DE2231175A1 - Haltevorrichtung fuer die schaufeln von turbomaschinen - Google Patents

Haltevorrichtung fuer die schaufeln von turbomaschinen

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Description

2231-'17S
hrnitz
Societe National de'Etude et de
Construction de Moteurs d'Aviation
150, Boulevard Haussmann 75 Paris 8e, Frankreich
26. Juni 1972 Anwaltsakte M-2207
Haltevorrichtung für die Schaufeln
von Turbomaschinen
Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für die Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Verdichterrotoren von Turbostrahltriebwerken.
Ein wesentliches sich beim Entwurf von Turbostrahltriebwerken stellendes Problem ist die größtmögliche
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Verringerung des Gewichts seiner verschiedenen Bestandteile, ohne dessen mechanische Widerstandsfähigkeit zu schwächen. Man hat zu diesem Zweck bereits vorgeschlagen, auf zusammengesetzte Stoffe zurückzugreifen, die aus einer Anordnung
zusammengesetzt sind
von Fasern/, etwa Fasern aus Silizium, Bor oder Kohlenstoff, die in ein geeignetes Bindemittel eingehüllt sind, etwa in ein Kunstharz oder in einen Metallniederschlag, "besonders durch Elektrolyse oder Zersteubung. Diese Stoffe können z.B. erhalten werden duroh kontinuierliches Wickeln einer Faser oder eines Faserbündels auf einen Dorn und durch Bedecken der auf diese Weise hergestellten Bewickelung mit Bindemittel. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese zusammengesetzten oder faserhaltigen Stoffe bei gleicher mechanischer Widerstandsfähigkeit ein weitaus geringeres Gewicht aufweisen als die üblichen metallischen Stoffe. Dies macht ihre Verwendung für die Konstruktion von Teilen wünschenswert, etwa von Eotoren von Turbomaschinen, die im Betrieb erhöhten mechanischen Belastungen unterworfen sind.
Bei dieser letzteren Anwendung stößt man dennoch auf Schwierigkeiten, betreffend die Halterung der Schaufeln.
Man wird sich in diesem Zusammenhang daran erinnern, daß bei einem richtig ausgelegten Haltesystem gleichzeitig mehrere Forderungen erfüllt werden müssen: Die Schaufeln müssen mit
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Präzision eingebaut werden, ihr Ein- und Ausbau muß einfach ausgeführu werden können und schließlich muß dieses Halte system in der Lage sein, bedeutenden durch die Wirkung der Zentrifugalkraft verursachten Belastungen standzuhalten ο
Bei den Rotoren mit einer Trommel aus üblichem Material greift man oft zurück auf eine Befestigungstechnik durch Einlassen, die diesen Forderungen entspricht«. Die Trommel weist zu diesem Zweck eine Reihe von Rillen auf, ZoB. in Schwalbenschwanzform, die zur Unterbringung der Schaufelfüße dienen und die in entsprechender Form profiliert sind.
Nun zeigt es sich aber, daß die reine und einfache Übertragung einer derartigen Technik auf Rotoren aus Fasermaterial nicht immer wünschenswert und möglich ist. Diese Materialarten sind in der Tat ziemlich schwer zu bearbeiten, vor allem, wenn es sich darum handelt,, ihnen ein schon verhältnismäßig kompliziertes Profil zu geben, etwa das eines Schwalbenschwanz1. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß in Anbetracht der verschiedenartigen Eigenschaften der in Betracht kommenden Materialarten eine derartige Bearbeitung ihre mechanischen Widerstandseigenschaften in den Zonen gefährdet, die den durch die Zentrifugalkraft verursachten Zugbelastungen unterworfen sindo
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgh zu Grunde, in allgemeiner Form die oben genannten Schwierigkeiten derart zu überwinden, daß sich bei technisch und wirtschaftlich zufriedenstellenden Bedingungen Fasermaterial verwenden läßt, zur Schaffung einer Haltevorrichtung für Schaufeln von Turbomaschinen.
