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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Dämpfen
von Vibrationen von sich bewegenden Blättern von axialen Turbinen,
Kompressoren oder dergleichen.
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Im allgemeinen hat eine axiale Turbine
oder ein Kompressor eine sogenannte Schwalbenschwanzstruktur ("dove tail structure"). In 9 der beigefügten Zeichnungen
ist ein größerer Abschnitt einer
axialen Turbine oder eines Kompressors "e" dieser
Art gezeigt. Wie darin dargestellt ist, beinhaltet diese axiale
Turbine "e" einen Rotor "a", eine Vielzahl von Ausnehmungen "b", die in einer Außenfläche des Rotors "a" ausgebildet sind, und eine Mehrzahl
von sich bewegenden Blättern
(bzw. Rotorblättern) "c", die locker in die zugehörigen Ausnehmungen "b" eingepaßt sind. Während des Betriebs der Turbine
oder des Kompressors "e" vibrieren oder schwingen
die sich bewegenden Blätter "c" aufgrund des Gasdrucks und/oder der
Zentrifugalkraft um ihre Drehpunkte (d. h. ihre Wurzeln "d"). Um die Vibrationen bzw. Schwingungsbewegungen
der Blätter "c" zu unterdrücken, ist üblicherweise eine durchgehende Öffnung "f" in jedem Blatt "c" nahe
des freien Endes des Blattes ausgebildet, und es ist ein Draht "g" vorgesehen, der durch die ausgerichteten Öffnungen "f" geführt
ist. Reibung zwischen dem Draht "g" und den Öffnungen "f", die infolge der Vibrationen der Blätter "c" auftritt, verringert die Vibrationen
der Blätter "c". Die Enden des Drahtes "g" sind gequetscht, um einen vergrößerten Abschluß zu bilden
(nicht gezeigt), um zu verhindern, daß der Draht "g" aus den durchgehenden Öffnungen "f" fällt.
Die vergrößerten Abschlüsse sind größer als
die Öffnungen "f" und durch plastische Verformung hergestellt.
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Die oben beschriebene Anordnung hat
jedoch die folgenden Nachteile:
- (1) Der Draht "g" befindet sich in ein Gaspassage um
den Rotor "a", so daß der Draht "g" die Fläche der Gaspassage verringert
und außerdem
den Widerstand der Gaspassage erhöht. Dies führt zu einer Verschlechterung
der aerodynamischen Eigenschaften der Turbine (oder des Kompressors) "e";
- (2) eine Zentrifugalkraft, die auf den Draht "g" wirkt, wird auf einen dünnen Abschnitt
eines jeden der Blätter "c" übertragen,
so daß die
Blätter "c" mit einiger Wahrscheinlichkeit beschädigt werden.
Da die Öffnung "f" sich diagonal bezüglich der Dicke des zugehörigen Blattes "c" erstreckt, ist insbesondere die Festigkeit
eines jeden Blattes durch die Öffnung "f" erheblich beeinflußt; und
- (3) wenn die Blätter "c" von dem Rotor "a" entfernt werden,
um sie beispielsweise durch neue zu ersetzen, sollte der Draht "g" zerschnitten werden. Somit wird immer
ein neuer Draht benötigt,
wenn die Turbine "e" neu zusammengesetzt
wird.
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Die
US
5,201,850 offenbart einen Rotor mit einer Rotorscheibe,
die eine Mehrzahl von davon abstehenden Blättern hat. Die Blätter haben
einen Abschlußring
mit O-förmigen Schlitzen,
in denen ein Dämpfungsdraht
angeordnet ist.
