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Die Erfindung betrifft einen Verdichter einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Gasturbinen, wie zum Beispiel Flugtriebwerke, bestehen aus mehreren Baugruppen, nämlich einem Lüfter bzw. Fan, vorzugsweise mehreren Verdichtern, einer Brennkammer, sowie vorzugsweise mehreren Turbinen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads und Arbeitsbereichs solcher Gasturbinen ist es erforderlich, alle Subsysteme bzw. Komponenten der Gasturbine zu optimieren. Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung des Wirkungsgrads bzw. Arbeitsbereichs von Verdichtern, insbesondere von transsonischen Hochdruckverdichtern.
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Verdichter von Gasturbinen bestehen in der Regel aus mehreren in Durchströmung axial hintereinander angeordneten Stufen, wobei jede Stufe von durch einem Rotor zugeordneten, einen Laufschaufelkranz bildenden Laufschaufeln sowie einem Leitschaufelkranz gebildet wird. Die dem Rotor zugeordneten, den Laufschaufelkranz bildenden Laufschaufeln rotieren zusammen mit dem Rotor gegenüber den feststehenden Leitschaufeln und einem ebenfalls feststehend ausgebildeten Gehäuse. Zur Reduzierung von Herstellungskosten werden zunehmend kompakte Bauformen von Verdichtern mit möglichst geringen Stufenzahlen angestrebt. Andererseits steigen aufgrund der stetigen Optimierung des Wirkungsgrads sowie Arbeitsbereichs derartiger Verdichter die Gesamtdruckverhältnisse innerhalb der Gasdruckturbine bzw. des Verdichters und damit die Stufendruckverhältnisse zwischen einzelnen Stufen.
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Bei zunehmend größer werdenden Stufendruckverhältnissen und zunehmend geringeren Stufenzahlen ergeben sich zwangsläufig höhere Umfangsgeschwindigkeiten der rotierenden Bauteile des Verdichters. Die mit der Reduzierung der Stufenzahl steigenden Drehzahlen führen einerseits zu wachsenden mechanischen Belastungen insbesondere an den mit dem Rotor rotierenden Laufschaufeln und andererseits zu einer sogenannten supersonischen Anströmung der Laufschaufeln sowie zu transsonischen Strömungsverhältnissen innerhalb der Schaufelgitter.
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Bei derartigen Strömungsverhältnissen bedarf es einer optimierten, aerodynamischen Auslegung eines Verdichters, wobei bei einer solchen aerodynamischen Auslegung insbesondere auf eine sorgfältige Konturierung der Schaufelprofile sowie der Schaufelvorderkante zu achten ist.
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Zur Beeinflussung des Stabilitätsverhaltens eines Fans bzw. Lüfters und damit zur Optimierung des Wirkungsgrads sowie Arbeitsbereichs desselben ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Fanschaufeln eines Fans im Bereich ihrer Vorderkante im Sinne eines Pfeilungswinkels zu neigen. Dabei unterscheidet man Fanschaufeln, deren Vorderkanten im Sinne einer Vorwärtspfeilung geneigt sind, von solchen Laufschaufeln, deren Vorderkanten im Sinne einer Rückwärtspfeilung geneigt sind. Diesbezüglich kann auf die
US 5,167,489 verwiesen werden.
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Aus der
EP 1 111 188 A2 ist ein aerodynamisches Profil eines Fans bzw. eines Verdichters einer Gasturbine mit einem Vorderkanten-Profilsehnenverlauf zwischen einem Fuß und einer Spitze bekannt.
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Aus der
EP 0 774 567 A1 sind Schaufelblätter einer Turbomaschine bekannt, die bezüglich unterschiedlicher Druckwellen und unterschiedlicher Stoßfronten optimiert sind. Die Gestaltung der Schaufelblätter werden mithilfe von Pfeilungswinkelformen beschrieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen neuartigen Verdichter einer Gasturbine sowie ein neuartige Gasturbine zu schaffen.
