DE3933776C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Propfan-Turbotriebwerk mit einem Mittel
druckverdichter und mit zwei entgegengesetzt drehenden Propfan-
Rotoren, die mit je einer von einem Gaserzeuger
getriebenen Turbine über eine innere und eine äußere Welle gekoppelt
sind.
Aus der DE-OS 37 28 436 ist ein Turbofantriebwerk mit einem Zusatzver
dichter und entgegengesetzt drehenden Fanrotoren bekannt. Eine erste
Verdichterschaufelreihe des Zusatzverdichters ist mit dem stromauf
wärts liegenden Fan und einer Antriebswelle, sowie eine zweite Verdichter
schaufelreihe mit dem stromabwärts liegenden Fan und dessen Antriebs
welle verbunden. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sie auf
Propfan-Turbotriebwerke mit langsam rotierenden Propellern nicht
übertragbar ist, da keine wirkungsvolle und abgestimmte Vorverdich
tung durch einen langsam rotierenden Zusatzverdichter aufgebaut wird.
Aus der DE-OS 36 14 157 ist ein gattungsähnliches Propfan-Turbotrieb
werk bekannt geworden, bei dem die gegenläufig drehenden Tur
binenrotoren gleichzeitig als Propfan-Rotoren ausgebildet sind, so
daß zwei Reihen Propfan-Schaufeln radial außerhalb der An
triebsturbine angebracht sind. Diese konstruktiv komplizierte Aus
führung, die ein Getriebe erübrigt, hat jedoch den Nachteil, daß die
geometrischen Parameter der Propfanschaufeln und der Arbeitsturbine
nicht unabhängig voneinander festlegbar und somit nicht optimierbar
sind, sondern stets ein Kompromiß gefunden werden muß. So ist insbe
sondere das relativ große Nabenverhältnis der Propfanschaufeln, also
das Verhältnis von Schaufelinnen- zu -außendurchmesser ungünstiger
weise groß, da die Arbeitsturbine aus aerodynamischen Gründen einen
bestimmten Mindestdurchmesser aufweisen muß. Ferner muß aus dem
gleichen Grunde die Spitzenumfangsgeschwindigkeit der Propfan-Blätter
relativ hoch angesetzt werden, um die Zahl der Turbinenstufen
und/oder deren aerodynamische Belastung in Grenzen zu halten. Dies
führt in der Praxis zu größerer Lärmbelastung sowohl der Kabine (Nah
lärm) als auch der Umwelt (Fernlärm), wenn man von gegebenen, d. h.
begrenzten Mitteln zur Lärmdämpfung am Triebwerk selbst ausgeht. Wei
terhin von Nachteil ist, daß die Anströmverhältnisse der Propfan
schaufeln aufgrund des stromauf angeordneten Gasturbinenkörpers im
normalen Flugzustand zumindest in Nabennähe des Propfans gestört
ist, vor allem aber beim Start aufgrund der Anstellung des Flugzeugs
gegen die Flugrichtung und dabei besonders in der Phase der Rotation
beim Abheben (bis zu 25°) extrem günstig sind. Außerdem müssen die
Verstellvorrichtungen für die Profanschaufeln durch die heißen Tur
binenteile geführt werden, wodurch mit ungünstigen Schaufelquer
schnitten und entsprechenden Verlusten zu rechnen ist.
Wird der hier beschriebene gegenläufige Propfan zur Erhöhung der
Kreisflächenbelastung (Schub/Propeller-Kreisfläche), d. h. zur Er
höhung seines Druckverhältnisses mit einem Mantel umgeben, z. B. aus
Installationsgründen, um den Propellerdurchmesser zu verkleinern und
insbesondere um die Lärmabstrahlung zu senken, so ergibt sich bei der
hier beschriebenen Ausführung mit Turbine in der Propellernabe auf
grund der Strahleinziehung, die bei hoher Schubbelastung besonders
stark ist, eine außerordentlich ungünstige Strahl- und damit Mantel
kontur mit ungünstiger Umströmung und entsprechend hohem Widerstand,
verbunden mit Empfindlichkeit gegen Abreißen der Strömung unter kri
tischen Flugbedingungen (z. B. bei Schräganströmung).
Aus der DE-OS 36 11 792 ist ein weiteres gattungsähnliches Propfan
turbotriebwerk bekannt, bei dem die Propfan-Rotoren stromauf der
Gasturbine angeordnet sind und somit eine Reihe der oben angeführten
Probleme beseitigt werden können. Nachteilig bei dieser Ausführung
wirkt sich jedoch aus, daß zum Antrieb der gegenläufigen Propfan-
Rotoren ein Untersetzungsgetriebe sehr großer Leistung erforderlich
ist, wodurch neben dem damit verbundenen hohen Gewicht eine auf
wendige Getriebekühlanlage erforderlich ist. Mit dem Einbau eines
derartigen Reduziergetriebes ist sowohl ein erhöhter Wartungsaufwand
als auch eine erhöhte Störanfälligkeit des gesamten Turbotriebwerkes
verbunden.
