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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaufelkühlung und
insbesondere auf eine Laufschaufelkühlung der hohen Temperaturen
ausgesetzten Turbinenlaufschaufeln, die in Strahltriebwerken benutzt
werden.
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Eine
Kühlung
der Turbinenlaufschaufeln in Strahltriebwerken ist äußerst wichtig,
um die strukturelle Integrität
aufrecht zu erhalten und die Möglichkeit
zu schaffen, dass das Triebwerk bei höheren Temperaturen und demgemäß einem
verbesserten Wirkungsgrad arbeitet als dies normalerweise in Verbindung
mit den Werkstoffen möglich
wäre, aus
denen die Laufschaufeln bestehen. Eine Kühlung wird allgemein über die
gesamte Höhe
der Turbinenlaufschaufeln gefordert, und von besonderem Interesse in
Bezug auf die vorliegende Erfindung sind die Schaufelspitzen-Deckbänder einer
jeden Laufschaufel. Derartige Spitzendeckbänder liegen in dem Bereich,
der in der beiliegenden Zeichnung "Stand der Technik" durch die Umfangslinie 100 gekennzeichnet ist.
Diese Turbinenschaufeln stehen auf einer relativ hohen Temperatur
und es ist klar, dass ohne eine Begrenzung der Temperatur eine Oxidation
und daher eine Materialverschlechterung eintritt, was zu einer kürzeren Betriebsdauer
für diese
Schaufeln führt.
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Bisher
wurden zwei Techniken zur Spitzendeckbandkühlung benutzt. Erstens wird
eine große Zahl
von inneren Kühlkanälen innerhalb
der Bereiche der Spitzendeckbänder
angebracht, wo die Temperaturerhöhung
stattfindet. Die Kühlluft
wird durch diese Kanäle
von einem Kühlstollensystem
innerhalb der Laufschaufel geleitet. Diese Art der Kühlung ist
wirksam, sie hat jedoch den beträchtlichen
Nachteil, dass die Deckbandoberfläche verdickt werden muss, um eine
Anpassung an die Löcher
zu ermöglichen,
was wiederum eine Erhöhung
des Gewichtes und demgemäß eine Erhöhung der
Beanspruchung innerhalb der Turbinenlaufschaufel oder der Schaufelwände zur
Folge hat, an denen das Spitzendeckband angeordnet ist. Es ist außerdem einleuchtend,
dass das Bohren dieser Kühlkanäle oder
Löcher
im Spitzendeckband die Herstellungskosten beträchtlich erhöht. In der US-A-5 531 568 ist
ein zweiter Stand der Technik zur Kühlung der Turbinenschaufelspitzen-Deckbänder beschrieben,
wobei Kühlluft über die
Oberseite der Deckbandoberfläche
strömt,
auf der Turbulatoren angeordnet sind, um die Wirksamkeit der Wärmeübertragung
zu verbessern. Obgleich diese zweite Technik nicht so wirksam wie
die erste Technik ist, so hat sie den wesentlichen Vorteil einer
Verminderung der Herstellungskosten und einer Verminderung der durch
das Gewicht bedingten Beanspruchung innerhalb der Schaufel. Der
Hauptnachteil dieser zweiten bekannten Technik besteht darin, dass
die Kühlwirksamkeit
im Vergleich mit der ersten bekannten Kühltechnik wesentlich vermindert
ist, weil der Schaufelspitzendeckband-Leckstrom eine hohe Turbulenz (Verwirbelung)
der Luftströmung
bewirkt, so dass die Kühlluft
schnell dispergiert und verdünnt
wird, bevor sie die äußeren Enden
der Schaufelspitze erreicht. Unter diesen Umständen können diese äußeren Enden überhitzt
und oxidiert werden, was die Lebensdauer der Laufschaufel vermindert.
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Gemäß der Erfindung
betrifft diese eine Schauelkühlvorrichtung
mit einer Schaufelspitze, die ein Deckband und einen Kühlstollen
aufweist, der im Betrieb stromab des Deckbandes und stromauf einer Strömungsmitreißvorrichtung
angeordnet ist, wobei der Stollen Freigabekanäle aufweist, um im Betrieb das
Kühlmittel
dicht benachbart zur Oberfläche
der Schaufelspitze in Richtung stromab freizugeben, wobei die Drehung
der Schaufel zusammen mit dem Strahleffekt und einer Pumpwirkung
das gewünschte Mitreißen bewirkt
und die von der Mitreißvorrichtung gebildete
Kühlmittelströmung in
die Kanäle
drückt, um
dadurch eine Schichtlagenanordnung zu erzeugen, die von der turbulenten
Luftströmung
isoliert ist, die durch das Deckband oder die Vorderkante der Schaufelspitze
erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabekanäle eine
geringe Anstellung in Richtung stromab aufweisen und in Richtung
der im Winkel angestellten Mitreißvorrichtung angestellt sind.
