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Die
Erfindung betrifft Montageverfahren und Montagevorrichtungen hierfür. Insbesondere
betrifft diese Erfindung eine zum Zusammenbau einer verstellbaren
Statorschaufelanordnung eines Gasturbinentriebwerks dienende Montagevorrichtung
und dienendes Verfahren, mit denen Komponenten der Schaufelanordnung
ausgewählt
werden können,
um Teileabweichungen zu kompensieren und dadurch den Betrieb und
die Lebensdauer der Anordnung zu optimieren.
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Herkömmliche
Gasturbinentriebwerke arbeiten im Allgemeinen nach dem Prinzip der
Verdichtung von Luft innerhalb eines Verdichterabschnitts des Triebwerks
und einer anschließenden
Zufuhr der verdichteten Luft zu dem Verbrennungsabschnitt des Triebwerks,
wo Brennstoff der Luft hinzugefügt
und gezündet
wird. Anschließend
wird das sich ergebende Verbrennungsgemisch dem Turbinenabschnitt des
Triebwerks zugeführt,
wo ein Teil der durch den Verbrennungsprozess erzeugten Energie
durch eine Turbine extrahiert wird, um den Triebwerkverdichter anzutreiben.
In Turbofan-Triebwerken mit mehrstufigen Verdichtern sind an dem
Eingang und Ausgang des Verdichterabschnitts und zwischen benachbarten
Verdichterstufen Statorleitschaufeln angeordnet, um den Luftstrom
zu jeder folgenden Verdichterstufe zu lenken. Verstellbare Statorleitschaufeln,
deren Anstellwinkel sich bezüglich
der Achse des Verdichters einstellen lässt, sind in der Lage, die
Turbinenleistung zu verbessern, indem sie den durch den Verdichterabschnitt
strömenden
Luftstrom in Abhängigkeit
von den wechselnden Anforderungen des Gasturbinentriebwerks ändern.
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In 1 und 2 ist
eine verstellbare Statorschaufelanordnung 10 eines Hochdruckverdichters
gezeigt. Die Anordnung 10 enthält eine in einer Öffnung 38 in
einem Gehäuse 22 eines
Gasturbinentriebwerks montierte Statorleitschaufel 12.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die Statorleitschaufel 12,
um den Anstellwinkel des Leitschaufelblattes relativ zu der Achse
des Verdichters zu verändern,
dazu eingerichtet, sich in der Öffnung 38 des Gehäuses 22 drehen
zu lassen. Während
vielfältige Konfigurationen
für verstellbare
Statorschaufelanordnungen möglich
sind, weist die in den 1 und 2 gezeigte
Leitschaufel 12 einen sich radial erstreckenden Flansch 30 auf,
aus dem sich axial ein ringförmiger
Abschnitt erstreckt, um ein Paar Sitze 28 zu definieren
(wobei, soweit nicht anderweitig vermerkt, die Bezeichnungen "radiale" und "axiale" Richtung sich auf
die Mittellinie der Schaufelanordnung 10 und nicht auf
die radiale und axiale Richtung des Triebwerks beziehen, in dem
die Anordnung 10 eingebaut wird). Ein Lagerzapfen 34 erstreckt
sich in Bezug auf den Flansch 30 ebenfalls in axialer Richtung
und ragt, wie in 2 zu sehen, mit den Sitzen 28 durch
die Öffnung 38 vor.
Die Leitschaufel 12 ist an dem Gehäuse 22 mit einer Gewindemutter 20 befestigt,
die außerdem
einen Abstandhalter 14, eine Hülse 16 und einen Hebelarm 18 an
dem Lagerzapfen 34 sichert. Eine Drehung der Leitschaufel 12 innerhalb
der Öffnung 38 wird
durch eine an dem Hebelarm 18 angebrachte (nicht gezeigte)
Betätigungsausrüstung bewirkt.
