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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rotierende Laufschaufel
und einen Rotor für
eine Dampfturbine und insbesondere auf eine Befestigungsanordnung
zum Befestigen einer Laufschaufel einer Dampfturbine an einem Rotor,
wobei die Anordnung die lokalen und mittleren Beanspruchungen minimiert.
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Der
Dampfströmungspfad
einer Dampfturbine wird von einem stationären Zylinder und einem Rotor
gebildet. Eine Anzahl von stationären Leitschaufeln ist in einer
umlaufenden Reihe an dem Zylinder angebracht und erstreckt sich
nach innen in den Dampfströmungspfad
hinein. In ähnlicher
Weise ist eine Anzahl von rotierenden Laufschaufeln in einer umlaufenden
Reihe an dem Rotor angebracht und erstreckt sich nach außen in den
Dampfströmungspfad
hinein. Die stationären
Leitschaufeln und die rotierenden Laufschaufeln sind in abwechselnden Reihen
angeordnet, so dass eine Reihe von Leitschaufeln und die unmittelbar
stromabwärts
angeordnete Reihe von Laufschaufeln eine Stufe bilden. Die Leitschaufeln
dienen dazu, den Dampfstrom so zu lenken, dass er in dem richtigen
Winkel in die stromabwärts
gelegene Reihe von Laufschaufeln eintritt. Die Schaufelblätter der
Laufschaufeln entziehen dem Dampf Energie, wodurch sie die Leistung liefern,
die zum Antreiben des Rotors und der mit ihm gekoppelten Last notwendig
ist.
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Die
Schaufelblätter
der Laufschaufeln erstrecken sich ausgehend von einem Laufschaufelfuß, der zum
Befestigen der Laufschaufel an der Rotorscheibe verwendet wird.
Konventionell wird dies erreicht, indem dem Fuß eine Tannenbaumform gegeben wird,
indem entlang der Seiten des Laufschaufelfußes abwechselnd Vorsprünge und
Ausnehmungen ausgebildet werden, die sich näherungsweise in Axialrichtung
erstrecken. In der Rotorscheibe werden Nuten mit passenden Vorsprüngen und
Ausnehmungen ausgebildet. Wenn der Laufschaufelfuß in die Nut
der Scheibe eingeschoben ist, wird die Zentrifugalkraft auf die
Laufschaufel, die aufgrund der hohen Drehzahl des Rotors von typischerweise
3600 U/min bei einer zur elektrischen Energieerzeugung verwendeten
Dampfturbine sehr hoch ist, an Abschnitten der Vorsprünge verteilt, über die
der Fuß und
die Scheibe in Berührung
sind. Wegen der hohen Zentrifugalbeanspruchung sind die Spannungen
in dem Laufschaufelfuß und
der Scheibennut sehr hoch. Es ist daher wünschenswert, die Spannungskonzentrationen
zu hervorgerufen werden, und die Auflagerflächen zu maximieren, über die
die Kontaktkräfte
zwischen dem Laufschaufelfuß und
der Scheibennut auftreten. Infolge der großen Abmessungen und des hohen
Gewichts der Laufschaufeln in den letzten Reihen einer Niederdruckdampfturbine
und des Vorhandenseins von Spannungskorrosion infolge von Feuchtigkeit
in dem Dampfstrom ist dies insbesondere in diesen Reihen wünschenswert.
Die letzten Stufen sind höheren
lokalen Spannungen ausgesetzt, die zu einer kürzeren Lebensdauer des Rotors
und der rotierenden Laufschaufeln durch Ermüdung führen können. Es besteht auch ein wachsender
Bedarf an längeren
rotierenden Laufschaufeln, die dem Rotor und den Laufschaufeln einen
Betrieb unter noch höheren
Belastungen abverlangen.
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Zusätzlich zu
den konstanten Zentrifugalbeanspruchungen sind die Laufschaufeln
auch Schwingungen ausgesetzt.
