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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Integralrotoren von Gasturbinen.
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Eine bekannte Möglichkeit, Bauteile im Anschluss an einen Schweißprozess in einen möglichst ausgeprägt spannungsfreien Zustand zu bringen, besteht darin, diese Bauteile in einen Ofen zu verbringen und die eingebrachten Spannungen durch geeignete Temperaturführung abzubauen. Bei Integralrotoren oder Schaufeln von Gasturbinen, insbesondere Turbinen oder Verdichterschaufeln, führt die vorgenannte Möglichkeit allerdings häufig zu recht unzureichenden Ergebnissen, da die während der Herstellung des Bauteils durch die Vorbearbeitung eingebrachten Eigenschaften im gesamten Bauteil, also auch in Bereichen, die durch das Schweißen nicht beeinflusst wurden, verändert werden. Dies hätte in diversen Fällen den allgemeinen Verlust gewollter Materialeigenschaften bzw. von Bauteilzuständen zur Folge, und ist somit häufig unerwünscht.
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Hinzu kommt, dass Bauteile von Triebwerken häufig nach dem Triebwerkseinsatz einer Bauteilindividualität unterliegen, d. h. Bauteilveränderungen hängen stark vom Einsatz, wie Einsatzgebiet, Länge der Flüge etc., der Flugzeuge ab. Daher lassen sich vordefinierte Prozesse schwerlich anwenden. Vielmehr ist es wünschenswert, die Bauteilindividualität, d. h. z. B. die Form- und Lageabweichungen sowie individueller Alterungsgrad der Bauteile, bei der Definition der Wärmebehandlung zu berücksichtigen.
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Vor diesem Hintergrund wurden Integralrotoren von Turbinen bzw. Flugtriebwerken bislang nicht repariert. Dies bedeutet, dass bei Turbinen, insbesondere bei Flugtriebwerken, die Kosten, die durch beschädigte Integralrotoren verursacht wurden, derzeit relativ hoch sind.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mittels welcher sich die Kosten für die Wiederherstellung von Gasturbinen, insbesondere von Flugtriebwerken, im Falle beschädigter Integralrotoren gering halten lassen.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das mit dieser Vorrichtung durchgeführt wird, ist Gegenstand des Anspruchs 9. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es wird also insbesondere eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Integralrotoren von Gasturbinen, wie beispielsweise von Flugtriebwerken, vorgeschlagen, die einen schließbaren Arbeitsraum aufweist. Im Arbeitsraum ist insbesondere ein Vakuum erzeugbar. Zusätzlich oder alternativ kann der Arbeitsraum mit Schutzgas befüllbar sein. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung eine entsprechende Evakuierungseinrichtung bzw. Vakuumeinrichtung oder eine Schutzgasbefüllungseinrichtung aufweisen. Die Vorrichtung weist ferner eine Wärmequelle auf. Diese Wärmequelle ist ein Induktor bzw. eine Hochfrequenzquelle oder ein Lichtbogen oder ein Laser oder ein Elektronenstrahl bzw. eine Vorrichtung die einen Lichtbogen bzw. einen Elektronenstrahl erzeugt. Auch andere Wärmequellen sind bevorzugt. Die Vorrichtung weist ferner ein Abstandsmessgerät auf. Das Abstandsmessgerät dient insbesondere dazu, den Abstand zwischen der Wärmequelle, insbesondere dem Induktor, und dem wärmezubehandelnden Bauteil bzw. Bauteilabschnitt, wie beispielsweise Schaufel, insbesondere Schaufel eines Integralrotors, zu erfassen. In vorteilhafter Weise steht das Abstandsmessgerät mit einer Positionsänderungseinrichtung zur Veränderung der Position der Wärmequelle und/oder des wärmezubehandelnden Bauteils in Signalverbindung. Gegebenenfalls ist eine Steuerungseinheit zwischengeschaltet. Diese Signalverbindung kann insbesondere dazu dienen, dass – insbesondere mittels der Positionsveränderungseinheit – der Abstand zwischen dem wärmezubehandelnden Bauteil bzw. dem wärmezubehandelnden Bauteilabschnitt und der Wärmequelle bzw. Induktor auf einem vorbestimmten insbesondere konstanten Abstand gehalten wird.
