DE3346498A1

DE3346498A1 - Konvergente/divergente schubduesenanordnung

Info

Publication number: DE3346498A1
Application number: DE19833346498
Authority: DE
Inventors: Dennis Claude Stuart Fla. Jones; James Franklin Palm Beach Gardens Fla. Marshall
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1984-06-28
Also published as: SE8307016D0; IL70565A; SE8307016L; GB8333478D0; GB2132278A; SE454105B; GB2132278B; JPS59134356A; US4456178A; IL70565A0; BE898567A

Description

FATEiSITANW^LJE:. :

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt-Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

Patentanwälte Menges & Prahl, Erhardtstr. 12, D-8000 München 5 Dipl.-Ing. Rolf Menges

Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl

Telefon (089) 2 0159 50 Telex 5 29 581 BIPATd Telegramm SIPAT München

IhrZeichen/Yourref.

UnserZeichen/Ourref. U

Datum/Date 22.12.1983

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Konvergente/divergente Schubdüsenanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf Schubdüsen mit veränderbarer Querschnittsfläche für Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere dafür vorgesehene Gleichlaufringe.

Dreidimensionale konvergente/divergente Düsen mit veränderbarer Querschnittsfläche sind bekannt. Beispiele solcher Düsen sind in den US-Patentschriften 3 792 815, 4 141 501, 4 196 856 und 4 245 787 beschrieben. Diese US-Patentschriften beschreiben jeweils Düsen, die konvergente Klappen, divergente Klappen und äußere Düsenklappen haben. Mit Ausnahme der US-PS 4 196 856 sind in jedem Fall entweder die konvergenten oder die äußeren Klappen an einem festen Triebwerksgerüst drehbar angelenkt. Im Falle der US-PS 4 196 856 sind die stromaufwärtigen Enden der äußeren Klappen unabhängig von der Bewegung der konvergenten und divergenten Klappen durch eine Betätigungsvorrichtung

axial verschiebbar, die unabhängig von dem Betätigungssystem arbeitet, das die konvergenten und divergenten Klappen bewegt. Das gestattet zwar eine beträchtliche Bewegungsfreiheit, das Erfordernis eines zweiten Betätigungssystems ist angesichts seines zusätzlichen Gewichts, der zusätzlichen Kosten und der größeren Komplexität jedoch unerwünscht.

Die nicht vorveröffentlichte DE-OS 32 42 822 beschreibt eine axial verschiebbare konvergente/divergente axialsymmetrische Schubdüse, bei der konvergente Düsenklappen mit einem inneren GIeichlaufring und äußere Düsenklappen mit einem äußeren Gleichlaufring verbunden sind, wobei ein Triebwerksgehäuse zwischen den Gleichlaufringen angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist ein Gebilde vorgesehen zum Miteinanderverbinden der Gleichlaufringe, so daß ein einziges Betätigungssystem beide Gleichlaufringe axial, gleichzeitig und mit derselben Geschwindigkeit bewegt. In Fällen, in denen auf die Düsenklappen einwirkende Gaskräfte an dem inneren Gleichlaufring Kippdrehkräfte erzeugen, kann die in der Offenlegungsschrift beschriebene Einrichtung zum Miteinanderverbinden des inneren und des äußeren Ringes diese Kräfte nicht aufnehmen, die deshalb in das Betätigungssystem übertragen werden. Das kann unzulässig sein, wenn die Drehkräfte zu groß sind. Ein leichtgewichtiges System zum Miteinanderverbinden dieser Ringe derart, daß sich die notwendige zusätzliche Drehsteifigkeit ergibt, wird deshalb benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte konvergente/ divergente Schubdüse mit veränderbarer Querschnittsfläche zu schaffen.

Weiter soll eine Doppelgleichlaufringkonstruktion zum Synchronisieren der Bewegung der konvergenten und der di-

vergenten Teile einer konvergenten/divergenten Schubdüse geschaffen werden.

Außerdem sollen zwei Gleichlaufringe für eine konvergente/ divergente Schubdüse geschaffen werden, die unter Verwendung eines einzigen Betätigungssystems gleichzeitig betätigt werden können.

