DE2357326A1

DE2357326A1 - Turbine mit innenkuehlung des kranzes und sollbruchstellen

Info

Publication number: DE2357326A1
Application number: DE2357326A
Authority: DE
Inventors: Roland Buechs; Alfred Dipl Ing Hueber
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1973-11-16
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1975-05-28
Also published as: FR2251702A1; GB1484703A; IT1025260B; FR2251702B3; US4047837A; DE2357326B2; JPS5079610A

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 15· November 1975

Turbine mit Innenkühlung des Kranzes und Sollbruchstellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenstufe mit Luftkühlung und Turbinenrad, bei dem- Kranz und Schaufeln.aus einem Stück gefertigt sind, welches an der äußeren Kranzpartie zwischen den Schaufelfüßen Sollbruchstellen für Wärmerisse an den Enden von Schlitzen aufweist, ferner Durchbrüche, welche den Festigkeitsverband 'zwischen Scheibe' und Kranzpartien örtlich axial durchgehend durchbrechen und zum Verhindern des Durchströmens von heißen Gasen nachträglich wieder verschlossen werden.

Bei bekannten Turbinenrädern dienen die Durchbrüche der Verminderung der Schwungmasse und dem Auffangen von Kranzrissen, Zu letzterem Zweck werden sie durch Auffangbohrungen zunächst durchgehend gemacht, aber nachträglich wieder verschlossen, um den Durchtritt von Heißgas und damit Überhitzung im Betrieb zu verhindern. Diese bekannten Turbinenrader sind aber ungekühlt und nur an der Oberfläche kühlbar, also für hohe und höchste Turbineneintrittstemperaturen nicht geeignet. Für das nachträgliche Verschließen der Auffangbohrungen ebenso wie der Sollbruchstellen und Schlitze ist ein zusätzlicher und damit

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verteuernder Aufwand erforderlich. Auch werden durch die Durchbrüche hohe Ventilationsverluste verursacht. Die zwischen den Kerben und Auffangbohrungen verbleibendem Bruchflächen sind zu groß, so daß ein sicheres Aufbrechen nicht gewährleistet werden kann. Auch sind sie nicht leicht bestimmbar. Hierdurch besteht die Gefahr, daß sie erst nach und nach im Betrieb und selbst da nicht alle aufreißen, was zu Unwucht des Rades und zu ungleichem S chwingungs verhalt en der Schaufeln, ja sogar zu Schaufelbrüchen führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gekühltes Turbinenrad zu schaffen, das mit einer möglichst geringen Kühlluftmenge durch intensive Kühlung höhere Prozeßtemperaturen als bisher üblich' zuläßt, gleichzeitig durch Einführung kontrollierter und gleich zu Anfang des Einsatzes vollständig verhandener Kranzrisse erhöhte Sicherheit und größere Flexibilität in der Leistungsregelung ermöglicht und dabei leicht, billig und einfach herstellbar ist.

Eine weitere Aufgabe ist es, die Schaufelschwingungen zu dämpfen und dadurch die Lebensdauer des Turbinenrades zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Durchbrüche prismatische Form haben, sehr nahe an der Außenseite des Radkranzes liegen, dabei die Hoch- undfiLfederdruckseite durchströmbar untereinander verbinden und daß die Kerben zum Bilden der Sollbruchstellen zwischen den Schaufelfüßen direkt an der Außenseite des Radkranzes parallel zu den Durchbrüchen und direkt über diese verlaufen und daß nur eine sehr schmale und genau bemessene Sollbruchstelle zwischen

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• - 3 Kerbe und Durchbruch stehenbleibt. ZOO/0^0

