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Die
Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Verdichter, der ein
Verdichterrad aufweist, mit einer Turbine, die ein Turbinenrad aufweist,
mit einer Turbinenwelle, die das Verdichterrad mit dem Turbinenrad
drehfest verbindet, mit einer Brennkammer, die die Turbinenwelle
zumindest teilweise axial umgibt, und mit einem Brennstoffversorgungssystem, bei
dem die Turbinenwelle Kraftstoff in die Brennkammer fördert.
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Eine
derartige Gasturbine ist aus dem Fachbuch Kamps, Thomas: Modell
Strahltriebwerke, 5. Auflage, Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden
2001, Seiten 21, 22 bekannt. Dort ist unter der Überschrift Drohnenantriebe
und APUs das Einmaltriebwerk Williams WR 2 von der Williams Research
Corp., Walled Lake, USA beschrieben, das in der Aufklärungsdrohne
Canadair CI 89 verwendet wurde. Die Einspritzung des Kraftstoffes
in die Brennkammer erfolgt dort durch feine Öffnungen in der rotierenden
Triebwerkswelle, die wie eine Kreiselpumpe wirken soll. Bei dem
beschriebenen Triebwerk handelt es sich jedoch um ein typisches
Einmaltriebwerk, das nicht nur Daueranwendungen geeignet ist. Darüber hinaus
ist nicht erläutert,
wie im Detail die erforderlichen hohen Förderleistungen des Kraftstoffes und
die Aufbereitung des Kraftstoffes zum Brennstoff durch Vergasung
realisiert werden sollen.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe, ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik die
Verbrennung des Kraftstoffes in der Gasturbine zu verbessern, damit
den Wirkungsgrad der Gasturbine zu erhöhen und die Gestehungs- und
Betriebskosten der Gasturbine insgesamt zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass bei einer derartigen Gasturbine das Brennstoffversorgungssystem
einen Wellentunnel aufweist, in dem die Turbinenwelle drehbar gelagert
ist, dass die Kraftstoffzufuhr zumindest teilweise durch den Wellentunnel
erfolgt, dass in dem Wellentunnel eine Vergasung des Kraftstoffes
zum Brennstoff durch einen Vorverdampfer erfolgt und dass der Wellentunnel
an seinem Außenumfang
Brennstoffaustrittsöffnungen
aufweist.
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Durch
den erfindungsgemäß vorgesehenen Wellentunnel
kann im Zusammenwirken mit der Turbinenwelle ein Brennstoffversorgungssystem
geschaffen werden, in dem einerseits die Bedingungen zur Kraftstoffförderung
in weiten Grenzen konstruktiv bestimmbar sind. Andererseits kann
durch die Auslegung der Funktionsteile Turbinenwelle und Wellentunnel
eine Vergasung des Kraftstoffes bereits im Wellentunnel zum Brennstoff
erfolgen. Der so erzeugte Brennstoff wird durch Brennstoffaustrittsöffnungen
am Außenumfang
des Wellentunnels in die Brennkammer gefördert, die die Turbinenwelle
und damit auch den Wellentunnel zumindest teilweise axial umgibt.
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Mit
dieser erfindungsgemäßen Konstruktion der
Gasturbine ist es möglich,
sowohl den Kraftstoffverbrauch der Gasturbine als auch die Abgastemperaturen
der Gasturbine in allen Betriebszuständen signifikant zu senken.
Beide Parameter sind ein deutlicher Hinweis darauf, dass der Gesamtwirkungsgrad der
Gasturbine gegenüber
dem Vorbekannten deutlich erhöht
ist. Dies führt
zu deutlich verringerten Betriebskosten der Gasturbine im laufenden
Betrieb.
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Diese
Vorteile werden auch mit niedrigen Gestehungskosten erzielt, denn
die beanspruchte Art der Kraftstoff- und Brennstoffversorgung erfordert wenig
zusätzliche
Konstruktionsmerkmale. Der beanspruchte Wellentunnel ist bei anderen
Turbinenkonstruktionen als die im Stand der Technik genannte häufig bereits
vorhanden. Er dient unter anderem der Schmierung der Turbinenwellenlager.
