CN100400795C - 涡轮叶片和具有这种涡轮叶片的燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片(63、65),它包括一个沿叶片轴线(73、75)设置的叶身(67、69)和一个平台区(61),后者设在叶身(67、69)的根部和有一个横向于叶片轴线(73、75)延伸的平台(71)。本发明的目的是尽可能简单地设计燃气轮机(1)流动通道(5)的边界(87)。为此建议,平台(71)通过一个贴靠在叶身(67、69)上的弹簧弹性的板件(77、79)构成。所述的板件导致一种燃气轮机(1),它包括一个沿燃气轮机(1)轴线(3)延伸、具有用于工质(M)的环形横截面的流动通道(5)和一个沿轴线(3)设在第一叶片级(7、11)后的第二叶片级(9、13),其中,一个叶片级有一定数量的环形排列的沿径向延伸到流动通道(5)内的按照上述方案设计的涡轮叶片(63、65)。

Description

涡轮叶片和具有这种涡轮叶片的燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种涡轮叶片,它包括一个沿叶片轴线设置的叶身和一个平台区。此外,本发明涉及一种具有这种涡轮叶片的燃气轮机。
背景技术
在此类燃气轮机中,在加入热燃气后流动通道内产生可处于1000℃与1400℃之间的范围内的温度。基于一定数量的这种涡轮叶片在一个叶片级内的环形排列,涡轮叶片的平台构成用于流过燃气轮机的形式上为热燃气的工作流体流动通道的一部分,热燃气以此方式通过涡轮叶片,驱动轴流式涡轮转子。流动通道通过平台构成的边界受高的热负荷,应采取措施加以限制,即从涡轮叶片设在平台后面,亦即平台下方的根部那里冷却平台。为此,根部和平台区通常有适用的通道***,用于加入冷却剂。
由DE 2 628 807A1已知一种用于前言所述类型涡轮叶片的冲击式冷却***。在DE 2 628 807A1中为了冷却平台,在平台背对热燃气的一侧前,亦即在平台后,换句话说在叶根与平台之间,设一带孔的壁件。压力较高的冷却空气通过壁件的孔冲击平台背对热燃气的一侧,由此实现有效的冲击冷却。
在EP 1 073 827B1中公开了一种在铸造的涡轮叶片平台区的结构内新的方法。平台区设计为由两个互相对置的平台壁组成的双重平台。由此可以将直接遭遇热燃气并构成流动通道边界的平台壁设计得较薄。采用这种两个平台壁的设计,导致这些平台壁的分工。构成流动通道边界的平台壁,主要负责构成用于热燃气的通道***。对置的不施加热燃气的平台壁,承担吸收由叶身引起的负荷的任务。这种分工使得构成流动通道边界的平台壁可以设计得比较薄,它保证构成热燃气通道***而不必承受大的负荷。
在设计前言所述类型的涡轮叶片时,同一个叶片级彼此相邻的涡轮叶片平台之间的或前后排列的叶片级相邻的涡轮叶片平台之间的接缝,必须采取密封措施,以防冷却剂不希望和过量地泄入施加热燃气的流动通道内。为密封所需采取的措施,可能在高热负荷的平台壁上造成在结构及冷却技术上困难的局面,并对于涡轮叶片并因而对于燃气轮机意味着潜在的高故障率。
通常这种接缝的密封通过装入特殊的密封件达到。然而它们一方面必须有足够的弹性,以便与此同时允许尤其相邻涡轮叶片及其平台的相邻部分相对运动,以及另一方面它们仍须具有密封作用。装入这种密封件导致几何形状及结构上复杂的构件。其结果是必需采取特殊的冷却措施,以充分冷却平台难以接近的边缘区。
值得追求的是一种设计尽可能简单和与此同时能有效冷却及密封的燃气轮机的流动通道边界。
发明内容
本发明的目的是提供一种带平台的涡轮叶片,它在设计简单的同时还能有利地满足在燃气轮机流动通道边界方面有关几何结构及冷却技术方面的要求。此外,相邻涡轮叶片之间接缝的密封应能特别简单和经济地实现。