Durch diese strömungstechnische Verbindung von Hoch- und " Niederdruckseite· wird zum einen eine intensive Kühlung des Turbinenrades ermöglicht, indem die von radial außen kommende Wärme sehr nahe an der Eindringstelle abgefangen wird und infolgedessen die inneren Radpartien relativ kühl bleiben, was zur Erhöhung der Festigkeit und/oder der Lebensdauer beiträgt. Darüberhinaus wird durch die besondere Verbindung von Sollkerben und intensiv gekühlten Durchbrüchen eine geringe, genau bestimmbare Fläche der Sollbruchstelle erzielt, die einfach herstellbar ist und beim Abkühlen so schnell spröde wird, daß sie bereits nach dem ersten starken Wärmeschock aufreißt. Ferner wird durch diese Anordnung die Lage der Sollbruchstelle besser bestimmt als bei bekannten Turbinenrädern ähnlicher Art. Weiter wird durch diese Maßnahme die Turbineneintrittstemperatur und damit die Wirtschaftlichkeit des Triebwerks erhöht, ein billigeres und zuverlässigeres Turbinenrad geschaffen, zuverlässiger vor allem, weil ein Turbinenrad mit gleichmäßig verteilten und vollzählig aufgerissenen Sollbruchstellen höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreicht als ein solches mit nur einigen sporadisch.auftretenden Kranzrissen. Außerdem wird durch die Sollkerben die Dämpfung der Schaufelschwingung für alle Schaufeln verbessert, was ebenfalls zur Erhöhung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit beiträgt.

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Schließlich aber wird durch das Aufreißen aller Sollkerben' noch vor Beginn des gleichmäßigen Einsatzes erreicht, daß das Rad im Einsatz nicht mehr unwuchtig werden kann und keine ungedämpften Schaufelschwingungen die Standfestigkeit der Schaufeln beeinträchtigen.

In weiterer Ausgestaltung der Turbinenstufe wird die Kühlluft aus einer Anzahl kreisförmig und hochdruckseitig gegenüber den Durchbrüchen angeordneter Bohrungen direkt auf die Durchbrüche geblasen. Dabei liegt die Richtung der Bohrungen in einer etwa achsparallelen Ebene und so, daß die Kühlluft

wird

windschief zur Turbinenachse ausgeblasen/und unter Auslegungsverhältnissen stoßfrei in die prismenförmigen Durchbrüche eintritt.

Dadurch ist es möglich, die Kühlluft gezielter auf die Durchbrüche zu richten, den Kühleffekt durch hohe Anblasgeschwindigkeit zu verbessern und den Bedarf an Kühlluft bei gleicher Kühlleistung zu senken. Außerdem werden durch den stoßfreien Eintritt die Gesamtdruckverluste des Kühlmediums vermindert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die prismenförmigen Durchbrüche mit röhrehenförmigen Einsätzen versehen, die so bemessen und angeordnet sind, daß zwischen Durchbruchswänden und Einsätzen ein überall etwa gleichbleibender Zwischenraum verbleibt, deren innerer Querschnitt ferner etwa in der Mitte ihrer axialen Erstreckung durch eine dünne Wand versperrt ist.

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und die in ihrer Rohrwand eine Vielzahl von radialen Bohrungen aufweisen.

Durch diese Röhrchen wird die Kühlluft zunächst in die prismatischen Durchbrüche eingeleitet, dann durch die radialen Bohrungen auf die Wandungen geblasen, wo sie durch ihre Prallwirkung eine noch intensivere Kühlung bewirken. Umgekehrt kann man damit wieder bei gleichbleibender KüiiLimg den Bedarf an Kühlluft verringern»

In weiterer Ausgestaltung haben die prismenformigen Durchbrüche kreisförmigen Querschnitt. Diese kreisförmigen Bohrungen sind sehr einfach herstellbar, außerdem können hier* als Einsätze Röhrchen mit kreisförmigem Querschnitt verwendet

In einer anderen Ausgestaltung, sind die ppisMertf örmigen Durchbrüche von ovalem, beispielsweise elliptischem: Querschnitt. Hierbei sind zwar ovale Röhrchen erforderiieli, aber der Spannungs verlauf um die Durchbrüche wird günstiger als bei der kreisförmigen Bohrung.

