DE2363340A1 - Gekuehlter zylinder fuer einen turbinenrotor - Google Patents

Description

PATENTANWALT P_{-1 BERLIN 33} 12.12.1973

MANFREDMIEHE FALKENRIED

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Diplom-Chemiker Telegramme: Indusprop Berlin

Telex: 0185443

US/16/2146 L-42O-F-9

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USA
Gekühlter Svlinder für einen Turbinen-Rotor

L.s wird ein luftgekühlter Zylinder für einen Turbinen-Rotor geschaffen, der einen inneren Ring angeordnet benachbart zu den Spitzen einer Mehrzahl an Turbinenschaufeln aufweist, die an einem Turbinenläufer befestigt sind. Ein einteilig aufgebauter äußerer Ring und ein einteilig aufgebauter Steg bilden zwischen den Ringen einen ringförmigen Raum. Es wird Kühlluft zu dein offenen faicle des ringförmigen Raumes zugeführt und tritt durch Öffnungen stromauf der Turbinenschaufeln aus unter Kühlen des inneren Rings. Ein Ablenkteil :ait einer Reihe Rippen ist in dem ringförmigen Raum vorgesehen und wirkt dergestalt, daß ein kurzer Laufweg für die Kühlluft bei niedrigeren Texaperaturen und ein wesentlich längerer Fließweg bei höheren Temperaturen vorliegt. Dies wirkt dergestalt, daß eine Veränderung der radialen iiärme aus dehnung in dem inneren Ring hintenangehalten wird.

Die Erfindung betrifft Turbomaschinen und insbesondere Zylinder für Turbinen-Rotoren.

Einer der wichtigsten Parameter bei dem Aufbau einer Turbomaschine ist der lichte Abstand zwischen einem ringförmigen Zylinder und den Stützen der Turbinenschaufel^ die im Inneren des Zylinders umlaufen auf Grund des Vorbeitrittes des heißen Gases über die Schaufeln. Bei Verringern dieses lichten Abstandes nimmt der ■"Wirkungsgrad der Turbine zu.

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Der theoretische Idealvert ist ein Nu JLl-Ab st and, jedoch kann dies nicht erreicht werden, da sich die Abmessungen des Zylinders und der Schaufeln in unterschiedlicher Weise auf Grund der Veränderungen der Arbeitsbedingungen der Turbine verändern. Die Turbinenschaufeln vergrößern ihre Länge auf Grund der Wärraeausdehnung und auf Grund der Zentrifugalkraft. Der Zylinder vergößert sich radial auf Grund der Wärmeausdehnung.

Der lichte Abstand zwischen den Spitzen der Schaufeln und dem Zylinder muß für Übergangsbedingungen ausgelegt sein, um so ein Reiben zwischen den Spitzen der Schaufeln und dem Zylinder zu vermeiden. Dies führt jedoch zu sehr großen lichten Abständen zwischen der Spitze der Schaufeln und dem Zylinder bei normalen Arbeitsbedingungen. Es sind bereits Lösungen für das Kühlen des Zylinders in Vorschlag gebracht worden, um so dessen Wärmeausdehnung hintenanzuhalten und den entsprechenden lichten Abstand zu verringern. Viele dieser Lösungen sind jedoch recht verwickelt und bedingen nur eine begrenzte Wirksamkeit in dem Halten der Warmeausdehnung bei einigermaßen vernünftigen Werten.

