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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Axialströmungs-
Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf die statischen
Aufbauten zur Festlegung und Abstützung der
Brennkammerauslaßdüsen und der Düsenleitschaufeln strornab derartiger
Auslaßdüsen.
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Gemäß einer heutzutage üblichen Bauart weist ein
Axialströmungs-Gasturbinentriebwerk normalerweise in
strömungsrichtung hintereinander die folgenden Teile auf: einen
Kompressorabschnitt, eine verbrennungseinrichtung (die
radial angeordnet sein kann), in der die komprimierte Luft
vom Hochdruckkompressor mit Brennstoff gemischt und
verbrannt wird, und einen Turbinenabschnitt, der von den
Verbrennungsprodukten angetrieben wird. Im Falle eines
Flugtriebwerks (mit Ausschluß von
Turbowellen-Flugtriebwerken) wird die gesamte vom Turbinenabschnitt gelieferte
Leistung benutzt, um den Kompressorabschnitt anzutreiben,
der einen Schubfan aufweisen kann. Im Falle eines
Turbowellentriebwerks oder eines Triebwerks, das zur Erzeugung
elektrischer Leistung oder als Schiffsantrieb benutzt wird,
besitzt der Turbinenabschnitt einen stromaufwärtigen Teil,
der benutzt wird, um den Kompressorabschnitt anzutreiben,
und einen stromabwärtigen Teil, der eine
Nutzleistungsturbine an der Leistungsabnahmewelle aufweist, die sich
unabhängig vom Rest des Turbinenabschnitts dreht.
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Die Ausdrücke "stromauf" und "stromab" beziehen sich
auf die Richtung der Strömung von komprimierter Luft und
Verbrennungsgasen durch die Axialströmungskompressoren und
-turbinen der Axialströmungs-Gasturbinentriebwerke.
Demgemäß ist die stromaufwärtsrichtung für eine dem
Hauptgaskanal einer solchen Turbine oder eines solchen
Kompressors
nach der Frontseite des Triebwerks gerichtet, und
die Richtung stromab ist die Richtung nach hinten.
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Die verbrennungsprodukte strömen von der
Verbrennungseinrichtung durch die Auslaßdüsen in die erste Stufe der
Turbine über eine Reihe von Düsenleitschaufeln. Diese
Düsenleitschaufeln müssen sowohl in axialer Richtung als
auch radial festgelegt und abgestützt werden, um die
dynamischen und thermischen Belastungen aufnehmen zu
können, die im Betrieb auftreten.
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Das stromabwärtige Ende der verbrennungseinrichtung muß
ebenfalls in der Weise lokalisiert und abgestützt werden,
daß die dynamischen und thermischen Belastungen aufgenommen
werden können, die im Betrieb auftreten. Außerdem sollte
die Abstützung und Festlegung der Düsenleitschaufeln und
des stromabwärtigen Teils der verbrennungseinrichtung
derart sein, daß die den Düsenleitschaufeln aufgeprägten
Belastungen keine Belastung auf den stromabwärtigen Teil
der verbrennungseinrichtung ausüben und umgekehrt.
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Aus der US-A-3 965 066 ist eine Brennkammerauslaßdüse mit
einem axial verlaufenden Flansch bekannt, der in einem
ringförmigen Schlitz in einem Ring lagert, der am
stromaufwärtigen Ende der Plattform einer Reihe von
Düsenleitschaufeln angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte
Mittel zur Abstützung und Lokalisierung des stromabwärtigen
Teils der Verbrennungseinrichtung relativ zu dem
Düsenleitschaufelaufbau zu schaffen.
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Demgemäß schafft die Erfindung ein
Axialströmungs-Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammerauslaßdüse und einer
Reihe von Düsenleitschaufeln stromab der Auslaßdüse, wobei
die Düsenleitschaufeln innere Schaufelringabschnitte mit
stromaufwärtigen Abschnitten besitzen, die sich nach dem
stromabwärtigen Ende der Auslaßdüse erstrecken, und die
Auslaßdüse von einem Trägeraufbau abgestützt wird, der
benachbart zu den stromaufwärtigen Abschnitten der inneren
Plattformen der Düsenleitschaufeln angeordnet ist, und
wobei der Trägeraufbau eine Ringanordnung besitzt, die
einen axial verlaufenden Ringschlitz definiert, und die
Auslaßdüse einen Flansch besitzt, der in dem Ringschlitz zu
liegen kommt, und der Flansch im Winkelabstand zueinander
angeordnete radiale vorsprünge besitzt, die in
komplementäre öffnungen eingreifen, welche in dem Ring angeordnet
sind, so daß der Trägeraufbau die Auslaßdüse durch eine
Querkeilverbindung festlegt.