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Dies ist insbesondere so, dass der Abstand betreffend der momentan wärmezubehandelnden Stelle betroffen ist, also der Abstand zwischen der genannten Stelle und der Wärmequelle.
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Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Pyrometer auf.
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Das Pyrometer ist insbesondere so, dass es an der wärmezubehandelnden Stelle die Temperatur ermittelt bzw. an der Temperaturermittelung an dieser Stelle mitwirkt. Es kann vorgesehen sein, dass das Pyrometer mit einer Steuereinheit und/oder mit der Wärmequelle in Signalverbindung steht. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Pyrometer bzw. die Steuereinheit in Abhängigkeit der vom Pyrometer erfassten Werte die Einschaltdauer und/oder Intensität der Wärmequelle regelt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass – insbesondere beim Induktor – mittels des Pyrometers bzw. einer Steuereinheit, in Abhängigkeit der vom Pyrometer erfassten Werte Signale erzeugt, die die Einschaltdauer der festgelegten Frequenz regelt, mit der die Wechselwirkungszeit zwischen dem Magnetfeld und dem Bauteil entsprechend einer eingestellten Solltemperatur als Regelkreis gesteuert wird.
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Mittels des Verfahrens bzw. seiner Weiterbildungen kann ermöglicht werden während eines Schweißvorgangs in ein Bauteil eingebrachte Eigenspannungen gezielt abzubauen und damit einen spannungstechnischen Zustand wiederherzustellen, der an denjenigen von Neuteilen angenähert ist bzw. dem von Neuteilen weitgehend entspricht. Damit kann besser erreicht werden oder gar sichergestellt werden, dass derartig behandelte Bauteile bei schwingender Erregung im Triebwerkslauf sich nicht anders oder nur in geringem Maße anders verhalten als solche Bauteile, an denen keine Reparatur durchgeführt wurde.
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Im Folgenden soll nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur näher erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 eine beispielhafte, erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Ansicht.
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1 zeigt eine beispielhafte, erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Wärmebehandlung von Integralrotoren 10 von Gasturbinen, und zwar insbesondere zur Wärmebehandlung von Integralrotoren von Flugtriebwerken.
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Ein Integralrotor kann beispielsweise als so genannte BLISK (eingedeutscht von „bladed disk”) oder als so genannter BLING (eingedeutscht von „bladed ring”) gestaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist der Integralrotor 10 eine BLISK. Anzumerken ist, dass aber auch ein anders artig gestaltetes Bauteil bzw. ein andersartig gestalteter Integralrotor 10 Verwendung finden kann. Im Folgenden wird beispielhaft von BLISK bzw. Schaufel gesprochen wobei anzumerken ist, dass das Bauteil auch ein anders gestaltetes Bauteil bzw. Werkstück sein kann.
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Die Anlage bzw. die Vorrichtung weist einen geschlossenen bzw. schließbaren Arbeitsraum 12 auf, der auch als Kammer bezeichnet werden kann. Der Arbeitsraum 12 kann auch als Vakuumkammer bezeichnet werden, sofern er evakuierbar ist.
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Der Arbeitsraum 12 ist evakuierbar bzw. evakuiert und/oder kann mit Schutzgas geflutet werden bzw. wird mit Schutzgas geflutet. In 1 ist eine Argon-Flaschenbatterie 14 vorgesehen, die an den Arbeitsraum 12 angeschlossen ist und das Fluten mit Schutzgas bzw. Argon ermöglicht. Anzumerken ist, dass selbstverständlich auch ein anderes Schutzgas eingesetzt werden kann. Zum Erzeugen eines Vakuums im Arbeitsraum 12 ist eine Vakuumanlage 28 vorgesehen.