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Während des
Triebwerkbetriebs wird durch die auf das Leitschaufelblatt wirkenden
Gaslasten ein Kippmoment erzeugt, das durch die Pfeile "F" in 2 dargestellte
Reaktionskräfte
hervorruft. Als Folge hiervon erfordert eine Drehbewegung der Leitschaufel 12 bezüglich des
Gehäuses 22 eine
Dichtungsanordnung, die unter der Belastung der Reaktionskräfte F den
Verschleiß,
die Reibung und den Verdichterluftleckstrom minimiert sowie auch
gegen die aggressive thermische und chemische Umgebung eines Gasturbinentriebwerks
beständig
ist. 1 und 2 zeigen eine Dichtungsanordnung,
die aus einer Buchse 24 und einer Zwischenscheibe 26 besteht,
die zwischen dem Abstandhalter 14 und dem Flansch 30 auf
gegenüberliegenden
Seiten des Gehäuses 22 angeordnet
sind. Die Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26 sind
vorzugsweise aus Verbundmaterialien, z.B. mit Glas- und TEFLON®-Fasern
gefüllten
Polyimidharz, durch Spritzguss hergestellt, um mit Blick auf die
Umgebungsbedingungen mit dem Triebwerk kompatibel zu sein und geeignete Lagerlaufflächen geringer
Reibung zu schaffen, die es der Leitschaufel 12 ermöglichen,
sich bei annehmbaren Drehmomentwerten zu verdrehen.
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Die
Fähigkeit,
einen aus dem Verdichter durch die Öffnung 38 des Gehäuses 22 auftretenden radialen
Luftleckverlust auf ein Minimum zu reduzieren, ist eine wichtige
Funktion der Buchse 24 und der Zwischenscheibe 26.
Wie aus 2 zu ersehen, sind die zweifachen
Funktionen der Buchse 24 und der Zwischenscheibe 26,
eine Luftabdichtung zu bilden und dennoch eine Drehung der Leitschaufel 12 zuzulassen,
durch den (bezüglich
der Achse des Verdichters radialen) Spiel- bzw. Zwischenraum bestimmt, der
durch die Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26 hindurch
zwischen dem Flansch 30 der Leitschaufel 12 und
einer äußeren ringförmigen Oberfläche 36 des
Abstandhalters 14 vorhanden ist. Um den Verdichterluftleckstrom
zu minimieren, ist es erforderlich, die Leitschaufel 12 und
den Abstandhalter 14 derart an dem Gehäuse 22 anzubringen,
dass ein minimal möglicher
Zwischenraum erreicht wird. Allerdings führt ein zu geringer Zwi schenraum
dazu, dass zum Drehen der Leitschaufel 12 große Kräfte benötigt werden,
was die Betätigungsausrüstung überbelasten
kann und im Extremfall die Betätigung
der Leitschaufel 12 vollständig verhindern könnte, mit
der Folge eines Strömungsabrisses
im Verdichter. Andererseits wird ein zu großer Zwischenraum nicht nur übermäßigen Luftleckverlust
aus dem Verdichter erlauben, sondern auch zulassen, dass die auf
die Leitschaufel 12 ausgeübten Reaktionskräfte zu einem übermäßigen Kippen
der Schaufelanordnung 10 führen. Falls dieser Fall eintritt,
konzentrieren sich die Reaktionskräfte F stärker in der Buchse 24 und
der Zwischenscheibe 26 und führen in Verbindung mit einer
Steigerung des Leckstroms durch die Dichtungsanordnung hindurch
zu einer rascheren Beschädigung
der Buchse 24 und der Zwischenscheibe 26.
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Aus 2 ist
ersichtlich, dass der Zwischenraum durch die Buchse 24 und
die Zwischenscheibe 26 durch die Dimension „D" des axialen Versatzes zwischen
der ringförmigen
Oberfläche 36 und
einem Paar Schultern 32 des Abstandhalters 14 bestimmt ist.
Wenn die Leitschaufel 12 und der Abstandhalter 14 korrekt
zusammengebaut sind, befinden sich die Schultern 32, wie
in 2 gezeigt, jeweils mit einem der Sitze 28 der
Leitschaufel 12 in Anlage. Eine Vergrößerung der Versatzabmessung
D reduziert den Zwischenraum durch die Leitschaufel 12 und
den Abstandhalter 14 hindurch, steigert jedoch das zum Drehen
der Leitschaufel 12 erforderliche Betätigungsdrehmoment, während ein
Verringern der Versatzabmessungen D den Zwischenraum vergrößert, jedoch
das Betätigungsdrehmoment
verringert.
