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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und
insbesondere Turbinen darin.
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In
einer Gasturbinenmaschine wird Luft in einem Verdichter verdichtet
und mit Brennstoff in einem Brenner zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase
gemischt. Energie wird aus den Gasen in Turbinenstufen entzogen,
welche den Verdichter und eine Welle, die einen Fan in einer Flugzeug-Turbofantriebwerksanwendung
antreibt, mit Energie versorgen, oder ein Getriebe in einer Turbomotoranwendung
mit Energie versorgen.
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Eine
Hochdruckturbine (HPT) folgt direkt dem Brenner und nimmt die heißesten Gase
davon auf, aus welchen anfangs Energie entzogen wird. Eine Niederdruckturbine
(LPT) folgt der HPT und entzieht zusätzliche Energie aus den Gasen.
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Jede
Turbinenstufe enthält
einen Turbinenleitapparat, der bevorzugt die Verbrennungsgase einer
entsprechenden Reihe von Turbinenlaufschaufeln zuführt. Der
Leitapparat enthält
hohle Statorleitschaufeln, und die Rotorlaufschaufeln sind in ähnlicher
Weise hohl, um während
des Betriebs Kühlluft durch
diese zu leiten.
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Jeder
Turbinenleitapparat ist eine ringförmige Anordnung gekrümmter Leitapparatsegmente, welche
in der Maschine genau koaxial zu deren axialen Mittellinie montiert
sein müssen.
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In
einer Konfiguration enthält
der Leitapparat der ersten LPT-Stufe auch sich mit Leitschaufelsegmenten
abwechselnde Verkleidungssegmente. Jedes Verkleidungssegment enthält eine
hohle Verkleidung, durch welche sich radial eine Stützstrebe
oder Versorgungsleitungen oder Kanäle für interne Maschinenkomponenten
erstrecken.
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Die
Leitapparatsegmente können
exakt von einem umgebenden Außengehäuse mittels
in Lagerungsaufhängungen
montierten Lagerungshaken gelagert sein. Jeder Haken hat einen sich
axial erstreckendes Profil, welches in einer sich axial erstreckenden
Nut in der Lagerungsaufhängung
montiert ist.
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Diese
Nut/Feder-Lagerungsanordnung ermöglicht
den Zusammenbau der vollständigen
Reihe von Leitapparatsegmenten in der Maschine. Und die Reihe der
Leitapparatsegmente wird exakt sowohl axial als auch radial, und
koaxial um die axiale Mittellinienachse der Maschine gelagert und
festgehalten.
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Während des
Betriebs heizen jedoch die durch den Turbinenleitapparat strömenden Verbrennungsgase
die Leitapparatkomponenten auf und bewirken ihre Wärmeausdehnung.
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Der
Leitapparat mit seinen Leitschaufelblättern wird in geeigneter Weise
während
des Betriebs gekühlt,
indem man durch diese einen Teil von aus dem Verdichter abgezweigter
Druckluft zirkulieren lässt.
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Die
Kühlluft
kann in den Leitapparat und in dessen Schaufelblätter von dem radial äußeren Band aus
eintreten, was wie derum einen radial nach innen gerichteten Wärmegradienten
erzeugt.
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Die
umgebende Lagerungsaufhängung
wird daher stärker
als das äußere Band
gekühlt,
und die Lagerungshaken dehnen sich thermisch anders als die Lagerungsaufhängungen
aus. Demzufolge muss ein ausreichender Spielraum in den Aufhängungsnuten
vorgesehen sein, um die sich unterscheidende Wärmeausdehnung der Haken darin
aufzunehmen, wobei aber dieser Spielraum dann unerwünschte Leckagepfade
für die
Kühlluft
erzeugt.
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Ein
unzureichender Spielraum kann eine unerwünschte Verklemmung oder Beeinflussung
zwischen den Haken und Nuten erzeugen. Dieses wiederum kann lokal
Belastungen und Beanspruchungen erhöhen und kann eine Fehlausrichtung
oder Fehlpositionierung der Leitapparatsegmente in Bezug auf die
axiale Bezugsmittellinienachse bewirken und das Betriebsverhalten
der Verbrennungsgase während
der Führung
durch den Leitapparat zu der damit zusammenwirkenden Turbinenlaufschaufelreihe
nachteilig beeinflussen.
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Diese
Probleme erhöhen
die Komplexität
der Auslegung des Turbinenleitapparates und erfordern geeignete
Lösungen
dafür.
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Zum
Verringern unerwünschter
Luftleckage sind typischerweise Hilfsdichtungen entweder an den vorderen
oder hinteren Leitapparathaken oder beiden vorgesehen. Und rohrförmige Spulenkörper können dazu
genutzt werden, den kühlenden
Luftstrom in den einzelnen Leitapparatschaufelbättern einzuschließen.
