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Über Rohrleitungen und Ventile gespeiste Gasturbine In Dampfturbinenbau
ist es üblich, das Turbinengehäuse außen zu isolieren und somit die Gehäusetemperatur
auf die entsprechende Dampftemperatur ansteigen zu lassen. Die GrUnde dafür liegen
in den hohen Innendrücken, derenthalben die Gehäusedurchmesser mög= lichst klein
gehalten werden müssen. Die Isolation kann daher nur außen angebracht verden. Im
Gasturbinenbau hingegen ist es üblich, das Turbinengehäuse innen zu isolieren. Dazu
werden in das Hauptgehäuse Führungsgehäuse eingesetzt, die den Gasstrom lenken und
der vollen Temperatur standzuhalten haben, aber nicht druckdicht sind. Um das Führungsgehäuse
wird Isolationsmaterial eingelegt, sodaß das Außengehäuse nur den Druck aufzunehmen
hat, jedoch kalt bleibt und daher nach außen nicht mehr. isoliert wird.
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Bei Gasturbinen, die mit einem Kompressor zusammenarbeiten und huber
einen großen Eintrittsflansch mit Gas gespeist werden. ist eine solche Konstruktion
leicht durchzuführen. Anders ist es bei Abgasturbinen, die das Gas über Rohrleitungen
und Ventile zuges führt erhalten. Hier ist es nicht möglich9 das Außengehäuse vol=
lig kalt zu halten. Ziel des erfindungsgemäßen Vorschlages ist es, auch bei über
Rohrleitungen und Ventile gespeisten Gastur= binen den heißen Teil des Gehäuses
auP eine mdglichst geringe axiale Lunge zu beschränken und gleichzeitig einen sauberen
Übergang der Temperatur zwischen heißen und kalten Gehäusetei= len zur Verminderung
der Wärmespannungen herbeizuführen. Wird ferner bei Gasturbinen Rotorkühlung
angewendet,
so steigt die Rotortemperatur nicht auf die volle Betriebstemperatur an. Um daher
im Betrieb richtige Radialipale te einhalten zu können, soll auch der Leitschaufelträger
nur ungefahr die gleiche Temperatur erlangen sie derRotor. Es ist daher notwendig,
die in den Leitschaufelträger aus den Strö= mungskanal eintretende Warme zu vermindern
und anderseits an der Außenseite desselben für eine Wärmeabfuhr zu sorgen. Hiefür
einen geeigneten weg aufzuzeigen, ist gleichfalls das Ziel der vorliegenden Erfindung.
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Gegenstand der Erfindung ist eine über Rohrleitungen und Ventile gespeiste
Gasturbine, insbesondere eine Industrie Abgasturbine*, deren Ro= tor gekühlt wird
und bei der in erfindungsgemäßer Weise der die Einlaßventile tragende Gehäuseteil
vom übrigen Turbinengehäuse durch einen die erste Leitschaufelreihe aufneh@menden
Zwischen= boden thermisch getrennt ist und die weiteren Leitschaufeln in einem gekühlten
Leitschaufelträger gelagert sind.
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An Hand der beiliegenden Zeichnungen soll der erfindungsgemäße Vorschlag
näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch eine erfindungsgemäß konstruierte
Gasturbine; Fig. 2 zeigt eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Gasturbine, gesehen
in Richtung des einen tenden Gases die Fig, 3 zeigt einen Grundriß zu Fig. 2, wobei
bei den Fig. 2 und 3 die Außenisolation des Gehäuses veggelas= sen ist. Die Fig.
4 bis 10 zeigen konstruktive Details vor al.
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lem des Leitschaufelträgers und seiner kühlung bzv. thermischen Isolierung.
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In den Figuren sind mit 1 die Lager und mit 2 die Lagergehäuse des
Rotors positioniert, mit 3 der Rotorkörper, mit 4 der Ausgleichskolben, Ilt 5 die
beschaufelte Zone des Rotors und mit 6', 6'' jene Zonen des Rotors, an denen die
Abdichtung des Ge.
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häuses 7 durch Labyrinthe erfolgt. Ferner bedeutet 8 einen Zwischenboden,
der die erste Leitschaufeireihe 14 trägt, und 9 den Leitschaufelträger für die weiteren
Leitschaufelreihen, */zur Verwertung derAbgase chemischer oder petrochemischer Prozesse
der
mittels Radialbolzen 10 im Gehäuse wärmezentrisch befestigt ist. In ähnlicher Weise
ist der Zwischenboden 8 durch Keile 11 wärmezentrisch aufgehängt. Der Gaseintritt
erfolgt über am Ge= häuse 7 angeflanschte Ventile (Ventilgehäuse 37. Ventilkegel
12, Diffusor 13) zu der ersten Leitschaufelreihe 14. Die erste Laufschaufelreihe
ist mit 15 positioniert, die weiteren Leit-und Laufschaufeln sind mit 16 positioniert.
