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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine, mit verbesserter Aerodynamik.
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Brennkammeranordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 102014213302.5 A1 eine verschraubte Brennkammeranordnung, bei der ein Hitzeschild mittels Gewindebolzen und Muttern an einer Kopfplatte angeordnet ist. Ein Brennkammerkopf ist an der Kopfplatte befestigt und überdeckt die Schraubverbindung zwischen Kopfplatte und Hitzeschild. Um eine Montage zu ermöglichen, sind Löcher in dem Brennkammerkopf an entsprechenden Positionen der Schraubverbindung vorgesehen. Bei der Montage zur Befestigung des Hitzeschilds muss somit die Mutter durch die Öffnung eingeführt werden und mit einem Werkzeug, welches durch die Öffnung passt, mit dem Gewindebolzen verschraubt werden. Es wurde nun festgestellt, dass im Betrieb der Gasturbine eine Luftströmung durch die Öffnungen im Brennkammerkopf strömt und von dort in Kühlluftlöcher, welche in der Kopfplatte vorgesehen sind, in eine Brennkammer der Brennkammeranordnung geführt werden. Diese Strömung ist grundsätzlich gewünscht, jedoch kann aufgrund der Vielzahl von Öffnungen im Brennkammerkopf die Strömung zu den Kühlluftlöchern gestört werden, sodass eine Anströmung der Kühlluftlöcher in der Kopfplatte lokal sehr stark variieren kann. Auch wurde festgestellt, dass je nach Betriebszustand eine Strömung in eine Öffnung ins Innere des Brennkammerkopfes erfolgt und aus einer anderen Öffnung wieder herausströmt. Hierdurch wird die gesamte Umströmung des Brennkammerkopfes gestört. Dadurch kann eine Kühlung des Hitzeschilds nicht mehr gleichmäßig und effizient erfolgen, wobei es zu lokalen Überhitzungen und Schäden kommen kann. Auch kann dadurch eine Brennkammerumströmung gestört werden, sodass eine berechnete Anströmung von Zumischluftlöchern, welche in der Brennkammerwand vorgesehen sind und über welche eine Regelung von NOX-Emissionen ermöglicht wird, gestört ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammeranordnung und eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammeranordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine verbesserte Aerodynamik aufweist und lokale Überhitzungen an einer Kopfplatte und/oder einem Hitzeschild der Brennkammeranordnung vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkammeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Brennkammeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht eine verbesserte Aerodynamik am Brennkammerkopf und vermeidet lokale Überhitzungen an Bauteilen. Insbesondere wird eine aerodynamische Störung durch Montageöffnungen im Brennkammerkopf vermieden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Brennkammeranordnung eine Brennkammer, ein Brennkammerkopf, eine Kopfplatte, eingerichtet zur Aufnahme einer Treibstoffdüse und ein Hitzeschild umfasst. Eine Fixiereinheit mit wenigstens einem Gewindebolzen und einer Mutter ist ferner vorgesehen, um den Hitzeschild an der Kopfplatte zu fixieren. Ferner ist eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen im Brennkammerkopf vorgesehen, welche eingerichtet sind, um den Gewindebolzen und die Mutter durch den Brennkammerkopf hindurch zu erreichen. Ferner ist wenigstens ein Verschluss, vorzugsweise eine Vielzahl von Verschlüssen, vorgesehen, wobei jeweils ein Verschluss in einer Durchgangsöffnung angeordnet ist und die Durchgangsöffnung verschließt. Somit kann eine Montage des Hitzeschilds an die Kopfplatte mittels eines Werkzeugs erfolgen, welches durch die Durchgangsöffnungen im Brennkammerkopf hindurchgeführt wird und nach erfolgter Montage können eine oder mehrere oder alle Durchgangsöffnungen mittels jeweils eines Verschlusses verschlossen werden. Hierdurch werden die Störungen, welche im Stand der Technik durch eine Luftströmung durch die Durchgangsöffnungen zur Montage im Brennkammerkopf vorhanden sind, vermieden.
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Vorzugsweise weist die Brennkammeranordnung einen Fortsatz auf, welcher am Brennkammerkopf im Bereich der Durchgangsöffnungen angeordnet ist. Durch den Fortsatz kann eine einfachere Fixierung eines Verschlusses in der Durchgangsöffnung ermöglicht werden.
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Der Fortsatz am Brennkammerkopf ist vorzugsweise in Richtung zur Kopfplatte gerichtet. Mit anderen Worten ist der Fortsatz im Inneren des Brennkammerkopfes vorgesehen. Hierdurch stört der Fortsatz nicht die Aerodynamik am äußeren Umfang des Brennkammerkopfes.
