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Die Erfindung betrifft Verfahren zur eindeutigen Positionszuordnung und Identifizierung einer Turbinenschaufel einer Hochdruckturbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks.
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Die Turbinenschaufeln der Hochdruckturbine gehören zu den am meisten beanspruchten Bauteilen einer Gasturbine bzw. eines Flugzeugtriebwerks. Gleichzeitig haben bereits kleine Beschädigungen oder Abweichungen von ihrer jeweiligen Ursprungsform der Hochdruckturbinenturbinenschaufeln nicht unerheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Gasturbine, was sich letztendlich auf den Treibstoffverbrauch auswirkt.
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Aufgrund der besonderen Belastung werden die Hochdruckturbinenschaufeln regelmäßig überholt oder, sofern dies nicht möglich ist, durch Neuteile ersetzt. Dazu muss die Gasturbine zumindest soweit zerlegt werden, dass die Turbinenschaufeln der Hochdruckturbine abmontiert werden können. Die zuvor entnommenen Turbinenschaufeln können nach einer ggf. zeitintensiven Überholung wieder montiert werden. Alternativ dazu können andere, bereits anderweitig überholte Turbinenschaufeln oder Neuteile montiert werden, um die benötigte Wartungszeit für die Gasturbine möglichst kurz zu halten. Letzteres ist insbesondere bei Flugzeugtriebwerken von Bedeutung.
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Turbinenschaufeln verfügen regelmäßig über eine eindeutige Seriennummer. Für Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken ist dies aufgrund von Zulassungsbestimmungen sogar zwingend erforderlich. Die Seriennummern sind dabei an dem Fuß der Turbinenschaufeln, mit dem die Schaufeln am Schaufelträger des Triebwerks befestigt werden, angeordnet, um zu vermeiden, dass sie unmittelbar mit dem Heißgasstrom in Berührung kommen und durch diesen unkenntlich gemacht werden.
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Nachteilig an der Positionierung der Seriennummer am Fuß einer Turbinenschaufel ist, dass die Seriennummern nach dem Einsetzen der Turbinenschaufeln nicht mehr einsehbar sind. So ist es bei einer vollständig montierten Gasturbine bzw. einem vollständig montierten Flugzeugtriebwerk nicht möglich, die Seriennummer einer einzelnen Triebwerksschaufel zu überprüfen. Um die Seriennummer einer bestimmten Triebwerksschaufel zu ermitteln, ist gemäß dem Stand der Technik vielmehr ein nahezu vollständiges Zerlegen der gesamten Gasturbine erforderlich.
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Insbesondere bei der Verwendung von überholten Turbinenschaufeln kann sich selbst bei erfolgter Überprüfung der Turbinenschaufeln vor und während der Montage bereits kurz nach der Inbetriebnahme der wieder zusammengesetzten Gasturbine, teilweise bereits nach einem ersten Probelauf, ein zumindest leicht reduzierter Wirkungsgrad einstellen, der letztendlich einen erhöhten Treibstoffverbrauch im Einsatz der Gasturbine zur Folge hat. Auch wenn ein entsprechend reduzierter Wirkungsgrad häufig keine erneute Demontage der Gasturbine rechtfertigt, kann es aus verschiedenen Gründen erwünscht sein, dass den Wirkungsgradverlust hervorrufende Bauteil der Gasturbine eindeutig zu identifizieren. Beispielsweise ist eine entsprechende Identifikation wünschenswert, um evtl. Regressansprüche an den Hersteller eines eindeutig identifizierbaren Bauteils oder an den Wartungsbetrieb, der das fragliche Bauteil überholt hat, stellen zu können.
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Wird dabei eine Turbinenschaufel der Hochdruckturbine des Flugzeugtriebwerks als wahrscheinliche Ursache für den Wirkungsgradverlust ausgemacht, ist es im Stand der Technik allerdings nicht möglich, ohne eine nahezu vollständige Zerlegung der Gasturbine die fragliche Turbinenschaufel eindeutig, bspw. anhand ihrer Seriennummer, zu identifizieren. In der Folge lässt sich auch die Herkunft der Turbinenschaufel von einem Hersteller oder Reparaturbetrieb nicht ohne weiteres klären.