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Daher
ist es wünschenswert,
eine Rotor-Laufschaufel-Befestigungsanordnung zu schaffen, die zur Übertragung
der Zentrifugalkraft in der Lage ist und verringerte lokale Spannungen
an dem Rotor (Rad) und den Rundungen der rotierenden Laufschau feln
aufweist, während
die mittleren Spannungen und Schubspannungen niedrig gehalten werden.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung weist eine Laufschaufel, die an einer Scheibe befestigt
werden kann, eine Laufschaufelplattform und einen Laufschaufelfuß auf, der
sich von der Laufschaufelplattform ausgehend erstreckt. Der Laufschaufelfuß weist
einen ersten, einen zweiten und einen dritten Vorsprung sowie eine
erste, eine zweite und eine dritte Ausnehmung auf. Jeder Vorsprung
weist eine Anlagefläche
und eine berührungslose
Fläche
auf, wobei der Winkel zwischen jeder Anlagefläche und jeder berührungslosen
Fläche
optimiert ist, um die lokalen und mittleren Beanspruchungen zu reduzieren.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung weist eine Laufschaufel, die an einer Scheibe befestigt
werden kann, eine Laufschaufelplattform und einen Laufschaufelfuß auf, der
sich von der Laufschaufelplattform ausgehend erstreckt. Der Laufschaufelfuß weist
einen ersten, einen zweiten und einen dritten Vorsprung sowie eine
erste, eine zweite und eine dritte Ausnehmung auf. Jeder Vorsprung weist
eine Anlagefläche
und eine berührungslose Fläche auf,
wobei der Winkel zwischen jeder Anlagefläche und jeder berührungslosen
Fläche
etwa 70,6° beträgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist eine Turbine einen Laufschaufelfuß auf, der
sich von der Laufschaufelplattform ausgehend erstreckt. Der Laufschaufelfuß weist
einen ersten, einen zweiten und einen dritten Laufschaufelvorsprung sowie
eine erste, eine zweite und eine dritte Laufschaufelausnehmung auf.
Jeder Laufschaufelvorsprung weist eine Anlagefläche, eine berührungslose Fläche und
einen Winkel zwi schen jeder Anlagefläche und jeder berührüngslosen
Fläche
auf. Die Turbine enthält
weiterhin eine Rotorscheibe, die eine Nut aufweist. Die Nut weist
einen ersten, einen zweiten und einen dritten Rotorvorsprung und
eine erste, eine zweite und eine dritte Rotorausnehmung auf. Jeder Rotorvorsprung
weist eine Anlagefläche,
die mit einer zugehörigen
Anlagefläche
der Laufschaufel in Berührung
ist, und eine berührungslose
Fläche
auf, die von einer zugehörigen
berührungslosen
Fläche der
Laufschaufel beabstandet ist. Die Anlageflächen des Rotors sind gegenüber den
berührungslosen Flächen des
Rotors in demselben Winkel wie dem Winkel zwischen den Anlageflächen der
Laufschaufel und den berührungslosen
Flächen
der Laufschaufel angewinkelt. Der Winkel ist zum Verringern der
lokalen und mittleren Spannungen zwischen den Anlageflächen optimiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht einer Dampfturbinenlaufschaufel mit einem Laufschaufelfuß;
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2 ist
eine Seitenansicht eines Rotors der Dampfturbine mit einer Nut für den Laufschaufelfuß;
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3 ist
eine Seitenansicht von Laufschaufel und Rotor im zusammengesetzten
Zustand;
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4 ist
eine detaillierte Seitenansicht des Rotors mit der Nut;
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5 ist
eine detaillierte Seitenansicht der Laufschaufel mit dem Laufschaufelfuß;
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6 zeigt
das Detail D-4 aus 4;
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7 zeigt
das Detail C-3 aus 4; und
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8 zeigt
das Detail C-1 aus 4.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Unter
Bezug auf 1: Eine Dampfturbinenlaufschaufel 2 enthält einen
Schaufelblattfuß 4.