Dies wird bei einer Haltevorrichtung nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Haltevorrichtung in Kombination aus einem Ring oder einer hohlen Trommel aus Fasermaterial besteht sowie aus einer Vielzahl von metallischen die Schaufeln tragenden Stegen, die Seite an Seite auf dem Ring oder auf der Trommel befestigt sind, wobei sich jeder Steg axial zu diesem Ring oder dieser Trommel erstreckte
Ein bei einer Halterung von Rotorschaufeln angewendetes bevorzugtes .Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stege auf der Außenfläche der Trommel aus Fasermaterial angeordnet sind, und daß ein oder mehrere Ringe aus Fasermaterial nach Art einer Bandage in Umfangsrichtung um die Stege herum angeordnet sind β
Ein weiteres bei Rotorschaufeln anwendbares Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg, ge-
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sehen im Schnitt durch eine durch die Achse der Trommel gehende Ebene, eine gezahnte Anordnung aufweist, die eine oder mehrere Erhöhungen aufweist, die mit-einer oder mehreren Vertiefungen abwechseln, die sich zur Außenseite der Trommel hin öffnen, wobei sich jede in Umfangsrichtung der Trommel erstreckt, und daß die gleichartigen in den aufeinanderfolgenden Stegen ausgebildeten Vertiefungen sich nacheinander in Umfangsrichtung derart fortsetzen, daß sie eine oder mehrere ringförmige Hüten bilden, die zur Aufnahme des oder der Singe dienen«.
Es ist vorteilhaft, wenn jeder Steg in gleicher Weise auf seiner Außenseite wenigstens eine axiale profilierte Rille aufweist, die weniger tief ist als die Vertiefung oder die Vertiefungen und die bei wenigstens einer der Erhöhungen der gezahnten Anordnung einen Sitz aufweist, der in der lage ist, einen entsprechenden profilierten Fuß einer Schaufel aufzunehmen.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die radiale Dickte des Rings aus Fasermaterial, gemessen vom Grund der Vertiefung höchstens gleich der radialen Höhe der angrenzenden Erhöhung ist, gemessen zwischen der Basis der Erhöhung und dem Grund der in die Erhöhung eingearbeiteten Rille.
Eine weitere beim letzten Pail anwendbare Anordnung nach der
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Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Länge einer Erhöhung, gemessen in Richtung der Achse der Trommel, größer ist als die Länge eines Schaufelfußes , der in der in die Erhöhung eingearbeiteten Rille angeordnet ist, und daß die Anordnung in gleicher Weise eine Vielzahl von Zwischenstücken aufweist, von denen jedes einen Fuß hat, dessen Profil demjenigen der Schaufelfüße identfech ist, wobei der Fuß eines Zwischenstücks zwei axial im Abstand angeordnete Endabschnitte bildet, die in die Rillen zweier aufeinanderfolgender Erhöhungen desselben Stegs entsprechend eindringen j und die mit den in den beiderseits in den genannten Rillen angeordneten Schaufelfüßen derart in Berührung kommen, daß das Zwischenstück bei dem Ring aus Fasermaterial die zwischen den Erhöhungen eingeschlossene Vertiefung überdeckt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Zwischenstücke auf ihrer von der Trommel nach außen weisenden Seite Labyrinthdichtungen tragen, die dichtend mit einer Anordnung zusammenarbeiten können, die mit dem Stator der Turbomaschine formschlüssig verbunden isto
Eine weitere Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen der Stege teilweise hohl sind β
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Eine weitere Anordnung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stege durch Verkleben an dem Ring oder der Trommel "befestigt sind.
Wie man sieht, benötigt die Verwirklichung einer Haltevorrichtung nach der Erfindung überhaupt keine Bearbeitung der Trommel oder des Rings aus Fasermaterial. Me Befestigung der Schaufeln geschieht ohne besondere Schwierigkeit entsprechend einem üblichen Verfahren durch Einlassen von Schaufelfüßen in profilierte in Metallstege eingearbeitete Metallstege ο Schließlich wird der Widerstand der letzteren gegen die durch die Zentrifugalkraft verursachten Zugkräfte durch Ringe aus Fasermaterial erzielt, die die Rolle von Bandagen spielen.
Wenn auch die oben genannten Stege aus Metall sind, so vergrößern sie das Gewicht der Anordnung nur in begrenztem Maße Es ist bei dieser Gelegenheit hervorzuheben, daß die Stege' stark erleichtert sind durch dort eingearbeitete Vertiefungen, Rillen und Aussparungen« Ihr mechanischer Widerstand ist dennoch beträchtlich, in Anbetracht der Bandagierung, der sie dank den Ringen aus Fasermaterial unterworfen sindc Bei der Haltevorrichtung nach der Erfindung ist die durch die Trommel, die Stege und die Ringe gebildete Einheit leichter als die übliche einen gleichen Widerstand
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aufweisende Metalltrommel im Rotorauf "bau e. ^er üblichen Turbomaschine.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung. Darin zeigt:
Fig.i einen axialen Halbschnitt entlang der linie I - 1 der Pig.2 eines Teils einer mit einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung versehenen Turbomaschine,
Figo2 und 3 teilweise Querschnitte entlang den Linien II - II bzw. III - III der Turbomaschine.