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Aus dem Stand der Technik - bspw. der
DE 10 2011 114 541 A1 ,
EP 1 609 957 A2 ,
US 2013/0 113 915 A1 ,
US 2014/0 188 423 A1 oder der
WO 2015/130 870 A1 - sind diverse, auch teilautomatisierte Verfahren zur boroskopischen Inspektion von Turbinenschaufeln oder anderen Komponenten bei einem vollständig montierten Flugzeugtriebwerk bekannt. Eine Möglichkeit der Identifikation der durch das Boroskop sichtbaren Turbinenschaufeln ist jedoch nicht beschrieben.
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Die Dokumente
DE 10 2011 103 003 A1 und
US 9 016 560 B2 offenbaren automatisierte optische Verfahren zur Überprüfung von ausgebauten Triebwerksschaufeln, wobei die am Schaufelfuß vorgesehene Seriennummern maschinenlesbar ausgestaltet sein kann.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zu schaffen, mit denen eine eindeutige Positionszuordnung und Identifizierung einer Turbinenschaufel einer Hochdruckturbinenstufe einer Gasturbine möglich ist, ohne das zur Identifizierung eine Demontage der Gasturbine erforderlich wäre.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur eindeutigen Positionszuordnung einer Turbinenschaufel einer über eine Welle mit einem Hochdruckkompressor verbundenen Hochdruckturbinenstufe einer Gasturbine, wobei jede Turbinenschaufel der Hochdruckturbine eindeutig identifizierbar mit ihrer relativen Lage in einer Satzkarte verzeichnet wird, mit den Schritten:
- a. Ermitteln der Position eines vorgegebenen Schaufelschlosses einer vorgegebenen Stufe des Hockdruckkompressors, wobei die Stufe des Hockdruckkompressors derart gewählt ist, dass das Schaufelschloss im vollständig montierten Zustand der Gasturbine durch Drehen der Welle in das Sichtfeld eines durch eine erste Boroskopöffnung an der Gasturbine geführten ersten Boroskops bringbar und eindeutig identifizierbar ist; und
- b. Markierung derjenigen Turbinenschaufel auf der Satzkarte, die im vollständig montierten Zustand der Gasturbine im Sichtfeld eines durch eine zweite Boroskopöffnung an der Gasturbine geführten zweiten Boroskops ist, wenn das vorgegebene Schaufelschloss im Sichtfeld des ersten Boroskops ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur eindeutigen Identifizierung der auf der Satzkarte mit dem vorstehenden erfindungsgemäßen Verfahren markierten Turbinenschaufel der Hochdruckturbine einer Gasturbine, mit den Schritten:
- a. Einführen eines ersten Boroskops durch eine erste Boroskopöffnung an der Gasturbine und eines zweiten Boroskops durch eine zweite Boroskopöffnung an der Gasturbine; und
- b. Drehen der den Hochdruckkompressor und die Hochdruckturbinenstufe verbindenden Welle, bis das vorgegebene Schaufelschloss im Sichtfeld des ersten Boroskops ist, womit die auf der Satzkarte markierte Turbinenschaufel im Sichtfeld des zweiten Boroskops ist.
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Zunächst werden einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.
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Bei Gasturbinen bekannt und bei Flugzeugtriebwerken üblich sind „Satzkarten“, auf denen die „relative Lage“ der einzelnen Turbinen- oder Kompressorschaufeln einer Gasturbinenstufe verzeichnet sind. Auf der Satzkarte sind sämtliche in der Gasturbinenstufe eingesetzten Schaufeln anhand ihrer Seriennummer aufgelistet. Darüber hinaus geht aus der Satzkarte die Reihenfolge der einzelnen Schaufeln in Umfangsrichtung hervor. In anderen Worten lässt sich anhand der Satzkarte für jede Schaufel der Gasturbinenstufe ermitteln, welche beiden Schaufel jeweils benachbart dazu angeordnet sind. Die Satzkarte gibt dabei jedoch ausschließlich Auskunft über die relative Lage der Schaufeln, nicht jedoch die absolute Lage, bspw. gegenüber der Welle.
