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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vorspannen
von Bauteilen oder Materialien, und insbesondere bezieht sich die
Erfindung auf ein Verfahren zum Vorspannen eines Stromlinienprofils,
beispielsweise des Stromlinienabschnitts der Laufschaufel oder Leitschaufel
des Kompressors oder der Turbine eines Gasturbinentriebwerks. Die
Erfindung bezieht sich weiter auf einen vorgespannten Bauteil, und
insbesondere auf einen vorgespannten Stromlinienflügel wie
den Stromlinienabschnitt einer Laufschaufel oder Leitschaufel des Kompressors
oder der Turbine eines Gasturbinentriebwerks.
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Die
Bauteile von Gasturbinentriebwerken sind anfällig für Beschädigungen, die durch das Einsaugen
von Fremdkörpern
und allgemeine Ermüdungserscheinungen
verursacht werden. Derartige Beschädigungen können zu Spannungskonzentrationen
und Rissen führen,
die die Lebensdauer der Bauteile begrenzen. Dies ist ein spezielles
Problem bei den stromlinienförmigen
Vorder- und Hinterkanten der Laufschaufeln und Leitschaufeln sowohl
von Kompressor als auch von der Turbine. Eine bekannte Lösung besteht
darin, die Dicke des stromlinienförmigen Abschnitts in den Vorderkanten
und den Hinterkanten zu verstärken.
Dies erhöht
jedoch das Gewicht und beeinträchtigt
das aerodynamische Verhalten der Laufschaufel, wodurch der Wirkungsgrad
des Triebwerks verringert wird.
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Es
ist auch bereits vorgeschlagen worden, Bereiche mit Restkompressivspannung
in die Flügelprofile
einzuführen,
was im Idealfall dazu führt,
dass der gesamte Querschnittsbereich von Vorderkante und Hinterkante
unter Kompression gesetzt wird. Durch Erzeugung einer derartigen "Dickendurchgangskompression", wodurch die Restspannungen in
den Kanten des Flügelprofils
völlig
unter Druck stehen, wird die Tendenz der Rissebildung weitgehend verhindert.
Dieses Spannungsfeld wird in den weniger kritischen übrigen Teilen
der Schaufel ausgeglichen.
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Die älteren US-Patentschriften
Nr. 5591009 und 5531570 beschreiben eine Fanschaufel mit Bereichen
von tiefen kompressiven Restspannungen, die durch Laserstoßverformung
an den Vorderkanten und Hinterkanten der Fanschaufel aufgeprägt wurden.
Das Verfahren zur Erzeugung dieser Fanschaufel umfasst die Benutzung
von Mehrfachstrahlungsimpulsen von gepulsten Hochleistungslasern,
wodurch Stoßwellen
an der Oberfläche
des Werkstückes
erzeugt werden. Die in diesen älteren
Patenten beschriebenen Verfahren haben jedoch gewisse Nachteile.
Die Größe und die
Eindringtiefe der induzierten Spannungen ist begrenzt, wobei das
Verfahren außerdem
allgemein zeitraubend, kostspielig und auf Bereiche beschränkt ist,
die optisch zugänglich sind.
Eine Laserstoßverformung
kann im typischen Fall eine Eindringtiefe von 1 mm haben.
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Ein
anderes Verfahren zur Oberflächenkompression
in der Oberfläche
eines Bauteiles umfasst das Eintauchen des Bauteiles in ein nicht
kompressibles Medium und den Betrieb einer elektrischen Entladungsvorrichtung
innerhalb des Mediums. Derartige Verfahren sind z.B. in der
DE 44 28 719C und der
EP-A-0 035 091 beschrieben.
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Gemäß der Erfindung
betrifft diese ein Verfahren zum Vorspannen eines Materials mit
dem Schritt der Benutzung einer elektrischen Entladung zur Erzeugung
eines Druckimpulses in einem Medium benachbart zum Material, wobei
die elektrische Entladung ein Plasma in dem Medium erzeugt, um den
Druckimpuls zu liefern und wobei der Druckimpuls auf eine Oberfläche des
Materials auftrifft, um einen Bereich mit kompressiver Restspannung
innerhalb des Materials zu erzeugen.
