DE2837123A1

DE2837123A1 - Gekuehlte laufschaufelspitze

Info

Publication number: DE2837123A1
Application number: DE19782837123
Authority: DE
Inventors: Richard Helmer Andersen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-09-02
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1979-03-15
Also published as: DE2837123C2; FR2402060A1; GB1601422A; FR2402060B1; JPS616241B2; JPS5452215A; US4142824A; IT1098754B; IT7827130A0

Description

Besehreibuns

Die Erfindung bezieht sich auf Kühlsysteme und insbesondere auf die Kühlung des Spitzenumfanges einer Turbinenrotors chaufel.

Die Rotorschaufeln verschiedener Arten arbeiten bei. extrem honen Umgebungsbedingungen. Um die Schaufeln betriebsfähig zu halten, sind Mittel vorgesehen, die den Schaufeln Kühlmittel (gewöhnlich Luft) zuführen, um die hohen Oberflächentemperaturen zu senken. Ein Bereich, der in dieser liinsicnt besonders problemreich ist, ist die Schaufelspitze, das radiale Aussenende der Schaufel.

Eine Eigenschaft der Schaufelspitze, die die Kühlung so schwierig macht,ist die Tatsache, dass sie sehr nahe an einem den Rotor umgebenden Mantel angeordnet ist. Dieser Mantel dient zur Bildung eines Strömungspfades für das Arbeitsmittel der Turbomaschine, und die grosse Nähe zwischen dem Mantel und der Schaufelspitze ist das Ergebnis von Versuchen, den Wirkungsgrad des Triebwerkes zu verbessern, indem die Leckage des Arbeitsmittels an den Schaufelspitzen vorbei auf ein Minimum gesenkt wird. Um die Schaufelspitze zu kühlen, ist bei bekannten Anordnungen eine vertiefte bzw. versenkte Kappe vorgesehen, die mit den Seitenwänden und dem Mantel zusammenwirkt, um einen Spitzenraum zu bilden, durch den Kühlluft von einer Innenkammer der Schaufel hindurchgeleitet wird.

Zusätzlich zur Bildung einer Kammer zur Kühlung des Spitzenbereiches bilden die radialen Aussenenden der Seitenwände eine Labyrinthdichtung zur Vermeidung von Leckage des Arbeitsmittels (häufig mit Temperaturen von mehr als 1100⁰C (2000⁰F)) zwischen der Schaufelspitze und dem Mantel von der Druckfläche der stromlinienförmigen Schaufel zur Saugseite, wobei diese Leckage den aerodynamischen Wirkungsgrad der Turbine verkleinert. Es leuchtet ohne weiteres ein, dass der maximale Triebwerkswirkungsgrad einen minimalen Verbrauch an Kühlluft erfordert,

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der seinerseits notwendig macht, dass die Kühlluft so effizient wie möglich ausgenutzt wird. Aus diesem Grunde ist, wie bereits erwähnt wurde, der Schaufelraum bei bekannten Anordnungen im allgemeinen durch Kühlluft gekühlt, die von einer Innenkammer der Schaufel mittels wenigstens einer Öffnung in der Kappe zum Spitzenraum geleitet wird. Da jedoch die Temperatur des Arbeitsmittels bei Turbomaschinen mit moderner Technologie stetig ansteigt, ist die äusserste Spitze der Schaufel, die von den radialen Aussenenden der über die Spitzenkappe hinausragenden Seitenwänden gebildet wird, äusserst schwierig zu kühlen, was zumindest teilweise daran liegt, dass reichlich Reibmaterial zur Verfügung stehen muss, falls die umlaufende Schaufel den nahegelegenen feststehenden Mantel berührt. Mit anderen Worten ist die Spitzenkappe versenkt, um sie aus der grossen Nähe des den Rotor umgebenden Mantels herauszurücken, um einen Reibkontakt zwischen diesen Teilen zu verhindern. Dies erfordert einen Spielraumspalt von etwa 2,5 bis 3,8 mm (0,1 bis 0,15 Zoll). Dies bringt Schwierigkeiten bei der Kühlung. Die Kühlung dieser Aussenenden könnte in bekannter Weise dadurch erfolgen, dass grössere Luftmengen in den Spitzenraum eingeführt weraen, aber die zur wirksamen Kühlung erforderliche Luftmenge ist unerwünscht vom Standpunkt des Wirkungsgrades. Weiterhin ist auch eine Lösung durch Austausch der Materialien an der äussersten Blattspitze, um den hohen Temperaturen zu widerstehen, zur Zeit nicht praktikabel, da kein bekanntes, zu vernünftigen Preisen zur Verfügung stehendes metallisches Material oder ein Mittel zur sicheren Befestigung den Temperaturen von Triebwerken mit fortgeschrittener Technologie ohne zusätzliche Kühlung widerstehen kann.

