DE3121876C2 - Verbindungsvorrichtung für Laufschaufeln einer Axialturbine - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Verbinden der Turbinenschaufeln einer Turbine, wobei am radial äußeren Ende jeder Turbinenschaufel (1, 2) ein plattenförmiges Teil vorgesehen ist und sich im wesentlichen rechtwinklig zur Längsebene der Turbinenschaufel erstreckt. Das plattenförmige Teil (8, 9) springt von der Vorder- und der Hinterkante der Turbinenschaufel (1, 2) vor und weist in jedem Vorsprung (8a, 8b, 9a, 9b) Durchgangsbohrungen (10, 11) auf. Verbindungsglieder (12, 13) mit Zylinderstiften (14, 15) oder ähnlichen Vorsprüngen sind zwischen zwei benachbarten Turbinenschaufeln (1, 2) derart angeordnet, daß die Zylinderstifte (14, 15) in entsprechenden Durchgangsbohrungen (10, 11) drehbar aufgenommen sind. Dabei ist eines der Verbindungsglieder (12, 13) mit dem plattenförmigen Teil der Vorderkante der Turbinenschaufel und das andere Verbindungsglied mit dem plattenförmigen Teil der Hinterkante der benachbarten vorhergehenden Turbinenschaufel verbunden. Die Verbindungsglieder (12, 13) sind so angeordnet, daß sie teilweise unter den plattenförmigen Teilen (8, 9) der benachbarten Turbinenschaufeln (1, 2) liegen und während des Umlaufens der Turbine einander kontaktieren, wodurch dem Aufdrehen der Turbinenschaufeln (1, 2) entgegengewirkt und gleichzeitig eine Schwingungsdämpfung erzielt wird.

Description

2. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsglied (12,13) rhombisch ist, so daß die Verbindungsglieder (12, 13) durch die plattenförmigen Teile (8, 9) von so zwei benachbarten Laufschaufeln (1,2) nahezu vollständig überdeckt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsglied (12, 13) eine Stufe (21, 22) aufweist, die eine Ausnehmungsfläche unter dem plattenförmigen Teil (8,9) der benachbarten Laufschaufeln (1, 2) bildet, wodurch eine durch Fliehkräfte bedingte Elongations-Differenz zwischen der Vorder- und der Hinterkante jeder Laufschaufel (1,2) möglich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Verbindungsglieder (12, 13) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wichte sich von dem Werkstoff der Laufschaufel (1,

2) unterscheidet.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsvorrichtung für Laufschaufeln einer Axialturbine, mit einem am radial äußeren Ende jeder Laufschaufel gebildeten plattenförmigen Teil, das im wesentlichen rechtwinklig zur Längsebene der Laufschaufel verläuft und von deren Vorderkante und Hinterkante vorspringt, und mit Verbindungsgliedern, die mit den plattenförmigen Teilen in Anlage bringbar sind und derart zwischen den Außenenden der plattenförmigen Teile liegen, daß sie die plattenförmigen Teile der benachbarten Laufschaufeln teilweise überlappen, wobei die Verbindungsglieder Zylinderstifte tragen, die in Bohrungen der plattenförmigen Teile der benachbarten Laufschaufeln eingreifen und dadurch die benachbarten Laufschaufeln mecha-Tiisch miteinander verbinden.

Eine derartige Vorrichtung zeigt die DE-OS 26 01 568. Die Torsion in den beweglichen Schaufeln kann dabei nicht verhindert werden, weil kein Biegemoment, das das Tordieren der beweglichen Schaufeln verhindern kann, erzeugt wird. Dadurch besteht eine Bruchgefahr für die Schaufeln, weii sie zu Schwingungen neigen, die durch den Dampffluß angeregt werden, der verschiedene Schwingungskomponenten besitzt Die bekannte Vorrichtung besitzt nur eine kleine Schwingungsdämpfungswirkung, eine Reibungsdämpfung für die Schwingungen tritt nicht ein.