Bei der vorliegenden Erfindung dient der Wellentunnel darüber hinaus
der Kraftstoffförderung
und der Brennstoffaufbereitung.
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Durch
die beanspruchte erfindungsgemäße Form
der Kraftstoffförderung
und Brennstoffaufbereitung erübrigen
sich andere konstruktiv sehr aufwändige im Stand der Technik
bekannte Verfahren, die insbesondere durch die notwendige Kraftstoffverdampfung
konstruktiv aufwändig
und im Betrieb kritisch sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn
derartige Gasturbinen in sehr kleinen Bauformen für die Anwendung
in Flugmodellen vorgesehen sind, bei denen die Außendurchmesser
der Gasturbinen teilweise deutlich unter 100 mm liegen und die Durchmesser
der Turbinenräder
in der Größenordnung
von 30 oder 40 mm liegen.
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Insgesamt
wird mit der erfindungsgemäß beanspruchten
Form der Kraftstoffversorgung und Brennstofferzeugung eine Gasturbine
geschaffen, die gegenüber
dem Vorbekannten durch die Verbesserung der Kraftstoffverbrennung
einen deutlich höheren
technischen Wirkungsgrad erzielt, wobei die Gestehungs- und Betriebskosten
der Gasturbine gegenüber
dem Vorbekannten deutlich verringert sind.
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Durch
die Merkmale der Unteransprüche wird
insbesondere der Aufbau der Gasturbine gegenüber dem Vorbekannten deutlich
vereinfacht. Darüber
hinaus wird die Funktionssicherheit der Gasturbine deutlich erhöht. Die
im einzelnen sich ergebenden vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung gemäß den Unteransprüchen werden im
folgenden erläutert.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die Brennstoffaustrittsöffnungen
des Wellentunnels der Brennkammer radial gegenüber liegen, weil so eine direkte Brennstoffzufuhr
ohne Umwege in die Brennkammer, in der die Verbrennung stattfindet,
möglich
ist. Die Kraftstoffzufuhr kann vorteilhaft durch den verdichterseitigen
Teil des Wellentunnels erfolgen, weil dies die "kalte" Seite des Wellentunnels ist. Alternativ
ist eine Kraftstoffzufuhr durch den turbinenseitigen Teil des Wellentunnels
möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist der Vorverdampfer direkt durch die Turbinenwelle
mechanisch angetrieben, so dass keine Fremdenergie zur Kraftstoffzuführung und
-aufbereitung notwendig ist. Dabei kann der Läufer des Vorverdampfers Teil
der Turbinenwelle sein. Dieser Läufer
kann insbesondere als mehrflügeliges
Flügelrad
ausgebildet sein.
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In
diesem Zusammenhang ist der Stator des Vorverdampfers besonders
vorteilhaft ein Teil des Wellentunnels. Um diesen Stator auszubilden,
wird der Wellentunnel beispielsweise mehrteilig ausgebildet, wobei
der verdichterseitige Teil des Wellentunnels die Vorverdampferkammer
trägt und
der turbinenseitige Teil des Wellentunnels die Vorverdampferkammer
abschließt.
Die Trennebene des Wellentunnels liegt damit also im Bereich der
Vorverdampferkammer, was auch eine einfache Montage der Baugruppe
bestehend aus Turbinenwelle und Wellentunnel mit den entsprechenden
Funktionsteilen des Vorverdampfers ermöglicht.
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Um
die erforderlichen hohen Förderleistungen
des Vorverdampfers zu gewährleisten,
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vorverdampfer mehrstufig
ausgebildet ist, wobei die Vorstufe des Vorverdampfers insbesondere
zum Pumpen des flüssigen Kraftstoffes
ein Schraubenverdichter ist. Dabei kann der Läufer des Schraubenverdichters
zur Erhöhung der
Förderleistung
ein mehrgängiges
Schraubengewinde sein. Um bereits in diesem Schraubenverdichter
eine Vergasung des Kraftstoffes vorzubereiten, kann sich das Schraubengewinde
in Richtung auf das Flügelrad
konisch erweitern.
