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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Stator, einem Rotor sowie einer Dichteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der Druckschrift
EP 1 467 066 A2 bekannt ist.
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Eine Gasturbine im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine so genannte „stationäre Gasturbine” oder ein Flugtriebwerk sein.
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Gasturbinen weisen üblicherweise einen Verdichter (mit gegebenenfalls mehreren Verdichterstufen), eine Brennkammer sowie eine Turbine (mit gegebenenfalls mehreren Turbinenstufen) auf.
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Im Bereich der Turbine sowie im Bereich des Verdichters sind dabei jeweils ein oder mehrere Rotoren vorgesehen, die mit Schaufeln, den so genannten Laufschaufeln, versehen sind. Umgeben wird die Anordnung üblicherweise von einem Stator, der beispielsweise von einem Gasturbinengehäuse gebildet wird. Am Stator können dabei zusätzliche Schaufeln, die so genannten Leitschaufeln, angeordnet sein. Im Bereich der Leitschaufeln sowie der Laufschaufeln besteht das Problem der so genannten Spaltabdichtung. Dieses Problem besteht darin, dass nennenswerte Spalte zwischen den radial außen gelegenen Enden der Laufschaufeln und dem Stator bzw. Gehäuse bzw. radiale Spalte zwischen den radial innen gelegenen Enden der Leitschaufeln und den entsprechenden Gegenflächen, wie Mantelfläche des Rotors, Leistungsverluste bedingen.
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Die
EP 382 993 B1 schlägt für Gasturbinentriebwerke ein abschleifbares Dichtungssystem vor, bei dem eine Schicht abschleifbares Material auf einem stationären Bauteil angeordnet ist, wobei ein hierzu relativ bewegtes Bauteil an seinem freien Ende einen Schleifüberzug hat, der mit dem stationären Bauteil in Wechselwirkung tritt, wobei zur Verbesserung des Wirkungsgrades eine dünne, vorübergehende Schicht von kolloidealen Keramikpartikeln, die durch das abschleifbare Material nicht benetzbar ist, auf den Schleifüberzug aufgebracht wird, um eine negative Wechselwirkung zwischen der Schicht des abschleifbaren Materials und dem bewegten Bauteil in einer Anfangsperiode des Laufes des Triebwerks zu minimieren.
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In einer weiteren Druckschrift (
US 2003 0 080 510 A1 ) wird ein gebogenes bzw. gewelltes Rohrsystem zum Abdichten dargestellt, das durch ein Fluid betätigt wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine zu schaffen, bei der sich ein Spalt zwischen einem Rotor und einem Stator gering halten lässt und gegebenenfalls sogar flexibel einstellen lässt, und zwar auf einfache Art und Weise.
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Erfindungsgemäß wird insbesondere eine Gasturbine gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Gestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es wird also insbesondere eine Gasturbine mit einem eine axiale Durchtrittsöffnung für Luft aufweisenden Stator und mit wenigstens einem, in dieser axialen Durchtrittsöffnung angeordneten Rotor vorgeschlagen. Der Stator weist mehrere Leitschaufeln auf. Dies ist insbesondere so, dass diese Leitschaufeln nach radial innen in die Durchtrittsöffnung ragen. Der Rotor weist mehrere Laufschaufeln auf, und zwar insbesondere radial nach außen abragende Laufschaufeln. Es ist insbesondere vorgesehen, dass jeweils mehrere Leitschaufeln nach Art eines Kranzes angeordnet sind. Zur Veränderung bzw. Verminderung eines radialen Spaltes zwischen dem Rotor und dem Stator ist eine Dichteinrichtung vorgesehen. Diese Dichteinrichtung weist eine Faltenkonstruktion auf. Die Gasturbine weist ferner einen Aktuator auf, dessen Verstellweg quer zur Radialrichtung gelegen ist und gegen mindestens ein Festgelenk der Faltenkonstruktion direkt angelenkt ist. Eine solche Faltenkonstruktion ist insbesondere so, dass ein sich länglich bzw. sich flächenmäßig erstreckendes Teil mehrfach gefaltet ist, und zwar insbesondere mit abwechselndem Falt- bzw. Drehsinn. Beispielsweise kann die Faltenkonstruktion aus Blech sein. So kann beispielsweise die Faltenkonstruktion oder ein Lamellenpaket der Faltenkonstruktion nach Art eines Bleches ausgebildet sein, das Knicke bzw. Festkörpergelenke aufweist. Dies kann insbesondere so sein, dass diese Faltenkonstruktion bzw. dieses gefaltete bzw. geknickte Blech ziehharmonikaartig auseinander- und zusammenbewegt werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist also insbesondere vorgesehen, dass die von der Dichteinrichtung umfasste Faltenkonstruktion wenigstens ein Lamellenpaket aus aneinander angelenkten Lamellen aufweist. Wie angesprochen, können die Gelenkstellen dabei Festkörpergelenke sein; es kann aber auch vorgesehen sein, dass solche Gelenkstellen Scharniere oder dergleichen sind.