EP2551460A1 - Schaufelverband - Google Patents

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EP2551460A1
EP2551460A1 EP11175958A EP11175958A EP2551460A1 EP 2551460 A1 EP2551460 A1 EP 2551460A1 EP 11175958 A EP11175958 A EP 11175958A EP 11175958 A EP11175958 A EP 11175958A EP 2551460 A1 EP2551460 A1 EP 2551460A1
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EP
European Patent Office
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free surface
cover plate
blade
blades
contact surface
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11175958A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Muranyi
Andreas Sonnenschein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2551460A1 publication Critical patent/EP2551460A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding

Definitions

  • the invention relates to a blade assembly comprising at least two blades, wherein the blades have a blade root and a cover plate.
  • Such blade assemblies are used, for example, in turbomachines, in particular in steam turbines.
  • Such turbomachines essentially have two components, which are formed by a rotor rotatably mounted about a rotation axis and a housing arranged around the rotor.
  • the rotor usually has so-called turbine blades, which are arranged on the peripheral surface regularly in so-called turbine blade rows, the turbine blade rows being arranged one behind the other viewed in the direction of the axis of rotation.
  • the housing has so-called vanes which are arranged between the blade rows.
  • a steam having a high thermal energy flowing into the steam turbine is expanded and cooled inside the steam turbine, whereby the thermal energy is converted into rotational energy of the rotor.
  • the operating speeds of the rotor can be between 25Hz and 60Hz. In industrial applications, variable speeds are also possible, such as for the drive of compressors.
  • the effects occurring at these speeds often lead to disturbing effects.
  • the operation of steam turbines is characterized by the rotational movement, by the interaction with the steam and other disturbing influences by a high degree of machine dynamics.
  • the invention deals with the problem of damping vibrations. In particular, the vibrations of the turbine blades should be reduced.
  • the turbine blades essentially have a blade root and a cover plate and a flow-mechanically profiled airfoil arranged between the blade root and the cover plate. These blades are caulked into so-called slots in the rotor.
  • Various embodiments of the blade roots are known.
  • the blade roots are formed in fir-tree or hammer-foot shape.
  • the turbine blades are predominantly freestanding, i. designed without shroud.
  • the invention addresses the problem of vibration excitations in the blade structure. It is therefore an object of the invention to provide a blade association in which it comes to lower unwanted vibration excitations.
  • a blade assembly comprising at least two blades, wherein the blades have a blade root and a cover plate, wherein the cover plate has a double-Z shape.
  • the prior art it is known to use simple Z cover plates. By contact of a Z-cover plate with the Z-cover plate of the two adjacent blades of the blade assembly is stiffened and coupled. By friction of the cover plates against each other energy is dissipated and a vibration excitation avoided.
  • Z-cover plate now another form of Z-cover plate is proposed.
  • the shape of the cover plate should now be formed double-Z-like. That means that in comparison to a simple Z-plate having two kinks, now a double-Z cover plate is to be formed, which has twice as many so four kinks.
  • the thus formed double-Z cover plates can thereby form more contact surfaces with each other, resulting in that the blade assembly is coupled together stiffer overall. This coupling of the blades with each other has an influence on the vibration behavior. It can be shown that an increase of various natural frequencies can be achieved by the double-Z cover plate-like design. This can be ensured when moving the natural frequencies that critical natural frequencies are not excited during operation of the turbomachine.
  • the blades are rotationally symmetrical about an axis of rotation.
  • the cover plates have in the circumferential direction substantially parallel to each other aligned side surfaces and a negatively swept with respect to the axis of rotation, first, second and third front free surface, wherein the third front free surface is arranged in the direction of the axis of rotation behind the second front free surface, wherein the second seen in the direction of the axis of rotation substantially behind the first front free surface, wherein the cover plate has a first front contact surface disposed between the first and second front free surface and is positively swept, wherein the cover plate has a second front contact surface, which is arranged between the second and third front free surface and is positively swept.
  • the shroud has a total of five surfaces which are formed from blade cover plate to blade cover plate complementary to each other. At standstill of the steam turbine creates a contact between the first front contact surface and the second front contact surface with an adjacently disposed cover plate of a complementarily shaped blade. At standstill thus a distance between the open spaces is formed.
  • the length b of the second free surface is substantially two to five times as long as the length of the first and second free surface.
  • FIG. 1 shows a first cover plate 1 and a second cover plate 2 of two blades, not shown.
  • the blades form a blade assembly not shown in detail and are formed in the circumferential direction 3 about a rotation axis 4.
