DE2356721A1

DE2356721A1 - Luftkuehlung von turbinen-schaufeln

Info

Publication number: DE2356721A1
Application number: DE2356721A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Robert Matto
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1972-12-01
Filing date: 1973-11-10
Publication date: 1974-06-20
Also published as: JPS4986706A; JPS5249086B2; IT997686B; DE2356721C3; GB1424925A; FR2209041A1; DE2356721B2; US3832090A; FR2209041B1

Description

Luftkühlung von Turbinen-Schaufeln

Es wird eine Gasturbine beschrieben, insbesondere das Turbinenrotorteil derwselben und das Lager für das Lagern dieses Rotors. Kühlluft wird längs Kanälen geführt, die sich durch die Lagerbefestigung erstrecken und wird in eine Eintrittskammer an dem inneren Teil des Rotors abgegeben. Der Rotor weist eine ringförmige Platte auf, die im Abstandsverhältnis von einer Scheibe angeordnet ist, die die Rotorschaufeln trägt. Der innere Umfang der Platte begrenzt den Einlaß eines Kanals für den Fluß der Kühlluft von der Eintrittskammer zu und durch die Schaufeln unter Kühlen derselben. Es wird Kühlluft in die Eintrittskammer mit einem Winkel gerichtet, der dergestalt ist, daß dessen tangentialer Vektor angenähert die Umfangsgeschwindigkeit der Kanaleinlässe für die Kühlluft erreicht. Weiterhin sind Flügel auf den Schaufeln vorgesehen, um den Fluß der Kühlluft durch die Kanalanordnung des Rotors zu erleichtern.

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Gasturbinen und insbesondere Verbesserungen bei dem Kühlen der Turbinenschaufeln derartiger Turbinen.

Seit langem ist erkannt warden, daß die Temperaturen heißer Gasströme, die durch Hochleistungs-Gasturbinen erzeugt werden, in vielen Fällen die Betriebsfähigkeit jeglicher praktischer Materialien übersteigen, die zum Ausbilden gewisser Motorteile, die dem heißen Gasstrom direkt ausgesetzt werden, zur Verfügung stehen. Obgleich es Materialien gibt, die derartigen Temperaturen

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widerstehen können, sind dieselben entweder zu teuer .oder deren Lebensdauer ist so stark verringert, daß dieselben vom Standpunkt der Wartung und Zuverlässigkeit unpraktisch sind. Dies trifft insbesondere auf die Schaufeln der ersten Turbinenstufe derartiger Turbinen zu. Diese Schaufeln sind am Auslaß der Verbrennungskammer der Turbine ausgebildet und werden nahezu den höchsten Temperaturen, die durch dieselbe erzeugt werden, ausgesetzt. Die Kombination erhöhter Temperaturen und die hohen Belastungen, die sich durch das Umlaufen der Turbinenrotoren ergeben, unterwerfen fast immer die Turbinenschaufeln den nachteiligsten Umweltsbedingungen der Turbine insoweit, als die baulichen Erfordernisse der Materialien in Betracht kommen.

So sind bisher eine Vielzahl Vorschläge zum Kühlen dieser Turbinenschaufeln gemacht worden und viele dieser Vorschläge sind der betrieblichen Anwendung zugeführt worden. Das heute hauptsächlichste und praktischste Kühlsystem beruht darauf, daß unter Druck stehende, gewöhnlich von dem Auslaß des Kompressors kommende Kühlluft durch die Schaufeln und zurück in den heißen Gasstrom geführt wird. Ein derartiges System kann die Metalltemperaturen der Schaufeln bei Werten praktisch unter den tatsächlichen Temperaturen des Gasstroms halten und tut dies auch. In dieser Weise ist es möglich, praktisch hochentwickelte Materialiei und Legierungen bei dem Herstellen der Schaufeln anzuwenden und immer noch eine annehmbare Lebensdauer derselben zu erzielen.

