DE1426804A1

DE1426804A1 - Schaufelummantelung fuer Turbomaschinen

Info

Publication number: DE1426804A1
Application number: DE19631426804
Authority: DE
Inventors: Moyer Wayne Burdell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-08-13
Filing date: 1963-08-13
Publication date: 1969-03-20
Also published as: CH426887A; US3141651A; NL296573A; GB998748A

Description

" Schaufelummantelung für Turbomaschinen"

Vorliegende Erfindung bezieht sich.auf eine verbesserte Schaufelummantelung für Turbomaschinen, die bei hohen Temperaturen arbeiten.

Rotierende Hochtemperatur-Turbomaschinen wie z.B. Gasturbinen erfordern spezielle Maßnahmen, um den richtigen Spielraum oder Spalt zwischen den rotierenden und den stillstehenden Teilen unter sämtlichen Temperaturverhältnissen beizubehalten. Dies gilt z.B. für die feststehende Schaufelummantelung, die die Spitzen der rotierenden Turbinenschaufeln mit äußerst engem Spalt umhüllt, um das Durchsickern von Gas zwischen den Schaufelspitzen und dem Turbinengehäuse zu verhindern. Da bei - Gasturbinen- große Temperaturänderungen- innerhalb sehr kurzer Zeitspannen auftreten können, muß die feststehende Schaufelummantelung auf derartige Temperaturänderungen

sehr rasch ansprechen und sich radial in etwa dem gleichen

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Maße ausdehnen wie die Turbinenschaufein, um ein Reiben oder Schleifen, durch das die Schaufeln oder die Ummantelung beschädigt werden könnte, zu verhindern.

Es ist allgemein bekannt, daß man für diejenigen Mantelteile, die den engen Spalt mit den Turbinenschaufein bilden, gebogene Segmente verwendet, die sich ohne Pestfressen oder Verformung ausdehnen und zusammenziehen können. Jedoch müssen diese "Mantelsegmente" durch ein als "Mantelhalter" bezeichnetes Teil gehaltert werden, das die Mantelsegmente in konzentrischer Lage zum Turbinenläufer hält und zugleich für die entsprechende Regulierung des Schaufelspitzenspiels unter sämtlichen Teraperaturverhältnissen sorgt.

Es wurde vorgeschlagen, den Mantelhalter als Teil des Turbinengehäuses selbst auszubilden. Obwohl ein derartiger Mantelhalter eine verhältnismäßig gute Gleichmäßigkeit des radialen Abstandes der Mantelsegmente von den Schaufeln gewährleistet, muß man gewisse Teile des Turbinengehäuses in obere und untere Hälften aufteilen, um die Montage und Inspektion der Turbine zu ermöglichen. Die genannte Mantelhalterausbildung setzt daher voraus, daß das Turbinengehäuse aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt ist, die auf beiden Seiten des Mantelhalters

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verschraubt sind. Da ferner das Gehäuse verhältnismäßig schwer sein muß, um dem Druck.des Treibstoffes zu wider-

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stehen, ein Versehrauben von Flanschen zu ermöglichen und die Düsenzi-jischenböden su haltern, spricht es auf Temperaturänderungen ziemlich langsam an. Außerdem wird die "V.'ärme von den Mantel segment en unmittelbar in die Gehäusewandung abgeleitet, so daß (bei höheren Turbineneinlauftemperaturen) für üa,s Gehäuse Speziallegierungen, die diesen Temperaturen standhalten, verwendet werden müssen.