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Nach
dem Stand der Technik werden verstellbare Statorschaufelanordnungen
der Art, wie sie in 1 und 2 ge zeigt
sind, bisher so zusammengebaut, dass hinsichtlich der Betätigungsausrüstung ein
Drehmomentpegel innerhalb eines Bereichs erzielt wird. Da bisher
davon ausgegangen wurde, dass eine enge Beziehung zwischen der Versatzabmessung
D und dem zum Drehen der Leitschaufel 12 erforderlichen
Drehmoment besteht, werden Abstandhalter 14 gezielt mit
inkrementell unterschiedlichen Versatzabmessungen D hergestellt,
um durch den Austausch von Abstandhaltern 14 eine Einstellung
sowohl des Betätigungsdrehmoments
als auch des radialen Spielraums zu ermöglichen. Falls das zum Drehen
einer Leitschaufel erforderliche Drehmoment nach dem Zusammenbau
außerhalb
vorgegebener Drehmomentgrenzwerte liegt, werden die Mutter 20,
der Hebelarm 18, die Hülse 16 und
der Abstandhalter 14 entfernt, und der Abstandhalter 14 wird
durch einen eine unterschiedliche Versatzabmessung D aufweisenden
anderen Abstandhalter ersetzt. Falls das Betätigungsdrehmoment beispielsweise
zu hoch ist, wird ein Abstandhalter 14 mit einer geringeren
Versatzabmessung D eingebaut, während
im Falle des Erfassens eines unangemessen niedrigen Drehmoments
ein Abstandhalter 14 mit einer größeren Versatzabmessung D eingebaut
wird. Nach dem erneuten Zusammenbau wird das Drehmoment nochmals
gemessen und das Verfahren wiederholt, falls das Drehmoment außerhalb
der festgelegten Grenzen liegt.
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Das
Dokument
US 5 509 780 offenbart
gebogene Dichtungssegmente mit in radialer Richtung ausgerichteten
Dichtflächen,
die einen Teil einer Labyrinthdichtung in einer Turbine bilden.
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Das
Dokument
US 5 308 226 offenbart
eine Statorschaufelanordnung mit variabler Winkelstellung für einen
Axialverdichter eines Gasturbinentriebwerks.
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Ungeachtet
des oben erwähnten,
wurde in weiteren Untersuchungen nachgewiesen, dass das zum Drehen
des Stators 12 erforderliche Drehmoment überraschenderweise
verhältnismäßig unabhängig von
dem eingebauten Abstandhalter 14 ist und dass das Drehmoment
kein zuverlässiger
Indikator für
den radialen Spielraum zwischen der Leitschaufel 12, dem
Abstandhalter 14 und dem Gehäuse 22 ist. Es stellte
sich vielmehr heraus, dass das Betätigungsdrehmoment in erster
Linie durch Unregelmäßigkeiten
und Störungen
der Buchse 24 und der Zwischenscheibe 26 bestimmt
ist, nachdem diese durch die Kraft zusammengedrückt worden sind, die zwischen
dem Flansch 30 und dem Abstandhalter 14 durch
die Mutter 20 erzeugt wird. Diese Unregelmäßigkeiten
und Störungen
lassen sich nicht prognostizieren, insbesondere da die aus Verbundstoff gefertigte
Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26, während sie
mit Blick auf enge Toleranzen gespritzt sind, sich aufgrund von
Restspannungen und dergleichen im unbelasteten Zustand verziehen
können.
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Angesichts
des oben erwähnten
ist es ersichtlich, dass es wünschenswert
wäre, wenn
ein Verfahren zum Zusammenbau einer Statoranordnung mit verstellbaren
Leitschaufeln verfügbar
wäre, um
konsistenter minimale radiale Spielräume zu erzielen, ohne akzeptable
Pegel des Betätigungsmoments
zu überschreiten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Einbauverfahren nach Anspruch 1 geschaffen, um das
Abstimmen von Komponenten einer verstellbaren Statorschaufelanordnung
eines Gasturbinentriebwerks in Bezug aufeinander zu erleichtern.
Insbesondere werden Komponenten der Schaufelanordnung so aufeinander
abgestimmt, dass Teileabweichungen kompensiert werden, um den radialen Spielraum
zu minimieren, während
außerdem
annehmbare Pegel des Betätigungsmoments
verwirklicht werden, mit dem Ergebnis, dass der Betrieb und die
Lebensdauer der Anordnung optimiert werden.
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Angesichts
des oben erwähnten
ist es ersichtlich, dass ein geeigneter Abstandhalter für die Leitschaufel
basierend auf Bedingungen ausgewählt wird,
die jenen entsprechen, die in der endgültigen Anordnung nach einem
korrekten Einbau vorliegen. Insbesondere wird die aus den Dichtungselementen aufgebaute
Dichtungsanordnung unter einer Last zusammengedrückt, die die Dichtungselemente
und kleinere Oberflächenunebenheiten
ebnet, die andernfalls nach Anbringung des Abstandhalters an der Leitschaufel
ein Drehmoment erzeugen würden.
