DE1426337A1

DE1426337A1 - Turbogeblaese-Triebwerk

Info

Publication number: DE1426337A1
Application number: DE19641426337
Authority: DE
Inventors: Kappus Peter Gottfried
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-12-23
Filing date: 1964-12-22
Publication date: 1969-09-04
Also published as: NL6414031A; CH437924A; BE657427A

Description

Turbogebläae-Triebwerk

Die Erfindung betrifft Turbogebläse-Triobwerke und insbesondere eine aus Turbine und Gebläse bestehende Einheit eines Turbogeblä-

Bei üblichen Turbogebläse-Triebwerken, die zum Aufbau eines sog. ■Gebläseetrahltriebverks" in Verbindung mit Turbinenstrahltriebwerken benutxt werden, wendet man eine geschlossene, d.h. zu einem Teil ieet miteinander verbundene, Turbine-Gebläse-Einheit an, bei der die Turbinenschaufeln an den Gebläseschaufeln entweder an deren in radialer Richtung innerem oder äußerem Ende unmittelbar befestigt sind. Bei einer solchen Einheit ergeben

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sich zahlreiche Mangel und Nachteile, von denen die meisten in dem zusammenhängenden, zu einem Teil fest verbundenen Aufbau der Turbinen- und Gebläseschaufeln begründet liegen. Die Turbinenschaufeln müssen, da sie von den aus dem Turbinenstrahltriebabschnitt des Gebläsestrahltriebwerks austretenden, sehr heißen Gasen angetrieben werden, aus hitzebeständigen Stahllegierungen hergestellt werden. Dagegen sind die Gebläseschaufeln nur der kühlen Umgebungsluft ausgesetzt und brauchen also folglich nicht aus einem hochfesten und aufwendigen Werkstoff hergestellt zu sein. Es wäre nämlich zweckmäßig, die Gebläseschaufeln aus einem leichten und billigen Werkstoff, wie beispielsweise verstärkten Kunstharzwerkstoffen herzustellen. Um in ihren physikalischen Eigenschaften außerordentlich unterschiedliche Werkstoffe von zwei zu einem zusammenhängenden Teil fest miteinander verbundenen Schaufeln überhaupt vorsehen zu können, ist eine sehr wirks&me Isolierung zwischen den Turbinen- und den Gebläseschaufeln erforderlich. Ferner ist es vom technischen Standpunkt her erwünscht, daß sich der die Energie erzeugende Abschnitt des Turbogebläse-Triebwerksi d.h.. die Turbine, in radialer Richtung außerhalb der Turbinenläufernabe befindet. Dies wird dadurch verwirklicht, daß man die Turbinenschaufeln an dem äußeren Ende der Gebläseschaufeln anbringt. Jedoch vermehrt das Anbringen der schweren Turbinenschaufeln an den Enden der Gebläseschaufeln deren Beanspruchungen während des Betriebes und macht somit eine Gebläseschaufelbauweise erforderlich, die nicht nur stark genug ο sin muß, um den sieb, aus der Misse

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der Gebliie'esohaufeln an eich ergebenden Fliehkräften stand- zuhalten, sondern »ußerdem noch dazu auereichen muß, daß die GebläsescttaufeIn stark genug sind, um den über die Turbinenschaufeln auf sie einwirkenden Kräften standzuhalten· Unter der Atumtüe^(l«e die Turbinenschaufeln aus Stahllegierungen hergestellt sind, fcSnnen diese zusätzlichen Beanspruchungen erheblich sein« AjjJlerdeiH werden bei der vorstehend erörterten Bauart die Kosten 1xnd das Gewicht des Turbogebläse-Triebwerks

«tad vielleicht der bedeutendste Nachteil der zu- en Bauweise, bei welcher die Turbine und das Ge- ittiTeil. zusammengefügt sind, ist die Notwendig-

ie Ausbauen zu mussen, wenn lediglich das Ausdifce Reparieren das Gebläses erforderlich ist.