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Demzufolge
soll ein Turbinenleitapparat mit verbesserten Befestigungsmerkmalen
zur Verringerung von Luftstromleckagen bereitgestellt werden.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Ein
Turbinenleitapparat enthält
radial innere und äußere Bänder, die
einem Stück
mit gegenüberliegenden
Enden eines Schaufelblattes verbunden sind. Das äußere Band hat vordere und hintere
Haken, die sich radial an axial gegenüberliegenden Enden nach außen erstrecken.
Und die Haken haben unterschiedliche sehnenartig vorgeformte Umfangskrümmungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung, gemäß bevorzugten
und exemplarischen Ausführungsformen,
wird zusammen mit weiteren Aufgaben und ihren Vorteilen ausführlicher
in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische axiale Ansicht einer exemplarischen Turbomotorgasturbinenmaschine
mit mehreren Turbinenstufen ist.
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2 eine
isometrische Explosionsansicht des in 1 dargestellten
Leitapparates der ersten Stufe eines LPT-Leitapparates ist.
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3 eine
weitere Explosionsansicht eines exemplarischen Leitapparat-Leitschaufeltriplettsegments
aus dem Leitapparat von 2 mit vorderen und hinteren äußeren Haken
mit repräsentativen
radialen Querschnitten an Schnittlinien X-X und Y-Y in 1 ist.
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4 eine
weitere Explosionsansicht eines exemplarischen Leitapparat-Verkleidungssingulettsegments
aus dem Leitapparat von 2 mit vorderen und hinteren
Außenhaken
mit repräsentativen
radialen Querschnitten an Schnittlinien X-X und Y-Y in 1 ist.
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5 eine
Ansicht wie die von 3 des Leitschaufeltripletts
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In 1 ist
eine Turbomotorgasturbinenmaschine 10 schematisch dargestellt,
welche um eine Längs-
oder Axialmittellinienachse 12 axialsymmetrisch ist.
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Die
Maschine enthält
in serieller Durchflussverbindung einen Verdichter 14,
Brenner 16, eine zweistufige HPT 18 und eine mehrstufige
LPT 20. Der Rotor der HPT 18 ist mit den Rotoren
des Verdichters 14 über
eine Antriebswelle verbunden, und die Rotoren der LPT 20 sind
mit der Ausgangsantriebswelle, die ein (nicht dargestelltes) Getriebe
für die
exemplarische Turbomotoranwendung antreibt, verbunden.
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Während des
Betriebs wird Luft 22 in dem Verdichter 14 verdichtet
und mit Brennstoff in dem Brenner 16 zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase 24 vermischt.
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Energie
wird aus den Verbrennungsgasen durch die Turbinenlaufschaufeln der
HPT 20 zum Antreiben der Verdichterlaufschaufeln entzogen.
Zusätzliche
Energie wird aus den Gasen durch die Turbinenlaufschaufeln der LPT 20 zum
Antreiben der Ausgangswelle entzogen.
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Die
LPT 20 enthält
einen Leitapparat 26 der ersten LPT-Stufe, der axial zwischen Rotorlaufschaufeln 28 der
zweiten HPT-Stufe und Rotorlaufschaufeln 30 der ersten
LPT-Stufe angeordnet ist, welche die dritte Turbinenstufe der Maschine
definieren.
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Der
Leitapparat 26 ist koaxial im Inneren eines umgebenden
ringförmigen
Außengehäuses 32 gelagert.
In geeigneter Weise sind an dem Außengehäuse axial in Abstand angeordnete
vordere und hintere Aufhängungen 34, 36 mit
sich in Umfangsrichtung darin erstreckenden entsprechenden Nuten 38, 40 angebracht
oder damit verbunden.
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Jede
Aufhängung 38, 40 ist
eine sich von dem Gehäuse
aus radial nach innen gerichtet erstreckende einteilige Ringkomponente über 360
Grad, die, wobei sich die vorderen und hinteren Nuten 38, 40 in
ihren radial inneren Naben axial nach hinten erstrecken.
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Jede
Nut 38, 40 ist durch konzentrische radial innere
und äußere ringförmige Oberflächen in
jeder axialen Nabe definiert und begrenzt, die eine konstante radiale
Höhe zwischen
den äußeren und
inneren Nabenwänden
bereitstellen. Die Nuten sind koaxial zu der Mittellinienachse 12 des
Triebwerks oder Leitapparates bei einem entsprechenden Wert des davon
ausgehend gemessenen en Radius R angeordnet.
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Der
Leitapparat 26 enthält
radial innere und äußere gekrümmte Bänder 42, 44,
die in einem Stück mit
gegenüberliegenden
radialen Enden einer Reihe von Leitschaufeln oder Schaufelblättern 46 gegossen oder
verbunden sind, die in in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Leitapparatsegmenten
angeordnet sind.
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Beispielsweise
enthalten die in 2 dargestellten Segmente mehrere
Leitapparat-Leitschaufeltripletts, wovon jedes drei hohle Leitschaufelblätter 46 aufweist,
die sich radial zwischen entsprechenden inneren und äußeren Bändern 42, 44 erstrecken.
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Mehrere
Verkleidungssinguletts wechseln sich in Umfangsrichtung mit den
Tripletts ab und jedes Singulett hat nur eine hohe Schaufelverkleidung 48,
die sich radial zwischen entsprechenden inneren und äußeren Bändern 42, 44 erstreckt.
