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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Ausbildung von Turbomaschinenrichtklappen,
insbesondere die Ausbildung von Klappen mit variablem Einstellwinkel,
sowie deren Anbringen in einem Eintrittsgehäuse eines Turbostrahltriebwerks.
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Üblicherweise
umfassen Richtklappen ein Teil mit aerodynamischem Profil, das einen
Flügel
bildet, der an zwei gegenüberliegenden
Enden mit Befestigungsteilen versehen ist, die im Falle von Klappen
mit variablem Einstellwinkel radial ausgerichtete Drehgelenke bilden;
derartige Klappen sind in dem Dokument US-A-4 022 540 offenbart.
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Es
ist bekannt, Flügel
aus Verbundwerkstoff durch Drapieren in Form von Faserverstärkungsschichten
herzustellen. Das Drapieren kann an einem Kernteil oder Kern vollzogen
werden. Die Schichten werden vor oder nach dem Drapieren mit Harz
imprägniert.
Nach der Polymerisation, die ermöglicht,
das Harz zu härten,
erhält
man einen Rohling, dessen Form nahe der Form des herzustellenden
Flügels
ist. Der Rohling wird anschließend
auf seine endgültigen
Abmessungen bearbeitet.
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Im
Vergleich zu einem Metallflügel
bringt ein Flügel
aus Verbundwerkstoff einen wesentlichen Massegewinn und bewahrt
gleichzeitig eine sehr gute mechanische Festigkeit. Das Problem,
das sich dennoch stellt, ist die Herstellung der Verbindung mit den
Befestigungsteilen. Denn die bekannte Lösung, die darauf beruht, ein örtlich begrenztes
Drapieren von Verstärkungsschichten
des Flügels
um Metallbefestigungsteile zu vollziehen, kann sich als unzufriedenstellend
erweisen, da die Verbindung durch die Konzentration – in ihrem
Bereich – der
Kräfte,
die der Flügel
einsteckt und die durch die Befestigungsteile aufgenommen werden
müssen,
geschwächt
wird.
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Ziel und Zusammenfassung
der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist es, eine Architektur einer Turbomaschinenrichtklappe
vorzuschlagen, die insbesondere ermöglicht, das vorgenannte Problem der Übertragung
der Kräfte
auf die Befestigungsteile zu lösen.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Ziel dank einer Richtklappe erreicht, die einen Strukturträger, der
einen Flügelstrukturkern
aufweist und einstückig mit
wenigstens einem Teil der Befestigungsteile gebildet ist, sowie
eine Verbundhülle
enthält,
welche den Strukturkern umgibt und wenigstens das aerodynamische
Profil des Flügels
bildet.
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Die
Erfindung ist insbesondere durch die Trennung zwischen der Strukturfunktion,
welche durch den Strukturträger
gewährleistet
wird, und der aerodynamischen Funktion, die durch die Hülle des Flügels sichergestellt
wird, bemerkenswert. Die strukturelle Kontinuität zwischen dem Kern des Flügels und
den Befestigungsteilen stellt direkt die Übertragung der an dem Flügel angreifenden
Kräfte
sicher, ohne daß die
Gefahr einer Trennung des Flügels
und der Befestigungsteile gegeben ist.
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Der
Strukturträger
ist vorteilhafterweise aus Verbundwerkstoff gefertigt. Er könnte aus
Metall bestehen.
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Nach
einer Besonderheit der erfindungsgemäßen Richtklappe ist wenigstens
eines der Befestigungsteile mit einem Metallring versehen, der dann, wenn
dieses Befestigungsteil ein Drehgelenk bildet, gegenüber dem
Befestigungsteil um die Achse des Drehgelenks drehgesichert ist.
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Nach
einer weiteren Besonderheit der Richtklappe weist sie Innendurchlässe auf,
die sich einerseits an einem Ende wenigstens eines Befestigungsteils
und andererseits entlang wenigstens einem der Ränder des Flügels öffnen.