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Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der eingangs genannte Verdichter durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Vorderkanten der Laufschaufeln derart um einen sich mit der Höhe der jeweiligen Laufschaufel ändernden Pfeilungswinkel geneigt, dass die Vorderkanten in einem radial zwischen 60% und 100% der Höhe der Laufschaufel außenliegenden Bereich zumindest einen Vorwärtspfeilungswinkel, einen sich radial außen an den Vorwärtspfeilungswinkel anschließenden Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Rückwärtspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel radial außen anschließenden Vorwärtspfeilungswinkel aufweisen.
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Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird der Wirkungsgrad sowie der Arbeitsbereich des Verdichters durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorderkante der Laufschaufeln optimiert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorderkante der Laufschaufeln ergibt sich eine aerodynamisch optimale Lage einer Stoßwelle bzw. Stoßfront des Verdichters bezüglich der Vorderkante der angeströmten Laufschaufel. Es ist eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass die Lage der Stoßfront bzw. Stoßwelle des Verdichters bezüglich der Vorderkante der Laufschaufeln zur Bereitstellung eines optimalen Wirkungsgrads sowie Arbeitsbereichs des Verdichters von Bedeutung ist. Die aus dem Stand der Technik bekannten Pfeilungen der Vorderkanten von Fanschaufeln beeinflussen lediglich die Lage einer Stoßfront bzw. Stoßwelle auf einer Saugseite der Fanschaufeln. Es ist demnach eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorderkanten von Verdichterlaufschaufeln eine optimierte Lage der Stoßfront bezüglich der Vorderkante, nämlich ein Anliegen der Stoßfront an der Vorderkante im radial außenliegenden Bereich, erzielt werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der radial außenliegende Bereich der Vorderkanten, in welchem dieselben zumindest einen Vorwärtspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwärtspfeilungswinkel anschließenden Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Rückwärtspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel anschließenden Vorwärtspfeilungswinkel aufweisen, zwischen 65% und 100%, vorzugsweise zwischen 70% und 100%, der Höhe der Laufschaufeln.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Vorderkanten der Laufschaufeln in diesem radial außenliegenden Bereich in der Richtung von radial innen nach radial außen einen Vorwärtspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwärtspfeilungswinkel anschließenden Rückwärtspfeilungswinkel und einen sich an den Rückwärtspfeilungswinkel anschließenden Vorwärtspfeilungswinkel auf. Im dem radial außenliegenden Bereich zwischen 60% und 100%, vorzugsweise zwischen 70% und 100%, der Höhe der Laufschaufel schließen demnach dann zwei vorwärtsgepfeilte Abschnitte einen rückwärtsgepfeilten Abschnitt ein.
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Die erfindungsgemäße Gasturbine ist im Patentanspruch 10 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter in einer Ansicht von radial außen auf zwei Laufschaufelprofile des erfindungsgemäßen Verdichters, wobei die beiden Laufschaufelprofile im Querschnitt entlang der bei in etwa 80% der Schaufelhöhe verlaufenden Schnittlinie I-I gemäß 3 gezeigt sind;
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2 einen schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter in einer Ansicht senkrecht zur Saugseite einer Laufschaufel des Verdichters; und
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3 einen schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter in einer Meridianebenenansicht des Verdichters mit zusammen mit der Lage eines Verdichtungsstoßes nahe der Vorderkante der Laufschaufel.
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Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 in größerem Detail erläutert.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter 10 im Bereich von zwei Laufschaufeln 11 und 12 in einer Ansicht von radial außen. In 2 ist neben den Laufschaufeln 11 und 12 auch eine Rotornabe 13 des Verdichters 10 erkennbar. Die Laufschaufeln 11 und 12 rotieren zusammen mit dem Rotor entlang der durch den Pfeil 14 visualisierten Richtung. Ein Pfeil 15 visualisiert die Durchströmungsrichtung bzw. Anströmrichtung des durch die Laufschaufeln 11 und 12 gebildeten Laufschaufelgitters des Verdichters 10. Die Anströmung des Laufschaufelgitters bzw. der Laufschaufeln 11 und 12 erfolgt dabei vorzugsweise im Überschallbereich, wobei die Abströmung von den Laufschaufeln 11 und 12 im Unterschallbereich erfolgt.