Das Anwenden eines Kühlluftsystems für Turbinenschaufeln bedingt jedoch arteigen Verluste bezüglich des Gesamtwirknngsgrades der Turbine, üblicherweise muß die Kühlluft auf praktisch den höchsten von der Turbine erzeugten Druckwert unter Druck gesetzt werden. Die für Kühlzwecke abgeleitete Luft stellt Luft dar, die nicht direkt für das Erzeugen des antreibenden Gasstroms angewandt werden kann und stellt somit einen Verlust bezüglich des Wirkungsgrades dar. Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Kühlluft eine möglichst niedrige Temperatur besitzt, sobald dieselbe durch die Turbinenschaufeln hindurchtritt, damit die Menge der der Turbine

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für die Leistungserzeugung entnommene Luft möglichst klein gehalten werden kann. Weitere Komplikationen ergeben sich aufgrund der Tatsache, daß die Kühlluft von einem allgemein entfernt liegenden, stationären Gebiet des Motors dem Turbinenrotor zugeleitet wer- \ den muß,· der mit extrem hohen Geschwindigkeiten umläuft. Diese Faktoren tragen zu den Komplikationen bezüglich des Aufbaues der Turbine bzw. des Motors bei, und bedingen ebenfalls Verluste bezüglich des Wirkungsgrades. Somit liegen hier Möglichkeiten für Verbesserungen der direkten Betriebskosten derartiger Motoren, und ergeben sich weitere Vorteile des bei relativ kleinen Verbesserungen an den Verlusten, die durch das Kühlsystem für die Turbinenschaufeln bedingt werden.

Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, den Gesamtwirkungsgrad der Kühlsysteme für Turbinenrotor-Schaufeln von Gasturbinen und insbesondere Schaufeln zu verbessern, die in der ersten Turbinenstufe angewandt werden.

Eine weitere-der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, diese Zielsetzungen durch Verbessern des Wirkungsgrades bezüglich der Führung der Kühlluft durch den Turbinenrotor zu den Turbinenschaufeln zu erreichen.. ,

Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die angestrebten technischen Lösungen vermittels Verbesserungen des Kühlluftflusses zu einem umlaufenden Turbinenrotor zu erreichen.

Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die entsprechende technische Lösung durch verbesserte mechanische Konstruktion zu erzielen, wobei nur eine geringfügige oder keine Kostenerhöhung im Zusammenhang mit der Herstellung derselben gegeben ist.

Erfindungsgemäß verfährt man allgemein im Zusammenhang mit einer Gasturbine dergestalt, daß ein Tnrbinenrotor vorgesehen ist, von dessen Außenumfang eine Anzahl Hügel vorspringen. Der Rotor ist mit Kanälen versehen für das Richten der Kühlluft ausgehend von einem mittleren Einlaß radial nach außen zu den Basisteilen

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der Flügel und anschließend durch die Flügel. Es ist eine eine Kanuner begrenzende Anordnung an den inneren Teilen des Turbinenrotors vorgesehen, wobei die Kammer in dem Einlaß der Kühlluft-Kanal anordnung ausläuft. Weiterhin ist eine Anordnung vorgesehen, durch die die Kühlluft in die Kammer mit einer Richtung und Geschwindigkeit geführt wird, die einen tangentialen Vektor aufweist, der angenähert der Umfangsgeschwindigkeit des mittleren Einlasses der Kühlluft-Kanalanordnung ist.

Weiterhin können die Rotorschaufeln mit Zapfen versehen-sein, und der Rotor Jcann eine Scheibe besitzen, die um über ihren Umfang mit Schlitzen vereehen ist für die Aufnahme der Schaufelzapfen, wodurch eine lösbare Anordnung der Schaufeln an der Scheibe gegeben ist. Es kann eine ringförmige Platte an der Rotorscheibe angeordnet und im Abstandsverhältnis gegenüber der Stromaufseite derselben so angeordnet sein, daß sich ein mittlerer Einlaß der Kühlluft-Kanalanordnung sowie ein Teil der Kanalanordnung ergibt. Die Zaupfen und Schaufeln weisen darin Verbindungskanäle auf unter Ausbilden des restlichen Teils der Kühlluft-Kanalanordnung. Weiterhin besitzebn die Schaufelzapfen Flügel, die von einer benachbarten Oberfläche der Scheibe aus in Richtung auf die Platte vorspringen, wodurch der Kühlluftfluß durch die Kühlluft-Kanalanordnung erleichtert wird.

