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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbinen, insbesondere
landbasierte Gasturbinen für die
Stromerzeugung mit einem geschlossenen Dampfkühlungskreislauf zum Kühlen der
Heißgaskomponenten,
und betrifft insbesondere einen eine Rotorbohrung und eine Turbinenrad/Abstandshalter-Baugruppe
einbeziehenden Strömungskreis,
der ein in einer Wärmeaustauschbeziehung
zu der Rad/Abstandshalter-Baugruppe stehendes thermisches Medium
enthält.
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Die
Dampfkühlung
von Heißgaspfadkomponenten,
wie z. B. den Schaufeln einer Gasturbine, wurde bereits in der Vergangenheit
vorgeschlagen und hat sich in landbasierten Stromversorgungsanlagen
als wirkungsvoll erwiesen. Obgleich Gasturbinen üblicherweise mit Luft gekühlt werden – Jettriebwerke
nutzen beispielsweise Verdichterabluft zum Kühlen der Heißgaskomponenten – ist die
Dampfkühlung insofern
effizienter, dass die mit der Nutzung von Dampf als Kühlmittel
verbundenen Verluste nicht so groß sind wie die Verluste, die
durch das Abführen von
Verdichterabluft zu Kühlungszwecken
auftreten. Beim Betrieb von kombinierten Systemen ist die Dampfkühlung zudem
besonders von Vorteil, weil die Wärmeenergie, die auf den Dampf übertragen
wird, wenn dieser die Gasturbinenkomponenten kühlt, beim Betrieb des kombinierten
Systems als Nutzarbeit für
den Antrieb der Dampfturbine zurückgewonnen
wird.
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In
einer von der Anmelderin des vorliegenden Dokuments vorgeschlagenen
Gasturbinenkonstruktion, die beispielsweise im Dokument EP-A-735238
beschrieben ist, wird während
des Normalbetriebs ein Dampfkühlkreis
zum Kühlen
der Heißgaspfadkomponenten
eingesetzt. Der Dampfkühlkreis
weist eine hintere, sich in Axialrichtung erstreckende Kapillarrohrbaugruppe auf,
um Dampf durch den Rotor nach vorn und am hinteren Rotorlager vorbeizuführen. Der
Strom wird weiter durch lineare Rohre radial nach außen und
dann in Axialrichtung am Rand des Rotors an in Umfangsrichtung voneinander
beabstandeten Stellen entlanggeleitet. Der Kühldampf wird zudem entlang
dem äußeren Rand
des Rotors zurückgeführt und
strömt
dann radial nach innen und anschließend in Axialrichtung durch
die Kapillarrohrbaugruppe. Beim Start kann der Dampfkühlkreis
jedoch als Luftkühlkreis
verwendet werden, in dem Kühlluft
durch die im Normalbetrieb genutzten Dampfströmungsstrecken zirkuliert. Bei
einer Last von etwa 10% wird vom Luftkühlkreis zum Dampfkühlkreis
umgeschaltet, der dann im Normalbetrieb genutzt wird.
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Es
ist nachvollziehbar, dass bei der Rotorkonstruktion die Räder und
Abstandshalter durch eine Anzahl sich in Axialrichtung erstreckender Schrauben
aneinander befestigt werden. Gefalzte Verbindungen werden zwischen
den Rädern
und den Abstandshaltern erzeugt. Die unterschiedliche Erwärmung der
Räder und
Abstandshalter sowie radiale Temperaturgradienten an den gefalzten
Verbindungen verursachen an der Rotorbahrung jedoch erhebliche Spannungen
und Verformungen, die das Aufbrechen der gefalzten Verbindungen
begünstigen.
Es ist außerdem
festzustellen, dass die thermischen Bedingungen des Rotors einschließlich der Räder und
Abstandshalter beim Start, während
des gleich bleibenden Betriebs und beim Abfahren der Turbine unterschiedlich
sind. Infolgedessen besteht ein Bedarf, einen Wärmeaustauschkreis bereitzustellen,
der diese unterschiedlichen Anforderungen in den verschiedenen Phasen
des Turbinenbetriebs erfüllt,
auf diese Temperaturgradienten abgestimmt ist und eine thermische
Reaktion von Rad und Abstandshalter ausschließt, die zum Aufbrechen der gefalzten
Verbindungen führen
würde.
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EP-A-0
735 238 beschreibt ferner einen Gasturbinenrotor mit einem Kanal,
der sich durch die Rotorwelle erstreckt.
