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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Gasturbinenbrennkammern und insbesondere eine Luftbypassbandanordnung, die es ermöglicht, während bestimmter Gasturbinenbetriebsbedingungen überschüssige Verdichteraustrittsluft umzuleiten.
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Gasturbinen können hinsichtlich des Ausmaßes, in dem die Brennkammeraustrittstemperatur reduziert werden kann, durch die zulässigen Anteile von durch die Gasturbine erzeugtem Kohlenmonoxid (CO) etwas beschränkt sein. Gewöhnlich bleibt die Brennkammeraustrittstemperatur relativ hoch um sicherzustellen, dass die Gasturbine bestimmte Niveaus der CO-Emissionen nicht überschreitet. Um die Brennkammeraustrittstemperaturen hinreichend hoch zu halten, um verhältnismäßig geringe CO-Emissionsniveaus aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich, dass der Brennstoff, den der Abnehmer verbraucht, „online”, d. h. mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert bleibt. Falls ein primärer Beitragsfaktor zur CO-Erzeugung in den einzelnen Verbrennungsrohren reduziert wird, würde dies dem Gasturbinenabnehmer ermöglichen, während der Zeiträume mit reduziertem Strombedarf die Last an der Gasturbine weiter zu reduzieren und somit den Brennstoffverbrauch zu verringern. Dies kann das Verfahren ersetzen, wonach die Gasturbine während der Zeiträume mit reduziertem Strombedarf abgeschaltet und später die Gasturbine wieder eingeschaltet wird, wenn der Bedarf wieder steigt. Dieses Verfahren zum häufigen Ein- und Ausschalten der Gasturbine kann die Funktionssicherheit der Gasturbine reduzieren.
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In existierenden Systemen mit Teillastbetrieb arbeitet die Gasturbine weiterhin mit der zur Erzeugung des Stroms mit der gewünschten Frequenz erforderlichen Drehzahl, wobei die Flussrate von Brennstoff und Luft zu den Brennkammern reduziert ist, um die Menge der in den Brennkammern erzeugten Verbrennungsgase zu reduzieren, wodurch die durch die Gasturbine erzeugte Leistung reduziert wird. Jedoch begrenzt der Betriebsbereich typischer Verdichter das Maß, in dem der Luftfluss reduziert werden kann, wodurch das Maß, in dem der Brennstofffluss unter Aufrechterhaltung des relativ bevorzugten Verhältnisses zwischen Brennstoff und Luft reduziert werden kann, begrenzt ist. Wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis der relativ bevorzugten Einstellung entspricht, sind dann die Brennkammeremissionen verhältnismäßig gering, und die Verbrennung ist stabil. Ein Umleiten überschüssiger Luft durch die Übergangsstücköffnungen kann es ermöglichen, dass das bevorzugte Brennstoff-Luft-Verhältnis an dem Kopfende der Brennkammer erreicht werden kann, wenn der Verbrennungsprozess erfolgt, wodurch CO-Emissionen reduziert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine Luftbypassbandanordnung ein Übergangsstück einer Gasturbine, wobei das Übergangstück wenigstens eine darin vorgesehene Öffnung aufweist, um einer Luftströmung zu ermöglichen, durch die wenigstens eine Öffnung hindurchzutreten. Die Luftbypassbandanordnung enthält ferner ein Band, das zwischen wenigstens zwei Stellungen bewegbar ist, wobei eine erste der wenigstens zwei Stellungen eine geschlossene Stellung ist, in der wenigstens eine Öffnung verschlossen ist, um die Luftströmung daran zu hindern, durch die wenigstens eine Öffnung zu strömen, wobei eine zweite der wenigstens zwei Stellungen eine offene Stellung ist, in der die wenigstens eine Öffnung geöffnet ist, um der Luftströmung zu gestatten, durch die wenigstens eine Öffnung hindurchzuströmen. Die Luftbypassbandanordnung enthält ferner einen Mechanismus, der das Band zwischen den wenigstens zwei Stellungen überführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Luftbypassbandanordnung einer Gasturbine ein Übergangsstück, wobei das Übergangsstück mehrere darin ausgebildete Öffnungen aufweist, um einer