In Figo 1 - 3 ist eine allgemein mit 1 bezeichnete Haltevorrichtung einer Turbomaschine dargestellt, etwa eines Niederdruckkompressors eines Turbostrahltriebwerkes.
Diese Vorrichtung weist eine hohle Trommel 2 mit einer Achse X' - X auf sowie eine Vielzahl von Stegen 3« Jeder dieser Stege erstreckt sich in der axialen Richtung der Trommel und ist seitlich aneinanderstoßend auf der Außenfläche der Trommel befestigt, vergl» Fig.2.
Die Trommel 2 besteht aus einem Fasermaterial und kann
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erhalten werden durch Wickeln'einer Faser, z.B. einer Glas- oder Kohlenatof faser, auf einem, zylindrischen oder leicht konischen als Form dienenden Dorn,, Man geht in bekannter Weise derart vor, daß man den Dorn um seine Achse dreht und gleichzeitig die Faser einer geradlinigen zur Dornachse abwechselnd parallelen Bewegung unterwirft ο Man erhält auf diese Weise eine schraubenförmig überkreuzte Wicklung, die die Steifheit der Trommel gegen Biegung und Verdrehung gewährleistet. Die Fasern werden während des Wickelvorgangs mit einem geeigneten Bindemittel bedeokt, etwa einem Kunstharze Während des Aushärtens des Bindemittels nimmt man die auf diese Weise erhaltene Trommel vom Dora abc
Die Stege 3 sind aus Metall, vorzugsweise aus Titan. Jeder von ihnen weist eine glatte Innenseite auf, mit der er vorzugsweise durch Verkleben, z.B. mittels eines Kunstharzleims, auf der Außanflache der Trommel befestigt ist, und weist, wie zu erkennen, eine angepaßte Außenseite auf<>
Wenn man den Schnitt einer durch die Trommelachse gehenden Ebene betraohtet, wie in. Figo 1 gezeigt» so weist jeder Steg eine gezahnte Form auf, die aus Erhöhungen 4a, 4boo<> 4p°·· besteht, die mit Vertiefungen 5a, 5b «... 5p »«· abwechseln« Zur Erleichterung ist jede Erhöhung bei 16 ausgehöhlt. Jede
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- ίο -
Vertiefung 5a, 5b . .· 5qo00 öffnet sich zur Trommelaußenseite hin und erstreckt sich in Umfangsrichtung der Trommel· Y/ie in ügo3. gezeigt, sind die gleichartigen in den aufeinanderfolgenden Stegen ausgebildeten Vertiefungen, etwa die Vertiefungen 5p, in Umfangarichtung aufeinanderfolgend derart angeordnet, daß sie ringförmige luten 6a, 6b.ο»6p bilden«.
Wie in Fig.2 gezeigt, weist jeder Steg 3 auf seiner Außenseite in gleicher Weise wenigstens eine axiale profilierte Rille auf, etwa Ta,7b,7c, die weniger tief als die Vertiefungen 5a, 5b, ο ο«5p ist. Die Rille 7a ist vorzugsweise ein Schwalbenschwanz, während jede Rille 7b und 7c aus einem halben Schwalbenschwanz besteht. Wie in der gleichen I1IgUr zu sehen, bilden zwei halbe Schwalbenschwänze, die zwei benachbarten Stegen angehören, gemeinsam einen ganzen Schwalbenschwanz. Diese Anordnung ist jedoch nicht vorgeschrieben und die Verbindung zwischen zwei benachbarten Stegen könnte ebenso durch eine zwischen zwei Rillen, etwa 7a, 7b, angeordnete Verbindung bewerkstelligt werden.
