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Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, bevorzugt auf eine Fluggasturbine, mit einem elektromechanischen System, mit Hilfe dessen ein Wellenbruch erkennbar ist und mit Hilfe dessen eine Kraftstoffzufuhr zu der Gasturbine im Falle eines Wellenbruchs unterbrochen werden kann.
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Aus der
DE 33 22 430 A1 ist ein Gasturbinentriebwerk bekannt, bei welchem an einer ersten, äußeren Welle mehrere mit Klinken versehene Kipphebel schwenkbar gelagert sind, wobei ein Arm des doppelarmig ausgebildeten Kipphebels gegen eine koaxial in der ersten Welle angeordnete zweite Welle (Referenzwelle) anliegt. Bei einer Relativverdrehung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle wird der Kipphebel, bedingt durch die auf ihn wirkenden Fliehkräfte bei Rotation der ersten Welle verschwenkt und greift mit seinem zweiten Hebelarm in einen Klinkenmechanismus ein, welcher wiederum mechanisch die Kraftstoffzufuhr unterbricht.
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Weiterhin ist es bekannt, elektrische oder elektronische Überwachungssysteme einzusetzen. So zeigt die
EP 1 455 054 B1 ein mechanisch-elektrisches Kraftstoffabstellsystem, bei welchem an einer ersten Welle Mitnehmer vorgesehen sind, die mit Mitnehmerstiften an der zweiten Welle in Zusammenwirkung bringbar sind. Durch eine Relativverdrehung der Wellen werden die Mitnehmerstifte mitgenommen und dadurch Sperrhaken zur axialen Halterung freigegeben. Mit Hilfe von Federkräften wird ein Kolben in Richtung induktiver Sensoren bewegt, welche die Bewegung feststellen und ein hieraus resultierendes elektrisches Signal abgeben, welches die Kraftstoffzufuhr unterbricht.
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Derartige Systeme sind vielfach sehr komplex aufgebaut, wodurch sich die Schwierigkeit ergibt, die Funktionsfähigkeit derartiger Systeme zu überprüfen.
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Weiterhin ist die Reaktionszeit von elektrischen Systemen langsamer als die von mechanischen Systemen, da die Feststellung und die Reaktion/Aktuation auf Wellenbrüchen bei elektrischen Systemen voneinander getrennt sind und die Reaktion/Aktuation erst nach der Feststellung des Wellenbruchs erfolgt. Zudem müssen bei elektrischen Systemen die Signale gegen Störungen wie Blitzeinschläge etc., gefiltert werden.
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Weiterhin sind komplexe mechanische Aufbauten fehleranfällig, da sie verschmutzen oder korrodieren können. Die Funktionalität kann ebenfalls nur in definierten Wartungsintervallen überprüft werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbine mit einem elektromechanischen Wellenbruch-Erkennungssystem zu schaffen, wobei das System einfach und funktionssicher aufgebaut ist und eine ständige Funktionskontrolle ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass innerhalb der ersten Welle koaxial eine zweite Welle (Referenzwelle) angeordnet ist, wobei die erste Welle antriebsmäßig mit zumindest einer rotierenden Baugruppe verbunden ist. Die erste Welle kann beispielsweise eine Niederdruckwelle sein, welche eine Niederdruckturbine mit einem Niederdruckkompressor oder einem Fan verbindet. In der ersten Welle ist die zweite Welle relativ zu der ersten Welle verdrehbar angeordnet. Weiterhin ist auf der ersten Welle zumindest ein Hebelelement gelagert, welches bevorzugterweise als Doppelhebel ausgebildet ist. Das Hebelelement greift durch zumindest eine Ausnehmung der ersten Welle hindurch und liegt gegen die zweite Welle an. Die zweite Welle ist in einem Umfangskontaktbereich unrund ausgebildet, so dass bei einer Relativbewegung der beiden Wellen zueinander das Hebelelement verschwenkt wird. Die Schwenkbewegung des Hebelelements wird mittels zumindest eines Sensors, bevorzugterweise eines Induktionssensors, gemessen. Wenn eine vorgegebene Relativverdrehung zwischen der ersten Welle und der Referenzwelle überschritten ist, erfolgt nicht nur eine Erkennung dieser Relativbewegung durch den Sensor, vielmehr wird zumindest ein Auslöseelement betätigt, welches