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Die
US
4,622,824 offenbart eine Rotorstruktur mit einer Rotorspindel,
einer ringförmigen
Reihe von sich radial erstreckenden Blättern, die von der Rotorspindel
getragen werden, und einer Festbindungsstruktur, die einen Festbindedraht
für eine
jede Gruppe und eine Muffe umfaßt,
die die Festbindedrähte
eines jeden Paares von benachbarten Gruppen verbindet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Dämpfen von Vibrationen für Rotorblätter einer
axialen Turbine oder eines Kompressors anzugeben, die die oben genannten
Probleme der herkömmlichen
Anordnung eliminieren kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den zusätzlichen
Ansprüchen
beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Anordnung zum Reduzieren
von Vibrationen von Rotorblättern einer
axialen Turbine, eines Kompressors oder dergleichen angegeben, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Rotorblätter
durchgehende Öffnungen
in ihren freiliegenden Wurzelabschnitten nahe einer Außenfläche eines
Rotors haben, dergestalt, daß die Durchgangslöcher einen
einzigen ringförmigen Durchgang
entlang der Rotorfläche
(aber von dieser beabstandet) bilden, und daß ein Draht vorgesehen ist,
um sich durch diesen ringförmigen
Durchgang zu erstrecken, so daß der
Draht in Reibungskontakt mit den ausgerichteten Öffnungen steht, wenn die Rotorblätter vibrieren.
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Der Draht erstreckt sich kreisförmig in
der Nähe
der Außenfläche des
Rotors, so daß man
im wesentlichen sagen kann, daß sich
der Draht nicht in einer Gaspassage der Turbine oder des Kompressors
befindet. Dadurch wird ein durch den Draht hervorgerufener Kanalwiderstand
signifikant verringert und das aerodynamische Verhalten wird durch
den Draht nicht verschlechtert. Darüber hinaus hat die Wurzel eines
jeden Blattes eine gewisse Dicke (die dicker ist als der Blattabschnitt
des Blattes oberhalb des Wurzelabschnittes), so daß die Möglichkeit
einer Beschädigung
durch den Draht im wesentlichen ausgeschlossen ist. Nachdem der
Draht kreisförmig durch
die ausgerichteten Löcher
geführt
wird, werden die Enden des Drahtes mit Hilfe eines dazwischen angeordneten
Verbindungselementes verbunden, das zwischen zwei benachbarten Blättern angeordnet
ist. Das Verbindungselement kann zwei Ausnehmungen in gegenüberliegenden
Endseiten haben, um die Enden des Drahtes aufzunehmen. Das Verbindungselement
gestattet es einer Bedienungsperson, den Draht aus den Löchern zu
ziehen, ohne den Draht und die Blätter zu beschädigen. Der
gleiche Draht kann wiederholt verwendet werden. Das Verbindungselement
dient außerdem
als ein Element zum Verhindern, daß der Draht aus den Durchgangslöchern herausfällt.
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Der Draht kann durch eine Mehrzahl
von hintereinander angeordneten Drahtsegmenten gebildet werden.
Diese Drahtsegmente werden durch eine Mehrzahl von Zwischenelementen
verbunden.
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Ein jedes der Blätter kann eine Verlängerung haben,
um den Draht außerhalb
des Durchgangsloches zu berühren.
Sowohl die Durchgangslöcher
als auch die Verlängerungen
sind in Reibungskontakt mit dem Draht, wenn die Rotorblätter vibrieren.
Dadurch werden die Vibrationen rasch gedämpft.
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Es kann eine Mehrzahl von Durchgangslöchern in
einem jeden Blatt ausgebildet sein, um eine Mehrzahl von kreisförmigen Durchgängen um
die Rotorfläche
herum zu bilden, und es kann eine Mehrzahl von Drähten vorgesehen
sein, die sich durch diese Durchgänge erstrecken.