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Schaufeln von Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken umfassen ein Schaufelblatt und einen Schaufelfuß. Der Schaufelfuß weist dabei regelmäßig eine solche Formgebung auf, die ein Einschieben des Schaufelfußes in eine Schaufelnut des Schaufelträgers einer Turbinenstufe ermöglicht. Zur Sicherung einer oder mehrerer Schaufeln in der Schaufelnut sind ein oder mehrere „Schaufelschlösser“ vorgesehen, mit denen die Schaufeln in ihrer Position gegenüber dem Schaufelträger fixiert werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die durch ein zweites Boroskop bei einer vollständig montierten Gasturbine einsehbaren Bereiche der Hochdruckturbine der besonderen Belastung durch das von der Brennkammer stammende Heißgas unterliegen, weshalb sämtliche in diesem Bereich angebrachte Markierungen spätestens mit einem ersten Probelauf der Gasturbine entfernt bzw. verbrannt werden würden. Aufgrund der besonderen Belastung in diesem Bereich sind die Hochdruckturbinen auch regelmäßig so ausgestaltet, dass die bei vollständig montierter Gasturbine durch ein zweites Boroskop einsehbaren Oberflächen der Hochdruckturbine keine Rückschlüsse auf deren Winkellage o.ä. zulassen.
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Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass der mit der Hockdruckturbine über eine Welle drehfest verbundene Hochdruckkompressor durch ein erstes Boroskop auch bei vollständig montierter Gasturbine eindeutig identifizierbare Schaufelschlösser aufweist, die als Erkennungsmerkmal für die Winkellage des Hochdruckkompressors und damit der Hochdruckturbine dienen können. Bei Kenntnis der Lage der Boroskopöffnungen für das erste und das zweite Boroskop lässt sich genau feststellen, welche Turbinenschaufel im Sichtfeld des zweiten Boroskops ist, wenn das vorgegebene Schaufelschloss im Sichtfeld des ersten Boroskops ist.
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Indem dieser Zusammenhang erfindungsgemäß während der Montage der Hochdruckturbine auf der Satzkarte verzeichnet wird, kann anhand dieser Information auf der Satzkarte bei vollständig montierter Gasturbine zunächst eine erste Turbinenschaufel eindeutig identifiziert werden. Durch anschließendes Drehen des Hochdruckkompressors um einen vorgegebenen Winkel oder bei gleichzeitiger Beobachtung durch das zweite Boroskop können anhand der auf der Satzkarte verzeichneten relativen Lage der Turbinenschaufeln auch die übrigen Turbinenschaufeln eindeutig identifiziert werden.
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Um die Ermittlung der auf der Satzkarte zu markierenden Turbinenschaufel zu erleichtern, ist es bevorzugt, wenn zunächst die Winkellage des vorgegebenen Schaufellschlosses des Hochdruckkompressors gegenüber der Welle auf der Welle selbst markiert wird und ausgehend von dieser Markierung die auf der Satzkarte zu markierende Turbinenschaufel ermittelt wird. Die Markierung kann dabei entlang der Welle bis an die Hochdruckturbine herangeführt werden, wodurch das Identifizieren der fraglichen Turbinenschaufel vereinfacht wird. Die Markierung kann bspw. durch einen Markierungsstift entsprechend der Norm DIN LN 9051 erfolgen.
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Die Ermittlung der auf der Satzkarte zu markierenden Turbinenschaufel kann alternativ oder zusätzlich erleichtert werden, wenn die Turbinenschaufeln ein nach der Montage sichtbares temporäres Identifikationsmerkmal aufweisen. So kann z.B. die Seriennummer der einzelnen Turbinenschaufeln unmittelbar auf dem Schaufelblatt aufgebracht sein, also an einer Stelle, die auch nach dem Einbau der Turbinenschaufel sichtbar ist. Bei einem solchen auch im eingebauten Zustand sichtbaren Identifikationsmerkmal handelt es sich grundsätzlich um ein temporäres Identifikationsmerkmal, welche nach einem ersten Testlauf der Gasturbine aufgrund der besonderen Belastungen im Bereich der Hochdruckturbine bereits rückstandslos verbrannt sind.
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Sind mehr als zwei Schaufelschlösser in der vorgegebenen Stufe des Hockdruckkompressors vorhanden, lässt sich im Regelfall eindeutig ein erstes und ein zweites Schaufelschloss identifizieren. Der Abstand in Umfangsrichtung entgegen einer vorgegebenen Drehrichtung zwischen dem ersten Schaufelschloss und dem zweiten Schaufelschloss ist im Regelfall nämlich geringer als der entsprechende Abstand zwischen dem letzten Schaufelschloss - das auch das zweite Schaufelschloss sein kann - und dem ersten Schaufelschloss. Ausgehend von dem so eindeutig identifizierbaren ersten Schaufelschloss ist das zweite Schaufelschloss das in der vorgegebenen Drehrichtung in Umfangsrichtung dem ersten Schaufelschloss nachfolgende Schaufelschloss. Es ist bevorzugt, wenn das vorgegebene Schaufelschloss das zweite Schaufelschloss ist. Wie nachfolgend erläutert, kann dadurch die spätere Identifizierung der auf der Satzkarte markierten Turbine erleichtert werden.
