DE102013219814B3 - axial compressor - Google Patents
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Abstract
Bei einem Axialverdichter mit einem Verdichtungsgitter mit einem Kranz von Schaufeln (10), deren radial innere und/oder äußere Enden mit einer ringförmigen Endwand (16) verbunden sind und die jeweils eine Anströmkante (12), eine Abströmkante (13), eine Druckseite (14), eine Saugseite (15) und eine Höhe H aufweisen, wobei der Kranz von Schaufeln (10) eine Teilung t besitzt, und mit jeweils einer den Übergang zwischen einer Schaufel (10) und der Endwand (16) bildenden Ausrundung (19a, 19b), ist vorgesehen, dass die Ausrundung (19a) auf der Druckseite (14) eine sich entlang der Endwand (16) erstreckende Breite bD und eine entlang der Schaufel (10) erstreckende Höhe hD besitzt, und dass die Höhe hD der Ausrundung (19a) auf der Druckseite (14) von der Anströmkante (12) aus stromabwärts zunimmt.In the case of an axial compressor with a compression grid with a ring of blades (10), the radially inner and / or outer ends of which are connected to an annular end wall (16) and which each have a leading edge (12), a trailing edge (13), a pressure side ( 14), have a suction side (15) and a height H, the ring of blades (10) having a division t, and each with a rounding (19a, which forms the transition between a blade (10) and the end wall (16), 19b), it is provided that the fillet (19a) on the pressure side (14) has a width bD extending along the end wall (16) and a height hD extending along the blade (10), and that the height hD of the fillet ( 19a) increases on the pressure side (14) from the leading edge (12) downstream.
Description
Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter mit einem Verdichtungsgitter mit einem Kranz von Schaufeln, deren radial innere und/oder äußere Enden mit einer ringförmigen Endwand verbunden sind und jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen.The invention relates to an axial compressor with a compression grid with a ring of blades whose radially inner and / or outer ends are connected to an annular end wall and each having a leading edge, a trailing edge, a pressure side and a suction side.
Bei der Durchströmung von Leit- und Laufschaufelgittern von Turbomaschinen kommt es zu Verlusten, welche den Wirkungsgrad der Schaufelreihen und damit auch der gesamten Maschine begrenzen. Diese Strömungsverluste lassen sich im Wesentlichen in Reibungsverluste an den Oberflächen (Schaufel sowie Naben- und Gehäusewände) und Verluste aufgrund von Sekundärströmungen im Randzonenbereich der Schaufelgitter unterteilen. Speziell die Verringerung der Sekundärströmungsverluste ist ein wichtiger Bestandteil der Forschung auf dem Gebiet der Verdichtertechnologie, da vor dem Hintergrund einer immer weiter steigenden Nachfrage an Energie und eines stetig zunehmenden Flugverkehrsaufkommens der Belastung der Umwelt durch CO2 nur durch effizientere Gasturbinen und Flugtriebwerke entgegengewirkt werden kann.The flow through the guide and blade lattices of turbomachines results in losses which limit the efficiency of the blade rows and thus also of the entire machine. These flow losses can be subdivided essentially into friction losses on the surfaces (blade and hub and housing walls) and losses due to secondary flows in the edge zone region of the blade grids. In particular, the reduction of secondary flow losses is an important part of research in the field of compressor technology, because against the background of ever increasing demand for energy and a steadily increasing air traffic volume the pollution of the environment by CO 2 can be counteracted only by more efficient gas turbines and aircraft engines.
Die Beeinflussung und Verringerung der Sekundärströmung und der aus ihr resultierenden Verluste ist speziell in der Verdichteraerodynamik in den letzten Jahrzehnten eines der zentralen Themen der Forschung gewesen. Da gerade die Strömungsverhältnisse in den Randzonen durch komplexe Wirbelsysteme und Sekundärströmungen geprägt sind, stellt sich deren gezielte Beeinflussung als wissenschaftliche Herausforderung dar.Influencing and reducing secondary flow and the resulting losses has been one of the central topics of research, especially in compressor aerodynamics in recent decades. Since the flow conditions in the peripheral zones are characterized by complex vortex systems and secondary flows, their targeted influencing poses a scientific challenge.