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die von der Dichteinrichtung umfasste Faltenkonstruktion mehrere in Axialrichtung des Rotors benachbarte Lamellenpakete aus jeweils aneinander angelenkten Lamellen aufweist.
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Der radiale Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor kann beispielsweise zwischen radial außen gelegenen Enden von Laufschaufeln und einem diese umgebenden Gehäuse bzw. dem Stator gegeben sein. Es kann auch – ergänzend bzw. alternativ – vorgesehen sein, dass der entsprechende radiale bzw. einer entsprechender radialer Spalt zwischen radial innen gelegenen Enden von Leitschaufeln und einer Mantelfläche des Rotors gegeben ist, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die radial innen gelegenen Enden der Leitschaufeln mit An- oder Aufsätzen versehen sind, in welchen in vorteilhafter Weiterbildung eine Vertiefung, wie z. B. Sacköffnung, eingebracht ist, die nach radial innen offen ist.
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Es ist also insbesondere bevorzugt, dass der Stator eine Vertiefung, wie z. B. Sacköffnung, aufweist, und zwar insbesondere eine Vertiefung, die zur radialen Innenseite hin offen ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass sich die Faltenkonstruktion oder ein Teil der Faltenkonstruktion in diese Vertiefung erstreckt. Die Länge der Faltenkonstruktion bzw. des Lamellenpakets oder der Lamellenpakete ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung in Radialrichtung – die Radialrichtung bezieht sich dabei auf die Radialrichtung der zentralen Längsachse des Rotors – zur Veränderung der Breite bzw. Weite des axialen Spalts veränderbar. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Breite bzw. Weite des angesprochenen radialen Spalts einstellbar und/oder steuerbar und/oder regelbar ist. Zu diesem Zweck kann eine Einstelleinrichtung bzw. elf Aktuator bzw. Aktor vorgesehen sein. Die Einstelleinrichtung bzw. der Aktuator ist in vorteilhafter Ausgestaltung am Stator angeordnet oder in diesem integriert.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Faltenkonstruktion in Radialrichtung – der Begriff „Radialrichtung” bezieht sich ja auf die Radialrichtung der zentralen Längsachse des Rotors – verlagerbar ist bzw. hinsichtlich der Länge der Faltenkonstruktion veränderbar ist, und zwar insbesondere derart, dass die Faltenkonstruktion nach radial innen über die Vertiefung hinausragen kann bzw. in einer Stellung bewegt werden kann, in welcher sie nach radial innen über die Vertiefung hinausragt bzw. aus dieser herausragt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist zur Einstellung der Länge der wenigstens einen Faltenkonstruktion bzw. des wenigstens einen Lamellenpakets in Radialrichtung – diese Radialrichtung bezieht sich auf die Radialrichtung der zentralen Längsachse des Rotors – eine Einstelleinrichtung bzw. ein Aktuator vorgesehen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass jedes Lamellenpaket separat ansteuerbar ist; alternativ kann vorgesehen sein, dass – sofern mehrere Lamellenpakete vorgesehen sind – diese gemeinsam ansteuerbar sind.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einstelleinrichtung als Regeleinrichtung gestaltet ist und eine Regelung des radialen Spaltes – insbesondere in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Gasturbine bzw. des Flugtriebwerks bei deren bzw. des Betrieb – ermöglicht. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine derartige Regeleinrichtung eine adaptive Anpassung des Spaltes an die Betriebsbedingungen der Gasturbine bzw. des Flugtriebwerks bei deren bzw. des Betrieb ermöglicht.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Faltenkonstruktion bzw. das oder die Lamellenpakete – bezogen auf die Umfangsrichtung der zentralen Längsachse des Rotors – umfangsmäßig geschlossen ausgebildet sind.
