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Schaufelring für radial beaufschlagte Turbinen oder Kompressoren Die
Erfindung bezieht sich auf Schaufelringe für radial beaufschlagte Turbinen und Kompressoren,
bei denen zwei oder mehr Tragringe vorgesehen sind, zwischen denen die Schaufeln
eingesetzt sind. Zur Herstellung solcher Schaufelringe sind verschiedene Verfahren
vorgeschlagen worden. Nach einem bekannten Verfahren werden die Schaufeln aus Profileisen
geschnitten, darauf die Schaufelenden so geformt, daß sie in entsprechende Ausschnitte
von Verbindungsrin!gen passen, worauf diese mit den darin eingesetzten Schaufeln
verschweißt werden. Die Ringe werden danach auf der Drehbank mit einer Schwalbenschwanznut
versehen, in welche die Tragringe eingewalzt werden.
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Nach einem anderen Verfahren werden die Schaufeln ohne die Hilfe von
Verbindungsringen direkt am Tragring befestigt. Hierbei wird jede Schaufel an ihren
beiden Enden mit einem Fuß versehen, der mit der Schaufel aus einem Stück besteht,
wobei die Füße als Abstandshalter dienen können. Die äußeren Teile der Füße werden
mit einem Schwalbenschwanz versehen und die Schaufelenden mit ihrem Tragring durch
Walzen verbunden.
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Beide Verfahren weisen Mängel auf. Das erstgenannte Verfahren verlangt
für die Schaufeln schweißbares Material von genügender Stärke. Das zweite Verfahren
ist zwar vom Schweißen oder einer sonstigen Wärmebehandlung unabhängig, stellt aber
an die Zähigkeit des für die Tragringe verwendeten Materials große Anforderungen,
weil die die Schwalhenschwanznut bildenden Kanten der
Tragringe
über die Füße der Schaufeln gebogen und durch Walzen darauf befestigt werden müssen.
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Die Erfindung bezweckt, diese Mängel zu beseitigen, und erreicht dieses
Ziel dadurch, daß. bei einem Schaufelring für radial beaufschlagte Turbinen oder
Kompressoren, dessen Schaufeln zwischen zwei oder mehreren mit Nuten zur Aufnahme
der Schaufelfüße versehenen Tragringen befestigt werden, die Füße durch schräg nach
außen gerichtete, in entsprechende Nuten der Tragringe eingreifende Ansätze mit
den Tragringen fest verbunden werden.
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Die Herstellung dieser Schaufelringverbände erfolgt gemäß der Erfindung
in der Weise, d.aß die Schaufeln in einem lückenlosen Kreise vom Durchmes@ser -des
Schaufelringes -in einer Klemmvorrichtumig zusammengespannt, ihre Füße auf das Profil
derNnsätze abgedreht und, die Ansätze der Schaufelfüße durch eine kombinierte axiale
und radiale Bewegung der Schaufeln und der Tragringe in einen festen Eingriff' mit
den Nuten der Tragringe gebracht werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Schaufelfüße in den Tragringen
im wesentlichen ohne Schweißen und Walzen zu befestigen und deshalb für die Schaufelringe
ein Material zu wählen, das in bezug auf Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
am geeignetsten ist. Da für die Hauptverbindung weder ein Schweiß- noch ein Walzverfahren
angewendet wird, braucht hinsichtlich der Wahl des Materials kein Kompromiß getroffen
zu werden, um solchen Anforderungen zu genügen.
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Soweit bei der Durchführung der Erfindung zur Sicherung oder Vervollständigung
der Schau.felverhindung Walzen oder Schweißen angewendet wird, handelt es sich immer
nur um verhältnismäßig geringe Beanspruchungen des Materials, die bei seiner Wahl
als Konstruktionsmaterial nicht besonders berücksichtigt zu werden brauchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigt Fig. i einen Axialschnitt eines Teils des Schaufelringes, Fig.2 einen gleichen
Schnitt in der gleichen Ebene und in kleinerem Maßstab durch die Einzelteile des
Schaufelringes vor seiner Zusammensetzung, Fig.3 und 4, Draufsichten der Endstücke
von einstellbaren Klemmvorrichtungen, Fig.5 und 6 Axialschnitte abgeänderter Ausführungsformen,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Schaufelringes und Fig. 8
bis 24. weitere Beispiele, alle im Axialschnitt dargestellt, Fig.25 die in einer
Klemmvorrichtung eingespannten Schaufeln von der Stirnseite gesehen, Fig. 26 den
Schaufelring mit zwischengeschalteten Füllstücken.
