden oben genannte Merkmale aufweisen.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Turbinenlaufschaufel mit einen erfindungsgemäßen Schaufelblatt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaufelblatts unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist:
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1 eine perspektivische Ansicht eines oberen Endbereichs eines Schaufelblattes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Draufsicht des in 1 dargestellten Schaufelblattes mit eingesetztem Kronenboden; und
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3 eine Draufsicht des in 1 dargestellten Schaufelblattes ohne eingesetzten Kronenboden.
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Die 1 bis 3 zeigen ein Schaufelblatt 1 für eine Turbinenlaufschaufel einer Turbinenanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Schaufelblatt 1 umfasst einen länglichen Schaufelblattkörper 2, der als Gussteil gefertigt ist. In dem Inneren des Schaufelblattkörpers 2 ist eine Mehrzahl von den Schaufelblattkörper 2 in dessen Längsrichtung Z durchsetzenden Kühlkanälen 3 ausgebildet, zwischen denen sich in der Längsrichtung Z erstreckende Stege 4 angeordnet sind. Ferner ist in dem Inneren des Schaufelblattkörpers 2 eine Mehrzahl von sich in der Längsrichtung Z erstreckenden Rippen 5 vorgesehen, die von der Innenseite des Schaufelblattkörpers 2 nach innen vorstehen.
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Der Schaufelblattkörper 2 weist einen offenen oberen Endbereich 6 auf, an dem eine Anstreifkante 7 ausgebildet ist. Die Anstreifkante 7 ist unter Bildung einer Aufnahme 8 mit einer entlang einer Innenkontur des Schaufelblattkörpers 2 vorgesehenen Auflageschulter 9 außenseitig bündig an den Schaufelblattkörper 2 angegossen. Die Anstreifkante 7 kann aber auch mittels spanender und/oder abtragender Bearbeitung in dem Schaufelblattkörper 2 ausgebildet sein.
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Das Schaufelblatt 1 umfasst weiterhin einen Kronenboden 10, der plattenförmig ausgebildet ist und den offenen oberen Endbereich 6 des Schaufelblattkörpers 2 verschließt. Der Kronenboden 10 ist als separates Bauteil aus einem Metallblech gefertigt und besteht aus demselben Werkstoff wie der Schaufelblattkörper 2, kann aber auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein. Zur Kühlung der Anstreifkante 7 weist der Kronenboden 10 eine Mehrzahl von Kühlöffnungen 11 auf. Durch die Kühlöffnungen 11 wird Kühlfluid aus dem Inneren des Schaufelblattkörpers 2 zu der Anstreifkante 7 geleitet.
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Der Kronenboden 10 ist von dem oberen Endbereich 6 her in den Schaufelblattkörper 2, genauer gesagt in die Aufnahme 8 eingesetzt. Dadurch ist der Kronenboden 10 in Bezug auf den Schaufelblattkörper 2 derart positioniert, dass er auf oberen Stirnflächen der Stege 4 und der Rippen 5 sowie der Aufnahmeschulter 9 aufliegt. Der in die durch die Anstreifkante 7 und die Auflageschulter 9 gebildete Aufnahme 8 eingesetzte Kronenboden 10 ist durch 2D-Laserschweißen mit dem Schaufelblattkörper 2 unlösbar verbunden. Alternativ kann die Verbindung zwischen dem Kronenboden 10 und dem Schaufelblattkörper 2 aber auch durch herkömmliches Schweißen oder andere Verfahren bewirkt sein. Selbstverständlich kann der Kronenboden 10 auch in dem Schaufelblattkörper 2 angeordnet sein, ohne auf Stegen 4, Rippen 5 oder einer Auflageschulter 9 aufzuliegen.