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Die
Verkleidungssinguletts sind in zwei Gruppen von sechs abwechselnd
in Umfangsrichtung mit zwölf
Leitapparattripletts in der vollständigen Leitapparatreihe angeordnet.
Die Hälfte
der Verkleidungssinguletts hat sich radial durch diese hindurcherstreckende
Stützrahmenstreben,
und die restliche Hälfte
der Singuletts hat sich radial hindurcherstreckende Versorgungsleitungen
oder Rohre.
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Die
hohlen Leitschaufeln 46 haben interne Kühlkreisläufe, die in geeigneter Weise
mit aus dem Verdichter 14 abgezweigter Luft 22 gespeist
werden. In 1 begrenzen die zwei Aufhängungen 34, 36 axial
das äußere Band 44 des
Leitapparates und definieren einen geschlossenen ringförmigen Sammelraum,
in welchen die Druckluft 22 beispielsweise durch die Rahmenstreben
geführt
wird.
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Die äußeren Bänder aller
Leitapparatsegmente haben entsprechende vordere und hintere Haken 50, 52,
die sich von der Außenoberfläche des äußeren Bandes
an dessen axial gegenüber
liegenden Enden nach außen
erstrecken.
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Jeder
von den vorderen und hinteren Haken 50, 52 hat
eine umgedrehte L-Konfiguration und enthält einen ähnlichen radialen Schacht 54,
der sich von der Außenoberfläche des äußeren Bandes 44 radial
nach außen
erstreckt. Die zwei Haken haben unterschiedliche vordere und hintere
in Umfangsrichtung gekrümmte
Federn oder Profile 56, 58, die sich axial von
den distalen äußeren Enden
der entsprechenden Schäfte 54 mit
einer kleinen radialen Abwärtsstufe
oder Aussparung dazu erstrecken, um den Zusammenbau zu ermöglichen.
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Das
vordere Profil 56 erstreckt sich axial nach vorne und ist
axial im Inneren der vorderen Aufhängungsnut 38 angeord net.
Das hintere Profil 58 erstreckt sich ebenfalls axial nach
vorne und ist axial im Inneren der hinteren Aufhängungsnut 40 angeordnet.
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Wie
vorstehend in dem Hintergrundabschnitt angegeben, muss ein geeigneter
radialer Spielraum zwischen den Profilen und den Nuten vorgesehen sein,
um den Zusammenbau der Leitapparatsegmente zu ermöglichen
und um eine Verklemmung oder Beeinflussung während eines Betriebs der Maschine im
heißen
Zustand zu verhindern.
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Und
insbesondere ist eine Verringerung der Leckage der unter Druck stehenden
Kühlluft
aus dem Sammelraum zwischen den Aufhängungen und dem äußeren Band
ohne Verwendung von Hilfsdichtungen, die Strukturen und Gewicht
mit sich bringen, erwünscht.
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Demzufolge
wird der Leitapparat 26 daher für die Behandlung dieser widersprechenden
Vorgaben modifiziert, wobei diese Modifikation außergewöhnliche
Konfigurationen der vorderen und hinteren Profile 56, 58 bewirkt.
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In
einem herkömmlichen
Turbinenleitapparat sind dessen verschiedenen ringförmigen oder
zylindrischen Komponenten um die axiale Mittellinienachse 12 der
Maschine oder des Leitapparates selbst konzentrisch; so wie auch
diejenigen des Leitapparates 26 selbst, außer wenn
sie hierin nachstehend speziell modifiziert werden.
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Herkömmliche
Hakenprofile sind konzentrisch in den lagernden Aufhängungsnuten
montiert und erfordern deshalb einen geeigneten radialen Spielraum,
um eine unerwünschte
Verklemmung, Beeinflussung und entsprechende Belastungen und Spannung
daraus zu verhindern, jedoch auf Kosten einer Kühlluftleckage, welche typischerweise
vorne und hinten Hilfsdichtungen erfordert.
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Im
Gegensatz dazu sind die in vergrößerter Ansicht
in 3 dargestellten vorderen und hinteren Haken 50, 52 nicht
konzentrisch um die Mittellinienachse 12 und in Umfangsrichtung
nicht konzentrisch zu dem äußeren Band 54 entlang
den vorderen und hinteren Profilen 56 und 58.
Die zwei Profile 56, 58 sind bevorzugt radial
nach innen zu dem äußeren Band 44 hin
gebogen und haben geeignet unterschiedlich sehnenartig vorgeformte
Umfangskrümmungen.
Das äußere Band 44 bleibt
zu dem inneren Band 42 konzentrisch, wobei beide Bänder entsprechend
unterschiedliche von dem durch die axiale Mittellinienachse 12 des
Leitapparates repräsentierten gemeinsamen
Ursprung ausgehend gemessenen e Werte des Radius R haben.