Der Schaufelblattfuß 4 kann
auch als ein männliches Schwalbenschwanzelement
oder ein Schaufelschwalbenschwanz bezeichnet werden. Der Schaufelschwalbenschwanz 4 ist
zu einer Schwalbenschwanzzentrallinie Y symmetrisch. Der Schaufelschwalbenschwanz 4 weist
eine obere Schwalbenschwanzausnehmung 6, einen oberen Vorsprung 8, eine
mittlere Schwalbenschwanzausnehmung 10, einen mittleren
Vorsprung 12, eine untere Schwalbenschwanzausnehmung 14 und
einen unteren Vorsprung 16 auf. Die Ausnehmungen könnten auch
als Nuten und die Vorsprünge
als Ausleger bezeichnet werden.
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Der
obere Vorsprung 8 weist eine obere geneigte Anlage- oder
Druckfläche 18 auf.
Der obere Vorsprung 8 weist auch eine obere berührungslose Fläche 20 auf.
Der mittlere Vorsprung 12 weist eine mittlere geneigte
Anlage- oder Druckfläche 22 und eine
mittlere berührungslose
Fläche 24 auf.
Der untere Vorsprung 16 weist eine untere geneigte Anlage- oder
Druckfläche 26 und
eine untere berührungslose Fläche 28 auf.
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Wie
in 2 gezeigt weist die Rotorscheibe 44 eine
Nut oder einen Rotorschwalbenschwanz 46 auf. Der Rotorschwalbenschwanz 46 kann
auch als ein weibliches Schwalbenschwanzelement oder ein Radschwalbenschwanz
bezeichnet werden. Der Rotorschwalbenschwanz 46 ist ebenfalls
zu der Schwalbenschwanzzentrallinie Y symmetrisch. Der Rotorschwalbenschwanz 46 weist
einen oberen Vorsprung 48, eine obere Ausnehmung 50,
einen mittleren Vor sprung 52, eine mittlere Ausnehmung 54,
einen unteren Vorsprung 56 und eine untere Ausnehmung 58 auf.
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Der
obere Vorsprung 48 weist eine obere geneigte Anlage- oder
Druckfläche 72 und
eine obere berührungslose
Fläche 74 auf.
Der mittlere Vorsprung 52 weist eine mittlere geneigte
Anlage- oder Druckfläche 76 und
eine mittlere berührungslose
Fläche 78 auf.
Der untere Vorsprung 56 weist eine untere geneigte Anlage-
oder Druckfläche 80 und
eine untere berührungslose
Fläche 82 auf.
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Unter
Bezug auf 3: Der Schaufelschwalbenschwanz 4 wird
an der Rotorscheibe 44 angebracht, indem der Schaufelschwalbenschwanz 4 in axialer
Richtung in den Rotorschwalbenschwanz 46 eingesetzt wird,
d. h. in einer Richtung rechtwinklig zu der Schwalbenschwanzzentrallinie
Y in die Ebene der Zeichnung hinein. In dem in 3 gezeigten,
zusammengesetzten Zustand berührt
die obere geneigte Druckfläche 18 des
Schaufelschwalbenschwanzes 4 die obere geneigte Druckfläche 72 des
Rotorschwalbenschwanzes 46. Die mittlere geneigte Druckfläche 22 des
Schaufelschwalbenschwanzes 4 berührt die mittlere geneigte Druckfläche 76 des
Rotorschwalbenschwanzes 46. Die untere geneigte Druckfläche 26 des
Schaufelschwalbenschwanzes 4 berührt die untere geneigte Druckfläche 80 des
Rotorschwalbenschwanzes 46. Wie ebenfalls in 3 gezeigt
liegen die berührungslosen
Flächen 20, 24, 28 des
Schaufelschwalbenschwanzes 4 den berührungslosen Flächen 74, 78 bzw. 82 des
Rotorschwalbenschwanzes 46 gegenüber, ohne sie jedoch zu berühren.
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Unter
Bezug auf die 4 und 5: Zwischen
der oberen berührungslosen
Fläche 20 und der
mittleren geneigten Druckfläche 22 des
Schaufelschwalbenschwanzes 4 wird ein Neigungswinkel 86 eingeschlossen.