£s ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine verstärkte Kühlung der radialen Aussenenden der Seitenwände einer Turbinenrotors chaufel mit einer versenkten Spitzenkappe und einem gekühlten Innenraum zu sorgen.

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Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung der beim Stand der Technik stehenden Probleme durch die Ausbildung einer Vielzahl von im allgemeinen radialen Kanälen, die in den radialen Aussenenden der Seitenwände ausgebildet sind und mit der inneren Kühlmittelkammer der Schaufel in Verbindung stehen, um für eine Kühlung zu sorgen. Dabei sind die radialen Aussenenden der Schaufelseitenwände mit einer Mehrzahl von im Abstand angeordneten äusseren und parallelen Schlitzen versehen, die etwa von der Spitzenkappe radial nach aussen zu dem Blattspitzenende verlaufen. Eine dünne Metallhülse ist um die Schaufel herum und über den Rippen zwischen benachbarten Schlitzen angeordnet, um mit diesen eine Vielzahl am Ende offener Kanäle zu bilden. Die Hülse und die Blattspitzenrippen werden dann vereinigt, was beispielsweise durch Schweissen oder Löten geschehen kann. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Nut unterhalb der Hülse vorgesehen, die als eine Strömungsmittelkammer dient, die sich um den Schaufelumfang herum erstreckt und jeden Kanal schneidet. Von der inneren Kühlmittelkammer der Schaufel radial innen von der Spitzenkappe erstrecken sich Durchlässe zu der Nut, so dass Kühlmittel von der Innenkammer zu den Nuten geleitet und von diesen auf die Kanäle verteilt wird, die das Kühlmittel zu der äußersten Blattspitze leiten, um diese zu kühlen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Querschnittsansicht von einem Teil eines Gasturbinentriebwerkes mit einer erfindungsgemäss gekühlten Schaufel.

Figur 2 ist eine Stirnansicht von einer Turbinenschaufel, die gemäss der vorliegenden Erfindung gefertigt ist und die Kühlung der Schaufelspitze besonders deutlich zeigt.

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Figur 3 ist eine vergrösserte Querschnittsansicht von dem Spitzenende einer erfindungsgemäss hergestellten Turbinenschaufel.

Figur 4 ist eine Teilschnittansicht ähnlich wie Figur 3 entlang der Linie 4-4 in Figur 2 und zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figuren 5 und 6 sind Teilschnittansichten ähnlich wie Figur 4 und zeigen andere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In Figur 1 ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Turbinenrotorschaufel gemäss der Erfindung gezeigt. Die Schaufel arbeitet mit einer drehbaren Scheibe 12 über eine Schwalbenschwanzverbindung 14 zwischen dem Schaufelfuss 16 und einem Schlitz 18 in der Scheibe zusammen. Die Schaufel enthält einen stromlinienförmigen oder Tragflächen-Abschnitt 20, der aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist und zwei im Abstand angeordnete, radial verlaufende Seitenwände 22und 24 aufweist. Die Seitenwand 22 ist im Profil konvex und wird im allgemeinen als Saugfläche bezeichnet, wogegen die Seitenwand 24 im Profil konkav ist und im allgemeinen als Druckfläche der Schaufel bezeichnet wird. Schliesslich weist die Schaufel eine Vorderkante 26 und eine Hinterkante 2 8 auf.

