EP1249577B1 - Gasturbine mit axial verschiebbaren Gehäuseteilen - Google Patents

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EP1249577B1
EP1249577B1 EP01109198A EP01109198A EP1249577B1 EP 1249577 B1 EP1249577 B1 EP 1249577B1 EP 01109198 A EP01109198 A EP 01109198A EP 01109198 A EP01109198 A EP 01109198A EP 1249577 B1 EP1249577 B1 EP 1249577B1
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EP
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gas turbine
turbine according
guide part
rib
presses
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Christian Dr. Scholz
Peter Tiemann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with a guide and with a blade ring in a gas channel and with a housing and secured therein against rotation axially mutually displaceable funnel-shaped guiding parts as a carrier of an outer shell of the gas channel forming rings.
  • Gas turbines are often subjected to changing loads not only in their starting phase, but also in continuous operation. This results in unsteady operation, especially with regard to the temperatures assumed by the individual components. To avoid damage to the turbine, therefore, the individual components are usually clamped so that they can perform thermally induced dimensional changes unhindered.
  • the outer channel wall is partially formed by a guide ring, which is opposite to the blade tips of blades and slidable for radial clearance adjustment of a drive in the axial direction.
  • the guide ring concentrically enclosing the blade ring is arranged in an annular recess of the housing of the gas turbine, wherein the space structure surrounding the recess is rigidly fixed to adjacent housing parts.
  • a multi-part stator blade carrier which is composed of radially movable segments, which are axially fixed by approaches.
  • To move the segments slidable segment carrier are provided in the outer conical wall of the annular space parallel to the wall.
  • the sliding surfaces of the segment carrier and their guides are each formed like a sawtooth and inclined relative to the displacement direction.
  • a displacement of the segment carrier causes a radial movement of the segments, which is used to adjust the radial gaps of all turbine stages.
  • the invention is based on the object to develop a gas turbine plant so that in her over a variety of operating conditions, an optimal blade tip gap is given, so that a basic requirement for achieving a good efficiency is guaranteed.
  • a gas turbine of the type specified in which at least one of the funnel-shaped guide parts controlled by a motor is axially displaceable.
  • a motor Suitably serve as a motor a plurality of distributed over the circumference of the guide part hydraulic presses.
  • any other type of drives is content of this invention.
  • the particular advantage of this arrangement is the possibility to actively set the blade tip gap by axial movement of the guide.
  • the conicity of the funnel-shaped design of the guide member is advantageously utilized, because as a result of this conicity, any axial displacement thereof also causes a change in the blade tip gap to be considered substantially radially.
  • rotor blade rings 2 are keyed with a plurality of blades 3.
  • a gas flow 6 guided through vane rings 4 with a multiplicity of vanes 5 expands through a gas duct 7, thereby driving the rotor blades 3.
  • the gas channel 7 has an annular cross-section and is connected at its pressure-side end with a hot gas chamber 8, is driven from the compressed and heated gas in the arrow direction to a gas outlet opening 9.
  • a radially inner boundary of the gas channel 7 is formed by hubs 10 of the blade rings 2 keyed on the turbine shaft 1 and non-rotating hubs 11 of the guide blade rings 4 carried by the inner ends of the guide blades 5. Joints between the hubs 10 and the hubs 11 are closed by labyrinth seals.
  • a radially outer boundary of the gas channel 7 has a funnel-shaped conical shape and is formed by rings 12 and 13.
  • the rings 12 and 13 are supported by funnel-shaped guideways 14 and 15, the rings 12 facing the free ends of the blades 3, and the rings 13 holding the outer ends of the vanes 5 and thus supporting the vane ring 4 formed by them as a whole. Gaps between the rings 12 and 13 are closed by suitable sealing rings, not shown.
  • the guide parts 14 and 15 are thick-walled, very stiff and mounted axially slidably on cross-sectionally preferably rectangular blocks 16.
  • the blocks 16 are anchored in a housing 17 and each of the guide parts 14 and 15 engages at its two ends in each case a wreath of a plurality of blocks 16, so that tilting for the guide parts 14 and 15 is also excluded, such as radial movements.
  • the housing 17 is, due to its shape and its wall thickness, as stiff as the conducting parts 14 and 15 and carries on its inside except the blocks 16 per guide member 14 and 15, a rigid rib 18.
  • This rigid rib 18 is axially between the Wreaths of blocks 16 provided, which are associated with the same guide member 14 and 15, respectively.
  • the rigid rib 18 is in particular practically not deformable in the axial direction.