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Derartige
Richtklappen, die mit Innendurchlässen versehen sind, können vorteilhafterweise
in einem Eintrittsgehäuse
einer Turbomaschine angeordnet sein, das von einem Enteisungssammelbehälter umgeben
ist, wobei die Befestigungsteile, in denen sich die Innendurchlässe der
Klappen öffnen, nun
in dem Eintrittsgehäuse
im Bereich des Enteisungssammelbehälters angeordnet sind, um diesen mit
den Innendurchlässen
zu verbinden.
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Ziel
der Erfindung ist auch, ein Verfahren zur Herstellung einer Richtklappe,
wie sie oben definiert ist, zu liefern. Gemäß der Erfindung umfaßt ein solches
Verfahren die Schritte, welche darin bestehen:
- – einen
Strukturträger
mit einem Flügelstrukturkern
auszubilden, der mit wenigstens Strukturkernen von Befestigungsteilen
ein einziges Teil bildet, und
- – Faserverstärkungsschichten
um den Strukturträger
zu drapieren, um eine Verbundhülle
auszubilden, die den Strukturkern umgibt und wenigstens das aerodynamische
Profil des Flügels
bildet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird besser verständlich
beim Lesen der nachfolgenden, zur Unterrichtung gegebenen, aber
nicht einschränkend
zu verstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen,
in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Richtklappe ist, wie sie gemäß der Erfindung
ausgebildet werden kann;
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2 eine
Schnittansicht entlang der Ebene II-II der 1 ist;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Ebene III-III der 1 ist;
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die 4A und 4B zwei
Schritte der Herstellung des Strukturträgers aus Verbundwerkstoff der
Klappe der 1 bis 3 zeigen;
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5 eine
Teilansicht ist, welche die Herstellung der Flügelhülle der Klappe der 1 bis 3 zeigt;
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6 eine
schematische Ansicht eines Klappenrohlings ist, der nach dem in
den 4A, 4B und 5 dargestellten
Verfahren erhalten wird;
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die 7 und 8 zwei
Varianten der Montage eines Metallrings an einem Befestigungsteil
einer Klappe zeigen, die nach Bearbeiten des Rohlings der 6 erhalten
wird;
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9 eine
schematische Schnittansicht ist, welche eine Ausführungsvariante
einer Richtklappe zeigt, wie sie gemäß der Erfindung hergestellt
werden kann;
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die 10A und 10B Schnittansichten zeigen,
welche zwei Schritte der Herstellung des Verbundwerkstoff-Strukturträgers der
Klappe der 9 zeigen;
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11 die
Ausführung
der Flügelhülle der Klappe
der 9 zeigt; und
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12 eine
sehr schematische Ansicht ist, welche das Anordnen einer Klappe,
wie derjenigen der 9, in einem Eintrittsgehäuse einer
Turbomaschine zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1 bis 3 zeigen
eine gemäß der Erfindung
ausgebildete Richtklappe 10. In dem dargestellten Beispiel
handelt es sich um eine Turbomaschinenrichtklappe mit variablem
Einstellwinkel. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Turbomaschinenrichtklappen
dieses Typs beschränkt.
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Die
Klappe 10 weist im wesentlichen einen Strukturträger 12 auf,
der sich über
die gesamte Höhe
der Klappe erstreckt und einen Flügelstrukturkern 14 umfaßt, der
einstückig
mit Befestigungsteilen 16, 18 an den gegenüberliegenden
Enden des Strukturkerns gebildet ist.
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Ein
Metallring 30 ist auf das Befestigungsteil 16 aufgesteckt,
das dazu bestimmt ist, mit einem Schwingarm zum Steuern der Winkelposition
der Klappe verbunden zu werden. Ein Metallring kann auch auf das
andere Befestigungsteil 18 aufgesteckt sein.