Ferner stellt in diesem Falle die Führung der Blattverstellung des
einen Rotors durch das Getriebe hindurch eine beträchtliche konstruk
tive Komplikation dar.
In der DE-OS 38 12 027 wurde vorgeschlagen,
zwei konzentrische Wellen vorzusehen, die radial innerhalb des Gas
erzeugers durch die Gasturbine geführt sind, und mit je einem der
stromaufwärts der Gasturbine angeordneten Propfan-Rotoren verbunden
sind.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei Anbringung der Propfan-
Rotoren stromauf der Gasturbine ein minimaler Nabendurchmesser und
somit ein optimales Nabenverhältnis der Propfan-Schaufeln in der
Eintrittsebene erzielbar ist.
In der genannten Patentanmeldung wurde vorgeschlagen, einen Mittel
druckverdichter stromauf des Gaserzeugers vorzusehen, durch den das
Druckniveau des Triebwerkes und somit der Schub gesteigert werden
kann. Ein wesentliches Problem eines derartigen Mitteldruckver
dichters (Booster) besteht darin, daß dieser eine relativ hohe Dreh
zahl aufweisen muß, während die beiden entgegengesetzt drehenden, von
zwei Turbinen angetriebenen Wellen relativ niedrige Drehzahlen auf
weisen. Es ist daher erforderlich, ein Getriebe vorzusehen, durch
welches diese niedrigen Wellendrehzahl erhöht werden kann.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Antriebsleistung des
Mitteldruckverdichters je nach Betriebspunkt zwischen 15 und 25 Pro
zent der gesamten von den Turbinen aufgebrachten Leistung benötigt.
In der herkömmlichen Ausführung wird diese erhöhte Leistung dadurch
bereit gestellt, daß die den Mitteldruckverdichter treibende Turbine
eine Turbinenstufe mehr aufweist als die andere, nur den Fan treiben
de Turbine. Diese Ausführung hat den Nachteil, daß es schwierig ist,
die vom Mitteldruckverdichter aufgenommene Leistung der von der zwei
ten Turbine bereitgestellten Leistung unter den verschiedenen Be
triebsbedingungen anzupassen. Dies kann dazu führen, daß die Drehzahlen
der beiden Wellen unterschiedlich sind, wodurch schwierige Kor
rekturen an den Schaufeln, beispielsweise durch Schaufelverstellvor
richtungen mit entsprechenden Regelkreisen erforderlich werden kön
nen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
gattungsgemäßes Propfan-Turbotriebwerk derart auszubilden, daß der
Mitteldruckverdichter unter allen Betriebsbedingungen mit der erfor
derlichen Leistung versorgt wird, wobei gleichzeitig keine Störungen
bzw. Abweichungen der Wellendrehzahl hierdurch erfolgen soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Mittel
druckverdichter über ein mit beiden Wellen im Eingriff stehendes vom
Langsamen ins Schnelle übersetzendes Getriebe antreibbar ist.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist darin zu
sehen, daß die erforderliche hohe Drehzahl des Mitteldruckverdichters
gegenüber den Propfan-Rotoren unter allen Betriebsbedingungen mittels
des vom Langsamen ins Schnelle übersetzenden Getriebes bereitstellbar
ist, und durch die Kopplung des Mitteldruckverdichters mit beiden
Wellen eine Leistungsentnahme von beiden Turbinen aus erfolgt, und
somit vorteilhafterweise keine einseitige Belastung einer Turbine
auftritt. Dies wiederum hat den Vorteil, daß beide Turbinen in Ab
stimmung zueinander ausgelegt werden können, und keine zusätzliche
Belastung nur einer Turbine mit berücksichtigt werden muß. Bei Ver
änderungen des Betriebspunktes werden schließlich beide Turbinen
gleichmäßig belastet, was zu einer entsprechend gleichmäßigen Re
duzierung beider Wellendrehzahlen führt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Getriebe als
Planetengetriebe ausgebildet. Dabei sind vorzugsweise eine Anzahl
Planetenräder mit je zwei Ritzeln in der äußeren der beiden Wellen
gelagert, und das eine Ritzel kämmt dabei mit einem an der inneren
Welle angebrachten Sonnenrad, während das andere Ritzel mit einem mit
dem Mitteldruckverdichter verbundenen Hohlrad kämmt. Hierdurch wird
erreicht, daß die zum Betrieb des Mitteldruckverdichters erfor
derliche Leistung gleichmäßig von beiden Turbinen aufgebracht wird.