Die zweite Leitschau= felreihe ist bereits im Leitschaufelträger 9 aufgehängt, der
durch Luftbeaufschlagung gekühlt wird. Dazu wird die Kuhlluft durch Bohrungen 17
in den Radialbolzen 10 zugeführt, die ihrer= seits wieder über eine Ringleitung
18 und ein Ventil 19 aus der Kühlluftleitung 20 gespeist werden. In ber Zone der
Leitschaufel= trägerkühlung ist das Gehäuse 7 innen nach den mit Isolations= material
dicht gepackten Raum 21 gegen Wärmeabgabe an den Kühl= luftstrom geschützt. Mit
22 ist eine weitere innerhalb des Ausgleichskolbenlabyrinthes in das Gehäuse führende
Kühlluft= leitung positioniert, über die einerseits Sperrluft für die La= byrinthe
zugeführt wird und anderseits Kühlluft für den Rotor.
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Letztere, strömt zwischen Gehäuse undRotor entlang und mündet im dargestellten
Fall vor der ersten Laufschaufelreihe 15 in den Gasstrom. Dieser Luftstrom kann
auch zur weiteren Rotor. bzv.
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LaufschaufelfußKühlung herangezogen werden. Auch hier ist das Gehäuse
durch einen mit Isolationsmaterial gefüllten Raum 24 ge= gen eine Kühlwirkung durch
die genannte Kühlluft geschützt. Die durch das Ausgleichskolbenlabyrinth austretende
Sperrluft wird über die Leitung 23 ins Freie abgeführt oder dem Abgasstrom zu= gemischt.
Auf der Abgasseite erfolgt ebenfalls eine Beaufschla= gung mit Sperrluft u. zw.
durch die Leitung 25, die hauptsäch= lich dazu dient das Labyrinth auf der Abgasseite
mit LuPt zu beaufschlagen. Ein Teil der dort zuströmenden Luft wird nach innen weiter
den Läufer entlanggeführt und tritt in-den Abgasstrom ein. Auch hier ist das Gehäuse
durch einen mit Isolationsmaterial gefüllten Raum 26 gegen eine Kühlwirkung der
Luft geschützt. Die Räume 21, 24, 26 sind mit Blech verkleidet, welches das Isolationsmaterial
gegen Beanspruchungen durch die vorbeiströmende Luft schützt.
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In Fig. t ist ferner mit 27 eine Leitung angedeutet, die über
das
Regelventil 28 in einen dem eintrittsseitigen Labyrinth vorgelagerten Ringraum 29
führt. Dieser Ringraum besitzt einen druckfesten Außenmantel 30 mit Rippen und wird
über die genannte Leitung 27 aus später näher erläuterten Gründen mit einem Heißgasstrom
beaufschlagt, der über die Leitung 31 und das Ventil 32 austritt und dem Abgasstrom
zugeführt wird.
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Durch eine entsprechende Gestaltung der erwähnten Rippen des Außenmantels
30 wird eine gleichmäßige Beheizung des Labyrinths trägerteil¢ erreicht. In ähnlicher
Weise läßt sich auch der Träger des austrittsseitigen Labyrinthes beheizen. Da hier
der geringeren Abgastemperatur entsprechend auch der über die Leitung 25 zugeführte
Kühlluftstrom nicht so intensiv ist wie an der Eintrittsseite, kann auf eine direkte
Beheizung mit Neißgas verzichtet werden und genügt es, über den Umfang ver= teilt
mehrere Bohrungen 33 im Gehäuse vorzusehen4 Infolge der Druckunterschiede im Abgasstutzen
erfolgt durch sie eine Strö= mung von Abgas in den Ringraum 34, der wieder durch
eine drucks feste Blechverkleidung 35 begrenzt ist. Dadurch erfolgt eine Beheizung
des austritsseitigen Labyrinthträgers auf die Tempe= ratur des Abgases, sodaß eine
gleichmäßige Temperatur der Ge= häuseteile auch in dieser Zone hergestellt ist.
