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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halte- und Blockiervorrichtung
für Leitapparate einer
Hochdruckstufe in Gasturbinen.
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Bekanntermaßen sind
Gasturbinen Maschinen, die aus einem Verdichter und einer Turbine
mit einer oder mehreren Stufen bestehen, wobei diese Komponenten
miteinander durch eine drehende Welle verbunden sind, und wobei
zwischen dem Verdichter und der Turbine eine Brennkammer angeordnet ist.
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Um
den Verdichter unter Druck zu setzen, wird er mit Luft aus der Außenumgebung
versorgt.
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Die
verdichtete Luft passiert eine Reihe von Vormischkammern, die in
einem auch als Abdeckung bekannten konvergierenden Abschnitt enden,
und ein Injektor spritzt mit der Luft gemischten Treibstoff in jede
der Vormischkammern, um ein zu verbrennendes Luft-Treibstoff-Gemisch
zu erzeugen.
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Um
die Verbrennungseigenschaften zu verbessern, wird im Allgemeinen
ein Element zur Verfügung
gestellt, das den vom Verdichter empfangenen Luftstrom unterbricht
und eine komplexe Form hat, die aus zwei Reihen von in entgegengesetzte
Richtungen ausgerichteten Schaufeln besteht, alles derart gestaltet,
um Turbulenz in dem Luft-Treibstoff-Gemisch zu erzeugen.
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In
die Brennkammer wird der Treibstoff eingelassen, der mittels entsprechender
Zündkerzen entzündet wird,
um die Verbrennung zu erzeugen, die dazu bestimmt ist, zu ei ner
Erhöhung
von Temperatur- und Druck und somit der Enthalpie des Gases zu führen.
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Gleichzeitig
liefert der Verdichter verdichtete Luft, die derart durch die Brenner
und die Mäntel
der Brennkammer geleitet wird, dass die verdichtete Luft zur Verfügung steht,
um die Verbrennung zu unterstützen.
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Anschließend erreicht
das Hochtemperatur- und Hochdruckgas über entsprechende Kanäle die verschiedenen
Turbinenstufen, was die Enthalpie des Gases in mechanische Energie
umwandelt, die einem Benutzer zur Verfügung steht.
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In
zweistufigen Turbinen wird das Gas in der ersten Turbinenstufe verarbeitet,
unter Bedingungen mit relativ hohem Druck und relativ hoher Temperatur,
und unterliegt dort einer anfänglichen
Ausdehnung, während
in der zweiten Turbinenstufe das Gas einer zweiten Ausdehnung unterliegt,
unter niedrigeren Temperatur- und Druckbedingungen als in den vorherigen
Fällen.
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Es
ist ebenso bekannt, dass die Gastemperatur so hoch wie möglich sein
muss, um die beste Leistung von einer spezifischen Gasturbine zu
erhalten, jedoch sind die maximalen Temperaturwerte, die bei Betrieb
der Turbine erreicht werden können, durch
die Widerstandsfähigkeit
der verwendeten Materialien beschränkt.
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Um
die technischen Probleme aufzuzeigen, die von der vorliegenden Erfindung
gelöst
werden, wird nachstehend eine kurze Beschreibung eines Stators einer
Hochdruckstufe einer Gasturbine nach dem Stand der Technik zur Verfügung gestellt.
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Stromab
von der Brennkammer verfügt
die Turbine über
einen Hochdruck-Stator und -Rotor, wobei der Stator genutzt wird,
um den Strom verbrannter Gase in geeignetem Zustand zum Einlass
des Rotors zu leiten und ihn insbesondere in geeigneter Weise in
die Öffnungen
der Rotorschaufeln zu leiten und zu verhindern, dass der Strom direkt
auf die dorsale oder konvexe und die ventrale oder konkave Oberfläche der
Schaufeln trifft.
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Der
Stator besteht aus einer Reihe von Leitschaufeln, und zwischen jedem
Paar von diesen wird eine entsprechende Düse zur Verfügung gestellt.
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Die
Gruppe von Leitschaufeln ist ringförmig und ist extern mit dem
Turbinengehäuse
verbunden und intern mit einer entsprechenden Haltevorrichtung.
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In
diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, dass ein erstes technisches
Problem der Statoren, insbesondere im Fall von Hochdruckstufen, durch
die Tatsache hervorgerufen wird, dass der Stator hohen Drucklasten
unterworfen ist, auf Grund der Druckreduzierung des Fluids, das
sich in den Statoröffnungen
ausdehnt.