上述目的首先通过这样一种涡轮叶片来实现,该涡轮叶片包括一个沿叶片轴线设置的叶身和一个平台区,后者设在叶身的根部和有一个横向于叶片轴线延伸的平台,其中,该平台至少部分由固定在一个设在叶身上的第一止挡上弹簧弹性的第一板件构成,按照本发明,该第一板件可以紧密地支靠在一个设在相邻涡轮叶片上的另一个止挡上。
本发明基于如下考虑,即,使用一个不承力的平台构成一个被施加热燃气的流动通道的边界,原则上适用于尽可能有效地冷却平台并因而冷却通道边界。此外本发明重要的认识在于,平台本身可以设计为有高的密封效果,以及平台可设计为薄壁的,使之可通过一个贴靠在叶身上的弹簧弹性的板件构成。
也就是说,平台作为一个构成施加热燃气的流动通道边界的部分,满足有关冷却和密封件方面的所有要求。通过固定在叶身上的弹簧弹性的板件,使这种平台本身有足够的弹性,从而允许相邻的叶身及其他部分同时相对运动,以及尽管如此仍具有密封作用。因此取消了采用特殊密封件的必要性。其结果是简化了流动通道边界的设计和冷却。
按本发明,所述弹簧弹性的第一板件规定作为不承力的平台壁,它至少部分构成施加热燃气的流动通道的边界。一种如在EP1 073 827 B1中采用的设在弹簧弹性的第一板件后面的承力平台壁,基本上可以取消。也就是说,平台至少部分由固定在叶身上的弹簧弹性的第一板件组成。
相邻涡轮叶片平台之间迄今需要的密封件可以取消,因为其中一个涡轮叶片弹簧弹性的第一板件紧密地贴靠在另一个相邻的涡轮叶片上。
平台弹簧弹性的第一板件并因而流动通道边界有关冷却及密封效果方面的优点保持不变。
本发明的涡轮叶片具有一些有利的进一步发展,它们详细说明了尤其平台有关上述目的的进一步发展的一些有利的可能性。
按本发明的一项特别优选的进一步发展规定,平台由固定在在叶身一侧第一止挡上弹簧弹性的第一板件构成以及由固定在叶身另一侧第二止挡上的第二板件构成。因此恰当地采用了两个板件,它们构成横向于叶片轴线在两侧延伸到叶身一侧和另一侧的平台。
恰当地,贴靠在叶身上的第二板件承担不支承叶身的第一平台壁的功能,除此之外平台有支承叶身的第二平台壁。按此设计,在由第二板件构成的不承力第一平台壁与设计成较厚的作为特殊承载结构承力的第二平台壁之间,形成一个相应的冷却腔用于加入冷却剂。
按本发明的一项进一步发展,每个止挡可以设计为槽或棱边的形状。这就有可能将板件特别可靠和在流动技术方面有利地固定在叶身的根部。
按本发明一项优选的进一步发展,业已证明恰当的是,板件,尤其第一板件,固定在相邻涡轮叶片的另一个止挡上。恰当地,所述另一个止挡可以构成支座的形状。这种支座例如可以通过成形在叶根与叶身根部之间的一个台阶构成。第一涡轮叶片的第一板件紧密地倒扣在与之相邻的涡轮叶片的支座上。第二板件可以有利地倒扣在设在同一个涡轮叶片上的支座上,或,附加地或与之不同,安装在台阶上。
恰当地,弹簧弹性的第一板件在静止状态松弛地贴靠在相邻涡轮叶片的另一个止挡上。在这种情况下,在燃气轮机运行状态基于涡轮叶片的运动或流动技术方面的连接,板件得到一种下面还要说明的足够的固定。
为了能进一步改善弹簧弹性的第一板件在所述另一个止挡上的密封效果,弹簧弹性的第一板件在自身产生的预紧力作用下贴靠在另一个止挡上。
按照一扩展设计,所述平台区有一个作为承载结构的叶根。
此外,本发明还提供一种燃气轮机,它包括一个沿轴线延伸具有用于工质的环形横截面的流动通道、一个沿轴线设在第一叶片级后的第二叶片级,其中,一个叶片级有一定数量的呈环形排列的沿径向延伸到所述流动通道内的如上所述的按照本发明的涡轮叶片。
按照本发明的燃气轮机还具有一些有利的进一步发展,它们详细说明了尤其流动通道边界和涡轮叶片与流动通道边界有关的工作方式方面为达到上述目的的一些有利的可能性。