Sine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, einen Zylinder für einen Turbinen-Rotor in einer vereinfachten, verläßlichen und wirksamen Weise zu kühlen.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht vermittels eines Zylinders für einen Turbinen-Rotor, bei dem der Zylinder einen inneren ringförmigen Ring aufweist, der radial außerhalb gegenüber und eng benachbart zu den Snitzen einer -lehrzahl der Turbinen-Schaufeln angeordnet ist. Es wird ein einteilig aufgebauter äußerer Ring radial außerhalb bezüglich des inneren Rings angeordnet und mit demselben an einem Ende durch ein einstöckig aufgebautes Stegteil verbunden unter Ausbilden eines

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of fe-nenJigon ringförmigen Itau as zwischen den inneren un- 'iaßorsn ringen. Ein r.it dsm zveiten lunde des äußeren Rin-js einteilig aufgebauter Tragflansch ist so angepaßt, daß derselbe praktisch ortsfest relativ zu der Achse vorliegt, ui-.i die der Turbinen-Rotor umläuft. Es ist eine Anordnung vorgesehen für die Aufnahme von Kühlluft und richten derselben in das offene Ende des ringförmigen Raums zwischen den inneren und äußeren fingen. Der innere Ring weist eine mehrzahl allgemein nach innen gerichteter AuslaSöffnungen benachbart zu einem Ende auf für die Abgabe der Kühlluft. Dies ermöglicht einen Fluß der Kühlluft durch den ringförmigen Raun, wodurch die größtmögliche radiale Wärmeausdehnung des inneren Rings kleinstmöglich gehalten wird.

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

Figur 1 eine weggebrochene längsseitige Ansicht im Schnitt einer Turbomaschine mit einem Turbinen-Rotor und erfindungsgeinäßera Zylinder;

Figur 2 eine weggebrochene Ansicht längs der Linie II-II nach Figur 1 ;

Figur 3 ebenfalls eine weggebrochene Ansicht längs der •Linie III-III nach der Figur 1 in verkleinertem Maßstab;

Figur 1 ist eine weggebrochene längsseitige Ansicht einer mit achsialem Fluß arbeitenden Turbinenmaschinen-Anordnung 10. Die Turbinenmaschine 10 v/eist ein äußeres Schaufel-Versteifungsband 12, ein inneres Schaufel-Versteifungsband, nicht gezeigt, und eine Mehrzahl an Schaufeln 16 auf, die zwischen den Versteifungsbändern vorliegen, um so einen heißen Gasstrom auszurichten und zu beschleunigen, der durch eine Turbinen-Einlaßleitung

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hindurchtritt, welche teilweise durch eine ringförmige, innere Krümmung 14 begrenzt wird. Die Turbinenleitung empfängt den Gasstrom aus einer Verbrennungskammer, die teilweise durch eine sich zu der inneren Krümmung erstreckenden Wand 15 begrenzt wird. Wenn auch der für den Antrieb der Turbomaschine angewandte heiße Gasstrom durch eine Verbrennungskasiraer erhalten wird, wie dies bei einer Gasturbine der Fall ist, kann derselbe auch durch irgendeine andere Verbrennungsvorrichtung oder Vorrichtung zur Eeißgas-Erzeugung geliefert werden.

Der von dem Schaufeln 16 kommende Gasstrom tritt über eine 'lehrzahl an Turbinenschaufeln 18, die an einer drehbaren, ringförmigen Turbinenhabe befestigt sind, und dies ist hier aus Gründen der Einfachheit nicht weiter gezeigt. Der Vorbeitritt des Gases über die Turbinenschaufeln 18 vermittelt der Turbinennabe eine Drehbewegung, die an einem Kompressor einer Gasturbine oder eine Kraftabgabewelle unter Ausbilden einer Drehleistung angekuppelt werden kann. Das über die Turbinenschaufeln 18 getretende Gas kann einfach an die Außenluft abgegeben oder durch eine Reihe Schaufeln zurückgeführt werden, die durch ein äußeres Schaufel-Versteifungsband 24 und ein inneres Schaufelversteifungsband, nicht gezeigt, getragen werden, und zwar über weitere Turbinen-Rotor-Anordnungen. Ein Zylinder 23 ist radial außerhalb und eng benachbart zu den Spitzen 3O der Turbinenschaufeln 18 angeordnet, um so den Vorbeitritt des Gases über die Spitzen 30 der Schaufeln 18 hintenanzuhalten .

