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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überholen eines Schaufelrads einer Strömungsmaschine.
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Stand der Technik
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Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Die Turbine weist in der Regel mehrere Stufen auf, die jeweils aus einem Leitschaufelkranz und einem nachgelagerten Laufschaufelrad aufgebaut sind. In den einzelnen Stufen wird dem strömenden Heißgas jeweils anteilig Energie entzogen und in eine Rotation der Laufschaufelräder umgesetzt (diese kann dann z. B. zumindest anteilig zum Antreiben des Verdichters genutzt werden).
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Im Betrieb können die Laufschaufelräder der Turbine hohen Belastungen ausgesetzt sein, zum einen aufgrund der hohen Temperaturen und zum anderen aufgrund der hohen mechanischen Beanspruchung durch die auftretenden Fliehkräfte. Bei einem Laufschaufelrad der vorliegend relevanten Bauform sind dessen Laufschaufeln formschlüssig an einer Laufscheibe montiert, die eine der Anzahl an Laufschaufeln entsprechende Anzahl an Schaufelfußaufnahmen bildet. In eine jeweilige Aufnahme ist ein jeweiliger Schaufelfuß derart eingesetzt, dass eine Außenwandfläche des Schaufelfußes einen Formschluss mit einer die Schaufelfußaufnahme bildenden Innenwandfläche der Laufscheibe bildet. Die Anlage- bzw. Kontaktfläche zwischen Schaufelfuß und Scheibe ist dabei im Betrieb einer hohen Belastung ausgesetzt, es können bspw. durch plastische Verformungen bzw. Mikrorisse Schadstellen entstehen, aufgrund der hohen Temperaturen spielen aber bspw. auch Kriechvorgänge bzw. Materialübertragungen eine Rolle.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Überholen eines Schaufelrads einer Strömungsmaschine anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Demnach wird von der Innenwandfläche der Laufscheibe und/oder der Außenwandfläche des Schaufelfußes, also von zumindest einer dieser Wandflächen, spanend Material abgetragen. Dabei liegt eine erste Besonderheit darin, dass der abgetragene Bereich vordefiniert ist, also bereits vorab in seiner Erstreckung und Position festgelegt. Der Bereich ist also z. B. bereits beim Ansetzen des Spanwerkzeugs definiert und wird dann entfernt. Dies kann bspw. hinsichtlich der Bearbeitung einer großen Zahl an Schaufelfüßen bzw. entsprechenden Aufnahmen, also auf industriellem Maßstab hinsichtlich des Durchsatzes von Interesse sein.
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Eine weitere Besonderheit liegt im Verlauf bzw. der Form des abgetragenen Bereichs, der sich von einem axialen Ende der zumindest einen Wandfläche axial weg (in besagte Wandfläche hinein) erstreckt, dabei aber vor dem axial entgegengesetzten Ende der Wandfläche endet. Der Bereich erstreckt sich also in anderen Worten axial nicht über die gesamte Wandfläche, sondern in der Regel nur über einen vergleichsweise kleinen axialen Anteil (siehe unten im Detail). Es wird also von der axialen Stirnseite des Schaufelfußes oder der Laufscheibe her Material abgetragen, die entsprechende Wandfläche wird gewissermaßen angefast. Werden Laufschaufel und Laufscheibe dann anschließend wieder zusammengesetzt, liegen sie in einem axial endseitigen Bereich nicht mehr aneinander an. Dies ist insoweit von Vorteil, als dann später im Betrieb Belastungsspitzen ein Stück weit in das Bauteil hinein verlagert sind, nämlich in Bereiche, die im vorhergehenden Betriebsintervall nicht bzw. zumindest weniger stark geschädigt wurden als der im Zuge der Überholung abgetragene Bereich.
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- bzw. Vorrichtungs- oder auch Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Sie betrifft insbesondere stets sowohl das Verfahren zum Überholen bzw. Reparieren des Schaufelrads als auch dieses selbst.