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Aus später näh#er erläuterten Gründen ist zwischen den Leitung gen
20 und 31 eine Verbindungsleitung mit den Ventil 36 vorge= sehen.
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Wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, erfolgt die Anspeisung der Turbine
über vier parallele Rohrleitungen, die in axialer Richtung (angedeutet durch die
Pfeile 38 in Fig. 2) an die Turbine herangeführt werden. Mit den Zonen a, b und
c sind in Fig. 2 der Heißgasteil, die Übergangszone und der Abgasteil des Turbinengehäuses
angedeutet.
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In den Detailzeichnungen der Fig. 4 bis 10 sind korrespondiew rende
Teile gleich positioniert. Von ihnen erläutern die Fig.4, 8, 9 und 10 die Führung
der Kühlluft für den LeitschaufelträGer im Detail. Danach erfolgt die Kühlluftführung
über den vorderen Teil des Leitschaufelträgers 9 mit Hilfe einer Blechverkleidung
38,
die zusammen mit radialen Rippen 39 des Leitschaufelträ= gers 9 die Kühlluft in
einer in den Fig. 9 und 10 durch strichlierte Linien und Pfeile angedeuteten ,Weise
über die Leitschaufelträgeroberfläche führt. Der Eintritt der Kühlluft erfolgt durch
die Bohrungen 17 der Radialbozeln 10 und der Austritt aus der Blechverkleidung ist
in Fig. 9,durch die Pfeile 40 angezeigt. Der Kühlluftstrom geht dann in den Gasstrom
über , wie in Fig. 4 durch Pfeile 41 angedeutet wird.
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Die vorhin geschilderte Leitschaufelträgerkühlung wird durch die nachstehend
an Hand der Figuren 4 bis 7 geschilderte ther= mische Isolierung des Leitscha,ufelträgers
ergänzt. Dazu werden die Leitschaufeln zwischen dem profilierten Fuß 42 und der
üb= lichen Deckplatte 43 mit einem haisförmigen Teil 44 versehen..
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Ferner werden zwischen den Leitschaufelreihen Zwischenstücke 45 vorgesehen.
die mit gleich profilierten Füßen befestigt verden.
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den gleichen halsförmigen Teil 47 besitzen und gleichfalls in einer
Deckplatte 48 endigen. Bei der Beschaufelung entstehen also in Umfangsrichtung gesehen
ringförmige Hohlräume 49, die mit thermisch isolierendem Material gefüllt werden.
Dadurch ist der Wärmefluß in den Leitschaufelträger stark gedämmt, da nur mehr die
Füße der Leitschaufeln und der Zwischenstücke metals lisch leitend wirken. Die Zwischenstücke
45 sind in Umfangs= richtung unterteilt und stoßen in Umfangsrichtung gesehen mit
Spalt aneinander, wobei im kalten Zustand ein keilförmiger Spalt vorhanden ist,
wie er in Fig. 5 etwas übertrieben dar= gestellt ist* der dann bei Betriebstemperatur
zuwächst, da sich die Deckplatte und die ihr benachbarten Zonen, die prakr tisch
auf die Temperatur der Gasstrdmung kommen, starker deh= nen als der Fuß und die
ihm benachbarten Zonen, die die Tempe= ratur des gekühlten Leitschaufelträgers annehmen.
Das selbe gilt für die Füße und Deckplatten der Leitschaufeln. Auch hier ist für
den kalten Zustand ein keilförmiger Spalt vorgesehen, wie dies in Fig. 6 angedeutet
ist.
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Bei dieser Art der thermischen Isolierung ergibt sich die Notwendigkeit,
die Hohlräume 49 abzudichten, da sonst zufolge des
Druckgefälles
ein Leckstrom des korrosive und erosive Bestandteile mit sich führenden Gases zwischen
die Leitschaufeln und Zwischenstücke gelangen könnte. Diese Abdichtung kann durch
Einschieben von Blechstreifen 50 jeweils an der Druckseite ei= ner Leitschaufel-
oder Zwischenstückreihe geschehen, wie dies in Fig. 7 angedeutet ist. Die Blechstreifen
50 sind so geformt, daß sie die feilungsspalte zwischen den Leitschaufeln bzw, zwischen
den Zwischenstücken abdecken. Sie können jeweils über mehrere Teilungen und sogar
über den halben Umfang durchgezogen werden, Durch stumpfen des Isolationsmateriales
werden sie in ihrer Lage gehalten.
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Die erfindungsgemäße Turbinenausführung baziert auf folgenden Prinzipien.