beispielsweise in Form eines Scherstifts ausgebildet ist. Der Sensor überprüft somit zunächst lediglich die Schwenkbarkeit und damit die Funktionsfähigkeit des Hebelelements, während das Auslöseelement im Falle eines Wellenbruchs bei Überschreiten einer vorgegebenen Winkel-Drehposition zwischen den beiden Wellen über einen elektrischen Schaltkreis eine Kraftstoffabstellvorrichtung betätigt wird. Das Auslöseelement ist dabei bevorzugterweise in Form eines Scherstifts ausgebildet, welcher zumindest eine elektrische Leitungsbahn unterbricht, wenn dieser abgeschert wird. Hierdurch wird die Kraftstoffabstellvorrichtung betätigt.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht somit zum einen eine ständige Funktionskontrolle des Hebelelements durch den Sensor. Zum anderen ist es möglich, den elektrischen Schaltkreis auf seine Funktionsfähigkeit hin zu überprüfen und sicherzustellen, dass die Kraftstoffabstellvorrichtung bei Unterbrechung des Schaltkreises betätigt wird. Dies kann beispielsweise beim Abstellen der Fluggasturbine routinemäßig erfolgen, so dass bei jedem Betriebszyklus eine vollständige Überprüfung der Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Systems gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß werden somit die Vorteile von mechanischen Systemen (Robustheit) und elektrischen Systemen (Überprüfbarkeit) miteinander kombiniert. Das erfindungsgemäße System ist somit zuverlässiger und schneller als ein rein elektrisches oder elektronisches System. Zudem ist es während des Betriebes möglich, das erfindungsgemäße System zu überprüfen. Das erfindungsgemäße System kann unabhängig von der Elektronik eines elektronischen Triebwerkreglers (EEC) implementiert werden, so dass das erfindungsgemäße System im Wesentlichen unabhängig von elektromagnetischen Störungen auf den Triebswerksregler (EEC) oder den Kabelbaum ist, welches beispielsweise durch Blitzschläge hervorgerufen werden können.
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Das erfindungsgemäße System kann weiterhin zusätzlich zu einem Wellenbruch auch Beschädigungen des hinteren Lagers (Turbinenlager) der ersten Welle oder einen axialen Lagerversatz feststellen. Somit kann auch auf derartige Fehler reagiert werden.
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Die Erfindung betrifft eine Fluggasturbine mit beliebiger Wellenanzahl.
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Bei der beschriebenen Zuordnung einer ersten Weile mit einer Referenzwelle sind die beiden Wellen an den vorderen (in Flugrichtung) Wellenenden miteinander verbunden.
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Die Erfindung umfasst somit eine Referenzwelle, zumindest ein Hebelelement und zumindest einen Scherstift. Bevorzugterweise ist das Hebelelement mittels eines elastischen Elements (Feder) gegen die zweite Welle (Referenzwelle) vorgespannt, so dass auch beim Stillstand der Fluggasturbine eine Vorspannung vorliegt. Durch die auf das Hebelelement beim Betrieb der Fluggasturbine wirkenden Fliehkräfte erfolgt im Betrieb eine Druckbeaufschlagung des Hebelelements gegen die zweite Welle (Referenzwelle).
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Die Referenzwelle (zweite Welle) ist am Umfangskontaktbereich bevorzugt unrund ausgebildet, beispielsweise spiralförmig oder oval. Dieser Umfangskontaktbereich sorgt somit bei einer Relativverdrehung der ersten Welle zu der zweiten Welle für eine Änderung der radialen Auslenkung des Hebelelements (Kipphebels).
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Die Betätigung des Auslöseelements (Scherstifts) erfolgt bei einer vorgegebenen Relativverdrehung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle, bei welcher mit Sicherheit von einem Wellenbruch ausgegangen wird. Ein derartiger Verdrehwinkel beträgt beispielsweise 35° bei einem Stahlschaft. Bei einer derartigen Verdrehung wird das Auslöseelement (Scherstift) abgeschert.
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Die Länge und die Ausgestaltung des Hebelelements sind an die zulässigen Verdrehwinkel zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle anpassbar.