Vorzugsweise ist die äußere Welle mit dem hinteren Propfan-Rotor über
ein sich radial erstreckendes Wellenstück verbunden, in dem die Pla
netenräder gelagert sind.
Vorteilhafterweise ist der Mitteldruckverdichter an oder in einem
Zwischengehäuse gelagert, das über Stützrippen mit dem Außengehäuse
verbunden und axial von einem Gaserzeuger angeordnet ist. Der we
sentliche Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß das bisher
erforderliche vordere Abstützgehäuse entfällt, welches die die Pro
pfan-Rotoren bzw. die Welle abstützt, was zu einer Vereinfachung der
Gehäusestruktur und damit zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung
des Triebwerkes führt. Durch die geringere Zahl der Baugruppen erge
ben sich zudem Montagevorteile sowie geringere Herstellungs- und
Wartungskosten.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß ein kurzer und
eindeutiger Kräfteverlauf von der Triebwerksaufhängung zur Rotorlage
rung möglich wird. Dabei ist besonders das Wegfallen der Kraftüber
tragung über das Außengehäuse des Mitteldruckverdichters von Vorteil,
da vor allem das Außengehäuse aus vielen Teilen besteht, die unter
Einhaltung enger Toleranzen gefertigt werden müssen. Es ist die Ver
wendung einer einzigen Lagerkammer für die Lagerung der Wellen im
Verdichterbereich möglich, was zu einer wesentlich vereinfachten
Ölver- und -entsorgung führt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Übersetzungsgetriebes besteht dar
in, daß eine einfache und platzsparende Anordnung zwischen den Wellen
möglich wird. Gleichzeitig wird die durch den Gegenlauf der beiden
Wellen vorhandenen hohen Relativbewegungen zwischen den Wellen aus
genützt, wodurch sich ein hohes Übersetzungsverhältnis durch die
Addition der beiden Geschwindigkeiten erzielen läßt.
Es läßt sich ferner ein beliebiges Übersetzungsverhältnis durch Stu
fung der Ritzel der in der äußeren Welle gelagerten Planetenräder
erzielen.
Die Beträge der von den beiden Turbinen dem Mitteldruckverdichter
zugeführten Leistungen können unterschiedlich sein, wenn beispiels
weise die Leistungsaufteilung der beiden Propfan-Stufen entsprechend
der Triebwerksauslegungen unterschiedlich ist, oder wenn sich die
Leistungsaufteilungen in Folge eines Übergangs von einem Betriebs
punkt auf einen anderen ändert.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß am Zwischengehäuse
ein Zahnkranz angeformt ist, der mit einem dritten Ritzel jedes der
Planetenräder kämmt. Hierdurch kann, falls erforderlich, ein festes
Drehzahlverhältnis der beiden Propfan-Rotoren und des Mitteldruckver
dichters vorgegeben werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
ist die innere Welle in der äußeren Welle gelagert, wobei das Fest
lager der inneren Welle im Bereich des Festlagers der äußeren Welle
angeordnet ist. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine günstige
Krafteinleitung der durch den vorderen Propfan-Rotor erzeugten Schub
kräfte.
Das Getriebe besitzt vorteilhafterweise ein Übersetzungsverhältnis
von etwa 1,5 : 1 bis etwa 10 : 1 ins Schnelle, wobei je nach Auslegung
des Mitteldruckverdichters und der Propfan-Rotoren die Festlegung
dieses Übersetzungsverhältnisses erfolgt. Vorzugsweise beträgt dies
etwa 3 : 1. Dabei weist der Mitteldruckverdichter zwischen einer und
etwa fünf Stufen auf, wobei vorzugsweise drei Stufen vorzusehen sind,
um ein Druckverhältnis von etwa 1,5 bis 2 durch den Mitteldruckver
dichter zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Teilaxialschnitt durch ein Propfan-Tur
botriebwerk,
Fig. 2 einen schematischen Teilaxialschnitt durch den vorderen Teil
des Triebwerks gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen schematischen Teilaxialschnitt durch eine andere Trieb
werksausführung.