des Turbogebläse-Triebwerks Außenluft Möglich, daß auch Fremdkörper gleichsten« Das Auf treffen von Fremdkörpern auf des Turbogebläses verursacht mitunter Gebi&eeschaufeln, so daß ein Auswechseln Geblases erforderlich wird. Die heutzutage macht bei einer notwendig werdenden

des Gebläses den Ausbau der Turbinen-

Sowie der Turbine erfordert, ich. ^ fei ausgewechselt werden nuß, so muß die vott der Gebläseschaufel abgenommen

und an der neuen Gebläseschaufel befestigt werden. Nach dem Einbau der reparierten Turbogebläseeinhext in das Triebwerk ist ein Nachrichten und auswuchten zwingend notwendig. Hieraus ergibt sich, daß die Instandhaltungskosten für Turbogebläse-Triebwerke dieser Bauart relativ hoch sind.

Bei einem Turbogebläse-Triebwerk nach der Erfindung sind die vorstehend erörterten Mangel und Nachteile dadurch vermieden, daß eine Turbine—Gebläse-Einheit vorgeschlagen wird, bei der die Turbinenschaufeln unabhängig von den Gebläseschaufeln angebracht sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein billiges, leichtes und einfach insiandzuhaltendes Turbogebläse-Triebwerk zu schaffen, das ein unabhängiges Ausbauen und Reparieren seines Gebläseabschnitts ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird ein Turbogebläse-Triebwerk mit einer von den Abgasen aus der Maschine angetriebenen und ein Gebläse antreibenden Turbine in Vorschlag gebracht, bei dem die Turbine auf einer drehbaren Nabe angebracht und das Gebläse mit der Nabe lösbar gekuppelt ist; die Schaufeln der Turbine und die des Gebläses sind in radialer Richtung zueinander versetzt und di« Turbine und das Gebläse in axialer Richtung voneinander geizennt angeordnet. Die Turbine weist einen in radialer Richtung von der

Nabe getrennten ringförmigen Kranz auf und trägt eine Vielzahl

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in Umfangerichtung voneinander getrennt angeordneten Turbinenschaufeln, wobei der Kranz und die Nabe zwischen sich einen ringförmigen Luftströmungsdurchlaß abgrenzen, in dem sich die in radialer Richtung erstreckenden Gebläseschaufeln, befinden, während an der Nabe eine Vielzahl von in Umfangsrichtung von einander getrennt angeordneten Speichen befestigt sind, die sich von der Nabe bis zu dem Kranz erstrecken. Die Speichen bestehen aus einem Draht mit ovalem Querschnitt.

Die Turbinenschaufeln können auf der in radialer Richtung inneren Fläche des Kranzes angeordnet sein, wobei in diesem Fall eich la den Schaufeln in radialer Richtung erstreckende Durchlässe befinden, durch die die den Kranz und die Nabe miteinander verbindenden Speichen hindurchragen. Das Gebläse kann aus einem Kunstharzwerkstoff hergestellt sein.

ία den Figuren 1 bis h der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung anhand mehrerer, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele dargestellt, welche nachstehend näher erläutert sind. Ss zeigern

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Turbogeblase-Triebwerk gemäß einer ersten Aueführungsform der Erfindung, in schematiecher Darstellung;

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Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil des Turbogebläse-Triebwerks nach Fig. 1, hinsichtlich einer Variante;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil eines Turbogebläse-Triebwerks und einer Halterungsanordnung in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. k einen Schnitt durch einen Teil eines Turbogebläse-Triebwerks in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

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Fig. 1 zeigt ein Tür b «^Triebwerk 2, das so eingerichtet ist, daß es mit Hilfe eines Turbinenetrahltriebwerk-Gasgenerators k betrieben werden kann« Das Turbogebläse-Triebwerk 2 ist ein allgemein als Blattspitzen-Turbogebläse-Triebwerk bezeichnetes Triebwerk, das eine drehbare Nabe 6 aufweist, die in beliebiger üblicher Weise ,beispielsweise mittels Lager 8, gelagert ist. An einem Ende der Nabe befindet sich ein sich nach außen erstreckender ringförmiger Flansch 10, der an seinem in radialer Richtung äußeren Ende einen sich axial erstreckenden Ring aufweist.