Demgemäß wird das Schubdüsengebilde eines Gasturbinentriebwerks, das eine Achse hat, mit einer axial verschiebbaren inneren Gleichlaufringvorrichtung und einer axial verschiebbaren äußeren Gleichlaufringvorrichtung, die radial aufeinander ausgerichtet sind, gesondert verbunden, wobei die innere und die äußere Gleichlaufringvorrichtung durch das Triebwerksgehäuse voneinander getrennt und durch mehrere sich radial erstreckende, in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete Stifte miteinander verbunden sind, wobei die Stifte durch sich axial erstreckende Schlitze in dem Triebwerksgehäuse hindurchgeführt und axial in bezug auf die innere und die äußere Gleichlaufringvorrichtung fest sind, aber radial relativ nur zu einer der Ringvorrichtungen fest sind, um eine radiale Relativbewegung zwischen der inneren und der äußeren Gleichlaufringvorrichtung zu gestatten, und wobei die Betätigungsvorrichtung zum Axialverschieben der Schubdüse nur mit einer der Gleichlaufringvorrichtungen verbunden ist, aber beide Gleichlaufringvorrichtungen gleichzeitig verschiebt, weil die Gleichlaufringvorrichtungen durch die Stifte miteinander verbunden sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die stromaufwärtigen Enden der konvergenten Düsenklappen an einem axial verschiebbaren inneren Gleichlaufring drehbar angelenkt, bei dem es sich um ein ringförmiges Kastenpro-

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filteil handelt. Die stromaufwärtigen Enden der divergenten Düsenklappen sind an den stromabwärtigen Enden der konvergenten Düsenklappen drehbar angelenkt. Mehrere Verbindungsvorrichtungen, die radial außerhalb der konvergenten und der divergenten Düsenklappen angeordnet sind, sind mit ihren stromabwärtigen Enden an den divergenten Klappen und mit ihren stromaufwärtigen Enden an einem axial verschiebbaren äußeren Gleichlaufring drehbar angelenkt, welcher radial außerhalb des inneren Gleichlaufringes angeordnet und auf diesen radial ausgerichtet ist. Das Triebwerksgehäuse ist radial zwischen den beiden Ringen angeordnet. Mehrere sich radial erstreckende, in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete Stifte verbinden die Ringe und sind durch sich axial erstreckende Schlitze in dem Triebwerksgehäuse, das zwischen den Ringen angeordnet ist, hindurchgeführt. Die Stifte sind in bezug auf den inneren und in bezug auf den äußeren Ring axial festgehalten, sie können sich aber relativ zu einem der beiden Ringe frei radial bewegen, um eine axiale Relativbewegung zwischen den Ringen zuzulassen. Die Betätigungsvorrichtung ist mit einem der Ringe verbunden und verschiebt beide Ringe gleichzeitig axial, da die Ringe durch die Stifte miteinander verbunden sind. Zusätzlich zu der Übertragung der Betätigungskräfte zwischen den Ringen geben die Stifte außerdem den Ringen Drehsteifigkeit, damit die auf die Düsenklappen einwirkenden Gasdruckkräfte aufgenommen werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht

einer Gasturbinentriebwerksschub-

düse nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils

der in Fig. 1 dargestellten Schubdüse,

Fig. 3 eine Schnittansicht nach der Linie

3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht nach der Linie

4-4 in Fig. 2 und

Fig. 5 eine teilweise weggebrochene Schnitt

ansicht nach der Linie 5-5 in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der konvergenten/divergenten Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche nach der Erfindung, die insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Die Schubdüsenanordnung 10 umfaßt ein feststehendes Triebwerksgerüst 12, das einen Schubverstärkerkanal 14 umfaßt, der eine Kanalauskleidung 16 hat, die mit Abstand radial einwärts von ihm angeordnet ist und den Schubverstärkergasströmungsweg begrenzt, der eine Achse 19 hat/ bei der es sich um die Triebwerksachse handelt. Das feststehende Triebwerksgerüst 12 kann auch die Triebwerksgondel umfassen, die nicht dargestellt ist. Die Kanalauskleidung 16 hat ein kreisförmiges Auslaßende 18. Umfangsmäßig um die Triebwerksachse 19 sind mehrere stromaufwärtige Klappen 20 angeordnet, die eine konvergente Schubdüse bilden, mehrere stromabwärtige Klappen 22, die eine divergente Schubdüse bilden, und mehrere äußere Klappen 24. Nicht dargestellte Dichtvorrichtungen sind zwischen umfangsmäßig benachbarten Klappen vorgesehen, um im Betrieb das Entweichen von Gas zu verhindern. Die stromaufwärtigen