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Vorzugsweise
besitzt der Stollen ein Kernloch von einer Kühlmittelzuführung und einen Hohlraum, von
dem sich die Abgabekanäle
erstrecken.
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Normalerweise
erstrecken sich die Abgabekanäle
seitlich mit einem offenen Ende benachbart zu der Strömungsmitreißvorrichtung.
Im Allgemeinen wird der Abstand zwischen den offenen Enden eines jeden
Abgabekanals und der Mitreißvorrichtung durch
die gewünschte
Strömungsrate
und das Mitreißen
bestimmt.
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Vorzugsweise
umfasst die Strömungsmitreißvorrichtung
aufrecht stehende Lamellen, um Kanäle zum Mitreißen der
Kühlluftströmung zu
bilden. Normalerweise liegen die Lamellen über der Höhe der Abgabekanäle. Im typischen
Fall liegen die Lamellen senkrecht zur Oberfläche der Schaufelspitze. Im
Allgemeinen hat jede Lamelle im Wesentlichen die gleiche Höhe wie die
anderen Lamellen. Stattdessen können
die Lamellen unterschiedliche Höhen
oder unterschiedliche Gestalt haben oder sie bilden einen Winkel
relativ zu den Abgabekanälen
für ein
spezielles Kühlmittelmitreißen, wie
es für
den jeweiligen Teil der Schaufelspitze erforderlich ist, in Abhängigkeit von
der gewünschten
Kühlwirksamkeit
und/oder der Aufrechterhaltung der strukturellen Schaufelintegrität. Normalerweise
bilden die Lamellen einen zusätzlichen
Kontaktoberflächenbereich
zur verbesserten Wärmeübertragung
von der Schaufelspitze auf die Kühlmittelströmung.
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Die
Schaufelspitze kann Auslösestreifen und/oder
andere Verstärkungsmerkmale
zur Wärmeübertragung
aufweisen, um die Wärmeübertragung auf
die Kühlmittelströmung zu
verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Triebwerk mit Turbinenlaufschaufeln,
die eine erfindungsgemäße Schaufelkühlvorrichtung
gemäß vorstehender
Beschreibung aufweisen.
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel anhand
der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine Grundrissansicht einer Laufschaufelspitzenoberfläche;
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2 ist
eine Seitenansicht der Schaufelspitze in Richtung des Pfeiles A
gemäß 1 betrachtet;
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3 ist
eine schematische Ansicht in Richtung des Pfeiles A gemäß 1 betrachtet,
wobei die Luftströmungen
veranschaulicht sind; und
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4 ist
eine schematische Ansicht der Schaufel 2 in Richtung des
Pfeiles B gemäß 1 betrachtet,
wobei die Luftströmungen
veranschaulicht sind.
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Die 1 und 2 zeigen
eine Laufschaufelspitze mit einer Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Schaufelspitze weist Schaufeldeckbänder 1 auf,
die sich seitlich über
die Schaufelspitzenoberfläche
erstrecken. Im Betrieb wirken diese Schaufeldeckbänder mit
einem Gehäuse
eines Triebwerks zusammen (vergleiche die Zeichnung "Stand der Technik"), um eine labyrinthartige
Randdichtung zu erzeugen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Kühlstollen 7 innerhalb
der Struktur der Laufschaufel derart vorgesehen, dass eine Kühlmittelzuführung von
einem Basiskühlsystem
ein Kühlmittel
in Form von Luft durch einen Kernkanal 8 nach dem Stollen 7 liefert.
Der Stollen 7 gibt die Kühlluft über die Oberfläche der
Schaufelspitze frei, um eine Kühlung
herbeizuführen.