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Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Faltenkonstruktion bzw. das oder die Lamellenpakete als Belag bzw. als Einlaufbelag ausgebildet sind bzw. als solcher wirken.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Lamellen bzw. die Faltenkonstruktion aus einem entsprechenden Material, das sich als Einlaufbelag eignet, ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Faltenkonstruktion bzw. das oder die Lamellenpakete beim Einlaufen elastisch ausweichen und bei stärkerem Einlaufen beispielsweise ein Einlaufverhalten zeigen, das ähnlich dem bei Wabendichtungen ist.
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Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Faltenkonstruktion bzw. das oder die Lamellenpakete auf ihrer – bezogen auf die Radialrichtung der zentralen Längsachse des Rotors – radial innen gelegenen Seite einen Einlaufbelag tragen. Dabei kann vorgesehen sein, dass im Hinblick auf die Laufschaufeln die im radial außen gelegenen Spitzen mit einem solchen Einlaufbelag zusammenwirken.
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Im Hinblick auf die Leitschaufeln kann vorgesehen sein, dass ein derartiger Einlaufbelag auf der radial innen gelegenen Seite der Leitschaufeln vorgesehen ist und von einer – insbesondere in der erwähnten Art in einer Vertiefung aufgenommenen – Faltenkonstruktion getragen wird, wobei am Rotor elf Abschnitt oder Vorsprung zum Zusammenwirken mit einem solchen Einlaufbelag vorgesehen ist.
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in besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in wenigstens einer vorbestimmten Stellung Endlamellen des Lamellenpakets bzw. der Lamellenpakete aus der Vertiefung, in denen dieses Lamellenpaket bzw. diese Lamellenpakete bzw. diese Faltenkonstruktion angeordnet ist, herausragen, wobei die – bezogen auf die Radialrichtung des der zentralen Längsachse des Rotors – am weitesten radial innen gelegene Lamelle zur Strömungsrichtung der Luft geneigt ist, und zwar so, dass sich – bezogen auf diese Endlamelle – deren freies bzw. radial innen gelegenes Ende am weitesten in Luftströmungsrichtung befindet. Eine derartige Gestaltung kann besonders günstig im Hinblick auf die Strömungsverhältnisse sein.
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Es versteht sich, dass die Dichteinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung keineswegs so sein muss, dass diese hermetisch abdichtet.
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Im Folgenden sollen nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden, wobei die Erfindung allerdings nicht ausschließlich auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll. Dabei zeigt:
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1 eine erste, beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Ansicht;
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2 eine zweite, beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Ansicht;
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3 eine dritte, beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Ansicht; und
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4 eine vierte, beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Ansicht.
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Die 1 bis 4 zeigen vier verschiedene Ausführungsbeispiele einer beispielhaften erfindungsgemäßen Gasturbine 1 in schematischer Ansicht.