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Eine
Hülle 20 umgibt
den Strukturkern 14 des Flügels und bildet das aerodynamische
Profil des Flügels 22 der
Klappe.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
erstreckt sich der Strukturträger
entlang einem der Ränder 10a der
Klappe. In anderen Ausführungsformen
von Klappen könnte
sich der Strukturträger
in dem mittleren Teil der Klappe erstrecken.
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Weiterhin
umfaßt
der Strukturkern 14 des Flügels bei der dargestellten
Ausführungsform
einen Teil 14a, der sich in der Verlängerung der Befestigungsteile 16, 18 erstreckt,
sowie einen Teil 14b, der sich ausgehend von dem Teil 14a über eine
begrenzte Strecke innerhalb des aerodynamischen Profils des Flügels erstreckt.
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Ein
Kern 24 verlängert
den Teil 14b, wobei die Einheit bestehend aus dem Kern 14 und
dem Kern 24 von der Hülle 20 mit
im wesentlichen konstanter Dicke umgeben ist.
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In
einer Variante könnte
der Teil 14b soweit verlängert sein, daß er das
durch den Kern 24 eingenommene Volumen einnimmt.
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In
einer weiteren Variante könnte
der Kern 24 durch einen Hohlraum ersetzt sein.
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Der
Strukturträger 12 kann
metallisch sein. Er ist jedoch vorzugsweise aus Verbundwerkstoff
gefertigt, beispielsweise wie anhand der 4A und 4B dargestellt.
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Der
Strukturkern des Flügels
ist durch Drapieren von Faserverstärkungsschichten 15,
zum Beispiel von Schichten aus Kohlenstoffasergewebe gebildet, das
mit einem Harz, wie einem organischen Harz imprägniert ist. Die Schichten 15 erstrecken sich über die
gesamte Höhe
des Strukturträgers,
einschließlich
der Befestigungsteile.
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Zusätzliche
Schichten 17 werden hinzugefügt, um einen Rohling 16' des Befestigungsteils 16 an
einem Ende des Strukturträgers
zu bilden, während
zusätzliche
Schichten 19 hinzugefügt
werden, um einen Rohling 18' des
Befestigungsteils 18 an dem anderen Ende zu bilden. Die
Schichten 17 und 19 sind vorzugsweise von der
gleichen Art wie die Schichten 15. Sie werden auf diesen
an den Enden drapiert, welche die Stelle des Strukturkerns des Flügels überragen.
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Eine
Wärmebehandlung
wird durchgeführt, um
das Harz zur Imprägnierung
der Schichten 15, 17, 19 zu polymerisieren.
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In
einer Variante können
trockene Faserverstärkungsschichten
verwendet werden, wobei die Imprägnierung
durch ein Harz nach dem Drapieren der Schichten, beispielsweise
auf wohl bekannte Art und Weise durch Einspritzen des Harzes in
eine Form vollzogen wird.
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Die
Hülle 20 des
Flügels
wird durch Drapieren von Faserverstärkungsschichten 21 um
den durch den Kern 24 verlängerten Strukturkern 14 gebildet
(5).
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Die
Schichten 21 bestehen zum Beispiel aus einem Gewebe aus
Kohlenstoffasern, die mit einem organischen Harz imprägniert sind.
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Die
die Schichten 21 bildenden Kohlenstoffasern können mit
denjenigen, welche die Schichten 15, 17, 19 bilden
identisch sein oder auch nicht. In dem Maße wie die Hülle 20 nicht
die gleiche Strukturfunktion erfüllt
wie der Träger 12,
können
die die Schichten 21 bildenden Kohlenstoffasern Fasern
mit hohem Young-Modul sein, während
die die Schichten 15, 17, 19 bildenden
Kohlenstoffasern Fasern mit hoher mechanischer Festigkeit sein können.
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Eine
Wärmebehandlung
wird durchgeführt, um
das Harz zum Imprägnieren
der Schichten 21 zu polymerisieren.