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Jede der Laufschaufeln 11 und 12 des Laufschaufelgitters wird im Wesentlichen von einer Strömungseintrittskante bzw. Vorderkante 16, einer Strömungsaustrittskante bzw. Hinterkante 17 und einer zwischen der Vorderkante 16 und der Hinterkante 17 verlaufenden, eine Saugseite 18 und eine Druckseite 19 bildenden Schaufeloberfläche 20 begrenzt. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln 11 und 12 im Bereich der Vorderkanten 16 vorzugsweise im Überschallbereich, die Abströmung derselben im Bereich der Hinterkanten 17 erfolgt vorzugsweise im Unterschallbereich. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden die Vorderkanten 16 der Laufschaufeln 11 und 12 so gestaltet, dass eine gasdynamische Verträglichkeit der Laufschaufeln 11 und 12 mit einem Verdichterstoß gegeben ist. Bei einer derartigen gasdynamischen Verträglichkeit der Laufschaufel 11, 12 mit dem Verdichterstoß liegt eine Stoßfront des Verdichterstoßes im Bereich der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufel 11 an. So zeigen 1 und 3 eine Stoßfront 21, die bei erfindungsgemäß ausgebildeten Laufschaufeln an der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufel 11 anliegt, und zwar in einem radial außenliegenden Bereich der Vorderkante 16. Ein derartiges Anliegen der Stoßfront 21 an der angeströmten Verdichterschaufel 11 ist aerodynamisch und gasdynamisch optimal. Mit der Bezugsziffer 22 ist in 1 eine von der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufel 11 beabstandete bzw. abgelöste Stoßfront gezeigt, die sich bei aus dem Stand der Technik bekannten Verdichtern einstellt, deren Laufschaufeln nicht im Sinne der Erfindung ausgebildet sind. Eine derart von der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufel 11 abgelöste Stoßfront des Verdichterstoßes wird mit der hier vorliegenden Erfindung vermieden, und hierdurch wird der Wirkungsgrad sowie Arbeitsbereich des Verdichters 10 optimiert.
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Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind die Vorderkanten 16 der Laufschaufeln 11, 12 derart um einen sich mit der Höhe der Laufschaufeln ändernden Pfeilungswinkel geneigt, dass die Vorderkanten 16 in einem radial außenliegenden Bereich derselben zumindest einen Vorwärtspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwärtspfeilungswinkel radial außen anschließenden Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel radial außen anschließenden Vorwärtspfeilungswinkel aufweisen. Dieser Bereich ist in 2, welche eine Ansicht senkrecht zur Saugseite 18 der Laufschaufel 11 zeigt, mit der Bezugsziffer 23 gekennzeichnet. Die Saugseite 18 der Laufschaufel 11 ist aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung in 2 schraffiert dargestellt, wohingegen die Saugseite 18 der dahinter positionierten Laufschaufel 12 von der Laufschaufel 11 teilweise verdeckt und nicht-schraffiert dargestellt ist.