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Vorzugsweise definiert der Trägeraufbau in Kombination mit
den inneren Plattformen eine Ringkammer benachbart zu den
stromaufwärtigen Abschnitten der inneren Plattformen, und
der Trägeraufbau besitzt Kühlluftzumeßlöcher für die
Kühlluftströmung in die Ringkammer, und die
stromaufwärtigen Abschnitte der inneren Plattformen besitzen
Kühllöcher für die Kühlluftströmung aus der Ringkammer
heraus auf die äußeren Oberflächen der inneren Plattformen,
wodurch eine Filmkühlung der äußeren Oberflächen bewirkt
wird.
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Der Trägeraufbau kann äußere und innere Ringkörper mit
jeweils entsprechend verlaufenden Abschnitten aufweisen,
die in Berührung miteinander längs Berührungsflächen
festgelegt sind.
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Der äußere Ringkörper kann einen nach vorn verlaufenden
Flansch besitzen, der einen nach außen abgebogenen
Flanschabschnitt besitzt, der mit den inneren
Schaufelringabschnitten der Düsenleitschaufeln zusammenwirkt, um der
Ringkammer die Zufuhr von Kühlluft nach den Kühlluftlöchern
im Fortsatz der inneren Schaufelringabschnitte zu
ermöglichen. Der äußere Ringkörper weist vorzugsweise außerdem
Mittel auf, um Lokalisierungsmittel aufzunehmen, die in den
inneren Schaufelringabschnitten der Düsenleitschaufeln
vorgesehen sind.
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Der innere Ringkörper kann einen nach vorn verlaufenden
Flansch besitzen, der in verbindung mit einem nach vorn
gerichteten Flansch des äußeren Ringkörpers den axial
verlaufenden Ringschlitz definiert, um den Flansch der
Auslaßdüse festzulegen. Um die Querkeilverbindung der
Auslaßdüse zu vollenden, kann der nach vorn gerichtete
Flansch des inneren Ringkörpers mit mehreren im
Winkelabstand zueinander angeordneten Schlitzen versehen sein,
die mit den radialen vorsprüngen am Flansch zusammenwirken.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Axialströmungs-
Gasturbinentriebwerks,
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Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teil eines
Gasturbinentriebwerks mit einer Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung, und
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Fig. 3 eine teilweise abgewickelte Ansicht, betrachtet
in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 2.
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Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Gasturbinentriebwerk 10 einen
Kompressor 12, eine verbrennungseinrichtung 14 und eine
Turbine 16. Die verbrennungseinrichtung 14 weist eine
ringförmige Anordnung von Flammrohren auf, d. h. es gibt
eine Anzahl von Brennkammern, die jeweils getrennte, aber
in Umfangsrichtung geschlossene benachbarte oder
angrenzende Auslaßdüsen aufweisen, wobei die einzelnen
Brennkammern in einem ringförmigen Gehäuse untergebracht sind.
In Fig. 1 ist das ringförmige Gehäuse nicht dargestellt,
aber jede Brennkammer ist bei 18 angegeben, und eine Reihe
von Düsenleitschaufeln 20 liegt zwischen dem
stromabwärtigen Ende der Brennkammern 18 und der ersten Stufe der
Turbine 16.
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Die Brennkammer 18 ist als axiale Brennkammer dargestellt,
jedoch besitzen gewisse industrielle und Leistung
erzeugende Triebwerke Brennkammern, die radial wenigstens an
ihren stromaufwärtigen Enden angeordnet sind, und das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist auf derartige
Brennkammern speziell anwendbar.