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EP-A-318.026
beschreibt einen Gasturbinenrotor mit einem zentralen Kanal, der
sich durch die Rotorwelle erstreckt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird ein Strömungskreis für ein thermisches
Medium, vorzugsweise Luft, bereitgestellt, der die Räder und
Abstandshalter beim Start der Turbine vor- und erwärmen und
während des
gleich bleibenden Turbinenbetriebs kühlen kann, wobei Rotorverformungen
in erheblichem Maße
kontrolliert werden und die Tendenz der gefalzten Verbindungen,
in Reaktion auf Temperaturgradienten aufzubrechen, minimiert oder
beseitigt wird. Um das im Vorangegangenen Beschriebene zu erreichen,
wird Verdichterabluft der Rotorbohrung vor der ersten Stufe zugeführt, um
in Axialrichtung entlang der Rotorbohrung und in die Hohlräume zwischen
den Rädern und
Abstandshaltern zu strömen.
An der Verbindungsstelle der Räder
und Abstandshalter und insbesondere an den gefalzten Verbindungen,
sind in Umfangsrichtung um den Rotor voneinander beabstandete Kanäle oder
Schlitze ausgebildet, um das thermische Medium radial nach außen und
schließlich
in den Heißgaspfad
zu leiten.
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Es
ist nachvollziehbar, dass beim Start der Turbine die Verdichterabluft
die Räder
und Abstandshalter vor- und erwärmt,
wenn die Strömung
schnell an den sich in Axialrichtung deckenden Flächen der Räder und
Abstandshalter entlangströmt.
Durch das Erwärmen
der Räder
und Abstandshalter beim Start wird das thermische Missverhältnis bzw.
der Temperaturgradient zwischen dem Rand des Rotors und der schweren
Masse der Räder
und Abstandshalter radial zum Innern des Rotors verringert, wodurch
die Spannung an den gefalzten Verbindungen minimiert wird. Während des
gleich bleibenden Betriebs kühlt die
Verdichterabluft die Räder
und Abstandshalter hingegen, um den Temperaturgradienten an dem äußeren Rand
und den Heißgaskomponenten
des Rotors, die dampfgekühlt
werden, zu reduzieren. Infolgedessen werden während des gleich bleibenden Betriebs
die Spannungen an der Rotorbohrung gleichermaßen minimiert, was die Tendenz
der gefalzten Verbindungen zum Aufbrechen verringert oder beseitigt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird Folgendes bereitgestellt: ein Rotor mit einer Achse
und mehreren Turbinenrädern
und abwechselnd zwischen den Rädern
angeordneten Abstandshaltern, wobei die Räder und Abstandshalter zwischen
einander Hohlräume
definieren, an den Turbinenrädern
Schaufeln zur Anordnung in einem Heißgaspfad der Turbine montiert
sind, die Räder
und Abstandshalter aneinander befestigt sind und zum Aufnehmen von
Verdichterabluft einen mit den Hohlräumen in Verbindung stehenden
Kanal entlang der Achse des Rotors bilden und die Räder und
Abstandshalter sich in axialer und in Umfangsrichtung erstreckende,
radial aneinander grenzende Flansche aufweisen, die zwischen einander
eine gefalzte Verbindung bilden; einen ersten Satz aus mehreren
in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten und von den Radflanschen
getragenen Schlitzen und einen zweiten Satz aus mehreren in Umfangsrichtung
voneinander beabstandeten und von den Abstandshalterflanschen getragenen
Schlitzen, wobei die einzelnen Rad- und Abstandshalterflansche in
einander axial gegenüberliegender
Beziehung stehen und so umlaufend ausgerichtet sind, dass sie die
Strömung
der Verdichterabluft aus dem Hohlraum durch die ausgerichteten Schlitze
in den Heißgasstrom
ermöglichen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Gasturbine, die mehrere Turbinenräder und
abwechselnd zwischen den Rädern
angeordnete Abstandshalter aufweist, wobei die Räder und Abstandshalter zur
Bildung eines einen zentralen, axial verlaufenden Kanal aufweisenden
Turbinenrotors aneinander befestigt sind, die Räder und Abstandshalter zwischen einander
Hohlräume
definieren und an den Rädern Schaufeln
zur Anordnung in einem Heißgaspfad
der Turbine montiert sind, ein Verfahren zum Betreiben der Turbine
bereitgestellt, das den Schritt umfasst, während des Starts Verdichterabluft
den axialen Kanal entlang und in die Hohlräume zwischen den Rädern und