Konzentrisch zu der Nabe 6 ist in radialer Richtung von ihr getrennt eire Blattspitzenturbine 14 angeordnet, die einen ringförmigen Kranz 16 aufweist, der in Verbindung mit dem Ring der Nabe 6 zwischen sich und diesem Hing einen ringförmigen Luftströmungsdurchlaß 18 abgrenzt. Von dem Turbinenkranz 16 aus erstrecken sich in radialer Richtung nach außen zahlreiche

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in Uinfangerichtung voneinander getrennt angeordnete Turbinenschaufeln 20. Die Turbinenschaufeln 20 sind mit Hilfe beliebiger üblicher Mittel, wie z.B. einer Schwalbenschwanzverbindung oder einer Versti flung, an dem Turbinenschaufelkranζ 16 befestigt.

Un die Blattspitzenturbine Ik mit der Nabe 6 antreibbar zu verbinden und zu der Halterung der Blattspitzenturbine 14 beizutragen» 1st eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordneten Speichen 22 vorgesehen. Die Speichen 22 sind in einer Weise ähnlich wie die Speichen eines Fahrradrade β angeordnet. Sie sind an ihren inneren Enden 24 durch beliebige übliche Mittel, beispielsweise Schrauben, mit der Nabe 6 verbunden, wobei auf der Innenseite des Ringes 12 der Nabe 6 Widerlager 26 angebracht sind. An ihren äußeren Enden 27 sind die Speichen 22 durch Verschrauben mit einen Widerlager 28 oder mit Hilfe beliebiger anderer Mittel an dem Turbinenschaufelkranz befestigt, wobei diese Mittel die Speichen 22 an dem Kranz 16 _: halten, ohne daß sie in radialer Richtung in Bezug auf den Kranz nach innen gegen die Achse gezogen werden können. Mit Hilfe mindestens eines der mit Gewinde versehenen Halterungswiderlager 26 oder 28 sind die Speichen unter ausreichende Spannung gesetzt, um eine einwandfreie Halterung der Blattepitzenturbine Ik während des Betriebes zu gewährleisten. Die Widerlager 26 Bind mit einer gekrümmten Fläche 29 versehen, die mit den auf der Innenseite des Ringes 12 der Nabe 6 angeordneten,

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kongruent ausgebildeten Vertiefungen 30 zusammenpasst « Diese Anordnung ermöglicht ein selbsttätiges Atisrichten der Turbine und vereinfacht ihren Einbau.

Da die Speichen in Bezug auf die Querschnittsfläche, die sie bestreichen, d.h. in Bezug auf den LuftStrömungsdurchlaß, einen sehr kleinen Durchmesser haben, können sie ohne jede schädliche aerodynamische Wirkung mit ihrer normalen kreisrunden Querschnittsform verwendet werden. Unter besonderen Umständen kann es jedoch erwüns'cht sein, Speichen mit einer ovalen Querschnittsform, d.h. einer aerodynamisch günstigen Form, vorzusehen. Die Speichen können aus einem Drahtmaterial mit hoher Zugfestigkeit beispielsweise aus hochfestem Stahl- oder sog. Klaviersaitendraht hergestellt sein. Ferner lassen sich, da die Speichen nicht unmittelbar den die Blattspitzenturbine 14 antreibenden heißen Abgasen ausgesetzt sind, nichtmetallische Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit, wie beispielsweise Glasfiber o.dgl. verwenden.