Wie ersichtlich, liegt der Stollen 7 stromab des Deckbandes 1,
aber stromauf der Elemente 2, die die Strömung mitreißen. Auf
diese Weise wird Kühlluft,
die von dem Stollen 7 freigegeben wird, durch die Elemente 2 mitgerissen
und in unmittelbare Nähe
der Oberfläche
der Schaufelspitze gefördert,
um eine verbesserte Wärmeübertragung der
Kühlmittelströmung zu
erreichen und um dadurch eine Abkühlung der Schaufelspitze zu
bewirken. 2 veranschaulicht, dass der
Stollen 7 das Kühlmittel über Löcher 5,
benachbart zu den die Strömung
mitreißenden
Elementen 2, freisetzt. Wie ersichtlich, sind im typischen
Fall zwei Freigabelöcher oder
Kanäle 5 für jeden
der die Strömung
mitreißenden
Kanäle
vorgesehen, die durch die Elemente 2 erzeugt werden. Diese
die Strömung
mitreißenden
Elemente 2 bestehen allgemein aus vorstehenden Lamellen,
die im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 12 der Schaufelspitze
vorstehen und sich normal über
die Höhe
der Freigabekanäle 5 erstrecken,
um ein gleichförmiges
Mitreißen
der Kühlluftströmung zu gewährleisten,
die durch jene Kanäle 5 freigesetzt wird.
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Es
ist klar, dass im Betrieb die Schaufelspitze relativ schnell mit
der Turbinenlaufschaufel rotiert, von der sie einen Teil bildet.
Um demgemäß jene Rotationsströmung anzupassen,
sind die Mitreißelemente
oder Lamellen 2 allgemein im Winkel angestellt, wie dies
aus den 1 und 2 ersichtlich ist.
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Wie
oben in Verbindung mit der Oberflächenkühlung der Schaufelspitzen beschrieben,
erzeugt die Vorderkante oder das Schaufeldeckband 1 eine turbulente
Luftströmung,
wenn sich die Schaufel dreht, und jene turbulente Luftströmung verteilt
das Kühlmittel,
wenn ein Zusammenwirken mit der freigesetzten Kühlmittelströmung erfolgt.
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Gemäß der Erfindung
erfolgt durch Benutzung eines Stollens 7 und der Freigabekanäle 5,
die den Mitreißelementen
zugeordnet sind, ein Mitreißen des
freigesetzten Kühlmittels
in eine schichtweise Strömung.
Dieses Mitreißen
wird durch die Mitreißlamellen 2 derart
bewirkt, dass die turbulente Luftströmung, die durch die Deckbänder 1 erzeugt
wird, im Wesentlichen daran gehindert wird, die Kühlströmung, benachbart
auf die Schaufelspitzenoberfläche 12,
zu verteilen. Unter diesen Umständen
kann die Kühlmittelströmung durch
Wärmeübertragung
wirksamer und zweckmäßiger die
Schaufelspitze kühlen. Durch
Erhöhung
der Wirksamkeit der Kühlung
kann die Schaufelspitze mit einer geringeren Kühlströmung gekühlt werden, so dass der Wirkungsgrad
des Triebwerks erhöht
wird, oder es können
die Schaufelspitzen so konstruiert werden, dass sie bei Temperaturen überleben,
die sonst normalerweise als extrem angesehen werden und eine Innenkühlung erfordern, wie
sie gemäß dem ersten
Stand der Technik gemäß vorstehender
Beschreibung benutzt wird, so dass die hiermit verknüpften Kosten
sowie die Nachteile von Gewicht und Beanspruchungen vermindert werden.
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Es
ist auch klar, dass die Mitreißlamellen 2 eine
größere Kontaktoberfläche mit
der Kühlströmung zum
Wärmeaustausch
haben und dadurch den Wirkungsgrad der Kühlung verbessern.