Der Zylinder 28 weist einen inneren, relativ dicken Ring 32 mit einer inneren Oberfläche34 radial außerhalb zu und eng benachbart zu den Spitzen 30 der Schaufeln 18 auf. Der Ring 34 v/eist einen dünneren, vorderen Abschnitt 36 auf,

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der 'iber einen einteilig aufgebauten Steg 38 mit dein vorderen Ende des dünneren äußeren Pings 40 verbunden ist. Der äußere Ring 40 weist einen hinteren,sich radial erstreckenden Flansch 42 auf, der an einem ringförmigen Tragflensch 44 über eine Reihe Bolzenanordnungen, nicht gezeigt, im Abstandsverhältnis um den Umfang herum befestigt werden kann.. Der Flansch 44 ist einteilig mit einem Zylinder-Rahmenelement 45 ausgeführt, daß an seinem vorderen Ende mit dem Schaufelversteifungsband 12 verbunden ist. Das Rahmenelement kann ortsfest relativ zu der Drehachse des Turbinen-Rotors über eine geeignete Bauliche'Anordnung befestigt werden, wie sie auf äera einschlägigen Gebiet allgemein bekannt ist. Sin ringförmiges Ablenkteil 47 erstreckt sich von den Flansch 44 zu dem Schaufel-Versteifungsband 12 unter Ausbilden einer Kammer für Kühlluft zwischen dem Ablenkteil 47 und dem Rahmenelement 45. Ein ringförmiges Ablenkteil 43 erstreckt sich von dem Ablenkteil 47 zu der Stromabkante des Schaufelversteifungsbandes 12 unter Ausbilden einer zusätzlichen Kühlluft-Kammer für das Schaufel-Versteifungsband 12. Geeignete Kanäle, nicht gezeigt, zwischen diesen Elementen richten Kühlluft auf das Schaufel-Versteifungsband 12 und die Schaufeln 16. Die Kühlluft für diesen Zweck wird von einer geeigneten Quelle geliefert - Kompressor-Luft in dem Fall einer Gasturbine - und tritt durch eine Mehrzahl Kanäle 43 hindurch, die sich durch die Flansche 44 und 42, siehe Figur 2, erstrecken. Die Verbindung von dem Kompressor ist hier in Fortfall gekommen, um eine vereinfachte Darstellung zu ergeben. Es versteht sich jedoch für den Fachmann, daß es viele Möglichkeiten für eine Verbindung der Luftquelle von dem Kompressor aus zu den Öffnungen gibt.

Eine Reihe radialer Auskehlungen 50 streckt sich von den Kanälen 48 in dem Flansch 42 nach innen hin zu dem inneren

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umfang 52 des äußeren Rings 4O. Ein dünnes, blechartiges Flanschelement 54 stößt an die hintere Fläche des Flansches 42 unter Ausbilden einer Reihe radialer Kanäle in Kombination mit den Auskehlungen 50. Der Flansch 54 weist ein Lippenteil 56 auf, daß an eine Umfangs-Auskehlung " 58 in dem inneren Ring 32 so anstößt, daß das offene Ende des zwischen den inneren und äußeren Ringen 32 bzw. 40 gebildeten ringförmigen Raums abgedichtet ist.

Eine Reihe Auslaß-Öffnungen 60 ist durch den inneren Ring 32 hindurch vom dem ringförmigen Raum aus bis zu einer Stelle vorgesehen, die in Verbindung steht mit dem über die Schaufeln 18 fließenden Heißgas-Strom. Wie insbesondere in der Figur 3 gezeigt, begrenzen die Achsen dieser öffnungen spitze Winkel bezüglich einer Ebene, die senkrecht zu der mittleren Achse des Zylinders 23 verläuft.