Die US-PS 33 02 9i5 zeigt eine Vorrichtung zum Verbinden benachbarter Turbinenschaufeln, insbesondere langer Turbinenschaufeln, die von ihrem Fuß bis zum Ende über ihre Gesamtlänge verdreht sind, in einer schwingungsdämpfenden Weise. Bei dieser bekannten Verbindungsvorrichtung weist jede Turbinenschaufel an der Vorder- und der Hinterkante ihres radial äußeren Endes Löcher auf. Eine Turbinenschaufel-Abdeckung weist an beiden Seiten horizontale Vorsprünge auf, von denen der eine in das Loch an der Hinterkante der vorhergehenden Turbinenschaufel eingepaßt und dort fest verstemmt ist, während der andere Vorsprung lokker in dem Loch in der Vorderkante der folgenden bewegten Schaufel aufgenommen ist, wodurch diese beiden Turbinenschaufeln miteinander verbunden sind.

Das Verhalten der Laufschaufeln bei den bekannten Verbindungsvorrichtungen wurde untersucht. Diese Untersuchungen haben gezeigt, daß der Betrieb der Turbine erheblich durch ein Aufdrehen der Laufschaufeln durch die Fliehkräfte nachteilig beeinflußt wird.

Im Betrieb wirkt auf jede Laufschaufel eine Fliehkraft, die ein Aufdrehmoment M in der Laufschaufel erzeugt Dieses Aufdrehmoment M entsteht durch ein Gegen moment M, das in der Laufschaufel-Abdeckung erzeugt wird. Ein übermäßiges Aufdrehen der Laufschaufeln wird durch horizontale Vorsprünge begrenzt, die an der jeweiligen Schaufel-Abdeckung angeordnet sind. Damit werden aber die Vorsprünge der Abdekkung mit einer sehr großen Kraft sowie mit einem hohen Biegemoment beaufschlagt. Infolgedessen besteht die Gefahr, daß die Vorsprünge während des Turbinenlaufs brechen und zu einem schwerwiegenden Unfall führen.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Verbindungsvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine hohe mechanische Zuverlässigkeit erreicht und das Aufdrehen der Turbinenschaufeln wirksam verhindert wird, während gleichzeitig die Schwingungen der Laufschaufeln gedämpft werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angeführten Merkmale.

Die Unteransprüche kennzeichnen zweckmäßige weitere Ausbildungen.

Eine derartige Laufschaufel-Verbindungsvorrichtung bietet eine Reihe von Vorteilen hinsichtlich der Entlastung der mechanischen Teile der Vorrichtung von übermäßig hohen Kräften, der Aufnahme von bei der Fertigung der Laufschaufeln unvermeidlichen Fehlern, der leichten Einstellung der Schwingungsfrequenz sowie der starkem Schwingungsdämpfung in sämtliche Richtungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 perspektivisch Laufschaufeln einer Dampfturbine mit Verbindungsvonichtungen an ihren freien Enden;

F i g. 2 eine Explosionsdarstellung zweier Schaufelenden mit Verbindungsvorrichtungen;

F i g. 3 eine Draufsicht auf die Verbindungsvorrichtung bei stehendem Laufrad;

F i g. 4 einen Schnitt IV-IV in F i g. 3;

F i g. 5 eine Perspektivansicht eines Verbindungsstücks nach F i g. 4;

F i g. 6 eine der F i g. 3 entsprechende radiale Draufsicht der Verbindungsvorrichtung bei laufender Turbine;

F i g. 7 einen Schnitt VII-VH nach F i g. 6; und

F i g. 8 eine Perspektivansicht des Verbindungsstücks nach F i g. 7.

Die dargestellten Laufschaufeln 1, 2 sind von ihrem Fuß bis zu ihrem radial äußeren Ende über ihre Länge verdreht und in schwingungsdämpfender Weise durch Vorrichtungen miteinander verbunden. An den freien Enden der Laufschaufeln 1, 2 sind plattenförmige Teile 8a, 8b, 9a, 9b vorgesehen, an deren Unterseite Verbindungsglieder 12,13 angreifen.

