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Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelträger für eine Turbine sowie ein Verfahren zum Einstellen eines Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger und einer Halterung für den Leitschaufelträger.
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Leitschaufelträger werden heutzutage in nahezu allen mehrstufigen Überdruckdampfturbinen verbaut. Die wesentliche Aufgabe des Leitschaufelträgers besteht darin die Leitbeschaufelung aufzunehmen. Die Leitschaufelträger werden achsmittig in Leitelementen geführt. Das seitliche Fixieren erfolgt meist durch vertikale Bolzen. In axialer Richtung werden die Träger im Außengehäuse durch einen Nut-Steg-Verbindung gehalten. Die Anordnung muss dabei so gewählt werden, dass sich der Leitschaufelträger zwanglos unter dem Einfluss der Wärme dehnen kann, ohne dabei die achsmittige Lage zu verändern. Zum Einstellen der achsmittigen Lage des Leitschaufelträgers werden verschiedene Einstellelemente verwendet, die neben dem Gewicht, auch noch das resultierende Drehmoment aus der Leitbeschaufelung aufnehmen müssen. Der Leitschaufelträger ist üblicherweise zweigeteilt, wobei die horizontale Höheneinstellung meistens am Unterteil des zweiteiligen Leitschaufelträgers erfolgt. Zur horizontalen Höheneinstellung werden Passelemente verwendet, die auf ein exaktes Maß eingeschliffen werden und welche zwischen dem Turbinengehäuse und dem Leitschaufelträger angeordnet werden. Die Passelemente werden mit Hilfe von Fixierungsschrauben im Leitschaufelträger befestigt. Die Passelemente müssen dabei so auf Maß geschliffen werden, dass der Spalt zwischen dem Leitschaufelträger und dem Turbinengehäuse oben und unten exakt gleich groß ist. Die Einstellung des Spaltes in seitlicher Richtung erfolgt über zusätzliche Einstellschrauben. Die achsmittige Ausrichtung des Leitschaufelträger muss sehr exakt erfolgen da hierdurch auch der Radialspalt zwischen dem Leitschaufelträger/Leitschaufeln und dem Turbinenrotor eingestellt wird.
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Nachteilig der beschriebenen Leitschaufelträgeranordnung ist vor allem, dass die Passelemente aufwendig für jede Leitschaufelträgeranordnung individuell eingeschliffen werden müssen. Dies führt zu einem hohen Montageaufwand.
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DE 1 601 609 A offenbart eine Gasturbine der Axialbauart mit Leit- und Laufschaufelkränzen, einem die Leitschaufeln haltenden Rotor und einem hohlzylindrischen Innengehäuse, welches die Leit- und Laufschaufeln koaxial zum Rotor umgibt und als Leitschaufelträger ausgebildet ist. Das Innengehäuse ist im Außengehäuse an seinem einen Ende radial zentrischwärmebeweglich und axial fest montiert. An seinem anderen Ende ist das Innengehäuse sowohl radial zentrischwärmebeweglich als auch in axialer Richtung wärmebeweglich gelagert.
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US 4,204,803 A offenbart eine Befestigungsanordnung zum Befestigen eines ringförmigen Innengehäuses an einem Außengehäuse einer Turbine. Die Befestigungsanordnung besteht beispielsweise aus einem ersten und einem zweiten Zapfen, so dass das Innengehäuse vertikal bezüglich des Außengehäuses und eines Rotors der Turbine ausgerichtet werden kann.
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DE 726 510 offenbart eine Trag- und Zentriereinrichtung für Leiträder von Dampf- oder Gasturbinen. Ein Zentrierbolzen ist in einem Gehäuse der Turbine befestigt und greift in eine radiale Aussparung einer unteren Leitradhälfte ein. Ferner weist die Trag- und Zentriereinrichtung an zwei gegenüberliegenden Stellen zu beiden Seiten einer Teilfuge des Gehäuses einstellbare Tragstücke für jede Leitradhälfte auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Leitschaufelträgeranordnung bereitzustellen, die eine einfache achsmittige Ausrichtung des Leitschaufelträgers ermöglicht.