Abstandshaltern zu leiten, um die Räder und Abstandshalter zu erwärmen.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Gasturbine, die mehrere Turbinenräder und
abwechselnd zwischen den Rädern
angeordnete Abstandshalter aufweist, wobei die Räder und Abstandshalter zur
Bildung eines einen zentralen, axial verlaufenden Kanal aufweisenden
Turbinenrotors aneinander befestigt sind, die Räder und Abstandshalter zwischen
einander Hohlräume
definieren und an den Rädern
Schaufeln zur Anordnung in einem Heißgaspfad der Turbine montiert
sind, ein Verfahren zum Betreiben der Turbine bereitgestellt, das
den Schritt umfasst, während
des gleich bleibenden Betriebs der Turbine Verdichterabluft den
axialen Kanal entlang und in die Hohlräume zwischen den Rädern und
Abstandshaltern zu leiten, um die Räder und Abstandshalter zu kühlen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben,
wobei auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen wird:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Stromerzeugungssystems, das
eine Gasturbine mit einem ein thermisches Medium transportierenden Kühlkreislauf
gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält;
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines kombinierten Systems, das die vorliegende
Erfindung verkörpert
und dessen ein thermisches Medium transportierenden Wärmeaustauschkreislauf
einsetzt;
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3 ist
eine fragmentarische Längsquerschnittansicht
einer Gasturbine, welche die Umgebung der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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4 ist
ein schematisches Diagramm, das einen ein thermisches Medium transportierenden Kreislauf
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 ist
eine nach vorn zeigende fragmentarische Vorderansicht eines Turbinenrads
der Stufe 1;
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6 ist
eine nach hinten zeigende Ansicht des 1-2-Abstandshalters;
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7 ist
eine Ansicht der gefalzten Verbindung, die einen radial nach außen gerichteten
Strömungskanal
für das
hier verwendete thermische Medium darstellt; und
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8 ist
eine schematische Darstellung eines in der hier vorgesehenen Gasturbine
verwendeten geschlossenen Luft- und
Dampfkühlungskreislauf.
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer einwelligen Hochleistungsgasturbine 10 mit
einfachem Zyklus, welche die vorliegende Erfindung verkörpert. Die
Gasturbine kann so aufgefasst werden, dass sie einen mehrstufigen
Axialverdichter 12 mit einer Rotorwelle 14 umfasst.
Die bei 16 in den Einlass des Verdichters eindringende
Luft wird vom Axialverdichter 12 verdichtet und anschließend einem
Brenner 18 zugeführt,
in dem ein Brennstoff wie Erdgas verbrannt wird, um hochenergetische
Verbrennungsgase zu erzeugen, welche die Turbine 20 antreiben. In
der Turbine 20 wird die Energie der Heißgase in Arbeit umgewandelt,
die zu einem Teil zum Antrei ben des Verdichters 12 über die
Welle 14 verwendet wird, wobei die Restmenge für Nutzarbeit
zum Antreiben einer Last, beispielsweise eines Generators 22,
mittels einer Rotorwelle 24 zur Verfügung steht, um Elektrizität zu erzeugen.
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2 stellt
die einfachste Form eines kombinierten Systems dar, bei dem die
Abgase, welche bei 26 die Turbine 20 verlassen,
in einen Dampfgenerator 28 für die Wärmerückgewinnung strömen, in
dem Wasser wie in einem Abhitzekessel in Dampf umgewandelt wird.
Der auf diese Weise produzierte Dampf treibt eine oder mehrere Dampfturbinen 30 an,
in denen zusätzliche
Arbeit extrahiert wird, um über
die Welle 32 eine zusätzliche
Last, wie z. B. einen zweiten Generator 34, anzutreiben,
der wiederum zusätzliche
elektrische Leistung erzeugt. In einigen Konfigurationen treiben
die Turbinen 20 und 30 einen gemeinsamen Generator
an. Kombinierte Systeme, die ausschließlich elektrische Leistung
erzeugen, haben einen thermischen Wirkungsgrad von 50 bis 60%, und
erlauben beim Einsatz einer fortschrittlicheren Gasturbine, von
welcher der im vorliegenden Dokument beschriebene Wärmeaustauschkreislauf
einen Teil bildet, Wirkungsgrade von über 60%.