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Besonders bevorzugt ist eine Gewindeverbindung zwischen dem Verschluss und der Durchgangsöffnung vorgesehen. Die Gewindeverbindung umfasst vorzugsweise ein Außengewinde am Verschluss und ein Innengewinde an der Durchgangsöffnung oder dem Fortsatz.
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Eine besonders schnelle und kostengünstige Montage der Brennkammeranordnung wird ermöglicht, wenn eine Schweißverbindung zwischen dem Brennkammerkopf und der Kopfplatte vorgesehen ist. Nach erfolgter Schweißverbindung erfolgt dann eine Montage des Hitzeschilds über die Durchgangsöffnungen im Brennkammerkopf und anschließend das Verschließen der Durchgangsöffnungen im Brennkammerkopf mittels der Verschlüsse.
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Bevorzugt ist der Verschluss ein kopfloser Gewindebolzen mit einem Außengewinde und einer Werkzeugaufnahme. Die Werkzeugaufnahme ist vorzugsweise ein Innensechskant oder jede andere geeignete Form zur Aufnahme eines Werkzeugs.
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Eine besonders gute Aerodynamik wird erreicht, wenn der Verschluss an einer zur Außenseite des Brennkammerkopfs gerichteten Seite eine Außenkontur des Brennkammerkopfs angepasste geometrische Kontur aufweist. Besonders bevorzugt weist der Verschluss eine bogenförmige Außenseite auf, wobei ein Radius des Bogens der bogenförmigen Außenseite einem Außenradius des Brennkammerkopfes entspricht.
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Alternativ weist der Verschluss eine Außenseite auf, welche in einer Ebene liegt. Hierdurch kann der Verschluss besonders kostengünstig hergestellt werden oder es kann auch ein Standardbauteil, beispielsweise ein kopfloser Gewindebolzen (Wurmschraube) verwendet werden.
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Besonders bevorzugt ist der Fortsatz am Brennkammerkopf einstückig mit dem Brennkammerkopf gebildet.
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Besonders bevorzugt weist der Verschluss eine Axiallänge auf, welche in einem Bereich zwischen einem halben Durchmesser des Verschlusses und dem Durchmesser des Verschlusses liegt. Hierdurch ist eine ausreichende Befestigung des Verschlusses in der Durchgangsöffnung des Brennkammerkopfes sichergestellt und eine Durchströmung im Innenbereich des Brennkammerkopfes wird nicht durch einen zu langen Verschluss gestört.
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Um eine einfache Wartung und ggfs. einen einfachen Austausch von Bauteilen der Brennkammeranordnung zu ermöglichen, ist der Verschluss in der Durchgangsöffnung vorzugsweise beschädigungsfrei lösbar.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine, insbesondere eine Fluggasturbine, umfassend eine erfindungsgemäße Brennkammeranordnung.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung werden gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
- 1 ein Gasturbinentriebwerk mit einer erfindungsgemäßen Brennkammeranordnung,
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Brennkammeranordnung von 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der Brennkammeranordnung von 2,
- 4 eine schematische Draufsicht eines Brennkammerkopfes von 2,
- 5 eine schematische Darstellung eines Teils eines Brennkammerkopfes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 6 eine schematische Darstellung eines Teils eines Brennkammerkopfes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Brennkammeranordnung 115 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Ein Gasturbinentriebwerk 110 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Gasturbinentriebwerk 110 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 111, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 112, einen Mitteldruckkompressor 113, einen Hochdruckkompressor 114, eine Brennkammeranordnung 115, eine Hochdruckturbine 116, eine Mitteldruckturbine 117 und eine Niederdruckturbine 118 sowie eine Abgasdüse 119, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksmittelachse 101 angeordnet sind.
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Der Mitteldruckkompressor 113 und der Hochdruckkompressor 114 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 120 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Kerntriebwerksgehäuse 121 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 113, 114 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 122 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 125 vorstehen, die mit Naben 126 der Hochdruckturbine 116 beziehungsweise der Mitteldruckturbine 117 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 116, 117, 118 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 123, die radial nach innen vom Gehäuse 121 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 116, 117, 118 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 124, die nach außen von einer drehbaren Nabe 126 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 125 und die darauf angeordneten Schaufeln 122 sowie die Turbinenrotornabe 126 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 124 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksmittelachse 101.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Brennkammeranordnung 115 eine Brennkammer 30, einen Brennkammerkopf 3, ein Hitzeschild 4 und eine Kopfplatte 5. Die Kopfplatte 5 ist eingerichtet zur Aufnahme einer Treibstoffdüse 17. Ferner ist der Brennkammerkopf 3 mit dem Hitzeschild 4 mittels einer Schweißverbindung 13 verschweißt.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, weist der Brennkammerkopf 3 eine Vielzahl von Hauptöffnungen 16 auf, welche zur Aufnahme jeweils einer Treibstoffdüse 17 dienen.
