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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Schaufelsegment für einen derartigen Rotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Laufschaufeln in Strömungsmaschinen sind aufgrund ihrer Anzahl sehr teuer. Zur Reduzierung der Bauteilkosten werden beispielsweise im Niederdruckbereich von Gasturbinen häufig die Laufschaufeln zu Schaufelsegmenten bzw. Schaufelclustern zusammengefasst, die mindestens jeweils zwei Schaufelblätter und einen gemeinsamen Segmentfuß aufweisen. Die Befestigung der Schaufelsegmente an einem Rotorgrundkörper erfolgt beispielsweise, wie in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 036 197 A1 der Anmelderin gezeigt, über Klammern, die endseitig einen Umfangsflansch des Rotorgrundkörpers und einen sich flächig mit dem Umfangsflansch in Kontakt befindenden Flansch des Segmentfußes umgreifen. Eine andere Befestigungsvariante der Anmelderin ist in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2005 003 511 A1 gezeigt. Diese Variante sieht vor, den Segmentfuß derart auszubilden, dass dieser zangenartig einen Radialbund eines Rotorgrundkörpers umgreift und formschlüssig an diesem geführt wird. Diese bekannten Lösungen ermöglichen grundsätzlich eine sichere Befestigung der Schaufelsegmente an dem Rotorgrundkörper und zudem eine Reduzierung der Herstellungskosten.
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Darüber hinaus sind insbesondere zur Befestigung von Einzelschaufeln an Rotorgrundkörpern sogenannte Tannenbaumverbindungen bekannt, wie in dem europäischen Patent
EP 1 881 163 B1 offenbart. Nachteilig an den Tannenbaumverbindungen ist jedoch, dass diese ein axiales Kippen der Schaufeln nur bedingt sperren, da über die einem spitzen Winkel zueinander angeordneten Anlageflächen stets ein virtueller Drehpunkt entsteht, über den sich die Schaufeln ab einer relativ geringen axialen Grenzkraft an den Schaufelprofilen aus der Verbindung herausdrehen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine Strömungsmaschine, der die vorgenannten Nachteile beseitigt und dessen Schaufelsegmente gegen eine axiale Kippbewegung bei einer Fliehkraftbeaufschlagung gesperrt sind, sowie ein Schaufelsegment zur Bildung eines derartigen Rotors zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Schaufelsegment mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, hat einen Rotorgrundkörper, in dem eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut ausgebildet ist, sowie eine Vielzahl von Schaufelsegmenten, die über jeweils einen Segmentfuß in der Nut aufgenommen sind. Erfindungsgemäß weist die Nut zur Sicherung der Schaufelsegmente bei Fliehkraftbeaufschlagung zwei einen gemeinsamen Innenkantenbereich definierende radial außenliegende Anlageflächen und eine zur Rotorlängsachse angestellte radial innenliegende Schrägfläche auf, die einen Kraftfluss im Wesentlichen in den Innenkantenbereich der Anlageflächen definiert.
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Erfindungsgemäß wird eine einzelne Anlagefläche der vorgenannten Schwalbenschwanzverbindung in zwei winklig zueinander angeordnete Anlageflächen unterteilt, um ein Gleiten des Segmentfußes in der Nut zu verhindern. Darüber hinaus wird die zweite Schwalbenschwanzfläche erfindungsgemäß in eine Schrägfläche überführt, die so angeordnet ist, dass bei Fliehkraftbeaufschlagung eine Kraft auf den Segmentfuß wirkt, die von der Schrägfläche durch den Segmentfuß in den Innenkantenbereich der winkeligen Anlageflächen wirkt. Somit wird über die Fliehkraft des Schaufelsegmentes über die Schrägfläche eine Kraft in den Innenkantenbereich der Anlageflächen derart erzeugt, dass dort eine definierte Kontaktsituation entsteht, die ein Herausdrehen bezüglich einer Axialkraft an den Schaufelsegmenten verhindern.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Anlageflächen rechtwinkelig bzw. nahezu rechtwinkelig zueinander orientiert. Eine derartige Orientierung der Anlageflächen zueinander hat sich als besonders stabil herausgestellt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die eine Anlagefläche parallel bzw. nahezu parallel zur Rotorlängsachse verläuft. Die Anlageflächen wirken aufgrund ihrer winkeligen Anordnung zueinander quasi als Festlager, wobei vorteilhafterweise zum Ausgleich von Längenänderungen des Segmentfußes zum Beispiel in axialer Richtung aufgrund von thermischen Einflüssen wie Wärme die Schrägfläche quasi als ein Loslager wirkt.