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Das Evakuieren bzw. Fluten mit Schutzgas kann beispielsweise CNC-gesteuert werden bzw. sein. Die Vorrichtung weist eine Steuerungseinrichtung 16 auf, die das in der Anlage durchführbare Verfahren steuern kann bzw. die Anlage steuert.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei dem in der Vorrichtung 1 durchführbaren Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein Unterdruck wie beispielsweise Unterdruck von 100 Pa in dem Arbeitsraum 12 erzeugt wird, und zwar vorzugsweise bei gleichzeitigem Fluten mit Argon. Dabei kann vorgesehen sein, dass zuvor der Arbeitsraum 12 evakuiert wird, wie beispielsweise evakuiert wird auf 0,1 Pa. Weiter kann vorgesehen sein, dass danach der Unterdruck konstant gehalten wird, wie beispielsweise konstant gehalten wird bei 1 Pa, was beispielsweise über die Schutzgas- bzw. Argonzufuhr geregelt wird. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass in diesem Ausführungsbeispiel stets von Argon gesprochen wird, wobei selbstverständlich auch ein anderes Schutzgas eingesetzt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Evakuieren bzw. Fluten der Partialhochdruck des Vakuums bzw. der Schutzgasfluss überwacht und geregelt wird. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Restsauerstoffgehalt gemessen wird, beispielsweise online gemessen wird, und auf eine Anzeigeeinrichtung bzw. auf einem Übersichtschart dargestellt wird, und zwar insbesondere mit den Ist-Werten dargestellt wird.
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Anzumerken ist, dass als Vakuum ein ideales Vakuum bezeichnet wird oder ein Zustand mit geringem Restgas, wie Restgas mit einem Druck bzw. Partialdruck von unter 0,8 Pa, vorzugsweise von unter 0,5 Pa, vorzugsweise von unter 0,3 Pa, vorzugsweise von unter 0,2 Pa, vorzugsweise von 0,1 Pa oder weniger.
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Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Wärmequelle 18 auf. Diese Wärmequelle 18 ist in der Gestaltung gemäß 1 als Induktor bzw. als Induktionsspule gestaltet. Die Wärmequelle bzw. die Induktionsspule 18 ist – insbesondere mit der Befestigung – beweglich, und zwar insbesondere in einer Richtung schwenkbar, wie beispielsweise um jeweils 10° schwenkbar. Es kann beispielsweise ferner eine manuelle Einstellmöglichkeit vorgesehen sein, die dem Nachjustieren der Spule 18 zur Schaufel dient. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine solche Einstellmöglichkeit automatisiert bzw. automatisiert unterstützt erfolgen kann. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Schaufelposition einstellbar ist. Bei der Gestaltung mit verschwenkbarer Induktionsspule kann vorgesehen sein, dass die 0°-Stellung mit einem Schalter über die CNC-Steuerung überwacht wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass sichergestellt wird, dass nach einem Spulenwechsel von der CNC-Steuerung automatisch erkannt wird, ob die Spule sich wieder in der 0°-Stellung befindet.
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Wie gut der 1 entnommen werden kann, ist die Induktionsspule 18 innerhalb des Bearbeitungsraums 12 angeordnet. Die Anschlüsse der Induktionsspule 18 sind bei der Gestaltung gemäß 1 ebenfalls innerhalb des Bearbeitungsraums 12 angeordnet. Diese Anschlüsse können als Schnellanschlüsse ausgelegt sein. Es kann vorgesehen sein, dass ein Adapterstück zur vorhandenen Spule zum Einsatz kommt. Im Anschluss der Induktionsspule 18 bzw. im Schnellanschluss der Induktionsspule 18 kann ein Kühlwasserdurchfluss mit Stromdurchführung kontrolliert sein. Die Vorrichtung 1 weist ferner zumindest ein Pyrometer 20 auf. In 1 sind drei Pyrometer vorgesehen, die zur besseren Unterscheidbarkeit mit den Bezugszeichen 20a, 20b und 20c versehen sind. Ferner können nicht näher dargestellte Thermoelemente vorgesehen sein, sowie ein Lasermesssystem, welches insbesondere als Abstandsmessgerät 22 eingesetzt werden kann. Das Abstandsmessgerät 22 dient insbesondere zur Ermittlung des Abstandes zwischen der Wärmequelle bzw. dem Induktor und der mit dieser Wärmequelle 18 wärmezubehandelnden Stelle des Integralrotors 10.