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Bei diesen Gestaltungen weist die Gasturbine einen Stator 10 sowie einen Rotor 12 auf. Der Stator 10 ist insbesondere ein Gehäuse, wie Gasturbinen- bzw. Triebwerksgehäuse, oder ein Abschnitt desselben, wie beispielsweise Verdichtergehäuse oder Turbinengehäuse. Der Stator 10 weist mehrere – in den Figuren nicht gezeigte – Leitschaufeln auf, und der Rotor 12 weist mehrere Laufschaufeln auf. Im Stator 10 bzw. im Gehäuse 10 ist eine Vertiefung 14 vorgesehen. In dieser Vertiefung 14 wird eine Faltenkonstruktion 16 aufgenommen. Die Faltenkonstruktion 16 wird hier von einer Vielzahl von Lamellenpaketen 18, die jeweils mehrere aneinander angelenkte Lamellen 20 aufweisen, gebildet. Die Faltenkonstruktion 16 ist Bestandteil einer Dichteinrichtung 17. Die Lamellenpakete 18 sind in Axialrichtung des Rotors 12 – diese Axialrichtung ist in den Figuren schematisch durch den Doppelpfeil 22 angedeutet – axial benachbart. Quer zur angesprochenen Axialrichtung 22 kann die Faltenkonstruktion 16 bzw. die Lamellenpakete 18 hinsichtlich ihrer Ausdehnung verändert werden. Dies ist insbesondere so, dass die Lamellenpakete 18 ziehharmonikaartig verlängert bzw. verkürzt werden können. Eine Endlamelle 20a ragt über die Vertiefung 14 hinaus, und zwar – bezogen auf die Radialrichtung des Rotors 12 – nach radial innen heraus. Diese Endlamellen 20a können dabei so geneigt sein, dass das freie Ende dieser Endlamelle 20a bzw. Endlamellen 20a der Strömungsrichtung der Luft, die durch den Pfeil 24 schematisch angedeutet ist, stromab des gebundenen Endes dieser Endlamelle 20a angeordnet ist.
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Die Lamellen 20 sind dabei vorteilhafterweise über Festgelenke miteinander gekoppelt, so dass ein entsprechender Knick in eine entsprechende Beweglichkeit gegeben ist. Die Lamellen 20 können beispielsweise aus Metall sein, so dass die Lamellenpakete von entsprechenden, gefalteten, Metallbändern gebildet werden. Die Lamellenpakete können entsprechend dem Doppelpfeil 26 verlängert und verkürzt werden, und zwar insbesondere, um den radialen Spalt zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 12 entsprechend zu vergrößern oder zu verkleinern.
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Bei der Gestaltung gemäß 1 ist ein Regler bzw. eine Verstelleinheit bzw. ein Aktuator 28 zur Betätigung bzw. Verstellung der Faltenkonstruktion 16 bzw. der Lamellen 20 bzw. der Lamellenpakete 18 vorgesehen. Dies ist insbesondere so, dass der Verstellweg quer zum Wirkweg gelegen ist. Der entsprechende Verstellweg ist in 1 beispielhaft durch den Doppelpfeil 32 verdeutlicht während der Wirkweg durch den Doppelpfeil 34 verdeutlicht ist, der im Übrigen entsprechend dem Doppelpfeil 26 ausgerichtet ist.
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Eine solche Ausgestaltung kann auch bei den Ausgestaltungen gemäß den 2 bis 4 gegeben sein.
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In 2 wird besonders die strömungsgünstige Lamellenausrichtung hervorgehoben, wie gut an den dortigen, die Luftströmung verdeutlichenden, Pfeilen 24 erkannt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass in den Gestaltungen gemäß den 1 bis 3 die Faltenkonstruktion als Belag bzw. Einlaufbelag 36 ausgebildet ist.
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Bei der Gestaltung gemäß 3 ist vorgesehen, dass der Rotor bzw. die radial ausgelegenen Schaufelenden des Rotors 12 direkt in die Faltenkonstruktion 16 einlaufen. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass diese Faltenkonstruktion 16 bzw. diese Lamellenpakete 18 beim Einlaufen elastisch ausweichen, und zwar insbesondere bei verhältnismäßig schwächerem Einlaufen.