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Die Brennkammeranordnung 115 wird mittels einer Aufhängung 8 und Flanschen 9 in der Gasturbine fixiert.
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Ferner umfasst die Brennkammeranordnung 115 eine äußere Brennkammerwand 1 und eine innere Brennkammerwand 2. In den äußeren und inneren Brennkammerwänden 1, 2 sind mehrere zur Emissionskontrolle angeordnete Zumischluftlöcher 18 angeordnet.
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Ferner weisen die äußeren und inneren Brennkammerwände eine Vielzahl von Kühlluftlöchern 12 auf, welche schematisch in 2 eingezeichnet sind.
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Die Treibstoffdüse 17 ist, wie in 2 gezeigt, mittels einer Brennerdichtung 6 in der Kopfplatte 5 fixiert.
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Die innere Brennkammerwand 2 ist an der äußeren Brennkammerwand 1 mittels Bolzen 10 und Muttern 11 befestigt.
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Da der Brennkammerkopf 3 mit der Kopfplatte 5 über die Schweißverbindung 13 verbunden ist, muss das Hitzeschild 4 mittels einer Fixiereinheit 7 mit der Kopfplatte 5 verbunden werden. Dies ist im Detail aus 3 ersichtlich. Am Hitzeschild 4 sind dabei Gewindebolzen 70 angeordnet, welche mittels Muttern 71 an der Kopfplatte 5 fixiert werden. Zur Montage ist dabei im Brennkammerkopf 13 an jeweils einer entsprechenden Stelle der Fixiereinheit 7 eine Durchgangsöffnung 15 vorgesehen. 4 zeigt schematisch die Anordnung der Hauptöffnungen 16 und der Vielzahl von Durchgangsöffnungen 15 am Brennkammerkopf 3.
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Im Betrieb strömt Luft durch die Hauptöffnungen 16 ins Innere des Brennkammerkopfs 3 und von dort zu den Kühlluftlöchern 12 sowie einer Vielzahl von nicht gezeigten Effusionskühllöchern, welche an der inneren Brennkammerwand 2 angeordnet sind. Wie aus 3 und 4 ersichtlich ist, sind bei der vorliegenden Erfindung die Durchgangsöffnungen 15 im Brennkammerkopf 3 mittels Verschlüssen 19 verschlossen. Hierdurch wird vermieden, dass Luft im Betrieb durch die Durchgangsöffnungen 15 strömt und die Strömung in den Brennkammerkopf 3 durch die Hauptöffnungen 16 stört und zu einer ungleichen Anströmung der Kühlluftlöcher 12 führt. In 3 sind schematisch zur Verdeutlichung auf einem inneren Kreis 50 die Durchgangsöffnungen 15 ohne Verschlüsse 19 dargestellt und auf einem äußeren Kreis 51 die mit Verschlüssen 19 verschlossenen Durchgangsöffnungen dargestellt.
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Zur einfacheren Fixierung der Verschlüsse 19 sind an einer Innenseite des Brennkammerkopfes 3 jeweils Fortsätze 14 an den Durchgangsöffnungen 15 vorgesehen. Die Fortsätze 14 sind rohrförmige Verlängerungen der Durchgangsöffnungen 15 und weisen, wie aus 3 ersichtlich ist, ein Innengewinde 21 auf. Die Verschlüsse 19 weisen jeweils ein Außengewinde 22 auf, welches im montierten Zustand im Eingriff mit dem Innengewinde 21 der Fortsätze 14 ist. Hierdurch wird eine Gewindeverbindung 20 zwischen dem Brennkammerkopf 3 und den Verschlüssen 19 realisiert.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, weist der Verschluss 19 einen Durchmesser D auf. Eine axiale Länge des Verschlusses 19 beträgt dabei die Hälfte des Durchmessers (D/2). Eine axiale Länge des Fortsatzes 14 ist dabei derart gewählt, dass sich alle Gewindegänge des Verschlusses 19 bei eingeschraubtem Zustand im Eingriff mit dem Innengewinde 21 am Fortsatz 14 befinden. Somit wird verhindert, dass der Verschluss 19 in den Innenraum des Brennkammerkopfes 3 zu weit vorsteht und dort die Strömung zu den Kühlluftlöchern 12 nachteilig beeinflussen könnte.