Nach F i g. 2 und 3 ragen die plattenförmigen Teile 8a. 9b von der Hinterkante (Dampfeintrittsseite) la und der Vorderkante (Dampfaustrittsseite) 2b horizontal entgegengesetzt und senkrecht zur Schaufelachse vordachartig hinaus. Lenachbarte Laufschaufeln weisen gleiche Ansätze auf, die von ihren Hinterkanten bzw. Vorderkanten vorspringen. In den plattenförmigen Teilen 8a, 9a und Sb, 9b sind vertikale Durchgangsbohrungen 10 bzw. 11. Die plattenförmigen Teile 8a und 9b werden so justiert, daß zwischen ihnen ein schmaler Spalt G erhalten wird. Die Verbindungsglieder 12, 13 sollen die Schwingungen der Laufschaufeln dämpfen und verbinden die Schaufelenden miteinander.

Je ein Verbindungsglied ist an der Unterseite des rückseitigen Teiles 8a dei Laufschaufel 1 und des vorderseitigen Teiles 9b der Laufschaufel 2 befestigt Auf den Oberseiten der Verbindungsglieder 12,13 sind Zylinderstifte 14, 15 angeformt, die jeweils in eine der Durchgangsbohrungen 10,11 in den Teilen 8a, 9b drehbar eingreifen. Die Verbindungsglieder 12,13 haben einen rhombischen Grundriß und ihre Enden 12a bzw. 13a untergreifen die plattenförmigen Teile 9b, 8a der benachbarten Laufschaufeln. Ferner weisen die Verbindungsglieder 12,13 gering vorspringende Kontaktoberflächen 16,17 an ihren anderen Enden auf, die den Laufschaufelflächen zugewandt sind. Nach der Montage liegen die Kontaktoberflächen 16,17 mit den Oberflächen der Laufschaufeln 1, 2 in Kontakt, wobei zwischen den Enden 12a, 13a der Verbindungsglieder 12,13 ein Spalt F aufrechterhalten wird. Die Oberflächen der Verbindungsglieder 12, 13 wirken ferner als Druckaufnahmeflächen und kontaktieren 'jei Beaufschlagung mit Fliehkräften die Unterseiten der plattenförmigen Teile 8a, 9b.

Nachstehend wird die Konstruktion der Verbindungsglieder im einzelnen erläutert Nach F i g. 3, die eine Drautsicht auf die Verbindungsvorrichtung zeigt, und nach F i g. 5, die das Verbindungsglied 13 vor der Montage am plattenförmigen Teil 9b der Laufschaufel 2 zeigt weist das Verbindungsglied 13 einen Zylinderstift 15 auf, der einstückig mit dem Verbindungsglied 13 in der Mitte von dessen Oberseite gebildet ist Dieser Zylinderstift 15 ist drehbar in der Durchgangsbohrung 11 ίο aufnehmbar, die in dem von der Vorderkante der Laufschaufel 2 vorspringenden plattenförmigen Teil 9b gebildet ist Der Zylinderstift 15 ist an seinem Oberende geringfügig eingestemmt so daß er nicht aus dem Durchgangsloch 11 herausfällt Dieses Einstemmen ist notwendig, um zu verhindern, daß das Verbindungsglied 13 im Ruhezustand des Turbinenlaufrads aus dem Vorsprung der Laufschaufel 2 herausfällt Die der Schaufelfläche der Laufschaufel 2 zugewandte Endfläche des Verbindungsglieds 13 ist bei 22 abgeschrägt um die Ekke des plattenförmigen Teils 9b der L ?:jfschaufel 2 nicht zu berühren. .Auch ist am unteren Anschnitt des Zylinderstifts 15 eine Ringnut 20 gebildet, um die Ecke der Durchgangsbohrung 11 des plattenförmigen Teils 96 nicht zu berühren. Die Abschrägung und die Ringnut verhindern gemeinsam einen örtlichen Kontakt des plattenförmigen Teils 9b und gewährleisten damit eine gleichmäßige Bewegung um den Zylinderstift 15 herum sowie gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit am Fuß des Zylinderstifts 15. Ferner ist an dem der Schaufeloberfläche der Laufschaufel 2 zugewandten Ende der Seitenfläche des Verbindungsglieds 13 die Kontaktfläche 17 gebildet, die mit der Schaufeloberfläche der Laufschaufel in Kontakt gelangt. Das Verbindungsglied 12 ist im wesentlichen identisch mit dem Verbindungsglied 13, jedoch ist an seinem Ende 12a eine Stufe 21 gebildet

Nachstehend werden die Betriebsweise und Funktion der Verbindungsglieder während des Umlaufens des Turbinenlaufrads erläutert.