  • the cover plates 1, 2 and the blades are made almost identical to each other. In operation, the cover plates 1,2 rotate at high frequencies about the axis of rotation.
  • the blades have a blade root (not shown).
  • the first cover plate 1 and second cover plate 2 are characterized by a shape similar to a double Z shape.
  • the blades are for this purpose designed such that they are arranged rotationally symmetrical about the rotation axis 4 and the first cover plate 1 and the second cover plate 2 in the circumferential direction 3 substantially parallel side surfaces 5 and 6 and have a negatively swept with respect to the rotation axis 4 first front free surface 7, a second front free surface 8 and a third front free surface 9 have.
  • the first front free surface 7 is in Essentially arranged in the direction of the rotation axis 4 arranged one behind the other.
  • the third front free surface 9 is arranged behind the second front free surface 8 when viewed in the direction of rotation of the axis.
  • a first front contact surface 10 is formed, as well as between the second front free surface 8 and the third front free surface 9, a second front contact surface 11 is formed.
  • the first front contact surface 10 and the second front contact surface 11 are positively swept.
  • a surface in the sense of this application is negatively swept when it is rotated in the mathematically negative sense (ie clockwise) seen from the rotation axis direction 4.
  • the first front, second front and third front free surfaces are rotated from the rotation axis 4 in the clockwise direction.
  • the first front contact surface 10 is rotated in a mathematically positive sense. That is, the first front contact surface 10 and the second front contact surface 11 are rotated counterclockwise from the rotation axis direction 4.
  • the adjacent cover plate (first cover plate 1) has a complementary design to the first front, second front, third front free surface, and the first front contact surface and second front contact surface.
  • first cover plate has a first rear free surface 12, a second rear free surface 13 and a third rear free surface 14.
  • the third rear free surface 14 is arranged in rotation axis direction 4 behind the second rear free surface 13.
  • the second rear free surface 13 is arranged in the direction of rotation of the axis behind the first rear free surface 12.
  • the first rear free surface 12, the second rear free surface 13 and third rear free surface 14 are negatively swept.
  • Between the second rear free surface 13 and the third rear free surface 14 is a second rear contact surface 16 trained.
  • the first rear contact surface 15 and the second rear contact surface 16 are positively swept relative to the axis of rotation 4.
  • the first front free surface 7 is formed substantially parallel to the first rear free surface 12.
  • the second front free surface 8 and the second rear free surface 13 and the third front free surface 9 are formed approximately parallel to the third rear free surface 14.
  • the first front contact surface 10 contacts the first rear contact surface 15.
  • contact between the second front contact surface 11 and the second rear contact surface 16 is also possible.
  • the blade root not shown in detail is perpendicular to the axis of rotation 4 seen (ie in the radial direction) formed substantially rhomboid or parallelogram.
  • the length b of the second front free surface 8 is substantially two to five times as long as the length a of the first front free surface 7 and the length c of the third front free surface 9.
  • the first front free surface 7 and the third front free surface 9 are substantially equal in length. This means that a is approximately equal to c.
  • first front contact surface 10 has a length e.
  • the second front contact surface 11 has a length f.
  • the length e and the length f are essentially the same length.
  • the vane dressing according to FIG. 1 is intended for installation in a steam turbine, which means that the vapor direction is guided essentially along the axis of rotation 4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaufelverband mit Deckplatten (1,2), wobei die Deckplatten (1,2) komplementär zueinander ausgebildete Deckplatten (1,2) eine Doppel-Z-Struktur aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schaufelverband umfassend zumindest zwei Schaufeln, wobei die Schaufeln einen Schaufelfuß und eine Deckplatte aufweisen.
  • Solche Schaufelverbände werden beispielsweise in Strömungsmaschinen, insbesondere in Dampfturbinen eingesetzt. Solche Strömungsmaschinen weisen im Wesentlichen zwei Bauteile auf, die durch eine um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor sowie ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse gebildet werden. Der Rotor weist üblicherweise sogenannte Turbinenschaufeln auf, die auf der Umfangsfläche regelmäßig in sogenannten Turbinenschaufelreihen angeordnet sind, wobei die Turbinenschaufelreihen in Richtung der Rotationsachse gesehen hintereinander angeordnet sind.
  • Das Gehäuse weist sogenannte Leitschaufeln auf, die zwischen die Laufschaufelreihen angeordnet werden.
  • Ein in die Dampfturbine strömender Dampf mit einer hohen thermischen Energie wird innerhalb der Dampfturbine entspannt und abgekühlt, wobei die thermische Energie in Rotationsenergie des Rotors umgewandelt wird.