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Das
Medium besteht vorzugsweise aus einer Flüssigkeit, beispielsweise Öl oder Wasser.
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Die
elektrische Entladung hat vorzugsweise eine Energie von wenigstens
35 J und eine Dauer von weniger als 40 ns.
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Vorzugsweise
erzeugt der Druckimpuls einen Aufschlagdruck von wenigstens 15 GPa
auf der Oberfläche
des Materials. Die elektrische Entladung kann zwischen Elektroden
vorgesehen werden. Die Elektroden können zwischen dem Material
und einer festen Vorrichtung angeordnet werden, um die Druckimpulse
aufzunehmen oder zu reflektieren.
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Die
Elektroden können
entfernt von der Oberfläche
des Materials angeordnet werden, und das Verfahren kann den Schritt
aufweisen, den Druckimpuls nach der Oberfläche des Materials zu richten.
Das Verfahren kann den Schritt aufweisen, eine Fokussierungseinrichtung
in Form eines Reflektors vorzusehen.
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Das
Verfahren kann den Schritt aufweisen, den Druckimpuls zu konzentrieren,
wenn dieser sich der Oberfläche
des Materials nähert.
Das Verfahren kann den Schritt aufweisen, Konzentrationsmittel des Materials
vorzusehen, wodurch der Druckimpuls schneller wandern kann als er
dies in dem Medium tut, wobei ein Schnittbereich der Konzentrationsmittel entfernt
von der Oberfläche
des Materials größer ist als
ein Querschnittsbereich der Konzentrationsmittel benachbart zum
Material.
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Der
Druckimpuls kann durch direkten Aufschlag der elektrischen Entladung
auf eine Schutzschicht auf der Oberfläche des Materials erzeugt werden.
Das Verfahren kann den weiteren Schritt umfassen, durch den die
Schutzschicht durch den direkten Aufschlag der elektrischen Entladung
beschädigt wird,
wobei die beschädigte
Schutzschicht von der Oberfläche
des Materials entfernt wird.
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Dieses
Verfahren kann den Schritt aufweisen, eine leitfähige Membran über die
Oberfläche des
Materials zu fügen
und die elektrische Entladung durch die leitfähige Membran hindurch vorzunehmen.
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Das
Material kann ein Teil eines Stromlinienprofils sein, das einen
Teil einer Kompressorlaufschaufel oder Turbinenlaufschaufel oder
Kompressorleitschaufel oder Turbinenleitschaufel bildet. Vorzugsweise
trifft der Druckimpuls wenigstens auf eine Vorderkante oder eine
Hinterkante des Stromlinienprofilabschnitts auf. Vorzugsweise umfasst
das Verfahren die Schritte der Erzeugung eines Druckimpulses, der
auf eine Saugseite der Vorderkante oder der Hinterkante auftrifft
und einen Druckimpuls erzeugt, der auf eine Druckseite der Vorderkante
oder der Hinterkante auftrifft, wobei die jeweiligen Druckimpulse im
Wesentlichen gleichzeitig auftreffen.
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Das
Material kann eine Öffnung
aufweisen und die Innenseiten der Oberfläche hiervon werden vorgespannt
und das Verfahren kann den Schritt aufweisen, Elektroden innerhalb
der Öffnung
anzuordnen. Das Verfahren kann weiter den Schritt aufweisen, ein
Rohr aus einem nicht leitfähigen
Material in die Öffnung
einzubringen, wobei die Elektroden innerhalb des Rohres enthalten
sind.
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Es
ist außerdem
eine Vorrichtung vorgesehen, um ein Material vorzuspannen, und die
Vorrichtung enthält
ein Medium, in dem oder benachbart zu dem das Material angeordnet
wird, und es sind Mittel vorgesehen, um eine elektrische Entladung
herbeizuführen
und einen Druckimpuls im Medium zu erzeugen, um eine Oberfläche des
Materials zu beaufschlagen und einen Bereich mit einer Restkompressivspannung
innerhalb des Materials zu erzeugen.