In diesem Zustand kann die Versatzabmessung, die für den Abstandhalter
erforderlich ist, um den gewünschten
radialen Spielraum durch die Dichtungsanordnung hindurch vorzusehen,
genauer ermittelt werden, mit dem Ergebnis, dass ein wiederholtes
Zusammenbauen und Zerlegen der Schaufelanordnung unnötig ist.
Dementsprechend besteht ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung
darin, dass ein verbessertes Einbauverfahren geschaffen ist, das
die Montagezeit einer verstellbaren Statorschaufelanordnung erheblich
verkürzt
und gleichzeitig auf genauere und konsistentere Weise eine Schaufelanordnung
erzielt, deren radialer Spielraum hinsichtlich eines brauchbaren
Betätigungsmomentpegels
auf ein Minimum begrenzt ist.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden nach dem Lesen der
folgenden detaillierten Beschreibung verständlicher.
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Im
Folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung exemplarisch anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
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1 veranschaulicht
in einer perspektivischen Explosionszeichnung eine verstellbare
Statorschaufelanordnung für
ein Gasturbinentriebwerk;
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2 zeigt
eine Schnittansicht der Schaufelanordnung nach 1;
und
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3 zeigt
eine Schnittansicht einer eingespannten Schaufelanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Zusammenbauen einer
verstellbaren Statorschaufelanordnung zum Einsatz in einem Gasturbinentriebwerk.
Wie in 3 dargestellt, beinhaltet das Verfahren eine Vormontage
einer Schaufelanordnung der in den 1 und 2 gezeigten
allgemeinen Bauart mittels einer Montagevorrichtung 40,
die es ermöglicht,
die Schaufelanordnung genauer, rascher und wiederholbar zusammenzubauen,
während
ein minimaler Luftleckverlust sowie ein brauchbarer Pegel für ein Betätigungsmoment
erzielt werden. Während
die Erfindung mit Bezug auf die Leitschaufelanordnung 10 nach 1 und 2 beschrieben
ist, wird einem Fachmann einleuchten, dass die Erfindung auf Schaufelanordnungen
anwendbar ist, die sich von der gezeigten unterscheiden.
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Wie
zuvor mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben,
enthält
die verstellbare Statorschaufelanordnung 10 die Statorleitschaufel 12,
die innerhalb der Öffnung 38 in
dem Gehäuse 22 eines
Gasturbinentriebwerks drehbar gelagert ist, wobei sich die Sitze 28 und
ein Lagerzapfen 34 in Bezug auf den Flansch 30 und
durch die Öffnung 38 hindurch
axial erstrecken. Die Leitschaufel 12, der Abstandhalter 14,
die Hülse 16 und
der Hebelarm 18 sind allesamt mittels der Gewindemutter 20 an
dem Lagerzapfen 34 befestigt. Zu der Dichtungsanordnung,
die den durch die Leitschaufel/Abstandhalter-Verbindung strömenden Leckstrom
reduziert, gehören
die Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26, die
aus vielfältigen
Materialien ausgebildet sein können,
vorzugsweise aus Verbundstoffen, z.B. aus einem mit Glas- und TEFLON® Fasern
gefüllten
Polyimidharz. Während
eine zweiteilige Dichtungsanordnung gezeigt ist, können auch
andere Dichtungsanordnungskonfigurationen und -konstruktionen im
Zusammenhang mit dieser Erfindung verwendet werden.
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Der
radiale Zwischen- bzw. Spielraum zwischen dem Gehäuse 22,
dem Flansch 30 der Leitschaufel 12 und der ringförmigen Oberfläche 36 des Abstandhalters 14 ist
durch die axiale Versatzabmessung "D" zwischen
der ringförmigen
Fläche 36 und den
auf dem Abstandhalter 14 ausgebildeten Schultern 32 bestimmt.
Folglich ist die Bestimmung einer optimalen Versatzabmessung D insofern
entscheidend, als der Luftleckverlust durch die Anordnung 10 zu
minimieren ist, während
ein brauchbares Drehmoment beizubehalten ist, das zum Drehen der
Leitschaufel 12 erforderlich ist. Allerdings können aufgrund
einer Summierung von Toleranzen und Konstruktionszielen die Buchse 24 und
die Zwischenscheibe 26 mit der Leitschaufel 12,
dem Abstandhalter 14 und dem Gehäuse 22 gegenseitige
Störungen bzw.