Ein Ablenkteil 62 mit Ringform ist in dem ringförmigen Raum zwischen den Ringen 32 und 40 angeordnet. Das Ablenkteil 62 weist ein ringförmiges, dünnwandiges Element 64 auf, das eine Mehrzahl an einteilig aufgebauten Rippen 66 besitzt, die in der Seite gegenüberliegend zu dem inneren Ring 32 ausgebildet sind. Eine Lippe 65 an dem vorderen Ende des Elementes 64 stößt an das Stegteil 38 des Zylinders 28 unter Lageranordnung des Ablenkteils 62-, Wie an Hand der Figur 3 ersichtlich, erstrecken sich die Rippen 66 in einer Richtung, wie einem spitzen Winkel bezüglich einer Bbene senkrecht zu der Achse des Zylinders 23 begrenzt. Die Kronen 67 der Rippen 66 sind so ausgebildet, daß sich eine vorherbestimmte Rippenhöhe relativ zu dem achsialen Raum zwischen· den Ringen 32 und 40 ergibt, sodaß bei der maximal zu erwartenden Temperatur des Rings 32 und somit der größten radialen Ausdehnung die Kronen 67 an die äußere Wand des Rings 32 anstoßen.

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Während des Betriebes der Turbo--laschine tritt der lieißgasstrom durch die Schaufeln 16 und über die Flügel 13, wodurch eier Turbinenrotor umläuft. Der Gasstrom erhitzt den Ring 32, wodurch sich derselbe radial ausdehnt, bedingt durch die Wärmeausdehnung. Die Dicke des Rings 32 verhindert, daß derselbe auf Grund einer Verzerrung nicht-kreisförmig wird, und der Steg 3S und der äußere Ring 40 ermöglichen diese Ausdehnung während der Ring 32 konzentisch bezüglich der Anhse des Turbinen-Rotors gehalten wird. Die Kühlluft tritt durch die Auskehlungen 50 in den ringförmigen Raum zwischen den Ringen und aus den öffnungen 60 heraus unter Verringern der Temperatur des Rings 32, wodurch die größtmögliche Wämeausdehnung desselben kleinstrnöglich gehalten wird.

Bei der höchsten zu erx^artenden Temperatur aes Rings stoßen die Rippen 66 an die äußere Oberfläche des Rings Dieser richtet die Kühlluft zu den Auslaßöffnungen über einen Laufwej allgemein parallel zu den Rippen Wie an Hand der Figur 3 ersichtlich, ist der Fließweg für die Luft unter diesen Bedingungen beachtlich und somit wird der Wirkungsgrad der Kühlung größtmöglich gehalten.

Bei Temperaturen unter der größtmöglichen Temperatur neigt der Ring 32 zu einem radialen Einschrumpfen in Richtung auf dessen normale Größe. Sobald dies eintritt wird ein lichter Abstand zwischen den Kronen 67 der Rippen 66 und der äußeren Oberfläche des Rings 3 2 ausgebildet. Dies ermöglicht einen Vorbeitritt der Kühlluft über den Rippen 66 und zu den Auslaß-Öffnungen über einen Laufweg allgemein parallel zu der Achse des Zylinders 28. Dieser Fließweg für die Kühlluft ist wesentlich kürzer als der Fließweg wenn die Rippen 66 an den Ring 32 anstossen.

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Als ERgebnis hiervon wird der Wirkungsgrad der Luftkühlung verringert, so daS die Temperatur des Rings 32 bei einem Wert enger benachbart zu dessen größtmöglicher Temperatur gehalten wird, als bei einer Anordnung, wo der Kühlwirkungsgrad sich stets bei einem einheitlichen Wert befindet. Dies führt wiederum dazu, daß der Ring 32 eine radiale Ausdehnung annimmt, die unabhängig von Veränderungen der Arbeitstemperatur des Motors sehr einheitlich ist. Das Ergebnis besteht in einem, stabilen lichten Abstand der Schaufelspitze, wodurch ein vorhersagbarer und zweckmäßiger Wirkungsgrad des iiotors sichergestellt wird.