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Ist eine Turbinenschaufel erfindungsgemäß auf der Satzkarte markiert, lässt sich diese Turbinenschaufel auch bei vollständig montierter Gasturbine eindeutig identifizieren.
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Dazu werden ein erstes Boroskop durch eine erste Boroskopöffnung an der Gasturbine und ein zweites Boroskop durch eine zweite Boroskopöffnung an der Gasturbine geführt. Die erste Boroskopöffnung ist dabei so angeordnet, dass durch ein hindurchgeführtes Boroskop das vorgegebene Schaufelschloss der vorgegebenen Stufe des Hochdruckkompressors eingesehen werden kann, während die zweite Boroskopöffnung eine Betrachtung der Turbinenschaufeln der relevanten Hochdruckturbinenstufe mit Hilfe eines Boroskops gestattet.
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Nach Einführung zumindest des ersten Boroskops - das zweite Boroskop kann auch noch später eingeführt werden - wird die Welle auf die sowohl der Hochdruckkompressor als auch die Hochdruckturbinenstufe gedreht, bis das vorgegebene Schaufelschloss im Sichtfeld des ersten Boroskops ist. Die Turbinenschaufel, die dann durch das spätestens jetzt eingeführte zweite Boroskop sichtbar ist, ist dann die auf der Satzkarte markierte Turbinenschaufel.
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Handelt es sich bei dem vorgegebenen Schaufelschloss um das zweite Schaufelschloss der vorgegebenen Stufe des Hochdruckkompressors, kann die Drehgeschwindigkeit nach Erkennen des ersten Schaufelschlosses durch das erste Boroskop vorzugsweise reduziert werden, um die Welle möglichst verzögerungsfrei anhalten zu können, sobald das zweite Schaufelschlosses im Sichtfeld des ersten Boroskops ist. In anderen Worten kann die Drehgeschwindigkeit zunächst vergleichsweise hoch sein, um die Welle zügig in den Bereich zu drehen, in dem das zweite Schaufelschloss liegt, um dann aufgrund einer vergleichsweise niedrigen Drehgeschwindigkeit die Welle unmittelbar anhalten zu können, sobald das zweite Schaufelschloss ins Sichtfeld des ersten Boroskops kommt.
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Ist die auf der Satzkarte markierte Turbinenschaufel eindeutig identifiziert, können vorzugsweise durch anschließendes Drehen der den Hochdruckkompressor und die Hochdruckturbinenstufe verbindenden Welle unter Beobachtung der Turbinenschaufeln durch das zweite Boroskop oder unter Beobachtung der Veränderung der Winkellage der Welle wenigstens eine Turbinenschaufel anhand der Satzkarte identifiziert wird. Da auf der Satzkarte die relative Lage der einzelnen Turbinenschaufeln hervorgeht können ausgehend von der eindeutig identifizierten markierten Turbinenschaufel die jeweils benachbarten Turbinenschaufeln und nacheinander die daran anschließenden Turbinenschaufeln identifiziert werden. Da die grundsätzliche geometrische Konfiguration der Turbinenschaufeln einer Gasturbine bekannt ist, kann auch über die Winkellage der Welle ausgehend von der Winkellage, die die Welle bei der Identifizierung der markierten Turbinenschaufel einnimmt, unmittelbar auch eine nicht zur markierten Turbinenschaufel benachbarte Turbinenschaufel identifiziert werden.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine Hochdruckturbinenstufe mit einem über eine Welle verbundenen Hochdruckkompressor;
- 2: eine Detaildarstellung des Hochdruckkompressors aus 1; und
- 3: ein Flugzeugtriebwerk mit der Hochdruckturbinenstufe und dem Hochdruckkompressor gemäß 1.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Hochdruckturbinenstufe 10 einer Gasturbine 1 bzw. eines Flugzeugtriebwerks 1 (siehe 3). Die Hochdruckturbinenstufe 10 weist eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 11 auf, deren jeweilige Seriennummer am Schaufelfuß eingraviert und auf einer Satzkarte in ihrer relativen Lage verzeichnet ist. Eine Satzkarte kann dabei die Form einer Liste von Seriennummern aufweisen, wobei die Reihenfolge der Auflistung der Anordnung der Turbinenschaufeln in Umfangsrichtung der Hochdruckturbinenstufe entspricht.