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Die
Zusammensetzung des Mediums kann derart sein, dass ein Plasma durch
die elektrische Entladung erzeugt wird. Das Medium besteht vorzugsweise
aus einer Flüssigkeit,
wie z.B. Wasser oder Öl.
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Vorzugsweise
sind die Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in der
Lage, eine Entladung herbeizuführen,
deren Energie wenigstens 35 J beträgt, wobei die Dauer der Entladung
weniger als 40 ns beträgt.
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Die
Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Entladung können zwei
Elektroden aufweisen, die wenigstens 1 mm von der Oberfläche des
Materials entfernt liegen.
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Die
Elektroden können
zwischen dem Material und einer festen Einrichtung angeordnet werden, um
den Druckimpuls aufzunehmen.
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Die
Elektroden können
fern von der Oberfläche
des Materials angeordnet werden und das Gerät kann Mittel aufweisen, um
den Druckimpuls nach der Oberfläche
des Materials zu richten. Das Gerät kann Fokussierungsmittel
in Form eines Reflektors aufweisen, wobei die Elektroden allgemein
zwischen dem Reflektor und der Oberfläche des Materials angeordnet
sind.
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Das
Gerät kann
Konzentrationsmittel aus einem Material aufweisen, durch das der
Druckimpuls schneller wandert als er dies in dem Medium tut, wobei
der Schnittbereich der Konzentrationsmittel fern von der Oberfläche des
Materials größer ist
als der Schnittbereich des Konzentrationsmittels benachbart zum
Material.
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Das
Gerät kann
außerdem
eine leitfähige Membran
aufweisen, um eine Oberfläche
des Materials zu bedecken und um die elektrische Entladung zu empfangen.
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Weiter
ist ein Material mit einem Bereich einer kompressiven Restspannung
vorgesehen, der durch ein Verfahren gemäß einem der obigen Absätze fünf bis fünfzehn erzeugt
wurde. Der Bereich der Kompressivspannung kann in einer Zone vorgesehen
werden, die insbesondere einer Ermüdungsbeschädigung, einer Beschädigung durch
Fremdkörper, einer
Beschädigung
durch Gravitation oder einer Beschädigung durch Erosion ausgesetzt
ist. Das Material kann repariert sein, bevor der Bereich der Kompressivspannung
erzeugt wird.
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Das
Material kann ein Teil eines Stromlinienabschnitts einer Laufschaufel
oder einer Leitschaufel des Kompressors oder der Turbine eines Gasturbinentriebwerks
sein. Vorzugsweise ist der Bereich der kompressiven Restspannung
innerhalb wenigstens der Vorderkante und der Hinterkante des Stromlinienabschnitts
angeordnet. Ein Bereich der restlichen Kompressivspannung kann sowohl
auf der Saugseite als auch der Druckseite von Vorderkante und Hinterkante
des Stromlinienabschnitts angeordnet sein.
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Der
Bereich der kompressiven Restspannung kann sich wenigstens 1 mm
hinein in das Material erstrecken.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks;
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2 ist
eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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3 ist
eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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4 ist
eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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5 ist
eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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6 ist
eine schematische Schnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
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7 ist
eine schematische Schnittansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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1 zeigt
ein Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk 10, das in axialer
Strömungsrichtung hintereinander
einen Lufteinlass 12, einen Schubfan 14, einen
Zwischendruckkompressor 16, einen Hochdruckkompressor 18,
eine Verbrennungseinrichtung 20, eine Hochdruckturbine 22,
eine Zwischendruckturbine 24, eine Niederdruckturbine 26 und
eine Abgasdüse 28 aufweist.
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Das
Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in herkömmlicher
Weise, indem die in den Einlass 12 eintretende Luft durch
den Fan 14 beschleunigt wird, um zwei Luftströme zu erzeugen,
nämlich
eine erste Luftströmung
in den Zwischendruckkompressor 16 und eine zweite Luftströmung, die
den Vortriebsschub liefert. Der Zwischendruckkompressor 16 komprimiert die
in ihn eingeführte
Luftströmung,
bevor er die Luft in den Hochdruckkompressor 18 abgibt,
wo eine weitere Kompression stattfindet.