Das Turbinengehäuse wird in zwei Zonen aufgeteilt, ton denen die eine auf die Heißgastemperatur,
die andere hin..
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gegen nur auf die Abgastemperatur gebracht wird. Die Trennung dieser
beiden Zonen erfolgt an dem die erste Leitschaufelreihe tragenden Zwischenboden.
Der gekühlte Rotor und der gekühlte Leitschaufelträger werden durch Innenisolierungen
vor einer Beheizung durch das Heißgasgehäuse geschützt. Es ist dadurch möglich,
einen gekühlten Leitshaufelträger anzuwenden, der zum gekühlten Rotor unnerläßlich
ist, um die richtigen Spalte herzu= stellen. Eine Aufhängung und Außenisolation
eines derartigen Leitschaufelträgers würde in einem Heißgasgehäuse Schwierig= ketten
bereiten. Sie kann jedoch verhältnismäßig leicht bei der erfindungsgemäßen Trennung
in einen heißen und in einen kalten Toil des Gehäuses erfolgen. Wie insbesondere
die Fig. 2 erkennon lXßt, sind die Ventile, die den Gasstrom in die Turbine steuern,
als vier seitlich am Heißgasteil des Gehäuses angeord= nete Diffuzorventile ausgebildet,
deren Diffusoren in den Ring= raum der Zuströmung zur ersten Leitschaufelreihe hineinreichen.
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Die Heißgazzone ist somit in ihrer Ebene völlig symmetrisch und in
Bezug auf die gesamte Länge der Turbine so kurs als möglich */ gehalten. Eine #########
Isolation in der Übergangszone ermög= licht einen gleichmäßigen Abbau der Temperaturdifferenz
zwi= schen Heißgasteil und Kaltgasteil.
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*/innen und außen am Gehäuse
Die vorgeschlagene Konstruktion
vereinigt somit gevissermaßen die Vorteile der bekannten Ausführung des Gehäuses
von Dampf= trubinen mit aufgesetzten Ventilen und des Gasturbinengehäu= ses mit
inn#erer Isolation, wobei die Trennstelle in den Be= reich der ersten Leitschaufelreihe
verlegt ist. Dies ist zweckmäßig, da in der ersten Düse bereits ein beträchtlicher
Temperaturabfall bei der Expansion stattfindet. Es wird somit der Vorteil direkt
auf das Gehäuse aufgesetzter, auf Heißgas= temperatur befindlicher Ventile gewahrt
und anderseitz der Vorteil eines gekühlten Rotors und Leitschaufelträgers. Da jedoch
die erste Leitschaufelreihe und der gekühlte Lietschau= felträger verschiedene Temperaturen
aufweisen, erhalten sie auch verschiedene Aufhängungen und können sich somit wärme=
elastisch unabhängig voneinander einstellen, wobei sie zur Welle zentrisch bleiben.
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Der Heißgasteil an Gehäuse hat außerdem den Vorteil, daß die Ventile
an das Hauptgehäuse direkt angeflanscht werden können und somit die Aufnahme der
Rohrkräfte auf das Hauptgehäuse in einfacher Weise möglich ist. Würde ein gänzlich
isoliertes Innengehäuse verwendet, so wäre die Einleitung der Rohrkräfte in das
Hauptgehäuse ein schwieriges Problem. Es wäre schwie= rig, dieses Innengehäuse entsprechend
sicher zu führen, sodaß die Rohrkräfte keine Verschiebung verursachen. Da die Rohrlei=
tungen heiß und außen isoliert sind und direkt an die Ventil= gehäuse angeflanscht
werden, werden auch die Ventilgehäuse heiß und müssen anßen isoliert werden. Ein
reines Kaltgehäuse trägt die Isolierung innen und veist weiter innen Führungsge=
häuse zur Führung des Gasstromes auf. Diese rüßten aber nun dicht mit den Ventilgehäusen
verbunden sein, sodaß sich die Motvendigkeit argibt, die Ventilgehäuse über das
Innengehäuse zu tragen. Es ist dann aber sehr schwierig, die Ausrichtung eines solchen
Innengehäuses immer zu gewährleisten. Es be= stünde die große Gefahr des Streifens
des Rotors an den In= nengehäuseteilen. Bei direkter Anflanschung der Ventilgehäuse
am Hauptgehäuse können große Kräfte aufgenommen werden und die
gleichmäßige
Aufheizung der Ventilgehäuse und des Turbinenge= häuses bis zum ersten Zwischenboden
hin ergibt günstige Wärme= dehnungen.