Die in Figur 1 gezeigte Schaufel wird in der Turbine einer Turbomaschine, wie beispielsweise einem Gasturbinentriebwerk, verwendet und zieht somit kinetische Energie aus einer sich schnell bewegenden und eine hohe Temperatur aufweisenden Strömung eines Arbeitsmittels, das in Richtung der gezeigten Pfeile strömt. Der Strömungsweg für dieses Arbeitsmittel ist zwischen einem umgebenden Mantel 30 und einer Plattform 32 gebildet, die von der Schaufel getragen und zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt 20 und dem Schaufelfuss 16 angeordnet ist. Um den Betrieb der Turbine zu verbessern, sind stromlinienförmige

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Statoren 34 und 36 stromaufwärts bzw. stromabwärts von der Schaufel 10 angeordnet. Diese Statoren dienen bekanntlich zur Ausrichtung der Luftströmung in bezug auf die Laufschaufel Weiterhin sind in bekannter Weise die Rotor- und Statorschaufeln in Ringanordnungen um die Hittellinie des Triebwerkes herum angeordnet, aber hier ist der Einfachheit halber nur eine einzelne Schaufel oder ein Stator von jeder Stufe gezeigt.

Im Betrieb arbeitet die Turbomaschine mit den in Fig. 1 gezeigten Elementen in bekannter Weise. Dabei wird ein hochenergetischer Brennstoff mit komprimierter Luft in einem stromaufwärtigen Brenner (nicht gezeigt) verbrannt und der Reihe nach über den Stator 34, die Schaufel 10 und den Stator 36 geleitet. Die von dem stromlinienförmigen Abschnitt dem Arbeitsmittel entzogene kinetische Energie wird zum Drehen einer Welle (nicht gezeigt) verwendet, an der die Scheibe 12 befestigt ist, um einen Luftkompressor und andere mechanische Teile des Triebwerkes zu betätigen.

Wie bereits erwähnt, besitzt die Schaufel 10 eine Stromlinienform und weist Seitenwände 22 und 24 auf. Die Schaufel enthält ferner eine Innenkammer 3ö (s. Fig. 3), in die Kühlluft über eine öffnung 40 am Schaufelfuss 16 eingeführt wird. Die radialen Aussenenden der Seitenwände 22 und 24 sind mit 42 bzw. 44 bezeichnet. Zwischen diesen Aussenenden ist die Schaufel offen, falls eine Spitzenkappe 46 fehlt, die gemäss der US-PS 3 854 842 oder der US-PS 4 010 531 aufgebaut sein kann. Der am Ende offene Bereich ist insgesamt mit 48 bezeichnet. Somit dichtet die Spitzenkappe, die in dem offenen Ende 4ü vertieft bzw. versenkt angeordnet ist, die innere Kühlmittelkammer 3Ö von der Schaufelumgebung teilweise ab. Ferner bilden die radialen Aussenenden 42 und 44 der Seitenwände eine Labyrinthdichtung, um eine Leckage von Arbeitsmittel zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt 20 und dem diesen umgebenden

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Mantel 20 zu verhindern. In bekannter Weise können eine oder mehrere öffnungen 50 (s. beispielsweise Fig. 6) vorgesehen sein, um eine vorbestimmte Menge an Kühlluft von der Innenkammer 38 in den am Ende offenen Bereich 46 zu dessen Kühlung zu leiten. Bei Hochtemperatur-Turbinen fortgeschrittener Technologie müsste jedoch eine.ungewöhnlich hohe Menge an Kühlluft in den Spitzenraum 48 injiziert werden, um für eine effektive Kühlung der Seitenwandenden 42 und 44 zu sorgen. Die vorliegende Erfindung ist auf die Kühlung dieser Seitenwandenden gerichtet.