Luftströmung zu ermöglichen, wahlweise durch die mehreren Öffnungen hindurchzutreten. Die Luftbypassbandanordnung enthält ferner einen Band, das zwischen wenigstens zwei Stellungen überführbar ist, wobei eine erste der wenigstens zwei Stellungen eine Schließstellung ist, in der die mehreren Öffnungen verschlossen sind, um die Luftströmung daran zu hindern, durch die mehreren Öffnungen hindurchzuströmen, wobei eine zweite der wenigstens zwei Stellungen eine Offenstellung ist, in der die mehreren Öffnungen geöffnet sind, um der Luftströmung zu ermöglichen, durch die mehreren Öffnungen zu strömen. Die Luftbypassbandanordnung enthält ferner einen Mechanismus, der das Band zwischen den wenigstens zwei Stellungen überführt.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Luftbypassbandanordnung ein Übergangsstück einer Gastrubine, wobei das Übergangsstück wenigstens eine darin vorgesehene Öffnung aufweist, um einer Luftströmung zu ermöglichen, durch die wenigstens eine Öffnung hindurchzutreten. Die Luftbypassbandanordnung enthält ferner ein Band, das in Radialrichtung rings um wenigstens einen Abschnitt des Übergangsstücks angeordnet ist, wobei das Band zwischen wenigstens zwei Stellungen bewegbar ist, wobei eine erste der wenigstens zwei Stellungen eine Schließstellung ist, in der die wenigstens eine Öffnung verschlossen ist, um die Luftströmung daran zu hindern, durch die wenigstens eine Öffnung zu strömen, wobei eine zweite der wenigstens zwei Stellungen eine Offenstellung ist, in der die wenigstens eine Öffnung geöffnet ist, um der Luftströmung zu ermöglichen, durch die wenigstens eine Öffnung zu strömen. Die Luftbypassbandanordnung enthält ferner einen Mechanismus, der das Band zwischen den wenigstens zwei Stellungen bewegt.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Das Vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen zeigen:
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1 einen Querschnitt eines Abschnitts einer Brennkammer und eines Übergangsstücks einer Gasturbine, in dem Ausführungsformen einer Luftbypassbandanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sein können;
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2 eine Perspektivansicht des vorderen Endes des Übergangsstücks nach 1 mit der Luftbypassbandanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung, die darin angeordnet ist, wobei zur Veranschaulichung eine Verteilerabdeckung entfernt ist;
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3 eine Perspektivansicht der Luftbypassbandanordnung gemäß der Ausführungsform nach 2, die in einer Offenstellung veranschaulicht ist;
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4 eine Perspektivansicht der Luftbypassbandanordnung der Ausführungsform nach 2, die in einer Schließstellung veranschaulicht ist;
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5 eine Querschnittsansicht der Luftbypassbandanordnung der Ausführungsform nach 2, die in einer Offenstellung veranschaulicht ist; und
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6 eine Querschnittsansicht der Luftbypassbandanordnung der Ausführungsform nach 2, die in einer Schließstellung veranschaulicht ist.
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Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine Gasturbine 10, die eine Brennkammer 12 und ein Übergangsstück 14 aufweist und in der Ausführungsformen einer Luftbypassbandanordnung 16 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie hier nachstehend in Einzelheiten beschrieben ist, angeordnet sein können. Die Gasturbine 10 kann für landgeschützte Anwendungen, z. B. zur Erzeugung von Elektrizität, vorgesehen sein, obwohl sie als solche nicht darauf beschränkt ist. D. h., der Turbinenabschnitt der Gasturbine kann mit einem Generator zur Erzeugung von Strom verbunden sein. Das Übergangsstück 14 ist gewöhnlich stromabwärts von der Brennkammer 12 und stromaufwärts von der (nicht veranschaulichten) Turbine angeordnet.