  • Each of the guide parts 14 and 15 carries a radially outwardly projecting, relatively thin-walled stop rib 19, which is supported on the hot gas chamber 8 facing side of the associated rigid rib 18 with a bead 20 carried by its free end.
  • a reinforcement 21 is arranged, which is indeed also the rigid rib 18 faces, but shorter in the axial direction than the bead 20.
  • the guide parts 14 and 15 are in their gas outlet opening 9 facing portion radially outwardly by a preferably trapezoidal in cross section stiffening rib 22 includes a radially oriented, the associated rigid rib 18 opposite abutment surface 23 has. Between the rigid ribs 18 and their respective opposite stop surface 23 are distributed uniformly on the circumference of the associated guide member 14 or 15 a plurality of hydraulic presses. Pistons 24 of these presses are supported directly on the rigid rib 18 and associated cylinders 25 of the presses lie on the stop surface 23 of the stiffening rib 22. An annular space between the housing 17 and the guide parts 14 and 15 is divided by membrane-like partitions 26 into chambers.
  • the inventive arrangement now allows a targeted, active setting just the width of this gap. For this purpose, this width is measured by sensors, not shown. With a desired reduction of the gap width is then through the engine shown by the presses concerned Guiding 14 and / or 15 shifted in the direction of the gas outlet opening 9.
  • the stopper rib 19 is resiliently clamped, so that it pushes back in a direction required in the opposite direction of the movement carrying them guide member 14 or 15 in the direction of the hot gas chamber 8.
  • each of the same guide member 14 or 15 associated presses together reach an axial force which corresponds to something the 10 times an operationally exerted by the gas flow 6 to the relevant guide member 14 or 15 axial force. Both axial forces act in the direction of the gas outlet opening 9 and add up.
  • the deformation energy absorbed by the stop rib 19 during its deformation is stored in the adjustment of a guide part 14 or 15 in the direction of the gas outlet opening 9 and serves in an opposite movement to generate a restoring force.
  • This restoring force is greater in each position of the associated guide member 14 or 15, as the operationally from the gas flow 6 to this exerted axial force.
  • the restoring force is about 2 to 3 times as large as the operational axial force.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Leit- und mit einem Laufschaufelkranz in einem Gaskanal und mit einem Gehäuse sowie darin gegen Rotation gesicherten axial gegeneinander verschiebbaren trichterförmigen Leitteilen als Träger von einen äußeren Mantel des Gaskanals bildenden Ringen.
  • Gasturbinen werden häufig nicht nur in ihrer Startphase, sondern auch im Dauerbetrieb mit wechselnden Lasten beaufschlagt. Das hat insbesondere auch hinsichtlich der von den einzelnen Bauteilen angenommen Temperaturen einen instationären Betrieb zur Folge. Zur Vermeidung von Schäden an der Turbine sind daher die einzelnen Bauteile üblicherweise so eingespannt, daß sie thermisch bedingte Maßänderungen ungehindert ausführen können.
  • Um Turbinenverluste durch Querströmungen über ihren Laufschaufelspitzen weitgehend zu minimieren, sind kleinstmögliche radiale Spalte zwischen den Laufschaufelspitzen und diesen gegenüberliegenden Leitflächen einzuhalten. Da sich sowohl die Laufschaufeln und ihr Rotor als auch Leitschaufeln und ihre Träger ebenso wie ein alles verbindendes Gehäuse zeitlich gesehen bei jeder Laständerung unterschiedlich ausdehnen und/oder schrumpfen, stellt sich ein optimaler radialer Spalt über den Laufschaufelspitzen nur für sehr wenige von beliebig vielen stationären Betriebszuständen ein. Der Betrieb dieser Gasturbinen erfolgt daher häufig mit einer nicht optimierten Spaltweite und demzufolge mit einem nicht optimierten Wirkungsgrad.
  • Durch die US-PS 4,177,004 ist eine Turbinengestaltung bekannt, bei der die Laufschaufelspitzen selbst Werkstoff von einer ihnen gegenüberliegenden Leitfläche abtragen, so daß für diese Anordnung bei dem Betriebszustand, bei dem die größte Annäherung der Laufschaufelspitzen an die Leitflächen erfolgt, der Laufschaufelspitzenspalt nahezu verschwindet. Bei jedem anderen Betriebszustand ist jedoch auch bei dieser bekannten Anordnung der Laufschaufelspitzenspalt wieder größer und damit weniger günstig.
