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Die vorliegende Erfindung betrifft einen integral beschaufelten Rotor für eine Turbomaschine, insbesondere eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, eine Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit dem Rotor sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen des Rotors.
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Integral beschaufelte Turbomaschinen-Rotoren („Integrally Bladed Rotor“ (IBR) bzw. „BL(ade )I(ntegrated )DISK“) weisen integral mit einem Grundkörper, in einer Ausführung einer (Rotor)Scheibe, ausgebildete Laufschaufeln auf, die in einer Ausführung einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet, insbesondere urgeformt, oder stoffschlüssig mit diesem verbunden, vorzusgweise verschweißt, -lötet und/oder -klebt, sind.
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Solche Rotoren, insbesondere ihre Schaufeln, können im Betrieb zu Schwingungen angeregt werden, die insbesondere die Performance beeinträchtigen können.
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Insbesondere aus der
WO 2012/095067 A1 , auf die ergänzend Bezug genommen und deren Inhalt vollständig in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird, ist ein Konzept zur Schwingungsreduktion durch Stoßkontakte zwischen Impulskörpern und diese aufnehmenden Kavitäten bekannt.
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Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, einen integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotoren, insbesondere dessen Performance und/oder Herstellung, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Anspruch 10 stellt eine Turbomaschine mit einem oder mehreren hier beschriebenen Rotoren unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist/sind bzw. wird/werden an (wenigstens) einem Rotor für eine, insbesondere einer, Turbomaschine (jeweils) ein oder mehrere separat ausgebildete Impulskörpergehäuse mithilfe (jeweils) wenigstens eines Befestigungselements befestigt, welches hierzu in eine Öffnung des (jeweiligen) Impulskörpergehäuse („Impulskörpergehäuseöffnung“) und in eine, in einer Ausführung mit dieser Impulskörpergehäuseöffnung fluchtende, Öffnung des Rotors („Rotoröffnung“) eingreift.
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Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung erstrecken sich die bzw. eine oder mehrere der Impulskörpergehäuse- und/oder die Rotoröffnung(en) in axialer Richtung bzw. ist/sind bzw. wird/werden das bzw. die Befestigungselement(e) in axialer Richtung in diese eingeführt.
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Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung wird/werden bzw. ist/sind das bzw. eines oder mehrere der, in einer Ausführung schachtelartigen, Impulskörpergehäuse (jeweils) mithilfe genau bzw. nur eines Befestigungselements, welches in eine Impulskörpergehäuseöffnung und in eine Rotoröffnung eingreift, befestigt.
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In einer Ausführung wird/werden bzw. ist/sind das bzw. eines oder mehrere der, in einer Ausführung ringartige(n), Impulskörpergehäuse (jeweils) mithilfe mehrerer, in einer Ausführung äquidistant, über den Umfang verteilter Befestigungselemente, welche jeweils in eine Impulskörpergehäuseöffnung und in eine Rotoröffnung eingreifen, befestigt.
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Hierdurch kann in einer Ausführung jeweils eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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Der Rotor ist nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ein integral beschaufelter Rotor. Solche Rotoren sind aufgrund ihres Gewichts und/oder ihrer Festigkeit besonders für Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerk-Gasturbinen, geeignet, wobei Schwingungen der integralen Schaufeln solcher Rotoren durch Stoßkontakte zwischen Impulskörpern und diese aufnehmenden Kavitäten in separat ausgebildeten Impulskörpergehäusen besonders vorteilhaft reduziert werden können.
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Der Rotor wird bzw. ist in einer Ausführung in einer Turbinenstufe oder besonders bevorzugt in einer Verdichterstufe einer Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk-Gasturbinen, angeordnet bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet, bzw. wird hierzu verwendet. Bei solchen Rotoren kann die vorliegende Erfindung mit ganz besonderem Vorteil eingesetzt werden.
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Das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse weist/weisen nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung (jeweils) eine oder mehrere Kavitäten auf, in der (jeweils) wenigstens, in einer bevorzugten Ausführung nur bzw. genau, ein Impulskörper mit Bewegungsspiel, insbesondere zum Stoßkontakt zwischen Impulskörper und Kavität, aufgenommen ist.
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Insbesondere durch mehrere einzeln in Kavitäten aufgenommene Impulskörper in einem gemeinsamen Impulskörpergehäuse, die somit durch Wände des Impulskörpergehäuses voneinander getrennt sind, kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung wird/werden bzw. ist/sind das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) auf einer äußeren axialen Stirnseite des Rotors angeordnet.