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Erfindungsgemäß wird mittels des Sensors die Verschwenkbarkeit des Hebelelements überprüft. Dabei ist es beispielsweise möglich, die radiale Position des schwenkbaren Hebelelements mittels eines stationären induktiven Meßwertaufnehmers zu messen, welcher somit eine Messung der radialen Auslenkung oder Verschwenkung des Hebelelements ermöglicht. Der Sensor dient somit zur Funktionskontrolle, eine Erkennung der radialen Position des Hebelelements durch den Sensor (beispielsweise den induktiven Messwertaufnehmer) ist bei der Wellenbrucherkennung selbst sekundär. Die Funktionalität des Systems, nämlich insbesondere die Funktionalität des Hebelelements, kann von dem elektronischen Triebwerksregler (EEC) während des Betriebes der Fluggasturbine überwacht werden.
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Erfindungsgemäß wird die Grundfunktion der Erkennung eines Wellenbruchs durch die Auslöseelemente (bevorzugt Scherstift) ausgeführt. Der dem Sensor zugeordnete Bereich des Hebelelements kann konstruktiv den Anforderungen besonders gut angepasst werden. So ist es insbesondere möglich, die radiale Position des Hebelelements mittels des Sensors (induktiver Messwertaufnehmer) zu erfassen. Hierzu ist es möglich, an dem Hebelelement zwei ferromagnetische Stege in Form eines Trapezes anzuordnen. Dabei kann sich am Ende des Trapezes eine Verdickung befinden, welche geeignet ist, das Ausleseelement (Scherstift) abzuscheren.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die Breite der Stege so zu wählen, dass ein eindeutiges Signal durch den Sensor generiert wird. Hierdurch ist die Erkennung der radialen Position des Hebelelements störungsfrei möglich. Dieser Bereich des Hebelelements weist beim Lauf des Triebwerkes bevorzugt ein größeres Drehmoment auf, als der Bereich des Hebelelements, welcher gegen die zweite Welle anliegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die auf das Hebelelement beim Betrieb wirkenden Fliehkräfte das Hebelelement verschwenken, sobald eine Relativverdrehung zwischen den beiden Wellen erfolgt. Die Fliehkräfte bewirken somit die Auslösung des Auslöseelements (Abscherung des Scherstifts).
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Durch die Signale des Sensors kann erfindungsgemäß somit über den Verschwenkwinkel des Hebelelements die radiale Position zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle (Referenzwelle) festgestellt werden. Bei einer vorgegebenen, definierten maximalen Verdrehung der beiden Wellen zueinander ohne Wellenbruch (beispielsweise 10°) ist es möglich, die Funktionsfähigkeit des Hebelelements zu messen, da sich dieses bei der normalen maximalen Verdrehung ohne Wellenbruch ebenfalls verschwenkt. Erst bei einer weiteren Winkelverdrehung zwischen den beiden Wellen, bei welcher es sich um einen Wellenbruch handelt, wird das Auslöseelement ausgelöst.
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Sobald die Relativverdrehung der beiden Wellen den kritischen Wert erreicht und das Auslöseelement betätigt wird, wird eine in dem Auslöseelement verlaufende elektrische Verbindung unterbrochen.
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Wenn in bevorzugter Ausgestaltung das Auslöseelement (der Scherstift) Teil eines elektrischen Kreises ist, der ein Kraftstoffabstellventil elektrisch aktiv offen hält, wird das Kraftstoffabstellventil nach der Durchtrennung des Scherstifts geschlossen. Das elektrische Offenhalten kann durch einen elektrisch aktiv gehaltenen Sperrbolzen erfolgen, welcher ein durch eine Federkraft in eine Schließstellung bringbares Absperrventil öffnet. Bei einer Unterbrechung des elektrischen Kreises würde sich das Kraftstoffventil selbsttätig schließen. Es würde sich auch bei jedem Abstellen des Triebwerks schließen, so dass die Funktion des Kraftstoffabsperrventils bei jedem Betriebszyklus überprüft werden kann.
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Bei der Ermittlung eines Wellenbrucherkennungssignals durch die Unterbrechung des elektrischen Schaltkreises mittels des Auslöseelements kann dieses an den elektronischen Triebwerksregler (EEC) übermittelt werden.