Zu spezielleren erfihdungsgemäßen Merkmalen gehört das Anwenden von winkelförmig im Abstandsverhältnis angeordneten Bolzen benachbart zu dem mitleren Einlaß zwecks Befestigen der Platte an der Turbinenscheibe, sowie das Vorsehen eines abdichtenden Eingriffs zwischen der Platte und den Schaufeln unter Ausbilden äußerer Begrenzungen der Kanalanordnung für den Kühlluftfluß zu den Schaufeln. Weiterhin kann die Platte auch dazu dienen, eine axiale Bewegung der Schaufeln zu verhindern.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale liegen in dem Vorsehen eines Dichtungsteils, das an einer Lagerbefestigung vorliegt. Das Lager trägt eine sich stromauf erstreckende Welle, an der der

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Turbinenrotor für eine Verbindung mit dem Kompfessorrotor des Motors angeordnet ist. Das Dichtungsteil arbeitet mit der Dichtungsanordnung implizierend mit der Rotorplatte so zusammen, daß sich eine umlaufende Gasdichtung für die äußeren Begrenzungen der Kammer ergibt, in die die Kühlluft eingeführt wird.

Weiterhin kann das Dichtungsteil winkelförmig im Abstandsverhältnis vorgesehene Taschen aufweisen, in die Kühlluft durch Kanäle eingeführt wird, welche sich durch die Lagerbefestigungsanordnung erstrecken. Kühlluft wird sodann von diesen Taschen aus zwischen Schaufeln abgegeben, die die Kühlluft mit dem gewünschten Winkel und Geschwindigkeit in eine entsprechende Richtung bringen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen längsseitigen Schnitt durch ein Teil der Traganordnung für den Gasturbinenrotor und erfindungsgemäßem Kühlluftsystem;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II nach Figur 1;

Fig. 3 einen Schnitt, im vergrößerten Maßstab, längs der Linie III-III nach Figur 4;

Fig. 4 einen Schnitt, allgemein längs der Linie IV-IV nach Figur 1

Fig. I einen radialen Vorsprung, allgemein längs der Linie V-V nach Figur L

Figur 1 zeigt das Auslaßteil einer Gasturbinen-Verbrennungskammer. Ein Gasturbinenmotor der hier vorgesehenen Art weist in Fließrichtung der Gase einen Kompressor für die Druckluft und eine Verbrennungskammer auf, in der die Druckluft die Verbrennung des Brennstoffs unterhält unter Erzeugen eines hochenergetischen heißen Gasstroms und weiterhin eine Turbine auf, die einen Teil der Energie des heißen Gasstroms für den Antrieb des Kompressorrotors entnimmt. Die verbleibende Energie des heißen Gasstrom* kann in nutzbare Leistung durch Antrieb einer Leistungsturbine umgewandelt werden, wodurch Wellenleistung entwickelt wird oder indem eine

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Abgabe durch eine Düse erfolgt unter Ausbilden einer Antriebskraft.

Die Figur 1.zeigt die Fließrichtung des heißen Gasstroms bei Eintritt in die Turbinendüsenanordnung 10. Die, Düsenanordnung 10 richtet den heißen Gasstrom in Richtung auf die Schaufeln 12 des Turbinenrotors 14 unter Antrieb desselben. Der heiße Gasstrom weist bei Hochleistungsmotoren eine Temperatur auf, die jenseits der Leistungsfähigkeit der üblichen Materialien ist, aus denen die Turbinenschaufeln 12 hergestellt sind. Die erfindungsgemäßen Merkmale richten sich nun, wie weiter unten im einzelnen erläutert, auf das Kühlen dieser Turbinenschaufeln.