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Ferner können nicht näher gezeigte Thermoelemente vorgesehen sein.
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Die Pyrometeranschlüsse, die Anschlüsse für die Thermoelemente sowie das Lasermesssystem können ebenfalls im Schnellanschluss integriert sein.
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Wie bereits angedeutet, kann die Position der Induktionsspule bzw. der Wärmequelle zur BLISK-Schaufel bzw. zur wärmezubehandelnden Stelle über ein in die Spule integriertes Lasermesssystem 22 integriert werden, wobei selbstverständlich auch andere Abstandsmessgeräte als Lasermesssysteme eingesetzt werden können. Das vom Abstandsmessgerät 22 bzw. Lasermesssystem 22 erzeugte Signal kann von der CNC-Steuerung aufgenommen und berücksichtigt werden.
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Ferner kann im Bearbeitungsraum 12 ein Messsystem gegeben sein, mit dem Form- und Lageabweichungen der Bauteile bzw. wärmezubehandelnden Bauteile bzw. BLISKen bzw. Integralrotoren vor und zwischen der Bearbeitung erfasst werden können. Dies kann durch das in die Spule integrierte Lasermesssystem 22 bewirkt werden. Die gemessenen Werte können beispielsweise adaptiv und automatisch in die Positionierung des Bauteils bzw. Integralrotors bzw. BLISK zur Induktionsspule berücksichtigt sein. Dies kann beispielsweise über die CNC-Steuerung erfolgen.
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Innerhalb des Bearbeitungsraums 12 kann ferner eine Videokamera zur Überwachung des Prozesses vorgesehen sein, die gegebenenfalls über eine Zoom-Funktion an den Bearbeitungsort herangezoomt werden kann. Diese kann zur optischen Überwachung des Prozesses mit evakuiertem bzw. geflutetem Bearbeitungsraum dienen. Die Regelung des Wärmebehandlungsvorgangs kann beispielsweise mit zwei in der Induktionsspule integrierten Pyrometern 20 und einer „Stange-Ofensteuerung” mit ECS2000-Schnittstelle für die Datenausgabe bzw. -aufzeichnung erfolgen. Der Wärmebehandlungsablauf kann in die CNC-Steuerung integriert sein. Die Führung kann dabei die CNC-Steuerung haben. Anzumerken ist, dass – soweit hier von CNC-Steuerung gesprochen wird – selbstverständlich auch eine andere elektronische oder nicht-elektronische Steuerung gegeben sein kann. Zur zusätzlichen Überwachung der Temperatur sind die bereits angesprochenen Thermoelemente vorgesehen. Es können beispielsweise zwei Thermoelemente vorgesehen sein. Die Thermoelemente können in der Induktionsspule als Kontaktthermometer integriert sein. Die entsprechenden Werte können beispielsweise nur informativ ausgegeben und aufgezeichnet werden.
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Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Spanneinrichtung 24 für das Spannen des Werkstücks bzw. für das Spannen des Integralrotors auf. Die Spanneinrichtung 24 kann beispielsweise in drei Verfahrachsen plus gegebenenfalls eine Drehachse gesteuert, insbesondere CNC gesteuert, positionierbar sein. Das Bauteil bzw. der Integralrotor 10 kann dabei horizontal analog zum Triebwerksbau auf die Spannvorrichtung 24 aufgespannt sein. Die Spannvorrichtung 24 kann auf den maschinenseitigen Rundtisch mit Nutsteinen gespannt sein und mit einer Zentrierung fixiert sein. Damit wird die Flexibilität des Spannsystems 24 auch für andere Einrichtungen gewährleistet. Es ist gut, wenn sichergestellt ist, dass ein automatisches Drehen bzw. Weitertakten des Bauteils bzw. BLISKs bzw. Integralrotors 10 im Programmablauf möglich ist. Die Positionier- bzw. Verfahreinheit ist vorzugsweise für den Betrieb im Vakuum ausgelegt. Das Aufrüsten der Vorrichtung sowie des Bauteils 10 kann mit einem Hallenkran gegebenenfalls realisiert sein. Zum vereinfachten Rüsten und Spannen kann ein Rundtisch in die waagerechte Lage automatisch gekippt werden.