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Generell beziehen sich „axial“ bzw. die „axiale Richtung“ auf die Drehachse des Schaufelrads, um welche dieses im Betrieb rotiert (und die mit einer Längsachse der Strömungsmaschine zusammenfällt). Darauf beziehen sich auch „radial“ bzw. „umlaufend“, sowie die zugehörigen Richtungen. Generell sind „ein“ und „eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel und damit immer auch als „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“ zu lesen. So weist bspw. das Schaufelrad in der Regel eine Vielzahl Laufschaufeln auf, z. B. mindestens 10, 15 bzw. 20 Laufschaufeln (mögliche Obergrenzen können davon unabhängig bspw. bei höchstens 250, 200 bzw. 150 Laufschaufeln liegen, je nach Durchmesser).
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Beim Überholen des Schaufelrads werden dann bevorzugt sämtliche Laufschaufelfüße und/oder wird die Scheibe an sämtlichen Schaufelfußaufnahmen entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bearbeitet. Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere auch eine Demontage der Laufschaufel(n) vor dem Materialabtrag sein, also ein Herausnehmen aus dem formschlüssigen Halt. Letzteres ist aber andererseits nicht zwingend, die Demontage der Laufschaufeln und die materialabtragende Bearbeitung können bspw. auch an unterschiedlichen Standorten erfolgen. Gegenstand der Bearbeitung kann also ausdrücklich auch entweder nur die Laufscheibe oder die Laufschaufel(n) sein. Bevorzugt zählen auch die vorherige Demontage und/oder die anschließende Montage dazu.
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In axialer Richtung gesehen bildet die Innenwandfläche der Laufscheibe eine Verzahnungskontur und bildet die Außenwandfläche des Schaufelfußes eine dazu komplementäre Verzahnungskontur. Deren Verlauf kann bspw. einer sogenannten Tannenbaumform folgen, siehe unten im Detail. Ist der Schaufelfuß in die Schaufelfußaufnahme eingesetzt, ist die Laufschaufel aufgrund der Verzahnungskontur formschlüssig in bzw. an der Laufscheibe gehalten, und zwar in Radial- und Umlaufrichtung.
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Die eingangs genannten Schadstellen, also die Mikrorisse, plastischen Verformungen und Kriechverformungen, treten dann insbesondere in stark belasteten Abschnitten der Verzahnungskontur auf, in denen die Wandflächen im Betrieb mit hohem Druck aneinandergepresst werden. Generell erstreckt sich der abgetragene Bereich zumindest entlang eines Abschnitts der Verzahnungskontur. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der abgetragene Bereich entlang der Verzahnungskontur zwar über eine Schadstelle hinweg, wird diese Schadstelle jedoch gleichwohl nicht vollständig entfernt, weil sie tiefer als der abgetragene Bereich reicht. Die Tiefenerstreckung wird in einer Schnittebene betrachtet, die zur axialen Richtung parallel und im jeweilig betrachteten Punkt der Verzahnungsstruktur senkrecht zu dieser liegt. Nach der Tiefenerstreckung bestimmt sich also, wie weit der abgetragene Bereich von der Verzahnungskontur weg in das jeweilige Bauteil, den Schaufelfuß oder die Laufscheibe, hineinreicht. Das nur teilweise bzw. nicht vollständige Entfernen der Schadstelle in Tiefenrichtung ist auch Ausdruck bzw. Folge des vordefinierten Bereichs. Dieser wird nicht zwingend derart gewählt, dass tatsächlich sämtliche Schadstellen über ihre gesamte Tiefe abgetragen werden, und wird nicht adaptiv an die jeweilige Schadstelle angepasst.