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Klappen 20 sind mit ihren vorderen Enden 25 an Stellen 26 an einem inneren Gleichlaufring 28 drehbar angelenkt, der axial verschiebbar ist.. Die hinteren Enden 30 der stromauf wärtigen Klappen 20 sind an Stellen 32 an den vorderen Enden 34 von entsprechenden stromabwärtigen Klappen 22 drehbar angelenkt. An jeder stromaufwärtigen Klappe 20 ist ein Kurvenabtaster befestigt. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Kurvenabtaster eine Rolle 36. Die Rolle 36 rollt auf der Oberfläche 38 einer Kurvenbahn 40, wenn sich der GIeichlaufring 28 verschiebt. Die Kurvenbahn 40 ist an dem Schubverstärkerkanal 14 durch konische und zylindrische Traggehäuse 42 bzw. 44 abgestützt, welche an einer Flanschverbindungsstelle 46 miteinander verschraubt sind. Wenn sich die vorderen Enden 25 der Klappen 20 stromabwärts verschieben, wird die Austrittsquerschnittsfläche der konvergenten Schubdüse kleiner, und wenn sich die vorderen Enden 25 der Klappen 20 stromaufwärts verschieben, wird die Austrittsquerschnittsfläche größer.

Die vorderen Enden 48 der äußeren Klappen 24 sind an Stellen 50 an einem axial verschiebbaren äußeren Gleichlaufring 52 drehbar angelenkt, der zu dem inneren Gleichlaufring 28 konzentrisch und mit diesem radial in einer Linie angeordnet ist. Der innere Gleichlaufring 28 und der äußere Gleichlaufring 52 sind durch mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete, sich radial erstrekkende Stifte 67 miteinander verbunden und verschieben sich axial im Gleichlauf, was im folgenden noch näher erläutert ist. Das Gehäuse 44 ist zwischen den Gleichlaufringen 28, 52 angeordnet. Der Drehpunkt 50 ist radial außerhalb des Drehpunktes 26 angeordnet. Die äußere Klappe 24 und die stromabwärtige Klappe 22 sind in einem Drehpunkt 54, der sich stromabwärts von ihren vorderen Enden 48 bzw. 34 befindet, drehbar miteinander verbunden. In dieser Schubdü-

seilanordnung wird die Austrittsquerschnittsfläche der durch die Klappen 22 gebildeten divergenten Düse größer, wenn die Austrittsquerschnittsfläche der durch die Klappen 20 gebildeten konvergenten Düse größer wird, und umgekehrt. Unter dem Gesichtspunkt der richtigen Auslegung der konvergenten und der divergenten Schubdüsenteile der Schubdüsenanordnung 10 könnten die äußeren Klappen 24 Stangen oder ähnliche Verbindungsvorrichtungen sein, die an ihren vorderen und hinteren Enden in den Drehpunkten 50 bzw. 54 drehbar angelenkt sind. Klappen werden jedoch bevorzugt, um einen glatten, aerodynamisch wirksamen äußeren Umriß für die Schubdüsenanordnung 10 zu schaffen.

Gemäß Fig. 2, die eine vergrößerte Ansicht des Gleichlaufringbereiches in Fig. 1 zeigt, ist der innere Gleichlaufring 28 ein Kastenprofilteil mit einer inneren und einer äußeren zylindrischen Wand 56 bzw. 58. Ein zylindrisches Verbindungsteil 59 ist an seinem stromabwärtigen Ende 61 an dem inneren Gleichlaufring 28 befestigt, beispielsweise durch Schweißen, und hat mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete, sich axial erstreckende innere Führungsbahnen 63, die am besten in Fig. 4 zu erkennen sind. Eine Dichtvorrichtung 65, die an dem Schubverstärkerkanal 14 befestigt ist, berührt die innere zylindrische Oberfläche des Verbindungsteils 59 und verhindert das Entweichen von Abgas. Die gezeigte Dichtvorrichtungsbauart ist in der US-PS 3 354 649 ausführlich beschrieben.

Der äußere Gleichlaufring 52 ist ebenfalls ein Kastenprofilteil, das eine innere zylindrische Wand 60 und eine äußere zylindrische Wand 62 hat. Die äußere Wand 58 des inneren Gleichlaufringes 28 hat mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete kreisförmige Durchgangsöffnungen 64, und die innere Wand 60 des äußeren Gleichlaufringes 52 hat eine gleiche Anzahl von kreisförmigen Durch-

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gangsöffnungen 66, von denen jeweils eine auf eine öffnung 64 radial ausgerichtet ist. Mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete, radiale Stifte 67 verbinden den inneren Gleichlaufring 28 und den äußeren Gleichlaufring 52 miteinander. Jeder Stift ist durch zwei radial aufeinander ausgerichtete öffnungen 64, 66 hindurchgeführt und erstreckt sich im wesentlichen über die volle radiale Höhe jedes Gleichlaufringes. Jeder Stift 67 ist außerdem durch einen axial langgestreckten Schlitz 69 in dem Gehäuse 44 hindurchgeführt (vgl. Fig. 3).