Ferner wurde vorgeschlagen, den Mantelhalter als geteilten Ring mit zwei Hälften auszubilden, die miteinander versehraubt oder anderweitig aneinander befestigt sind und entweder in ein geteiltes Turbinengehäuse eingebaut oder einstückig als Teil eines derartigen Gehäu ses, d.h. eines Gehäuses, das aus aufeinanderpassenden oberen und unteren halbzylindrischen Eälften besteht, gefertigt werden. Obwohl diese Art von Mantelhalter vom Gehäuse getrennt sein und daher temperaturmäßig besser vom Gehäuse isoliert werden kann, ergeben sich bei derartigen aus. zwei oder mehr Teilen zusammengesetzten Mantelhaltern gewisse Schwierigkeiten. Und zwar haben diese Mantelhalter die Neigung, wenn sie wechselnden VJärmegefällen in radialer Kichtung ausgesetzt sind, sich zu einer elliptischen Form zu verziehen, statt wie ein durchlaufender oder einstückiger Ring rund zu bleiben.

Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, einen verbesserten Mantelhalter .zu schaffen, der

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sich Temperatur änderungen sehr rasch anpaßt, und,dabe,i . . _v für die Beibehaltung eines gleichmäßigen radialen_rSpal- -,-~ te s zwischen den Mantelsegmenten und den S chaufel spit ζ en .., sorgt _} und derbes ermöglicht, daß die Turbinengehäuse-^;-·;.-,, wand von der Temperatur des Treibstoffes isoliert wird- -,■.■?, In den beigefügten Ze leimung en zeigen: >^:'.:■-■■■■ ·

Fig.. 1 eine perspektivische Ansicht von Teilen eines Gasturbinenläufersund -gehäuses mit dererfipdungs--gemäßen, feststehenden Schaufelummantelung;,-[._ _; - ;-;ν ".-:: ■:- ...... Fig. .2- einen Schnitt der Schaufelujnmanteliing, -_s ■;._

an einer mittleren Stelle des Gehäuseumfängst ■:;,-..,·,....- ,^;

Fig'.. 2 eine Grundrißaiisleht- einesr.g«bogeaen_. Mantelsegmentes,.das für die,erfindungsgemäße Schaufel- .. -.. uinmantelung geeignet ist: ■;- -^ .- . --., ., .

Fig. 4-eine Teilans.icht eines Mantelhalters,,, mit Mantelsegmenten, gesehen in axialer Richtung^ wobeidie Art und Weise der Montage auf.dem Mantelhalter veranschaulicht ist; ...- .. . .;

FXg. 5 eine teilweise im Schnitt dargestellte Grundrißansicht in .der Verbindungsebene der Hälften des . geteilten Gehäuses und - . ...

Fig. 6 einen Axialschnitt an.. der horizontalen Verbindung der Gehäusehälften entlang der Linie VJ-vT in Fig, 5. -. _-_._- -."■■ ..-' -

, _; Allgemein gesprochen.ist bei einer Turbomaschine mit aus lösbaren Teilen gefertigtem, geteilten Gehäuse

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erfindungsgeniäß ein durchlaufender oder einstüekiger Mantelhalterring vorgesehen, der so gelagert ist, daß er sich radial gegenüber dem Gehäuse bewegen kann. Auf dem Halter angeordnete, bogenförmige Mantelsegmente bilden die erforderlichen engen Spalte mit den Spitzen der Läuferschaufeln.

Das'in Fig. 1 gezeigte Turbinengehäuse 1 besteht aus einem halbzylindrischen Oberteil 2 und einem darauf passenden halbzylindrischen Unterteil ^i die Teile 2 und 5 sind längs einer horizontalen Verbindung 4 mittels Radialflanschen 2a bzw. ^a. aneinander befestigt. Die verhältnismäßig dicke Gehäusewandung 5 kann ziemlich unregelmäßig geformt sein und verschiedene für den Betrieb der Turbine erforderliche Anbauten haben, die jedoch, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht nötig sind, nicht gezeigt sind.

Im Turbinengehäuse 1 ist ein Turbinenläufer 6 angeordnet, dessen Drehwelle 7 so gelagert ist (nicht gezeigt), daß der Läufer 6 koaxial mit den Gehäusewänden 5 gehalten wird. Die VJeIIe_-? trägt ein Laufrad 8, das ent-, weder einstückig mit der Welle ausgebildet oder auf diese aufgeschrumpft ist. Das Laufrad 8 trägt an seinem Außenrand eine Anzahl von radial verlaufenden Turbinenschaufeln 9, die in üblicher Weise befestigt sind (nicht gezeigt) Die Spitzen der Schaufeln 9 sind offen, und um ein Durch-

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sickern von Gas zwischen denSchaufelspitzen und der Qehäusewand 5 zu verhindern, ist eine Schaufelummantelung 10 vorgesehen. .