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Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Einstellen des Radialspiels zwischen dem Leitschaufelträger und der Halterung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie des unabhängigen Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Leitschaufelträgeranordnung für eine Turbine, umfassend einen Leitschaufelträger und eine Halterung für den Leitschaufelträger, zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Leitschaufelträger und der Halterung ein Fixierungselement angeordnet ist, dergestalt, dass der Leitschaufelträger innerhalb der Halterung um das Fixierungselement schwenkbar ist. Durch die schwenkbare Fixierung des Leitschaufelträgers erreicht man, dass der Leitschaufelträger in Umfangsrichtung fixiert werden kann und trotzdem eine Veränderung des Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger und dem Rotor vorgenommen werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Leitschaufelträgeranordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Leitschaufelträger und der Halterung zwei Höheneinstellelemente angeordnet sind, dergestalt, dass der Leitschaufelträger innerhalb der Halterung in horizontaler Richtung einstellbar ist. Die Höheneinstellelemente werden anstelle der bisher verwendeten Passelemente eingesetzt und erlauben im Gegensatz zu der früheren Lösung eine einfache horizontale Verstellung des Leitschaufelträgers, ohne das ein Nachschleifen der Passelemente erforderlich ist. Hierdurch vereinfacht sich die Einstellung des Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger und dem Rotor wesentlich. Das Einstellen kann einfach im eingebauten Zustand erfolgen.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fixierungselement einen Drehzapfen aufweist, um den der Leitschaufelträger schwenkbar ist. Durch die Verwendung eines Drehzapfens ergibt sich eine besonders einfache Ausführung des Fixierungselementes und es wird eine besonders einfache Schwenkbarkeit des Leitschaufelträgers realisiert. Das Fixierungselement ist dadurch besonders einfach und preisgünstig herzustellen und es gewährt aufgrund seiner einfachen Ausbildung eine sichere Funktion.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fixierungselement zwei parallel zueinander angeordnete Abflachungen aufweist, die gemeinsam mit einer Ausnehmung in der Halterung des Leitschaufelträgers eine formschlüssige Verbindung bilden, dergestalt, dass der Leitschaufelträger in Umfangsrichtung in der Halterung fixiert ist. Die Halterung ist üblicherweise Bestandteil des Turbinengehäuses. Die Fixierung in Umfangsrichtung wird somit besonders einfach realisiert, in dem das Fixierungselement einfach gemeinsam mit dem Leitschaufelträgerunterteil in die Ausnehmung eingeschoben wird. Dabei kommen die Abflachungen des Fixierungselements zur Anlage an den seitlichen Flächen der Ausnehmung der Halterung. Eine Verschiebung des Fixierungselementes sowie des damit verbundenen Leitschaufelträgers in Umfangsrichtung wird wirkungsvoll verhindert. Die Ausführung des Fixierungselementes mit den beiden Abflachungen und das Zusammenwirken mit der Ausnehmung in der Halterung des Leitschaufelträgers ist besonders einfach herstellbar und gewährt trotzdem eine sichere Fixierung des Leitschaufelträgers. Die Ausnehmung sowie die Ausarbeitung der parallel zueinander angeordneten Abflachungen in dem Fixierungselement können preisgünstig und trotzdem mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Höheneinstellelemente im Wesentlichen baugleich zu dem Fixierungselement ausgebildet sind und zusätzlich eine Gewindebohrung für eine Einstellschraube aufweisen. Die im Wesentlichen baugleiche Ausbildung mit dem Fixierungselement ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung, da die Bauteile im Wesentlichen gleich hergestellt werden. Die Abflachungen welche am Fixierungselement ausgebildet sind können bei den Hoheneinstellelementen entfallen. Durch die Ausbildung einer Gewindebohrung in den Fixierungselementen wird die Aufnahme einer Einstellschraube ermöglicht. Die Einstellschraube dient dazu den Leitschaufelträger innerhalb der Halterung horizontal zu verschieben. Durch Eindrehen der Einstellschraube kann der Leitschaufelträger in horizontaler Lage nach oben bewegt werden. Ein Herausdrehen der Einstellschrauben bewegt den Leitschaufelträger in horizontaler Lage nach unten. Die Verwendung von Höheneinstellelementen mit einer Gewindebohrung und einer Einstellschraube ermöglicht die stufenlose Verstellung des Leitschaufelträgers in horizontaler Richtung im eingebauten Zustand. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Einstellung des Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger und dem Rotor.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Längsachse der Gewindebohrungen in den Höheneinstellelementen und die Längsachse des Drehzapfens senkrecht aufeinander stehen. Hierdurch können sich die Hoheneinstellelemente beim Einschrauben der Einstellschraube um den Drehzapfen herum drehen, so dass stets eine saubere Anlage der Einstellschraube an einer korrespondierenden Fläche des Leitschaufelträgers gewährleistet ist. Es kann nicht zu einem Verkanten bzw. zu einem schrägen Aufliegen der Einstellschraube auf der korrespondierend ausgearbeiteten Anlagefläche an der Halterung kommen. Dies ist wichtig, da das Gewicht sowie das Drehmoment des Leitschaufelträgers im Wesentlichen von den Schrauben aufgenommen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Leitschaufelträger und die Halterung für den Leitschaufelträger jeweils zweiteilig in Form eines Unterteils und eines Oberteils ausgebildet sind. Die zweiteilige Ausführung des Leitschaufelträgers erleichtert die Montage der Leitschaufeln erheblich. Durch die Verwendung von Unter- und Oberteil, sowohl beim Leitschaufelträger als auch bei der Halterung für den Leitschaufelträger, werden insgesamt der Montageaufwand sowie die Fertigung beider Bauteile erleichtert.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Einstellen des Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger und der Halterung, das gekennzeichnet ist durch, Einsetzen des Fixierungselements und der Höheneinstellschraube in den Leitschaufelträger; Einsetzen des Leitschaufelträgers in die Halterung und Fixierung über das Fixierungselement; und ein Einstellen des Radialspiels durch Verdrehen der Einstellschrauben in den Höheneinstellelementen. Das Fixierungselement sorgt durch die Anordnung in der Halterung des Leitschaufelträgers für eine Fixierung des Leitschaufelträgers in Umfangsrichtung. Gleichzeitig wird aber durch die Verschiebbarkeit des Führungselementes in vertikaler Richtung eine Höheneinstellung des Radialspiels der Leitschaufelträgeranordnung ermöglicht. Dabei ist ein Schwenken des Leitschaufelträgers um das Fixierungselement gewährleistet. Durch Verstellen einer Einstellschraube im Höheneinstellelement wird zum Einen der Leitschaufelträger in horizontaler Lage verschoben. Gleichzeitig erfolgt ein Schwenken des Leitschaufelträgers um das Fixierungselement. Durch Verstellen beider Einstellschrauben an den jeweiligen Höheneinstellelementen lässt sich somit zum einen die korrekte horizontale Lage des Leitschaufelträgers innerhalb der Halterung gewährleisten, zum anderen kann insgesamt der Radialspalt zwischen dem Leitschaufelträger und der Halterung exakt eingestellt werden, so dass sich ein gleichmäßiger Radialspalt auch zwischen dem Leitschaufelträger/den Leitschaufeln und dem Rotor der Turbine einstellt.
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Die erfindungsgemäße Leitschaufelträgeranordnung ermöglicht somit mit lediglich drei Elementen, nämlich einem Fixierungselement sowie den zwei Höheneinstellelementen eine exakte Einstellung des Radialspiels zwischen dem Leitschaufelträger und dem Rotor. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Verringerung des konstruktiven Aufwandes. Die Einstellung des Leitschaufelträgers kann dabei mit Hilfe der Höheneinstellelemente im eingebauten Zustand und stufenlos erfolgen. Dies verringert den Montageaufwand erheblich.
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Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt schematisch:
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1 ein Unterteil einer erfindungsgemäßen Halterung für den Leitschaufelträger;
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2 ein Unterteil eines zweigeteilten erfindungsgemäßen Leitschaufelträgers;
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3 den in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Leitschaufelträger mit montierten Fixierungselement und Höheneinstellelementen;
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4 eine Detailansicht eines Fixierungs- und eines Hoheneinstellelements;
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5 die Leitschaufelträgeranordnung eines zweigeteilten Leitschaufelträgers und einer zweigeteilten Halterung für den Leitschaufelträger im montierten Zustand.