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2 zeigt das vordere Ende 18 des Übergangsstücks 14 nach 1. 2 zeigt ferner einen Teil der Luftbypassbandanordnung 16 gemäß Ausführungsformen der Erfindung, wie sie darin angeordnet sind und bei zur Veranschaulichung entfernter Bypassverteilerabdeckung 24 (1, 3–6). Die Luftbypassbandanordnung 16 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein flexibles Band 20 und einen Mechanismus 22, der das Band 20 zwischen wenigstens zwei Stellungen, z. B. einer offenen und einer geschlossenen Stellung, in Bezug auf mehrere (z. B. kreisförmige) Luftbypassöffnungen oder -löcher 26, die in dem Übergangsstück 14 angeordnet sind (3–6), überführt. Das Band 20 kann ein flexibles Material, wie beispielsweise eine Nickellegierung, aufweisen, das bei relativ erhöhten Temperaturen seine Elastizität behält.
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3 und 5 zeigen die Luftbypassbandanordnung 16 der Ausführungsform nach 2 in einer Offenstellung, in der die mehreren Luftbypassöffnungen 26 von dem Band 20 unbedeckt sind (d. h. mit dem Band 20 in einer „entspannten” oder gelockerten Stellung, wie sie durch den Mechanismus 16 erzielt wird). In einer derartigen Offenstellung strömt ein Bypassluftstrom, wie er durch die Linie mit einer Pfeilspitze 28 in 5 angezeigt ist, der als Austrittsluft von dem Verdichter der Gasturbine 10 oder von einer anderen Luftquelle innerhalb der Gasturbine 10 bereitgestellt werden kann, innerhalb eines Hohlraums 30 eines vorderen Ringes 32, der das Übergangsstück 14 umgibt. Die Strömung der Bypassluft 28 strömt anschließend durch die mehreren Öffnungen 26, die in dem Vorderring 32 des Übergangsstücks angeordnet sind, und in einen Bypassverteilerhohlraum 34 hinein, der durch die Bypassverteilerabdeckung 24 begrenzt ist. Ein oder mehrere Bolzen können verwendet werden, um die Verteilerabdeckung 24 an dem Vorderring 32 zu halten. Die Strömung der Bypassluft 28 strömt anschließend durch mehrere schwimmende Rohre 36 hindurch und in einen inneren Abschnitt 38 des Übergangsstücks 14 hinein. Die schwimmenden Rohre 36 verbinden den Bypassverteiler (Hohlraum) 34 mit dem inneren Hohlraumabschnitt 38 des Übergangsstücks 14.
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Die Offenstellung der Luftbypassbandanordnung 16 der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in den 3 und 5 veranschaulicht, tritt gewöhnlich auf, wenn es erwünscht ist, die Gasturbine 10 in einem verhältnismäßig „niedrigen” Teillastbetrieb oder -bereich zu betreiben. Ein Betrieb auf diese Weise ermöglicht es, dass eine überschüssige Menge der Luftströmung 28 umgeleitet wird, wodurch der Brennstoffverbrauch der Brennkammer 12 reduziert wird. In dieser Offenstellung kann anhand der 3 und 5 ersehen werden, dass sich das Band 20 von den Öffnungen 26 weg und nach oben gegen oder in die Nähe der Innenseite einer radial äußeren Wand der Bypassverteilerabdeckung 24 bewegt.