Die
Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades moderner Verdichter ist demzufolge stark mit der Beeinflussung der Sekundärströmungseffekte (Kanalwirbel) gekoppelt, da auf diese Weise die Verluste reduziert werden können.A further increase in the efficiency of modern compressors is therefore strongly associated with the influence of the secondary flow effects (channel vortices), since in this way the losses can be reduced.
Eine möglichst homogene Verteilung des Abströmwinkels hinter den einzelnen Schaufelreihen eines Verdichters ist im Auslegungsprozess ein wesentliches Kriterium, da zu große Abweichungen bzw. Schwankungen des Abströmwinkels eine stark inhomogene Zuströmung zur nachfolgenden Schaufelreihe bedeutet. Dies kann erheblichen Einfluss auf das Leistungs- und Verlustverhalten der einzelnen Stufen sowie des gesamten Verdichters haben.A very homogeneous distribution of the outflow angle behind the individual rows of blades of a compressor is an essential criterion in the design process, since too large deviations or fluctuations in the outflow angle means a highly inhomogeneous inflow to the subsequent blade row. This can have a considerable influence on the power and loss performance of the individual stages as well as of the entire compressor.
Die inhomogenen Abströmwinkelverteilungen treten im Wesentlichen in den Randzonen der Schaufelreihen und somit im Übergangsbereich zwischen Endwand und der Schaufel auf und werden durch die dort vorherrschenden Sekundärströmungsphänomene verursacht. Eine bekannte Methode zur Strömungsbeeinflussung ist die Verwendung einer Ausrundung am Schaufelwandübergang, sogenannte Fillets. Fillets haben die Aufgabe, den Übergang der Querströmung von den Wänden auf die Schaufel möglichst verlustarm zu realisieren. Fertigungsbedingt werden zurzeit Schaufeln zumeist mit einem Fillet mit konstantem Radius hergestellt, wobei derartige Fillets keinen signifikanten Effekt auf die Abströmwinkelverteilung haben.The inhomogeneous Abströmwinkelverteilungen occur essentially in the edge zones of the blade rows and thus in the transition region between the end wall and the blade and are caused by the prevailing there secondary flow phenomena. An acquaintance Method for influencing the flow is the use of a fillet at the blade wall transition. Fillets have the task of realizing the transition of the transverse flow from the walls to the blade with as little loss as possible. For production reasons, blades are usually produced with a constant radius fillet, with such fillets having no significant effect on the outflow angle distribution.
Axialverdichter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sind beispielsweise in
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axialverdichter zu schaffen, der eine verbesserte Abströmwinkelverteilung aufweist.It is the object of the present invention to provide an axial compressor which has an improved outflow angle distribution.
Der erfindungsgemäße Axialverdichter ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert.The axial compressor according to the invention is defined by the features of patent claim 1.
Der erfindungsgemäße Axialverdichter weist ein Verdichtungsgitter mit einem Kranz von Schaufeln auf, deren radial äußere und/oder innere Enden mit einer ringförmigen Endwand verbunden sind und die jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite, eine Saugseite und eine Höhe H aufweisen, wobei der Kranz von Schaufeln eine Teilung t besitzt. Den Übergang zwischen einer Schaufel und der Endwand bilden Ausrundungen, sogenannte Fillets. Die Ausrundungen erstrecken sich auf der Druckseite entlang der Endwand mit einer Breite bD und entlang der Schaufel mit einer Höhe hD. Die Höhe hD der Ausrundung auf der Druckseite nimmt von der Anströmkante aus stromabwärts zu.The axial compressor according to the invention comprises a compression grid with a ring of blades, the radially outer and / or inner ends are connected to an annular end wall and each having a leading edge, a trailing edge, a pressure side, a suction side and a height H, wherein the garland of blades has a pitch t. The transition between a blade and the end wall form fillets. The fillets extend on the pressure side along the end wall with a width b D and along the blade with a height h D. The height h D of the rounding on the pressure side increases from the leading edge downstream.