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1 zeigt
eine Anordnung zum Dämpfen von
Vibrationen von Rotorblättern
gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der die Rotorblätter
und ein Rotor im Querschnitt dargestellt sind;
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2 ist
eine ähnliche
Ansicht wie in 1, aber
aus einer etwas anderen Richtung betrachtet und zeigt eines der
Rotorblätter
von 1, bei dem die Wurzel
des Blattes nicht im Querschnitt gezeigt ist;
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3A zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 2;
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3B zeigt
eine Ansicht aus der Richtung betrachtet, die durch den Pfeil B
von 2 gekennzeichnet
ist;
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4A und 4B zeigen zusammengenommen
eine Modifikation der in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform,
und 4A zeigt ein Diagramm, das
der 3A ähnlich ist,
und 4B ist der 4B ähnlich;
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5 zeigt
einen Querschnitt eines Verbindungs-Zwischelementes zum Verbinden
zweier Drahtabschnitte und zum Verhindern, daß die Drahtabschnitte von dem
Durchgangslöchern
abfallen, wenn ein einzelner, den Rotor umgebender Draht aus den
zwei Abschnitten gebildet wird;
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 zeigt
eine Seitenansicht eines der in 6 gezeigten
sich bewegenden Blätter,
das von dem Rotor entfernt ist;
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8 zeigt
noch eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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9 zeigt
eine herkömmliche
Anordnung.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt
ist, hat ein Rotor 1 einer axialen Turbine (oder ein Kompressor) 19 eine
Mehrzahl von sich bewegenden Blättern 2,
die in eine Rotorfläche 6 eingesteckt
sind. Insbesondere hat der Rotor 1 eine Mehrzahl von Ausnehmungen 3 in
einer Fläche 6,
und die Wurzeln 4 der sich bewegenden Blätter 2 sind
locker in die zugehörigen
Ausnehmungen 3 eingepaßt.
Eine jede der Wurzeln 4 hat einen versenkten Abschnitt 5,
der die Form eines umgekehrten gestuften Keils bzw. Tannenbaums
hat. Eine jede Wurzel 4 hat außerdem einen freiliegenden
Abschnitt 7, der von der Fläche 6 des Rotors 1 radial nach
außen
vorsteht. Die Ausnehmungen 3 sind so geformt, daß sie locker
mit den unteren Abschnitten 5 der Wurzeln 4 übereinstimmen.
Ein jeder der oberen freiliegenden Abschnitte 7 hat einen
Sitzabschnitt 8 mit einem vergrößerten Durchmesser. Ein Blattabschnitt 9 steht
nach radial außen
von einem jeden Sitzabschnitt 8 ab.
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Wie den 2, 3A und 3B zu entnehmen ist, erstreckt
sich eine jede Ausnehmung 3 in der Draufsicht diagonal
relativ zu einer Axialrichtung C des Rotors 1 unter einem
vorbestimmten Winkel (Staffelungswinkel θ). Der zugehörige Wurzelabschnitt 4 ist ebenfalls
relativ zur Axialrichtung C des Rotors 1 geneigt. 2 ist eine Darstellung,
bei der aus der Axialrichtung C des Rotors 1 geblickt wird.
In 2 erstreckt sich
die Rotorachse senkrecht zur Zeichenebene. Man beachte, daß die Blickrichtung
von 1 um den Winkel θ relativ
zur Axialrichtung C des Rotors geneigt ist. In den 1 und 2 strömt ein Gas
im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene von der Seite des Betrachters
aus.
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Wie in den 1, 2 und 3A dargestellt ist, hat der
freiliegende Abschnitt 7 einer jeden Blattwurzel 4 ein
Durchgangsloch 10. Die Durchgangslöcher 10 sind in Umfangsrichtung
des Rotors 1 entlang der Rotorfläche 6 derart ausgerichtet,
daß sie
einen kreisförmigen
Durchgang um den Rotor 1 bilden, wenn alle Rotorblätter 2 in
die zugehörigen
Ausnehmungen eingepaßt
sind. Ein Draht 10 erstreckt sich kreisförmig durch
die ringförmig
angeordneten Öffnungen 10 (bzw.
durch den kreisförmigen
Durchgang), so daß der
Draht 11 den Rotor 1 kreisförmig umgibt. Der Draht 11 ist
von der Rotorfläche 6 beabstandet.