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4 und 6 zeigen die Luftbypassbandanordnung 16 der Ausführungsform nach 2 in einer Schließstellung. In dieser Schließstellung sind die mehreren Luftbypassöffnungen 26 von dem Band 20 bedeckt (d. h. das Band 20 befindet sich in einer „eng anliegenden” oder „fest gespannten” Stellung oder Schließstellung, wie sie durch den Mechanismus 16 erzielt wird). An sich strömt die Luftströmung 28 durch den Hohlraum 30 in dem Vorderring 32 des Übergangsstücks, ohne durch den Hohlraum 34 umgeleitet zu werden, der durch die Bypassverteilerabdeckung 24 begrenzt ist. Die Schließstellung der Luftbypassbandanordnung 16 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in den 4 und 6 veranschaulicht, tritt gewöhnlich auf, wenn es erwünscht ist, die Gasturbine 10 in einem verhältnismäßig „hohen” oder „Grund-”Lastbetrieb oder -bereich zu betreiben. In dieser Schließstellung kann anhand der 4 und 6 ersehen werden, dass sich das Band 20 gegen die oder in die Nähe der Außenseite einer radial inneren Wand der Bypassverteilerabdeckung 24 bewegt, um die Öffnungen 26 zu verschließen. An sich sind die Drücke in den Hohlräumen 34 und 38 relativ gleich, jedoch kleiner als der Druck in dem Hohlraum 30. Wenn anschließend der Mechanismus 16 beginnt, das Band 20 zu lockern, hilf eine positive Druckdifferenz, das Band 20 zu öffnen und dieses nach oben gegen die Innenseite der radial äußeren Wand der Bypassverteilerabdeckung 24 zu drücken.
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1, 3 und 4 zeigen, dass der Mechanismus 16 zur Bewegung des Bandes 20 in Radialrichtung zwischen der Offen- und der Schließstellung, wie hier vorstehend beschrieben, in einer Ausführungsform ein Paar Hebel 40, 42 aufweisen kann, die durch zugehörige Zahnräder 44, 46 an einem Ende der Hebel 40, 42 miteinander verbunden sind. Das andere Ende jedes Hebels 40, 42 kann mit Haltebügeln 48, 50 verbunden sein, die zum Öffnen und Schließen des Bandes 20 mit entsprechenden Enden des Bandes 20 verbunden sein können. Die Zahnräder 44, 46 können sich auf Lagern 52, 54 drehen. Der Mechanismus 16 kann wenigstens teilweise von einer kastenartigen Vorrichtung 56 umgeben sein, die selbst eine kappenartige Vorrichtung oder Abdeckung 57 sein kann, wie sie in 3 mit Strichlinien dargestellt ist. Die Kappe oder Abdeckung 57 dient als eine Sperre für die Luft innerhalb und außerhalb der Bypassverteilerabdeckung 24.
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1 zeigt, dass der Mechanismus 16 über eine Stange 58 mit einem Getriebe 60 verbunden sein kann, das über eine weitere Stange 62 mit einem Aktuator 64, wie z. B. einem Pneumatikzylinder 64, verbunden sein kann. Jedoch können auch andere geeignete Aktuatoren, wie beispielsweise Motoren, eingesetzt werden. Ferner können andere geeignete Mechanismen 16 zur Überführung des Bandes 20 zwischen der Offen- und der Schließstellung, einschließlich solcher Mechanismen, die keine Zahnräder enthalten, verwendet werden. Es genügt, dass der eingesetzte Mechanismus zur Bewegung des Bandes 20 zwischen den wenigstens zwei Stellungen (d. h. der offenen und der geschlossenen Stellung), wie hier vorstehend beschrieben, in der Lage ist. Ferner kann das Band 20 zwischen ungefähr 300–340 Grad des gesamten 360-Grad-Umfangs des Übergangsstücks 14 umspannen. Jedoch können andere Winkelgrößen für das Band 20, wie es geeignet scheint, verwendet werden.