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Bei den Figuren handelt es sich jeweils stark vereinfachte Darstellungen, bei denen nur die wesentlichen, zu Beschreibung der Erfindung notwendigen, Bauteile gezeigt sind.
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Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt das Unterteil einer zweiteiligen Halterung 2 für einen Leitschaufelträger 1. Die Halterung 2 ist dabei üblicherweise Teil des Turbinengehäuses, könnte aber auch als separates Bauteil ausgebildet sein.
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Die Halterung 2 weist an ihrer Innenumfangsfläche 11 einen Steg 12 auf. Zu beiden offenen Enden der Halterung 2 sind in den Steg Ausnehmungen 13 ausgebildet. Die Ausnehmungen dienen im montierten Zustand dazu eine saubere Anlagefläche für die Einstellschrauben 10 der Höheneinstellelemente 4 zu bieten (siehe 3 und 4). Des Weiteren weist die Halterung 2 in Umfangsrichtung mittig im Steg 12 eine Ausnehmung 8 auf. Die Ausnehmung 8 dient im montierten Zustand zur Aufnahme des Fixierungselementes 3 (siehe 4). Der genaue Aufbau der Leitschaufelträgeranordnung sowie die Funktion der Höheneinstellelemente sowie des Fixierungselementes 3 werden später in 4 und 5 näher erläutert.
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2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Leitschaufelträgers 1. Der Leitschaufelträger 1 weist ein nach außen hin gerichtetes U-förmiges Profil auf. Komplementär zu den Ausnehmungen 13 im Steg 12 sowie der Ausnehmung 8 sind im Leitschaufelträger 1 in der Außenumfangsfläche Aufnahmen für die Höheneinstellelemente 4 und das Fixierungselement 3 vorgesehen. Die Aufnahmen im Leitschaufelträger weisen neben einer Abflachung jeweils eine Bohrung 14 auf, die in einen Schenkel des U-förmigen Profils eingebracht ist. Die Bohrungen 14 dienen zur Aufnahme des Fixierungselementes 3 bzw. der Höheneinstellelemente 4. Hierzu wird wie in 3 gezeigt das Fixierungselement 3 bzw. die Höheneinstellelemente 4 mit ihren Drehzapfen 5 in die Bohrung des Leitschaufelträgers 1 eingeführt. Um das Einführen sowie die Beweglichkeit der Elemente zu erleichtern weisen die Aufnahmen zusätzlich eine leichte Abflachung am U-förmigen Grund des Leitschaufelträgers 1 auf. Die Bohrungen 14 sind vorzugsweise in den Schenkel eingebracht, der stromabwärts der Strömungsrichtung und damit in Druckrichtung p (siehe 2) liegt. Die Anordnung und Befestigung der Leitschaufeln im Leitschaufelträger 1 ist nicht näher dargestellt, kann aber in bekannter Weise erfolgen.
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4a und 4b zeigt jeweils eine Detailansicht des Fixierungselementes 3 sowie eines Hoheneinstellelementes 4. Die beiden Elemente sind im Wesentlichen gleich ausgebildet, und bestehen aus einem im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper sowie einem Drehzapfen 5 welcher in die Bohrung 14 im Leitschaufelträger 1 eingeführt wird. Das Fixierungselement 3 weist zusätzlich zwei parallel zueinander angeordnete Abflachungen 6, 7 auf, die im eingebauten Zustand in der Ausnehmung 8 der Halterung 2 anliegen und dadurch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Leitschaufelträger 1 und der Halterung 2 ermöglichen, dergestalt, dass der Leitschaufelträger 1 in Umfangsrichtung C in der Halterung 2 fixiert ist. Die Höheneinstellelemente 4 weisen zusätzlich eine Gewindebohrung 9 für eine Einstellschraube 10 auf. Die Längsachse L1 der Gewindebohrung 9 und die Längsachse L2 des Drehzapfens 5 stehen dabei senkrecht aufeinander. Hierdurch können sich die Höheneinstellelemente beim Verdrehen der Einstellschrauben in einem gewissen Winkel verdrehen, so dass die Einstellschraube ohne eine Verkantung an der vorgesehenen Fläche in der Halterung 2 zum Aufliegen kommt. Dies ist besonders wichtig, da das Gewicht des Leitschaufelträgers 1 auf den Einstellschrauben liegt. Es muss daher eine besonders gute und möglichst große Auflagefläche der Einstellschrauben auf den vorgesehenen Flächen in der Halterung 2 gewährleistet werden.