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Zusätzlich ist
der Stator auf Grund des Stroms von heißen Gasen aus der Brennkammer
hohen Temperaturen unterworfen, und Strömen kalter Luft ausgesetzt,
die in die Turbine geführt
werden, um diejenigen Teile zu kühlen,
die unter Wärmegesichtspunkten
der größten Belastung
ausgesetzt sind.
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Insbesondere
wegen dieser hohen Temperaturen müssen die Leitschaufeln, die
in der Hochdruckstufe von Turbinen Anwendung finden, gekühlt werden,
und sie haben zu diesem Zweck eine Oberfläche, die in geeigneter Weise
mit Löchern
für Kanäle versehen
ist, die die Luftzirkulation innerhalb der Leitschaufel selbst erlauben.
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Ein
anderes, in der Technik gut bekanntes Problem ist es, optimalen
Halt und optimale Fxierung der Leitschaufeln sicher zu stellen,
besonders in der Hochdruckstufe.
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Zusätzlich haben
konventionelle Statoren Halte- und Fixiervorrichtungen, die keine
leichte Demontage zulassen, wenn diese erforderlich ist, um Wartungsarbeiten
durchzuführen
oder eine oder mehrere Leitschaufel(n) auszutauschen, die abgenutzt
oder beschädigt
sind.
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Ein
anderes Problem besteht in der Tatsache, dass die Statoren während des
Betriebes des Triebwerks den von den Leitschaufeln übertragenen Schwingungen
ausgesetzt sind.
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Die
Leitschaufeln müssen
jedoch sparsam dimensioniert sein, da die Hochdruckgase eine sehr hohe
Dichte aufweisen, was bedeutet, dass die Gaspassagen-Querschnitte
der ersten Stufen deutlich kleiner sein müssen als die Gaspassagen-Querschnitte der
nachfolgenden Stufen, wenn das Gas seine anfängliche Ausdehnung durchlaufen
hat.
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US 5,343,694 beschreibt
eine Haltevorrichtung für
einen Turbinenleitapparat.
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US 3,363,416 beschreibt
ein Mittel für
die Halterung der Eingangsschaufeln einer Turbine.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine besonders verlässliche
Halte- und Fixiervorrichtung für
Leitapparate einer Hochdruckstufe in Gasturbinen zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit einfacher
und kompakter Struktur zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
die nur geringe Kosten verursacht und aus einer geringeren Anzahl
von Komponententeilen besteht.
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Es
ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Halte- und Blockiervorrichtung
für Leitapparate
einer Hochdruckstufe in Gasturbinen zu schaffen, die die erforderliche
einfache Montage und Demontage der Leitschaufeln erlaubt, um diese
zu warten und eventuell auszutauschen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
die das Einhalten einer optimalen Beseitigung von Schwingungen erlaubt, die
die Leitschaufeln beeinträchtigen,
und zu verhindern, dass diese Schwingungen auf die anderen Elemente
des Triebwerks übertragen
werden.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine sichere, einfache und
wirtschaftliche Vorrichtung zu schaffen.
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Diese
und andere Aufgaben werden durch eine Halte- und Blockiervorrichtung
für Leitapparate einer
Hochdruckstufe in Gasturbinen gelöst, wie sie in dem angefügten Anspruch
1 definiert ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist jede der Gruppen von Leitschaufeln mit äußeren Löchern versehen, zwecks
Verbindung mit den äußeren Dichtungsplatten,
und mit inneren Löchern
zwecks Verbindung mit den inneren Dichtungsplatten.
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Zusätzlich ist
jede der Gruppen von Leitschaufeln über die äußeren Löcher mit den äußeren Dichtungsplatten
mittels einer ersten Gruppe von Stiften verbunden, und ist über die
inneren Löcher mittels
einer zweiten Gruppe von Stiften mit den inneren Dichtungsplatten
verbunden.
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Ein
peripherer Teil des Rings verfügt über eine
Kreisumfangsrille, die mit den Durchgangslöchern kommuniziert, die wiederum
zu entsprechenden blinden Löchern
fluchten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verfügen
die Gruppen von Leitschaufeln auf ihren inneren Platten über Löcher, wobei
diese Platten in die Kreisumfangsrille derart eingeführt werden,
dass die Löcher mit
Durchgangslöchern
kommunizieren, um die Verriegelung der Gruppen von Leitschaufeln
auf dem Ring mittels Stiften zu verstärken.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat jede der Gruppen von Leitschaufeln
Vorsprünge,
die an den Körper
der Gasturbine stoßen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verfügt
der Ring über
eine Luftzuleitung, die die Außenseite
der Brennkammer und den stromab gelegenen Teil der Gruppen von Leitschaufeln
verbindet und sich auf ein Vorderteil des Rings öffnet, und die einen ersten
Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, von denen der zweite
einen kleineren Durchmesser als der erste Bereich hat, und wobei
der erste und der zweite Bereich durch einen weiteren, kegelstumpfförmigen Bereich
miteinander verbunden sind.