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Wesentlich
für die
sehnenartig vorgeformte Konfiguration der zwei Profile 56, 58 ist
die Erkenntnis, dass die radiale Wärmeausdehnung des äußeren Bandes 44,
welches die zwei Haken 50, 52 lagert, das Umfangsprofil
oder die Konfiguration der zwei Profile 56, 58 zu
einem Wechsel zwischen kalten und warmen Zuständen veranlasst. Zusätzlich werden die
Leitapparatschaufeln 46, 48 auch aerodynamisch während des
Betriebs belastet, wobei Druckbelastungen davon radial nach außen durch
die zwei Lagerungshaken 50, 52 abgeführt werden.
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1 stellt
den hinteren Strom der Verbrennungsgase 24 während des
Betriebs mit entsprechenden Auswirkungen einer hinteren Nettodruckbelastung
P auf die Leitapparatschaufeln dar. Da der Leitapparat von seinem äußeren Band
an dem Außengehäuse gelagert
wird, bewirken die Druckbelastungen P ein Kräftepaar oder Moment M im Gegenuhrzeigersinn.
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Das
Moment M wird durch die zwei Haken 50, 52 mit
einer radial nach außen
gerichteten Kraft F durch den hinteren Haken 52 und eine
gleiche radial nach innen gerichtete Kraft F durch den vorderen
Haken 50 gemäß Darstellung
in 2 aufgenommen.
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Demzufolge
haben die in 3 dargestellten Profile 56, 58 eine
Anfangs-Raumtemperatur oder kalte Konfiguration, wenn das Triebwerk
ausgeschaltet ist und keine Verbrennungsgase strömen. Während eines Betriebs der Maschine
im heißen
Zustand, wenn die Verbrennungsgase durch den Leitapparat strömen, wird
nicht nur das Druckmoment M erzeugt, sondern es dehnen sich auch
die Leitapparatkomponenten thermisch aus und ändern Größe und Konfiguration.
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Diese Änderung
in der Konfiguration der thermisch ausgedehnten Profile 56, 58 kann
vorteilhafterweise zusätzlich
zu anderen Vorteilen dazu genutzt werden, die Konfiguration des
Leitapparates zu verbessern, die Luftleckage zu verringern und die Notwendigkeit
von Hilfsdichtungen zu vermeiden.
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Ein
außergewöhnliches
Verfahren kann zur Verbesserung der Konfiguration von Turbinenleitapparaten,
wie z. B. des LPT-Leitapparates 26 genutzt werden,
indem zu Beginn eine Umfangskrümmung der
vorderen und hinteren Profile 56, 58 in den vorderen
bzw. hinteren Nuten 38, 40 in dem kalten Zustand fehlangepasst
wird. Die vorderen und hinteren Profile 56, 58 werden
speziell zum Bewirken dieser Fehlanpassungskonfiguration sehnenartig
vorgeformt, wobei die sehnenartige Vorverformung von Anfang an in den
Leitapparat selbst hinein konstruiert wird.
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Dann
werden die Verbrennungsgase zwischen den inneren und äußeren Bändern des
Leitapparates geführt,
welche dann die vorderen und hinteren Profile 56, 58 in
ihren Lagerungsnuten 38, 40 während des heißen Zustandes
erhitzen. Der heiße Zu stand
kann für
jeden Betriebspunkt, wie z. B. bei einem Reiseflugbetrieb des Triebwerks
in einem Flugzeug, gewählt
werden.
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Die
vorderen und hinteren Profile 56, 58 dehnen sich
dann thermisch aus und unterliegen einer sehnenartigen Verformung
in Umfangsrichtung im Inneren der vorderen und hinteren Nuten 36, 38 in
dem gewünschten
heißen
Betriebszustand, sodass sie die Umfangskrümmung der Innenoberfläche des
vorderen Profils 56 an die Innenoberfläche der vorderen Nut 38 anpassen
und die Umfangskrümmung
der Außenoberfläche des
hinteren Profils 58 an die Außenoberfläche der hinteren Nut 40 anpassen.
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3 stellt
schematisch die durch das vordere Profil 56 in die Außenoberfläche der
vorderen Nut 38 ausgeübte
radial nach innen gerichtete Kraft F und die Änderung in der Krümmung zwischen
den kalten und heißen
Zuständen
dar, die eine verbesserte radial innere Kontaktdichtung dazwischen
bewirkt.
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Entsprechend
wird die radial nach außen
gerichtete Kraft F durch das hintere Profil 58 in die Außenoberfläche der
hinteren Nut 40 ausgeübt,
und die Änderung
in der Krümmung
zwischen den kalten und heißen
Zuständen
bewirkt eine verbesserte radial äußere Kontaktdichtung
dazwischen.
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Diese
inneren und äußeren Oberflächendichtungen
sind für
den heißen
Betriebszustand optimiert, sodass sie die Konzentrizität der gegenüberliegenden
Flächen
entlang der vollen Umfangslänge oder
der Spanne der zwei Profile anpassen.