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Ferner ist dort insbesondere vorgesehen, dass bei stärkerem Einlaufen das Einlaufverhalten ähnlich dem einer Wabendichtung ist.
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Bei der Gestaltung gemäß 4 ist ein flächenförmiger – sich insbesondere in Strömungsrichtung 24 der Luft erstreckender Einlaufbelag 38 vorgesehen, der von der Faltenkonstruktion 16 bzw. den Lamellenpaketen 18 getragen wird, und zwar in derer radial innen gelegenen Ende – bezogen auf die Radialrichtung der zentralen Längsachse des Rotors 12. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird die Erfindung im Bereich von Verdichter von Gasturbinen bzw. im Bereich von Verdichtern von Flugtriebwerken eingesetzt, so dass der Rotor 12 und der Stator 10 entsprechend der Verdichterabschnitte sind.
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Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, ermöglicht die Erfindung – zumindest bei der Ausgestaltung gemäß vorteilhaften Weiterbildungen – eine Vielzahl von Vorteilen und Wirkungen. So lässt sich beispielsweise eine verbesserte Spalthaltung in Verdichtern erreichen. Ferner lässt sich betriebsbedingter Degradation (Spalterhöhung) durch Alterung, Erosion, etc. entgegenwirken. Insbesondere dadurch kann der Wirkungsgrad erhalten oder zumindest in nicht so starker Maße verringert werden. Ferner lässt sich der Pumpgrenzenabstand beibehalten. Möglich wird auch eine aktive Steuerung der Spalte in Teillastbereichen. Ferner wird eine strömungsgünstige Konstruktion besser ermöglicht (Casing Treatment).
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Es lässt sich insbesondere eine gezielte Spaltkontrolle und Strömungsbegünstigung erreichen.
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Die Faltkonstruktionen 16 bestehen vorzugsweise aus dünnwandigen Strukturen. Durch Wegverstellung in einer Richtung kann eine vergleichsweise größere Wegverstellung in der senkrecht dazu orientieren Richtung erzeugt werden. Gleichzeitig ist es möglich, eine Faltkonstruktion 16 zu erzeugen, die einen strömungsgünstigen Aufbau aufweist. Insbesondere eine dünnwandige Konstruktion ermöglicht ein direktes Einlaufen. Alternativ ist das Anbringen eines inneren Standardbelagsystems möglich.
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Die dauerhafte und gezielte Einstellung des Spaltes zwischen Rotor und Stator durch adaptive Anpassung des Spaltes an die Betriebsbedingungen durch den Regler wird ermöglicht. Dies kann insbesondere zu einer Verringerung der Spaltverluste und einer Verringerung der Gefahr für Verdichterpumpen über die Lebensdauer des Aggregates führen. Ferner kann ein dauerhafter Spaltverlust durch Einlaufen vermieden werden. Überdies kann eine aerodynamisch günstige Gestaltung mit verbesserten Strömungsbedingungen bzw. Strömungseigenschaften (Verringerung der Strömungsverluste) erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasturbine
- 10
- Stator von 1
- 12
- Rotor von 1
- 14
- Vertiefung in 10
- 16
- Faltenkonstruktion
- 18
- Lamellenpaket
- 20
- Lamelle
- 20a
- Endlamelle
- 20b
- freies Ende von 20a
- 22
- Axialrichtung von 12 (Doppelpfeil)
- 24
- Strömungsrichtung Luft (Pfeil)
- 26
- Doppelpfeil
- 28
- Verstelleinheit bzw. Aktuator
- 32
- Verstellweg (Doppelpfeil)
- 34
- Wirkweg (Doppelpfeil)
- 36
- Einlaufbelag
- 38
- Einlaufbelag