  • Bei anderen bisher bekannten Anordnungen ist es zwar gelungen, durch die Auswahl geeigneter Werkstoffpaarungen die thermisch bedingten Relativbewegungen der Bauteile für viele Betriebszustände gering zu halten, aber auch dort gilt, daß nur jeweils bei einem bestimmten stationären Zustand ein optimaler Laufschaufelspitzenspalt herrscht. Bei jedem anderen Zustand treten wiederum weniger günstige Verhältnisse ein.
  • Außerdem ist aus der US 5,203,673 eine Gasturbine mit einem konischen Gaskanal bekannt, dessen äußere Kanalwand teilweise von einem Führungsring gebildet wird, welcher den Schaufelspitzen von Laufschaufeln gegenüberliegt und zur Radialspalteinstellung von einem Antrieb in Axialrichtung verschiebbar ist. Der den Laufschaufelring konzentrisch umgreifende Führungsring ist in einer ringförmigen Ausnehmung des Gehäuses der Gasturbine angeordnet, wobei die die Ausnehmung umgebende Raumstruktur starr an benachbarten Gehäuseteilen fixiert ist.
  • Weiter ist aus der DE 1 426 818 ein mehrteiliger Leitschaufelträger bekannt, der sich aus radial bewegbaren Segmenten zusammensetzt, welche durch Ansätze axial festgelegt sind. Zur Bewegung der Segmente sind in der äußeren konischen Wand des Ringraums parallel zur Wand verschiebbare Segmentträger vorgesehen. Die Gleitflächen der Segmentträger und deren Führungen sind jeweils sägezahnartig und gegenüber der verschieberichtung geneigt ausgebildet. Hierdurch bedingt eine Verschiebung der Segmentträger eine Radialbewegung der Segmente, was zur Einstellung der Radialspalte aller Turbinenstufen genutzt wird.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage so weiter zu entwickeln, daß bei ihr über eine Vielzahl von Betriebszuständen ein optimaler Laufschaufelspitzenspalt gegeben ist, so daß eine Grundvoraussetzung zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe ist für eine Gasturbine der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst, in dem mindestens eines der trichterförmigen Leitteile durch einen Motor gesteuert axial verschiebbar ist. Zweckmäßig dienen dabei als Motor eine Vielzahl von auf den Umfang des Leitteiles verteilte hydraulische Pressen. Jedoch auch jede andere Art von Antrieben ist Inhalt dieser Erfindung. Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt in der Möglichkeit den Laufschaufelspitzenspalt durch axiale Bewegung des Leitteils aktiv einzustellen. Bei der Beschränkung der aktiven Einstellbarkeit auf axiale Bewegungen wird vorteilhaft die durch die trichterförmige Gestalt des Leitteils gegebene Konizität desselben ausgenutzt, denn infolge dieser Konizität bewirkt jede axiale Verschiebung desselben auch eine Veränderung des im wesentlichen radial zu betrachtenden Laufschaufelspitzenspalts.
  • Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Ansprüchen 3 bis 12 angegeben.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. dieser Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Turbine zwischen einem Treibgasein- und -austritt.
  • Auf einer nicht näher dargestellten Turbinenwelle 1 sind Laufschaufelkränze 2 mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 3 verkeilt. Ein durch Leitschaufelkränze 4 mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 5 geführter Gasstrom 6 expandiert durch einen Gaskanal 7 und treibt dabei die Laufschaufeln 3.
  • Der Gaskanal 7 hat einen kreisringförmigen Querschnitt und ist an seinem druckseitigen Ende mit einer Heißgaskammer 8 verbunden, aus der komprimiertes und aufgeheiztes Gas in Pfeilrichtung zu einer Gasaustrittsöffnung 9 getrieben wird. Eine radial innenliegende Begrenzung des Gaskanals 7 wird von auf der Turbinenwelle 1 verkeilten Naben 10 der Laufschaufelkränze 2 und von den inneren Enden der Leitschaufeln 5 getragenen, nicht rotierenden Naben 11 der Leitschaufelkränze 4 gebildet. Fugen zwischen den Naben 10 und den Naben 11 sind durch Labyrinthdichtungen verschlossen.
  • Eine radial außenliegende Begrenzung des Gaskanals 7 hat eine trichterförmige, konische Form und wird durch Ringe 12 und 13 gebildet. Die Ringe 12 und 13 werden von trichterförmigen Leitteilen 14 und 15 getragen, wobei die Ringe 12 den freien Enden der Laufschaufeln 3 gegenüberliegen und die Ringe 13 die äußeren Enden der Leitschaufeln 5 halten und damit den von diesen gebildeten Leitschaufelkranz 4 insgesamt tragen. Spalten zwischen den Ringen 12 und 13 sind durch geeignete, nicht dargestellte Dichtringe verschlossen.