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Demselben
Zweck dient eine trichterförmige Erweiterung
im Übergangsbereich
zwischen der genannten Vorstufe und der Hauptstufe, die – wie vorher
beschrieben – insbesondere
als Flügelrad
ausgebildet ist. Das Flügelrad
der Hauptstufe fördert
dann bereits den vergasten Kraftstoff, der durch die Vergasung bereits
beim Durchtritt durch die Brennstoffaustrittsöffnungen als Brennstoff zünd- und
brennfähig ist.
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Um
ein Entweichen des Kraftstoffes aus dem Pumpenraum zwischen Turbinenwelle
und Wellentunnel zu vermeiden, weist der Wellentunnel besonders
vorteilhaft vor und/oder hinter der Kraftstoffpumpe Dichtungen auf,
die insbesondere Sperrluftdichtungen sein können. Diese Sperrluftdichtungen
sind bei den extrem hohen Drehzahlen des Turbinenrades besonders
vorteilhaft, weil keine mechanische Dichtung zwischen einem Läufer und
einem Stator erforderlich ist. Insbesondere bei den Modellgasturbinen werden
Wellendrehzahlen von über
100.000 Umdrehungen erreicht. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin
besonders vorteilhaft, zwischen dem verdichterseitigen Teil der
Brennkammer und dem turbinenseitigen Teil der Brennkammer einen
Belüftungskanal
vorzusehen. Dieser Belüftungskanal
gewährleistet
die notwendigen, nahezu identischen Überdruckverhältnisse
in beiden Sperrluftdichtungen auf beiden Seiten der Kraftstoffpumpe.
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Diese
Druckverhältnisse
ermöglichen
auch die Zufuhr von Warmluft aus der Brennkammer vom Verdichter
durch die Sperrluftdichtungen und den Wellentunnel in den Vorverdampfer,
wodurch die Vorverdampfung zusätzlich
gefördert
wird. Alternativ ist auch eine separate Warmluftzufuhr in den Vorverdampfer
in den Wellentunnel oder direkt in die Vorverdampferkammer direkt
ohne Einbeziehung der Dichtungen möglich.
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Zur
Kraftstoffvorwärmung
kann in einer Kraftstoffzuleitung eine Kraftstoffzuleitungsschleife
vorgesehen sein, die durch die Brennkammer geführt ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer Gasturbine entsprechend der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 einen
Teilschnitt durch eine Gasturbine mit Darstellung aller wesentlichen
Funktionsteile für
die Kraftstoffversorgung und Brennstoffaufbereitung,
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2 einen
ersten Teil einer Turbinenwelle der Gasturbine gemäß 1,
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3 eine
Draufsicht auf das als Flügelrad ausgebildete
Läuferteil
des Vorverdampfers als Teil der Turbinenwelle gemäß 2,
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4 den
zweiten Teil der mehrteiligen Turbinenwelle,
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5 eine
Draufsicht auf den verdichterseitigen Teil des Wellentunnels der
Gasturbine gemäß 1,
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6 einen
Schnitt durch den verdichterseitigen Teil des Wellentunnels gemäß 5 und
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7 einen
Schnitt durch den turbinenseitigen Teil des Wellentunnels.
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In
der 1 weist die Gasturbine (1) einen Verdichter
(2) auf, dessen Verdichterrad (3) die angesaugte
Verbrennungsluft beschleunigt und verdichtet. Weiterhin weist die
Gasturbine (1) eine Turbine (4) auf, deren Turbinenrad
(5) durch die Verbrennungsgase der Gasturbine angetrieben
wird. Das Verdichterrad (3) und das Turbinenrad (5)
sind durch eine Turbinenwelle (6) drehfest miteinander
verbunden. Die Turbinenwelle (6) ist zumindest teilweise durch
eine Brennkammer (7) axial umgeben, wobei die Turbinenwelle
(6) in einem Wellentunnel (9) drehbar gelagert
ist.
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Eine
derartige Gasturbine ist in dem in der Beschreibungseinleitung angezogenen
Fachbuch auf der Seite 74 in einem Teilschnitt dargestellt. Nähere Beschreibungen
der einzelnen nicht das Brennstoffversorgungssystem betreffenden
Funktionsteile sind der entsprechenden Zeichnungsbeschreibung zu
entnehmen.