Aus Fig. 2 ist eine Variante der Turbinenhalterung gegenüber der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 erkennbar. Die Speichen sind, statt mit einem Ende an der Nabe 6 und mit dem anderen Ende an dem Kranz 16 befestigt zu sein, m^t einem Ende 47 an der Nabe 6 befestigt, nach außen durch eine in dem Kranz 16 vorhandene Öffnung 48 hindurch und nach innen durch eine weitere Öffnung 49 hindurch zurückgeführt und mit ihrem anderen Ende 50

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an der Nab· 6 befestigt« Die Speichen 22 können an der Nabe Mit Hilfe von mit Gewinde versehenen Widerlagern oder eines beliebigen anderen geeigneten Mittels, das ein bequemes Abnehmen von der Nabe sowie auch ein Einstellen der Spannung der Speichen ermöglicht, befestigt sein. Zwischen den beiden öffnungen k8, k9 ist ein Klotz 51 vorgesehen, über den die Speichen herumgebogen sind. Dieser Klotz 51 sorgt für eine sanfte Krümmung der Speichen und verhindert scharfe Knicke, die beim Fehlen eines solchen Klotzes 51 auftreten könnten.

Der Geblässteil 31 des Turbogebläse-Triebwerks 2 besteht aus einer vorzugsweise in axialer Richtung getrennt von dem Ring angeordneten Scheibe 32, die in Strömungsrichtung vor, oder wie dargestellt, hinter der Turbine angeordnet sein kann und eine Vielzahl von in Umfangerichtung voneinander getrennt angeordneten Gebläseschaufel 34 trägt, die sich von dem Außenumfang der Soheibe radial nach außen erstrecken. Die Gebläseschaufeln Jk haben eine Länge, die ausreicht, den ringförmigen Strömungskanal 18 zwisohen dem Ring 12 der Turbinenläufernabe 6 und dem Turbinenkranz 16 zu bestreichen« Zwischen den äußeren Stirnflltohen der Gebläseschaufel 3^ und dem Turbinenkranz 16 bzw« der sich an diesen anschließenden Gehäusewand sind Dichtungsmittel, beispielsweise eine Vabendichtung oder eine Labyrinthdichtung 35, vorgesehen. Die Dichtung 35 trägt neben einer einwandfreien Strttmungstrennung zwischen den heißen Abgasen und der kühlen Umgebungsluft noch dazu bei, die Gebläseschaufeln Jk

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Gegen den Hochf emper-fc^jr-Ber eich der Turbine zu isolieren. Auf Grund der vmu·»laander -unabhängigen baulichen. Lage zwischen der außen liegenden Gasturbine 14 und dem Gebläse 31 besteht zwischen der Turbine und dem Gebläse kein unmittelbarer Wärmefluß, Deshalb kann das Gebläse 3"* a^us einem verstärkten Kunatharz-Glasfibermaterial o.dgl, hergestellt sein, das ein geringes Gewicht aufweist, sich leicht bearbeiten läßt und nicht aufwendig ist. Ferner läßt sich mit Hilfe der Bauart nach der Erfindung das gesamte Gebläse 31 als eine zusammenhängende Ein heit herstellen, statt die Gebläseschaufelu Jk einzeln und von der Gebläsescheibe 32 unabhängig¹ herzustellen, so daß ein ver stärktes widerstandsfähigeres Gebläse entsteht, das sich leicht und einfach, sowie billig herstellen läßt.

Das Gebläse 31 ist zwecke Antriebs mit der Nabe 6 und über die Nabe 6 mit der Gasturbine 14 mittel beliebiger üblicher, das Drehmoment übertragender Kupplungsmittel, wie beispielsweise eine Klauen- oder Stirnzahnkupplung 36, verbunden. Die Kupplung 36 besteht aus einer Vielzahl von in axialer Richtung aus dem in Ströraungsrichtung hinteren'Ende des Ringes 12 der Turbinenläufernabe 6. herausstehenden, in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordneten Voreprüngen (Rechteckzähnen), die mit entsprechenden,in axialer Richtung aus dem in Strömungsrichtung vorderen Ende der Gebläseschelbe 32 herausstehenden Vorsprüngen (Rechteckzähnen) in Eingriff stehen* Der gegenseitige Eingriff der sich in axialer Richtung erstreckenden Vorsprünge (Rechteokzähne) bewirkt die Übertragung des Drehmoments von der