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Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn eine auf eine vorgegebene Reaktionszeit abgestimmte Anzahl an Auslöseelementen (Scherstiften) gleichmäßig über den Umfang in gleichem radialem Abstand zur ersten Welle (Niederdruckwelle) angebracht wird. Die Auslöseelemente (Scherstifte) sind bevorzugt in Reihe geschaltet, damit es beim Abscheren eines Scherstiftes zu einer Stromkreisunterbrechung kommt. Um eine duale Auslegung zu erreichen, ist es vorteilhaft, in jedem Auslöseelement (Scherstift) zwei Stromschleifen vorzusehen, welche unterschiedliche Kanäle bilden. Dabei sind die jeweiligen Kanäle bevorzugterweise zu sich in Reihe geschaltet und jeweils mit einer eigenen Spule des elektrisch aktiven Haltebolzens des Kraftstoffabschaltventils verbunden.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, durch eine geeignete Anordnung der Auslöserelemente auch eine radiale Wellenversetzung bei einem Wellenbruch zu ermitteln, welche beispielsweise ±4 mm beträgt.
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Bevorzugterweise ist das System zur Kraftstoffabstellung so ausgebildet, dass sich dieses beim Anlassen der Gasturbine öffnet. Dies kann beispielsweise durch einen angetriebenen Excenter erfolgen, der das Kraftstoffabsperrventil öffnet. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen, mit dem Hebelelement zusammenwirkenden Sensor, kann somit die Funktion des mechanischen Hebelelements bei jedem Betriebszyklus der Gasturbine überprüft werden. Durch die Ermittlung einer Verschwenkung des Hebelelements mittels des Sensors können auch Rückschlüsse auf das Drehmoment gegeben werden, welches auf die erste Welle wirkt. Über eine Auswertung des zyklischen Abstandes der Signale des Sensors ist es auch möglich, einen Rückschluss auf eine Lagerschädigung vorzunehmen. Zusätzlich kann das Auslöseelement (die Scherstifte) so dimensioniert werden, dass auch ein axialer Wellenversatz zur Abschaltung der Gasturbine/des Triebwerks führt.
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In alternativer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, das Signal des elektrischen Kreises nicht direkt an das Brennstoffabstellsystem weiterzuleiten, sondern zu dem elektronischen Triebwerksregler (EEC). Dieser übermittelt dann ein Signal zur Auslösung an ein aktives Kraftstoffabstellsystem, so dass dieses auslöst.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Axialansicht einer erfindungsgemäßen Fluggasturbine mit dem erfindungsgemäßen System,
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2 eine vereinfachte Radialschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems,
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3 eine vereinfachte schematische Darstellung der elektrischen Schaltkreise und des Auslöseelements, und
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4 eine Ausgestaltungsvariante des Kraftstoffabstellsystems.
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Die 1 zeigt in Axialansicht in schematischer Darstellung einen Fan und einen Niederdruckkompressor, welche beide mit dem Bezugszeichen 12 versehen sind. Mit dem Bezugszeichen 13 ist schematisch eine Brennkammer einer Fluggasturbine dargestellt. In Strömungsrichtung (von links nach rechts) folgt der Brennkammer 13 eine im Einzelnen nicht dargestellte Turbineneinheit.
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Die 1 zeigt eine erste Welle 1 (Niederdruckwelle), in welcher koaxial und relativ zu dieser drehbar eine zweite Welle 2 (Referenzwelle) angeordnet ist.
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Wie sich aus 2 ergibt, sind an der ersten Welle 1 zwei Hebelelemente 3 schwenkbar gelagert, deren Verschwenkung mittels eines Sensors 5 (induktiver Messertaufnehmer) ermittelbar ist.
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Weiterhin zeigt die 1 ein Auslöseelement 6 (Scherstift), welches über einen elektrischen Schaltkreis 7 mit einer Kraftstoffabstellvorrichtung (Brennstoffabstellsystem) betriebsverbunden ist.
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Weiterhin zeigt die 1 in schematischer Darstellung eine Position des Hebelelements 3 bei 10° Verdrehwinkel (Bezugszeichen A) sowie eine Position des Hebelelements 3 bei 35° Verdrehwinkel (Bezugszeichen B).