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5 zeigt die fertig montierte Leitschaufelträgeranordnung. Das U-förmige Profil des Leitschaufelträgers 1 ist so in der Halterung 2 angeordnet, dass es den Steg 12 der Halterung 2 umschließt. Hierdurch wird es gleichzeitig in Achsrichtung fixiert. Das Fixierungselement 3 sowie die Höheneinstellelemente 4 liegen in den jeweiligen Aufnahmen in der Halterung 2 und sind geschützt umschlossen vom Leitschaufelträger 1. Hierdurch können Beschädigungen der Elemente weitgehend vermieden werden.
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Nachfolgend soll das Verfahren zum Einstellen des Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger 1 und der Halterung 2 näher erläutert werden. Zunächst wird dazu das Fixierungselement 3 und die Höheneinstellelemente 4 mit ihrem Drehzapfen 5 in die Bohrung 14 im Leitschaufelträger 1 eingesetzt. Nach dem Einsetzen der Elemente 4, 5 in den Leitschaufelträger wird der Leitschaufelträger 1 in die Halterung 2 hinein geschoben. Dabei kommen die Abflachungen 6, 7 des Fixierungselementes 3 in der Ausnehmung 8 der Halterung 2 zum Anliegen, wodurch eine Fixierung des Leitschaufelträgers 1 in Umfangsrichtung C erreicht wird. Das Fixierungselement 3 und die Ausnehmung 8 bilden dabei eine formschlüssige Verbindung, wobei eine Bewegung in radialer Richtung weiterhin gewährleistet ist, da das Fixierungselement in radialer Richtung in der Ausnehmung 8 hin und her beweglich ist. Gleichzeitig kommen die Einstellschrauben 10 beim Einlegen des Leitschaufelträgers 1 in die Halterung 2 an den Ausnehmungen in der Halterung 2 zum Aufliegen. Das Einstellen des Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger 1 und der Halterung 2 erfolgt nun ausschließlich durch Verstellen der Einstellschrauben 10. Durch das Verstellen der Einstellschrauben 10 erfolgt ein Schwenken des Leitschaufelträgers innerhalb der Halterung 2 um das Fixierungselement 3. Gleichzeitig erfolgt eine Höhenverstellung des Leitschaufelträgers 1 innerhalb der Leitschaufelträgeranordnung. Die Einstellschrauben 10 der Höheneinstellelemente 4 müssen nun links und rechts jeweils soweit eingedreht werden, dass sich ein gleichmäßiger Radialspalt zwischen dem Leitschaufelträger 1 und der Halterung 2 einstellt.
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Die erfindungsgemäße Leitschaufelträgeranordnung zur Fixierung eines Leitschaufelträgers 1 ermöglicht somit mit lediglich zwei Einstellschrauben das Einstellen des Radialspaltes zwischen dem Leitschaufelträger 1 und der Halterung 2 und damit des Radialspaltes zwischen Leitschaufeln und Rotor. Die Einstellung kann dabei kontinuierlich und im eingebauten Zustand erfolgen. Die bislang komplizierte Höheneinstellung mit Hilfe von Passelementen die zudem auf ein exaktes Maß vorgeschliffen werden mussten, kann damit entfallen. Die vorliegende Erfindung erleichtert damit die Montage der Leitschaufelträgeranordnung enorm. Zudem verringert sich der Konstruktionsaufwand der Leitschaufelträgerfixierung erheblich.
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Die erfindungsgemäße Leitschaufelträgeranordnung eignet sich für jegliche Art von Turbinen insbesondere für Gas- und Dampfturbinen.
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Diese beschriebene Anordnung kann auch zur Fixierung bei Wellenlabyrinthen, Ausgleichskolbenlabyrinthen, Zwischenböden oder Innengehäusen verwendet werden.