  • Die im Betrieb auftretenden Drehzahlen des Rotors können zwischen 25Hz und 60Hz liegen. Im Rahmen von industriellen Anwendungen sind auch variable Drehzahlen möglich, wie beispielsweise für den Antrieb von Verdichtern.
  • Die bei diesen Drehzahlen auftretenden Effekte führen oftmals zu störenden Wirkungen. Der Betrieb von Dampfturbinen ist durch die Rotationsbewegung, durch die Wechselwirkung mit dem Dampf und anderen Störeinflüssen gekennzeichnet durch ein hohes Maß an Maschinendynamik. Die Erfindung befasst sich mit der Problematik der Dämpfung von Schwingungen. Insbesondere sollen die Schwingungen der Turbinenlaufschaufeln vermindert werden.
  • Die Turbinenschaufeln weisen im Wesentlichen einen Schaufelfuß und eine Deckplatte sowie ein zwischen dem Schaufelfuß und der Deckplatte angeordnetes strömungsmechanisch profiliertes Schaufelblatt auf. Diese Laufschaufeln werden in sogenannte Nuten im Rotor eingestemmt. Bekannt sind verschiedene Ausführungsformen der Schaufelfüße. Beispielsweise werden die Schaufelfüße in Tannenbaumform oder in Hammerfußform ausgebildet. In Dampfturbinen mit niedrigen Dampfdrücken und Dampftemperaturen werden die Turbinenlaufschaufeln vorwiegend freistehend, d.h. ohne Deckband ausgebildet.
  • Ein weiteres Problem von Schwingungsanregungen ist, dass die Laufschaufeln in Folge der Schwingungsanregung Schwingungen durchführen, die zu einer Materialermüdung sowohl der Turbinenschaufel als auch der Rotorklaue führen, in der die Turbinenschaufel angeordnet ist.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem von Schwingungsanregungen im Schaufelverband. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Schaufelverband anzugeben, bei dem es zu geringeren unerwünschten Schwingungsanregungen kommt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Schaufelverband, umfassend zumindest zwei Schaufeln, wobei die Schaufeln einen Schaufelfuß und eine Deckplatte aufweisen, wobei die Deckplatte eine Doppel-Z-Form aufweist. Im Stand der Technik ist es bekannt, einfache Z-Deckplatten zu verwenden. Durch den Kontakt einer Z-Deckplatte mit der Z-Deckplatte der beiden benachbarten Schaufeln wird der Schaufelverband versteift und gekoppelt. Durch Reibung der Deckplatten gegeneinander wird Energie dissipiert und eine Schwingungsanregung vermieden. Erfindungsgemäß wird nunmehr eine andere Form der Z-Deckplatte vorgeschlagen. Die Form der Deckplatte soll nunmehr doppel-Z-artig ausgebildet werden. Das bedeutet, dass im Vergleich zu einer einfachen Z-Platte, die zwei Knicke aufweist, nunmehr eine Doppel-Z-Deckplatte ausgebildet sein soll, die doppelt so viele also vier Knicke aufweist.
  • Die derart ausgebildeten Doppel-Z-Deckplatten können dadurch mehr Kontaktflächen untereinander ausbilden, was dazu führt, das der Schaufelverband insgesamt steifer gekoppelt ist. Diese Kopplung der Schaufeln untereinander hat einen Einfluss auf das Schwingungsverhalten. Es kann gezeigt werden, dass durch die Doppel-Z-deckplattenartige Ausbildung eine Anhebung verschiedener Eigenfrequenzen erzielt werden kann. Dadurch kann beim Verschieben der Eigenfrequenzen sicher gestellt werden, dass kritische Eigenfrequenzen beim Betrieb der Strömungsmaschine nicht angeregt werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung sind die Schaufeln rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse ausgebildet. Die Deckplatten weisen in Umfangsrichtung im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Seitenflächen auf sowie eine gegenüber der Rotationsachse negativ gepfeilte, erste, zweite und dritte vordere Freifläche auf, wobei die dritte vordere Freifläche in Richtung der Rotationsachse gesehen hinter der zweiten vorderen Freifläche angeordnet ist, wobei die zweite vordere Freifläche in Richtung der Rotationsachse gesehen im Wesentlichen hinter der ersten vorderen Freifläche angeordnet ist, wobei die Deckplatte eine erste vordere Kontaktfläche aufweist, die zwischen der ersten und zweiten vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist, wobei die Deckplatte eine zweite vordere Kontaktfläche aufweist, die zwischen der zweiten und dritten vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist. Das bedeutet, dass das Deckband insgesamt fünf Flächen aufweist, die von Schaufeldeckplatte zu Schaufeldeckplatte komplementär zueinander ausgebildet sind. Im Stillstand der Dampfturbine entsteht ein Kontakt zwischen der ersten vorderen Kontaktfläche und der zweiten vorderen Kontaktfläche mit einer benachbart angeordneten Deckplatte einer komplementär ausgebildeten Schaufel. Im Stillstand ist somit ein Abstand zwischen den Freiflächen ausgebildet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Länge b der zweiten Freifläche im Wesentlichen zwei- bis fünfmal so läng wie die Länge der ersten und zweiten Freifläche.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
    • FIG 1
    eine Draufsicht auf die Deckplatten zweier Schaufeln.