Der Neigungswinkel 86 wird auch zwischen der mittleren
berührungslosen
Fläche 24 und
der unteren geneigten Druckfläche 26 eingeschlossen.
In ähnlicher
Weise wird der Neigungswinkel 86 zwischen der oberen berührungslosen
Fläche 74 und
der mittleren geneigten Druckfläche 76 in
dem in 4 gezeigten Rotorschwalbenschwanz 46 eingeschlossen.
Der Neigungswinkel 86 ist auch zwischen der mittleren berührungslosen
Fläche 78 und der
unteren geneigten Druckfläche 80 des
Rotorschwalbenschwanzes 46 vorhanden.
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Die
Druckflächen
sind so gedreht oder ausgerichtet, dass der Übergangswinkel zwischen den Druckflächen und
den berührungslosen
Flächen etwa
70,6° beträgt. Der
Neigungswinkel ist allgemein im Wesentlichen zu der X-Achse symmetrisch.
Wenn Lastpfade gezwungen werden, ihre Richtung zu ändern, ergeben
sich konzentrierte Spannungen. Indem die geneigten Druckflächen geschaffen
werden, ist die Richtungsänderung
weniger scharf und die Spannungskonzentration geringer. Die geneigten Druckflächen ermöglichen
auch einen größeren Rundungsradius
in dem Übergangsabstand.
Der größere Rundungsradius
führt ebenfalls
zu einer niedrigeren konzentrierten Spannung, während die Druckanlagefläche vergrößert wird.
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Unter
Bezug auf die 1 und 5: Die obere
Schwalbenschwanzausnehmung 6 weist eine obere Ausnehmungsrundung 30 auf,
die mittlere Schwalbenschwanzausnehmung 10 weist eine mittlere
Ausnehmungsrundung 34 auf, und die untere Schwalbenschwanzausnehmung 14 weist
eine untere Ausnehmungsrundung 38 auf. Der Neigungswinkel 86 zwischen
den Vorsprüngen 8, 12 und 16 ermöglicht einen
größeren Ausnehmungsrundungsradius,
was zu einer Verringerung der lokalen Spannungen in dem Schaufelschwalbenschwanz 4 führt. Die
Radien 34r, 38r der mittleren Ausnehmungsrundung 34 bzw.
der unteren Ausnehmungsrundung 38 sind gleich. Der Radius 30r der
oberen Ausnehmungsrundung 30 ist größer als die Radien 34r und 38r,
um einen glatten Übergang
zu der Schwalbenschwanzplattform 42 zu ermöglichen.
Die Radien 30r, 34r, 38r sind zum Verringern
der lokalen Spannungskonzentration optimiert.
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Der
obere Vorsprung 8 des Schaufelschwalbenschwanzes 4 weist
eine obere Vorsprungsrundung 32 auf. Die obere Vorsprungsrundung 32 weist zwei
Radien 32r1, 32r2 und eine ebene Fläche 32f auf.
Der mittlere Vorsprung 12 des Schaufelschwalbenschwanzes 4 weist
ebenfalls eine mittlere Vorsprungsrundung 36 auf, die einen
ersten Radius 36r1 und einen zweiten Radius 36r2 aufweist,
die durch eine ebene Fläche 36f verbunden
sind. Der untere Vorsprung 16 des Schaufelschwalbenschwanzes 4 weist
eine untere Vorsprungsrundung 40 auf, die einen zusammengesetzten
Radius 40r aufweist, der in einer ebenen Fläche 40f an
dem unteren Ende des Schaufelschwalbenschwanzes 4 endet.