Jede der Rillen 7a, 7b, 7c erstreckt sich zwischen zwei axial aufeinanderfolgenden Vertiefungen, etwa 5a, 5b, über die axiale Länge der Erhöhungen 4a, 4b.·. 4p·
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Die durch die Ri?len 7a und die Rillen 7b - 7c gebildeten Schwalbenschwänze bilden Sitze, von denen jeder an der Stelle der Erhöhungen 4a, 4b... 4p··· einen entsprechend profilierten Schaufelfuß aufnehmen kann. In Figoi und 2 sind eine Rotorschaufel 8 und ihr Fuß 9 sowie eine Stator-' schaufel 15 dargestellt. Diese Schaufeln bestehen vorzugsweise aus Titan ο
In jeder ringförmigen Nut 6a, 6b..o6p... ist ein Ring 10a, iObc.. 10p... aus in TJmfangsrichtung um die Stege 3 nach Art einer Bandage gewickeltem Fasermaterial angeordnet. Die radiale Dicke "e" eines Rings, etwa 10p, gemessen vom Grund der Nut 5p ist vorzugsweise kleiner oder gleich der radialen Höhe "h" der angrenzenden Erhöhung 4p> gemessen zwischen der Basis dieser Erhöhung und dem Grund einer in die Erhöhung eingearbeiteten Nut, etwa 7a0
Y/ie die Fig.1 zeigt, ist die länge jeder Erhöhung 4a, 4b ...4p «««> gemessen in Richtung der Achse der Trommel 3, größer als die Länge des Schaufelfußes 9, der in einer in diese Erhöhung eingearbeitete Nut, etwa 7a, angeordnet isto Diese Besonderheit gestattet im Anschluß an das vorhergehende das Einsetzen von Zwischenstücken 11, von denen jedes einen Fuß 12 hat, dessen Profil demjenigen der Schaufelfüße 9 identisch ist. Jeder Fuß eines Zwischenstücks 12
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bildet zwei axial im Abstand angeordnete Endabachnitte, die in die Rillen, z.B. die Rillen 7a, zwe. ν aufeinanderfolgender Erhöhungen, etwa der Erhöhungen 4a, 4b, desaelben Stegs eindringen, und die mit den beiderseita in den genannten Rillen angeordnete Schaufelfüßen 9 in Berührung kommen. Jedes Zwischenstück 11 überdeckt auf diese Weise bei einem Ring aus Fasermaterial, etwa 10b, die zwischen den genannten Erhöhungen eingeschlossene Vertiefung.
Jedes Zwischenstück 11 trägt auf seiner von der Trommel nach außen weisenden Seite Ausarbeitungen oder Labyrinthdichtungen 13, die dichtend mit einem Statorring 14 zusam-
damenarbeiten können, der/zwischen die Statorschaufeln 15
an deren innerem Radius miteinander verbindet.
in Der Zusammenbau der Turbomaschine geschieht/üblicher Weise Wenn der Stator aus einer Reihe von einstückigen Ringen zusammengesetzt ist, die einen Kranz von überstehenden Statorachaufein 15 tragen, geht man schrittweise vor. Man fängt z.Bo mir dem Einaetzen der Rotorachaufein 8 einer Etage an. Dann werden die Zwiachenatücke 11 eingesetzt, die diese Etage von der folgenden Etage trennen» Dann werden die Rotorschaufeln der folgenden Etage eingesetzt u.s.w« in diesem Sinne. Für den Fall, daß der Stator aus zwei Teilen oder Gehäusehälften besteht, die durch die ebene Fläche
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einer axial verlaufenden Teilfuge getrennt sind, kann der Rotor vor seinem Einbau in den Stator vollständig mit allen seinen Schaufeln 8 ausgestattet werden»
Im Betrieb genügt die durch das Verkleben der Stege3 mit der Trommel 2 bedingte Haftung, um die Stege mit der Trommel in Drehung zu versetzen» Die durch die Zentrifugalkraft erzeugte Lösekraft der Stege wird'von den Ringen 10a, I0bo00 1Op0.ο aufgenommen, die die Rolle einer Bandage spieleno
Es ist zu beobachten1, daß der wichtigste Teil der Haltevorrichtung (Trommel 2 und Ringe 10a, 10b.«.1Op.ο.) aus Fasermaterial mit großer Widerstandsfähigkeit und geringem Gewicht verwirklicht ist. Die Technologie des Schaufelfußes und dessen Anordnung bleibt jedoch von üblicher Art und wird ohne weiteres ausgeführt durch die Verwendung metallischer Stege 3, die die der Bearbeitung von Faaermaterial anhaftenden Unannehmlichkeiten vermeiden» Es ist ebenso festzustellen, daß. die relative Gewichtszunahme der Anordnung durch das Vorhandensein der metallischen Stege sehr begrenzt ist wegen der vielen in diese Stege eingearbeiteten Vertiefungen,. Nuten und Ausnehmungen.»
Es versteht sich von selbst, daß die beschriebene Aus~ führungsform nur ein Beispiel ist, und daß es möglich ist,
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dieses abzuändern, inabesondere durch Austausch von technischen Äquivalenten, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Daher konnten die verschiedenen den Zusammenbau der Schaufeln betreffenden Anweisungen der Beschreibung entsprechend auf den Zusammenbau der Statorschaufeln übertragen werdeno Die Trommel 2 würde dann durch einen Statorring ersetzt werden, auf dessen Innenseite Stege 3geklebt wären, wobei die BandBgeringe 10a, iOb...iOp weggelassen werden könnten.