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Fig. 2 zeigt den axial stromab angeordneten Abschnitt 18A
einer Brennkammer 18 und die Düsenleitschaufeln 20 im
einzelnen. Jede Brennkammer 18 besitzt eine Auslaßdüse 22,
und die Kombination der Auslaßdüsen 22 definiert einen
allgemein ringförmigen Auslaß, der durch radial verlaufende
Seitenwände 23 jeder Auslaßdüse 22 unterteilt ist. Jede
Auslaßdüse besitzt an ihrer radial äußeren Oberfläche einen
in Umfangsrichtung und radial verlaufenden Flansch 24, der
als "Schiene" bezeichnet wird. Die Flansche oder Schienen
24 der einzelnen Auslaßdüsen 22 bilden zusammen einen in
Umfangsrichtung verlaufenden Ring. Jede Schiene 24 ist mit
einer vielzahl von in Umfangsrichtung im Abstand zueinander
angeordneten Kühlluftlöchern 26 versehen.
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Die radial innere Wand 188 jeder Auslaßdüse 22 ist mit
einem in Umfangsrichtung verlaufenden und sich nach innen
erstreckenden abgewinkelten Flansch 28 versehen, der einen
äußeren Teil 28A besitzt, der zur Achsrichtung und
Radialrichtung geneigt ist, und der Flansch besitzt außerdem
einen inneren axial verlaufenden Teil 28B. Die Flansche 28
benachbarter Auslaßdüsen stoßen aneinander, so daß die
äußeren Teile 28A der Flansche 28 gemeinsam einen
Kegelstumpf bilden und die inneren Teile 28B gemeinsam einen
Zylinder bilden. Der Teil 28A ist mit mehreren in
Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegenden Kühlluftlöchern
28C versehen, und der Teil 28B ist mit einer Reihe von in
Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten radial
nach innen verlaufenden vorsprüngen oder Zähnen 28D
versehen. Der Flanschteil 288 und die vorsprünge 28D greifen
an einem Trägeraufbau 30 an, der im einzelnen weiter unten
beschrieben wird.
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Jede Düsenleitschaufel 20 umfaßt einen stromlinienförmigen
Arbeitsabschnitt 32, der integral mit einem äußeren
Schaufelringabschnitt 34 und einem inneren Schaufelringabschnitt
36 durch Gießen hergestellt ist. Die Schaufelringabschnitte
34 und 36 sind mit Klauen 38 bzw. 40 versehen, die in
herkömmlicher Weise in dem nicht dargestellten statischen
Aufbau des Triebwerks gehalten werden, um die Schaufeln an
Ort und Stelle festzulegen und sie gegen Belastungen
abzustützen, die auf die Schaufeln im Betrieb ausgeübt
werden.
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Die äußeren und inneren Schaufelringabschnitte besitzen
nach vorn gerichtete Fortsätze 34A bzw. 36A, die sich nach
der Außenwand 18A bzw. der Innenwand 18B der Auslaßdüsen 22
erstrecken. Die stromaufwärtigen Enden der
Plattformfortsätze 34A, 36A überlappen und umfassen die
stromabwärtigen Enden der äußeren und inneren Wände der Auslaß
düsen derart, daß jeweils Spalte 35, 37 für eine
Filmkühlluftströmung auf die Schaufelringabschnitte über ihre
stromaufwärtigen Ränder verbleiben. Beide Fortsätze 34A und
36A sind zusätzlich mit Löchern 34B bzw. 368 versehen, um
die Filmkühlluftströmung über die Schaufelplattformen zu
erneuern und Luft hinzuzufügen.
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Es ist ein Metallblechdichtungsaufbau 42 vorgesehen, um
eine Dichtung zwischen den äußeren Plattformen 34 der
Düsenleitschaufeln 20 und den benachbarten Teilen der
Auslaßdüsen 22 der Brennkammern 18 herzustellen. Dieser
Dichtungsaufbau 42 umfaßt einen inneren Ring 44 und einen
äußeren Ring 46, die sich in Achsrichtung in Berührung
miteinander erstrecken und durch beabstandete Niete 54
miteinander verbunden sind. Der innere Ring 44 besitzt zwei
nach innen gerichtete Flansche 44A und 44B an den axial
gegenüberliegenden Enden, während der äußere Ring 46 mit
einem nach innen gerichteten Flansch 46A an seinem hinteren
Ende und mit einer nach außen abgebogenen, flexiblen Lippe
46B am vorderende versehen ist.