Die Schaufelummantelung 10 besteht aus einem Mantelhalter 11 in Form eines durchlaufenden kanalförmigen Kreisringes sowie einer ^Anzahl von gebogenen Mantelsegmenten 12, die auf dem radial inneren Teil des Ringes 11 gehaltert sind. .

Die.Wandung 5 des Gehäuses 1 hat auf der Innenseite sowohl des Oberteils 2 als auch des Unterteils- J5 einen oder mehrere vom: Umfang radial vorstehende Dorne 13. Der Dorn IJ verhindert eine Axialbewegung des Mantelhalters 11 und haltert den Mantelhalter so, daß er sich radial gegenüber der Gehäusewandung 5 bewegen kann. Der Turbinenläufer 6 kann mehr als eine Schaufelstufe haben. Pig. I zeigt auch die Einzelheiten eines Dornes Ij5 für eine zweite Turbinenstufe (nicht, gezeigt) und die dazugehörige Schaufel ummantelung (ebenfalls nicht gezeigt).

Der Mantelhalter 11 1st mittels horizontal vors teilender Zapfen 14 und vertikal vorstehender Zapfen 15 konzentrisch zur Gehäusewandung 5 gehalt.ert (wobei der Vertikalzapfen· auf der Oberseite des Gehäuses 1 nicht gezeigt ist). Die Zapfen 14 sind mittels Schrauben oder Bolzen, 16 in in "die aufeinanderpassenden Flansche 2a, j5a eingeschnittenen Ausnehmungen 17 befestigt, so daß die Verbindungsnähte Ψ einwandfrei abgedichtet werden können. Die

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Zapfen 15 ragen durch Ausnehmungen l8, die in diametral, gegenüberliegende Teile des Gehäuses eingeschnitten sind, radial nach ihnen. Die Ausnehmungen Y], 18 sind auf der Mittellinie des Domes 13 angeordnet, und die Enden der Zapfen 14, 15 stehen über den Innenrand des Dornes 13 radial nach innen vor. Die Enden der Zapfen 14, 15 halten die Ummantelung 10 zwischen auf dem Mantelhalter 11 angeordneten Paaren von beanstandeten Rollen 19-

In Fig. 2, die einen Querschnitt des Mantelhalters und des Gehäuses an einer in Umfangsrichtung von den Haltestiften 14, 15 entfernten Stelle darstellt, sieht man, daß der Mantelhalter 11 ein kanalförmiges oder U-förmiges Profil hat und'radial verlaufende Schenkel 20 aufweist, die sich dicht an beide Seiten des Dornes 13 anlegen. Durch einen radialen Spalt 21 zwischen der Gehäusewand 5 "und den Enden der Schenkel 20 ist dafür gesorgt, daß'der Mahtelhalter 11 sich radial in Bezug auf die Gehäusewand 5 ausdehen kann, ehe er diese berührt.

Das Innere des Mantelhalters 11 kann durch Luft gekühlt \tferden, die aus einer abgedichteten Verteilerleitung 22 mit U-förmigem Querschnitt, die außen an die Gehäusewanduhg 5 angeschraubt oder angeschweißt ist* einströmt und vom Turbinenverdichter über ein Rohr 23 (Fig.l) abgezapft wird. Die Kühlluft strömt über eine Leitung 13a im Dorn 13 nach innen und vermischt sich nach Kühlung

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des Inneren des Mantelhalters limit dem Gasstrom, indem sie durch-eine Leitung 20a im Schenkel:20 ausströmt.