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Die 3 und 4 veranschaulichen schematisch
Kühlluftströmungen innerhalb
einer Schaufelspitze gemäß der vorliegenden
Erfindung. Demgemäß wird Kühlluft über die
Löcher 5 in
die Mitreißkanäle freigesetzt,
die durch die Mitreißelemente oder
Lamellen 2 erzeugt sind. Diese freigegebene Kühlströmung wird
in unmittelbarer Nähe
der Schaufelspitzenoberfläche 12 gehalten,
damit eine Kühlung der
Schaufelspitze erfolgen kann. Wie oben beschrieben, ist die Luftströmung über das
Spitzendeckband 1 und die Vorderkanten der Schaufelspitze in
Richtung der strichlierten Pfeile 4 turbulent. Infolge der
Mitreißelemente
oder Lamellen 2 kann jedoch diese turbulente Luftströmung (strichlierte
Pfeile 4) nicht einfach auf die mitgerissene und freigegebene Kühlluftströmung durch
die Löcher 5 innerhalb
der Kanäle,
die zwischen den Lamellen 2 verlaufen, auftreffen oder
sich hiermit mischen. Daher wird die Kühlströmung nicht verteilt oder verdünnt und
bleibt so länger
wirksam, um die Schaufelspitze zu kühlen. Die Drehung der Laufschaufel
und daher die Drehung der Laufschaufelspitze bewirken zusammen mit dem
Strahleffekt des positiven Druckdifferentials das gewünschte Mitreißen innerhalb
der Kanäle,
das durch die Mitreißelemente
oder Lamellen 2 gebildet wird. Zusammenfassend bewirkt
das durch diese Elemente 2 erzeugte Mitreißen eine
Förderwirkung, um
die durch die Elemente 2 erzeugte Kühlluftströmung innerhalb der Mitreißkanäle hindurchzuzwängen, und
diese beschleunigte Strömung
wirkt zur Verhinderung des Eindringens durch die turbulente Luftströmung (strichlierte
Pfeile 4), die durch die Deckbänder 1 erzeugt wurde,
und so verbleibt die Kühlluftströmung in
der Nähe
der Schaufeloberfläche,
um eine Kühlung
zu bewirken, so dass das Kühlmittel nicht
verteilt und mit der wärmeren
turbulenten Luftströmung über die
Deckbänder 1 und
Kanten (strichlierte Pfeile 4) vermengt wird.
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Wie
aus 4 ersichtlich, erstrecken sich die Freigabelöcher oder
Kanäle 5 allgemein
von einem Kühlkanal
weg, damit die Kühlströmung (Pfeilkopf 3)
nach dem Mitreißelement 2 freigegeben
wird. Natürlich
herrscht innerhalb des Stollens und über den Kanälen 5 allgemein ein
positiver Druck, der die Kühlströmung aus
einer Öffnung 14 des
Kanals 5 heraustreibt. Nachdem die Kühlströmung die Öffnung 14 verlassen
hat, wird das Druckdifferential aufgehoben und das Kühlmittel
kann sich verteilen. Es erfolgt jedoch eine allgemeine Strahlprojektion
nach den Mitreißlamellen 2 als
Ergebnis des positiven Druckes, der die Kühlmittelströmung treibt und dann die Lamellen 2 mit
den Turbinenschaufeln dreht, wenn ein Förderelement wirksam wird, um
jene Kühlmittelströmung "abzuschöpfen", damit die Kühlmittelströmung längs der
Kanäle
zwischen den Mitreißelementen
oder Lamellen 2 hindurchgeführt wird. Demgemäß erzeugt
die erzwungene Luftströmung
allgemein eine Schichtenlage derart, dass ein Eindringen durch die
turbulente Luftströmung 4 verhindert
wird, so dass eine Verteilung der Kühlmittelströmung über die Oberfläche 12 verhindert
wird, so dass die Kühlfunktion
wirksamer durchgeführt
wird. Allgemein ist es, wie in 4 dargestellt,
möglich,
dass die Kühlströmung 3 etwas
nach unten nach den Mitreißelementen
geneigt ist, die von den Lamellen oder Elementen 2 gebildet
werden, um ein gutes Mitreißen
zu erreichen. Es muss jedoch dafür
gesorgt werden, dass der Anstellwinkel klein ist, so dass ein "Aufprallen" der Kühlluftströmung auf
die Oberfläche 12 begrenzt
wird im Gegensatz zu dem günstigen
Mitreißen
durch die turbulenten Luftströmungen
(strichlierte Pfeilköpfe 4),
was eine Verteilung zur Folge hat.
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Ein
günstiges
Mitreißen
der Kühlströmung durch
den Kanal 5 und aus der Öffnung 14 heraus ist ein
Erfordernis der vorliegenden Erfindung. Demgemäß erstrecken sich normalerweise,
wie aus den Figuren ersichtlich, die Mitreißelemente oder Lamellen 2 auf
eine Höhe über den
Kanälen
oder der Öffnung 14.
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Normalerweise
stehen, wie in 2 und 3 dargestellt,
die Mitreißelemente
oder Lamellen 2 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 12 der Schaufelspitze
vor. Jedoch könnten
diese Elemente oder Lamellen 2 im Hinblick auf ein verbessertes Kühlströmungsmitreißen konstruiert
werden. Beispielsweise könnten
die Elemente oder Lamellen 2 Überhangmerkmale aufweisen,
um ein Schöpfen
zu ermöglichen und
dadurch das Mitreißen
der Kühlmittelströmung durch
die Kanäle 5 und
die Öffnung 14 bewirken.