  • Die Leitteile 14 und 15 sind dickwandig, sehr steif und auf im Querschnitt vorzugsweise rechteckigen Klötzen 16 axial verschiebbar gelagert. Die Klötze 16 sind in einem Gehäuse 17 verankert und jedes der Leitteile 14 und 15 greift an seinen beiden Enden in je einen Kranz aus einer Vielzahl von Klötzen 16, so daß ein Verkanten für die Leitteile 14 und 15 ebenso ausgeschlossen ist, wie radiale Bewegungen.
  • Das Gehäuse 17 ist, bedingt durch seine Form und seine Wandstärke, ebenso steif wie die Leitteile 14 und 15 und trägt auf seiner Innenseite außer den Klötzen 16 je Leitteil 14 bzw. 15 eine starre Rippe 18. Diese starre Rippe 18 ist jeweils axial zwischen den Kränzen von Klötzen 16 vorgesehen, die demselben Leitteil 14 bzw. 15 zugeordnet sind. Die starre Rippe 18 ist insbesondere auch in axialer Richtung praktisch nicht verformbar.
  • Jedes der Leitteile 14 und 15 trägt eine radial nach außen vorstehende, vergleichsweise dünnwandige Anschlagrippe 19, die sich auf der der Heißgaskammer 8 zugekehrten Seite der zugehörigen starren Rippe 18 mit einem von ihrem freien Ende getragenen Wulst 20 abstützt. Am Fuß der Anschlagrippe 19 ist eine Verstärkung 21 angeordnet, die zwar ebenfalls der starren Rippe 18 zugekehrt ist, aber in axialer Richtung kürzer als der Wulst 20 ist.
  • Die Leitteile 14 und 15 sind in ihrem der Gasaustrittsöffnung 9 zugekehrten Bereich radial nach außen durch eine im Querschnitt vorzugsweise trapezförmige Versteifungsrippe 22 umfasst, die eine radial ausgerichtete, der zugeordneten starren Rippe 18 gegenüberliegende Anschlagfläche 23 aufweist. Zwischen den starren Rippen 18 und der ihr jeweils gegenüberliegenden Anschlagsfläche 23 sind gleichmäßig auf den Umfang des zugehörigen Leitteils 14 oder 15 verteilt eine Vielzahl von hydraulischen Pressen angeordnet. Kolben 24 dieser Pressen stützen sich unmittelbar an der starren Rippe 18 ab und zugehörige Zylinder 25 der Pressen liegen auf der Anschlagsfläche 23 der Versteifungsrippe 22. Ein Ringraum zwischen dem Gehäuse 17 und den Leitteilen 14 und 15 ist durch membranartige Zwischenwände 26 in Kammern unterteilt.
  • Alle demselben Leitteil 14 bzw. 15 zugeordneten Pressen bilden zusammen jeweils einen Linearmotor, der das von ihm beaufschlagte Leitteil 14 oder 15 gegenüber dem Gehäuse 17 axial in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung 9 verschiebt. Bei dieser Verschiebung liegt die Anschlagrippe 19 mit ihrem Wulst 20 an der starren Rippe 18 und wird elastisch verformt. Die von den trichterförmigen Leitteilen 14 und 15 getragenen Ringe 12 liegen angenähert auf einem Kegelmantel und verändern bei axialer Verschiebung die Weite des Laufschaufelspitzenspaltes. Um ein Anstreifen eines Ringes 12 an den Spitzen der Laufschaufeln 3 auszuschließen, ist der axial mögliche Weg der Leitteile 14 bzw. 15 begrenzt. Als Endanschlag dient zu diesem Zweck die Verstärkung 21 als Anschlag an der starren Rippe 18.