In Figur 3 ist die Erfindung in ihrer einfachsten Form gezeigt. Danach sind Mittel vorgesehen, um eirenTeil des Kühlmittels von der Innenkammer 3Ö durch die Seitenwandenden 42 und 44 zu leiten, um für eine Konvektionskühlung dieser Abschnitte zu sorgen. In dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 ist dieses Mittel eine Vielzahl von im allgemeinen radialen Kanälen 52, die Kühlluft von der inneren Kühlmittelkammer 38 um die Spitzenkappe 46 herum leiten und sie anschliessend aus dem offenen Ende von jedem Kanal an der radialen Spitze der Seitenwände ausstossen. Derartige Kanäle können durch Giessen oder Bohren ausgebildet werden, und die Anzahl der Löcher ist abhängig von der Menge der erforderlichen Kühlluft, der Temperatur des Kühlmittels in der Kammer 38 und anderen Faktoren, die normalerweise bei den relevanten thermodynamischen Betrachtungen Berücksichtigung finden. Diese Lösung ist besonders wirksam, da sie die Konvektionskühlung anwendet und nur kleine Mengen der Kühlluftströmung verbraucht, wodurch der Leistungsverlust in bezug auf die gesamte Antriebsleistung auf ein Minimum reduziert wird. Die auftretende niedrigere Temperatur der Enden 42 und 44 verlängert deren Lebensdauer.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass bei einigen Anwendungen von Turbinenschaufeln es äusserst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein wird, die Kühlkanäle 52 durch übliche Bohr-

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oder Giesstechniken auszubilden. Deshalb sind in den alternativen Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 2, 4, 5 und 6 zusätzliche Techniken vorgesehen. Gemäss den Figuren 2 und 4 bilden die radialen Aussenenden 42 und 44 auf ihren Aussenflächen eine Anzahl von im Abstand angeordneten äusseren, parallelen Schlitzen 54, die etwa von der Spitzenkappe 46 im allgemeinen radial nach aussen bis zum Spitzenende der Schaufel verlaufen. Das Schaufelmaterial zwischen benachbarten Schlitzen 54 bildet eine Anzahl von im allgemeinen radial verlaufenden Rippen 55. Eine Nut oder Rille 56 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Schaufel herum und schneidet jeden Strömungsmitte Ischlitζ 54, wodurch der Schlitz 54 in zwei Abschnitte unterteilt wird, von denen sich der eine Abschnitt von der Strömungsmittelkammer 38 zur Nut 56 und der zweite Abschnitt von der Nut 56 zur Spitze der Schaufel erstreckt. Die Schlitze 54 und die Nut 56 können durch Giessen, Bohren, Ätzen oder chemisches/Bohren oder eine Kombination davon ausgebildet werden, wie es allgemein bekannt ist.x-bzw. Fräsen

Die Schaufelspitze ist von einer dünnen Metallhülse 58 umgeben. Die Aussenflachen der Rippen 55 sina mit der Metallblechhülse 5ö beispielsweise durch Schweissen oder Löten verbunden und arbeiten zusammen, um mit den Schlitzen 54 eine Vielzahl von leicht unterschiealicnen Kühlkanälen um den Umfang der Blattspitze herum auszubilden, wobei diese Kanäle mit 60 bezeichnet sind. DieKühlluft aus der Kammer 36 wird also in die Nut 56 eingeführt, die als eine Verteilerkammer dient, um das Kühlmittel auf die radial verlaufenden Kanäle 60 zu verteilen. Das Kühlmittel spült innenseitig über die Aussenfläehe der Seitenwandverlängerungen 42 und 44 und über die Innenwand der Metallblechhülse 58, um mit gleichbleibender Geschwindigkeit Wärme von diesen abz_uführen. Das erwärmte Kühlmittel wird anschliessend über die Spitze der Schaufel in die Arbeitsmittelströmung ausgestossen.