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Fig. 27 ein Füllstück in der Ansicht..
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In Fig. i ist mit i eine Schaufel bezeichnet, deren an beiden Enden
angeordneter Schaufelfuß einen Ansatz 2 aufweist. der in eine entsprechend geformte
Nut 3 eines Tragringes 4. eingreift. Im dargestellten Beispiel sind die kegelmantelförmigen
Grenzflächen 5 und 6 der Ansätze 2 undder Nuten 3 parallel.
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In Fig.2 ist schematisch das Verfahren dargestellt, nach welchem die
Verbindung der Schaufeln und Schaufelringe gemäß Fig. i erfolgt. Die Schaufeln werden
durch eine Klemmvorrichtung, die aus den im Durchmesser veränderlichen Ringen 7
und 8 besteht und zwischen denen der Schaufelsatz festgeklemmt wird, so gehalten,
daß sie einen ringförmigen Satz bilden. Der äußere Spannring 8 kann, wie Fig. 25
zeigt, in einfacher Weise als mittels Gewindebolzens zu spannende oder zu lösende
Schelle ausgebildet sein. Der innere Haltering 7 ist gemäß der Erfindung so auszubilden,
daß sein Durchmesser willkürlich verändert werden kann. Zu diesem Zweck ist er an
einer oder mehreren Stellen seines Umfanges in ähnlicher Weise wie etwa ein federnder
Kolbenring geteilt oder geschlitzt, wie z. B. -in den Fig. 3 und ,4 angegeben ist.
Nach Fig.3 ist in einem Teil ein Schlitz 9 vorgesehen, in den eine Zunge io des
anschließenden Teils eingreift. Dadurch werden die Enden des Ringes oder der Ringteile
in axialer Richtung geführt, die Trennfuge überbrückt und im weiteren die an den
Verbindungsstellen liegenden Schaufeln abgestützt. Der Haltering 7 ist am inneren
Umfang durch konische Flächen i r und 12 begrenzt, die in axialer Richtung entlang
den äußeren, konischen Flächen der Keilringe 13 und 1.. gleiten können. Da der Ring
7 geschlitzt ist. kann der Durchmesser der Klemmvorrichtung verstellt werden, indem
die Ringkeile 13 und 14 gegeneinander oder auseinander bewegt werden. Diie Einstellung
idles Durchmessers des HalteTlinges 7 kann auch in der Weise erfolgen, daß er aus
zwei oder mehr Teilen gebildet wird, zwischen denen Einstellelemente eingesetzt
sind, durch welche die verschiedenen Teile des Ringes 7 einander genähert oder voneinander
entfernt werden können, wodurch der Durchmesser des Ringes verkleinert oder vergrößert
wird. Mit der Veränderung des Durchmessers des Halteringes 7 wird auch der Spannring
S verändert.
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Nachdem die Schaufeln durch entsprechende Einstellung des Halteringes
7 auf den Fertigdurchmesser eingerichtet sind, werden sie fest eingespannt und danach
die Schaufelfüße auf das gewünschte Profil abgedreht. Hierauf werden die Klemmvorrichtung
etwas gelöst und so viel Schaufeln aus dem Schaufelsatz entnommen, daß dieser nach
Lösung der Ringkeile 13 und ld. auf einen der Stellung nach Fig.2 entsprechenden
geringeren Durchmesser gebracht werden kann. Nun werden die Tragringe. seitlich
herangeführt und wird gleichzeitig durch Eintreiben der Ringkeile 13 und 1+ der
Haltering 7 und damit der Schaufelsatz wieder gedehnt. Durch diese radiale Verschiebung
der Schaufeln und gleichzeitige axiale Heranbewegung der Tragringe gleiten die Ansätze
2 in die ihnen angepaßten Nuten 3 hinein. Die Schaufein werden dann in umfänglicher
Richtung
verschoben und über den Umfang des Tragringes gleichmäßig
verteilt, und dann werden zwischen den einzelnen Schaufelfüßen Füllstücke a (Fig.