Es hat sich herausgestellt, dass über die Kontur der Ausrundung die Ausbildung des Kanalwirbels beeinflusst werden kann. Die erfindungsgemäße Kontur der Ausrundung erstreckt sich insbesondere im stromabwärtigen Bereich der Schaufel relativ weit auf die Schaufel. Auf diese Weise wird der statische Druck im Eckenbereich reduziert und der Druckgradient in Teilungsrichtung nimmt ab. Dieser Druckgradient ist die treibende Kraft für die Querströmung an der Endwand von der Druckseite einer Schaufel zu der Saugseite der benachbarten Schaufel und somit auch für die Ausbildung des Kanalwirbels. Durch den reduzierten Druckgradienten entsteht eine geringere Ablenkung der Strömung an der Endwand und folglich wird die Überumlenkung im wandnahen Bereich reduziert. Die Abschwächung des Druckgradienten verringert auch die Rotation des Kanalwirbels, wodurch die oberhalb der Endwand vorliegende Minderumlenkung reduziert ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ausrundung führt somit zu einer verbesserten Abströmverteilung und somit zu einer verbesserten Zuströmung einer nachfolgenden Schaufelreihe. Der Kranz von Schaufeln kann einen Rotor bilden, bei dem die Endwand durch die Nabe gebildet ist oder einen Stator, bei dem die Endwand durch die Gehäusewand gebildet ist. Ferner sind Ausführungsbeispiele möglich, bei dem ein Stator sowohl durch die Nabe als auch durch die Gehäusewand gebildete Endwände aufweist.It has been found that the contour of the fillet can influence the formation of the channel vortex. The contour of the fillet according to the invention extends relatively far onto the blade, in particular in the downstream region of the blade. In this way, the static pressure in the corner region is reduced and the pressure gradient in the direction of division decreases. This pressure gradient is the driving force for the transverse flow at the end wall from the pressure side of a blade to the suction side of the adjacent blade and thus also for the formation of the channel vortex. Due to the reduced pressure gradient creates a lower deflection of the flow at the end wall and consequently the over-deflection is reduced in the near-wall area. The weakening of the pressure gradient also reduces the rotation of the channel vortex, reducing the minor deflection present above the end wall. The inventive design of the fillet thus leads to an improved outflow distribution and thus to an improved inflow of a subsequent blade row. The ring of vanes may form a rotor in which the end wall is formed by the hub or a stator in which the end wall is formed by the housing wall. Furthermore, embodiments are possible in which a stator has end walls formed both by the hub and by the housing wall.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auf der Druckseite im Bereich der ersten Schaufelhälfte die Breite bD der Ausrundung von der Anströmkante aus stromabwärts zunimmt. Dabei ist vorzugsweise die Breite bD in der Schaufelmitte maximal. Eine derartige Kontur der Ausrundung führt auf der Druckseite im stromabwärtigen Bereich der Schaufel zu einer sehr großen Ausrundung, wobei sich diese relativ weit auf die Endwand erstreckt. Dadurch wird der statische Druck im Eckenbereich weiter reduziert, wodurch der Druckgradient in Teilungsrichtung weiter abnimmt. Dadurch kann, wie bereits beschrieben, die Ausbildung des Kanalwirbels beeinflusst werden, wodurch eine Reduzierung der Überumlenkung bzw. Minderumlenkung erreicht werden kann.It is preferably provided that, on the pressure side in the region of the first blade half, the width b D of the fillet increases downstream from the leading edge. In this case, preferably the width b D in the middle of the blade is maximum. Such a contour of the fillet leads to a very large rounding on the pressure side in the downstream region of the blade, which extends relatively far on the end wall. As a result, the static pressure in the corner region is further reduced, as a result of which the pressure gradient in the division direction continues to decrease. As a result, as already described, the formation of the channel vortex can be influenced, as a result of which a reduction of the over-deflection or under-deflection can be achieved.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auf der Druckseite gilt: bD/t ≥ hD/H. Ein derartiges Verhältnis der Breite bD, die auf die Teilung t bezogen ist, und der Höhe hD, die auf die Schaufelhöhe H bezogen ist, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.It is preferably provided that the following applies on the pressure side: b D / t ≥ h D / H. Such a ratio of the width b D , which is related to the pitch t, and the height h D , which is related to the blade height H, has proved to be particularly advantageous.