Wie am besten den 3A und 3B zu entnehmen ist, die
den Draht 11 und die Öffnungen 10 in einer
Draufsicht zeigen, sind die Öffnungen 10 an
der Eintrittsseite der Turbine bzw. des Kompressors 19 ausgebildet
(in der Zeichenebene von 3A/3B strömt das Gas von unten nach oben).
Der Draht 11 kann in den ausgerichteten Durchgangslöchern 10 in Umfangsrichtung
des Rotors 1 gleiten. Wenn der Draht 11 in den Öffnungen 10 gleitet,
wird zwischen dem Draht 11 und den Öffnungen 10 eine Reibungskraft
erzeugt. In dieser speziellen Ausführungsform sind zwei Drahtabschnitte 11a und 11b (5) zu einem einzigen Draht 11 verbunden.
Ein jeder der Abschnitte 11a und 11b umgibt eine
Hälfte
des Rotors 1.
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Wie in 5 gezeigt
ist, steht ein Ende des einen Drahtabschnittes 11a einem
Ende des anderen Drahtabschnittes 11b gegenüber, und
diese einander gegenüberstehenden
Enden werden miteinander durch ein Verbindungselement 12 verbunden.
Man beachte, daß die 5 zwar nur ein Verbindungselement 12 zeigt,
jedoch ein anderes Verbindungselement an einer um 180° versetzten
Position vorgesehen ist. Das Verbindungselement 12 hat
eine Länge, die
im wesentlichen gleich einem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten
freiliegenden Abschnitten 7 der benachbarten Blätter 2 ist.
Das Verbindungselement 12 ist hülsenförmig, besteht aus Metall und hat
an seinen beiden Enden konkave Abschnitte 13, um die Drahtabschnitte 11a bzw. 11b aufzunehmen. Eine
Bedienungsperson kann den Drahtabschnitt mit der Hand in einen zugehörigen konkaven
Abschnitt 13 einführen
und den Drahtabschnitt mit der Hand aus dem zugehörigen konkaven
Abschnitt herausziehen. Ein jeder der konkaven Abschnitte 13 wird
durch eine Bohrung gebildet, die einen kreisförmigen Querschnitt hat, der
mit dem Querschnitt des Drahtabschnittes 11a/11b übereinstimmt.
Die Bohrungen 13 sind voneinander durch eine Mittelwand 14 getrennt. Wie
dargestellt ist, liegt ein gewisser Zwischenraum zwischen einer
Endfläche
des Drahtabschnittes 11a/11b und der Mittelwand 14 vor.
Wenn ein Ende des Drahtabschnittes 11a im Begriff ist,
aus der zugehörigen
Bohrung 13 herauszugleiten, stößt das andere Ende des gleichen
Drahtabschnittes 11a an der Mittelwand des gegenüberliegenden
Verbindungselementes an. Wenn der Drahtabschnitt 11a weiterhin im
Begriff ist, aus der zugehörigen
Bohrung 13 herauszugleiten, stößt das gegenüberliegende
Verbindungselement mit einem freiliegenden Abschnitt eines Blattes
aneinander. Demnach wird die Bewegung des Drahtabschnittes 11a begrenzt.
Daher fällt der
Drahtabschnitt 11a nicht aus der zugehörigen Bohrung 13 heraus.
Anders ausgedrückt,
verhindern die Zwischenelemente, daß die Drahtabschnitte 11a und 11b aus
den Öffnungen 10 herausfallen.
Auf diese Weise ist die Lage des Drahtes 11 relativ zum
Rotor 1 festgelegt, und der Draht 11 dreht sich
mit dem Rotor 1.
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Zwischen jeder Ausnehmung 3 und
dem versenkten Wurzelabschnitt 5 des zugehörigen Blattes 2 von 1 liegt ein feiner Zwischenraum
vor (der im allgemeinen nicht sichtbar ist und in der Zeichnung nicht
dargestellt werden kann), so daß ein
jedes Blatt 2 durch eine Zentrifugalkraft und einen Gasdruck
veranlaßt wird,
zu vibrieren oder zu schwingen, wenn die Turbine 19 betrieben
wird und der Rotor 1 entsprechend gedreht wird. Der versenkte
Abschnitt 5 des Blattes 2 wird zu einem Drehpunkt
der Vibration. Jedoch ist das Durchgangsloch 10 eines jeden
Blattes 2 während
der Vibration oder der Schwingbewegung des Blattes 2 mit
dem Draht 11 in Reibungskontakt, so daß die Vibration des Blattes 2 gedämpft wird.