按第一项进一步发展,涡轮叶片是工作叶片。这种工作叶片固定在一个轴向延伸的涡轮转子上,当燃气轮机运行时随涡轮转子一起旋转。当形式上为在涡轮转子上的工作叶片的涡轮叶片旋转运行时,产生一个通过旋转从叶身的根部沿叶身方向作用的离心力。在这方面的进一步发展规定,弹簧弹性的第一板件实现在两个相邻工作叶片的两个彼此邻接的板件之间足够的密封作用。第一工作叶片的弹簧弹性的第一板件被离心力压靠在并因而离心力固定地贴靠在第二工作叶片所述的另一个止挡上。因此,甚至在工作叶片静止状态弹簧弹性的第一板件松弛地贴靠在此另一个止挡上的情况下,仍能通过离心力保证弹簧弹性的板件在工作状态紧密地贴靠在工作叶片上。当燃气轮机工作叶片运行时,弹簧弹性的第一板件因而还有密封件的功能。在这里,弹簧弹性的第一板件在相邻工作叶片另一个止挡上形式上为支座的支承面,起第一板件密封支座的作用。流过涡轮的热燃气经由迄今由相邻工作叶片两个平台之间形成的间隙的侵入,以及冷却剂通过此间隙不希望地大量向热燃气腔内的漏泄,基于所述的有效的密封均得以避免。
按燃气轮机另一项进一步发展,涡轮叶片规定作为在周缘涡轮机匣上的导向叶片。当形式上为在涡轮机匣上的导向叶片的涡轮叶片工作时,通过冷却剂产生一个从叶身的根部沿叶身方向的压力梯度。在这方面的另一项进一步发展规定,第一导向叶片弹簧弹性的第一板件由于此压力梯度压靠在并因而压力固定在第二导向叶片所述的另一个止挡上。也就是说压力梯度是这样产生的,即,弹簧弹性的第一板件从后面加入冷却剂并由此被压靠在另一个止挡上。对于导向叶片而言,所述的压力梯度足够大,所以不仅足以将弹簧弹性的第一板件压力固定在另一个止挡上,而且除此之外在燃气轮机内的导向叶片工作时,此弹簧弹性的第一板件还有密封件的功能。弹簧弹性的第一板件的支承面在上面已说明的止挡上起足够的密封面的作用,以及此止挡起弹簧弹性的第一板件支座的作用。
燃气轮机的一项设计业已证实是有利的,即在同一个叶片级的第一涡轮叶片与相邻的第二涡轮叶片之间,由第一涡轮叶片的弹簧弹性的第一板件和第二涡轮叶片的弹簧弹性的第二板件构成连续的流动通道的边界。以此方式在一个叶片级内部有利地构成流动通道一个连续的径向边界。
燃气轮机的另一项设计业已证实是有利的,即在第一叶片级的第一涡轮叶片与第二叶片级沿转子的轴向与第一涡轮叶片相邻的第二涡轮叶片之间,由第一涡轮叶片弹簧弹性的第一板件和第二涡轮叶片的第二板件,构成连续的流动通道的边界。以此方式有利地构成流动通道一个连续的轴向边界。有利地,叶片级涉及的是导向叶片级,以及涡轮叶片涉及的是导向叶片。
也就是说,由于上面提及的连续式边界,取消了常见的燃气轮机流动通道边界中通常要密封的接缝并因而附加需要的密封件。产生的一些与密封件有关的问题,基于由弹簧弹性的第一和第二板件构成流动通道的连续式边界,因而被彻底解决。
在这里业已证实恰当的是,装在第一涡轮叶片上的弹簧弹性的第一板件和装在第二涡轮叶片上的第二板件,共同固定在第一涡轮叶片所述另一个止挡上。详情将结合附图说明。
附图说明
下面借助附图说明本发明特别优选的实施例。附图没有按尺寸比例表示实施例,确切地说,用来解释的附图表示为示意和/或略有失真的形式。有关于可由附图直接看出的教导的补充说明,可参见有关的先有技术。附图具体表示:
图1在示意的横截面图中表示燃气轮机一种特别优选的实施形式,包括一个流动通道和一种导向叶片与工作叶片组优选的设计;
图2在透视图中表示第一叶片级的第一涡轮叶片和第二叶片级沿轴向与第一涡轮叶片相邻的第二涡轮叶片的平台区一种特别优选的实施形式。
具体实施方式
图1表示一台燃气轮机1,包括一个沿轴线3延伸具有用于工质M的环形横截面的流动通道5。在流动通道5内设置一些叶片级。尤其是第二导向叶片级9沿轴线3设在第一导向叶片级7之后。此外,第二工作叶片级13设在第一工作叶片级11之后。在这里,导向叶片级7、9有一定数量环形地装在周缘涡轮机匣15上在流动通道5内沿径向延伸的导向叶片21。一个工作叶片级11、13在这里有一定数量环形地装在轴流式涡轮转子19上在流动通道5内沿径向延伸的工作叶片23。工质M的流动以热燃气的形式由燃烧室17产生。对应于流动通道5环形的横截面,一些这种燃烧室17在图1所示横截面图内没有表示的一个环腔内绕轴线3排列。