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Nabe 6 auf das Gebläse 31. Um das Gebläse 31 mit der Nabe 6 in einwandfreier, das Drehmoment übertragender Lage zu halten, und eine gegenseitige axiale Bewegung zwischen Gebläse und Nabe zu verhindern, erstrecken sioh in axialer Richtung durch in der Gebläsesoheibe 32 bzw. dem radial nach außen ragenden Ringteil 10 der Nabe 6 vorgesehene Bolzenlöcher kO, k2 zahlreiche in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordnete Befestigungsmittel, wie beispielsweise Bolzen 38. Obwohl eine Vielzahl Ton in Qmfangsrichtung voneinander getrennt angeordneten Bolzen 38 zur einwandfreien Befestigung der Gebläsesoheibe 31 an dar Nabe 6 verwendet werden kann, ist es auch möglich, an deren Stelle einen einzigen zentral, angeordneten - nicht dargestellten - Bolzen oder.eine Mutter o.dgl. zu verwenden.

Im Betrieb wird die Antriebβturbine 14 durch Energieaustausch zwischen den Schaufeln 20 der Turbine und den aus dem Gasgenerator k austretenden heißen Abgasen angetrieben. Die Abgase werden durch geeignete Mittel, wie beispielsweise in der Gas- · zuleitung k6 der Turbine angeordnete Leitschaufeln kk, im richtigen Winkel gegen die Schaufeln 20 der Gasturbine 14 gerichtet. Die auf die Turbinenschaufeln 20 ausgeübte Kraft wird über die Speichen 22 auf die Nabe 6 übertragen, so daß die Nabe 6 «läuft und diese über die das Drehmoment übertragende Kupplung 36 das Geblase 3I antreibt. Durch den Strömungskanal 18 s tr Seit Umgebtuigs- oder Nebenluft, die von den Gebläseschaufeln $k bewegt wird* ue aus einer - nioht dargestellten - Turbogebläsedase ins Preis abzuströmen und somit eine Schubvermehrung

bewirken. 909836/0326

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Bei der ersten in FIg, 1 dargestellten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung liegt der Turbinenkranz 16 an den in radialer Richtung inneren Enden der Turbinenschaufeln 20. Bei der in Fig. 3 veranschaulichten zweiten Ausfuhrungsform ist vorgesehen, den Turbinenkranz 52 an den in radialer Richtung äußeren Enden der Turbinenschaufeln 53 anzubringen. Auf diese Weise erstrecken sich die Turbinenschaufeln 53 von dem Turbinenkranz 52 aus in radialer Richtung nach innen, Die Halterungsspeichen 5k sind mit dem Turbinenkranz 52 in der Weise verbunden, daß sie durch die hohlen Turbinenschaufeln 53 hindurchgreifen» Der Strömungskanal für die angesaugte Umgebungsader Nebenluft ist durch die innen liegende Nabe und einen außen liegenden Mantelring 56 begrenzt; letzterer ist mit den Turbinenschaufeln 53 an deren inneren Enden verbunden. Der übrige Aufbau des Turbogebläses in der zweiten Ausführungeform ist der gleiche wie derjenige der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 .

Bei der in Fig. h schematisch dargestellten dritten Aueführungsform des Gegenstandes der Erfindung ist lediglich die Lage der Gebläseschaufeln und der Turbinenschaufel bei einem Turbogebläse-Triebwerk unter Beibehaltung ihrer radial voneinander unabhängigen Lage vertauscht worden gegenüber den anderen Ausführungsformen, Bsi dieser dritten Aue führungs form ist eine Vielzahl von in Umfangrichtuag voneinander getrennten Turbinenschaufeln 60 mit Hilfe üblicher Halterungen 62 mit dar Turbinen-