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In 3 ist
der allgemein mit 36 bezeichnete Turbinenabschnitt der
Rotorwelle 24 teilweise dargestellt. Der Turbinenabschnitt 36 enthält einen
allgemein durch das Zeichen R gekennzeichneten Rotor mit einer Anzahl
von Stufen einschließlich
vier aufeinander folgender Stufen, welche die Turbinenräder 38, 40, 42 und 44 umfassen,
die ein Teil mit der Rotorwelle bilden und zur Drehung mit dieser
an ihr montiert sind, wobei jedes eine Reihe von Schaufeln – die dargestellten
Schaufeln B1, B2, B3 und B4 – trägt, und wobei
die Schaufeln von den Rädern
radial nach außen
in den Heißgaspfad
der Turbine hineinragen. Die Schaufeln sind abwechselnd zwischen
ortsfesten Leiträdern
N1, N2, N3 und N4 angeordnet. Alternativ sind zwischen den Turbinenrädern von
vorne nach hin ten Abstandshalter 39, 41 und 43 angeordnet.
Die hintere Welle 46 weist eine hintere Scheibe 45 auf, die
auf der Rückseite
des Turbinerads 44 der letzten Stufe liegt. Es ist nachvollziehbar,
dass die Räder und
Abstandshalter, wie in Gasturbinenkonstruktionen üblich, durch
mehrere, in Umfangsrichtung beabstandete, sich in Axialrichtung
erstreckende Schrauben 48 aneinander befestigt sind.
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Obwohl
sie nicht per se ein Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist in
den 3 und 8 eine Kapillarrohrbaugruppe 49 dargestellt,
die Teil des Rotors ist und an diesem zur Drehung um die Rotorachse
A (3) montiert ist. Die Kapillarrohrbaugruppe weist
ein Außenrohr 50 und
ein Innenrohr 52 auf, die einen äußeren Kanal 54 und
einen inneren Kanal 56 bilden. Der äußere Kanal 54 ist
mit einer Plenumkammer 58 verbunden, um Dampf zu dem äußeren Durchgang
und radial nach außen
durch radiale Leitungen 60 und sich in Axialrichtung erstreckende
Leitungen 62 zu leiten, die in Umfangsrichtung um den Rotorrand
voneinander beabstandet sind, um Kühldampf zu den Heißgaskomponenten
zu leiten. Der Kühldampf
wird insbesondere den Schaufeln B1 und B2 der ersten bzw. zweiten
Stufe zugeführt.
Rückgeführter oder
verbrauchter Kühldampf
strömt
von der Rotorbohrung über
den Rücklaufkanal 56 koaxial durch
sich in Axial- und Radialrichtung erstreckende Leitungen 61 bzw. 63.
Der Dampfkühlungskreislauf ist
als Diagramm in 8 dargestellt. Die radialen Leitungen 60 und 63 bilden
einen Teil einer Endkappenbaugruppe für die hintere Welle 46,
wobei vor der Endkappe eine Dampfströmung entlang der Rotorachse
ausgeschlossen wird.
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Im
Folgenden wird auf die 5 und 6 Bezug
genommen, wobei in 5 die hintere Fläche des
Turbinenrads 38 von Stufe 1 und in 6 die vordere
Fläche
des 1-2-Abstandshalters 39 dargestellt
ist, d. h. des Abstandshalters 39 zwischen den Rädern 38 bzw. 40 der
ersten bzw. zwei ten Stufe. Im Umfangsrichtung voneinander beabstandete Öffnungen 70 im
Rad 38 decken sich in Axialrichtung mit in Umfangsrichtung
voneinander beabstandeten Öffnungen 72 im
Abstandshalter, um die Schrauben 48 zum Befestigen des
Rotors in der Baugruppe aufzunehmen. Die Öffnungen 74 im Abstandshalter 39 sind
auf die in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, sich in Axialrichtung
erstreckenden Rücklaufrohre 61 abgestimmt,
die in den 3 und 8 dargestellt
sind. Bei konventionellen Gasturbinenkonstruktionen weisen die axialen
Flächen
der Räder in
Axialrichtung hervorstehende Flansche 76 auf, in denen
die Schraubenöffnungen 70 ausgebildet
sind. Jeder Abstandshalter weist einen in Axialrichtung hervorstehenden
ringförmigen
Flansch 78 auf, der vom Flansch 76 des in Axialrichtung
ausgerichteten Rads radial nach innen angeordnet ist, und eine gefalzte
Verbindung mit dem Flansch 76 bildet. Es ist nachvollziehbar,
dass sich von der gefalzten Verbindung zwischen den Rädern und
Abstandshaltern Radhohlräume
C radial nach innen erstrecken, die vor der Endkappe der Kapillarrohrbaugruppe
mit offener Verbindung zur Rotorbohrung angeordnet sind.