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Ausrundung auf der Druckseite eine gleichgerichtete Krümmung aufweist. Ferner kann ein gleichmäßiger Übergang zwischen der Schaufel und der Endwand, der glatt und kantenlos ist, bestehen.It is preferably provided that the fillet on the pressure side has a rectified curvature. Furthermore, there can be a smooth transition between the blade and the end wall, which is smooth and edgeless.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Druckseite der den Übergang zwischen Schaufel und Ausrundung beschreibende Gradient gradDS zumindest in der zweiten Schaufelhälfte stromabwärts abnimmt. Die Länge des Gradienten beschreibt den Verlauf der Oberfläche der Ausrundung, wobei ein kleiner Gradient einer Kontur der Ausrundung bildet, deren Verlauf sich frühzeitig von der Schaufeloberfläche löst und somit eine relativ dicke Ausrundung bildet. Ein großer Gradient hingegen führt zu einer Kontur der Ausrundung, die sich in ihrem Verlauf langsam von der Schaufeloberfläche löst und somit eine dünne Ausrundung bildet. Es hat sich herausgestellt, dass eine Kontur der Ausrundung, bei der auf der Druckseite stromabwärts der Gradient gradDS abnimmt und somit die Dicke der Ausrundung am Übergang zur Schaufel zunimmt, besonders vorteilhaft für die Beeinflussung des Kanalwirbels ist.In one embodiment of the invention, it is provided that, on the pressure side, the gradient grad DS describing the transition between the blade and the fillet decreases downstream, at least in the second blade half. The length of the gradient describes the course of the surface of the fillet, wherein a small gradient forms a contour of the fillet, the course of which dissolves prematurely from the blade surface and thus forms a relatively thick fillet. In contrast, a large gradient leads to a contour of the fillet, which slowly dissolves in its course from the blade surface and thus forms a thin fillet. It has been found that a contour of the fillet, in which the gradient grad DS decreases on the pressure side downstream and thus the thickness of the fillet at the transition to the blade increases, is particularly advantageous for influencing the channel vortex.
Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass auf der Druckseite der dem Übergang zwischen Endwand und Ausrundung beschreibende Gradient gradDE zumindest in der zweiten Schaufelhälfte stromabwärts zunimmt. Die Kontur der Ausrundung wird somit stromabwärts bei dem Übergang zwischen Endwand und Ausrundung dünner. Eine derartig ausgebildete Ausrundung hat sich als besonders vorteilhaft zur Beeinflussung des Kanalwirbels herausgestellt.The invention may further provide that at the pressure side of the junction between end wall and fillet descriptive gradient, grad DE at least in the second blade half increases downstream. The contour of the fillet thus becomes thinner downstream at the transition between end wall and fillet. Such a trained rounding has been found to be particularly advantageous for influencing the channel vortex.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausrundung auf der Saugseite eine sich entlang der Endwand erstreckende Breite bS und eine entlang der Schaufel erstreckende Höhe hS besitzt und dass die Höhe hS der Ausrundung auf der Saugseite von der Anströmkante aus stromabwärts zunimmt, wobei vorzugsweise die Höhe hS an der Abströmkante maximal ist. Die Ausrundung an der Saugseite erstreckt sich somit insbesondere im stromabwärts gelegenen Bereich relativ weit auf die Schaufel. Eine derartige Ausgestaltung der Ausrundung auf der Saugseite kann bei einem Axialverdichter auch unabhängig von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ausrundung auf der Druckseite verwirklicht sein.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the rounding on the suction side has a width b S extending along the end wall and a height h S extending along the blade, and that the height h S of the rounding on the suction side is downstream from the leading edge increases, wherein preferably the height h S at the trailing edge is maximum. The fillet on the suction side therefore extends relatively far onto the blade, in particular in the region downstream. Such an embodiment of the fillet on the suction side can also be realized in the case of an axial compressor independently of the embodiment according to the invention of the fillet on the pressure side.