Die Turbinenschaufeln 12 sind um den Umfang einer Turbinenscheibe 16 herum angeordnet. Die Schaufeln 12 weisen integrierende Zapfen 18 auf, die in entsprechend geformten Ausnehmungen aufgenommen sind, die sich über den äußeren Umfang der Turbinenscheibe 16 hin erstrecken. Die Stromabenden der Schaufeln sind axial auf der Scheibe 16 durch ringförmigesTeile 2O angeordnet das in Ausnehmungen aufgenommen wird, die entsprechend in der Scheibe 16 und den Schaufeln 12 ausgebildet sind. Die Stromabenden der Schaufeln 12 sind vermittels einer ringförmigen Halteplatte 22 befestigt, deren äußerer Umfang sich in die in den Schaufeln ausgebildeten Ausnehmungen erstreckt. Die Halteplatte 22 ist an der Scheibe 16 vermittels Bolzen 24 befestigt. Die Bolzen können der zweifachen Fenktion des Festlegens der Bcheibe (nicht gezeigt) einer zweiten Turbinenstufe daran durch Abstandshalter 26 dienen. Wie am besten aus der Figur 2 ersichtlich, erstrecken sich die Bolzen 24 durch Vorsprünge 28, die auf der Platte 22 ausgebildet sind und nach Innen vom dem inneren Umfang 29 derselben vorspringen. Die Turbinenscheibe 16 ist vermittels einer Splintverbindung an einer Welle 30 befestigt. Die Welle 30 erstreckt sich zu und führt zu einer Antriebsverbindung für den Kompressorrotor, wie weiter oben angegeben.

Benachbart zu dem Turbinenrotor ist eine Lageranordnung für das -Magern der Welle 30 vorgesehen. Diese Lageranordnung weist «in Rollenlager 32 auf, dessen innerer Laufring teleskopartig über der Welle 30 angeordnet ist und dessen äußerer Laufring in

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einem Lagergehäuse vermittels einer Halteplatte 36 aufgenommen wird. Das Lagergehäuse 34 ist an einem Rahmenteil 38 befestigt oder wird durch dieses getragen. Ebenfalls an dem Rahmen 38.ist ein Rahmen 40 befestigt, der ein inneres Schaufelversteifungsteil 42 der Düsenanordnung 10 aufweist. Die Flügel 44 der Düsenanordnung 10 erstrecken sich von der inneren Schaufelversteifurig zu einer äußeren Schaufelversteifung 46.

An der Stromaufseite des Lagers 32 ist eine Dichtungsanordnung auf einem Teil des Rahmens 38 angeordnet. An dem Stromabende des Lagers 32 ist eine Dichtungsanordnung 50 vorgesehen, die durch eine Befestigungsplatte 52 getragen wird, die gegen die Lagerhalteplatte 36 befestigt ist. Gegen die äußeren Teile der Platte 52 befestigt, liegt ein Dicjitungsteil 54 mit mit Flansch versehenen Dichtflächen 56 vor, die über Labyrinthzähnen 58 liegen, die auf einem vorspringenden Flansch 59 der Platte 22 ausgebildet sind. Dies führt zu einer Kreisdichtung für eine ringförmige Kammer 60, die das innere,Teil der Stromaufseite der Turbinenscheibe 16 umgibt.