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Der Verschluss 19 weist eine Außenseite 19a auf, welche in einer Ebene E liegt. Dadurch kann ein standardisierter Verschluss, beispielsweise eine Wurmschraube oder dergleichen, verwendet werden. Ferner weist der Verschluss 19 noch einen Werkzeugeingriffsbereich 19b auf. Der Werkzeugeingriffsbereich ist beispielsweise ein Innensechskant.
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Somit kann durch die stromabwärts gerichtete Verlängerung der Durchgangsöffnungen 15 durch Vorsehen der Fortsätze 14 erreicht werden, dass eine rohrartige Geometrie vorgesehen wird, um einen Verschluss 19 aufzunehmen. Dadurch können die Durchgangsöffnungen 15 sicher verschlossen werden. Somit kann während der Montage der Brennkammeranordnung die Fixiereinheit 7 durch die Durchgangsöffnungen 15 montiert werden und anschließend wird die Durchgangsöffnung 15 mittels des Verschlusses 19 verschlossen. Hierdurch wird eine definierte Durchströmung durch den Innenbereich des Brennkammerkopfs 3 zu den Kühlluftlöchern 12 erreicht und lokale unzulässig hohe Erwärmungen von Bereichen der Kopfplatte 5 bzw. des Hitzeschilds 4 vermieden. Die Durchgangsöffnungen 15 für den Zugang zum Gewindebolzen 70 und zur Mutter 71 stören somit nicht mehr die Aerodynamik im Betrieb der Gasturbine. Als Verschluss 19 können dabei standardisierte, kopflose Gewindebolzen verwendet werden.
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5 zeigt einen Teilausschnitt einer Brennkammeranordnung 115 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist eine Geometrie des Verschlusses 19 beim zweiten Ausführungsbeispiel derart geändert, dass ein Durchmesser D des Verschlusses 19 einer axialen Länge D des Verschlusses 19 entspricht. Entsprechend verlängert ist auch der Fortsatz 14, sodass alle Gewindegänge des Verschlusses 19 sich mit Gewindegängen der Durchgangsöffnung 15 in Eingriff befinden. Eine Außenseite 15a des zweiten Ausführungsbeispiels ist wieder eben ausgebildet.
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6 zeigt eine Teilansicht einer Brennkammeranordnung 115 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied im zweiten Ausführungsbeispiel die Außenseite 19a des Verschlusses 19 gewölbt ist. Dabei ist die Außenkontur des Verschlusses 19 derart geometrisch geformt, dass im montierten Zustand des Verschlusses 19 eine Anpassung an eine Außenkontur des Brennkammerkopfes 3 erfolgt. Hierdurch wird ein verbessertes aerodynamisches Strömungsverhalten an der Außenseite des Brennkammerkopfs 3 erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- äußere Brennkammerwand
- 2
- innere Brennkammerwand
- 3
- Brennkammerkopf
- 4
- Hitzeschild
- 5
- Kopfplatte
- 6
- Brennerdichtung
- 7
- Fixiereinheit
- 8
- Aufhängung
- 9
- Flansch
- 10
- Bolzen
- 11
- Mutter
- 12
- Kühlluftlöcher
- 13
- Schweißverbindung
- 14
- Fortsatz
- 15
- Durchgangsöffnung
- 16
- Hauptöffnung
- 17
- Treibstoffdüse
- 18
- Zumischluftloch
- 19
- Verschluss
- 19a
- Außenseite des Verschlusses
- 19b
- Werkzeugeingriffsbereich
- 20
- Gewindeverbindung
- 21
- Innengewinde
- 22
- Außengewinde
- 30
- Brennkammer
- 50
- innerer Kreis
- 51
- äußerer Kreis
- 70
- Gewindebolzen
- 71
- Mutter
- 101
- Triebwerksmittelachse
- 110
- Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk
- 111
- Lufteinlass
- 112
- Fan
- 113
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 114
- Hochdruckkompressor
- 115
- Brennkammeranordnung
- 116
- Hochdruckturbine
- 117
- Mitteldruckturbine
- 118
- Niederdruckturbine
- 119
- Abgasdüse
- 120
- Leitschaufeln
- 121
- Kerntriebwerksgehäuse
- 122
- Kompressorlaufschaufeln
- 123
- Leitschaufeln
- 124
- Turbinenschaufeln
- 125
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 126
- Turbinenrotornabe
- 127
- Auslasskonus
- D
- Durchmesser
- E
- Ebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014213302 A1 [0002]