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Die Anlageflächen sowie die Schrägfläche können an die Nut in Rotorlängsrichtung begrenzenden und in Strömungsrichtung betrachtet vorderen und hinteren Befestigungshaken ausgebildet sein, wobei bei einem Ausführungsbeispiel die Anlageflächen an dem vorderen Befestigungshaken und die Schrägfläche bevorzugterweise an dem hinteren Befestigungshaken ausgebildet sind.
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Die Befestigungshaken sind bevorzugterweise derart voneinander beabstandet, dass die Schaufelsegmente zum Einsetzen in die Nut einschwenkbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Schaufelsegmente in der Nut nicht in Umfangsrichtung an ihre Sollposition verschoben werden müssen, sondern dass die Schaufelsegmente direkt im Bereich ihrer Sollposition in die Nut einsetzbar sind. Darüber hinaus wird hierdurch der Austausch einzelner Schaufelsegmente erleichtert. Die Scheibenhaken brauchen außerdem nicht geschlitzt zu sein, so dass die Festigkeit der Scheibe nicht reduziert wird.
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Um ein Kippen der Schaufelsegmente in einer Ruheposition zu verhindern, weist der Rotorgrundkörper in axialer Richtung voneinander beabstandete Auflageflächen auf. Dabei sieht ein Ausführungsbeispiel vor, eine der Auflageflächen in den vorderen Befestigungshaken zu integrieren und die in Strömungsrichtung betrachtet hintere Auflagefläche an einem rotorseitigen Dichtungskörper auszubilden, der benachbart zum hinteren Befestigungshaken angeordnet ist.
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Zur Lagesicherung der Schaufelsegmente in Umfangsrichtung kann jeweils eine entsprechende Sicherung ausgebildet sein. Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel ist die Umfangssicherung jeweils als eine Nut-Federverbindung ausgeführt, wobei rotorseitig eine Feder ausgebildet ist, die in eine Längsnut des jeweiligen Schaufelsegments eingreift.
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Ein erfindungsgemäßes Schaufelsegment für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einer Vielzahl von Schaufelblättern hat einen Segmentfuß zur Anordnung in einer Umfangsnut eines Rotorgrundgrundkörpers. Erfindungsgemäß hat der Segmentfuß zwei in Strömungsrichtung voneinander beabstandete Fußabschnitte, wobei der eine Fußabschnitt zwei schaufelblätternahe einen gemeinsamen Außenkantenbereich bildende Kontaktflächen und der andere Fußabschnitt eine schaufelblätterferne Diagonalfläche hat, die derart zueinander orientiert sind, dass bei Fliekraftbeaufschlagung des Schaufelsegments ein Kraftfluss in dem Segmentfuß entsteht, der sich von der Diagonalfläche im Wesentlichen zum Außenkantenbereich der beiden Kontaktflächen erstreckt.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Kontakflächen sowie der Diagonalfläche presst bzw. drückt sich das Schaufelsegment bei einer Rotation des Rotorgrundkörpers und bei entsprechenden rotorseitigen Anlageflächen sowie einer entsprechenden rotorseitigen Schrägfläche quasi selbsttätig in einen den Außenkantenbereich aufnehmenden rotorseitigen Innenkantenbereich, so dass es axial kippsicher in der Nut aufgenommen und somit lageoptimiert an dem Rotorgrundkörper angebunden ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Kontaktflächen rechtwinkelig bzw. nahezu rechtwinkelig zueinander positioniert, wodurch eine einfache Herstellung des Schaufelsegments ermöglicht wird.
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Die Kontaktflächen können in Strömungsrichtung betrachtet vor der Diagonalfläche angeordnet sein. Hierdurch lassen sich die Flächen einfach in Segmentfüße integrieren.
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Zur Abstützung des Schaufelsegmentes in einer Ruheposition kann dieses zumindest eine in Strömungsrichtung vordere Körperfläche und zumindest eine hintere Körperfläche aufweisen, die jeweils in Anlage mit einer rotorseitigen Auflagefläche bringbar sind.