Das Kühlluftsystem weist einen Kanal 62 auf, der teilweise durch" ein Teil des Rahmens 38 gebildet wird und eine Blechmetallplatte 64, die mit einer Quelle unter Druck stehender Kühlluft verbunden ist, die vorzugsweise von dem Kompressorauslaß der Turbine stammt. Der Kanal 62 erstreckt sich zu einem mittleren Kanal, der in Verbundweise durch das Lagergehäuse und zugoerdnete Komponenten gebildet ist und mehrere parallele Verzweigungen aufweisen kann, die zu der Einlaßkamraer 60 führen. Wie sich anhand der Figur 1 ergibt, erstreckt sich der im Verbund ausgebildete Kanal 66 durch ein Lagergehäuse 34, die Halteplatte 36 und die Dichtungsanordnungsplatte 52 zu Taschen 68, die in dem Dichtungsteil 54 ausgebildet sind, siehe ebenfalls die Figuren 4 und 5. Die Kühlluft wird von den Taschen 68 vermittels Auslaßflügeln in die Kammer 60 in einer ringförmigen Richtung und bei einer Geschwindigkeit geführt, die durch den Pfeil A wiedergegeben ist, dergestalt, daß die tangentiale Komponente - Vektor V._f derselben

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angenähert die Umfangsgeschwindigkeit, Vektor V^, des benachbarten Teils der Turbinenrotorscheibe 16 erreicht. Das Ergebnis dieses Verhältnisses besteht darin, daß sich ein Minimum an relativer Bewegungs- oder Windeinfluß-Verluste ergibt, wenn die Luft zwischen den Vorsprüngen 28 in den Einlaß (am Umfang 29 der Platte 22) eines radialen Fiießkanals 72 tritt, der durch das Abstandsverhältnis zwischen der Schaufel 22 und der Scheibe 16 begrenzt wird. Die Kühlluft fließt sodann unter Kreuzen der Kanäle 74, die in dem äußeren Teil der Schaufelzapfen 24 ausgebildet sind. Von den Kanälen 74 tritt die Kühlluft sodann in das Innere der Schaufel 12 und führt zu einem Kühlmechanismus hierfür durch Fließen durch das Innere der Schaufel, wie allgemein durch den Kanal 76 angezeigt und wird abschließend in den heißen Gasstrom abgegeben.

Nicht nur die Eintrittsverluste des Kühlluftflusses zu dem Kanal 72 werden kleinstmöglich gehalten, sondern der Gesamtwirkungsgrad des Kühlluftsystems wird weiterhin durch Vorsehen von Pumpflügeln 78 vergrößert, die von den Enden der Zapfen 18 vorspringen. Wie insbesondere in den Figuren 2 und 3 gezeigt, liegen die Enden der Zapfen 18 allgemein bündig mit den benachbarten Teilen der Scheibe 16 vor. Die Flügel 78 springen hiervon über die Kanäle 72 in einem angrenzenden Verhältnis mit der Halteplatte 22 vor.

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Claims

- 9 Patentansprüche

1. Gasturbine, gekennzeichnet durch einen Turbinenrotor (14) mit einer Mehrzahl Schaufeln (12) , die von dessen Umfang vorspringen und Kanälen (72) für das Richten der Kühlluft von einem mittleren Einlaß (29) radial nach außen zu der Basis der Schaufeln und sodann durch die Schaufeln zwecks Kühlen derselben; eine Anordnung, die eine Kammer (60) begrenzt, die in den mittleren Einlaß (29) austritt, und Vorrichtungen für das Richten der Kühlluft in die Kammer (60) mit einer Richtung und Geschwindigkeit, die einen tangential Vektor aufweist, der angenähert die Geschwindigkeit des Rotoreinlasses erreicht.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (12) Zapfen (18) besitzen, der Rotor eine Scheibe (16) aufweist, die über ihren Umfang mit Schlitzen versehen ist, die Schaufelzapfen in diesen Schlitzen angeordnet sind, zwecks lösbarer Befestigung der Schaufeln, der Rotor (14) weiterhin eine ringförmige Platte (22) im Abstandsverhältnis von der Strömaufseite der Scheibe aufweist und in Kombination hiermit einen Teil des Kanals (72) begrenzt, der sich radial von dem mittleren Einlaß erstreckt, der durch den inneren Umfang der Platte begrenzt wird, die Zapfen und Schaufeln Verbindungskanäle (74,76) darin aufweisen, die den restlichen Teil der Kanalanordnung begrenzen, sowie die Zapfen Flügel (78) aufweisen, die von der benachbarten Oberfläche der Scheibe zu der Platte vorspringen, um den Fluß der Kühlluft durch die Kanäle zu erleichtern.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (22) an der Scheibe (16) vermittels winkelförmiger Abstandsbolzen 24 benachbart zu dem mittleren Einlaß befestigt ist, die äußeren Umfangsteile der Platte in dichtenden Eingriff mit den Schaufeln (12) kommen unter Halten derselben gegen eine axiale Bewegung, die Zapfenkanäle sich in Richtung auf die Platte zwischen den äußeren Umfangsteilen