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Bowohl auf der Eintritts- als auch auf der Austrittsseite ist durch
die Strömung des Gases ein hoher Wärmeübergang gegeben, sodaß zwischen Gastemperatur
und Gehäusetemperatur nur geringe Differenzen bestehen werden. Die mit Kühlluft
beaufschla@ten Labyrinthe bei 4, 6' und 6" sind frei beweglich, sie erzeugen daher
keine Wärmespannungen in Gehäuse. Die übrigen Kühlluft= führungen innerhalb des
Gehäuses sind durch Isolationen 21, 24 26 abgedeckt. Lediglich die Gehäuseteile,
die die Labyrinthe bei 6 und BI tragen, sowohl auf der Eintritts- als auch auf der
Asutrittsseite sind vom Gasstrom nicht direkt beheizt, je= doch mit dem Kühlluftstrom
in Berührung. DieWärmezufuhr in diese Gehäuseteile erfolgt nur durch metallische
Leitung von den iit den Gas direkt in Berührung kommenden Gehäuseteilen her.
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Es besteht daher die Gefahr, daß insbesondere beim Anfahern die= se
Gehäuseteile wesentlich kälter bleiben als das übrige Gehäuse.
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Um die zu verhindern, werden folgenden Maßnahmen getroffen. Über die
Leitung 27 und das Regelventil 28 kann ein Heißgasstrom in den Xlngraus 29 eingeleitet
und über die Leitung S1 und das Ven= til 32 in den Abgasstrom abgeführt werden.
Durch entsprechende Gestaltung von Führungsnuten wird dabei eine gleichmäßige Be=
heizung des Labyrinthträgerteiles erreicht. In etwas einfache= rer Weise kann auf
die Führung durch den Mantel 30 versichtet werden und können die Rohrleitungen 27,
31 als mehrfach gewun= dene, auf dem Labyrinthträgerteil aufliegende Rohrschlangen
ausgebildet werden. Ein ähnliches Verfahren könnte auch auf derAbgasseite angevendet
werden. Da aber hier der Kühlluftstrom micht so intensiv ist, wie auf der Eintrittsseite,
kann im all= gemeinsam auf eine direkte Beheizung mit Heißgas verzichtet werden.
Es genügt dann die schon geschilderte Beheizung mit Ab= gas durch die Bohrungen
33 im Gehäuse.
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Bei raschen Hochfahren der Turbine kann es wünschensvert sein, zunächst
die Spalte des Leitschaufelträgers groß zu halten. Da= zu kann am Anfang auf eine
Kühlung des Leitschaufelträgers ver=
sichtet und im Gegenteil der
Leitschaufelträger bewußt auge.
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heizt werden. Dies kann geschehen unter Verwendung der Heizt gasleitungen
27, 31 auf der Eintrittsseite, indem die Ventile 32 und 19 geschlossen und das Ventil
36 geöffnet werden, sodaß über die Ringleitung 18 und die Radialbolzenbohrungen
17 Heiz= gas an den Leitschaufelträger gelangt und diesen aufheizt.
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P a t e n t a n s p r ü c h e 1. über Rohrleitungen t Ventile gespeiste
Gasturbine, inqbe# Industrie-*/ sondere/ Abgasturbine, deren Rotor gekühlt wird,
dadurch ge= kennzeichnet, daß der die Einlaßventile tragende Gehäuseteil vom übrigen
Turbinengehäuse (7) durch einen die erste Leit= schaufelreihe (14) aufnehmenden
Zwischenboden (8) thermisch getrennt ist und die weiteren Leitschaufeln in einem
ge= kühlten Leitschaufelträger (9) gelagert sind.
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2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlluft
vorzugsweise in spiraliger oder in Umfangsrichtung zick-zack-artiger Strömung entlang
der der Schaufelbefestin gung abgewandten Oberfläche des Leitschaufelträgers (9)
ge= führt wird.
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3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur
Befestigung der Leitschaufeln (16) und der Leitschaufel= zwischenstücke (43) in
profilierten Umfangsnuten dienenden Füße (42, 46) an cinem aus dem Leitschaufelträger
(9) her= ausragenden halsförmigen Teil (44, 47) Deckplatten (43, 48) tragen, die
in axialer und in Umfangsrichtung gesehen bis auf den erforderlichen Dehnungsspalt
aneinanderstoßen und die zwischen LeitschauPelträger und benachbarten Decleplats
ten entstehenden Hohlräume (49) mit thermisch isoiierendrafil Material gefüllt sind.