27) in die Nuten eingelegt. Zweckmäßig «-erden die Schaufelfüße mittels der Klemmvorrichtung
mit einem solchen Druck gegen die Tragringe gepreßt, daß zwischen Schaufelfüßen
und Tragringen eine kräftige Vorspannung entsteht.
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Man kann auch in der Weise vorgehen, daß die in der Klemmvorrichtung
eingespannten Schaufeln an ihren Ansätzen auf einen solchen Durchmesser abgedreht
werden, daß sie ohne weitere Durchmesserverringerung in die Nuten der Tragringe
eingeführt werden können, indem diese in axialer Richtung heranbewegt und der Haltering
durch Eintreiben der Ringkeile ausgedehnt wird. Die nach Einführung der Ansätze
zwischen den Schaufelfüßen verbleibenden Zwischenräume werden durch Füllstücke ausgeglichen.
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Eine dritte Methode besteht darin, daß die Schaufeln, wie bereits
beschrieben, in eine Klemmvorrichtung eingespannt werden, worauf die Füße der eingespannten
Schaufeln auf der Drehbank ihre Form erhalten. Zur Einführung der Schaufelfußansätize
:in @ihre Tragringnuten werden dann die Tragringe oder der Schaufelsatz oder beide
so erwärmt und/oder abgekühlt, daß die Temperaturdifferenz zwischen den erwähnten
Teilen das Einsetzen der Fußansätze in die Nuten gestattet. Der ganze Satz wird
dann bis zum Temperaturausgleich in Ruhe gelassen, wobei die Füße durch die relative
axiale und radiale Bewegung zwischen Fuß und Tragring fest in die Nut gepreit werden.
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Die erforderlichen Temperaturdifferenzen kann man erreichen a) durch
Erhitzen der Tragringe, b) durch Abkühlen des Schaufelsatzes, c) durch gleichzeitige
Erhitzung der Tragringe und Abkühlung des Schaufelsatzes. Die erhitzten Tragringe,
die zweckmäßig einzeln in Arbeit genommen werden, schrumpfen nach Abkühlung fest
auf die Schaufelfüße auf. Durch passende Dimensionierung kann eine ausreichende
Vorspannung zwischen Schaufelfüßen und Tragringen erreicht werden.
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Das vorstehend erläuterte Schrumpfverfahren kann mit der Durchmesserveränderung
mittels der einstellbaren Klemmvorrichtung sowie dem Einsetzen von Füllstücken kombiniert
werden. In diesem Fall wird eine kräftige Vorspannung schon bei Anwendung kleiner
Temperaturdifferenzen erreicht.
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Ein weiteres Verfahren besteht. im Umbördeln des Tragringes, so daß
die Fußstücke durch die kombinierte relative axiale und raadliale Bewegung zwischen
Fußstück und Tragring in Eingriff miteinander gebracht werden.
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Bei all diesen oben beschriebenen .Verfahren kann es gelegentlich
nützlich sein, nach der Vereinigung der Tragringe mit den Schaufeln die innere und/
oder äußere Kante -des Tragringes auf die Schaufelfußansätze schwach aufzuwalzen.
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In Fig. 5 und 6 sind abgeänderte Profile der Schaufelfüße 2 dargestellt.
Nach Fig. 5 wird der Fußansatz am äußeren Umfang durch die S-förmig profilierte
Fläche 5' und stirnseitig durch eine ebene Fläche 6' begrenzt. In Fig. 6 weist das
Profil des Fußes 2 eine Fläche 5" auf, die dem Profil 5' in Fig.5 entspricht, sowie
eine gewölbte Stirnfläche 6".
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In Fig. 5 und 6 sind auch verschiedene Möglichkeiten, die Füße an
den Tragringen mittels Verstemmeinlagen zu befestigen, erläutert.
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Nach Fig. 5 wird ein gebogener Einlagestreifen 15 in den schmalen
Raum zwischen dem Schaufelfuß 2 und dem inneren Umfang des Tragringes 4 eingepreßt.
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Dieser Raum erweitert sich nach außen, und ,während der gebogene Teil
des Einlagestreifens in die Erweiterung eintritt, wird der Streifen, der bei Beginn
des Vorganges flach war, beim Verstemmen sich nach dem Profil des Fußes biegen.