In weiterer Ausgestaltung sind zur Einhaltung; des gleichmäßigen Abstandes zwischen Einsatz und DurchbrueliKand vorzugsweise Je Bohrung J, axial verlaufende und gleichmäßig um die Röhrchen verteilte Stege angeordnet. Diese Stege sind billig und einfach herstellbar und gestatten außer der radialen auch eine einfache axiale Fixierung der Röhrchen durch Umbiegen ihrer· Enden.

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In weiterer Ausgestaltung' sind die Stege mit den Röhrchen fest verbunden« Dadurch wird zwar die Herstellung der Röhrchen etwas schwieriger, aber dafür wird die Anzahl der Einzelteile gesenkt, was sich auf die Lagerhaltung günstig auswirkt.

In einer alternativen Ausgestaltung hierzu sind die Stege mit den Wänden durch Btirchbrüehe fest- verbunden, beispielsweise durch ihre Herstellung aus einem Stück. Dadurch ist zwar die Herstellung der Btirchbrüehe etwas erschwert, was jedoch bei Fertigung mittels Elektroerosion keine besondere Erschwernis bereitet, aber die Herstellung der Röhrchen ist dafür vereinfacht.

In weiterer Ausgestaltung liegt einer der Stege unmittelbar an der Sollbruchstelle an. Dadurch wird das Eindringen von Heißgas von außen in die Durchbrüche unterdrückt.

In weiterer Ausgestaltung ist:

1. der Radkranz teilweise von einer der Schaufelzahl entsprechenden Anzahl Rippen getragen, die an beiden Stirn-. selten zwischen Kranz und Scheibe radial verlaufen und selbst s-fcirriseifeig durch zwei ringförmige Scheiben abgedeckt sind, deren eine hochdruckseitig angeordnet ist und zwischen ihrem inneren Rand und der Turbinenscheibe einen Durchtrittsquerschnitt für die Zufuhr von Kühlluft aufweist, während die andere niederdruckselfclg angeordnet Ist und sich zwischen ihrem radial äußeren Rand und der

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Turbinenscheibe einen· Austrittsquerschnitt für die Kühlluft befindet,

2. verlaufen die Durchbrüche achsparallel und oval und

3. werden die Zwischenräume zwischen den ovalen Durchbrüchen und den Einsätzen mit Hilfe von Aufweitungen an den beiden axialen Enden der Einsätze eingehalten und die Einsätze sind an ihren niederdruckseitigen Enden durch umgebogene Lappen verschlossen und axial fixiert.

Durch die Einführung der Rippen wird das Gewicht des Turbinenrads erheblich vermindert und die Scheibendicke reduziert, durch die besondere Gestaltung der Anordnung der Abdeckringe wird das Auftreten von VentHationsverlusten verhindert und gleichzeitig das Druckgefälle der Kühlluft erhöht, so daß wiederum die Kühlung im Sinne erhöhter Wirtschaftlichkeit verbessert wird. Die dünnere Scheibe erlaubt kürzere Durchbrüche, die billiger herstellbar sind als lange, außerdem können die Durchbrüche achsparallel verlaufen, wodurch ihre Herstellung ebenfalls verbilligt wird. Ihre ovale Form paßt sich dem Raum zwischen den Rippen besser an und obendrein wird der Spannungsverlauf um die Durchbrüche verbessert.