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derselben und den Flügeln öffnen und die Flügel (78) in Form eines einzelnen, sich radial erstreckenden und in jeden Zapfen (18) vorspringenden Flügel vorliegen.

4. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) weiterhin eine Scheibe (16) aufweist, von der aus sieh die Schaufeln 12 vorspringen und eine ringförmige Platte (22) im Abstandsverhältnis von der StromaufSeite der Scheibe (16) vorliegt, sowie in Kombination hiermit einen Teil des Kanals (72) begrenzt, der sich radial zu dem mittleren Einlaß erstreckt, der durch den inneren Umfang der Platte begrenzt wird, eine Welle (30), die sich in Stromaufrichtung erstreckt und an der die Scheibe (16) befestigt ist, ein Lager (32) benachbart zu der Scheibe (16) für das Lagern der sich Stromauf erstreckenden Welle, ein Lagergehäuse (34), das durch Bauelemente (38) der Turbine getragen wird, ein Dichtungsanordnung (54), die an dem Lagergehäuse (34) befestigt ist und einen Teil der Kammer (6O) begrenzt und eine Anordnung (56,58) die zusammenwirkend auf dem Dichtungsteil (54) und der Platte (22) für ein Abdichten der äußeren Begrenzungen der Kammer (60) ausgebildet ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung (54) winkelförmig im Abstandsverhältnis vorliegende Taschen (68) darin mit einer radialen Entfernung von der Achse der Welle (30) angenähert der radialen Entfernung de* mittleren Einlasses (29) hiervon aufweist, und Kanäle (66) sich durch das Lagergehäuse (34) für ein Verbinden der Taschen (68) mit der Kühlluft-Quelle erstrecken, die Taschen (68) weiterhin winkelförmige Auslässe (69) für die Abgabe der Kühlluft in die Kammer (60) mit der zuvor angegebenen Richtung und Geschwindigkeit aufweisen.

6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Schaufeln (12) Zapfen (18) aufweisen, di· Itotorscheibe (16) Schlitze über ihren Umfang besitzt, in denen die Zapfen (18) zwecke lösbarer Befestigung der Schaufeln (12) gela-

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gert sind, die Zapfen (18) Flügel (7 8) aufweisen, die von der benachbarten Oberfläche der Scheibe (16) zu der Platte vorspringen, um so den Kühlluft-Fluß durch die Kanäle zu erleichtern.

7. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (22) an der Scheibe (16) vermittels winkelförmiger Abstandsbolzen (24) befestigt ist, die sich durch Vorsprünge (28) erstrecken, die von dem mittleren Einlaß (29) aus vorspringen, die äußeren Umfangsteile der Platte (22) im dichtenden Eingriff mit den Schaufeln (12) vorliegen und dieselben gegen eine Bewegung wenigstens in einer axialen Stromaufrichtung halten, die Zapfen (18) Kanäle aufweisen, die sich in Richtung auf die Platte zwischen dem äußeren Umfang der Platte .(22) und den Flügeln (78) öffnen und die Flügel (78) in Form eines einzelnen, sich radial erstreckenden, von jedem Zapfen (18) vorspringenden Flügels vorliegen.

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