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Die Flansche 44A und 46A der Ringe 44 und 46 sind in
axialer Richtung in einem Abstand zueinander angeordnet,
der ausreichend ist, um den Dichtungsaufbau über einen
kurzen, radial vorstehenden Flansch oder eine Schiene 34C
auf dem äußeren Schaufelringabschnitt 34 jeder
Düsenleitschaufel 20 aufzuklemmen. Die Flansche 44A und 46A greifen
ausreichend an den Schienen 34C derart an, daß das
vorderende des äußeren Rings 46 elastisch an den Schienen 24 der
Auslaßdüsen 22 angreift und der Flansch 448 des inneren
Rings 44 über dem stromaufwärtigen Ende des vorstehenden
Schaufelringabschnitts 34A gleitet. Die schräggestellte
Lippe 46B bildet eine Einführung, um das Einsetzen der
Auslaßdüsen 22 während des Aufbaus des Triebwerks zu
unterstützen.
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Da die Mittel zur Abstützung 30 für die Auslaßdüsen 22 sich
an einer inneren Stelle befinden, braucht der
Dichtungsaufbau 42 nur eine Abdichtung und eine gesteuerte
Kühlluftströmung zu bewirken. Um eine entgegenwirkende
thermische Belastung über der radialen Höhe der Auslaßdüse
zwischen dem inneren Träger und dem äußeren Dichtungsaufbau
zu vermeiden, ist der äußere Dichtungsaufbau 42 so flexibel
als möglich ausgebildet.
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Im folgenden wird speziell auf Fig. 3 Bezug genommen. Der
äußere Ring 46 ist mit mehreren von im Abstand zueinander
angeordneten sehr schmalen Schlitzen 50 ausgestattet, die
in kleinen Löchern 52 enden, die nur durch den Ring 46
hindurchgebohrt sind. Die Schlitze 50 machen das
stromaufwärtige oder vordere Ende des Rings 46 genügend flexibel,
um einen Zusammenbau des Triebwerks zu ermöglichen und um
eine relative Radialbewegung zwischen den Auslaßdüsen 22
und den Düsenleitschaufeln 20 zu ermöglichen, wenn sich das
Triebwerk in Betrieb befindet. Gemäß dem
Ausführungsbeispiel sind die Lcher 52 und die Schlitze 50 zwischen
jedem zweiten Paar von Nieten 54 angeordnet, um die
gewünschte Flexibilität in einem Blech aus einer hochfesten
Legierung herzustellen, beispielsweise aus einer Legierung
mit der Bezeichnung Haynes 25 (Warenzeichen), bei einer
Dicke von etwa 1 mm. Der innere Metallblechring 44 wird
zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material hergestellt.
Die kleinen Löcher 52 stellen einen Spannungsausgleich her,
um eine Überlastung des Blechmaterials an den hinteren
Enden der Schlitze zu vermeiden, wenn während des
Zusammenbaus und während des Betriebs des Triebwerks eine Biegung
erfolgt.
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Es sind Kühllufteintrittslöcher 56 durch beide Ringe 44 und
46 hindurchgeführt, damit Luft in den äußeren Ringraum 58
eindringen kann, der sich zwischen dem Dichtungsaufbau 42
und dem äußeren Schaufelringfortsatz 34A der
Düsenleitschaufeln 20 bildet. Die über die Löcher 56 eintretende
Luft leitet die ausströmende Luft durch die in
Umfangsrichtung verlaufende Reihe von Kühllöchern 348 in den
Schaufelringfortsätzen 34A. Die Löcher 348 sind nach hinten
angestellt und genügend dicht benachbart, damit die
ausströmende Luft sich ausbreiten und eine Kühlluftfunktion
auf der inneren Oberfläche des Düsenleitschaufelrings 34
durchführen kann, wie dies an sich bekannt ist.