Bei umlaufendem Turbinenrad werden die Laufschi jfeln 1,2 durch die Fliehkräfte aufgedreht, so daß sich der Spalt G zum Spalt C vergrößert. Dieser Spalt Cist durch den Abstand F zwischen den Verbindungsgliedern 12 und 13 bestimmt, wenn ihre an den Enden vorgesehenen Kontaktoberflächen 16, 17 die Laufschaufeln 1, 2 im Ruhezustand berühren. Im Betrieb gelangen Kontaktoberflächen 18,19 an den Enden 12a und 13a der Verbindungsglieder 12 bzw. 13 in Kontakt, so daß der Abstand FNuII ist. Dabei wird der Grad des so Aufdrehens der Laufschaufeln auf einen vorbestimmten Wert begrenzt Dies bedeutet, daß sich im Betrieb die Verbindungsglieder 12,13 nur geringfügig um die Zylinderstific 14, 15 verdrehen und die Kontaktoberflächen 16,17 in Kontakt mit den Flächen der Laufschaufeln 1,2 bringen, während s;?h die Enden 12a, 13a Jsr Verbindungsglieder 12,13 mit ihren Verbindungjflächen 18,19 aneinander abstützen und dabei die Kraft zur Begrenzung des Aufdrehens der Laufschaufeln erzeugen.

Wie aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich, springt die Kontaktoberfläciie 17 vom Verbindungsglied 13 gering nach unten vor, so daß die Kontaktoberfläche 17 eine .ausreichend große Fläche hat, um eine hinreichende Festigkeit sicherzustellen. Ferner ist die Kontaktoberfläche 19 ebenfalls so ausgelegt, daß sie die erforderliche Kontaktfläche hat

Die die Verbindungsglieder 12, 13 beaufschlagende Fliehkraft erreicht bei der Nenndrehzahl der Turbine gut 800 kg. Da jedes Verbindungsglied 12,13 rhombisch

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ist, ist es möglich, auf der Oberfläche der Verbindungs- die Verbindungsglieder 12, 13 jeweils gesondert gebil-

glieder eine ausreichend große Di'uckaufnahmefläche detsind.