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Die
gleiche Wärmebehandlung
kann durchgeführt
werden, um gleichzeitig das Harz zum Imprägnieren der Schichten 21 und
das Harz zum Imprägnieren
der Schichten 15, 17, 19 zu polymerisieren.
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Die
Schichten 21 können
in trockenem Zustand drapiert werden, wobei die Imprägnierung durch
das Harz nach dem Drapieren, beispielsweise durch Einspritzen von
Harz in eine Form vollzogen wird. In dem Maße wie ein und dasselbe Harz
für die Imprägnierung
der Schichten 15, 17, 19, 21 verwendet
wird, kann das Drapieren aller Schichten vor dem gleichzeitigen
Imprägnieren
aller Schichten trocken durchgeführt
werden.
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Die
Schichten 21 können
sich, wenigstens teilweise, über
die gesamte Höhe
des Strukturträgers erstrecken,
wobei die Endteile der Schichten um die Rohlinge 16', 18' der Befestigungsteile
drapiert werden, die gewissermaßen
Kerne der Befestigungsteile bilden.
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Man
erhält
einen Klappenrohling 10' (6) mit
einem durch das Drapieren der Schichten 21 gebildeten Flügelrohling 22' und den Rohlingen 16', 18' der Befestigungsteile.
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Die
Klappe 10 wird durch Bearbeiten des Rohlings 10' erhalten. Anschließend wird
der Metallring 30 an dem Befestigungsteil 16,
beispielsweise durch Warmaufschrumpfen angebracht. Die Einstellgenauigkeit
der Klappe wird dann nicht durch die Wärmedehnung des Verbundwerkstoffs
des Befestigungsteils 16 beeinträchtigt, da letzteres in dem
Ring 30 eingeklemmt bleibt.
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Um
jede Relativdrehung zwischen dem Ring 30 und dem Befestigungsteil 16,
das ein Drehgelenk 36 der Klappe bildet, zu vermeiden,
kann zwischen dem Ring 30 und dem Befestigungsteil 16 eine
Drehsicherung um die Achse des Drehgelenks vorgesehen sein.
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Eine
solche Drehsicherung kann dadurch realisiert werden, daß eine oder
mehrere Nuten oder Ausfräsungen 30a an
der Basis des Rings 30 gebildet werden, in die Zinnen 16a eingreifen,
die an dem Befestigungsteil 16 ausgebildet sind (7).
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
sind eine oder mehrere Abflachungen 16b an dem Rand des
Befestigungsteils 16 gebildet, an denen Abflachungen 30b aufliegen,
die an der Innenseite des Rings 30 ausgebildet sind (8).
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Ein
Metallring kann auch an dem ein Drehgelenk 38 der Klappe
bildenden Befestigungsteil 18 angebracht werden.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Richtklappe 100 für
eine Turbomaschine, die sich von derjenigen der 2 dadurch
unterscheidet, daß sie einen
Innenhohlraum 102 aufweist, der mit einem Längsdurchgang 104 in
Verbindung steht, der in dem Strukturträger 112 ausgebildet
ist und der sich am Ende des Befestigungsteils 116 öffnet. Der
Durchgang 104 setzt sich durch den Metallring 130 hindurch
fort, der mit dem Befestigungsteil 116 ein Drehgelenk 136 mit
axialem Durchlaß bildet.
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Der
Hohlraum 102 erstreckt sich zum Teil in den Strukturkern 114 des
Flügels 122 und
zum Teil in den Teil mit aerodynamischem Profil des Flügels 122.
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Der
Hohlraum 102 steht auch über die Durchlässe 106,
die sich im wesentlichen senkrecht zum Träger 112 erstrecken
und sich in dem Rand 110b der Klappe, im vorliegenden Fall
der Austrittskante öffnen,
mit der Außenseite
in Verbindung.