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Weiterhin öffnet sich
die Luftzuleitung in dem hinteren Teil des Rings, gegenüber dem
plattenartigen Element, in einen letzten kegelstumpfförmigen Bereich.
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Weitere
Eigenschaften der Erfindung sind in den Ansprüchen beschrieben, die der vorliegenden Patentanmeldung
angefügt
sind.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden bei der Durchsicht der
folgenden Beschreibung und der angefügten Figuren ersichtlich werden, die
ausschließlich
als erklärende,
nicht einschränkende
Beispiele zur Verfügung
gestellt werden.
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1 zeigt
eine Vorderansicht eines Teils einer Gruppe von Leitschaufeln, die
mittels einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung blockiert sind;
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2 zeigt
eine Rückansicht
eines Teils der Gruppe von Leitschaufeln aus 1;
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3 zeigt
einen Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III in 2;
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4 zeigt
einen Querschnitt entlang der Schnittlinie IV-IV in 2;
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5 zeigt
einen Querschnitt entlang der Schnittlinie V-V in 1;
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6 zeigt
eine Rückansicht
einer Gruppe von Leitschaufeln;
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7 zeigt
eine Vorderansicht eines Blockier- und Halterings entsprechend der
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
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8 zeigt
einen Querschnitt entlang der Schnittlinie VIII-VIII in 7,
und
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9 zeigt
einen Querschnitt entlang der Schnittlinie IX-IX in 7.
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Mit
einem besonderen Verweis auf die fraglichen Figuren wird die Halte-
und Blockiervorrichtung für
Leitapparate einer Hochdruckstufe in Gasturbinen nach der vorliegenden
Erfindung als Ganzes durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst eine Vielzahl von Gruppen 12 von
Leitschaufeln 13, von denen jede über eine äußere Dichtungsplatte 11 mit
dem äußeren Mantel
der Brennkammer der Gasturbine (aus Gründen der Einfachheit nicht
dargestellt) verbunden ist, um durch ihren Kontakt sicherzustellen,
dass die in der Brennkammer erzeugten heißen Gase vollständig durch
die Leitschaufeln strömen.
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Jede
Gruppe 12 von Leitschaufeln 13 ist zwecks Verbindung
mit dem inneren Mantel der Gasbrennkammer (aus Gründen der
Einfachheit nicht dargestellt) auch mit einer inneren Dichtungsplatte 41 verbunden.
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Die
innere Dichtungsplatte 41 funktioniert auf ähnliche
Weise wie die äußere Dichtungsplatte 11.
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Daher
werden die Gruppen 12 von Leitschaufeln 13 entlang
eines ringförmigen
Profils gehalten, das den Querschnitt der Gaspassage bestimmt, und
sind zwischen den äußeren Dichtungsplatten 11 und
den inneren Dichtungsplatten 41 eingeschlossen.
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Detaillierter
ausgedrückt,
besteht jede Gruppe 12 aus einem Paar Leitschaufeln 13,
die mittels ihrer gegenseitigen Positionen die Düsen 15 für die Gaspassage
bilden; zusätzlich
verfügen
die Leitschaufeln 13 auf ihrer äußeren Oberfläche über eine Vielzahl
von Kühllöchern, die
mit inneren Kühlkanälen verbunden
sind.
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Die
Gruppe 12 von Leitschaufeln 13 ist zwischen einem äußeren gewölbten Profil 22 und
einem inneren gewölbten
Profil 23 eingeschlossen, und jede der Schaufeln 13 hat
ein entsprechendes flügelförmiges Profil.
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Jede
Gruppe 12 von Leitschaufeln 13 verfügt über äußere Löcher 16,
zwecks Verbindung mit der Dichtungsplatte 11, und über innere
Löcher 17, zwecks
Verbindung mit der inneren Dichtungsplatte 41.
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Um
die Verbindung der Gruppen 12 zu verstärken, werden für die äußeren Löcher 16 Stifte 18 verwendet,
und für
die inneren Löcher 17 Stifte 19, wie
beispielsweise in den 4–5 zu sehen
ist.
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Diese
Verbindung wird auch durch die Verwendung der Federn 20 für die Stifte 18 und
der Federn 21 für
die Stifte 19 verbessert.