-
Unter
Bezug auf die 2, 4 und 6–8:
Die obere Ausnehmung 50 des Rotorschwalbenschwanzes 46 weist
eine obere Ausnehmungsrundung 62 auf, und die mittlere
Ausnehmung 54 weist eine mittlere Ausnehmungsrundung 66 auf. Die
obere Ausnehmungsrundung weist einen einzigen Radius 62r auf,
und die mittlere Ausnehmungsrundung 66 weist einen einzigen
Radius 66r auf. Die Radien 62r und 66r sind
gleich. Die untere Ausnehmung 58 des Rotorschwalbenschwanzes 46 weist eine
untere Ausnehmungsrundung 70 auf, die einen zusammengesetzten
Radius 70r1, 70r2 aufweist, der so ausgewählt ist,
dass er glatt in das untere Ende 70f des Rotorschwalbenschwanzes 46 übergeht.
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Der
obere Vorsprung 48 des Rotorschwalbenschwanzes 46 weist
eine obere Vorsprungsrundung 60 auf. Die obere Vorsprungsrundung 60 weist einen
einzigen Radius 60r auf. Der mittlere Vorsprung 52 weist
eine mittlere Vorsprungsrundung 64 auf, und der untere
Vorsprung 56 weist eine untere Vorsprungsrundung 68 auf.
Die mittlere Vorsprungsrundung 64 weist zwei Radien 64r1, 64r2 auf.
Wie in 7 gezeigt ist der erste Radius 64r1 kleiner
als der zweite Radius 64r2. Die mittlere Vorsprungsrundung 64 weist
auch eine ebene Fläche 64f auf.
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Wie
in 8 gezeigt weist die untere Vorsprungsrundung 68 zwei
Radien 68r1, 68r2 auf. Der erste Radius 68r1 ist
kleiner als der zweite Radius 68r2. Die untere Vorsprungsrundung 68 weist
auch eine ebene Fläche 68f auf.
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Die
obere Vorsprungsrundung 60 einerseits und die mittlere
und die untere Vorsprungsrundung 64 und 68 andererseits
sind verschieden und zum gleichmäßigen Tragen
von Lasten optimiert. Die obere Vorsprungsrundung 60 weist
einen größeren Radius 60r als
die mittlere Vorsprungsrundung 64 und die untere Vorsprungsrundung 68 auf,
um einen glatten Übergang
zu der oberen Rotorfläche 84 zu
schaffen.
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Die
Dicke des Vorsprungs und die Länge
der Ausnehmung beeinflusst die Lastverteilung zwischen den Vorsprüngen sowie
die Biege- und Schersteifigkeit bzw. die Biege- und Schubspannungen
in dem Vorsprung. All dies trägt
zu dem Ausmaß der
konzentrierten Spannungen und Beanspruchungen bei. Die Dicke der
Vorsprünge
und die Länge
der Ausnehmungen werden optimiert, um die lokalen und mittleren
Spannungen zu minimieren. Wie in den Zeichnungen gezeigt ist die
Vorsprungdicke die Differenz zwischen den Maßen von der X-Achse entlang
der Schwalbenschwanzzentrallinie Y. Der obere Vorsprung 8 weist
z. B. eine Dicke von 20,694 – 12,900 =
7,794 auf.
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Wie
hierin beschrieben sind die Lagen der Radien, die Werte der Radien
und die übrigen
Aspekte der Form des Schaufelschwalbenschwanzes und des Rotorschwalbenschwanzes
einschließlich
der Vorsprungsdicken und der Ausnehmungslängen, aber ohne eine Beschränkung auf
diese, zum Minimieren der lokalen und mittleren Spannungen optimiert.
Die Zahlenwerte des Ortes der Radien, die Werte der Radien, die
Dicken der Vorsprünge
und die Längen
der Ausnehmungen, wie sie in den Figuren gezeigt sind, sind in Millimeter
angegeben, wobei die zugehörigen
Maße in
Zoll in eckigen Klammern angegeben sind. Es sollte jedoch erkannt
werden, dass der Schaufelschwalbenschwanz und der Rotorschwalbenschwanz
auch auf größere oder
kleinere Abmessungen vergrößert bzw.
verkleinert werden können,
vorausgesetzt, dass die Formen die gleichen bleiben. Die in den
Zeichnungen angegebenen Werte können
daher als dimensionslos angesehen werden.