在图1中示意表示了一个导向叶片21和一个工作叶片23。导向叶片21有一个沿叶片轴线25设置的叶顶27、一个叶身29和一个平台区31。平台区31有一个横向于叶片轴线25延伸的平台33和一个叶根35。
工作叶片23有一个沿叶片轴线设置的叶顶37、一个叶身39和一个平台区41。平台区41有一个横向于叶片轴线45延伸的平台43和一个叶根47。
导向叶片21的平台33和工作叶片23的平台43,在这里分别构成流过燃气轮机1的工质M用的流动通道5边界49、51的一部分。周缘的边界49是周缘的涡轮机匣15的一部分。转子侧的边界51则是在燃气轮机1运行状态时旋转的涡轮转子19的一部分。
如在图1中示意表示和在图2中详细表示的那样,在这里导向叶片21的平台33及工作叶片23的平台43,通过固定在叶身29、39上的板件构成。
图2表示平台区61代表平台区31、41。在图2中表示的第一涡轮叶片63和第二涡轮叶片65,在这里代表性地表示第一导向叶片级7的第一导向叶片21和第二导向叶片级9沿轴向直接设在它后面的第二导向叶片21。第一涡轮叶片63和第二涡轮叶片65,也可以代表性地表示第一工作叶片级11在图1中表示的第一工作叶片23和第二工作叶片级13沿轴向直接设在它后面的第二工作叶片23。但优选地涡轮叶片63、65涉及的是导向叶片。
第一涡轮叶片63有一个截断表示的叶身69。第二涡轮叶片65有一个截断表示的叶身67。在第一涡轮叶片63和第二涡轮叶片65中,在平台区61内叶身67、69的根部,构成一个横向于叶片轴线73、75延伸的平台71。平台71一方面由一个表示在第一叶片63中的弹簧弹性的第一板件79以及另一方面由表示在第二叶片65中的第二板件77构成。弹簧弹性的第一板件79固定在叶身69一侧的第一止挡83上,在第一涡轮叶片63中表示了这一侧。弹簧弹性的第二板件77固定在叶身67另一侧的第二止挡81上,在第二涡轮叶片65中表示了这另一侧。所述的固定可例如通过熔焊或钎焊进行并在这种情况下是密封的。第一止挡83和第二止挡81分别设计为槽的形式,弹簧弹性的第一板件79和第二板件77分别将其终止在叶身69或叶身67上的棱边推入槽内。此外,弹簧弹性的第二板件77固定在第二涡轮叶片65的另一个止挡85上。按本实施形式,第二板件77靠在止挡85上。与之不同或附加地,第二板件77也可以倒扣住此另一个止挡85。后面那种情况针对第一涡轮叶片63弹簧弹性的第一板件79,它与第二板件77一起固定在第二涡轮叶片67的另一个止挡85上。为此,弹簧弹性的第一板件79松弛地倒扣住此另一个止挡85。所述另一个止挡85为了固定第二板件77和弹簧弹性的第一板件79设为支座的形状,并由此在其面朝弹簧弹性第一板件79的那一侧形成密封面,它用作弹簧弹性的第一板件79的支座。
以上述方式,在第一涡轮叶片63与第二涡轮叶片65之间,由第一涡轮叶片63弹簧弹性的第一板件79和由第二涡轮叶片65的第二板件77构成流动通道5连续的边界87。因此允许使用不承力的薄壁平台71,使形式上为第二板件77和弹簧弹性的第一板件79的边界87,同时体现了板件77、79作为密封件的作用。此类密封件同时有足够的弹性,允许相邻的第一涡轮叶片63与第二涡轮叶片65相对运动,以及尽管如此仍有足够的密封效果。从而省去了如在迄今常见的互相对置的平台中,为了密封接缝曾必要的密封件。由此避免了这种密封件有潜在危机的、结构和热力学方面不利的安装结构。
按图中所示的实施形式,平台71在其背侧89基本上没有支承结构或承力的平台壁也行。确切地说,在背侧89构成第一冷却腔93和第二冷却腔91,它们允许平台71在第二涡轮叶片65与第一涡轮叶片63之间的区域内最佳地冷却。以此方式,使得通常需设计复杂的平台边缘结构,现在可以与所述的另一个止挡85相结合,设计得比较简单和没有高温危险区。为了有助于在冷却腔91、93内冷却,涡轮叶片65、63从叶身67、69根部出发的支承结构95、97,按优化的设计延续到图1所示的叶根35、47。