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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen

Pig. 1 eine erfindungsgemäße Turbinenstufe im Schnitt, wobei ein schräg zur Schnittebene liegender prismenförmiger Durchbruch und die dazugehörige Sollkerbe ebenso wie die Kühlluftdüse nur gestrichelt gezeichnet sind,

Fig. '2 eine Draufsicht auf einen Teil des Leitapparates von Fig. 1 mit Kühlluftdüsen (Ansicht in Richtung II-Il),

Fig. 3 die Draufsicht auf einen Teil des Turbinenrads von Fig. 1 mit kreisförmigen Durchbrüohen (Ansicht in Richtung III),

Fig. 4 eine Draufsicht auf das gleiche Rad entsprechend Schnitt IV-IV,

Fig. 5 und 6 Schnitte nach den abgewickelt dargestellten Schnittlinien V-V (Kühlluftdüsen) und VI-VI (Durchbrüche)· mit Geschwindigkeitsdreieck für stoßfreien Eintritt der Kühlluft in die Durchbrüche,

Fig. 7 den Längsschnitt eines zylindrischen Durchbruchs mit . Röhrchen,

Fig. 8 den Querschnitt eines kreisförmigen Durchbruchs mit Röhrchen und Steg aus einem Stück,

.Fig. 9 den Querschnitt eines ovalen Durchbruchs mit Röhrchen und Steg aus einem Stück,

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Fig. Io den Querschnitt eines kreisförmigen Durchbruchs, wobei die Stege mit der Durchbruchswand eine Einheit bilden,

Fig. 11 den Querschnitt eines ovalen Durchbruchs, wobei die Stege mit der Durchbruchswand eine Einheit bilden,

Fig. 12 eine Befestigung der Röhrchen gegen axiale Verschiebung mittels Lappen,

Fig. IJ die Ansicht in Richtung XIII auf die Befestigung in Fig. 12,

Fig. l4 den Längsschnitt eines zylindrischen Durchbruchs mit Röhrchen mit nach hinten verschobener Absperrwand,

Fig. 15 eine andere Ausführung einer Turbinenstufe in Längsschnitt

Fig. 16 hierzu den Schnitt XVI-XVI in Fig. 15, Fig. 17 den· Schnitt XVII-XVII* in Fig. 15 Fig. 18 den Schnitt XVIII-XVIII in Fig. 15

Fig. 19 die T.eilansicht XIX in Fig. 15 mit abgenommenem Abdeckring und

Fig. 2o die Teilansicht XX-XX in Fig. 15 ebenfalls mit abgenommenem Abdeckring

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Das in Pig. I geschnitten dargestellte Turbinenrad besteht im wesentlichen aus der Scheibe 1, dem Kranz 2 und den Schaufeln J>. Ein erfindungsgemäßer Durchbruch 4, hier als Bohrung ausgebildet, eine Sollbruchstelle 5 und ein Radialschlitz 6 sind hier der klareren Darstellung halber nur gestrichelt dargestellt. Kühlluft wird aus Bohrungen J direkt in die Durchbrüche eingeblasen.

Die dem Turbinenrad zugewandte Seite des Leitschaufelzwischenbodens 8 wird in Fig. 2 dargestellt, die Hochdruckseite in Fig. In einer Draufsicht auf die radiale Außenseite des Rades in Fig. 4 (Schnitt IV-IV) ist der den Schaufelkonturen in etwa folgende Verlauf der Kerbe 6 direkt.und der Verlauf des darunterliegenden Durchbruches gestrichelt sichtbar.

Einen abgewickelten Schnitt durch die kühlluftführenden Bahrungen 7 und die Durchbrüche zeigen die zusammengehördenden Fig. 5 und 6. Während die Richtung der Durchbrüche k durch die Schaufeln bestimmt wird, ergibt sich die Richtung der Bohrungen 7 aus dem Geschwindigkeitsdreieck, also aus der Ausblasgeschwindigkeit C, der Umfangsgeschwindigkeit des Rades an dieser Stelle u und der Richtung der Durchbrüche.

Eine Verbesserung der Kühlung bringt die Verwendung von röhrchenförmigen Einsätzen 9. Ein solcher ist in Fig. 7 dargestellt. Der freie Abfluß von Kühlluft im Inneren des Röhrchens nach hinten wird durch 'eine Wand Io verhindert, so daß die Kühlluft durch radiale Bohrungen 11 austreten muß, wobei sie auf die Innenwände der Durchbrüche prallt und eine besonders gute Kühlung erzielt wird.