Wechselwirkungen aufweisen, die eine Vorhersage des radialen Spielraums
durch die Anordnung 10 hindurch unmöglich machen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung dient die Montagevorrichtung 40 dazu, die optimale
Versatzabmessung D unter einer spezifizierten Klemmbelastung für den Abstandhalter 14 basierend
auf den tatsächlichen
Abmessungen der Leitschaufel 12, des Gehäuses 22,
der Buchse 24 und der Zwischenscheibe 26 sowie
der unberechenbaren Unregelmäßigkeiten
und Störungen
zwischen diesen Komponenten zu ermitteln, die die gegenseitige Beziehung zwischen
dem radialen Spielraum und dem Betätigungsdrehmoment bestimmen.
Wie in 3 dargestellt, enthält die Montagevorrichtung 40 einen
Werkzeuggrundkörper 42,
der anstelle des Abstandhalters 14, der Büchse 16 und
des Hebelarms 18, die in 1 und 2 gezeigt
sind, an der Leitschaufel 12 und dem Gehäuse 22 befestigt
ist. Ein ringförmiger Abschnitt 46 des
Werkzeuggrundkörpers 42 steht
mit der Buchse 24 in Berührung und stellt damit eine ringförmige Anlagefläche 50 zur
Verfügung,
die an die Stelle der ringförmigen
Fläche 36 des
Abstandhalters 14 tritt. Die Montagevorrichtung 40 enthält ferner
eine Mutter 44, die die Mutter 20 nach 1 und 2 ersetzt
und anstelle der Schraube 20 auf den Lagerzapfen 34 geschraubt
ist. Die Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26 sind
an der Leitschaufel 12 und dem Gehäuse 22 in gleicher
Weise angebracht, wie sie in der in 1 und 2 gezeigten
Anordnung 10 angebracht wären. Gemäß der Erfindung wird die Mutter 44 an
dem Lagerzapfen 34 angezogen, um eine Klemmkraft auf die
Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26 aufzubringen,
die ausreicht, um die Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26 sowie jede
Störstelle
in deren Oberflächen
flachzudrücken, so
dass sich ein genauerer Messwert hinsichtlich der für den Abstandhalter 14 erforderlichen
Versatzabmessung D erhalten lässt.
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Wie
in 3 dargestellt, enthält die Montagevorrichtung 40 ein
Paar Sonden 48, die sich durch die Wand des Werkzeuggrundkörpers 42 und
in einen Hohlraum in dem Grundkörper 42 hinein
erstrecken. Die Sonden 48, die von einer beliebigen geeigneten
Bauart sein können,
beispielsweise ein eine lineare variable Verschiebung erfassender
linearer Weggeber (LVDT = Linear Variable Displacement Transducer),
eine Kapazitätssonde,
ein Laser, usw., dienen dazu, den Ort der Sitze 28 innerhalb
des Hohlraums zu erfassen. Falls beispielsweise die Orte der Sonden 48 bezüglich der
ringförmigen
Oberfläche 50 des
Werkzeuggrundkörpers 42 bekannt
sind, kann der Ort der Sitze 28 bezüglich der Oberfläche 50 oder
bezüglich
der Buchse 24 genau ermittelt werden, während diese der Klemmbelastung
unterworfen sind. Nachdem der Ort der Sitze 28 bekannt
ist, kann die Montagevorrichtung 40 entfernt und ein Abstandhalter 14 ausgewählt und
eingebaut werden, der eine Versatzabmessung D aufweist, die den
gewünschten
radialen Spielraum bzw. Zwischenraum für die Schaufelanordnung 10 hervorbringen
wird. Die auf die Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26 durch
den Abstandhalter 14 ausgeübte Belastung wird geringer
sein als diejenige, die durch die Montagevorrichtung 40 ausgeübt wird,
sie wird jedoch dennoch einen erwünschten minimalen radialen
Spielraum durch die Buchse 24 und die Zwischenscheibe 26 hindurch
verwirklichen, um den Luftleckverlust durch die Schaufelanordnung 10 hindurch
auf ein Minimum zu reduzieren.
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Während die
Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben
wurde, ist es ersichtlich, dass sich ein Fachmann anderer Ausführungsformen
bedienen könnte.
Obwohl beispielsweise eine Mutter 44 gezeigt ist, die verwendet
wird, um die Klemmbelastung durch die Montagevorrichtung 40 auszuüben, ist
es vorhersehbar, dass die Klemm belastung durch andere Mittel erzeugt
werden kann, z.B. mittels einer hydraulischen, pneumatischen und
sonstigen mechanischen Ausrüstung. Darüber hinaus
könnte
die physische Konfiguration der Schaufelanordnung 10 und
der Montagevorrichtung 40 erheblich von der in den Figuren
gezeigten abweichen.