Es hat sich herausgestellt, dass durch eine sich stromabwärts verändernde Kontur der Ausrundung auf der Saugseite die Eckenablösung verringert bzw. verhindert werden kann, wodurch nicht nur die Abströmwinkelverteilung verbessert werden kann, sondern darüber hinaus durch die Ausrundung entstehende Verluste verringert werden können.It has been found that by a downstream changing contour of the rounding on the suction side, the corner separation can be reduced or prevented, whereby not only the Abströmwinkelverteilung can be improved, but also caused by the rounding losses can be reduced.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Breite bS der Ausrundung auf der Saugseite von der Anströmkante aus stromabwärts zunimmt, wobei vorzugsweise die Breite bS an der Abströmkante maximal ist.It can be provided that the width b S of the rounding on the suction side of the leading edge of downstream increases, wherein preferably the width b S at the trailing edge is maximum.
Die Ausrundung erstreckt sich somit insbesondere im stromabwärts gelegenen Bereich sehr weit auf die Endwand.The fillet thus extends very far to the end wall, especially in the downstream region.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Ausrundung, die auf der Saugseite stromabwärts langsam anwächst und die maximale Größe im Bereich der Abströmkante besitzt, ein Ablösegebiet mit geringem statischen Druck an der Endwand hervorruft. Dadurch wird in diesem Bereich der Endwand ein zusätzliches Druckgefälle geschaffen, welches im Gegensatz zu dem in Teilungsrichtung wirkenden Druckgradienten gerichtet ist. Auf diese Weise kann die Überumlenkung an der Endwand bei der Abströmung von der Abströmkante reduziert werden.It has been found that a fillet that grows slowly downstream on the suction side and has the maximum size in the region of the trailing edge, creates a low static pressure release region on the end wall. As a result, an additional pressure gradient is created in this region of the end wall, which is directed in contrast to the force acting in the direction of division pressure gradient. In this way, the deflection can be reduced at the end wall in the outflow from the trailing edge.
Die Erfindung kann vorsehen, dass auf der Saugseite gilt: bS/t ≥ hS/H. Es hat sich herausgestellt, dass dieses Verhältnis der auf die Teilung t bezogenen Breite bS zu der auf die jeweilige Schaufelhöhe H bezogenen Höhe hS der Ausrundung besonders vorteilhaft für die Beeinflussung des Abströmwinkels ist.The invention may provide that on the suction side: b S / t ≥ h S / H. It has been found that this ratio of the width b S related to the pitch t to the height h S of the fillet related to the respective blade height H is particularly advantageous for influencing the outflow angle.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf der Saugseite der den Übergang zwischen Schaufel und Ausrundung beschreibende Gradient gradSS von der Anströmkante zur Schaufelmitte hin stromabwärts ansteigt und/oder von der Schaufelmitte aus zur Abströmkante hin stromabwärts abnimmt. Die Kontur der Ausrundung ist somit vom Übergang zur Schaufel im Bereich der Schaufelmitte dünner als in den Bereichen der Anströmkante und/oder der Abströmkante ausgebildet.In one exemplary embodiment of the invention, it may be provided that on the suction side the gradient grad SS describing the transition between the blade and fillet increases downstream from the leading edge to the blade center and / or decreases downstream from the blade center toward the trailing edge. The contour of the fillet is thus made thinner from the transition to the blade in the region of the blade center than in the regions of the leading edge and / or the trailing edge.
Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass auf der Saugseite der den Übergang zwischen Endwand und Ausrundung beschreibende Gradient gradDS von der Anströmkante aus zur Schaufelmitte hin stromabwärts ansteigt und/oder von der Schaufelmitte aus zur Abströmkante hin stromabwärts abnimmt. Die Kontur der Ausrundung kann somit auf der Saugseite bei dem Übergang der Endwand auf die Ausrundung im Bereich der Schaufelmitte dünn ausgebildet sein und verdickt sich zu der Anströmkante und/oder der Abströmkante hin.The invention may further provide that on the suction side of the transition between the end wall and fillet descriptive gradient grad DS downstream of the leading edge towards the blade center increases downstream and / or decreases downstream of the blade center to the trailing edge. The contour of the fillet can thus be made thin on the suction side at the transition of the end wall to the fillet in the region of the blade center and thickened towards the leading edge and / or the trailing edge.