In dieser Ausführungsform ist das innere Ende 68 jedes Stiftes 67 mit der inneren Wand 56 des inneren Gleichlaufringes 28 durch eine Schraube 70 fest verbunden. Die Stifte 67 sind mit Festsitz in den öffnungen 64 in der äußeren Wand 58 angeordnet, wodurch der Gleichlaufring 28 versteift wird. Derjenige Teil jedes Stiftes 67, der sich in den äußeren Gleichlaufring 52 erstreckt, ist in einer Büchse 72 verschiebbar angeordnet. Die äußere Wand 62 hat mehrere in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete öffnungen 74, von denen jeweils eine auf eine der öffnungen

66 ausgerichtet ist, um während des Zusammenbaus das Einführen der Büchsen 72 und der Stifte 67 in die Gleichlaufringe 52, 28 zu gestatten. Nach dem Einführen der Stifte

67 werden Abdeckplatten 76 über den öffnungen 74 angeordnet und zusammen mit den Büchsen 72 mittels Schrauben 78 an der äußeren Wand 62 befestigt. Die Länge der Stifte 67 wird so gewählt, daß sich ein kleiner Spalt 80 zwischen dem äußeren Ende 82 jedes Stiftes 67 und seiner entsprechenden Abdeckplatte 76 ergibt. Die Gleitpassung zwischen den Stiften 6 7 und den Büchsen 72 gestattet eine radiale Relativbewegung zwischen dem inneren und dem äußeren Gleichlaufring, deren Auftreten im Betrieb wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Gleichlaufringe wahrscheinlich ist.

-r -ti

Mehrere hydraulische Stellantriebe 88 sind in gegenseitigem ümfangsabstand um den Schubverstärkerkanal 14 angeordnet und an diesem an einer Stelle 90 unmittelbar stromaufwärts von dem konischen Traggehäuse 42 befestigt. Die Druckstange 92 jedes Stellantriebs 88 ist mit dem stromaufwärtigen Ende 94 des zylindrischen Verbindungsteils 59 verstiftet. In jede Führungsbahn 63 faßt eine Rolle ein, welche an dem Gehäuse 44 axial fest angeordnet ist. Mehrere sich axial erstreckende äußere Führungsbahnen sind an der Innenseite des Gehäuses 44 befestigt und in Fig. 2 nicht gezeigt, da sie sich außerhalb der Ebene der Führungsbahnen 63 befinden. Die Führungsbahnen 100 sind am besten in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Gemäß der Darstellung in Fig. 5 faßt in jede Führungsbahn 100 eine Rolle 102 ein. Die Rollen 102 sind an dem inneren Gleichlaufring 28 axial fest angebracht. Die Rollen 98, 102 und ihre zugeordneten Führungsbahnen 63 bzw. 100 dienen zum Führen und Radialpositionieren des inneren Gleichlaufringes 28, wenn dieser während der Verstellung der Schubdüsenanordnung 10 durch die Stellantriebe 88 axial gezogen oder gedrückt wird.

Die Zeichnungen lassen erkennen, daß auf die Düsenklappen einwirkende Gaskräfte beträchtliche Kipp- oder Drehkräfte an dem inneren Gleichlaufring erzeugen können, die durch einen Pfeil 200 in Fig. 2 dargestellt sind. Selbst eine kleine Drehbewegung (Kippbewegung) des Gleichlaufringes würde ohne die Erfindung aufgrund des großen Hebelarms, den das Verbindungsteil 59 darstellt, eine sehr große Radialkraft an den Enden der Stellantriebe erzeugen. Die Stifte 67 nach der Erfindung und die Art und Weise, auf die diese den inneren und den äußeren Gleichlaufring miteinander verbinden, ergeben die Drehsteifigkeit, die zum Aufnehmen der Drehkräfte notwendig ist. Gleichzeitig gestatten die Stifte 67 auch ein unterschiedliches thermisches Wachstum zwischen den Gleichlaufringen und gewähr-

leisten deren gleichzeitige Axialbewegung wie wenn der innere und der äußere Gleichlaufring ein einstückiges Gebilde wären. Alles das wird durch eine einfache, ein geringes Gewicht aufweisende Konstruktion erreicht, bei der ein Betätigungssystem für nur einen der Gleichlaufringe benutzt wird, obgleich der innere und der äußere Gleichlaufring durch ein Triebwerksgehäuse voneinander getrennt sind.