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Hierdurch kann in einer Ausführung zum einen eine Montierbarkeit erleichtert und ein vorhandener Zwischenraum der Rotorscheiben effizient genutzt werden In einer Ausführung wird/werden bzw. ist/sind das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) auf einer inneren axialen Stirnseite des Rotors angeordnet.
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Hierdurch kann in einer Ausführung Bauraum unterhalb der Rotorschaufeln vorteilhaft genutzt werden.
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In einer Ausführung wird/werden bzw. ist/sind das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) radial unter einem bzw. inner- bzw. unterhalb eines Innendeckband(s) des Rotors angeordnet.
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Hierdurch kann in einer Ausführung Bauraum unterhalb der Rotorschaufeln vorteilhaft genutzt und/oder die Schwingungsreduktion verbessert werden.
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„Axial“ bezeichnet vorliegend insbesondere in fachüblicher Weise eine Richtung parallel zu einer (Haupt)Maschinen- bzw. Drehachse der Turbomaschine bzw. des Rotors, „Umfangsrichtung“ eine Rotationsrichtung um diese Achse, „radial“ eine zur Axial- und Umfangsrichtung senkrechte Richtung, insbesondere von der Achse weg.
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In einer Ausführung ist/sind die bzw. eine oder mehrere Kavität(en) des bzw. eines oder mehrerer der Impulskörpergehäuse in Umfangsrichtung (jeweils) von einer Vorderkante oder einer Hinterkante einer (in Umfangsrichtung) nächstliegenden Schaufel des Rotors um höchstens 25%, insbesondere höchstens 15%, in einer Ausführung höchstens 10%, einer Schaufelteilung beabstandet. Die Schaufelteilung ist in einer Ausführung in fachüblicher Weise ein Abstand in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Vorder- bzw. Hinterkanten.
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Durch diese Anordnung von Kavitäten möglichst direkt unter der Vorder- bzw. Hinterkante einer oder mehrerer Rotorschaufeln kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung wird/werden bzw. ist/sind das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) reibschlüssig an dem Rotor befestigt. Insbesondere hierzu weist das Befestigungselement in einer Ausführung (jeweils) wenigstens, in einer Ausführung genau bzw. nur, einen Schraub- bzw. Gewindebolzen oder Niet auf, kann insbesondere ein solcher sein.
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Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung weist die Rotoröffnung des bzw. eines oder mehrerer der Impulskörpergehäuse (jeweils) einen Rand in Form einer geschlossenen Linie bzw. Kurve bzw. eine Schleife auf, was vorliegend als geschlossener Rand bezeichnet wird.
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Hierdurch kann in einer Ausführung eine größere Anlage des Befestigungselements und dadurch eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung weist die Rotoröffnung des bzw. eines oder mehrerer der Impulskörpergehäuse (jeweils) einen radial (nach) innen offenen Schlitz auf, insbesondere derart, dass das Befestigungselement (von) radial (innen) eingeführt werden kann.
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Hierdurch kann in einer Ausführung die (De)Montage des Befestigungselements verbessert werden.
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In einer Ausführung ist/sind die Rotoröffnung(en) zur Befestigung des bzw. eines oder mehrerer der Impulskörpergehäuse (jeweils) in einem, in einer Ausführung integral ausgebildeten, Ringflansch des Rotors, angeordnet. Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Weiterbildung ist/sind die Rotoröffnung(en) zur Befestigung des bzw. eines oder mehrerer der Impulskörpergehäuse (jeweils) in einem radial verbreiterten Abschnitt des Ringflanschs angeordnet. Hierdurch kann in einer Ausführung bei geringe(re)m Gewicht eine größere Anlage des Befestigungselements und dadurch eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung ist die (Impulskörpergehäuse)Öffnung des bzw. eines oder mehrerer der Impulskörpergehäuse (jeweils) als Durchgangsöffnung ausgebildet, insbesondere axial beidseitig offen. In einer Weiterbildung durchgreift dann das (jeweilige) Befestigungselement diese Impulskörpergehäuse-Durchgangsöffnung. Zusätzlich oder alternativ durchgreift das bzw. durchgreifen eines oder mehrere der Befestigungselement(e) eine, insbesondere axial beidseitig offene, Durchgangsöffnung des Rotors. Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer alternativen Ausführung ist/sind die bzw. eine oder mehrere der Rotor- oder Impulskörpergehäuseöffnung(en jeweils) sacklochartig bzw., insbesondere axial, einseitig offen bzw. geschlossen, und in einer Weiterbildung das darin eingreifende Befestigungselement in diese eingeschraubt.