取决于优选地形式上为图1所示的导向叶片21或也可能形式上为图1所示的工作叶片23的第一涡轮叶片63和第二涡轮叶片65的工作方式,产生尤其设在所述另一个止挡85上的第二板件77和弹簧弹性的第一板件79的密封作用。也就是说,当形式上为在涡轮转子19上的工作叶片23的涡轮叶片65、63旋转运行时,产生一个由于旋转从叶身67、69的根部沿叶身67、69方向99作用的离心力。由此也出现如在导向叶片21中一样的压力梯度。还可以设想弹簧弹性的第一板件79借助弹簧弹性第一板件79本身产生的预紧力,紧密地贴靠在另一个止挡85上。由此可以增强由压力梯度产生的压紧力。
当形式上为图1所示在周缘涡轮机匣15上的导向叶片21的涡轮叶片65、63工作时,从平台71的背侧89那里,通过冷却剂产生一个从叶身67、69的根部沿叶身67、69方向99的压力梯度。在图2中用一个箭头不仅表示上述工作叶片23离心力的方向99,而且表示导向叶片21压力梯度的方向99,。因此,根据作为工作叶片23或导向叶片21的涡轮叶片67、69的设计,形式上为弹簧弹性的板件77、79的平台71,被离心力或被压力梯度压靠在另一个止挡85上。以此方式使平台71的板件77、79离心力固定或压力固定,并与此同时形成其在施加热燃气的流动通道5与平台71施加冷却剂的背侧89之间的密封作用和隔离作用。
总之,为了尽可能简单地设计燃气轮机1流动通道5的边界87,对于一种涡轮叶片63、65,它包括一个沿叶片轴线73、75设置的叶身67、69和一个平台区61,后者设在叶身67、69的根部和有一横向于叶片轴线73、75延伸的平台71,建议,平台71通过一个固定在叶身67、69上的板件77、79构成。所述的板件导致一种燃气轮机1,它包括一个沿燃气轮机1轴线3延伸、具有用于工质M的环形横截面的流动通道5和一个沿轴线3设在第一叶片级7、11后的第二叶片级9、13,其中,一个叶片级7、9、11、13有一定数量环形排列在通道5内沿径向延伸的按照上述方案设计的涡轮叶片63、65。
符号表:
1     燃气轮机
3     轴线
5     流动通道
7、9  导向叶片级
11、13工作叶片级
15    涡轮机匣
17    燃烧室
19    涡轮转子
21    导向叶片
23    工作叶片
25、45叶片轴线
27、37叶顶
29、39叶身
31、41平台区
33、43平台
35、47叶根
49、51边界
61    平台区
63、65涡轮叶片
67、69叶身
71    平台
73、75叶片轴线
77、79板件
81、83止挡
85    止挡
87    边界
89    背侧
91、93冷却腔
95、97支承结构
99    方向
M     工质

Claims (16)

1.一种涡轮叶片(63、65),它包括一个沿叶片轴线(73、75)设置的叶身(67、69)和一个平台区(61),后者设在叶身(67、69)的根部和有一个横向于叶片轴线(73、75)延伸的平台(71),其中,该平台(71)至少部分由固定在一个设在叶身(67、69)上的第一止挡(83)上弹簧弹性的第一板件(79)构成,其特征为:该第一板件(79)可以紧密地支靠在一个设在相邻涡轮叶片(63,65)上的另一个止挡(85)上。
2.按照权利要求1所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述平台(71)包括固定在叶身(67)另一侧的第二止挡(81)上的第二板件(77)。
3.按照权利要求2所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述第一和第二止挡(81、83)设计为槽或棱边的形状。