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ORiGlNAL fNSPECTED

läufernabe 64 verbunden. Unmittelbar angrenzend an den Turbinenteil des Turbogebläse-Triebwerks und, wie dargestellt, vorzugsweise in Strömungsrichtung hinter ihm liegend ist mittels von in Umf angeriohtung voneinander getrennt angeordneten Speichen 66 der Gebläseteil 68 des Turbogebläse-Triebwerks an der Nabe 6k befestigt* Dias Gebläse weist einen Gebläsekranz 70 auf,

an dem eine Vielzahl von in radialer Richtung nach außen ragender Gebläseschaufel» 72 befestigt ist. Vie vorstehend in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 erörtert, sind die Speichen 66 an ihren in radialer Richtung inneren Enden an der Nabe 6k und an ihren in radialer Richtung äußeren Enden an dem Gebläsekranz 70 in der Weise befestigt, daß die Speiohen unter Spannung stehen. Eine andere Anbringungsart als das Befestigen der in radialer Richtung inneren Enden der Speiohen 66 unmittelbar ander Nabe 6k, was evtl. den Ausbau des Gebläses aus dem Turbogebläae-Triebwerk erschwert, be steht darin, daß ein Ring Jk vorgesehen ist, der mittels der Bolzen 76 alt der Habe 6k verbunden ist, und an dem nun die Speichen 66 befestigt sind. Somit läßt sich durch Ausbau des Ringes 7k₉ der Mehrteilig oder einteilig sein kann, das Gebläse 68 aus den Triebwerk ausbauen, ohne Beeinträchtigung der Tur bine oder ihrer Lagerung·

Di· vorstehend beschriebene Erfindung ergibt ein Turbogebläse- Triebverk, bei des der Gebläseteil baulich von dem Turbinen teil unabhängig ist. Eine solche Unabhängigkeit ermöglicht bei der

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Herstellung des Gebläses die Verwendung von leichten, billigen Werkstoffen und erleichtert den raschen und einfachen Einbau und Ausbau des Gebläses aus dem Nabenabschnitt des Turbogebläse-Triebwerks in überwiegend der gleichen Weise wie das Montieren und Abmontieren eines Kraftfahrzeugrades. Dadurch kommt der aufwendige und zeitraubende Arbeitsgang des Ausbaues des Turbinenteils aus dem Gebläseteil in Fortfall, wie dies bei üblichen Turbogeblase-Triebwerkeη erforderlich ist.

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Claims

1. Turboeeblttae-Triebirerlc alt einer durch die Abgase des

Triebwerke angetriebenen und ein in radialer Richtung versetzt angeordnetes GeblUse antreibenden Turbine, daduroh gekennzeichnet, daß die Turbine (14) mit einer drehbaren Nabe (6) -verbunden und da* Gebläse (31) alt der Nabe (6) auswechselbar bzw. lösbar gekuppelt und die Turbine (14) -von den Gebläse (31) in axialer Richtung getrennt aage-« ordnet ist.

I to K " O co OD <T> [ O \. a> I to ί

2. TurbogebUtse-Triebwerk nach Anspruch 1, daduroh gekennseiohnet, daß die Turbine (i4) einen ringförmigen, in radialer Sichtung von der Nabe (6) getrennt angeordneten

^Jc

und in baltäannter Weise «Ine Vielzahl von in Umfengsriohtung voneinander getrennt angeordneten Turbinenschaufeln (20J tragenden Kranz (i6) aufweist, wobei der Turbinen-

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schaufelkranz (16) und die Nabe (6) zwischen sich, einen von den sich in radialer* Richtung erstreckenden Gebläseschaufeln C&) bestrichenen ringförmigen Strömungskanal (i8) begrenzen, während an. der Nabe (6) eine Vielzahl von in Unifangsrichtung voneinander getrennt angeordneten, sich von der Nabe (6) aus bis zu dem Turbine ns chaufe !kran ζ (16) erstreckenden Speichen (22) befestigt sind.

3. Turbogebläse-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (22) aus Draht mit einem kreisrunden oder ovalen Querschnitt bestehen.

k, Turboge"bläse-Triebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (53) an der in radialer Richtung inneren Fläche des Schaufelkranzes (52) befestigt und mit sich in radialer Richtung erstrockenden Durchlässen versehen sind, in welchen die Speichen (5*0 liegen*

5. Turbogebläse-Triebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, aneonst urie beschrieben und bzw. oder dargestellt.

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