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Jedoch
sind im kalten Zustand die entsprechenden Dichtungsoberflächen weder
konzentrisch und noch vollständig
in Reibungskontakt vereint, sondern haben stattdessen vergrößerte lokale
Spalte dazwischen. Dieses ist für
den kalten Zustand, während
welchem die Maschine nicht arbeitet, zulässig, wobei der Maschinenbetrieb
dann die Wärmeausdehnung
bewirkt, die die Vereinigung und Abdichtung der Profile in den Nuten
mit einer maximalen Abdichtung im gewünschten heißen Betriebszustand verbessert.
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Gemäß Darstellung
in 3 hat das vordere Profil 56 eine in Umfangsrichtung
konkave Innenoberfläche 60 und
eine in Umfangsrichtung konvexe Außenoberfläche 62. Das hintere
Profil 58 hat entsprechend eine in Umfangsrichtung konkave
Innenoberfläche 64 und
eine in Umfangsrichtung konvexe Außenoberfläche 66.
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Die
sehnenartig vorgeformte Innenoberfläche 60 des vorderen
Profils und der Außenoberfläche 66 des
hinteren Profils sind im kalten Zustand nicht konzentrisch zu dem äußeren Band 44,
sodass sie in ihrem wärmegedehnten
heißen
Zustand Verbindungskontaktdichtungen in ihren entsprechenden Aufhängungsnuten
bewirken.
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Die
unterschiedlichen sehnenartig vorgeformten Umfangskrümmungen
an den vorderen und hinteren Profilen 56, 58 können durch
technische Analyse, Test oder Entwurfswiederholung vorgewählt werden,
um dort äußere und
innere Dichtungen mit vollständigem
Kontakt im heißen
Zustand zu erzielen.
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Bevorzugt
ist die Innenoberfläche
des vorderen Profils 56 in der vorderen Nut 38 nicht
konzentrisch und biegt oder wölbt
sich radial von dem Umfangsmittelpunkt des Profils nach innen, um
die in Umfangsrichtung gegenüberliegenden
Enden des vorderen Profils näher
an dem äußeren Band 44 als den
Mittenpunkt des Profils zu positionieren und somit einen niedrigeren
Mittelpunktspalt 68 mit der Innenoberfläche der vorderen Nut 38 im
kalten Zustand auszubilden.
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Das
vordere Profil 56 ist gemäß Darstellung in Umfangsrichtung
symmetrisch und daher hat der Mittelpunktspalt eine maximale radiale
Höhe bei
der Umfangsmitte des vorderen Profils 56 und nimmt in der
Höhe zu
den gegenüberliegenden
Enden des Profils hin ab. Das vordere Profil könnte asymmetrisch sein und
die maximale Spalthöhe
könnte
an anderer Stelle für
die Erzeugung der gewünschten
Kontaktdichtung lokalisiert sein.
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Demzufolge
ist die Außenoberfläche des
hinteren Profils 58 in der hinteren Nut 40 nicht
konzentrisch und biegt oder wölbt
sich radial von dem Umfangsmittelpunkt des Profils nach innen, um
die in Umfangsrichtung gegenüberliegenden
Enden des hinteren Profils 58 näher an dem äußeren Band 44 als
an dem Mittelpunkt des Profils zu positionieren. Dieses erzeugt
zwei obere Endspalte 70 mit der Außenoberfläche der hinteren Nut an den
gegenüberliegenden
Umfangsenden des hinteren Profils 58 während des kalten Zustands.
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Das
hintere Profil 58 ist ebenfalls wie dargestellt in Umfangsrichtung
symmetrisch, obwohl es in alternativen Ausführungsformen asymmetrisch sein kann,
um die gewünschte
Kontaktdichtung zu erzeugen.
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Die
radiale Dicke T der zwei Profile 56, 58 kann nach
Wunsch gewählt
werden, um andererseits den radialen Spielraum zu den zwei Nuten 38, 40 zu minimieren,
um dadurch Luftleckagen zu minimieren, aber ohne eine unerwünschte Verklemmung
oder Presspassung der Profile in den Nuten zu bewirken.
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In 3 ist
die Außenoberfläche des
vorderen Profils 56 zu der Außenoberfläche der vorderen Nut 38 im
kalten Zustand konzentrisch. Und die Innenoberfläche des hinteren Profils 58 ist
zu der Innenoberfläche
der hinteren Nut 40 im kalten Zustand konzentrisch.
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Im
heißen
Zustand unterliegen die Profile der vorderen und hinteren Profile 56, 58 einer
sehnenartigen Vorverformung oder einer Änderung in der Krümmung entlang
ihrer Sehnenspanne, sodass sich die kalten Profile umkehren und
den Spalt am unteren Mittelpunkt unter dem vorderen Profil 56 zu
dem oberen Mittelpunkt hin verschoben, während die zwei oberen Endspalte über dem
hinteren Profil 58 unter die unteren Enden verschoben werden.
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Die
Unterseite des vorderen Profils 56 erstreckt sich dann
konzentrisch zu der Unterseite der vorderen Nut 38, und
die Oberseite des hinteren Profils 58 erstreckt sich konzentrisch
zu der Oberseite der hinteren Nut 40 im heißen Zustand,
um die gewünschten
Kontaktverbindungsdichtungen dazwischen zu bewirken.