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Die Hochdruckturbinenstufe 10 ist über eine Welle 20 drehfest mit einem zweistufigen Hochdruckkompressor 30 verbunden. Jede der beiden Stufen des Hochdruckkompressors 30 umfasst eine Vielzahl von Kompressorschaufeln 31, die über jeweils zwei Schaufelschlösser 32 (in der Darstellung gemäß 1 ist lediglich ein Schaufelschloss 32 sichtbar) in ihrer Position gegenüber dem Schaufelträger der jeweiligen Stufe des Hochdruckkompressors 30 gesichert sind.
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In 2 ist der Hochdruckkompressor 30 aus 1 vergrößert dargestellt. Zwischen den Schaufeln 31 der einen Stufe des Hochdruckkompressors 30 sind zwei Schaufelschlösser 32, 32' zu erkennen. Dabei ist der Abstand in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Schaufelschloss 32' und dem zweiten Schaufelschloss 32 entgegen der vorgegebene Drehrichtung 90 - die nicht mit der Drehrichtung des Flugzeugtriebwerks 1 im Betrieb übereinstimmen muss - geringer als der Abstand zwischen dem zweiten und in Drehrichtung letzten Schaufelschloss 32 und dem ersten Schaufelschloss 32'.
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Das so als zweites Schaufelschloss 32 identifizierte Schaufelschloss 32 dient als Basis für die Markierung 21 entlang der Welle 20, die mit einem luftfahrtzertifizierten Markierungsstift aufgebracht wird. Die Markierung 21 zeigt dabei die Winkellage des Schaufelschlosses 32 gegenüber der Achse der Welle 20 an. Ausgehend von dieser Markierung kann diejenige Turbinenschaufel 11' auf der Satzkarte markiert werden, die - wie nachfolgend anhand von 3 erläutert wird - im vollständig montierten Zustand des Flugzeugtriebwerks 1 im Sichtfeld eines durch eine zweite Boroskopöffnung 5 an dem Flugzeugtriebwerk 1 geführtes zweites Boroskop 42 ist, wenn das vorgegebene Schaufelschloss 32 im Sichtfeld eines durch eine erste Boroskopöffnung 4 des Flugzeugtriebwerks 1 geführten ersten Boroskops 41 ist.
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In 3 ist das Flugzeugtriebwerk 1 im vollständig montierten Zustand dargestellt. Lediglich die Turbinenabdeckung 2 ist geöffnet (und daher gestrichelt dargestellt) um Zugang zum Kerntriebwerk 3 zu haben.
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Zu eindeutigen Identifizierung der auf der Satzkarte markierten Turbinenschaufel 11' der Hochdruckturbine 10 wird die Welle 20 mit einer ersten Drehgeschwindigkeit in die Drehrichtung 90 gedreht. Sobald durch das erste Boroskop 41 das erste Schaufelschloss 32' zu erkennen ist, wird die Drehgeschwindigkeit reduziert und die Welle 20 wird, sobald das zweite Schaufelschloss 32 im Blickfeld des ersten Boroskops 41 ist gestoppt.
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Ist das zweite Schaufelschloss 32 im Blickfeld des ersten Boroskops 41 befindet sich, aufgrund der zuvor erfolgten Positionszuordnung der fraglichen Turbinenschaufel 11 die auf der Satzkarte markierte Turbinenschaufel 11 unmittelbar im Sichtfeld des zweiten Boroskops 42. Die übrigen Turbinenschaufeln 11 können dann ausgehend von der markierten Turbinenschaufel 11' anhand der Satzkarte eindeutig identifiziert werden.
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Während der Montage ggf. vorgesehene Markierungen auf den Turbinenschaufeln 11, die auch die Positionszuordnung der zu markierenden Turbinenschaufel 11' erleichtern können, sind spätestens nach dem ersten Testlauf des Flugzeugtriebwerks 1 vollständig entfernt. Durch die erfindungsgemäßen Verfahren ist es aber möglich, zunächst eine - nämlich die zuvor auf der Satzkarte markierte - Turbinenschaufel 11' ohne jegliche Identifikationsmerkmale an der Turbinenschaufel 11' oder der Hochdruckturbine 10 selbst, zu identifizieren. Ausgehend von dieser Turbinenschaufel 11' können mithilfe der Satzkarte auch die übrigen Turbinenschaufeln 11 eindeutig identifiziert werden.