Der radial innere Teil des Mantelhalters 11 hat eineUmfangsrille 24, die als T-förmige Halterung für die Segmente 12 dient. Ferner ist 'eine mittlere Umfangsril-le 25 vorgesehen, die einen kleinen Mitteldorn 2.6 auf dem Mantelsegment 12 aufnimmt,um den Mantel gegen Axialbewegung 'zu verankern und eine Gasdichtung herzustellen. Die Mantelsegmente 12 haben axial nach innen vorstehende, ' in die Rille 24 passende Kanten oder Leisten 27, die die ummantelung gegen Radialbewegung auf dem.Mantelhalter 11 verankern.,Der radiale Abstand zwischen den Mantelsegmenten 12 und dem Mantelhalter 11 bietet Raum.für Isolierfütterungen 28, die die Wärmeübertragung von den Mantelsegmenten auf den Mantelhalter 11 verringern.

Fig. 3 zeigt etwas deutlicher den Aufbau eines Mantelsegmentes 12. Und zwar hat das Mantelsegment 12 einen mittleren Abdichtteil 29, der den engen Spalt mit den Turbinenschaufeln 9 bildet. Ferner hat das Mantelsegment 12 im axialen Abstand voneinander angeordnete Radialwandungen 50, die zusammen mit dem- Mittelteil 29 gebogen sind. Axial verlaufende Vorsprünge 27 an den vier Ecken des Mantelsegmentes 12 stehen über ein kurzes Stück der Lange des Segmentes nach innen vor, um das Mantelsegment am Mantelhalter abzustützen, wie in Fig. 4 gezeigt. - ■

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In Fig. 4 sind mehrere MantelSegmente 12 auf einem Teil des Mantelhalters 11 angeordnet gezeigt. Die benachbarten Mantelsegmente sind durch einen kleinen Spalt 51 in Umfangsrichtung voneinander getrennt, damit sich die Mantelsegmente in Umfangsrichtung auf dem Mantelhalter 11 ausdehnen können. Im Mantelhalter 11 sind eine Anzahl von radialen Kerben 32 vorgesehen, die mit der Umfangsrille 24 in Verbindung stehen.

Um ein Mantelsegment 12 auf dem Ring 11 zu montieren, wird das Segment um seine halbe Länge in Umfangsrichtung aus der in Fig. 4 gezeigten Lage verschoben und radial nach außen bewegt, so daß die Leisten 27 durch die Kerben 32 in die Umfangsrllle 24 einlaufen. Anschließend schiebt man das Segment um eine halbe Segmentlänge in die gezeigte Lage, in der die Leisten 27 ein radiales Ablösen der Segmente verhindern. Um ein Verschieben der Mantelsegmente in Umfangsrichtung auf dem Ring 11 zu verhindern, zieht man zwei nach innen vorstehende Klemmschrauben 33 gegen die Seitenwände der Kerben 32 an.

Die Vorsprühge oder Leisten 27 dienen dazu, das Mantelsegment 12 an seinen vier Ecken statt an bisher für diesen Zweck vorgeschlagenen Stützpunkten zu haltern. Bekanntlich haben über ein derartiges Mantelsegment sich ausbildende V.'ärmegefälle zur Folge, daß. das Segment sich von der Hitze wegkrümmt. Dies führt zu einem Schleifen oder Reiben in der Mitte des Segmentes und zum Bruch der auf der Mittellinie angeordneten Vorsprünge. Indem man

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erfindungsgemäß das Mantelsegment entsprechend bemißt " ■ und ausbildet, und indem man das radiale Wärmegefälle am Segment durch Anbringen von Isolierfütterungen 28 (Fig. 2) minimal klein macht und das Segment an seinen vier äußeren Ecken abstützt, erreicht man, daß die Radialspaltschwankungen zwischen den Mantelsegmenten' und den Schaufelspitζen · bei wechselnden Temperaturen ganz erhablich verringert werden.