4.按照权利要求1至3之一所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述另一个止挡(85)构成支座的形状。
5.按照权利要求1至3之一所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述弹簧弹性的第一板件(79)在涡轮叶片(63、65)的静止状态松弛地贴靠在另一个止挡(85)上。
6.按照权利要求1至3之一所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述弹簧弹性的第一板件(79)在自身产生的预紧力作用下贴靠在另一个止挡(85)上。
7.按照权利要求4所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述弹簧弹性的第一板件(79)在涡轮叶片(63、65)的静止状态松弛地贴靠在另一个止挡(85)上。
8.按照权利要求4所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述弹簧弹性的第一板件(79)在自身产生的预紧力作用下贴靠在另一个止挡(85)上。
9.按照权利要求1至3之一所述的涡轮叶片(63、65),其特征为,所述平台区(61)有一个作为承载结构的叶根(35、47)。
10.一种燃气轮机(1),它包括一个沿轴线(3)延伸具有用于工质(M)的环形横截面的流动通道(5)、一个沿轴线(3)设在第一叶片级(7、11)后的第二叶片级(9、13),其中,一个叶片级(7、9、11、13)有一定数量的呈环形排列的沿径向延伸到所述流动通道(5)内的按照上述任一项权利要求所述的涡轮叶片(63、65)。
11.按照权利要求10所述的燃气轮机(1),其特征为,当形式上为在一个轴流式涡轮转子(19)上的工作叶片(23)的涡轮叶片(63、65)旋转运行时,产生一个由于旋转从叶身的根部沿叶身方向(99)作用的离心力,此时,所述弹簧弹性的第一板件(79)被离心力压靠在并因而离心力固定地贴靠在所述另一个止挡(85)上。
12.按照权利要求10所述的燃气轮机(1),其特征为,当形式上为在一个周缘涡轮机匣上的导向叶片(21)的涡轮叶片(63、65)工作时,通过冷却剂产生一个从叶身的根部沿叶身方向(99)的压力梯度,此时,所述弹簧弹性的第一板件(79)由于此压力梯度压靠在并因而压力固定地贴靠在所述另一个止挡(85)上。
13.按照权利要求10至12之一所述的燃气轮机(1),其特征为,所述弹簧弹性的第一板件(79)在燃气轮机(1)内的涡轮叶片(63、65)工作时有密封件的功能。
14.按照权利要求10至12之一所述的燃气轮机(1),其特征为,在同一个叶片级(7、9、11、13)的第一涡轮叶片(63)与相邻的第二涡轮叶片(65)之间,由第一涡轮叶片(63)弹簧弹性的第一板件(79)和第二涡轮叶片(65)的第二板件(77)构成所述流动通道(5)连续的边界。
15.按照权利要求10至12之一所述的燃气轮机(1),其特征为,在第一叶片级(7、11)的第一涡轮叶片(63)与第二叶片级(9、13)沿轴向与第一涡轮叶片(63)相邻的第二涡轮叶片(65)之间,由第一涡轮叶片(63)弹簧弹性的第一板件(79)和第二涡轮叶片(65)的第二板件(77)构成所述流动通道(5)连续的边界(87)。
16.按照权利要求10至12之一所述的燃气轮机(1),其特征为,装在第一涡轮叶片(63)上的弹簧弹性的第一板件(79)和装在第二涡轮叶片(65)上的第二板件(77),共同固定在第二个涡轮叶片(65)的另一个止挡(85)上。
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