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Die
vom Hochdruckkompressor 18 ausgeblasene Luft wird in die
Verbrennungseinrichtung 20 eingeleitet, wo sie mit Brennstoff
vermischt wird und wo das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte
expandieren dann durch die Hochdruckturbine, die Zwischendruckturbine
und die Niederdruckturbine 22, 24 und 26 und
treiben diese an, bevor die Gase durch die Düse 28 ausgestoßen werden,
um einen zusätzlichen
Vortriebsschub zu liefern. Die Hochdruckturbine 22 treibt
den Hochdruckkompressor 16, die Zwischendruckturbine 24 treibt
den Zwischendruckkompressor 18 und die Niederdruckturbine 26 treibt
den Fan 14 über
geeignete Verbindungswellen an.
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Die
Stromlinienabschnitte der Laufschaufeln und der Leitschaufeln von
Kompressor und Turbine sind, wie oben erwähnt, einer Beschädigung ausgesetzt.
Jedoch kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer solchen
Beschädigung
oder die Wahrscheinlichkeit, dass die Beschädigung zu einem Schaufelbruch
infolge Ermüdungserscheinungen führt, durch
eine Oberflächenbehandlung
der Laufschaufeln, beispielsweise durch Stoßverformung, vermindert werden.
Hierdurch wird auf den Oberflächenbereich
eine kompressive Restspannung aufgeprägt, die die Wirkungen der Zugspannungen
reduziert, die durch äußere Belastungen
auf die Oberfläche
ausgeübt
werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung werden die Stromlinienabschnitte durch elektrische
Funkenbearbeitung behandelt. Die elektrische Funkenbearbeitung benutzt
eine elektrische Entladung, um ein Plasma und eine Stoßwelle zu
erzeugen, die auf den zu behandelnden Bauteil auftreffen. Die Stoßwelle induziert
restliche Kompressivspannungen in den Bauteil und erzeugt so den "Stoßverformungs"-Effekt, wie dies
oben erwähnt
wurde.
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Gemäß 2 wird
ein zu behandelnder Bauteil 30 in einem Fluidmedium 32,
beispielsweise Wasser oder Öl,
angeordnet. Der Bauteil 30 kann z.B. der Stromlinienabschnitt
einer Kompressorlaufschaufel oder einer Fanlaufschaufel sein. Ein
elektrischer Entladekreis 34, der in diesem Fall einen
Kondensator 36 aufweist, umfasst ein Elektrodenpaar 38,
das ungefähr
5 bis 10 mm innerhalb des Mediums 32 angeordnet ist.
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Der
elektrische Entladekreis 34 ist in der Lage, eine sehr
schnelle elektrische Entladung zu erzeugen (beispielsweise mit einer
Energie von über
40 J während
einer Dauer von unter 30 ns). Dies bewirkt die Erzeugung eines Plasmas 39 innerhalb
des Mediums 32, was zu Stoßwellen 33 führt, die
durch das Medium hindurch nach dem Bauteil 30 wandern. Wenn
die Stoßwellen
auf eine Oberfläche 40 des Bauteils 30 auftreffen,
wird eine Kompressivkraft bis zu etwa 30 GPa an der Oberfläche des
Bauteils erzeugt, und dies verursacht eine beträchtliche Kompressivspannung.
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Gemäß 3 kann
das einfache System nach 2 insofern modifiziert werden,
als die Elektroden 38 zwischen dem Bauteil 30 und
einem Rückhaltekörper 42 angeordnet
werden. Der Rückhaltekörper 42 ist
an Ort und Stelle fixiert und weist eine Innenfläche 43 auf, die einen
einfachen Reflektor für die
Stoßwellen
bildet. Der Rückhaltekörper 42 begrenzt
die Bewegung des Mediums 32 und erhöht demgemäß die Energie der Stoßwellen,
die auf den Bauteil 30 einfallen.