Dabei haben die gebogenen Teile des Streifens die Tendenz, auseinandergedrängt zu
werden, wodurch der innerste Teil so gebogen wird, daß er zwischen den Schaufelfuß
und den Grund des Zwischenraumes gepreßt wird, wie aus der Zeichnung ersichtlich
ist. Mit fortschreitender Verstemmung werden die Schaufelfüße kräftig auf den Grund
der Tragringnut gepreßt. In den gleichen Zwischenraum können nötigenfalls auch mehrere
Einlagestreifen eingepreit werden, damit ein verläßlicher Sitz erreicht wird.
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Nach Fig.6 wird der erweiterte Teil des Zwischenraumes zwischen dem
innersten Teil des Schaufelfußes und der Nut des Tragringes mit einer Einlage versehen,
die aus Drahtwindungen oder aus einer Mehrzahl von Drähten 16 besteht.
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An Stelle eines Preßsitzes am inneren Umfang des Schaufelringes, der
durch Verstemmen von Einlagestreifen erreicht wird, kann das Material auch nach
nrgenideiner bekannten. Schweißmethode geschweißt werden. Daneben kann auch eine
Kante des Tragringes durch Walzen in eine Nut, die sich am Endteil der inneren Seite
des Tragringes befindet, gepreit werden.
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Das Einsetzen der Schaufeln nach den obenerwähnten Verfahren gestattet
die Verwendung von Profilen der Schaufelfüße und Nuten der Tragringe, die zusammen
ein Gebilde von gleichmäßiger Stärke aufweisen, d. h. ein Gebilde, bei dem der Schaufelfuß
und die Tragkante von gleicher Stärke sind. Ein weiterer wichtiger Vorteil ergibt
sich aus dem erhöhten Widerstand gegen Spannungskorrosion, die durch eine Verminderung
der konzentrierten Spannungen und Spannungsabstufungen in den Außenkanten der Tragringnuten
erreicht wird.
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`'orste'hend wurde eine Verbindung zwischen radial beau:fscblagten
Schaufeln und Tragringen beschrieben, bei der die Profile der Schaufelfüße und Tragringnuten
so gewählt wurden, daß sie eine relative Verschiebung der erwähnten Füße und Ringe
erlauben, damit die Füße in die Nuten eingeführt werden können und durch eine kombinierte
axiale und radiale Bewegung zwischen Schaufeln und Tragringen einen festen Sitz
erhalten. Soll diese Verbindung noch weiter verstärkt werden, so kann sie mit einer
zusätzlichen Sicherung versehen
werden, um den Schaufelsitz gegen
Torsionskräfte zu verstärken, die von tangential wirkenden Kräften herrühren.
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Solche Torsionskräfte werden durch den Reaktionsdruck des Treibmittels
und die Wirkung der Zentrifugalkraft auf die Schaufel selbst erzeugt, da die Hauptträgheitsachsen
des Schaufelquerschnittes mit dem Radius einen Winkel bilden. Auch durch gelegentliche
'Überbeanspruchungen, z. B. Kurzschluß oder Wasserschläge, können Torsionskrädte
ausgelöst werden.
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Verschiedene Deispiele solcher verstärkten Verbindungen sind in den
Fig. 8 bis 24 dargestellt.
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In der Ausführung nach Fig. 8 bis i9 besitzt die Schaufel i am Ende
einen Fußansatz 2 mit einem ähnlichen Ouerschnitt, wie in Fig. i dargestellt ist,
d. h. mit parallelen Flächen 5 und 6, und der Tragring .1 hat eine dementsprechende
Nut. Der Schaufelfuß ist mit einem zusätzlichen Ringvorsprung 2o versehen, der in
Längsrichtung der Schaufel von ihrem inneren Ende ausgeht. Der Ringvorsprung 2o
ist an seinem freien Ende mit einer nach außen gerichteten Rippe 21 ausgestattet.
Am inneren Umfang des Tragringes 4 ist eine den Ringvorsprung 2o aufnehmende Nut
angebracht und in dieser eine vertiefte Ringnut 22 für die Rippe 21 vorgesehen.