Wie bereits erwähnt, kann der Mantelhalter 11 wegen des radialen Spaltes 21 zwischen den Enden der Schenkel 20 und der Gehäusewandung 5 sich in begrenztem Maße radial bewegen. Der Mantelhalter 11 wird zusätzlich durch vorstehende Zapfen, beispielsweise die Zapfen 14, an den horizontalen Verbindungsnähten konzentrisch zu den.-. Achsen des" Gehäuses und des Läufers gehaltert. (Fig. 5 und 6). Der Kopf l4ä des Zapfens ist in der Ausnehmung 17 festgeschraubt. Der Zapfen l4 hat ferner einen vorstehenden Schenkel l4b mit einem Keil l4c auf seiner Unterseite, der fest in eine mit der Ausnehmung 17 in Verbindung stehende· Keilnut J54 paßt*, Der Schenkel I²Kb hat einen ra^· dial vorstehenden Ansatz l4d, der zwischen den Schenkeln 20 des Mantelhalters 11 über das Ende des Dornes Γ5 hinaus- ' ragt. Durch Einrichtungen, die für eine verminderte Reibung bei Radialbewegung des-Mantelhalters 11 sorgen, wird dieser konzentrisch zum Turbinenläufer gehalten. Bei der gezeigten Ausfuhrungsform sind für eine solche Halterung zwei Rollen 19 vorgesehen, die axial zwischen den Schen-

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-like In 20 des Mantelhalters verlaufen und fest auf den entsprechenden Seiten des Ansatzes Ikä aufsitzen. Diese Rollen I9 gestatten somit eine radiale Bewegung des Mantelhalters 11, und sie halten, wenn sie zusammen mit anderen Zapfen und Rollen verwendet werden, den Mantelhalter 11 konzentrisch zur Achse des Gehäuses 1 in allgemein bekannter Keise, Um den Mantelhalterring 11 konzentrisch zu haltern, müssen mindestens drei solche Rollenpaare 19 vorgesehen sein. In der Praxis verwendet man jedoch vier Sätze von Rollen und vorstehenden Zapfen, von denen zwei an den horizontalen Verbindungsnähten angeordnet sind und zwei vertikal durch die obere und die untere Hälfte des Turbinengehäuses vorstehen.

Die "Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung, Da die Masse des Mantelhalters 11 viel kleiner als die der äußeren Gehäusewandung ist, kann der Mantelhalter ziemlieh rasch auf Temperaturänderungen ansprechen und sich in radialer Richtung in der erforderlichen ¥eise ausdehnen oder zusammenziehen. Da der Mantelhalter 11 als durchlaufender oder einstückiger Ring ausgebildet ist, behält er seine Kreisform bei und verzieht sich nicht, wie es bei den bisher bekannten, aus zwei oder mehr gebogenen Segmenten zusammengesetzten Mantelhaltern der Fall war. "Während der radialen Ausdehnung und Zusammenziehung wird die Reibung der entsprechenden Bewegung durch die Rollen I9 verringert. Durch

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den Abstand- zwischen dem Mantelhalter 11 und-der.· Genau-sewandung wird ein Bewegungsspiel geschaffen., so daß der '.-" Schenkel 20 auf den beiden Seiten des Umfangdornes 1J5 . gleiten kann. Die kooperierenden Rollen und Zapfen halten den Mantelhalter- 11 während der Ausdehnung und Zusammen- . siehung konzentrisch, indem die- horizontalen .Zapfen'--1^ _ eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung-und .-die vertikalen ■ Zapfen 15 eine Seitwärtsbewegung verhindern. :·;.