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Zur Herstellung des Schaufelblatts 1 wird zunächst der längliche Schaufelblattkörper 2 mit mehreren Kühlkanälen 3, Stegen 4, Rippen 5 und einem offenen oberen Endbereich 6 bereitgestellt. Ferner wird zum Verschließen des offenen oberen Endbereichs 6 des Schaufelblattkörpers 2 ein plattenförmiger Kronenboden 10 bereitgestellt, wobei der Schaufelblattkörper 2 und der Kronenboden 10 beispielsweise ein Schaufelblattkit bilden können.
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Der Schaufelblattkörper 2 trägt an seinem oberen Endbereich 6 eine Anstreifkante 7, die unter Bildung einer Aufnahme 8 mit einer entlang einer Innenkontur des Schaufelblattkörpers 2 vorgesehenen Auflageschulter 9 für den Kronenboden 10 an den Schaufelblattkörper 2 angegossen ist.
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Der Kronenboden 10 ist aus einem Metallblech gefertigt und besteht aus demselben Werkstoff wie der Schaufelblattkörper 2. Er besitzt eine Außenkontur derart, dass sie die Innenkontur des Schaufelblattkörpers 2 an jeder möglichen Längsposition umschließt. In dem Kronenboden 10 ist eine Mehrzahl von Kühlöffnungen 11 zum Kühlen der Anstreifkante 7 ausgebildet.
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Falls die Länge des bereitgestellten Schaufelblattkörpers 2 nicht zu den geometrischen Einbaubedingungen der Turbinenanlage passt, wird der Schaufelblattkörper 2 an seinem oberen Endbereich 6 unter wenigstens teilweiser Entfernung der Anstreifkante 7 bearbeitet, bis eine vorgegebene Länge des Schaufelblattkörpers 2 erreicht ist.
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Im Rahmen dieser Bearbeitung kann bei Bedarf eine neue Anstreifkante 7 ggf. unter Bildung auch einer neuen Aufnahme 8 für den Kronenboden 10 ausgebildet werden. In diesem Fall muss der Kronenboden 10 gegebenenfalls in einem weiteren Verfahrensschritt entlang seiner Außenkontur derart bearbeitet werden, dass seine Außenkontur mit der Innenkontur des Schaufelblattkörpers 2 an der durch die neue Aufnahme 8 vorgegebenen Längsposition korrespondiert.
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Die Bearbeitung sowohl des Schaufelblattkörpers 2 als auch des Kronenbodens 10 erfolgt spanend, beispielsweise durch Schleifen und/oder Fräsen, alternativ oder zusätzlich aber auch abtragend, beispielsweise durch Laserschneiden.
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Der bearbeitete Kronenboden 10 wird dann von dem oberen Endbereich 6 her in den bearbeiteten Schaufelblattkörper 2 eingesetzt und in dem Schaufelblattkörper 2 an der vorgegebenen Längsposition angeordnet. In dieser Position liegt der Kronenboden 10 auf den Stegen 4, den Rippen 5 und der entlang einer Innenkontur des Schaufelblattkörpers 2 vorgesehenen Auflageschulter 9 auf. Ein Aufliegen des Kronenbodens 10 in dem bearbeiteten Schaufelblattkörper 2 ist allerdings nicht zwingend.
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In einem letzten Schritt wird der eingesetzte Kronenboden 10 mit dem Schaufelblattkörper 2 durch spannungsarmes 2D-Laserschweißen, herkömmliches Schweißen oder ein alternatives Verfahren unlösbar verbunden.
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Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Schaufelblatts für eine Turbinenlaufschaufel einer Turbinenanlage besteht darin, dass das mit diesem Verfahren hergestellte Schaufelblatt 1 optimal und individuell an die geometrischen Einbaubedingungen der Turbinenanlage angepasst werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Gussverfahren für Schaufelblattkörper 2 mit offenen oberen Endbereichen 6 weniger kompliziert und fehleranfällig ist als für Schaufelblattkörper mit geschlossenen oberen Endbereichen. Überdies sind bei Schaufelblattkörpern 2 mit offenen oberen Endbereichen 6 Messungen der Wandungsdicke im Rahmen von Qualitätsprüfungen einfach und somit kostengünstig durchführbar.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