Der Verband wird in der gleichen Weise zusammengefügt, wie dies an Hand der Fig.
i und 2 beschrieben wurde. Fig. 8 zeigt den Tragring 4 und den Schaufelfuß in ihrer
gegenseitigen Stellung vor dem Zusammenbau und Fig. 9 die gegenseitige Stellung
von Schaufelfuß und Tragring nach dem Zusammenbau. Der Ringvorsprung 20 und insbesondere
seine Rippe 21 werden durch einen leichten Walz- oder Preßvorgang in die aus Fig.
io ersichtliche Endlage gebracht. Der Ringvorsprung 2o kann auch ohne Rippe ausgebildet
werden. In diesem Fall wird er mit dem Tragring z. B. durch Schweißung verbunden.
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Fig. i i zeigt eine Bauart, bei welcher der Ringvorsprung 2o schräg
nach außen gerichtet ist, damit der Teil des Tragrnirnges, ,dier zwischen den Teilen
2 und 2o des Fußes liegt, einen festeren Halt erhält.
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NachFig. iz ist derTragring4 an seinem inneren Umfang mit einer nach
außen gebogenen Kante 23 versehen. Diese Kante wird an den Schaufelfuß 2 durch Walzen
oder ein anderes verbindendes Verfahren so angepreßt, daß die Kante 23 in eine Rinne
24 des Schaufelfußes eintritt. Die Fläche 5 ist gerillt, um tangentialen oder radialen
Kräften zu widerstehen.
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Die Zusammensetzung der Schaufeln und Tragringe kann nach jedem der
mit Bezug auf die Fig. i bis 6 erläuterten Verfahren geschehen.
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In Fig. 13 ist ein Sicherungsring 25 vorgesehen, der an beiden Seiten
Ringleisten 26 und 27 auf-«-eist, welche ihrerseits in die entsprechenden Nuten
des Schaufelfußes und des Tragringes eingreifen. Fig. 14 zeigt einen Sicherungsring
28, der in einer Nut des Schaufelfußes liegt. Die in Fig. 13 und 14 gezeigten Schaufelringe
können z. B. wie folgt zusammengesetzt werden: Die Schaufeln werden in einer Klemmvorrichtung
zusammengefaßt und ihre Füße auf das gewünschte Profil abgedreht. Die Klemmvorrichtung
mit den Schaufeln einerseits und dem Sicherungsring 25 oder 28 andererseits werden
beide (oder nur einer der beiden Teile) erhitzt bzw. abgekühlt, so daß zwischen
denSchaufeln und dem Sicherungsring eine genügend große Temperaturdifferenz entsteht,
die es gestattet, den Ring in die Nut der Schaufelfüße einzuführen. Darauf wird
die Temperatur ausgeglichen, wodurch der Ring 28 oder die Ringleiste 26 des Ringes
25 in die entsprechende Nut der Füße gleitet. Durch entsprechende Wahl der Dimensionen
kann jede beliebige Vorspannung zwischen dem Ring und dem in der Klemmvorrichtung
eingespannten Schaufelsatz erzielt werden. Schließlich wird der Tragring auf die
Schaufelfüße aufgeschrumpft oder der Schaufelsitz wird vor dem Einbringen in die
Tragringe abgekühlt und mit seinen Ansätzen :in die Nuten der Tragringe eingesetzt,
worauf die Klemmvorrichtung auseinander- und abgenommen wird.
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Ein weiteres Verfahren, den losen Sicherungsring mit der Nut in Verbindung
zu bringen, besteht in der Anwendung einer Ader oben erläuterten Methoden, wobei
eine einstellbare Klemmvorrichtung verwendet wird, die gegebenenfalls in Verbindung
mit einer Wärmebehandlung angewendet werden kann.
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Der lose Abschlußring 25 oder 28 kann auch aus zwei oder mehreren
Teilstücken bestehen, die in die Nut eingelegt -,verden können, ohne daß der Durchmesser
des Schaufelsatzes verändert werden muß. Nachdem das Einlegen beendet ist, kann
in die Verbindungsstellen Verstemmaterial gepreßt werden, oder die Teilstücke werden
miteinander verschweißt, so daß der Ring ungeteilt an den Schaufelfüßen anliegt.