Das in Fig. 1 dargestellte Propfan-Turbotriebwerk 1 besteht im we
sentlichen aus zwei axial hintereinander angeorneten Propfan-Rotoren
2a, b an denen über dem Umfang verteilte Propfan-Schaufeln 3a, b ange
bracht sind. Die Propfan-Rotoren 2a, b sind über zwei konzentrische
Wellen 4a, b mit zwei entgegengesetzt rotierenden, zweistufigen Nie
derdruckturbinen 5a, b gekoppelt. Diese beiden Niederdruckturbinen
5a, b sind derart ausgebildet, daß eine Stufe der einen Turbine als
Leitgitter für die nachfolgende Stufe der anderen Turbine dient,
wodurch eine gleichmäßige Leistungsaufnahme beider Turbinen bei ent
gegengesetzten Drehrichtungen erzielbar ist. Die Turbinenstufen 6a, b
der Niederdruckturbine 5b sind dabei über eine radial außerhalb des
Strömungskanales 7 angeordneten Verbindungshülse 8 miteinander ver
bunden.
Die in den Niederdruckturbinen 5a, b erzeugte Leistung wird im Gas
erzeuger 9 bereitgestellt, der im wesentlichen aus einem Hochdruck
verdichter 10 und einer mit diesem über die Hochdruckwelle 11 ge
koppelten Hochdruckturbine 12 besteht, wobei zwischen Hochdruckver
dichter 10 und Hochdruckturbine 12 eine Brennkammer 13 angeordnet
ist. Die Wellen 4a, b und 11 sind verdichterseitig in einem Zwischen
gehäuse 14, und turbinenseitig in einem Stützgehäuse 15 gelagert bzw.
einer im Bereich des Triebwerksauslasses vorgesehenen Stützstruktur
32 gelagert. Zwischengehäuse 14 und Stützgehäuse 15 sind über hohle
Stützrippen 16a, b mit dem Außengehäuse 17 des Triebwerkes verbunden.
Ein Mitteldruckverdichter 18 ist stromab der als Niederdruckver
dichter wirkenden Propfan-Schaufeln 3a, b und stromauf des Hochdruck
verdichters 10 im Verdichterströmungskanal 19 vorgesehen. Die nähere
Ausbildung dieses Triebwerksbereiches ist in der Fig. 2 näher dar
gestellt. Der hintere Propfan-Rotor 2b ist über ein Wellenstück 20
mit der äußeren Welle 4b verbunden. Im Bereich des Wellenstückes 20
sind dabei über den Umfang verteilte Planetenräder 21 gelagert, die
zwei Ritzel 22a, b aufweisen. Das kleinere Ritzel 22a kämmt mit einem
Sonnenrad 33, das über eine Verbindungsscheibe 23 mit der inneren
Welle 4a in Verbindung steht, während das größere Ritzel 22b mit
einem Hohlrad 24 kämmt. Das Hohlrad 24 wiederum ist mit dem Mittel
druckverdichter 18 über eine Verbindungshülse 25 verbunden.
Am Zwischengehäuse 14 ist das Festlager 26b der äußeren Welle 4b
angebracht, während das Festlager 26a der inneren Welle 4a im
gleichen Bereich zwischen innerer Welle 4a und äußerer Welle 4b
angeordnet ist.
Der Mitteldruckverdichter 18 ist über die Verbindungshülse 25 und
zwei sich an einer Lagerhülse 27 abstützende Wälzlager ebenfalls mit
dem Zwischengehäuse 14 verbunden. Die verdichterseitige Loslagerung
der äußeren Welle geschieht über das Loslager 28b zwischen Welle 4b
und Zwischengehäuse 14, während die Loslagerung der inneren Welle 4a
im Bereich der Propfan-Rotoren 2a, b mittels des Loslagers 28a er
folgt, welches über einen Stützzylinder 29 am hinteren Propfan-Rotor
2b abgestützt ist.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen der
jenigen von Fig. 2. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß
an den Planetenrädern 21a jeweils ein drittes Ritzel 30 angebracht
ist, das mit einem am Zwischengehäuse 14a befestigten Zahnkranz 31
kämmt. Hierdurch sind die Planetenräder 21a und die beiden Wellen
4a, b miteinander kinematisch zwangsgekoppelt, wodurch die Drehzahlen
der Wellen 4a, b und des Mitteldruckverdichters 18 zueinander in einem
unveränderlichen Verhältnis stehen. Dieses kann selbstverständlich
durch Austausch der Planetenräder 21a verändert werden.
Das Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Teile wird nachfolgend bei
spielhaft erläutert. Geht man beispielsweise von einer bestimmten
Leistungsverteilung auf die beiden Propfan-Rotoren aus, so besteht im
stationären Betrieb Gleichgewicht zwischen der von den Propfan-
Rotoren aufgenommenen, und der von den Niederdruckturbinen dafür zur
Verfügung gestellten Leistung. Dieses Gleichgewicht wird gestört,
wenn sich die von einer Propfan-Stufe aufgenommene Leistung ändert.