  • Beim Anfahren der Gasturbine herrscht, ebenso wie bei jeder Laständerung an praktisch allen mit Bezugszeichen versehenen Teilen ein thermisch instabiler Zustand. Dabei sind die Änderungsgeschwindigkeiten an den einzelnen Teilen sehr unterschiedlich, so daß dementsprechend unterschiedliche Wärmedehnungen und -schrumpfungen an diesen Teilen auftreten. Diese unterschiedlichen Temperaturänderungen führen demzufolge zu Relativbewegungen der Teile gegeneinander, wobei insbesondere Veränderungen der Weite des Spaltes zwischen den Ringen 12 und den diesen gegenüberliegenden Spitzen der Laufschaufeln 3 einen nicht unwesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Turbine haben.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht nun eine gezielte, aktive Einstellung gerade der Weite dieses Spaltes. Zu diesem Zweck wird diese Weite durch nicht dargestellte Sensoren gemessen. Bei erwünschter Verkleinerung der Spaltweite wird dann durch den von den Pressen dargestellten Motor das betreffende Leitteil 14 und/oder 15 in Richtung der Gasaustrittsöffnung 9 verschoben. Dabei wird die Anschlagrippe 19 federnd verspannt, so daß sie bei einer in der Gegenrichtung erforderlichen Bewegung das sie tragende Leitteil 14 oder 15 in Richtung auf die Heißgaskammer 8 zurückschiebt. Zur Erfüllung dieser Aufgabe erreichen die jeweils demselben Leitteil 14 oder 15 zugeordneten Pressen zusammen eine Axialkraft, die etwas dem 10-fachen einer betriebsbedingt von dem Gasstrom 6 auf das betreffende Leitteil 14 oder 15 ausgeübten Axialkraft entspricht. Dabei wirken beide Axialkräfte in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung 9 und addieren sich.
  • Die bei ihrer Verformung von der Anschlagrippe 19 aufgenommene Verformungsenergie wird bei der Verstellung eines Leitteils 14 oder 15 in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung 9 gespeichert und dient bei einer entgegengesetzten Bewegung zur Erzeugung einer Rückstellkraft. Diese Rückstellkraft ist in jeder Stellung des zugehörigen Leitteils 14 oder 15 größer, als die betriebsbedingt vom Gasstrom 6 auf dieses ausgeübte Axialkraft. Vorzugsweise ist die Rückstellkraft etwa 2 bis 3 mal so groß, wie die betriebsbedingte Axialkraft. Dadurch ist jedes der Leitteile 14 und 15 in jeder Stellung spielfrei an der starren Rippe 18 festgespannt.

Claims (12)

  1. Gasturbine mit einem Leit- (4) und mit einem Laufschaufelkranz (2) in einem Gaskanal (7) und mit einem Gehäuse (17) sowie darin befindlichen gegen Rotation gesicherten, axial gegeneinander verschiebbaren, trichterförmigen Leitteilen (14/15), wobei mindestens eines der trichterförmigen Leitteile (14/15) durch einen Motor gesteuert axial verschiebbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Leitteile (14/15) als Träger von einen äußeren Mantel des Gaskanals (7) bildenden Ringen (12/13) ausgebildet sind.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, daß als Motor mehrere auf den Umfang des Leitteiles (14/15) verteilte hydraulische oder pneumatische Pressen dienen.
  3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2
    dadurch gekennzeichnet, daß sich Kolben (24) der Pressen mit ihrem freien Ende an einer gehäusefesten, starren Rippe (18) abstützen.
  4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kolben (24) der Pressen gleitende Zylinder (25) von dem Leitteil (14/15) getragen sind.
  5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekenzeichnet, daß das Leitteil (14/15) außer den Gaskanal (7) begrenzenden Ringen (12/13) mindestens einen Leitschaufelkranz (4) trägt.
  6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5
    dadurch gekennzeichnet, daß sich eine flanschartig vom Leitteil (14/15) radial nach außen vorstehende Anschlagrippe (19) mit ihrem freien Ende an der steifen gehäusefesten Rippe (18) abstützt und durch die Pressen elastisch verformbar ist.
  7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6
    dadurch gekennzeichnet, daß eine von den denselben Leitteil (14/15) beaufschlagenden Pressen gemeinsam erzeugbare Kraft mindestens um den Faktor 10 größer ist, als eine betriebsbedingt auf die Anschlagrippe (19) wirkende Axialkraft.
  8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückstellkraft der elastisch verformten Anschlagrippe (19) größer ist, als die betriebsbedingt auf die Anschlagrippe (19) wirkende Axialkraft.
  9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft durch Verschieben des trichterförmigen Leitteils (14/15) einen Laufschaufelspitzenspalt vergrößert.
  10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9
    dadurch gekennzeichnet, daß die flanschartige, elastisch verformbare Anschlagrippe (19) an ihrer Wurzel einen Endanschlag (Verstärkung 21) aufweist, der die elastische Verformung begrenzt.
  11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10
    dadurch gekennzeichnet, daß das Leitteil (14/15) sowohl axial vor, als auch axial hinter der Anschlagrippe (19) und der gehäusefesten Rippe (18) durch mehrere, über den Umfang des Leitteils (14) verteilte Axialführungen (Klotz 16) gegen Verkanten gesichert ist.
  12. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11
    dadurch gekennzeichnet, daß die Axialführungen (Klotz 16) vom Gehäuse (17) getragen sind.
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