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Die 2 zeigt eine Radial-Schnittansicht der Hebelelemente 3 sowie der Zuordnung derselben zu der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2.
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Die Hebelelemente 3 sind als doppelarmige Hebel ausgebildet. Die erste Welle 1 ist jeweils mit einer Ausnehmung 4 versehen, durch welche ein erster Hebelarm 9 hindurchgreift und gegen die Oberfläche der unrund ausgebildeten zweiten Welle 2 anliegt. Das Hebelelement 3 ist um die Schwenkachse 14 verschwenkbar. Ein zweiter Hebelarm 10 ist verdickt ausgebildet und umfasst zwei trapezförmig angeordnete Stege 15 sowie eine Verstärkung 16. Durch die größere Masse des zweiten Hebelarms 10 wird dieser durch die Fliehkräfte bei Drehung der ersten Welle radial nach außen verschwenkt, so dass eine sichere Anlage des ersten Hebelarms 9 gegen die zweite Welle 2 gesichert ist.
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Dem zweiten Hebelarm 10 ist ein Sensor 5 (induktiver Messertaufnehmer) zugeordnet, welcher eine Verschwenkung des Hebelelements 3 erkennt.
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Die Winkelangaben im Zentrum der Wellen gemäß 2 zeigen den jeweiligen Verdrehwinkel zwischen der ersten Welle 1 (Niederdruckwelle) und der zweiten Welle 2 (Referenzwelle). 10° ist der zulässige Verdrehwinkel, bei 35° bei einer Stahlwelle liegt mit Sicherheit ein Wellenbruch vor.
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Weiterhin zeigt die 2 insgesamt vier Auslöseelemente (Scherstifte) 6, welche jeweils mit einem elektrischen Schaltkreis 7 verbunden sind, so wie dies in 3 verdeutlicht ist. Der elektrische Schaltkreis 7 ist aus Sicherheitsgründen doppelt ausgebildet. Der elektrische Schaltkreis 7 ist mit einer ebenfalls doppelt ausgebildeten Spule 17 verbunden, welche verdeutlichend auch in 4 dargestellt ist. Die Spule 17 ist über Anschlüsse 19 mit dem elektrischen Schaltkreis 7 verbunden und betätigt einen Haltebolzen 18, welcher mittels einer Feder 20 verschiebbar vorgespannt ist. Bei Unterbrechung des Stromes zieht die Feder 20 den Haltebolzen 18 zurück, so dass eine Feder 22 ein Absperrelement 21 eines Abschaltventils bewegen kann (nach unten gemäß 4), um den schematisch mit dem Bezugszeichen 23 dargestellten Fluss an Kraftstoff zu unterbinden. Bei einem Bruch der Scherstifte erfolgt somit eine Stromlosschaltung des elektrischen Schaltkreises 7, welche zu einer automatischen Betätigung der Kraftstoffabstellvorrichtung 8 führt. Mittels eines Excenters 24 ist eine mechanische Öffnung des Absperrelements 21, beispielsweise zu Beginn des Starts der Fluggasturbine möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Welle/Niederdruckwelle
- 2
- zweite Welle/Referenzwelle
- 3
- Hebelelement
- 4
- Ausnehmung
- 5
- Sensor/Induktiver Messwertaufnehmer
- 6
- Auslöseelement/Scherstift
- 7
- elektrischer Schaltkreis
- 8
- Kraftstoffabstellvorrichtung
- 9
- erster Hebelarm
- 10
- zweiter Hebelarm
- 11
- elastisches Element/Feder
- 12
- Fan und Niederdruckkompressor
- 13
- Brennkammer
- 14
- Schwenkachse
- 15
- Steg
- 16
- Verstärkung
- 17
- Spule
- 18
- Haltebolzen
- 19
- Anschluss
- 20
- Feder (Zugfeder)
- 21
- Absperrelement
- 22
- Feder (Druckfeder)
- 23
- Kraftstoff
- 24
- Excenter
- A
- Hebelposition bei 10° Verdrehwinkel
- B
- Hebelposition bei 35° Verdrehwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3322430 A1 [0002]
- EP 1455054 B1 [0003]