zu erhalten, um die Laufschaufel-Schwingungen zu Bei der erfindungsgemäßen Laufschaufel-Verbindämpfen. Die radiale Elongation der Laufschaufel an dungsvorrichtung sind die Verbindungsglieder 12, 13 ihrer Vorderseite infolge der Fliehkraft unterscheidet 5 mit den benachbarten Laufschaufeln durch die Zylindersich von derjenigen an der Hinterseite der Schaufel. stifte 14,15, die Kontaktoberflächen 16,17 und 18,19 so Dies wird unter Bezugnahme aufdie F ig. 7 und 8 näher verbunden, daß ein Widerstand gegen Aufdrehen ererläutert. Wenn die Fliehkräfte beide Laufschaufeln 1 zeugt wird. Es sei angenommen, daß die Laufschaufel in und 2 beaufschlagen, wird zwischen dem hinterseitigen Umfangsrichtung, d. h. in Richtung des Pfeils χ in F i g. 6, plattenförmigen Teil 8a der Laufschaufel 1 und dem 10 schwingt; in diesem Fall tritt eine geringe relative vorderseitigen plattenförmigen Teil 9b der benachbar- Schwingung an den Kontaktoberflächen 18,19 der Verten Laufschaufel 2 eine Elongations-Differenz ^erzeugt. bindungsglieder 12,13 auf. Damit wird die Schwingung Es sei angenommen, daß der plattenförmige Teil 8a eine größtenteils durch die Reibung zwischen den Kontaktgrößere Elongation als der plattenförmige Teil 9b der oberflächen 18 und 19 absorbiert, benachbarten Laufschaufel zeigt Infolgedessen tendiert 15 Wenn dagegen die Laufschaufel in Axialrichtung, d. h. der Endabschnitt der Oberfläche des Verbindungsglieds in Richtung des Pfeils y, schwingt, wird die Schwingung 12, das den plattenförmigen Teil 8a kontaktiert, dazu, wirksam von der Reibung zwischen den Druckaufnahden plattenförmigen Teil 9b der benachbarten Lauf- meflächen, d. h. den Unterseiten der plattenförmigen schaüfei zu köiiiäkiicrcn und diese zwangsweise anzu- Teile der entsprechenden Laufschaufeln und den Oberheben. Um dies zu vermeiden, ist der Endabschnitt des 20 flächen der Verbindungsglieder 12,13, aufgenommen. Verbindungsglieds 12, der den plattenförmigen Teil 9b Im Fall von Schwingungen mit wesentlich höheren überlappen soll, von der die Druckaufnahmefläche bil- Amplituden ist es durch Aufrechterhaltung des Spalts denden Oberfläche des Verbindungsglieds 12 aus um G' zwischen den benachbarten plattenförmigen Teilen einen Betrag vertieft, der der Elongations-Differenz 8a und 9a möglich, die Bewegung der Laufschaufeln 1,2 entspricht, wodurch eine Stufe oder Ausnehmung 21 25 aufeinander zu zu unterbinden, wodurch die Schwingebildet ist Die Stufe 21 ist auch erforderlich, um die gungen dieser Schaufeln begrenzt werden. Höhendifferenz zwischen den plattenförmigen Teilen 8 Bezüglich der Schwingungen in Richtung des Pfeils z, und 9 auszugleichen, die bei der mechanischen Bearbei- d. h. in Vcrdrehrichtung, wird eine starke Schwingungstung und Montage unvermiedlich ist. dämpfungswirkung durch die Reibung zwischen den Die die Verbindungsglieder 12,13 während der Rota- 30 Kontaktoberflächen 18, 19 der Verbindungsglieder 12, tion beaufschlagenden Fliehkräfte werden von den un- 13, die Reibung infolge der Fliehkraft zwischen den obeteren Druckaufnahmeflächen der plattenförmigen Teile ren Druckaufnahmeflächen der Verbindungsglieder 12, 8a und 9a aufgenommen. Es ist möglich, durch geeignete 13 und den Unterseiten der plattenförmigen Teile der Wahl der Größe der plattenförmigen Teile 8a, 9b sowie Schaufeln sowie die Reibung zwischen benachbarten der Größe der Verbindungsglieder 12,13 einen hinrei- 35 plattenförmigen Teilen der Laufschaufeln erzielt, chend großen Flächenbereich zu erhalten. Wie aus der Ein weiterer, die Schwingungen betreffender Vorteil vorstehenden ErUuterang ersichiüch ist, wrd die Lauf- besteht darin, daß durch Einstellen des Spalts G zwischaufeli-Verbindungsvorrichtung während des Turbi- sehen benachbarten plattenförmigen Teilen sowie des nenbetriebs sowohl von der das Aufdrehen der Lauf- Spielraums zwischen den Verbindungsgliedern die schaufel verhindernden Kraft als auch von der Flieh- 40 Möglichkeit besteht, die der Aufdrehkraft entgegenwirkraft beaufschlagt. Da die an den plattenförmigen Tei- kende Kraft, d. h. die Steifigkeit des äußeren Endablen benachbarter Laufschaufeln anliegende Verbin- Schnitts jeder Laufschaufel, zu verstellen, um eine Eindungsglied-Baugruppe jedoch aus zwei gesonderter. stellung der Resonanzsfrequenz der Laufschaufel zu erGliedern 12,13 besteht, wird die in der Verbindungsvor- möglichen. Dies stellt wiederum eine sehr wirksame richtung: wirkende Kraft von der Reibungsverbindung 45 Maßnahme zum leichten Verhindern der Resonanzzwischen den Kontaktoberflächen 18, 19 der Verbin- schwingungen des Laufrads dar und ermöglicht somit dungsglieder IZ 13 absorbiert und kann somit praktisch ein Betreiben der Turbine mit solcher Drehzahl, daß in vollständig eliminiert werden. der Laufschaufel eine von deren Resonanzfrequenz weit Wie aus F i g. 6 ersichtlich, wird die dem Aufdrehen entfernte Schwingung erzeugt wird, wodurch ein erhebder Laufschaufeln entgegenwirkende Kraft in der Ver- 50 Iicher Beitrag zur Verbesserung der Sicherheit *-eim bindungsvorrichtuv.g an den drei Flächen der beiden Betrieb der Turbine geleistet wird.