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Zur Kühlung der Segmentfüße kann in den Kontaktflächen und in der Diagonalfläche zumindest jeweils ein Kühlluftkanal ausgebildet sein, über die die Fußabschnitte mit Kühlluft umströmt werden können und über die Kühlluft in die Nut ein- und ausströmen kann. Zusätzlich zur Kühlung werden über die Kühlluftkanäle die Kontakt- bzw. Anlagebereiche zwischen dem Segmentfuß und Nutwandungen verringert, wodurch die die Flächenpressung begünstigt wird.
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Zur Lagesicherung des Schaufelsegmentes in Umfangsrichtung kann das Schaufelsegment eine Längsnut zur Aufnahme einer rotorseitigen Feder aufweisen.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Teilbereich eines Längsschnitt durch eine Strömungsmaschine im Bereich einer erfindungsgemäßen Schaufelsegmentenanbindung an einen Rotorgrundkörper, und
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2 eine vergrößerte Darstellung der Schaufelsegmentenanbindung aus 1.
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1 zeigt einen Teilbereich eines Längsschnitts durch eine Niederdruckturbine 2 einer Gasturbine mit einem drehbar in einem nicht gezeigten Gehäuse gelagerten Rotor 4 sowie gehäuseseitig feststehenden Leitschaufeln 6.
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Der Rotor 4 weist eine Vielzahl von zwischen den Leitschaufeln 6 in Umfangsreihen angeordneten Schaufelsegmenten 8 auf, die jeweils über einen Segmentfuß 10 in einer umfangsseitigen Nut 12 eines Rotorgrundkörpers 14 aufgenommen sind. Zur Stabilisierung des Segmentfußes 10 weist dieser zumindest eine sich in Hochrichtung des Schaufelsegmentes 8 erstreckende und stromabwärts positionierte Versteifungsrippe 16 auf. Darüber hinaus haben die Schaufelsegmente 8 jeweils eine Vielzahl von Schaufelblättern 18, die in einem Strömungspfad 20 angeordnet sind, der in Strömungsrichtung betrachtet von einer vorderen Plattform 22 sowie einer hinteren Plattform 24 der Schaufelsegmente 8 rotorseitig begrenzt wird.
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Die Leitschaufeln 6 sind ebenfalls in Umfangsreihen angeordnet und blattspitzenseitig mit einem wabenartigen Dichtelement 26 versehen, das mit jeweils einem Dichtsteg bzw. Dichtfin 28 eines mit dem Rotorgrundkörper 14 verschraubten Dichtkörpers 30 einen Spalt 32 definiert.
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Gemäß der Detaildarstellung in 2 hat der Segmentfuß 10 einen in Strömungsrichtung betrachtet vorderen, radial außenliegenden Fußabschnitt 34 sowie einen in Strömungsrichtung betrachtet hinteren, radial innenliegenden Fußabschnitt 36. Der vordere Fußabschnitt 34 definiert zwei Kontaktflächen 38, 40, die einen gemeinsamen, sich in Umfangsrichtung des Rotors 4 erstreckenden Außenkantenbereich 42 bilden und in denen zumindest ein Kühlluftkanal 44 eingebracht ist. Die Kontaktflächen 38, 40 sind rechtwinkelig zueinander angeordnet, wobei die eine Kontaktfläche 38 parallel und die andere radial zur Rotorlängsachse L orientiert ist. Zur Abstützung des Schaufelsegments 8 in seiner Ruheposition im Bereich des vorderen Fußabschnitts 34 weist dieser eine sich parallel bzw. nahezu parallel zur Rotorlängsachse L erstreckende Körperfläche bzw. Stützfläche 70 auf. Der hintere Fußabschnitt 36 weist eine zur Rotorlängsachse L angestellte Diagonalfläche 46 auf, in der ebenfalls zumindest ein Kühlluftkanal 48 eingebracht ist.
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Zur Abstützung des Schaufelsegmentes 8 in einer Ruheposition des Rotors 4 ist an der Versteifungsrippe 16 ein Vorsprung 50 mit einer in Richtung des Rotorgrundkörpers 14 weisenden Körperfläche bzw. Vorsprungfläche 52 ausgebildet. Des Weiteren ist in dem Vorsprung 50 eine Längsnut 54 als ein Element einer Umfangssicherung des Schaufelsegmentes 8 ausgebildet.