Die Auslaß-öffnungen 60 geben die Kühlluft stromauf bezüglich der Flügel 18 ab, so daß deren ^f4assenfluß zu dem Massenfluß des HeißgasStroms addiert wird, der über die Turbinen-Flügel 18 verläuft, wodurch der Wirkungsgrad desselben relativ zu einem Zustand verbessert wird, wo die Luft stromab der Flügel oder Überbord abgegeben wird. Da die Öffnungen 60 die Luft in den Strom mit einer tangentialen Komponente richten, die angenähert derjenigen des GasStroms ist, wird jedwede Turbulenz in dem über die Turbinenflügel IS fließenden Gasstrom hintenangehalten, wenn nicht gar ausgeschaltet.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Gekühlter Zylinder für einen Turbinen-Rotor mit einer Mehrzahl sich radial erstreckender Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (23) einen inneren ringförmigen Ring (32) radial außerhalb zu und eng benachbart zu den SOitzeb (30) der Schaufeln (18) aufweist, ein einteilig ausgeführter äußerer Ring (40) radial außerhalb des inneren Rings (3 2) angeordnet und mit einem ersten Ende des inneren Rings (32) an einem ersten Ende,des äußeren Rings (40) durch ein einstöckig ausgeführtes Stegteil (35) verbunden ist unter Ausbilden eines offenendigen, ringförmigen Raums (62) zwischen den inneren und äußeren Ringen (32,40), ein Tragflansch · (42) einteilig mit dem zweiten Ende des äußeren Rings (407 ausgeführt und so angepaßt ist, daß derselbe praktisch ortsfest relativ zu der Drehachse des Turbinen-Rotors vorliegt, eine Anordnung (4 8,50,54,56)für die Aufnahme der Kühlluft und richten derselben in das offene Ende des ringförmigen Raums (52) zwischen den inneren und äußeren Ringen (32,40) vorliegt, der innere Ring (32) eine Mehrzahl allgemein nach innen gerichteter Auslaß-Öffnungen (60) benachbart zu dem ersten Ende desselben aufx-zeist für die Abgabe der Kühlluft und um einen Fluß der Kühlluft durch den ringförmigen Raum zu ermöglichen, Wodurch die größtmögliche radiale Wärmeausdehnung des inneren Rings(32) hintenangehalten wird.

   2. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß eine Anordnung (64>66) für das Verändern des Kühlwirkungsgrades der Luft vorgesehen ist, die durch den ringförmigen Raum auf Grund der Temperatur des inneren Rings (32) hindurchtritt,

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   so daß die durch Temperatur bedingten Veränderungen der radialen Wärmeausdehnung des inneren Rings (32) hintenangehalten werden.

   3. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzei c h η e t, daß die Anordnung für das Verändern des Kühlwirkungsgrades ein Ablenkteil (69) in dem ringförmigen Raum zwischen den inneren und äußeren Ringen (32,4O) aufgenommenist, und einen relativ langen Fließweg für die größten zu erwartenden Temperaturen des inneren Rings (.32) und einen wesentlich kürzeren Fließweg für Temperaturen unter den höchsten Temperaturen begrenzt.

   4. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkteil ein ringförmiges, dünnwandiges Element (64) aufweist, das eine Mehrzahl an einteilig ausgeführten Rippen (66) in der Seite besitzt, die dem inneren Ring 32 gegenüberliegt, die längsseitigen Achsen der Rippen (66) sich in einer Richtung erstrecken, die einen spitzen Winkel bezüglich einer Ebene begrenzt, die senkrecht zu der mittleren Achse des Rings (32) verläuft, die Höhe der Rippen (66) so ausgewählt ist, daß dieselben anstoßend zu dem inneren Ring gehalten werden, bei den Höchsttemperaturen das Kühlmittel in einer tangentialen Richtung über einen erheblichen Fließweg zu den Auslaß-Öffnungen (60) gerichtet wird, die Rippen (66) ihr Abstandsverhältnis gegenüber dem inneren Ring (32) bei Temperaturen haben, die unter den Höchsttemperaturen liegen, so daß Kühlluft über die Rippen (66) zu den Auslaßöffnungen (6O) über einen wesentlich kürzeren Fließweg fließen kann.