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4 zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Form eines konkaven Reflektors 44, der
derart angeordnet ist, dass die Elektroden 38 zwischen
dem Reflektor 44 und dem Bauteil 30 zu liegen
kommen. Der Reflektor 44 kann benutzt werden, um die Stoßwellen
zu lokalisieren, auszubreiten oder auf andere Weise zu formen. Die Stoßwellen
können
so gestaltet werden, dass ihnen eine im Wesentlichen gleichförmige Intensität verleiht wird,
um eine gleichförmige
Stoßverformungswirkung
zu erreichen, oder stattdessen können
sie so gestaltet sein, dass ungleichförmige Drücke auf die Oberfläche des
Bauteils ausgeübt
werden, um dem Bauteil Charakteristiken zu verleihen, die erforderlich sein
können,
um eine Überlappung
der Anwendungsbereiche zu erreichen oder um spezielle Formen zu erzeugen.
Das Beispiel gemäß 4 demonstriert eine
Fokussierungsanwendung, wobei die Wellen nach einem Auftreffpunkt 45 fokussiert
werden.
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Bei
einem abgewandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 5 wird
eine leitfähige Membran 46 dicht
benachbart zur Oberfläche 40 oder
in inniger Berührung
mit der Oberfläche 40 des Bauteils 30 gebracht,
der behandelt werden soll. Stattdessen könnte ein leitfähiger Überzug auf
die Oberfläche
aufgebracht werden, obgleich dieser dann später wieder entfernt werden
müsste.
Der Überzug
könnte
aus einer Opferschicht aus dem Grundmaterial bestehen, das spanabhebend
oder auf andere Weise nach der Behandlung entfernt wird. Die elektrische
Entladung findet bei diesem Ausführungsbeispiel
zwischen der Membran 46 und der Elektrode 38 statt,
die dicht benachbart zu der leitfähigen Membran 46 angeordnet
ist. Hierdurch kann die elektrische Entladung dicht an die Oberfläche 40 geführt werden,
ohne dass eine Beschädigung
durch direkten Funkenaufprall verursacht wird. Irgendeine auftretende
Beschädigung
erfolgt bei der leitfähigen Membran 46,
die ersetzt werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht außerdem die Behandlung komplex
gestalteter Formen, ohne dass es notwendig wäre, genau den Spalt zwischen
den Elektroden und der Oberfläche
einzustellen, um eine Entladung auf die Oberfläche zu verhindern. Diese Technik
könnte auch
innerhalb von Hohlräumen
und Löchern
benutzt werden.
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6 zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Fokussierungsmitteln in Form eines massiven Körpers 48.
Der massive Körper 48 wird
nahe dem Bauteil angeordnet und er besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel
eine allgemein kegelstumpfförmige
Gestalt. Ein Schnittbereich des massiven Körpers 48 in der Nähe des Bauteils 30 ist kleiner
als ein Schnittbereich des massiven Bauteils 48 entfernt
vom Bauteil 30. Die Stoßwellen wandern schneller innerhalb
des massiven Bauteils 48 als innerhalb des Mediums 32 und
sie werden durch den verminderten Querschnittsbereich des massiven Bauteils
fokussiert, wenn sich die Stoßwellen
dem Bauteil 30 nähern.
Dadurch wird die Intensität
der Stoßwelle
beim Auftreffen auf den Bauteil erhöht. Wiederum erfolgt eine Funkenentladung
nach dem Körper 48 und
nicht nach dem Bauteil 30.
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Der
Bauteil kann ein Stromlinienabschnitt, beispielsweise einer Kompressorschaufel,
sein. Gemäß 7 weist
eine Kompressorschaufel 50 einen Stromlinienabschnitt 52,
einen Schaufelfuß 54 und eine
Plattform 56 auf, die den Schaufelfuß 54 der Laufschaufel 50 mit
dem Stromlinienabschnitt 52 verbinden. Der Stromlinienabschnitt
weist eine Vorderkante 58 und eine Hinterkante 60 auf.