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Damit wird ein gewisser Nachteil in Kauf genommen, weil eine verbleibende Schädigung im nachfolgenden Betriebsintervall potenziell Startpunkt einer erneuten Schädigung sein kann. Es wurde jedoch einerseits festgestellt, dass sich diese Gefahr mit der Verlagerung der Belastung in das Bauteil hinein (siehe vorne) verringern lässt und andererseits das Einhalten bestimmter Toleranzen beim Materialabtrag von erheblichem Vorteil sein kann. Folgt der Materialabtrag einem vordefinierten Profil, ist mitunter für das darauffolgende Betriebsintervall keine Einzelabnahme des jeweiligen Bauteils mit Sonderprüfung erforderlich, sondern können bspw. baugleiche Bauteile zugelassen/freigegeben werden (soweit die jeweilig abgetragenen Bereiche innerhalb der definierten Grenzen liegen).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der abgetragene Bereich an dem axialen Ende der Innenwand- oder Außenwandfläche über eine Tiefe von mindestens 0,5 mm, bevorzugt mindestens 0,7 mm. Eine bevorzugte Obergrenze liegt bei höchstens 2 mm, wobei höchstens 1,4 mm besonders bevorzugt sind(Ober- und Untergrenze sollen im Allgemeinen auch unabhängig voneinander offenbart sein).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Tiefe des abgetragenen Bereichs am axialen Ende in Abhängigkeit vom Durchmesser der Laufscheibe gewählt (deren Außendurchmesser unter Vernachlässigung der Schaufelfußaufnahmen). Die Tiefe ergibt sich dabei proportional zum Durchmesser, wird also bei einer Scheibe mit kleinerem Durchmesser kleiner gewählt als bei einer Scheibe mit größerem Durchmesser. Die Proportionalität kann direkt sein, es ist aber auch eine Unter- oder Überproportionalität möglich. Auch hierin kommt wiederum eine Optimierung auf große Stückzahlen zum Ausdruck, der abgetragene Bereich ist nicht auf die einzelne Schadstelle angepasst.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der abgetragene Bereich in axialer Richtung über mindestens 2 mm, weiter und besonders bevorzugt mindestens 3 mm bzw. 3,9 mm. Vorteilhafte Obergrenzen, die im Allgemeinen auch von den Untergrenzen unabhängig offenbart sein sollen, liegen bei höchstens 6 mm, 5 mm bzw. 4,5 mm (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt).
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In axialer Richtung betrachtet bildet die Verzahnungskontur bevorzugt eine Tannenbaumform, mit in Umlaufrichtung hervortretenden Ausbuchtungen und zurückspringenden Einbuchtungen (zu beiden Umlaufseiten hin). Der abgetragene Bereich erstreckt sich dabei in bevorzugter Ausgestaltung über eine Mehrzahl der Ausbuchtungen hinweg, er kann sich auch über die gesamte Verzahnungskontur hinweg erstrecken.
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In bevorzugter Ausgestaltung liegt der abgetragene Bereich am stromaufwärtigen axialen Ende, bezogen auf die Durchströmung des Gaskanals bzw. Heißgaskanals der Strömungsmaschine. Die Belastungen dort können besonders hoch sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der abgetragene Bereich in einer Schnittebene betrachtet, die achsparallel und zur Verzahnungskontur senkrecht liegt, die Form eines Dreiecks. Wenngleich die durch das Abtragen des Materials freigelegte Oberfläche in besagter Schnittebene betrachtet im Allgemeinen auch leicht gekrümmt sein kann (konkav oder konvex), ist sie bevorzugt geradlinig.