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Bei dieser Erfindung erstreckt sich
der Draht 11 in der Nähe
der Außenfläche 6 des
Rotors 1 durch die Wurzelabschnitte 4 (genauer
gesagt, durch die freiliegenden Abschnitte 7 der Wurzelabschnitte 4), anders
als bei der herkömmlichen
Anordnung. Dementsprechend wird die Gaspassagefläche des Rotors 11 nicht
wesentlich durch den Draht 11 verringert, und ein Gasdurchgangswiderstand
wird durch den Draht 11 nicht wesentlich erhöht. Somit
sind die aerodynamischen Eigenschaften der Turbine (oder des Kompressors) 19,
die diese Rotoranordnung verwendet, wesentlich verbessert. Da der
freiliegende Abschnitt 7 eines jeden Wurzelabschnittes 4 des
Blattes 2 darüber
hinaus dick und stabil ist verglichen mit dem Blattabschnitt 9 des
Blattes 2, ist es möglich,
die Möglichkeit
einer Beschädigung
des sich bewegenden Blattes 2 infolge einer von dem Draht 11 ausgeübten Zentrifugalkraft
zu verhindern. Darüber
hinaus ist die Länge
des Drahtes 11 in Umfangsrichtung des Rotors 1 kürzer als
die herkömmliche
Länge,
das Gewicht des Drahtes 11 ist dementsprechend verringert und
die Position des Drahtes 11 liegt näher am Zentrum des Rotors 1,
so daß eine
durch den Draht 11 hervorgerufene Zentrifugalkraft wesentlich
verringert ist. Dadurch ist die Möglichkeit einer Beschädigung der
Blätter 2 im
wesentlichen ausgeschlossen.
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Die Verbindungselemente 12 der
vorliegenden Erfindung sind unter folgendem Gesichtspunkt vorteilhaft.
Die Drahtabschnitte 11a und 11b sind in den Öffnungen 13 des
Zwischenelementes 12 einfach aufgenommen, und eine Bedienungsperson kann
die Drahtelemente 11a und 11b mit der Hand mit
den Verbindungselementen 12 verbinden und sie aus den Verbindungselementen 12 entnehmen.
Somit ist das Installieren und das Entfernen des Drahtes 11 einfach
durchzuführen.
Wenn die Turbine 19 auseinandergenommen wird, werden alle
sich bewegenden Blätter 2 gleichzeitig
von dem Rotor 1 entfernt, und dann werden die Drahtelemente 11a und 11b von
den Zwischenelementen entfernt. Wenn die Turbine wieder zusammengesetzt
wird, können
die gleichen Drahtelemente 11a und 11b verwendet
werden. Die Zwischenelemente 12 sind ebenfalls wiederverwendbar.
Die Zwischen-Verbindungselemente 12 sind einfache, aber
effektive Elemente zum Verhindern, daß der Draht 11 aus
den Durchgangslöchern 10 herausfällt.
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Wie den 3A und 3B zu
entnehmen ist, erstreckt sich der Draht 11 rechtwinklig
zur Richtung C der Rotorwelle, und die Durchgangslöcher 10 sind ebenfalls
in der gleichen Richtung angeordnet. Der Wurzelabschnitt 4 eines
jeden Rotorblattes 12 erstreckt sich jedoch diagonal zur
Richtung C der Rotorwelle unter dem Staftelungswinkel θ, so daß sich die
Durchgangslöcher 10 diagonal
relativ zur Dickenrichtung der freiliegenden Abschnitte 7 erstrecken. Dies
könnte
was die Festigkeit anbelangt unerstrebenswert sein. Die 4A und 4B zeigen eine Modifikation der Form
des freiliegenden Abschnittes 7. Der Abschnitt 15 des
freiliegenden Abschnittes 7, durch den sich der Draht 11 hindurcherstreckt
(d. h. das Material um das Durchgangsloch 10 herum), ist etwas
weggeschnitten (oder in der Darstellung nach links gebogen), um
derart mit der Axialrichtung C des Rotors 1 ausgerichtet
zu werden, daß der
Draht 11 sich senkrecht durch den Abschnitt 15 erstreckt.