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Die
Vorderkante 58 bzw. die Hinterkante 60 des Stromlinienabschnitts 52 werden
unter Benutzung einer elektrischen Funkenentladung behandelt, wie
dies oben beschrieben wurde. Die Laufschaufel umfasst eine Druckseite
(die aus der Zeichenebene gemäß 7 herausführt) und
eine Saugseite (die in die Zeichenebene nach 7 hineinführt). Gemäß einem
bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird
eine elektrische Funkenbearbeitung benutzt, um eine gleichzeitige
Stoßverformung
sowohl der Druckseite als auch Saugseite an der Vorderkante 58 oder der
Hinterkante 60 zu bewirken. Dies erzeugt restliche Kompressivspannungen
innerhalb der schraffierten Flächen 61 gemäß 7.
Durch gleichzeitige Behandlung beider Seiten wird eine Verzerrung
der Laufschaufel minimiert. Eine progressive abwechselnde Bearbeitung
der beiden Seiten würde
eine ähnliche
Wirkung erzielen.
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8 zeigt
einen abgewandelten Bauteil 30 mit einer Öffnung 62,
deren Innenwände
durch elektrische Funkenbearbeitung durch Stoß verformt werden. Ein Rohr
oder eine Hülse 64 ist
innerhalb der Öffnung 62 vorgesehen
und die Elektroden 38 sind innerhalb des Rohres 64 angeordnet.
Das Rohr 64 isoliert die Oberfläche des Bauteils gegenüber den Funken,
aber es wird die Möglichkeit
geschaffen, dass Ultraschall-Stoßimpulse hindurchtreten.
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Auf
diese Weise wird ein Verfahren erzeugt, um die Oberflächen von
Bauteilen vorzuspannen oder durch Stoß zu verformen, und hierdurch
kann ein Eindringen bis zu 1 mm oder mehr erfolgen und die induzierten
Kompressivspannungen haben eine Stärke von 500 bis 600 MPa an
der Oberfläche
des Bauteils. Es können
tiefe Restkompressivspannungen in den Rändern der Stromlinienabschnitte
vorgesehen werden. Diese Spannungen können in einem Streifen über der
Vorderkante und der Hinterkante verlaufen und sich über die
Schaufel von oben bis zu etwa 20% der Sehnenweite sowohl an der
Druckseite als auch der Saugseite der Laufschaufel erstrecken. Die
Bereiche der Kompressivspannung tendieren zu einem weiteren Eindringen
in den Bauteil als im Falle der Benutzung herkömmlicher Stoßverformungsverfahren.
Dies kann teilweise deshalb bewirkt werden, weil die Spannungen,
die durch Stoßverformung
erzeugt werden, von dem kleinen Auftreffpunkt eines jeden Stoßes dazu
tendieren, sich "dreidimensional" nach außen zu erstrecken.
Im Gegensatz dazu trifft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Stoßwelle den
gesamten Bereich der Oberfläche
des Bauteils und erzeugt einen "zweidimensionalen" Druck. Die Wirkung
hiervon besteht darin, dass Restspannungen tiefer in den Bauteil
hinein verlegt werden.
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Es
können
zahlreiche Abwandlungen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen
getroffen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie
dieser durch die beiliegenden Ansprüche gesteckt ist. Die Verfahren
zur Erzeugung der Entladung und der Richtungsführung und Fokussierung der
Stoßwelle
können
modifiziert werden. Es sind zahlreiche derartige Verfahren bekannt
und verfügbar.
Das Verfahren kann benutzt werden, um jeden Bauteil zu behandeln,
bei dem eine Vorspannung erwünscht
ist und überall
dort, wo beispielsweise gegenwärtig
noch eine Stoßverformung
benutzt wird. Derartige Bauteile können beispielsweise die Vorderkanten
von Propellern oder Schiffsschrauben sein und Teile von Turbomaschinen
einschließlich
Pumpen und Turboverdichtern oder Schiffsschrauben oder Flügelrädern.