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Ist
die Klappe 100 eine Klappe mit variablem Einstellwinkel
eines Eintrittsleitapparates eines Turbostrahltriebwerks, so ermöglichen
die Innendurchlässe 104, 102, 106 das
Zirkulieren von heißem
Enteisungsgas.
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Die
Ausführung
des Strukturträgers 112 der Klappe 100 (10A und 10B)
unterscheidet sich von derjenigen der Klappe 10 dadurch,
daß die Faserverstärkungsschichten 115 des
Strukturkerns des Flügels
und die Faserverstärkungsschichten 117 des
Befestigungsteils 116 um einen Kern 108 herum drapiert
sind. Der Kern 108 hat die Form des Teils des Hohlraums 102,
der in dem Strukturkern 114 liegt, und des Durchlasses 104.
Zusätzlichen
Schichten 119 werden drapiert, um das Befestigungsteil 118 zu
bilden, wie dies für
die Klappe 10 beschrieben ist.
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Die
Verbundhülle 120 des
Flügelteils 122 ist durch
Drapieren von Schichten 121 um den Flügelstrukturkern 114 gebildet,
der durch einen Kern 124 vervollständigt ist, dessen Form der
Form des Hohlraumteils 102 entspricht, der sich in dem
aerodynamischen Profil des Flügels
befindet (11). Die Faserverstärkungsschichten
des Strukturträgers 112 und
der Hülle 122 sowie
das oder die Harze) zum Imprägnieren
der Schichten sind denjenigen ähnlich, die
weiter oben in Verbindung mit der Klappe 10 beschrieben
sind.
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Die
Kerne 108 und 124 bestehen aus einem Material,
das leicht durch Schmelzen oder Auflösen entfernbar ist, um den
Hohlraum 102 und den Durchlaß 104 nach der Ausbildung
des Klappenrohlings zu erhalten.
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Die
Durchlässe 106 können während der
abschließenden
Phase der Fertigung der Klappe 100 aus dem Rohling durch
Bearbeiten erhalten werden.
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12 zeigt
auf sehr schematische Art und Weise ein Eintrittsgehäuse eines
Turbostrahltriebwerks, in dem Klappen 100, wie diejenige
der 9, eingesetzt sind, um einen Eintrittsleitapparat
zu bilden (in 12 ist nur eine Klappe 100 dargestellt).
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Ein
ringförmiger
Sammelbehälter 140 für heißes Enteisungsgas
umgibt den Außengehäuseteil 146 und
nimmt über
eine Rohrleitung 142 ein heißes Gas, beispielsweise durch
den Motor erhitzte Luft auf.
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Die
Klappe 100 ist derart angebracht, daß sich das Ende des Drehgelenks 136 innerhalb
des Sammelbehälters 140 öffnet. Auf
diese Weise zirkuliert heiße
Luft innerhalb der Klappe 100 durch den Durchlaß 104,
den Hohlraum 102 und die Durchlässe 106, bevor es
im Bereich der Austrittskante 100b ausgestoßen wird.
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Das
andere Befestigungsteil der Klappe 100, das eventuell mit
einem Metallring versehen ist, bildet ein Drehgelenk 138,
das in dem Innengehäuseteil 148 gelagert
ist.
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Arme 144 (in 12 ist
nur einer dargestellt) erstrecken sich zwischen den Gehäuseteilen 146 und 148.
In bekannter Weise sind die Arme 144 hohl und weisen Innendurchlässe auf,
die sich an dem mit dem Außengehäuseteil 146 verbundenen
Ende 144a bzw. durch entlang der Austrittskante 144b gebildete Öffnungen öffnen.
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Die
Enden der Arme 144 sind im Bereich des Enteisungssammelbehälters 140 verbunden,
so daß heiße Enteisungsluft
die Arme durchströmt
und im Bereich ihrer Austrittskanten, unmittelbar stromaufwärts der
Stellen der Klappen 100 ausgestoßen wird.