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Der radial außenliegende Bereich 23 der Vorderkanten 16 der Laufschaufeln, in welchem dieselben zumindest den Vorwärtspfeilungswinkel, den sich an den Vorwärtspfeilungswinkel radial außen anschließenden Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und den sich an den Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel radial außen anschließenden Vorwärtspfeilungswinkel aufweisen, liegt zwischen 60% und 100% der radialen Höhe der Laufschaufeln 11, 12. Vorzugsweise liegt dieser Bereich zwischen 70% und 100% der radialen Höhe der Laufschaufeln 11, 12. Die erfindungsgemäße Konturierung der Vorderkanten 16 der Laufschaufeln 11, 12 betrifft demnach den Bereich der Schaufelspitzen der Laufschaufeln 11, 12 – und zwar ausgehend vom Nabenbereich 13 die letzten 40% bzw. 30% der Laufschaufeln 11, 12.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung weisen die Vorderkanten 16 der Laufschaufel 11, 12 in diesem radial außenliegenden Beriech 23 von radial innen nach radial außen gesehen zuerst einen Vorwärtspfeilungswinkel, dann einen sich an den Vorwärtspfeilungswinkel anschließenden Rückwärtspfeilungswinkel und sodann einen sich an den Rückwärtspfeilungswinkel anschließenden, abermaligen Vorwärtspfeilungswinkel auf. Bevorzugt ist demnach eine Ausgestaltung der Laufschaufeln, bei welchem dieselben innerhalb des radial außenliegenden Bereichs 23 zwei Abschnitte mit Vorwärtspfeilungswinkeln aufweisen, wobei sich zwischen diesen beiden Abschnitten mit einem Vorwärtspfeilungswinkel ein Abschnitt mit einem Rückwärtspfeilungswinkel positioniert ist.
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Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe Vorwärtspfeilungswinkel sowie Rückwärtspfeilungswinkel derart definiert sein, dass eine Laufschaufel 11, 12 an einer Vorderkante 16 dann bei einer gewissen radialen Höhe einen Vorwärtspfeilungswinkel aufweist, wenn ein Punkt an der Vorderkante 16 eines Laufschaufelschnitts bei dieser radialen Höhe gegenüber den Vorderkantenpunkten nabenseitig benachbarter bzw. radial unterhalb benachbarter bzw. radial innerhalb benachbarter Laufschaufelschnitte stromaufwärts positioniert ist. Demgegenüber liegt ein Rückwärtspfeilungswinkel vor, wenn ein Punkt an der Vorderkante 16 des Laufschaufelschnitts bei einer gewissen radialen Höhe gegenüber den Vorderkantenpunkten nabenseitig benachbarter bzw. radial unterhalb benachbarter bzw. radial innerhalb benachbarter Laufschaufelschnitte stromabwärts positioniert ist. Bei einem Nullpfeilungswinkel sind benachbarte Vorderkantenpunkten strömungstechnisch zueinander nicht versetzt ausgerichtet. Die Durchströmungsrichtung ist in 1 und 3 durch einen Pfeil 24 visualisiert. Der Pfeilungswinkel bezieht sich auf die tatsächliche Anströmrichtung der Laufschaufel.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden Erfindung verfügt die Vorderkante 16 der Laufschaufeln 11, 12 bei einer Höhe von in etwa 60% bis 80% der radialen Höhe der Laufschaufel 11, 12 über einen Vorwärtspfeilungswinkel. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei welcher dieser Vorwärtspfeilungswinkel bei einer Höhe von in etwa 75% der radialen Höhe der Laufschaufel 11, 12 liegt. An diesen Vorwärtspfeilungswinkel schließt sich dann ein Bereich mit einem Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel an, wobei die Vorderkante 16 bei einer Höhe von in etwa 80% bis 90%, insbesondere bei einer radialen Höhe von in etwa 85%, diesen Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel aufweist. An diesen Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel schließt sich dann bevorzugt in einem Bereich bei einer radialen Höhe von in etwa 90% bis 100% wiederum ein Bereich der Vorderkante 16 mit einem Vorwärtspfeilungswinkel an. Eine derartige Ausgestaltung der Laufschaufeln 11, 12 ist gasdynamisch bzw. aerodynamisch besonders bevorzugt und gewährleistet ein Anliegen der Stoßwelle eines Verdichtungsstoßes an der angeströmten Laufschaufel. Hierdurch wird der Wirkungsgrad bzw. Arbeitsbereich des Verdichters positiv beeinflusst.