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Die Information welcher BLISK-Typ bzw. welches Werkstück, welche Schaufel und welcher Reparaturverlauf zu bearbeiten sind, können der CNC-Steuerung übergeben sein, beispielsweise mittels EDV-Laufkarte, die mit vordefinierten Programmen (z. B. Aufheizzeiten, Haltezeit, Abkühlzeit, Regelgrenzen, etc.) den eigentlichen Wärmebehandlungsvorgang steuert und überwacht. Die Bereitstellung der Eingabewerte kann nach definierter Syntax im ASCII-Format als Datei erfolgen, z. B. mittels Diskette oder Netzwerk. Die durchgeführten Bearbeitungen können von der Anlage in Verbindung mit den übergebenen Inputs der EDV-Laufkarte, Form- und Lageabweichung, Signale und Überwachungseinrichtungen dokumentiert werden. Ein integriertes Modul zur PC-gestützten Parameterdokumentation kann das Abspeichern der relevanten Prozessparameter, wie z. B. Heizenergie bzw. Generatorleistung, Zeiten, Position etc., ermöglichen, und zwar insbesondere zu jedem einzelnen Prozesstakt. Optional können auch Pyrometer- und Wärmebildkamerasignale aufgezeigt werden.
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Die Vorrichtung weist ferner einen Generator 26 auf, der hier außerhalb des Arbeitsraums 12 vorgesehen ist und für das Ansteuern der Induktionsspule 18 dient. Der Generator 26 kann in die Ofensteuerung bzw. CNC-Steuerung integriert sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Anlage auch manuell gesteuert werden kann. Aus Sicherheitsgründen kann ein gestuftes Bediener- bzw. Zugriffskonzept für Werker, Meister und Arbeitsvorbereitung vorgesehen sein. Die Funktionalität der Vorrichtung 1 ist insbesondere in normaler nicht-klimatisierter Umgebung von vorzugsweise 10 bis 40°C gegeben.
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Als Kühlung kann eine integrierte Rückkühleinrichtung dienen. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese den Generator 26 mit Spule kühlt, sowie den Schaltschrank über einen geschlossenen temperaturgeregelten Sekundärkreislauf.
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Die Vorrichtung kann sich einschließlich aller Peripheriegeräte durch Betätigen eines Hauptschalters vom Stromnetz trennen lassen. Der Hauptschalter kann so ausgeführt sein, dass er nicht im Türbereich über Schaltgestänge geschaltet wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass dieser mit einer Vorrichtung versehen ist, die es erlaubt, sie in der Aus-Stellung abzuschließen (z. B. durch Vorhängeschloss).
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In der vorgenannten Beschreibung kommt als Einrichtung zur Wärmebehandlung eine HF-Quelle zum Einsatz, mit deren Hilfe das Bauteil induktiv erwärmt werden kann. Es kann aber auch eine andere Einrichtung zur Wärmebehandlung vorgesehen sein. Alternativ können unter gleichen Bedingungen ein Lichtbogen, ein Laser oder ein Elektronenstrahl zur Anwendung kommen.
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Mit dem Bezugszeichen 28 ist eine Vakuumanlage bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 30 ist ein Anpassungstrafo bezeichnet. Über den Zulauf 32 kann Kühlwasser zu- und über den Ablauf 34 abgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung
- 10
- Integralrotor
- 12
- geschlossener bzw. schließbarer Arbeitsraum
- 14
- Argon-Flaschenbatterie
- 16
- Steuerungseinrichtung
- 18
- Wärmequelle, Induktor
- 20
- Pyrometer
- 20a
- Pyrometer
- 20b
- Pyrometer
- 20c
- Pyrometer
- 22
- Abstandsmessgerät
- 24
- Spanneinrichtung
- 26
- Generator
- 28
- Vakuumanlage
- 30
- Anpassungstrafo
- 32
- Zulauf für Kühlwasser
- 34
- Ablauf für Kühlwasser