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Die Umfangsnut 12 des Rotorgrundkörpers 14 wird im Wesentlichen von einem in Strömungsrichtung betrachtet vorderen Primärhaken 56 und einen in Strömungsrichtung betrachtet hinteren Sekundärhaken 58 gebildet.
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Der Primärhaken 56 ist gegenüber dem Sekundärhaken 58 radial außenliegend und weist zwei Anlageflächen 60, 62 auf, die einen gemeinsamen Innenkantenbereich 64 bilden und in einem rechten bzw. nahezu rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise verläuft die eine Anlagefläche 60 parallel zur Rotorlängsachse L und die andere Anlagefläche 62 entsprechend in Radialrichtung des Rotorgrundkörpers 14. Des Weiteren ist an dem Primärhaken 56 eine in die Nut 12 orientierte Konsole 66 mit einer sich normal zur Rotorlängsachse L erstreckenden Auflagefläche bzw. Konsolenfläche 68 zur Abstützung des Schaufelsegmentes 8 in der Ruheposition ausgebildet. Im montierten Zustand ist der vordere Fußabschnitt 34 zwischen den Anlageflächen 60, 62 und der Konsolenfläche 68 positioniert, so dass dieser quasi festlagerartig an dem vorderen Primärhaken 56 gelagert ist.
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Der Sekundärhaken 58 ist gegenüber dem Primärhaken 56 radial innenliegend und weist eine zur Rotorlängsachse L angestellte Schrägfläche 72 auf. Die Schrägfläche 72 ist derart an dem Sekundärhaken 58 angeordnet, dass der Segmentfuß 10 mit seiner Diagonalfläche 46 entlang der Schrägfläche 72 gleiten und somit ein Ausgleich von Längenänderungen des Schaufelfußes 10 aufgrund von thermischen Einflüssen erfolgen kann. Die Lagerung des Schaufelsegments 8 im Bereich der Schrägfläche 72 wirkt somit quasi als Loslager. Die Abstützung des Schaufelsegmentes 8 in der Ruheposition des Rotors 4 erfolgt im Bereich des Sekundärhakens 58 über eine Auflagefläche bzw. Sockelfläche 74, die an einem Sockel 76, der endseitig eines verlängerten Körperabschnitts 78 des Dichtkörpers 30 ausgebildet ist, und sich parallel zur Rotorlängssachse L erstreckt. Zur Umfangssicherung des Schaufelsegmentes 4 ist der Sockel 76 mit einer Vielzahl von Federn versehen, die ebenfalls jeweils als ein Element der Umfangssicherung dienen und in Formschluss mit den Längsnuten 54 bringbar sind.
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Bei einer Rotation des Rotors 4 wirkt eine radial nach außen gerichtete Fliehkraft auf die Schaufelsegmente 8. Dabei wird im Bereich der Schrägfläche 72 ein Kraftfluss 82 in dem Segmentfuß 10 ausgebildet, der im Wesentlichen in den Innenkantenbereich 64 bzw. einen vorgelagerten virtuellen Fixpunkt 84 gerichtet ist. Der Kraftfluss 82 bewirkt, dass das Schaufelsegment 8 mit seinen Kontaktflächen 38, 40 gegen die Anlageflächen 60, 62 gedrückt wird. Gleichzeitig befindet sich die Diagonalfläche 46 in Anlage mit der Schrägfläche 72, so dass das Schaufelsegment 8 bzw. der Segmentfuß 10 quasi über drei Kontaktpunkte 86, 88, 90 gegen axiale Kippbewegungen bzw. gegen ein axiales Herausdrehen aus der Nut 12 gesperrt ist. Dabei erlaubt die als Loslager ausgebildete Lagerung des Schaufelsegments 8 im Bereich des Sekundärhakens 58 einen Ausgleich von Längenänderungen, so dass das Schaufelsegment 8 unabhängig von thermischen Einflüssen kippsicher und frei bzw. nahezu frei von thermischen Spannungen gelagert ist. Die thermische Einflüsse werden jedoch über die die Fußabschnitte 34, 36 umströmende Kühlluft reduziert, wobei aufgrund der Kühlluftkanäle 44, 48 verhältnismäßig kleine Kontaktbereiche zwischen den Flächen 38, 60 sowie 40, 62 und 46, 72 gebildet sind, die eine gleichmäßige Flächenpressung begünstigen.