Nimmt z. B. die Leistung einer Propfan-Stufe aus irgendeinem Grund z. B.
in Folge einer Änderung der Zuströmung zum Triebwerk ab, so hat diese
das Bestreben, die Drehzahl zu erhöhen, da das Leistungsangebot der
über die Welle angekoppelten Niederdruckturbine zunächst bestehen
bleibt. Diese Drehzahlerhöhung hat zur Folge, daß die von dieser
Welle an den Mitteldruckverdichter angegebene Leistung erhöht wird,
was in weiterer Folge wieder drehzahlsenkend wirkt, da zwar der Luft
durchsatz durch den Mitteldruckverdichter und den Gaserzeuger erhöht
wird, jedoch die eingespritzte Brennstoffmenge konstant bleibt, so
daß diese verrichtete Mehrarbeit nicht in Nutzarbeit umgewandelt
wird. Die Folge ist, daß zwar die an der dem Gaserzeuger zugeführten
Luft verrichtete Arbeit steigt, während die in den Niederdrucktur
binen erzeugte Leistung gleich bleibt, und so die Drehzahl des
beschleunigten Propfan-Rotors wieder abfällt. Das bedeutet, daß das
Getriebe als Dämpfungsglied zwischen den beiden Propfan-Rotoren
wirkt, nämlich einerseits drehzahlregulierend, und zwar immer in
Richtung stabiler, dem Auslegungspunkt entsprechender und damit opti
maler Betriebs- und Drehzahlverhältnisse, und andererseits überdreh
zahlschützend, z. B. bei Entlastung eines Propfan-Rotors etwa durch
Schaufelverlust.
Claims (11)
1. Propfan-Turbotriebwerk mit einem Mitteldruckverdichter und mit
zwei entgegengesetzt drehenden Propfan-Rotoren, die mit je einer
von einem Gaserzeuger getriebenen Turbine über eine innere und
eine äußere Welle gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mitteldruckverdichter (18) über ein mit beiden Wellen (4a, b) im
Eingriff stehendes vom Langsamen ins Schnelle übersetzendes Ge
triebe antreibbar ist.
2. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe als Planetengetriebe ausgebildet ist.
3. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anzahl Planetenräder (21) mit je zwei Ritzeln (22a, b) in
der äußeren der beiden Wellen (4b) gelagert sind, und daß ein Rit
zel (22a) mit einem an der inneren Welle (4a) angebrachten Sonnen
rad (23) kämmt, und das andere Ritzel (22b) mit einem mit dem
Mitteldruckverdichter (18) verbundenen Hohlrad (24) kämmt.
4. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Welle (4b) mit dem hinteren Propfan-Rotor (2b) über
ein sich radial erstreckendes Wellenstück (20) verbunden ist, in
dem die Planetenräder (21) gelagert sind.
5. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mitteldruckverdichter (18) an/in einem Zwischengehäuse
(14) gelagert ist, das über Stützrippen (16a) mit dem Außenge
häuse (17) verbunden und axial vor einem Gaserzeuger (9) ange
ordent ist.
6. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der hintere Propfan-Rotor (2b) bzw. die äußere Welle (4b) im
Zwischengehäuse (14) gelagert ist.
7. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß am Zwischengehäuse (14) ein Zahnkranz (31) angeformt ist, der
mit einem dritten Ritzel (30) jedes Planetenrades (21a) kämmt.
8. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die innere Welle (4a) in der äußeren Welle (4b) gelagert ist.
9. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von 1,5 : 1 bis 10 : 1
aufweist.
10. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis 3 : 1 aufweist.
11. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hohlrad (24) an einer Lagerhülse (27) angeflanscht ist,
die zum einen über zwei Wälzlager mit dem Zwischengehäuse (14)
gekoppelt ist, und zum anderen über eine Verbindungshülse (25) mit
einer ersten Mitteldruckverdichterstufe des Mitteldruckverdichters
(18) verbunden ist.
Priority Applications (1)
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DE3933776A DE3933776A1 (de) | 1989-10-10 | 1989-10-10 | Propfan-turbotriebwerk |
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DE3933776A DE3933776A1 (de) | 1989-10-10 | 1989-10-10 | Propfan-turbotriebwerk |
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DE3933776A1 DE3933776A1 (de) | 1991-04-18 |
DE3933776C2 true DE3933776C2 (de) | 1991-08-14 |
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ID=6391168
Family Applications (1)
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DE3933776A Granted DE3933776A1 (de) | 1989-10-10 | 1989-10-10 | Propfan-turbotriebwerk |
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