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Außerdem kann Kühlluft durch die Bohrungen 26 in den
Schienen 24 eintreten. Diese zusätzliche Luftströmung durch
die Schlitze 50 und die Leckströmung zwischen Ring 46 und
Schiene 24 bewirken eine Kühlung der Außenseiten der
Auslaßdüsen 22 und gewährleisten eine Filmkühlluftströmung
durch den Spalt 35 zwischen den Außenseiten der Auslaßdüsen
und den inneren Oberflächen der stromaufwärtigen Enden der
äußeren Schaufelringfortsätze 34A der Düsenleitschaufel.
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Hierbei ist zu bemerken, daß der Dichtungsaufbau 42 nur als
Dichtung zwischen der Auslaßdüse 22 und den
Düsenleitschaufeln 20 wirkt und keine mechanische Abstützung für
diese Komponenten ermöglicht. Der Dichtungsaufbau
unterstützt
die Zumessung der Kühlluftzuführung nach den äußeren
Oberflächen der Auslaßdüsen 22 und den äußeren
Schaufelringabschnitten 34 der Düsenleitschaufeln 20.
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Der Trägeraufbau 30 für die Auslaßdüse und die
Düsenleitschaufel umfaßt einen äußeren Ring 60 und einen inneren
Ring 72. Diese haben beide radial innere, radial sich
gleich weit erstreckende Abschnitte 61, 73, die in
Berührung miteinander längs einer Berührungsebene durch in
Umfangsabstand zueinander angeordnete nicht dargestellte
Bolzen verbunden sind.
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Der äußere Teil des Ringkörpers 60 weist einen nach vorn
verlaufenden Flansch 62 auf, der einen radial nach außen
abgebogenen Flansch oder eine Lippe 64 aufweist, deren
Rückseite an dem vorderrand des inneren
Schaufelringfortsatzes 36A angreift oder dicht benachbart hierzu liegt.
Hierdurch wird eine Kammer 70 zur Zufuhr der Kühlluft nach
der Reihe nach hinten angestellter Löcher 368 im inneren
Schaufelringfortsatz 36A definiert, die einem ähnlichen
Zweck wie die Löcher 348 im äußeren Schaufelring dienen.
Der äußere Teil des Rings 60 weist außerdem einen nach
hinten verlaufenden Abschnitt 65 mit einem in
Umfangsrichtung verlaufenden Schlitz 66 auf, in dem die vorderen
Ansätze oder Flansche 36C der inneren
Schaufelringabschnitte 36 der Düsenleitschaufel angeordnet sind. Es sind
Löcher 68 durch den radial äußeren Teil des Ringkörpers 60
gebohrt, so daß die Kammer 70 mit Kühlluft gespeist wird.
Die Außenseite des Rings 60 ist mit einer in
Umfangsrichtung beabstandeten Reihe von Zähnen 69 versehen, die
hinten am Teil 65 vorgesehen sind. Diese Zähne 69 sind, wie
bekannt, so vorgesehen, daß sie in den benachbarten
statischen Aufbau (nicht dargestellt) eingreifen, um eine
Querkeilverbindung für die vorderseite der
Düsenleitschaufeln 20 zu schaffen.
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Der innere Ring 72 besitzt einen nach vorn verlaufenden
Flansch 74, der zusammen mit dem nach vorn verlaufenden
Flansch 62 des Rings 60 einen Ringschlitz oder eine Mündung
75 definiert, die so bemessen ist, daß der nach hinten
weisende innere Teil 28B des gekröpften Flansches 28
aufgenommen wird, der die Auslaßdüse 22 trägt. Um die
Querkeilverbindung der Auslaßdüsen 22 zu vervollständigen,
ist der Flansch 74 mit mehreren in Umfangsrichtung im
gleichen Abstand angeordneten Schlitzen 76 versehen, in die
entsprechende Zähne 28D eingreifen, die nach innen vom
Flansch 288 vorstehen.