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Eine
Laufschaufel 2, die an einer Scheibe 44 montierbar
ist, weist eine Laufschaufelplattform 42 und einen Laufschaufelfuß auf, der
sich von der Laufschaufelplattform 42 ausgehend erstreckt.
Der Laufschaufelfuß 4 weist
einen ersten, einen zweiten und einen dritten Vorsprung 8, 12, 16 und
eine erste, eine zweite und eine dritte Ausnehmung 6, 10, 14 auf.
Jeder Vorsprung weist eine Anlagefläche 18, 22, 26 und eine
berührungslose
Fläche 20, 24, 28 auf,
und ein Winkel 86 zwischen jeweils einer Anlagefläche und einer
berührungslosen
Fläche
ist zum Verringern der lokalen und mittleren Spannungen optimiert.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als
die praktischsten und bevorzugten Ausführungsformen angesehen wird,
muss erkannt werden, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist, sondern dass es im Gegenteil beabsichtigt ist, vielfältige Abwandlungen
und äquivalente
Anordnungen abzudecken, die vom Geist und Bereich der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
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- 2
- Dampfturbinenlaufschaufel
- 4
- Laufschaufelfuß
- 6
- Obere
Ausnehmung
- 8
- Oberer
Vorsprung
- 10
- Mittlere
Ausnehmung
- 12
- Mittlerer
Vorsprung
- 14
- Untere
Ausnehmung
- 16
- Unterer
Vorsprung
- 18
- Obere
Anlagefläche
- 20
- Obere
berührungslose
Fläche
- 22
- Mittlere
Anlagefläche
- 24
- Mittlere
berührungslose
Fläche
- 26
- Untere
Anlagefläche
- 28
- Untere
berührungslose
Fläche
- 30
- Obere
Ausnehmungsrundung
- 30r
- Rundungsradius
- 32
- Obere
Vorsprungsrundung
- 32r1
- Rundungsradius
- 32r2
- Rundungsradius
- 32f
- Fläche
- 34
- Mittlere
Ausnehmungsrundung
- 34r
- Rundungsradius
- 36
- Mittlere
Vorsprungsrundung
- 36r1
- Rundungsradius
- 36r2
- Rundungsradius
- 36f
- Fläche
- 38
- Untere
Ausnehmungsradius
- 38r
- Rundungsradius
- 40
- Untere
Vorsprungsrundung
- 40r
- Rundungsradius
- 40f
- Fläche
- 42
- Schaufelschwalbenschwanzplattform
- 44
- Rotorscheibe
- 46
- Rotorschwalbenschwanz
- 48
- Oberer
Vorsprung
- 50
- Obere
Ausnehmung
- 52
- Mittlerer
Vorsprung
- 54
- Mittlere
Ausnehmung
- 56
- Unterer
Vorsprung
- 58
- Untere
Ausnehmung
- 60
- Obere
Vorsprungsrundung
- 60r
- Rundungsradius
- 62
- Obere
Ausnehmungsrundung
- 62r
- Rundungsradius
- 64
- Mittlere
Vorsprungsrundung
- 64r1
- Rundungsradius
- 64r2
- Rundungsradius
- 64f
- Fläche
- 66
- Mittlere
Ausnehmungsrundung
- 66r
- Rundungsradius
- 68
- Untere
Vorsprungsrundung
- 68r1
- Rundungsradius
- 68r2
- Rundungsradius
- 68f
- Fläche
- 70
- Untere
Ausnehmungsrundung
- 70r1
- Rundungsradius
- 70r2
- Rundungsradius
- 70f
- Fläche, Ende
- 72
- Obere
Anlagefläche
- 74
- Obere
berührungslose
Fläche
- 76
- Mittlere
Anlagefläche
- 78
- Mittlere
berührungslose
Fläche
- 80
- Untere
Anlagefläche
- 82
- Untere
berührungslose
Fläche
- 84
- Obere
Rotorfläche
- 86
- Winkel