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Die Ringe kiynrien auch in ihre Nuten eingewalzt werden, wobei zusätzlich
eins oder mehrere der obenerwähnten Verfahren angewendet werden können.
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In Fig. 14 ist durch die gestrichelten Linien dargestellt, wie ein
Ring 29 in eine entsprechende Nut der Schaufelfüße zu liegen kommt. Das Einlegen
des Ringes kann nach vorherigem Erhitzen geschehen; die Schaufelfüße werden schon,
bevor der Tragring montiert wird, nach dem Abkühlen genügend fest in den Ring 29
gepreßt.
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Fig. 13 zeigt in der Nut, welche die Ringleiste 27 aufnimmt, einen
Spielraum 3o. Dieser Spielraum ist so bemessen, daß die radiale und axiale Bewegung
zwischen Schaufeln und Tragring beim Zusammensetzen durch die Leiste 27 nicht gehindert
wird. Die Leisten 26 und 27 (Fig. 13) und der Abschlußring 28 (Fig. 14,) werden
zweckmäßig so gepreßt bzw. eingewalzt, daß sie die ihnen zugeordneten Nuten vollständig
ausfüllen.
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In der Ausführung nach Fig. 1 5 weist der Tragring 4 einen nach innen
gerichteten 31 auf, Bier in, eine Nut des Schaufelfu-ße:s 2 eingreift. Damit der
Schaufelfuß in die Nut des Tragringes eingesetzt werden kann, muß diese um einen
bestimmten
Betrag, der von der radialen Ausdehnung des Flansches 31 abhängt, erweitert -,verden.
Nachdem die Schaufelfüße mit dem Tragring verbunden sind, wird als Verstemmaterial
ein Schlußring 32 in die Nut an der inneren Seite der Schaufelfüße eingelegt, worauf
die endgültige Verbindung durch Umbördeln der Kante 33, die dann gegen die freie
Kante des Ringes 32 drückt, hergestellt wird. Auf diese Art wird ein Bajonettverschluß
erzielt, der nach Wunsch auch in Verbindung mit anderen Ausführungsarten verwendet
werden kann.
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Ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, können die Begrenzungsflächen
der Schaufelfußquerschnitte, der Nuten und der Flunsche andere sein, als in den
Zeichnungen dargestellt. Zum Beispiel kann nach Fi!g. 16 der Fuß,ansa.tz 2 die Form
einer Sperrklinke aufweisen, und die anliegenden Flächen der Nut 22 können parallel,
konvergierend oder divergierend sein. Auf ähnliche Art können da, wo nach den Zeichnungen
einander berührende anliegende Flächen dargestellt sind, Zwischenräume vorgesehen
werden. Im weiteren können die Schaufelfüße und die zusätzlichen Verbindungsmittel
auch auf eine andere Weise als in der oben beschriebenen miteinander kombiniert
werden.
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Die Fig. 17 bis 21 zeigen weitere bajonettverschlußartige Verbindungen.
Nach Fig. 18 wird Verstemmateria134 unter die Schaufelfüße durch die Öffnungen 35
im mittleren Teil der Füße unter der gestrichelten Linie 36 gepreßt. Dadurch wird
bei 37 zwischen Schaufel und Tragring auf beiden Seiten der Öffnung eine Verbindung
hergestellt. Die gestrichelte Linie 38 in Fig. i9 zeigt eine Flansch-und Nutverbindung
auch an dieser Stelle. Nach Fig.2o ist ein Ring vorgesehen, der die gleiche Wirkung
hat wie die Ringe 25 und 28 in Fig. 13 und 14. Bei Fig. 21 wird die Kante 4o durch
Walzen oder Pressen in Richtung des Pfeiles 41 mit einer Nut des Tragringes in Verbindung
gebracht.
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In Fig. 22 ist ein Ring 42 dargestellt, der aus verschiedenen Teilen
bestehen kann und dadurch an seine Stelle gebracht und befestigt wird, daß die Kante
43 des Tragringes durch Walzen in eine Nut des Ringes 42 gepreßt wird. Fig. 23 weist
verschiedene schräg nach außen gerichtete Teile 44 auf. In Fig. 24 ist eine Sicherung
bei 45 dargestellt, eine weitere ist bei 46 durch die gestrichelten Linien angegeben.