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Es sei darauf hingewiesen, dass Vorwärtspfeilungswinkel sowie Rückwärtspfeilungswinkel vorzugsweise Werte bis zu 20° aufweisen. Es sind aber auch größere Vorwärtspfeilungswinkel und Rückwärtspfeilungswinkel im Sinne der Erfindung möglich.
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Wie aus der obigen Darstellung der Erfindung ersichtlich ist, betrifft die Erfindung die Konturierung der Schaufelvorderkante in dem radial außenliegenden Bereich 23, der wie bereits erwähnt zwischen 50% und 100%, insbesondere zwischen 60% und 100%, bevorzugt zwischen 70% und 100%, der Höhe der Laufschaufel liegt.
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Der Bereich der Schaufelvorderkante 16, der zwischen der Nabe 13 und dem radial außenliegenden Bereich 23 liegt, kann beliebig konturiert sein. So zeigt 3 schematisiert unterschiedliche Konturierungen der Vorderkante 16 im Bereich zwischen der Nabe 13 und dem erfindungsgemäß konturierten, radial außenliegenden Bereich 23. So ist in 3 in diesem Bereich zwischen der Nabe 13 und dem radial außenliegenden Bereich 23 in gestrichelter Linienführung eine Rückwärtspfeilung und mit durchgezogener Linienführung eine Vorwärtspfeilung der Vorderkante 16 dargestellt. Hierdurch soll zum Ausdruck gebracht werden, dass die Konturierung der Vorderkante 16 im Bereich zwischen der Nabe 13 und dem erfindungsgemäß konturierten, radial außenliegenden Bereich 23 frei gewählt werden kann. Ebenso kann die Konturierung der Hinterkante 17 frei gewählt werden.
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Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach eine gasdynamisch sowie aerodynamisch optimierte Beschaufelung von Verdichterrotoren bereitgestellt, wobei insbesondere die radial außenliegenden Schaufelspitzen der Laufschaufeln im Bereich der Vorderkanten im Hinblick auf einen Verdichterstoß gasdynamisch verträglich ausgeführt sind. Die Kopfwelle eines Verdichterstoßes liegt an der Vorderkante der angeströmten Laufschaufel an. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorderkante der Laufschaufel in einem radial außenliegenden Bereich zumindest eine hybride Pfeilung aufweist, wobei diese hybride Pfeilung zumindest von einem vorwärtsgepfeilten Abschnitt und einem sich hieran radial außen anschließenden, rückwärtsgepfeilten Abschnitt gebildet wird.
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Es ergeben sich zumindest die folgenden Vorteile: es wird ein besserer Wirkungsgrad des Verdichters erzielt; der Verdichter verfügt über einen erweiterten Betriebsbereich mit gutem Wirkungsgrad und damit über einen breiteren Arbeitsbereich; der Pumpgrenzabstand der Verdichters wird optimiert; das Schwingungsverhalten wird durch die sich einstellende, geänderte radiale Verteilung der Sehnenlänge verbessert; es stellt sich ein verbessertes Anstreifverhalten der Laufschaufeln ein. Wie 1 und 3 entnommen werden kann, liegt die Stoßfront an der erfindungsgemäß ausgebildeten Laufschaufel im radial außenliegenden, erfindungsgemäß konturierten Bereich der Vorderkante der angeströmten Laufschaufel an. Ein derartiges Anliegen der Stoßfront an der angeströmten Verdichterschaufel ist aerodynamisch und gasdynamisch optimal.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdichter
- 11
- Laufschaufel
- 12
- Laufschaufel
- 13
- Rotornabe
- 14
- Pfeil
- 15
- Pfeil
- 16
- Vorderkante
- 17
- Hinterkante
- 18
- Saugseite
- 19
- Druckseite
- 20
- Schaufelblattoberfläche
- 21
- Stoßfront
- 22
- Stoßfront
- 23
- Bereich
- 24
- Pfeil