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3 stellt
eine Ausführungsform
dar, in welcher die vorderen und hinteren Profile 56, 58 in der
radialen Dicke T entlang der Umfangsrichtung im anfangs kalten Zustand
variieren. Jedoch ist die radiale Dicke T der Profile 56, 58 im
Wesentlichen axial vor dem Abwärtsstufenübergang
zu dem radialen Schaft 54 konstant.
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Die
radiale Dicke T der zwei Profile 56, 58 variiert
aufgrund der unterschiedlichen inneren und äußeren dort ausgebildeten Verbindungsdichtungen, um
den radialen Spielraum mit den zwei Nuten 38, 40 zu
minimieren.
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Insbesondere
ist das vordere Profil 56 an seinem Umfangsmittelpunkt
dünner
als an seinen in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Enden. Die radiale
Dicke T des vorderen Profils nimmt innerhalb seiner in Umfangsrichtung
gegenüberliegenden
Enden mit minimaler Dicke an dem Mittelpunkt und entsprechend maximalem
untereren radialen Spielraum und maximaler Dicke an den zwei Enden
und entsprechend minimalem radialen Spielraum ab.
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Die
konkave Innenoberfläche 60 des
vorderen Profils 56 hat eine Umfangskrümmung, die durch den lokalen
Krümmungsradius
A definiert ist, welcher nicht denselben Ursprung wie die Mittellinienachse 12 und
die davon ausgehend gemessenen Radien R hat. Diese Innenoberfläche hat
eine geringere Krümmung
A als die entsprechende Krümmung
R der gegenüberliegenden
konvexen Außenoberfläche des vorderen
Profils 56.
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Da
das vordere Profil 56 nicht zu dem äußeren Band 44 konzentrisch
ist, ist die kleinere Krümmung
seiner Innenoberfläche
ein gebogener Abschnitt eines Krümmungskreises
mit lokalem Radius A, dessen Ursprung auf dem von der Mittellinienachse 12 für die in
Umfangsrichtung symmetrische Ausführungsform ausgehenden Radius
R liegt, aber diesen Mittellinienursprung nicht erreicht.
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Dementsprechend
ist das andere hintere Profil 58 an seinem Umfangsmittelpunkt
dicker als an seinen in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Enden, um einen
kleinen radialen Spielraum in der Nut 44 an dem Mittelpunkt
und größere obere
Endspielräume
an den gegenüberliegenden
Enden zu erzeugen.
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Die
konvexe Außenoberfläche 62 des
hinteren Profils 58 hat eine Umfangskrümmung, die durch den lokalen
Krümmungsradius
B definiert ist, welcher nicht denselben Ursprung wie die Mittellinienachse 12 und
die davon ausgehend gemessenen Radien R hat. Diese Außenoberfläche hat
eine geringere Krümmung
B als die entsprechende Krümmung
R der gegenüberliegenden
konkaven Innenoberfläche des
hinteren Profils 58.
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Da
das hintere Profil 58 nicht zu dem äußeren Band 44 konzentrisch
ist, ist die kleinere Krümmung
seiner Außenoberfläche ein
gebogener Abschnitt eines Krümmungskreises
mit lokalem Radius B, dessen Ursprung auf dem von der Mittellinienachse 12 für die in
Umfangsrichtung symmetrische Ausführungsform ausgehenden Radius
R liegen kann, aber wiederum diesen Mittellinienursprung nicht erreicht.
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Die
vorderen und hinteren Nuten 38, 40 selbst sind
zu dem äußeren Band 44 konzentrisch und
haben entsprechende Werte der von der gemeinsamen Mittellinienachse 12 ausgehend
gemessenen en Radien R.
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Insbesondere
hat die Innenoberfläche
der vorderen Nut 38 einen Krümmungsradius C, während die
Außenoberfläche der
hinteren Nut 40 einen größeren Krümmungsradius D hat, beide von
der gemeinsamen Mittellinienachse 12 ausgehend gemessenen.
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Die
Krümmung
A der konkaven Innenoberfläche
des vorderen Profils 56 ist geeignet aufgrund der sehnenartigen
Vorverformung im kalten Zustand geringer als die Krümmung C
der gegenüberliegenden
konvexen Innenoberfläche
der vorderen Nut 38.
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Und
die Krümmung
b der konvexen Außenoberfläche des
vorderen Profils 58 ist aufgrund der sehnenartigen Vorverformung
im kalten Zustand geeignet geringer als die Krümmung D der gegenüberliegenden
konvexen Außenoberfläche der
hinteren Nut 40.
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Ferner
hat die konkave Innenoberfläche 60 des
vorderen Profils 56 eine geringere Krümmung A als die Krümmung B
der konvexen Außenoberfläche 66 des
hinteren Profils 58, die beide axial davon angeordnet sind,
und einen größeren Radius
R.