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In einer Ausführung weist das bzw. eines oder mehrere der Befestigungselement(e) jeweils einen Ringflansch, insbesondere Kopf, der sich direkt oder indirekt an dem Rotor abstützt, insbesondere an dem Rotor anliegt, bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet ist bzw. verwendet wird, und/oder einen Ringflansch, insbesondere Kopf, auf, der sich direkt oder indirekt an dem (jeweiligen) Impulskörpergehäuse abstützt, insbesondere an dem (jeweiligen) Impulskörpergehäuse anliegt, bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet ist bzw. verwendet wird. Zusätzlich oder alternativ ist/sind bzw. wird/werden in einer Ausführung das bzw. eines oder mehrere der Befestigungselement(e jeweils) mit einer, insbesondere einem solchen Ringflansch gegenüberliegenden, Hülse, insbesondere Gewindemutter, verbunden, insbesondere verschraubt. Hierdurch kann in einer Ausführung eine größere Anlage des Befestigungselements und dadurch eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung weisen das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) in Umfangsrichtung beidseits ihrer Impulskörpergehäuseöffnung jeweils eine oder mehrere, in einer Ausführung radial gegeneinander versetzte, Kavitäten auf, in denen jeweils wenigstens ein Impulskörper mit Bewegungsspiel aufgenommen ist. In einer Ausführung weisen das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) jeweils zwei oder mehr radial gegeneinander versetzte Kavitäten auf, die in einer Weiterbildung in Umfangsrichtung höchstens um das Doppelte ihrer (maximalen) Erstreckung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind und/oder in denen jeweils wenigstens ein Impulskörper mit Bewegungsspiel aufgenommen ist. Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders effektive Schwingungsreduktion realisiert werden.
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In einer Ausführung weisen das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) wenigstens zwei Teile auf, die zusammen die bzw. eine oder mehrere Kavität(en) dieses Impulskörpergehäuses begrenzen, insbesondere definieren, und miteinander, in einer Ausführung durch das Befestigungselement und/oder stoffschlüssig, verbunden sind bzw. werden.
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Durch mehrteilige Impulskörpergehäuse können in einer Ausführung die Kavitäten leicht(er) befüllt werden. Durch die stoffschlüssige Verbindung können die Kavitäten in einer Ausführung zuverlässig und/oder luftdicht abgeschlossen und dadurch die in ihnen aufgenommenen Impulskörper vorteilhaft vor Umwelteinflüssen, insbesondere Oxidation, geschützt werden. Wenn in einer Ausführung das Befestigungselement (Durchgangsöffnungen in) beide(n) Teile(n) eines Impulskörpergehäuses durchgreift (die dann gemeinsam die Impulskörpergehäuseöffnung bilden können), und so, gegebenenfalls ergänzend zu einer stoffschlüssigen Verbindung, die beiden Teile (ebenfalls) miteinander verbindet, insbesondere verspannt, kann hierdurch in einer Ausführung die Sicherheit erhöht werden.
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In einer Weiterbildung sind bzw. werden die beiden bzw. zwei der Teile des bzw. eines oder mehrerer der Impulskörpergehäuse(s jeweils) mittels einer (ersten, insbesondere inneren) Naht, die in einer Ausführung die (jeweilige) Impulskörpergehäuseöffnung umgreift bzw. -schließt, in einer Weiterbildung längs eines Randes der (jeweiligen) Impulskörpergehäuseöffnung angeordnet ist, und/oder einer, insbesondere diese (erste) Naht umgreifenden bzw. -schließenden, in einer Ausführung zu dieser (ersten) Naht konzentrischen, (zweiten, insbesondere äußeren) Naht, die in einer Ausführung die (jeweilige) Impulskörpergehäuseöffnung umgreift bzw. -schließt, in einer Weiterbildung längs eines Außenrandes wenigstens eines dieser Teile angeordnet ist, miteinander stoffschlüssig verbunden. Hierdurch kann in einer Ausführung die Abstützung des Befestigungselements verbessert werden.
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In einer Ausführung ist/sind das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) schachtelartig ausgebildet. Dadurch kann es in einer Ausführung vorteilhaft lokal an besonders geeigneten Stellen des Rotors platziert werden.