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Eine ähnliche Aüsführungsförm, jedoch mit weiter hintenliegender Wand 2o zeigt Fig. ]A.

Eine besondere Ausführungsform hat kreisförmige Durchbräche 14 mit röhrchenförmigen Einsätzen 12, die an der Außenseite Stege Ij5 aufweisen (Fig. 8).

Eine ähnliche Ausführungsform, aber mit ovalem Durchbruch 15 und dazu passenden Einsätzen zeigt Fig. 9·

Zwei weitere Ausführungsformen wie die beiden vorbeschriebenen, jedoch mit den Stegen 16 bzw. 17 in die Wände der Durchbrüche eingearbeitet zeigen die Fig. Io und 11.

Ein Beispiel für die axiale Fixierung eines Röhrchens ist in Fig. 12 und 13 gezeigt. Zwei Lappen l8 und 19, jeder an einem Ende eines Röhrchens werden in entsprechende Einfräsungen hochgebogen.

Eine Weiterentwicklung einer Turbinenstufe nach der Erfindung ist in den Fig. 15 bis 2o gezeigt. Der Längsschnitt durch die Stufe zeigt den Zwischenboden 21 des Leitapparates mit den Bohrungen 22, durch welche die Kühlluft auf eine radial etwas weiter innenliegende Stelle des Laufrades 2j5 geblasen wird. Die Radscheibe ist an der Übergangsstelle zum Kranz sehr sehmal, so daß auf schräg liegende Durchbrüche verzichtet und zu achsparallel verlaufenden 24 übergegangen werden kann.

Dies ist aber nur möglich, v/eil radial verlaufende Rippen, welche zwischen den Durchbrüchen nach innen laufen und sich im wesentlichen nach der Scheibe zu verjüngen, die seitlich überstehenden

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Partien des Kranzes abstützen. Um die durch die Rippen verursachten Ventilationsverluste zu vermeiden und das Druckgefälle der das Turbinenrad durchströmenden Kühlluft zu erhöhen, sind an beiden Stirnseiten scheibenförmige Ringe 26, 27 angebracht. Auf der Hochdruckseite ist zwischen der inneren Kante des Ringes 26 und der Scheibe eine Passage 28, auf der Niederdruckseite zwischen der äußeren Kante des Ringes 27 und dem Kranz eine Passage 29 vorgesehen, durch welche die Kühlluft ein- bzw. ausströmen kann.

Die längs durchlaufenden Schlitze 25 in Fig. 15 gestrichelt gezeichnet) verlaufen natürlich weiterhin den Schaufeln folgend zwischen diesen schräg und so, daß sie über die hier aus Gründen des Spanungsverlaufes ovalen Durchbrüche direkt hinweglaufen.

Die Einsätze Jo sind aus Blech gefertigt und dienen der Intensivierung der Kühlung in den Durchbrüchen unter Ausnutzung des Pralleffektes. Hierzu ist ihr mittlerer Teil 31 so gestaltet, daß zwischen ihnen und den·Durchbruchswänden genügend Abstand bleibt, um die Kühlluft durch Bohrungen 32 gegen die Durchbruchswände zu blasen.

Das hochdruckseitige Ende 33 der Einsätze ist so aufgeweitet, daß es an der Durchbruchsinnenwand rundum anliegt und somit fixiert ist. Das niederdruckseitige Ende 34 der Einsätze ist flachgedrückt und umgebogen, um ein Austreten von Kühlluft aus dem Inneren des Einsatzes zu verhindern und das Röhrchen gegen axiales Verrutschen zu sichern.