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4 veranschaulicht
ein exemplarisches Verkleidungssingulett, welches wie das Leitschaufeltriplett
von 3 die Verkleidungsschaufel 48 zwischen
den zwei Bändern 42, 44 mit
entsprechenden vorderen und hinteren Haken 50, 52 mit
vorderen und hinteren Profilen 56, 58 montiert
hat, die in den entsprechenden vorderen und hinteren Aufhängungsnuten 38, 40 montiert
sind.
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Die
einzelne Verkleidung 48 ist axial länger als die Leitschaufeln 46,
wie es am besten in 1 zu sehen ist, und die Bänder 42, 44 sind
in 4 in Umfangsrichtung in der Länge oder Spanne kürzer als
die die Dreifachleitschaufeln 46 in 3 lagernden
Bänder.
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Andererseits
sind die Tripletts und Singuletts im Wesentlichen in der Konfiguration
identisch, wobei die Profile 56, 58 in ähnlicher
Weise in der Krümmung A,
B im kalten Zustand zur Anpassung an die konzentrischen Krümmungen
C, D der entsprechenden Innenoberfläche der vorderen Nut 38 und
der Außenoberfläche der
hinteren Nut 40 während
des heißen Zustandes
sehnenartig vorgeformt sind, um Verbindungskontaktdichtungen damit
zu bewirken.
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Da
die vorderen und hinteren Profile 56, 58 der Tripletts
und Singuletts eine unterschiedliche Umfangsspanne haben, haben
sie auch unterschiedliche Umfangskrümmungen A, B.
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Die
Krümmung
A in den Tripletts ist etwas größer als
die Krümmung
A in den Singuletts; und in ähnlicher
Weise ist die Krümmung
B in den Tripletts ebenfalls etwas größer als die Krümmung B
in den Singuletts.
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Und
da die äußeren Bänder 44 im
Radius R stromabwärts
zwischen den zwei Haken 50, 52 zunehmen, ist sowohl
für die
Tripletts als auch die Singuletts die Krümmung B des hinteren Profils 58 größer als
die Krümmung
A des vorderen Profils 50.
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Für den Leitapparat 26 gemeinsam
sind die zwei Haken 50, 52, die mit den entsprechenden
Lagerungsnuten 38, 40 in einer die verschiedenen
Umfangskrümmungen
A, B, C, D beinhaltenden spezifischen Konfiguration in Eingriff
stehen. Diese Krümmungen
sind vorgewählt,
dass sie eine geeignete sehnenartige Vorverformung im kalten Zustand
der vorderen und hinteren Profile 56, 58 so bewirken, dass
die Wärmeausdehnung
eine sehnenartige Vorverformung im heißen Zustand in den Profilen
bewirkt, dass sie die Krümmung
an die entsprechenden Nutsitze anpasst und die gewünschten
vollständigen Kontaktverbindungsdichtungen
erzeugt.
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Demzufolge
können
diese Krümmungen
A, B, C, D nach Bedarf in unterschiedlichen Konfigurationen eines
Leitapparates mit unterschiedlicher Geometrie und Abmessungen zum
Bewirken der gewünschten
Kontaktdichtungen zwischen den Profilen und Nuten an den axial gegenüberliegenden
Enden der Außenbänder der
verschiedenen Leitschaufel- und Verkleidungs-Leitapparatsegmente
variieren. Eine geeignete sehnenartige Vorverformung im kalten Zustand
der Profile kann für
jede Leitapparatkonfiguration ermittelt werden, um die erwartete
sehnenartige Vorverformung im heißen Zustand der Profile zu
kompensieren und die entsprechenden Kontaktdichtungen mit konzentrischen
Verbindungsoberflächen
zu bewirken.
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5 stellt
eine weitere Ausführungsform
im Wesentlichen gleich der von 3 dar, welche
ansonsten bis auf eine unterschiedliche Konfiguration der mit 72, 74 bezeichneten
vor deren und hinteren Profilen in den entsprechenden vorderen und
hinteren Haken 50, 52 identisch ist.
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Ebenso
treffen die neuen Profile 72, 74 für das in 5 dargestellte
Leitschaufeltriplett in gleicher Weise für das Verkleidungssingulett
von 4 mit Ausnahme von dessen kürzerer Umfangsspanne zu.
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In
dieser alternativen Ausführungsform
haben die vorderen und hinteren Profile 72, 74 im
Wesentlichen eine konstante radiale Dicke T entlang ihrer Umfangslänge oder
Spanne mit Ausnahme an einer integrierten lokalen Verdickung 76.
Und die radiale Dicke T der Profile 72, 74 ist
auch im Wesentlichen axial vor dem Abwärtsstufenübergang zu dem radialen Schaft 54 hin
konstant.
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Das
hintere Profil 74 enthält
eine einzelne Verdickung 76 an dem Umfangsmittelpunkt ihrer
radialen Innenoberfläche
und ist dort lokal dicker als an ihren in Umfangsrichtung gegenüberliegenden
Enden. Das hintere Profil 74 hat von der Mittelpunktverdickung 76 in
Umfangsrichtung nach außen
zu beiden gegenüberliegenden
Enden hin eine konstante Dicke.