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Die Montage der Schaufelsegmente 8 bzw. das Einsetzen der Schaufelsegmente 8 in die Nut 12 erfolgt über eine Schwenkbewegung des hinteren Fußabschnitts 36. Zuerst wird das Schaufelsegment 8 gemäß der Darstellung in 2 im Uhrzeigersinn derart verschwenkt, dass es mit seinem hinteren Fußabschnitt 36 radial in die Nut 12 eingeführt werden kann. Dann wird, sobald der hintere Fußabschnitt 36 an dem Sekundärhaken 58 vorbei in die Nut 12 eintaucht, der hintere Fußabschnitt 36 derart tief in die Nut 12 eingeführt, dass der vordere Fußabschnitt 34 an den Primärhaken 56 vorbei in die Nut 12 eingesenkt werden kann. Nach dem Einsenken des vorderen Fußabschnitts 34 wird das Schaufelsegment 8 zurück gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt und in Rotorlängsrichtung L entgegengesetzt zur Strömungsrichtung verschoben, bis sich seine Kontaktflächen 38, 40 in Anlage mit den Anlageflächen 60, 62 befinden und es über seine Stützfläche 70 auf der Konsolenfläche 68 abgestützt ist. Gleichzeitig befindet sich der hintere Fußabschnitt 36 in Anlage mit der Schrägfläche 72, wobei es sich in seiner Ruheposition über seine Vorsprungsfläche 52 auf der Sockelfläche 74 des Dichtkörpers 30 abstützt. Des Weiteren befindet sich die Feder 80 des Sockels 76 im Wirkeingriff mit der Längsnut 54 des Vorsprungs 50, so dass das Schaufelsegment 8 mittels einer Nut-Federverbindung formschlüssig in Umfangsrichtung an dem Rotorgrundkörper 14 gesichert ist.
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Offenbart ist ein Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper, in dem zumindest eine Umfangsnut zur fußseitigen Aufnahme von Schaufelsegmenten ausgebildet ist, wobei die Umfangsnut zur Sicherung der Schaufelsegmente bei Fliehkraftbeaufschlagung zwei einen gemeinsamen Innenkantenbereich definierende radial außenliegende Anlageflächen und eine zur Rotorlängsachse angestellte radial innenliegende Schrägfläche aufweist, die einen Kraftfluss im Wesentlichen in den Innenkantenbereich der Anlageflächen definiert, sowie ein Schaufelsegment mit komplementär zu den Anlageflächen und der Schrägfläche ausgebildeten fußseitigen Kontaktflächen und einer fußseitigen Diagonalfläche.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Niederdruckturbine
- 4
- Rotor
- 6
- Leitschaufeln
- 8
- Schaufelsegment
- 10
- Segmentfuß
- 12
- Nut
- 14
- Rotorgrundkörper
- 16
- Versteifungsrippe
- 18
- Schaufelblatt
- 20
- Strömungspfad
- 22
- vordere Plattform
- 24
- hintere Plattform
- 26
- Dichtelement
- 28
- Dichtsteg
- 30
- Dichtkörper
- 32
- Spalt
- 34
- vorderer Fußabschnitt
- 36
- hinterer Fußabschnitt
- 38
- Kontaktfläche
- 40
- Kontaktfläche
- 42
- Außenkantenbereich
- 44
- Kühlluftkanal
- 46
- Diagonalfläche
- 48
- Kühlluftkanal
- 50
- Vorsprung
- 52
- Vorsprungfläche
- 54
- Längsnut
- 56
- Primärhaken
- 58
- Sekundärhaken
- 60
- Anlagefläche
- 62
- Anlagefläche
- 64
- Innenkantenbereich
- 66
- Konsole
- 68
- Konsolenfläche
- 70
- Stützfläche
- 72
- Schrägfläche
- 74
- Sockelfläche
- 76
- Sockel
- 78
- Körperabschnitt
- 80
- Feder
- 82
- Kraftfluss
- 84
- Fixpunkt
- 86
- Kontaktpunkt
- 88
- Kontaktpunkt
- 90
- Kontaktpunkt
- L
- Rotorlängsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008036197 A1 [0002]
- DE 102005003511 A1 [0002]
- EP 1881163 B1 [0003]