Eine derartige Ausgestaltung der Ausrundung auf der Saugseite hat sich zur Homogenisierung der Abströmung und zur Verlustreduzierung als besonders vorteilhaft herausgestellt.Such a configuration of the fillet on the suction side has been found to be particularly advantageous for homogenizing the outflow and for reducing the loss.
Die Erfindung sieht im Wesentlichen vor, die statische Druckverteilung an der Endwand im Eckenbereich zwischen Schaufel und Endwand innerhalb der Schaufelpassage und im Bereich der Schaufelhinterkante zu beeinflussen. Über die dreidimensionale Konturierung der Ausrundung wird der Druckgradient in Teilungsrichtung innerhalb der Schaufelpassage im Bereich der Schaufeldruckseite reduziert. Dadurch wird die Ablenkung der Querströmung an der Endwand von der Druckseite einer Schaufel zur Saugseite der benachbarten Schaufel verringert und die Rotation des Kanalwirbels ist reduziert. Dadurch wird eine Reduzierung der Minder- und Überumlenkung im Randzonenbereich der Schaufelpassage erreicht, wodurch eine homogene Abströmung möglich ist. Zusätzlich entsteht an der Abrundung im Bereich der Abströmkante aufgrund von Ablösungen ein Bereich niedrigen statischen Drucks, wodurch hier ein zusätzlicher Druckgradient existiert, der in Richtung Druckseite der Schaufel gerichtet ist und damit eine Geschwindigkeitskomponente an der Endwand erzeugt, die ebenfalls der Überumlenkung im Bereich der Endwand entgegenwirkt. Dadurch kann die Abströmwinkelverteilung hinter dem Schaufelkranz zusätzlich homogenisiert werden.Essentially, the invention provides for influencing the static pressure distribution on the end wall in the corner region between the blade and end wall within the blade passage and in the region of the blade trailing edge. The three-dimensional contouring of the fillet reduces the pressure gradient in the division direction within the blade passage in the area of the blade pressure side. Thereby, the deflection of the cross flow at the end wall from the pressure side of one blade to the suction side of the adjacent blade is reduced, and the rotation of the channel vortex is reduced. As a result, a reduction in under- and over-steering is achieved in the edge zone region of the blade passage, whereby a homogeneous outflow is possible. In addition, a region of low static pressure is created at the rounding off in the region of the trailing edge due to detachments, whereby an additional pressure gradient exists here, which is directed towards the pressure side of the blade and thus produces a velocity component on the end wall, which also causes the deflection in the region of the end wall counteracts. As a result, the outflow angle distribution behind the blade ring can be additionally homogenized.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
Es zeigen:Show it:
In
Jede Schaufel
Der Übergang zwischen der Endwand
Die druckseitigen Ausrundungen
Wie am besten aus
Die Ausrundung
Die Kontur der Ausrundung
Der Übergang zwischen der Ausrundung zu der Schaufel kann durch einen Gradienten beschrieben werden, wobei der saugseitige Gradient als gradSS und der druckseitige Gradient als gradDS bezeichnet wird. Der Übergang von der Ausrundung zu der Endwand kann ebenfalls durch einen Gradienten beschrieben werden, wobei der druckseitige Gradient gradDE und der saugseitige Gradient gradSE ist. Die Länge des Gradienten bestimmt, ob die Ausrundung eine dickere oder dünnere Form aufweist. Ein Gradient mit einer kleinen Länge ergibt eine dicke Form der Ausrundung
Die in der
Die Form und Größe der Kontur der Ausrundung
An der Saugseite
Der den Übergang zu der Endwand
Eine derartige Ausbildung der Ausrundungen
Die Kontur der Ausrundungen
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