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Wie
oben erwähnt,
werden die Mitreißelemente
oder Lamellen 2 in einer Winkelstellung angeordnet, wie
dies deutlicher aus 1 ersichtlich ist, und zwar
in Übereinstimmung
mit der Rotationsrichtung der Schaufel, auf der die Schaufelspitze
liegt. Eine solche Winkelanstellung verbessert das Kühlströmungsmitreißen und
dadurch einen Strömungsschichtwiderstand
gegenüber
dem Eindringen oder Auftreffen der turbulenten Luftströmung 4.
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Das
in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel hat einen nach
hinten konkaven (Saugseite) Teil einer Schaufelspitze. Die vorliegende
Erfindung könnte
jedoch auch an irgendeiner Stelle des Deckbandes angeordnet werden,
wo Temperaturbedingungen und die Geometrie dies erlauben. Das positive
Kühlmittelströmungsmitreißen innerhalb der
Kanäle,
was durch die Mitreißelemente
oder Lamellen 2 erzeugt wird, gewährleistet einen Widerstand
gegenüber
dem Eindringen durch die turbulente Luftströmung, so dass eine verbesserte
Kühlung durch
die Kühlluftströmung über die
Oberfläche
der Schaufelspitze erreicht wird.
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Die
Mitreißelemente
oder Lamellen 2 sind in die Schaufelspitzenoberfläche eingearbeitet,
und zwar normalerweise in jenen Teil der Schaufelspitzenoberfläche, aus
dem das Deckband 1 hergestellt ist. Diese Elemente oder
Lamellen 2 können
in spezieller Weise unter irgendeinem gewünschten Winkel und in irgendeiner
Form oder Höhe
bearbeitet werden, um die beste Durchführung der Kühlung der Schaufelspitzenoberfläche durch
Luft zu gewährleisten,
die über
die Kanäle 5 abgezweigt
wird oder durch die Kanäle 5 im
Leckstrom fließt.
Stattdessen könnten
die Mitreißelemente
getrennte Bauteile sein, die in geeigneter Weise an der Schaufelspitze
festgelegt sind. Allgemein wird die Drehzahl derart berücksichtigt,
dass die Elemente oder Lamellen 2 im Wesentlichen senkrecht
zur Verwirbelungsrichtung des Kühlmittelleckstromes
beim Drehen der Schaufel verlaufen und, wie oben erwähnt, in
ihrer Höhe über der Öffnung 14 der
Kanäle 5 vorstehen.
Um eine weitere Verbesserung und Wärmeübertragung innerhalb der Kanäle zwischen
den Mitreißelementen 2 zu
erreichen, können
geriffelte oder gewellte Auslösestreifen
oder andere Strukturen, die die Wärmeübertragungskoeffizienten-Verstärkung bewirken,
zum Wärmeaustausch
mit der Kühlmittelströmung vorgesehen
werden.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine Oberflächenkühltechnik vorgesehen, um eine
adäquate
Kühlung
der Schaufelspitze zu gewährleisten. Wie
oben erwähnt,
hat die Oberflächenkühlung den Vorteil
eines geringeren zusätzlichen
Gewichts in Verbindung mit einer geringeren Beanspruchung und geringeren
Herstellungskosten im Vergleich mit der speziellen Anordnung einer
großen
Zahl von Kühlkanälen und Öffnungen
in der strukturellen Wanddicke der tatsächlichen Schaufelspitze. Unter
diesen Umständen
kann die Breite 6 der Schaufelspitze dünner gehalten werden, da diese
Dicke keine Kanäle
und Öffnungen
für die
Freigabe des Kühlmittels
benötigt, wobei
aber eine genügende
strukturelle Integrität aufrecht
erhalten bleibt, um eine Verbiegung oder Beschädigung im Betrieb zu vermeiden.
Kurz gesagt, ermöglichen
die Mitreißelemente
oder Lamellen 2 eine verbesserte Kühlwirksamkeit mit einer auf
der Oberfläche
freigegebenen Kühlströmung durch
Mitreißen
und Halten jener Kühlströmung benachbart zur
Oberfläche 12,
um diese zu kühlen.
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Die
spezielle Höhe,
Gestalt und Winkelorientierung der Mitreißelemente oder Lamellen 2 kann über die
Schaufelspitzenoberfläche
gleich oder verschieden sein, je nach den speziellen Kühlerfordernissen
oder der Notwendigkeit, eine höhere örtliche Festigkeit
oder Kühlung
in der Schaufelspitze zu erreichen.