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Der Aufbau 30 ist eine einfache Zwei-Komponenten-Anordnung,
die eine in Umfangsrichtung verlaufende Mündung 75 zur
Abstützung und Lokalisierung des stromabwärtigen Endes der
Auslaßdüsen bildet und eine ordnungsgemäße Abdichtung und
Steuerung der Kühlströmungen nach den inneren
Schaufelringabschnitten der Düsenleitschaufeln gewährleistet. Die
Mittel zur Abstützung der stromabwärtigen Enden der
Brennkammern 18 ermöglichen eine relative Axialbewegung zwischen
den Auslaßdüsen 22 und den Düsenleitschaufeln 20, während
eine Abstützung gegenüber anderen dynamischen und
thermischen Belastungen erfolgt, die während des Laufs des
Triebwerks auftreten. Auch im Falle eines Pumpens des
Triebwerks, wenn die Richtung der Kräfte umgekehrt wird,
die durch die Luft erzeugt werden, die durch die Auslaß
düsen abströmt, liefert die Anordnung die notwendige
formschlüssige Lokalisierung.
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Die Gesamtkombination des inneren Abdichtungs- und
Trägeraufbaus 30 und des äußeren Dichtungsaufbaus 42 ergibt
außerdem ein Mindestmaß von einander entgegenwirkenden
thermischen Belastungen über die radiale Höhe der
Seitenwände 23 der Auslaßdüse zwischen der inneren und äußeren
Träger- und Abdichtungsanordnung.
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Der Teil 28A des Flansches 28 ist mit
Kühllufteinlaßöffnungen 28C versehen, die vervollständigt werden durch
einen Leckstrom durch die Schlitze 76 am Teil 28B vorbei,
so daß eine Abkühlung der Unterseiten der Auslaßdüsen 22
erfolgt und eine Kühlluftströmung durch den Spalt zwischen
der Unterseite der Auslaßdüsen und den stromaufwärtigen
Enden der äußeren Oberflächen der inneren
Schaufelringfortsätze 36A der Düsenleitschaufel gewährleistet wird.
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Interessant in diesem Zusammenhang ist, daß die
Schaufelringfortsätze 34A, 36A der Düsenleitschaufel mit
reduzierten aerodynamischen verlusten verbunden sind. Die
Erstreckung der Schaufelringabschnitte zur Umfassung und
Überlappung des Auslasses der Auslaßdüsen 22 vermindert
oder eliminiert den Bogenwelleneffekt, der sonst auftreten
würde, wenn der Auslaß der Ausströmdüsen 22 auf den Einlaß
der Düsenleitschaufeln 20 ausgerichtet wäre, der durch den
äußeren Schaufelring 34 definiert ist. Das vorhandensein
einer Bogenwelle verursacht heiße Stellen auf den
Schaufelringen der Düsenleitschaufeln infolge des Auftreffens
heißer verbrennungsgase auf die Oberfläche. Dies ist für
die Arbeitsweise und die Lebensdauer des betreffenden
Bauteils schädlich.
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Aus dem obigen ergibt sich, daß durch das Zusammenwirken
der Flansche 28 und 24 auf den Auslaßdüsen 22 die
Dichtungsanordnungen 30 und 42 eine ausreichende Dichtung an
der Zwischenfläche zwischen den Auslaßdüsen und den
Düsenleitschaufeln gewährleistet wird und die Kühlluftströmungen
nach dem äußeren Schaufelringabschnitt gesteuert werden,
wobei gleichzeitig eine gleichmäßige verteilung der
Kühlluftströmung in die Hauptströmung erzeugt wird.
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Einer der vorteile der Dichtungsanordnung 42 besteht darin,
daß keine wesentlichen zusätzlichen Belastungen auf die
Düsenleitschaufeln ausgeübt werden, weil eine relative
thermische Ausdehnung zwischen dem inneren Trägeraufbau 30,
den Auslaßdüsen 22 und dem äußeren Dichtungsaufbau selbst
möglich ist, ohne daß einander entgegenwirkende thermische
Belastungen über diesen drei Komponenten auftreten. Solche
zusätzlichen Belastungen könnten im Hinblick auf die
Freiheit der einzelnen Düsenleitschaufeln zur Neigung
entlang der Längen ihrer bestehenden Sehnendichtungen
nachteilig sein (wie beispielsweise die Flansche 36C, 38
und 40 in Fig. 2) gemäß den unterschiedlichen Belastungen.