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Die
Gruppen 12 von Leitschaufeln 13 sind innen mittels
eines Ringes 14 blockiert, wie in 7 zu sehen,
der über
eine erste, äußere Reihe
von Löchern 29 und
eine zweite innere Reihe von Löchern 28 verfügt.
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Das
Durchgangsloch 28, das auf einem inneren Fortsatz 34 des
Ringes vorgesehen wird, wird verwendet, um den Ring selbst an der
Struktur der Gasturbine zu sichern.
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Es
ist ersichtlich, dass ein peripherer Teil des Rings 14 eine
Kreisumfangsrille 30 hat, die mit den Durchgangslöchern 29 kommuniziert,
welche ihrerseits zu entsprechenden blinden Löchern 31 fluchten.
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Die
Gruppen 12 von Leitschaufeln 13 verfügen auf
ihrer Innenseite über
eine Reihe von Platten 43, die wiederum mit Löchern 33 versehen
sind, und in die Kreisumfangsrille 30 derart eingesteckt
sind, dass die Löcher 33 mit
den Durchgangslöchern 29 kommunizieren.
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Die
Gruppen 12 von Leitschaufeln 13 sind auf dem Ring 14 mittels
Stiften 50 befestigt, die durch die Löcher 29 und die Löcher 33 gesteckt
sind.
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Es
wird auch eine Kreisumfangsvertiefung 36 geschaffen, die
mit der Lippe des Rings 14 verbunden ist, und die an ihren
eigenen Enden mit den in die verschiedenen Löcher 33 und 29 gesteckten Stiften
kommuniziert.
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Eine
weitere Eigenschaft der Erfindung besteht in der Tatsache, dass
jede der Gruppen 12 von Leitschaufeln 13 Vorsprünge 42 aufweist,
die an den Körper
der Gasturbine stoßen.
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Der
Ring 14 weist eine Luftzuleitung 26 auf, die die
Außenseite
der Brennkammer und den Teil stromab der Gruppen 12 von
Leitschaufeln 13 verbindet, und die sich auf ein Vorderteil
des Rings öffnet, sowie
einen ersten Bereich 26a und einen zweiten Bereich 26b aufweist,
der einen kleineren Durchmesser als der erste Bereich 26a hat,
und wobei die beiden Bereiche 26a und 26b durch
einen weiteren, kegelstumpfförmigen
Bereich 26c miteinander verbunden sind.
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In
dem hinteren Teil des Rings 14 öffnet sich die Luftzuleitung 26,
gegenüber
dem plattenartigen Element 36, mit einem letzten kegelstumpfförmigen Bereich 26d.
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Wenn
die Gasturbine in Betrieb ist, hat der Strom des Hochtemperaturgases
die Tendenz, die Gruppe 12 der Leitschaufeln 13 in
axialer Richtung auf den Bereich der Rotorschaufeln zuzuschieben.
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Die
beschriebene Blockiervorrichtung jedoch, und insbesondere die Vorsprünge 42,
wenn sie an den Körper
der Gasturbine stoßen,
tragen dazu bei, die Gruppe 12 an ihrem Platz zu halten.
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Zusätzlich hat
der Gasstrom auf die Leitschaufeln 13 die Tendenz, die
Gruppe 12 zu rotieren, während die Form der Düsen 15 den
Gasstrom in eine geeignete Richtung befördert, um den Rotor der Turbine
zu betreiben.
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Diese
Tendenz der Gruppe 12, zu rotieren, wird durch die Verbindung
der Gruppen 12 mit dem Ring 14 mittels der in
die Kreisumfangsrille 30 eingesetzten Platten 43 ausgeglichen.
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Aus
der zur Verfügung
gestellten Beschreibung sind die Eigenschaften und Vorteile der
Halte- und Blockiervorrichtung für
Leitapparate einer Hochdruckstufe in Gasturbinen, dem Gegenstand
der vorliegenden Erfindung, ersichtlich.
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Es
ist ebenfalls ersichtlich, dass viele Varianten der Halte- und Blockiervorrichtung
für Leitapparate
einer Hochdruckstufe in Gasturbinen, dem Gegenstand der vorliegenden
Erfindung, zur Verfügung
gestellt werden können,
ohne von dem im Erfindungskonzept inhärenten Prinzip der Neuartigkeit
abzuweichen.
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Schließlich ist
ersichtlich, dass jegliche Materialien, Formen und Dimensionierungen
der dargestellten Details in der praktischen Ausführungsform der
Erfindung verwendet werden können,
wie erforderlich, und dass sie durch andere ersetzt werden können, die
technisch äquivalent
sind.