Patentansprüche
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Haltevorrichtung für die Schaufeln von Turbomaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung in Kombination aus einem Ring oder einer hohlen Trommel (^) aus Fasermaterial-besteht sowie aus einer Vielzahl von metallischen, die Schaufel (8) tragenden Stegen, die Seite an Seite auf dem Ring oder auf der Trommel (2) befestigt sind, wobei sich jeder Steg (3) axial zu diesem Ring oder dieser Trommel (2) erstreckt.
    2ο Haltevorrichtung nach Anspruch 1 für Rotorschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) auf der Außenfläche der Trommel (2) aus lasermaterial angeordnet sind, und daß ein oder mehrere Ringe (i0aOOo) aus Faserinaterial nach Art einer Bandage in Umfangsrichtung um die Stege (3) herum angeordnet sind ο
    3. Haltevorrichtung nach.Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg(3), gesehen im Schnitt durch eine durch die Achse der Trommel (2) gehenden Ebene, eine gezahnte Anordnung aufweist, die eine oder mehrere Erhöhungen (4a.„.) aufweist, die mit einer oder mehreren Vertiefungen (5a...) abwechseln, die sich zur Außenseite der Trommel (2) hin öffnen, wobei sich jede in Umfangs-
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    richtung der Trommel (2) erstreckt, und daß die. gleichartigen , in den aufeinanderfolgenden Stege* (3) ausgebildeten 'Vertiefungen (5a.. ο) sich nacheinander in Umfangsrichtung in der .art fortsetzen, daß sich eine oder mehrere ringförmige Nuten (6a.0.) bilden, die zur Aufnahme des oder der Ringe (iOa...) dien en <>
    ο Haltevorrichtung nach .Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg (3) in gleicher Y/eise auf seiner Außenseite wenigstens eine axiale profilierte Hi lie (7a..ο) aufweist, die weniger tief ist als die Vertiefung oder die Vertiefungen (5aoOO) und die bei wenigstens einer der Erhöhungen (4a...) der gezahnten A„Ordnung einen Sitz aufweist, der in der Lage ist, einen entsprechend profilierten Schaufelfuß (^) aufzunehmen.
    5. Haltevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Dicke (e) des lungs (iOa) aus Fasermaterial, gemessen vom Grund der Vertiefung (5ao..), höchstens gleich der radialen Höhe (h) der angrenzenden Erhöhung (4a...) ist, gemessen zwische-n der Basis der Erhöhung und dem Grund der in die Erhöhung eingearbeiteten Rille (7a0.0).
    6. Haltevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
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    daß die länge einer Erhöhung (4a-...) gemessen in Richtung der Achse der Trommel (2), größer ist als die Länge eines Schaufelfußes (9), der in der in die Erhöhung eingearbeiteten Rille (7a»»·) angeordnet ist, und daß die Δ Ordnung in gleicher Yfeise eine Vielzahl von Zwischenstücken (11) aufweist, von denen jedes einen Fuß (12) hat, dessen Profil demjenigen der Schaufelfüße (9) identisch ist, wobei der Fuß (12) eines Zwischenstücks (11) zwei axial im Abstand angeordnete Endabschnitte bildet, die in die Rillen (7a «>..■) zweier aufeinanderfolgender Erhöhungen (4ao.o) desselben Stegs (3) entsprechend eindringen, und die mit dem in den beiderseits in den genannten Rillen (7a...) angeordneten Schaufelfüße (9) derart in Berührung kommen, daß das Zwischenstück (11) bei dem Ring (1Ob000) aus Fasermaterial die zwischen den Erhöhungen (4a, 4beo.) eingeschlossene Vertiefung (5bo..) überdeckte
    7. Haltevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η n-2 eich·η et, daß die Zwischenstücke (11) auf ihrer von der Trommel (2) nach außen weisenden Seite Labyrinthdichtungen (13) tragen, die dichtend mit einer Anordnung (14» 15) zusammenarbeiten können, die mit dem Stator der Turbomaschine formschlüssig verbunden ist.
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    - ic -
    8» Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (4a··ο) der Stege (3) teilweise hohl sind ο
    0. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) durch Verkleben an den Hing oder der Trommel (2) befestigt gind ·
    Turbomaschine mit einer Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9«
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