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Die Hülse 5Ö kann auch in einem vertieften Abschnitt 62 (s. Fig. 4) angeordnet sein, so dass ihre äussere Oberfläche bündig mit den Schaufelseitenwänden 22 und 24 absehliesst, um auf diese Weise radiale Unstetigkeiten zu vermeiden, die zu aerodynamischen Störungen führen könnten. Wenn jedoch die Hülse 58 dünn genug ist und die Nachteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit hingenommen werden können, kann die Hülse um die Seitenwände 22 und 24 herumgewickelt und mit diesen verlötet oder verschweisst werden, wie es in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 gezeigt ist. Danach ist die Hülse nicht versenkt und in der Tat besteht eine Stufe 64, die durch Abschrägen oder einen übergang auf ein Minimum reduziert werden könnte, an der Übergangsstelle zwischen Hülse und Seitenwand 22. Weiterhin sei bemerkt, dass in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 die Nut 56 weggelassen ist, da diese nicht bei allen Applikationen erforderlich ist.

Ein viertes und letztes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 6 dargestellt. Wie dem Turbinenkühlfachmann bekannt ist, ist eine der wirksameren und grundlegenden Kühlprinzipien die sog. Film- oder Schleierkühlung, durch die eine Schicht relativ kalter Luft als ein Film oder Schleier über einen stromlinienförmigen Abschnitt strömt, wodurch eine Schutzschicht zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt und der heissen Gasumgebung gebildet wird. Zu diesem Zweck ist die Kühlung gemäss Figur 4 in Figur 6 leicht abgewandelt, um die Kühlung der Schaufelspitze durch die Filmkühlung zu verbessern. In den Seitenwänden 22 und 24 sxa eine Mehrzahl von geneigten Kühlkanälen 66 ausgebildet, um einen Teil des Kühlmittels aus der Innenkammer 38 auf die Blattspitze und als ein Kühlmittelfilm über die Seitenwandenden 42 und 44 zu richten. Eine zusätzliche Filinkühlung kann durch Hinzufügen weiterer Reihen von Schlitzen, beispielsweise eine Reihe von geneigten Schlitzen 68 durch die Metallhülse 58 hindurch, ausgebildet sein, die dazu

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dienen, eine Kühlmittelströmung von der Nut ^S als einen Film über die nülse 5b zu richten. Selbstverständlich wird die Anzahl und Grüsse uer Pilmkühlungsschlitze aurch den Grau der erforderlicnen zusätzlichen Kühlung bestimmt.

Als ein Ergebnis aer verschiedenen Ausführungsbeispiele uer vorliegenden Erfindung wird eine wesentliche Verbesserung der Spitzenkünlung einer Turb inenrotors chaufel in bezug auf diejenige erreicht, die mit bekannten Kühltechniken für Kotorscnaufeln erzielbar sind. Die vorliegende Erfindung gestattet die selektive Kühlung des äusseren Abschnittes einer Turbor.iascninenrotorschaufel, ohne dass grosse Mengen an Kühlluft in das offene ende ¹Jb über der Spitzenkappe 46 eingeführt werden müssen. Weiterhin nutzt die Turbomaschinenschaufel geruäss der Erfindung als Kühlmittelquelle aie leicht verfügbare einspeisung aus der Innenkammer aus und erfordert nicnt das Bohren extrem langer Kühlkanäle durch die gesamte radiale Länge der Seitenwände 22 und 2k von der Ausgangsquelle des Kühlmittels nahe uern Scnaufelfuss 16 bis zu der äussersten Blattspitze, wie es bei einigen bekannten Kühlanordnungen der Fall ist. Zusätzlich wird erfindungsgemäss ermöglicht, aass der äusserste Spitzenabschnitt auf wirksame Weise durch vorteilhaft kleine Kühlluftmengen wirksam gekühlt wird.