  • Die FIG 1 zeigt eine erste Deckplatte 1 und eine zweite Deckplatte 2 zweier nicht näher dargestellten Schaufeln. Die Schaufeln bilden einen nicht näher dargestellten Schaufelverband und sind in Umfangsrichtung 3 um eine Rotationsachse 4 ausgebildet. Aus Symmetriegründen sind die Deckplatten 1, 2 und die Schaufeln nahezu identisch zueinander ausgeführt. Im Betrieb rotieren die Deckplatten 1,2 mit hohen Frequenzen um die Rotationsachse.
  • Die Schaufeln weisen einen Schaufelfuß (nicht dargestellt) auf. Die erste Deckplatte 1 und zweite Deckplatte 2 werden charakterisiert durch eine Form, die einer Doppel-Z-Form ähnelt.
  • Die Schaufeln sind dazu derart ausgebildet, dass sie rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 4 angeordnet sind und die erste Deckplatte 1 und die zweite Deckplatte 2 in der Umfangsrichtung 3 im Wesentlichen parallel ausgerichtete Seitenflächen 5 und 6 aufweisen sowie eine gegenüber der Rotationsachse 4 negativ gepfeilte erste vordere Freifläche 7, eine zweite vordere Freifläche 8 und eine dritte vordere Freifläche 9 aufweisen. Die erste vordere Freifläche 7 ist im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse 4 gesehen hintereinander angeordnet. Die dritte vordere Freifläche 9 ist in Rotationsachsenrichtung gesehen hinter der zweiten vorderen Freifläche 8 angeordnet. Zwischen der ersten vorderen Freifläche 7 und der zweiten vorderen Freifläche 8 ist eine erste vordere Kontaktfläche 10 ausgebildet, ebenso ist zwischen der zweiten vorderen Freifläche 8 und der dritten vorderen Freifläche 9 eine zweite vordere Kontaktfläche 11 ausgebildet. Die erste vordere Kontaktfläche 10 und die zweite vordere Kontaktfläche 11 sind positiv gepfeilt. Eine Fläche im Sinne dieser Anmeldung ist negativ gepfeilt, wenn sie von der Rotationsachsenrichtung 4 aus gesehen im mathematisch negativem Sinne (also im Uhrzeigersinn) gedreht wird. Somit sind die in diesem Sinne erste vordere, zweite vordere und dritte vordere freie Fläche von der Rotationsachse 4 aus im Uhrzeigersinn gedreht. Demgegenüber ist die erste vordere Kontaktfläche 10 in mathematisch positivem Sinne gedreht. D.h., dass die erste vordere Kontaktfläche 10 und die zweite vordere Kontaktfläche 11 gegen den Uhrzeigersinn von der Rotationsachsenrichtung 4 aus gesehen gedreht sind.
  • Die benachbarte Deckplatte (erste Deckplatte 1) weist zu der ersten vorderen, zweiten vorderen, dritten vorderen Freifläche, sowie der ersten vorderen Kontaktfläche und zweiten vorderen Kontaktfläche eine komplementär ausgebildete Struktur auf. Das bedeutet, dass die erste Deckplatte eine erste hintere Freifläche 12, eine zweite hintere Freifläche 13 und eine dritte hintere Freifläche 14 aufweisen. Die dritte hintere Freifläche 14 ist in Rotationsachsrichtung 4 hinter der zweiten hinteren Freifläche 13 angeordnet. Die zweite hintere Freifläche 13 ist in Rotationsachsenrichtung gesehen hinter der ersten hinteren Freifläche 12 angeordnet. Die erste hintere Freifläche 12, die zweite hintere Freifläche 13 und dritte hintere Freifläche 14 sind negativ gepfeilt. Zwischen der ersten hinteren Freifläche 12 und der zweiten hinteren Freifläche 13 ist eine erste hintere Kontaktfläche 15 ausgebildet. Zwischen der zweiten hinteren Freifläche 13 und der dritten hinteren Freifläche 14 ist eine zweite hintere Kontaktfläche 16 ausgebildet. Die erste hintere Kontaktfläche 15 und die zweite hintere Kontaktfläche 16 sind gegenüber der Rotationsachse 4 positiv gepfeilt.