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In bevorzugter Ausgestaltung schließt die durch das Abtragen des Materials freigelegte Oberfläche in besagter Schnittebene betrachtet mit der axialen Richtung einen Winkel von mindestens 5° ein, weiter und besonders bevorzugt mindestens 8° bzw. 10°. Vorteilhafte Obergrenzen, die auch von den Untergrenzen unabhängig offenbart sein sollen, liegen bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 25°, 20° bzw. 18°. Betrachtet wird jeweils der kleinere von zwei mit der axialen Richtung eingeschlossenen Winkeln.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird der spanende Materialabtrag durch Fräsen erreicht, also mit einem Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide. Im Allgemeinen wäre hingegen bspw. auch ein Schleifen denkbar, mit einer geometrisch unbestimmten Schneide.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird mit einem konusförmigen Fräskopf gefräst, womit sich insbesondere die im vorletzten Absatz genannten Winkel vorteilhaft erreichen lassen. Letzteres wäre zwar bspw. auch mit einem zylindrischen Fräskopf prinzipiell möglich, der allerdings aufwendiger gelagert (6-Achsführung) und angesteuert werden müsste. Generell wird für den Materialabtrag bevorzugt eine CNC-Maschine eingesetzt, vorzugsweise eine CNC-Fräse.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die zumindest eine Wandfläche, von welcher der Bereich abgetragen wird, die Innenwandfläche der Laufscheibe. Insbesondere in den Scheibennuten entstehen fliehkraftbedingt sehr hohe lokale Flächenpressungen, was speziell bei Überlagerung mit Schwingbelastungen zu Verschleiß und lokalen Schadstellen wie bspw. Rissbildung führen kann. Diese Risse können Ausbrüche zur Folge haben. Vereinfacht ausgedrückt sind sich lösende Bruchstücke etc. umso kritischer, je weiter radial innen sie sich lösen. Deshalb sind Mikrorisse in der Laufscheibe besonders kritisch und kommen umgekehrt die Vorteile des vorliegenden Verfahrens im Besonderen zu tragen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird an einer weiteren Wandfläche ein weiterer Bereich abgetragen, der zu dem an der erstgenannten Wandfläche abgetragenen Bereich kongruent ist. Die weitere Wandfläche kann einerseits eine weitere Innenwandfläche der Laufscheibe sein, also einer weiteren Schaufelfußaufnahme zugeordnet sein. Andererseits kann die weitere Wandfläche auch die Außenwandfläche des Schaufelfußes einer weiteren Laufschaufel sein. Bevorzugt wird an den Innenwandflächen sämtlicher Schaufelfußaufnahmen des Schaufelrads ein jeweiliger Bereich abgetragen, wobei diese Bereiche zueinander kongruent sind, und/oder wird an jedem der Schaufelfüße ein jeweiliger Bereich abgetragen und sind diese Bereiche zueinander kongruent. Generell lassen sich zwei zueinander kongruente Bereiche durch Kongruenzabbildungen ineinander überführen, wobei vorliegend insbesondere eine Drehung um die Drehachse, gegebenenfalls in Kombination mit einer Spiegelung, infrage kommt. Auch in dieser Ausführungsform kommt die Grundidee zum Ausdruck, mit Blick auf den industriellen Maßstab nicht die einzelne Schadstelle individuell abzutragen, sondern die Bauteile mit hohem Durchsatz einheitlich zu bearbeiten.
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Die Erfindung betrifft auch ein Schaufelrad, das in einem Verfahren gemäß dem vorstehenden Absatz überholt wurde, an dessen Schaufelfußaufnahmen und/oder Schaufelfüßen es also einen jeweilig abgetragenen Bereich gibt, wobei diese Bereiche untereinander kongruent sind.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 ein Strahltriebwerk in einem Axialschnitt;
- 2 einen Ausschnitt einer Laufscheibe, im Einzelnen eine Schaufelfußaufnahme;
- 3 in schematischer Darstellung eine Laufschaufel mit einem Schaufelfuß zum Einsetzen in die Schaufelfußaufnahme gemäß 2;
- 4 eine die Schaufelfußaufnahme bildende Innenwandfläche nach Herausnehmen des Schaufelfußes in einem Axialschnitt;
- 5 auf die Situation gemäß 4 folgend den Materialabtrag mit einem Fräskopf;
- 6 eine Detailansicht zu 5.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem Axialschnitt. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut. Jede der Stufen setzt sich aus einem Leitschaufelkranz und einem darauffolgenden Laufschaufelrad zusammen. Der Übersichtlichkeit halber ist für die Turbine 1c nur für eine der Stufen der Leitschaufelkranz 3 und das zugehörige Laufschaufelrad 4 mit Bezugszeichen referenziert. Im Verdichter 1a wird die angesaugte Luft komprimiert, sie wird dann in der nachgelagerten Brennkammer 1b mit hinzugemischten Kerosin verbrannt. Das Heißgas durchströmt den Heißgaskanal und treibt dabei das Laufschaufelrad 4 bzw. die Laufschaufelräder an, die um die Längsachse 2 rotieren.