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Ferner können die Ausführungsformen der Luftbypassbandanordnung 16 gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn sie an dem vorderen Ende 18 des Übergangsstücks 14 eingesetzt werden, den Vorderring 32 des Übergangsstücks weglassen. Die Bypassluftströmung 28 kann dann stattdessen durch irgendeinen anderen geeigneten Hohlraum oder Strömungskanal strömen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine Reduktion der Erzeugung von Emissionen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Kohlenmonoxid (CO) in einer Gasturbinenbrennkammer (z. B. in den einzelnen Brennkammerrohren). Dies ermöglicht es, die Gasturbinenlast weiter zu reduzieren, wodurch die Menge des durch die Gasturbine während der Zeiträume mit reduziertem Strombedarf verbrauchten Brennstoffs reduziert wird, was auch erhöhte Kosteneinsparungen ergibt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben ferner eine relativ gute Möglichkeit der Abdichtung der Übergangsstücköffnungen, wodurch nur eine geringe oder keine Empfindlichkeit auf Wärmeausdehnung und nur geringe oder keine durch Schwingungen verursachte Verschleißprobleme hervorgerufen werden. Dies rührt daher, dass jede Ausdehnung des Luftbypassbandes durch die Aktuatorkraft und die Bandfederkraft kompensiert wird.
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Ausführungsformen der Luftbypassbandanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind hier beschrieben und veranschaulicht worden, wie sie an dem vorderen Ende des Übergangsstücks der Gasturbine (d. h. an dem Vorderring 32 des Übergangsstücks 14) angeordnet sind. Jedoch können Ausführungsformen der Luftbypassbandanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung an anderen Gasturbinenstellen, wie z. B. an dem Kopfende der Brennkammer oder an dem hinteren Abschnitt des Brennkammerflammrohrs, angeordnet werden. Außerdem können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Gasturbine eingesetzt werden, um den Kühlluftstrom beim Durchgang durch Komponenten, wie beispielsweise Turbinenleitschaufeln und -laufschaufeln, zu beeinflussen. Ferner können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um das Austrittstemperaturprofil der Brennkammer in Niederlastbereichen „abzustimmen” bzw. „einzustellen”.
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Während die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte ohne weiteres verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifikationen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Außerdem ist zu verstehen, dass, während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
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Eine Luftbypassbandanordnung 16 enthält ein Übergangsstück 14 einer Gasturbine 10, wobei das Übergangsstück 14 wenigstens eine darin ausgebildete Öffnung 26 aufweist, um einer Luftströmung 28 zu ermöglichen, durch die wenigstens eine Öffnung 26 hindurchzutreten. Die Luftbypassbandanordnung 16 enthält ferner ein Band 20, das zwischen wenigstens zwei Stellungen überführbar ist, wobei eine erste der wenigstens zwei Stellungen eine Schließstellung ist, in der wenigstens eine Öffnung 26 verschlossen ist, um die Luftströmung 28 daran zu hindern, durch die wenigstens eine Öffnung 26 zu strömen, wobei eine zweite der wenigstens zwei Stellungen eine Offenstellung ist, in der wenigstens eine Öffnung 26 geöffnet ist, um der Luftströmung 28 zu ermöglichen, durch die wenigstens eine Öffnung 26 zu strömen. Die Luftbypassbandanordnung 16 enthält ferner einen Mechanismus 22, der das Band 20 zwischen den wenigstens zwei Stellungen überführt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Brennkammer
- 14
- Übergangsstück
- 16
- Bypassbandanordnung
- 18
- vorderes Ende
- 20
- Band
- 22
- Mechanismus
- 24
- Verteilerabdeckung
- 26
- Löcher/Öffnungen
- 28
- Bypassluft
- 30
- Hohlraum
- 32
- Ring
- 34
- Bypassverteilerhohlraum
- 36
- schwimmende Rohre
- 38
- innerer Abschnitt
- 40, 42
- Hebel
- 44, 46
- Zahnräder
- 48, 50
- Haltebügel
- 52, 54
- Lager
- 56
- kastenartige Vorrichtung
- 57
- Abdeckung
- 58, 62
- Stange
- 60
- Getriebe
- 64
- Aktuator