Die erfindungsgernäße Mantelhalterausbildung gestattet eine Einstellung des radialen Schaufelspitzenspiels mittels der gezeigten Halterung und ohne Veränderung der·· relativen Lagen des Läufers und des Gehäuses* Obwohl man bei der Fabrikation und Montage alle erdenkliche; Sorgfalt

'.walten läßt;, um die Exzentrizität zwischen den Gehäuse und dem Läufer zu verringern,■so daß die beidenTeile absolut konzentrisch angeordnet sind, können unvermeidliche. Schwankungen bei der Fabrikation zur Folge haben, daß der Läufer im Gehäuse geringfügig fehlzentriert ist. Ferner haben geteilte Gehäuse die Neigung, sich bei nachlassenden Beanspruchungen im Betrieb unter erhöhten Temperaturen geringfügig elliptisch zu verziehen. Der.Mantelhalter 11 kann so eingestellt werden, daß diese Änderungen korrigiert und die Mantelsegmente in Bezug auf den Läufer zentriert werden, indem man die horizontalen und vertikalen Zapfen l4> 15 mit Beilagstücken "aufstockt" oder abschleift.

Das Verfahren des Zusammenbaus der erfindungs.-gemäßen Ummantelung ist wie folgt. Bei abgenommener Ober-."

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halfte 2 des Gehäuses werden die Mantelsegmente 12 angebracht und in der beschriebenen Feise auf dem Mantelhalter 11 befestigt. Sodann verschiebt man den Mantelring 11 axial auf dem Läufer und hält ihn zeitweilig fest, während man den Läufer 6 in die untere Gehäusehälfte 3 einsenkt. Anschließend können der untere Zapfen 15 und die horizontalen Zapfen 1^- verschraubt werden. Als nächstes wird die obere Gehäusehälfte 2 aufgesetzt und an der unteren Gehäusehälfte befestigt, wonach man den oberen Vertikalzapfen, wie 15 (nicht gezeigt), einschiebt und in der gleichen VJeise wie den unteren Vertikalzapfen 15 verschraubt.

Gewünschtenfalls kann man den Mantelhalter 11 durch Verdichterluft mit kontrollierter Strömungsgeschwindigkeit über die Leitung 2J kühlen, so daß die Wärmeanöprechung des Mantelringes 11 in radialer Richtung der des Läufers 6 entspricht.

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Claims

Patentansprüche. .,:

!.Schaufelummantelung für Turbomaschinen mit ;_:, einem Läufer mit einer Mehrzahl von Schaufeln und einem den Läufer einschließenden, geteilten Gehäuse« dessen Teile voneinander lösbar sind, dadurch g e Ie e η η zeichnet j daß ein durchlaufender Mantelhalterring konzentrisch so innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, daß er sich in Bezug auf das Gehäuse ausdehnen und zusammenziehen kann, und daß mehrere gebogene Mantelsegmente Ende an Ende um den Innenumfang des Mantelhalters unter Bildung von engen Spalten mit den Spitzen der Läufersehaufeln angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g β k e η η ζ e i ohne t, daß der Mantelhalter Schenkel hat, die auf beiden Selten eines am Gehäuse radial nach innen vorstehenden Domes radial nach außen ragen und deren Enden einen radialen Abstand von der Gehäusewand haben, der eine Radialbewegung in Bezug auf die Gehäusewand gestattet.

2. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Leitungseinrichtung zum Einleiten von Kühlmittel durch den Dorn in den Raum zwischen den Schenkeln des Mantelhalters.

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4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mäntelhalterring auf beiden Seiten in der NShe seines radial innersten Teiles axial gerichtete ümfangsrillen hat, und daß die Mantelsegmente an ihren vier Ecken axial gerichtete Vorspränge haben, die zur Abstützung der Mantelsegmente an ihren Ecken in die Umfangsrillen hineinragen.

5· Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens drei in Umfängßrichtung beabstendete, axial zwischen den Schenkeln des Mantelhalters verlaufende Rollenpaare, und durch Jedem Hollenpaar zugeordnete, am Gehäuse anfügbare und radial über die Enden des Domes hinausragende Zapfeneinrichtungen» die im zirkumferentialen Abstand jeweils zwischen- einem Hollenpaar vorstehen, um den Mantelhalter in konzentrischer Lage zum Gehäuse zuhalten.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ e i chnet, daß vier Rollenpaare im Abstand von ungefähr 90° um den Umfang des Mantelhalters angeordnet sind.

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