Bei dieser Modifikation erstreckt sich das Durchgangsloch 10 genau
in der Dickenrichtung des gebogenen Abschnittes 15, so
daß die
Festigkeit des Wurzelabschnittes 4 des Blattes 2 verbessert
ist.
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6 und 7 zeigen in Kombination eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Reibung
zwischen den Durchgangslöchern 10 und
dem Draht 11 erhöht. Wie
in 6 dargestellt ist,
hat der flanschartige Abschnitt 8 an dem Fuß des Blattabschnittes 9 oder
an der Spitze des Wurzelabschnittes 4 des Blattes 2 ausgedehnte,
sockelartige oder podestartige Teile 16 zum Berühren des
Drahtes 11. Diese Teile 16 erstrecken sich in
Richtung auf die Rotorfläche 6,
sind aber von der Rotorfläche
beabstandet. Die verlängerten Teile 16 befinden
sich zusätzlich
zu dem Durchgangsloch 10 mit dem Draht 11 in Gleitkontakt
(bzw. Reibungskontakt), wenn das Blatt 2 vibriert. Daher wirkt
eine größere Reibungskraft
auf den Draht 11. Dies ist mit Hinblick auf die Vibrationsdämpfung vorteilhaft.
In der Praxis sind das rechte und das linke Ende des flanschartigen
Abschnittes 8 (bzw. die sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Enden des Abschnittes 8) nach unten gebogen (bzw. in einer
Radialrichtung des Rotors nach innen gerichtet), um die Sockel 16 zu
bilden. Wie in 7 gezeigt
ist, sind die verlängerten
Teile 16 bei dieser speziellen Ausführungsform nur an der stromaufwärts angeordneten Seite
des flanschartigen Abschnittes 8 angeordnet ("stromaufwärts" mit Hinblick auf
die Gasflußrichtung der
Turbine 19). Die Richtung des Gasflusses ist durch den
nicht schattierten Pfeil angezeigt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
und Modifikationen beschränkt.
Zum Beispiel kann sich das Durchgangsloch 10 durch einen
anderen Bereich des freiliegenden Abschnittes 7 des Blattes 2 erstrecken. Zum
Beispiel kann die Lage des Durchgangsloches 10 bezüglich der
Flußrichtung
des Gases der Turbine stromabwärts
verschoben sein. Darüber
hinaus kann der Draht 11 in mehr als zwei Abschnitte unterteilt sein
und die Anzahl von Verbindungselementen 12 kann entsprechend
erhöht
werden. Andererseits kann der Draht 11 auch nicht in eine
Mehrzahl von Abschnitten unterteilt sein, sondern kann aus einem einzigen
Abschnitt bestehen. In diesem Fall wird nur ein einziges Verbindungselement 12 benötigt. Darüber hinaus
kann, wie in 8 gezeigt
ist, eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 10 in dem Wurzelabschnitt 4 eines
jeden Blattes 2 ausgebildet sein, und eine Mehrzahl von
Drähten 11 kann
sich entsprechend erstrecken. Das Verbindungselement 12 kann aus
einem anderen Material als Metall bestehen, so lange es die daran
angreifende Last aushalten kann. Die Lehre der vorliegenden Erfindung
ist nicht nur auf axiale Turbinen oder Kompressoren anwendbar, sondern
auch auf verschiedene Arten von rotierenden Vorrichtungen mit sich
bewegenden Blättern.