Im Rahmen der gegebenen Lehren sind selbstverständlich einige Abwandlungen möglich. .Beispielsweise kann es in den Ausi'uhrungsbeispielen gemäß den Figuren. 2 bis 4 vorteilhaft sein, die Kühlschlitze oder Kanäle in dem inneren Umfang der Metallblechhülse ^lj0 auszubilden, anstatt in dem äusseren Umfang der Seitenwandverlängerungen 42 und kk. Ausserdem kann in einigen Fällen ein vollständiges Umfangsband weder erforderlicn noch wünscuenswert sein. £s kann auch eine unterschiedliche Anzahl von Kanälen von der Strömungsmittelkammer 38 zur Nut 56 und von der Nut 36 zur Schaufelspitze wünschenswert sein.

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ßAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

Turbomaschinenschaufel mit im Abstand angeordneten, radial verlaufenden Seitenwänden, die ein offenes, radial äusseres Ende bilden, einer Spitzenkappe in dem offenen Ende, die zusammen mit den Seitenwänden eine innere Kühlmittelkammer bildet, wobei die radialen Aussenenden der Seitenwände sich über die Spitzenkappe hinaus nach aussen erstrecken, dadurch gekennzeichnet dass Mittel (52) vorgesehen sind zum Leiten von Kühlmittel von der inneren Kammer (3Ö) um die Spitzenkappe (46) herum und durch die Seitenwandenden (42, 44) hindurch zur Ausbildung einer Konvektionskühlung .

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2. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Leitmittel (52) einen am Ende offenen Kanal umfassen, der in dem Seitenwandende (42, 44) angeordnet ist und sich von der Schaufelspitze zur inneren Kammer (38) innen von der Spitzenkappe (46) erstreckt.

3. Turbomaschinenscnaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Leitmittel eine Vielzahl von abwechselnden Schlitzen (54) und Rippen (55) um den Umfang der Seitenwandenden (42, 44) herum umfassen, wobei sich die Schlitze von der Schaufelspitze bis zur inneren Kammer (3b) erstrecken,und dass eine Metallhülse (5&) um die Seitenwandenden (42, 44) herumgewickelt ist und zusammen mit den Rippen und Schlitzen eine Vielzahl von im allgemeinen radial verlaufenden, am Ende offenen Kanälen (60) bildet.

4. Turbomaschinenscnaufel nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet , dass die Schlitze (54) und Rippen (55) auf dem Aussenumfang der Seitenwandenden (42,44) ausgebildet sind.

5. Turboiuas chinens chaufel nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet , dass die Schlitze (54) und

■ Rippen (55) auf dem Innenumfang der riülse (58) ausgebildet sind.

6. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass eine Verteilernut (56) um den Schaufelumfang herum vorgesehen ist, die jeden Kanal (60) schneidet.

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7- Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Hülse (58) in einer Vertiefung (62) um die Seitenwandenden (42, 44) herum angeordnet ist derart, dass die Hülse im wesentlichen bündig mit den übrigen Schaufelseitenwänden abschliesst.

6. Turboinas chinens chaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet , dass eine Mehrzahl von radial geneigten Kanälen (66) durch die Seitenwände (22, 2¹I) von der inneren Kammer (3b) aus vorgesehen sind, die Kühlmittel als Film über die Seitenwandenden verteilen.

9. Turbomaschinenscnaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass eine Anzahl von radial geneigten Kanälen (6b) durch die Seitenwände (22,24) von der Verteilernut (b6) aus vorgesehen sind, die Kühlmittel als Film über die Seitenwandenden verteilen.

10. Turbomaschinenschaufel mit im Abstand angeordneten, radial verlaufenden Seitenwänden, deren radiale Enden ein offenes, radial äusseres Ende bilden und mit einer Spitzenkappe in dem offenen Ende, die zusammen mit den Seitenwänden eine innere Kühlmittelkammer bildet, dadurch g e kennzeicnnet , dass Mittel vorgesehen sind zum Leiten von Kühlmittel von der inneren Kammer (38) und durch die radialen Enden (42, 44) der Seitenwände (22, 24) zur Ausbildung einer Konvektionskühlung.

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