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In einer Ausführung ist/sind das bzw. eines oder mehrere der Impulskörpergehäuse (jeweils) ringartig ausgebildet, insbesondere ringartig eine (Dreh)Achse des Rotors bzw. der Turbomaschine umgreifend. Dadurch kann es in einer Ausführung die Montage am Rotor verbessert werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
- 1 einen Teil eines integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotors nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in axialer Draufsicht;
- 2 eine Ansicht eines an dem Rotor befestigten Impulskörpergehäuses von radial innen;
- 3 das Impulskörpergehäuse in verschiedenen Gitteransichten;
- 4 einen Teil eines integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotors nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung; und
- 5 einen Teil eines integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotors nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung; und
- 6 einen Teil eines integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotors nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung.
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1 zeigt einen Teil eines integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotors nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in axialer Draufsicht.
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Von dem Rotor sind in 1 insbesondere ein radial inneres Deckband 1 mit einem Ringflansch 10 und Vorder- oder Hinterkanten 2 integral hiermit ausgebildeter Schaufeln erkennbar.
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An radial verbreiterten Abschnitten des Ringflanschs 10 sind jeweils Durchgangsöffnungen mit einem radial innen offenen Schlitz 11 ausgebildet. In einer Abwandlung weisen die Öffnungen einen geschlossenen Rand auf (vgl. auch 6).
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Jede dieser (Durchgangs)Rotoröffnungen 11 wird von einem Befestigungselement in Form eines Gewindebolzens 30 durchgriffen, der auch eine Durchgangsöffnung 41 in einem separat ausgebildeten, schachtelartigen Impulskörpergehäuse 40 durchgreift.
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Die Impulskörpergehäuse 40 weisen jeweils eine Basis 42 und einen Deckel 43 auf, die zusammen vier Kavitäten 44 begrenzen, in denen jeweils ein Impulskörper 5 mit Bewegungsspiel aufgenommen ist (vgl. 3).
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Basis 42 und Deckel 43 sind jeweils miteinander längs eines Außenrandes und längs eines Randes der Impulskörpergehäuseöffnung 41 luftdicht verschweißt, wie durch die Schweißnähte 45 angedeutet.
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Ringflansche bzw. Köpfe 31 der Gewindebolzen 30 stützen sich auf den Impulskörpergehäusen 40 bzw. deren Deckeln 43 ab. Auf der axial gegenüberliegenden Seite sind die Gewindebolzen 30 mit Gewindemuttern 32 verschraubt.
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4 zeigt in 1 entsprechender Darstellung einen Teil eines integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotors nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Elemente sind durch identische Bezugszeichen identifiziert, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgen nur auf Unterschiede eingegangen wird.
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In der Ausführung der 4 ist ein ringartiges Impulskörpergehäuse 40' durch äquidistant über seinen Umfang verteilte Gewindebolzen 30 an dem Ringflansch 10 des Rotors befestigt. Die Kavitäten in dem Impulskörpergehäuse 40' sind in gleicher Weise unter den jeweiligen Schaufelkanten 11 angeordnet wie bei der Ausführung der 1.
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5 zeigt in 1, 4 entsprechender Darstellung einen Teil eines integral beschaufelten Turbomaschinen-Rotors nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Elemente sind durch identische Bezugszeichen identifiziert, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgen nur auf Unterschiede eingegangen wird.
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In der Ausführung der 5 sind die Impulskörpergehäuse 40 auf einer äußeren axialen Stirnseite des Rotors angeordnet.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist.
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So kann das Impulskörpergehäuse 40' auch auf einer äußeren axialen Stirnseite angeordnet sein bzw. werden.
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Zusätzlich oder alternativ können die Gewindebolzen 30 auch in umgekehrter Richtung eingeschraubt sein bzw. ihre Ringflansche bzw. Köpfe 31 sich auf dem Ringflansch 10 abstützen.
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In einer Abwandlung können anstelle von Gewindebolzen 30 auch Nieten 30' verwendet werden, wie dies exemplarisch in 6 angedeutet ist, die im Übrigen der Ausführung der 5 entspricht.
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Zusätzlich oder alternativ können die Impulskörpergehäuse anstelle mit ihrer Basis auch mit ihrem Deckel an dem Ringflansch 10 anliegen.
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Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Deckband
- 10
- R(otorr)ingflansch
- 11
- Öffnung(sschlitz)
- 2
- Schaufelvorder-/-hinterkante
- 30
- Gewindebolzen (Befestigungselement)
- 30'
- Niet (Befestigungselement)
- 31
- Ringflansch
- 32
- Gewindemutter
- 40; 40'
- Impulskörpergehäuse
- 41
- (Impulskörpergehäuse)Öffnung
- 42
- Impulskörpergehäusebasis
- 43
- Impulskörpergehäusedeckel
- 44
- Kavität
- 45
- Schweißnaht
- 5
- Impulskörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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