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Das
hintere Profil 74 enthält
eine in Umfangsrichtung konvexe Außenoberfläche 66 und eine in
Umfangsrichtung konkave Innenoberfläche 64, welche sich
von der darauf angeordneten Mittelpunktverdickung 76 radial
nach innen biegen oder wölben.
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Demzufolge
enthält
das vordere Profil 72 ein Paar von Verdickung 76 entlang
der Außenoberfläche an den
in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Enden.
Diese zwei Endverdickungen 78 sind an der Übergangsstelle
des Profils 72 und seines lagernden Schaftes 54 angeordnet,
wobei das Profil 72 zwischen den Verdickungen in Umfangsrichtung
radial dünner
ist. Und die konkave Innenoberfläche 60 des vorderen
Profils 72 hat eine geringere Krümmung A als dessen konvexe
Außenoberfläche 62.
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3–5 veranschaulichen
zwei alternative Ausführungsformen
entweder mit variabler oder konstanter Dicke der Profile entlang
der Umfangsspanne, welche beliebig mittels geeigneter Bearbeitung
hergestellt werden können.
In beiden Ausführungsformen
positionieren drei bestimmte Punktauflagen zwischen den Profilen 56, 58 bevorzugt
die Segmente in den Lagerungsnuten und minimieren eine Segmentverkippung
aufgrund der vorgesehenen Spielräume.
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In 5 definieren
die drei Verdickungen 76 die drei Auflagepunkte. In den 3 und 4 definieren
die oberen Enden des vorderen Profils 56 und der untere
Mittelpunkt des hinteren Profils 58 die drei Auflagepunkte.
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Kleine
radiale Spielräume
sind immer noch zwischen den Profilen und Nuten erforderlich, aber die
sehnenartig vorgeformten Profile verringern im Wesentlichen eine
Luftstromleckage in einem heißen Betriebszustand,
um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen.
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Eine
unerwünschte
Beeinflussung und Verklemmung zwischen den Profilen und Nuten kann
minimiert oder verhindert werden und daher können entsprechende Belastungen
und Spannungen daraus ebenfalls minimiert werden.
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Ferner
erübrigt
die verbesserte Kontaktdichtung zwischen den Profilen und Nuten
im heißen
Zustand die Notwendigkeit von Hilfsdichtungsmechanismen, wie z.
B. W-Dichtungen, Blattdichtungen oder verschraubten Flanschen.
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Des
Weiteren können
die Leitapparathaken 50, 52 in der radialen Höhe aufgrund
der Elimination der Hilfsdichtungen wesentlich kürzer sein, als sie anderenfalls
wären,
was wiederum die thermische Spannung in dem Leitapparat weiter reduziert.
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Obwohl
hierin beschrieben wurde, was für die
bevorzugten und exemplarischen Ausführungsformen gehalten wird,
dürften
weitere Modifikationen der Erfindung für den Fachmann auf diesem Gebiet aus
den Lehren hierin ersichtlich sein, und daher sollen in den beigefügten Ansprüchen alle
derartigen Modifikationen, soweit sie in den Erfindungsgedanken
und den Schutzumfang der Erfindung fallen, festgehalten sein.
-
Demzufolge
ist, was in der Patenturkunde der Vereinigten Staaten festgehalten
sein soll, die Erfindung gemäß Definition
und Differenzierung in den nachstehenden Ansprüchen.
-
Ein
Turbinenleitapparat 26 enthält radial innere und äußere Bänder 42, 44,
die in einem Stück mit
gegenüberliegenden
Enden eines Schaufelblattes 46, 48 verbunden sind.
Das äußere Band 44 hat vordere
und hintere Haken 50, 52 enthält, die sich radial davon an
axial gegenüberliegenden
Enden nach außen
erstrecken. Und die Haken 50, 52 haben unterschiedliche
sehnenartig vorgeformte Umfangskrümmungen.
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- 10
- Maschine
- 11
- Mittellinienachse
- 14
- Verdichter
- 16
- Brenner
- 18
- HPT
- 20
- LPT
- 22
- Luft
- 24
- Verbrennungsgase
- 26
- LPT-Leitapparat
- 28
- HP-Rotorlaufschaufeln
- 30
- LP-Rotorlaufschaufeln
- 32
- Außengehäuse
- 34
- vordere
Aufhängung
- 36
- hintere
Aufhängung
- 38
- vordere
Nut
- 40
- hintere
Nut
- 42
- inneres
Band
- 44
- äußeres Band
- 46
- Leitschaufeln
- 48
- Verkleidungen
- 50
- vorderer
Haken
- 52
- hinterer
Haken
- 54
- Schaft
- 56
- vorderes
Profil
- 58
- hinteres
Profil
- 60
- Innenoberfläche
- 62
- Außenoberfläche
- 64
- Innenoberfläche
- 66
- Außenoberfläche
- 68
- Mittelpunktspalt
- 70
- Endspalte
- 72
- vorderes
Profil
- 74
- hinteres
Profil
- 76
- Verdickung