Claims

Patentansprüche :

i/ Konvergente/divergente Schubdüsenanordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Achse (19) und einem festen Triebwerksgerüst .(12), das die Schubdüsenanordnung (10) trägt und ein Gehäuse (44) aufweist, gekennzeichnet durch eine Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) mit einem inneren ringförmigen Kastenprofilteil (28), das um die Triebwerksachse (19) angeordnet ist, und einem äußeren ringförmigen Kastenprofilteil (52), das um die Triebwerksachse radial außerhalb des inneren Kastenprofilteils und radial in einer Linie mit diesem angeordnet ist,, wobei das Gehäuse (44) zwischen dem inneren und dem äußeren Kastenprofilteil angeordnet ist und mehrere in gegenseitigem Umfang angeordnete, sich axial erstreckende Schlitze (69) aufweist,·

wobei die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) weiter mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete, sich radial erstreckende Stifte (67) aufweist, von denen jeder ein inneres Ende (68) und ein äußeres Ende hat, sich in eines der Kastenprofilteile und über die radiale Höhe des-

selben erstreckt und relativ zu diesem fest ist, wobei sich die Stifte (6 7) radial durch einen der Schlitze (69) in dem Gehäuse (44) hindurch in das andere Kastenprofilteil und über dessen radiale Höhe erstrecken und relativ zu dem anderen Kastenprofilteil axial fest und radial bewegbar sind und wobei die Stifte der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) Drehsteifigkeit verleihen;

durch eine axial verschiebbare konvergente Düse mit veränderbarer Querschnittsfläche, die mehrere drehbare und verschiebbare erste Klappen (20) aufweist, deren stromaufwärtige Enden (25) an dem inneren Kastenprofilteil (28) drehbar angelenkt sind;

durch eine axial verschiebbare divergente Düse mit veränderbarer Querschnittsfläche, die stromabwärts der konvergenten Düse angeordnet ist und mehrere zweite Klappen (22) aufweist, welche an den ersten Klappen (20) drehbar angelenkt sind; durch Verbindungsvorrichtungen (24), deren stromabwärtige Enden an den zweiten Klappen (22) und deren stromaufwärtige Enden an dem äußeren Kastenprofilteil (52) drehbar angelenkt s ind; und

durch eine Betätigungsvorrichtung (88), die zum Verschieben eines der Kastenprofilteile in axialer Richtung mit der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) verbunden ist, wobei das andere Kastenprofilteil gleichzeitig axial verschoben wird und wobei die Verschiebekraft auf das andere Kastenprofilteil über die Stifte (67) übertragen wird.
2. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kastenprofilteil (28) eine radial innere Wand (56) und eine radial äußere Wand (58) aufweist, wobei jeder Stift (67) durch die radial äußere Wand (58) hindurchgeführt ist und die äußere Wand axial berührt, um eine axiale Relativbewegung zwischen dem Stift und der äußeren

Wand zu verhindern, und wobei das innere Ende (68) des Stiftes mit der radial inneren Wand (56) fest verbunden ist, und daß mehrere Büchsen (72) in dem äußeren Kastenprofilteil (52) fest angeordnet sind, wobei jeweils eine Büchse einem der Stifte (67) entspricht, deren äußere Enden sich jeweils in eine der Büchsen erstrecken und darin radial verschiebbar und relativ zu ihr axial fest angeordnet sind.
3. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (44) eine Düsenführungsvorrichtung (40) aufweist, die an ihm stromabwärts der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) befestigt ist, und Abtastvorrichtungen (36), die jeweils an den ersten Klappen (20) befestigt und mit den Führungsvorrichtungen in Berührung sind, welch letztere die ersten Klappen (20) über die Abtastvorrichtungen radial abstützen und die Winkelposition der ersten Klappen festlegen, wenn die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) axial verschoben wird.
4. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) eine Verbindungsvorrichtung (59) aufweist, die an dem einen Kastenprofilteil (28) befestigt ist, sich axial stromaufwärts desselben erstreckt und

ein stromaufwärtiges Ende (94) hat, an dem die Betätigungsvorrichtung (88) befestigt ist.
5. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung (59) ein Zylinder ist, an welchem mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete und sich axial erstreckende Führungsvorrichtungen (63) befestigt sind, in die während der Verschiebung der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) erste

axial feste Rollen (98), die an dem Triebwerksgerüst (12) befestigt sind, einfassen, und daß mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete, sich axial erstreckende zweite Führungsvorrichtungen (100) an dem Triebwerksgerüst (12) befestigt sind, in die während der Verschiebung der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) zweite Rollen (102) einfassen, welche an dem einen Kastenprofilteil (28) befestigt sind.