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Claims

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Patentansprüche

11./Turbinenstufe mit Luftkühlung und Turbinenrad, bei dem Kranz und Schaufeln aus einem Stück gefertigt sind, welches an der äußeren Kranzpartie zwischen den Schaufelfüßen Sollbruchstellen für Wärmerisse an den Enden von Schlitzen aufweist, ferner Durchbrüche, welche den Festigkeitsverband zwischen Scheibe und Kranzpartien örtlich axial durchgehend durchbrechen und zum Verhindern des Durchströmens von heißen Gasen nachträglich wieder verschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche prismatische Form haben, nahe an der Außenseite des Radkranzes liegen, dabei die Hoch-Niederdruckseite durchströmbar untereinander verbinden und daß die Kerben zum Bilden der Sollbruchstellen zwischen den Schaufelfüßen direkt an der Außenseite des Radkranzes parallel zu den Durchbrüchen und direkt über diesen verlaufen und daß nur eine sehr schmale Sollbruchstelle:zwischen Kerbe und Durchbruch stehenbleibt.

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2. Turbinenstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft aus einer Anzahl kreisförmig und hoch-■ . druckseitig gegenüber den Durchbrüchen angeordneter Bon-' ■ rungen direkt auf die Durchbrüche geblasen wird. Dabei

liegt die Richtung der Bohrungen in einer etwa achsparallelen ■ Ebene und so, daß die Kühlluft windschief zur·Turbinenachse ausgeblasen und unter Auslegungsverhältnissen stoßfrei in die prismenförmigen Durchbrüche eintritt.
3. Turbinenstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die prismenförmigen Durchbrüche mit röhrchenförmigen Einsätzen versehen werden, die so bemessen und angeordnet sind, daß zwischen Durchbruchswanden und Einsätzen ein überall etwa gleichbleibender Zwischenraum verbleibt, deren innerer Querschnitt ferner etwa in der Mitte ihrer axialen Erstreckung durch eine dünne V/and versperrt ist. und die in Ihrer Rohrwand eine Vielzahl von radialen Bohrungen aufweisen.

K Turbinenstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die prismenförmigen Durchbrüche kreisförmigen Querschnitt haben.

5. Turbinenstufe nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß die prismenförmigen Durchbrüche ovalen, beispielsweise elliptischen Querschnitt haben.

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6. Turbinenstufe nach Ansprüchen 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung des gleichmäßigen Abstandes zwischen Einsatz und Durchbruchwand vorzugsweise je Bohrung 3 axial verlaufende und gleichmäßig um die Röhrchen verteilte Stege angeordnet sind.

7. Turbinenstufe nach Anspruch -6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege mit den Röhrchen fest verbunden sind.

8. Turbinenstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege mit den Wänden durch Durchbrüche fest verbunden sind, beispielsweise durch ihre Herstellung aus einem Stück«

9. Turbinenstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Stege unmittelbar an der Sollbruchstelle anliegt.

lo. Turbinenstufe nach den Ansprüchen 1 -3, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:·

1. der Radkranz wird teilweise von einer der Schaufelzahl entsprechenden Anzahl Rippen getragen, die an beiden Stirnseiten zwischen Kranz und Scheibe radial verlaufen und selbst stirnseitig durch zwei ringförmige Scheiben abge-■ deckt sind, deren eine hochdruckseitig angeordnet ist und zwischen ihrem inneren Rand und der Turbinenscheibe einen Durchtrittsquerschnitt für die Zufuhr von Kühlluft aufweist, während die andere niederdruckseitig angeordnet ist und sich zwischen ihrem radial äußeren Rand und der Turbinen- ^, scheibe einen Austrittsquerschnitt für die Kühlluft befindet - - .

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2. die Durchbrüche verlaufen achsparallel und sind oval und

3. die Zwischenräume zwischen den ovalen Durchbrüchen und den Einsätzen werden mit Hilfe von Aufweitungen an den beiden axialen Enden der Einsätze eingehalten und die Einsätze an ihren niederdruckseitigen Enden durch umgebogene Lappen verschlossen und axial fixiert.

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