  • Die erste vordere Freifläche 7 ist im Wesentlichen parallel zur ersten hinteren Freifläche 12 ausgebildet. Genauso sind die zweite vordere Freifläche 8 und die zweite hintere Freifläche 13 sowie die dritte vordere Freifläche 9 in etwa parallel zur dritten hinteren Freifläche 14 ausgebildet. Im Stillstand berührt die erste vordere Kontaktfläche 10 die erste hintere Kontaktfläche 15. Im Stillstand ist ebenso ein Kontakt zwischen der zweiten vorderen Kontaktfläche 11 und der zweiten hinteren Kontaktfläche 16 möglich.
  • Der nicht näher dargestellte Schaufelfuß ist senkrecht zur Rotationsachse 4 gesehen (also in radialer Richtung) im Wesentlichen rhomboidförmig oder parallelogrammförmig ausgebildet.
  • Die Länge b der zweiten vorderen Freifläche 8 ist im Wesentlichen zwei bis fünfmal so lang wie die Länge a der ersten vorderen Freifläche 7 und der Länge c der dritten vorderen Freifläche 9.
  • Die erste vordere Freifläche 7 und die dritte vordere Freifläche 9 sind im Wesentlichen gleich lang. Das bedeutet, dass a ungefähr gleich c ist.
  • Des Weiteren weist die erste vordere Kontaktfläche 10 eine Länge e auf. Die zweite vordere Kontaktfläche 11 weist eine Länge f auf. Die Länge e und die Länge f sind im Wesentlichen gleich lang.
  • Der Schaufelverband gemäß FIG 1 ist zum Einbau in eine Dampfturbine vorgesehen, das bedeutet, dass die Dampfrichtung im Wesentlichen entlang der Rotationsachse 4 geführt ist.

Claims (7)

  1. Schaufelverband, umfassend zumindest zwei Schaufeln, wobei die Schaufel einen Schaufelfuß und eine Deckplatte (1, 2) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Deckplatte (1, 2) eine Doppel-Z-Form aufweist.
  2. Schaufelverband nach Anspruch 1,
    wobei die Schaufeln rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse (4) ausgebildet sind und die Deckplatte (1, 2) in einer Umfangsrichtung (3) im Wesentlichen parallel ausgerichtete Seitenflächen (5, 6) aufweist sowie eine gegenüber der Rotationsachse (4) negativ gepfeilte erste (7), zweite (8) und dritte (9) vordere Freifläche aufweist,
    wobei die dritte vordere Freifläche (9) in Richtung der Rotationsachse (4) gesehen im Wesentlichen hinter der zweiten vorderen Freifläche (8) angeordnet ist,
    wobei die zweite vordere Freifläche (8) in Richtung der Rotationsachse (4) gesehen im Wesentlichen hinter der ersten vorderen Freifläche (7) angeordnet ist,
    wobei die Deckplatte (1, 2) eine erste vordere Kontaktfläche (10) aufweist, die zwischen der ersten (7) und zweiten (8) vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist,
    wobei die Deckplatte (1, 2) eine zweite vordere Kontaktfläche (11) aufweist, die zwischen der zweiten (8) und dritten (9) vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist.
  3. Schaufelverband nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der Schaufelfuß senkrecht zur Rotationsachse (4) gesehen im Wesentlichen rhomboidförmig oder parallelogrammförmig ausgebildet ist.
  4. Schaufelverband nach Anspruch 2 oder 3,
    wobei die Länge b der zweiten vorderen Freifläche (8) im Wesentlichen zwei bis fünfmal so lang ist wie die Länge der ersten (7) und dritten (9) Freifläche.
  5. Schaufelverband nach Anspruch 2, 3 oder 4,
    wobei die erste (7) und dritte (9) vordere Freifläche im Wesentlichen gleich lang sind.
  6. Schaufelverband nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
    wobei die erste (10) und zweite (11) vordere Kontaktfläche im Wesentlichen gleich lang sind.
  7. Schaufelverband nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Schaufelverband zum Einbau in eine Dampfturbine vorgesehen ist.
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