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An
in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Positionen an der gefalzten
Verbindung ist ein Kanal 80 oder Schlitz im Flansch 78 des
Abstandshalters ausgebildet, wobei der Kanal axial ausgerichtet
ist. Zusätzlich
ist ein Schlitz 82 radial nach außen durch den Flansch 76 des
Rads ausgebildet. Die Abstandslalter und Räder werden drehungsmäßig so zueinander
ausgerichtet, dass der Kanal 80 und der Schlitz 82 radial
fluchtend ausgerichtet sind und einen Durchgang zwischen dem Radhohlraum und
dem in Radialrichtung außerhalb
der gefalzten Verbindung liegenden Raum bilden. Die Kanäle 80 bilden
Dosierschlitze, um das thermische Medium radial nach außen strömen zu lassen.
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Verdichterabluft
wird vor der ersten Stufe zur Bohrung der Rotorbaugruppe geleitet.
Die Verdichterabluft strömt,
wie von den Pfeilen in 4 dargestellt, in einer Wärmeaustauschbeziehung
mit den Rädern
und Abstandshaltern radial nach außen in die Radhohlräume zwischen
den Rädern
und Abstandshaltern. Von den Hohlräumen strömt die Luft durch die aneinander
ausgerichteten Kanäle
und Schlitze 80 bzw. 82 und schließlich in
den Heißgaspfad.
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Beim
Start wird der Turbine durch die in 8 dargestellten
Kanäle
des geschlossenen Dampfkühlungskreislaufs
Kühlluft
zugeführt.
Es ist nachvollziehbar, dass beim Start die heißen Verbrennungsgase durch
den Heißgaspfad
strömen
und dadurch den äußeren Rand
des Rotors erwärmen
und einen vom Heißgaspfad
radial nach innen gerichteten Temperaturgradienten verursachen,
was Bohrungsspannungen hervorruft und, sofern dem nicht entgegengewirkt
wird, eine Verformung von Rotorteilen hervorrufen könnte, die
sich unvorteilhaft auf die Flansche und gefalzten Verbindungen auswirkt
Diese Bohrungsspannungen begünstigen
das Aufbrechen oder Verformen der gefalzten Verbindungen zwischen
den Rädern
und Abstandshaltern. Zum Minimieren oder Beseitigen dieser Bohrungsspannungen strömt Verdichterabluft
vom Kompressor in die Rotorbohrung und radial nach außen in die
Radhohlräume. Die
Verdichterabluft weist beim Start eine höhere Temperatur als die Räder und
Abstandshalter auf und sorgt so für das Vor- und Erwärmen der
Räder und Abstandshalter.
Zusätzlich
reduziert das Vorwärmen der
Räder und
Abstandshalter den radial entlang des Rotors bestehenden Temperaturgradienten
und kontrolliert die Rad- und Abstandshalterverformungen, sodass
die Tendenz der gefalzten Verbindungen, aufzubrechen oder sich zu
verformen, gemindert wird. In der Startphase des Rotors wird die
Luft in dem geschlossenen Dampfkühlungskreislauf
durch Dampf ersetzt, und der äußere Rand
und bestimmte Heißgaspfadkomponenten
des Rotors werden durch das Leiten von Dampf durch den geschlos senen
Kreislauf gekühlt
(siehe 8). In der Erwärmungsphase des
Rotors erreicht der Rotor eine Temperatur, die über der Temperatur der Verdichterabluft
liegt. Ab diesem Zeitpunkt versucht die Verdichterabluft, die Räder und
Abstandshalter in Phasen gleich bleibenden Betriebs zu kühlen. Da
der äußere Rand
des Rotors dampfgekühlt
wird und die inneren Bereiche der Räder und Abstandshalter gleichermaßen gekühlt werden,
wird der radiale Temperaturgradient verringert, wodurch Bohrungsspannungen
minimiert oder beseitigt werden und dafür gesorgt wird, dass die gefalzten
Verbindungen zwischen den Rädern
und Abstandshaltern geschlossen bleiben.