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2 zeigt eine Detailansicht von einem Teil des Laufschaufelrads 4, nämlich einer Laufscheibe 20. Mit einer Innenwandfläche 20a bildet die Laufscheibe 20 eine Schaufelfußaufnahme 21, in die ein Schaufelfuß 30 einer Laufschaufel 31 eingesetzt wird. Es wird ergänzend auf 3 verwiesen.
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Sowohl die Innenwandfläche 20a der Laufscheibe 20 als auch eine Außenwandfläche 30a des Schaufelfußes 30 bilden in der axialen Richtung betrachtet eine Verzahnungskontur. Der Schaufelfuß 30 wird bei der Herstellung des Laufschaufelrads 4 axial in die Schaufelfußaufnahme 21 eingesetzt, sodass die Wandflächen 20a, 30a aneinander anliegen. Der Schaufelfuß 30 ist dann formschlüssig in der Schaufelfußaufnahme 21 gehalten, die Laufschaufel 31 ist an der Laufscheibe 20 montiert. Im Betrieb der Strömungsmaschine 1 ist diese Verbindung aufgrund der Fliehkräfte und Temperaturen bzw. auch Schwingungen einer hohen Belastung ausgesetzt, und es können Schadstellen wie Mikrorisse etc. entstehen (siehe auch die Beschreibungseinleitung). Deshalb ist ein Überholen des Laufschaufelrads 4 notwendig.
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4 zeigt die Laufscheibe 20 in einem Axialschnitt, wobei die Laufschaufel 31 mit dem Schaufelfuß 30 bereits demontiert wurde. An der die Schaufelfußaufnahme 21 bildenden Innenwandfläche 20a der Laufscheibe 20 sind schematisch dargestellte Schadstellen 40 zu erkennen, die vor allem am stromaufwärtigen axialen Ende 20aa der Innenwandfläche 20 auftreten.
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5 illustriert, wie mit einem konusförmigen Fräskopf 50 an diesem stromaufwärtigen axialen Ende 20aa der Innenwandfläche 20a Material abgetragen wird. Ergänzend wird auch auf 6 verwiesen. Wie in der Beschreibungseinleitung im Einzelnen dargelegt, ist ein abgetragener Bereich 60 vordefiniert, also nicht individuell an die einzelne Schadstelle 40 angepasst.
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6 zeigt den abgetragenen Bereich 60 in einem achsparallelen Schnitt. Der abgetragene Bereich 60 hat an dem stromaufwärtigen axialen Ende 20aa eine Tiefe 61 von rund 1 mm, seine axiale Länge 62 liegt bei rund 4 mm, und der Winkel 63 beträgt rund 14°. Bezüglich weiterer Werte wird ausdrücklich auf die Beschreibungseinleitung verwiesen. Bezogen auf die Ansicht gemäß 2 kann sich der abgetragene Bereich 60 bevorzugt über die gesamte Verzahnungskontur, also die Tannenbaumstruktur hinweg erstrecken.
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Bezugszeichenliste
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| Strömungsmaschine |
1 |
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Verdichter |
1a |
| |
Brennkammer |
1b |
| |
Turbine |
1c |
| Längsachse |
2 |
| Leitschaufelkranz |
3 |
| Schaufelrad |
4 |
| Laufscheibe |
20 |
| |
Innenwandfläche |
20a |
| |
|
Axiales Ende |
20aa |
| Schaufelfußaufnahme |
21 |
| Schaufelfuß |
30 |
| |
Außenwandfläche |
30a |
| Laufschaufel |
31 |
| Schadstellen |
40 |
| Fräskopf |
50 |
| Abgetragener Bereich |
60 |
| Tiefe |
61 |
| Länge |
62 |
| Winkel |
63 |