Verbindungsglieder 12,13 aufgenommen, und zwar der Kontaktoberfläche 17 des Verbindungsglieds 13, die die Hierzu 4 Blatt Zeichnungen Laufschaufel 2 kontaktiert, an den einander kontaktie-

renden Kontaktoberflächen 18,19 der Verbindungsgiie- 55 der 12, 13 und der Kontaktoberfläche 16 des Verbindungsglieds 12, die die Laufschaufel 1 kontaktiert, so daß sämtliche Laufschaufeln gleichmäßig miteinander verbunden sind Falls es erwünscht ist, die Vorderkante und die Hinterkante der Laufschaufel mit unterschiede 60 chen Lasten infolge der Fliehkraft zu beaufschlagen, so können die Verbindungsglieder 12, 13 aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden. Zum Beispiel kann das Verbindungsglied 12 aus Leichttitan und das Verbindungsglied 13 aus Stab! hergestellt sein. Es äst ferner 65 möglich, diese Verbindungsglieder hinsichtlich ihrer Größe verschieden auszubilden. Der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe und Größen ist möglich, weil

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verbindungsvorrichtung für Laufschaufeln einer Axialturbine, mit einem am radial äußeren Ende jeder Laufschaufel gebildeten plattenförmigen Teil, das im wesentlichen rechtwinklig zur Längsebene der Laufschaufel verläuft und von deren Vorderkante und Hinterkante vorspringt, und mit Verbindungsgliedern, die mit den plattenförmigen Teilen in Anlage bringbar sind und derart zwischen den Außenenden der plattenförmigen Teile liegen, daß sie die plattenförmigen Teile der benachbarten Laufschaufeln teilweise überlappen, wobei die Verbindungsglieder Zylinderstifte tragen, die in Bohrungen !5 der plattenförmigen Teile der benachbarten Laufschaufeln eingreifen und dadurch die benachbarten Laufschaufeln mechanisch miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet,

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— daß die Verbindungsglieder (12,13) aneinander anliegen können, wobei das eine Verbindungsglied (13) in den plattenförmigen Teilen (9b) an der Vorderkante (2b) der Turbinenschaufel (2) drehbar eingreift und einen Endabschnitt (13a) aufweist, der sich zu dem plattenförmigen Teil (8a) an der Hinterkante (ta) der benachbarten Turbinenschaufel (1) hin erstreckt, und wobei das andere Verbindungsglied (12) in den plattenförmigen Teil (Sa) an der Hinterkante der Turbine: schaufel (1) drehbar eingreift und einen Endabschnitt (12a,) ^ufweist, der sich zu dem plattenförmigen TeFl (9b) an der Vorderkante (2b)der Schaufei(2) h^;^ erstreckt, und

— daß die Verbindungsglieder (12,13) derart ausgebildet sind, daß sich benachbarte Verbindungsglieder (12,13) mit ersten Kontaktoberflächen (18, 19) aneinander anlegen und mit den zugehörigen Laufschaufeln (1, 2) mit zweiten Kontaktoberflächen (16, 17) jeweils in Beruhrung kommen, wenn die benachbarten Laufschaufeln (1, 2) voneinander weg bewegt wer den, so daß der Abstand (G) zwischen den benachbarten Laufschaufeln (1,2) über einen vorbestimmten Wert hinaus vergrößerbar ist.