   5. Gekühlter Zylinder, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaß-Öffnungen (60)

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   sich ebenfalls in einer allgemein tangentialen Richtung so erstrecken, daß die Kühlluft in den heißen Gasstrom mit einer tangentialen Komponente abgegeben vrird, die ähnlich derjenigen des heißen Gasstroms ist.

   6. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Enden der inneren und äußeren Ringe (32,40) stromauf bezüglich der Turbinenschaufeln (18) und das offene Ende stromab angeordnet ist, wodurch die aus den Auslaß-Öffnungen (60) abgegebene Kühlluft in den Gasstrom eintritt, der über die Schaufeln (IQ) fließt, um so den MassenfIuQ der Gase über die Schaufeln (IS) zu erhöhen.

   7. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennse i chnet, daß die Auslaß-Öffnungen (60) winkelförmig in der Richtung des Gasflusses über die Schaufeln (18) so angeordnet sind, daß die Kühlluft ein 'iininiuin an Turbulenz bezüglich des heißen Gasstroms erzeugt, der über die Schaufeln (18) fließt.

   3. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung für das Richten der Kühlluft ein dünnwandiges Flanschelement (54) aufweist, das an der hinteren Fläche des Tragflansches befestigt ist, sowie ein Lippenteil (56) aufweist, das sich über den ringförmigen Raum zwischen den Ringen (32,4O) erstreckt unter Ausbilden eines gleitenden DichtungsEingriffs mit dem inneren Ring (32), der Tragflansch eine Mehrzahl an radial nach außen verlaufenden, die Kühlluft verteilenden Kanälen (50) und eine Mehrzahl an radialen Auskehlungen aufweist, die sich von den Verteilungs-Kanälen (48)"aus zu dem ringförmigen Raum zwischen den Ringen (32,40) erstrecken.

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   9. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ablenkteil (64) vorliegt, das in dem ringförmigen Raum zwischen den inneren und äußeren Ringen (32,40) aufgenommen wird, das Äblenkteil (64) einen erheblichen Fließweg für die Kühlluft dann begrenzt, wenn der innere Ring (32) seine höchste zu erwartende Temperatur aufweist, sowie einen kürzeren Pließweg für die Luft dann begrenzt, wenn der innere Ring sich bei einer Temperatur unter der höchsten Temperatur befindet, wodurch die durch die Temperatur bedingten Veränderungen der radialen Wärmeausdehnung des inneren Rings (32) hintenangehalten werden»

   10. Gekühlter Zylinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dasÄblenkteil ein dünnwandiges, ringförmiges Element (64) aufweist, das eine Mehrzahl an einteilig ausgeführten Rippen (66) an der Seite ausgebildet besitzt, die dem inneren Ring (32) gegenüberliegt, die Rippen (66) sich in einer Richtung erstrecken, die einen spitzen Winkel bezüglich einer Ebene begrenzt, die senkrecht su der mittleren Achse des Zylinders (28) verläuft, die Rippen (66) eine vorherbestimmte Höhe relativ zu der Entfernung zwischen den inneren und äußeren Ringen (32,40) besitzt, so daß die Rippen (66) an den inneren Ring (32) anstoßen unter Richten der Kühlluft in einer tangentialen Richtung, die einen erheblichen Pließweg zu den Auslaß-Öffnungen (60) bei der höchsten Temperatur besitzt, und im Abstandsverhältnls gegenüber dem inneren Ring (32) bei tieferen Temperaturen vorliegt, so daß relativ kürzere Fließwege für die Kühlluft bei Temperaturen unter den höchsten Temperaturen ermöglicht werden.

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