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Ein
Brennstoffversorgungssystem (8) der Gasturbine (1)
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun im wesentlichen aus dem Wellentunnel (9) und
der Turbinenwelle (6) gebildet. Dazu weist der Wellentunnel
(9) im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs Brennstoffaustrittsöffnungen
(10) auf, die als Bohrungen vergleichsweise großen Durchmessers
ausgebildet sind. Durch diese Brennstoffaustrittsöffnungen
wird nicht Kraftstoff in flüssiger
Form in die Brennkammer (7) eingespritzt sondern Brennstoff in
gasförmiger
Form.
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Im
Inneren des Wellentunnels (9) wird durch besondere Konstruktion
der Turbinenwelle (6) und des Wellentunnels (9)
ein Vorverdampfer (12) gebildet, dessen Vorverdampferkammer
(15) Teil des Wellentunnels (9) ist. Um eine einfache
Montage der Turbinenwelle (6) in dem Wellentunnel (9)
zu ermöglichen,
ist der Wellentunnel zweiteilig ausgebildet und weist demzufolge
einen verdichterseitigen Teil (11) des Wellentunnels (9)
und einen turbinenseitigen Teil (16) des Wellentunnels
(9) auf. Die Trennlinie zwischen den beiden Teilen (11, 16)
des Wellentunnels (9) verläuft im Bereich der Vorverdampferkammer (15).
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Der
Vorverdampfer (12) ist mehrstufig ausgebildet, wobei der
Läufer
(13) der Hauptstufe des Vorverdampfers als Flügelrad (13)
mit drei Flügeln ausgebildet
ist. Dieses Flügelrad
(13) dreht sich in dem Stator (14) des Vorverdampfers
(12), der als Teil des Wellentunnels (9) ausgebildet
ist.
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Die
Vorstufe (17) des Vorverdampfers ist ein Schraubenverdichter,
dessen Läufer
(18) als mehrgängiges,
in diesem Ausführungsbeispiel
als neungängiges
Schraubengewinde ausgebildet ist. Im Übergangsbereich zwischen der
Vorstufe (17) des Vorverdampfers (12) und der
Hauptstufe (13) des Vorverdampfers (12) ist eine
trichterförmige
Erweiterung (19) vorgesehen. Die Zufuhr des Kraftstoffes
zu dem Vorverdampfer (12) von außerhalb der Gasturbine (1)
erfolgt durch eine Kraftstoffzuleitung (24), die eine Kraftstoffzuleitungsschleife
(20) zur Vorwärmung
des Kraftstoffes aufweist. Diese Kraftstoffvorwärmung dient der Vorbereitung
der Vergasung des Kraftstoffes bereits in dem Vorverdampfer (12),
um den Kraftstoff als vergasten Brennstoff durch die Brennstoffaustrittsöffnungen
(10) in die Brennkammer (7) zu fördern.
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Das
heißt,
bei der Zufuhr des Kraftstoffes zum Vorverdampfer (12)
ist der Kraftstoff, der Kerosin, Diesel oder auch Salatöl sein kann,
noch flüssig. Jedoch
bereits mit der Verdichtung in der Vorstufe (17) des Vorverdampfers
(12) und spätestens
mit dem Übergang
von der Vorstufe (17) in die Hauptstufe (13) wird
der Kraftstoff vergast, so dass das Flügelrad (13) ein gasförmiges Medium
als Brennstoff durch die Brennstoffaustrittsöffnungen (10) in die Brennkammer
(7) fördert.
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Um
ein Entweichen des Kraftstoffes aus der Vorverdampferkammer (15)
durch den Spalt zwischen der Turbinenwelle (6) und dem
Wellentunnel (9) zu verhindern, ist eine vordere Sperrluftdichtung (22)
und eine hintere Sperrluftdichtung (23) vorgesehen, die
durch Überdruck
den Kraftstoff in der Pumpenkammer (15) hält. Um hier
ausgeglichene Druckverhältnisse
im Bereich der Sperrluftdichtungen (22, 23) zu
gewährleisten,
ist zwischen dem verdichterseitigen Teil der Brennkammer (7)
und dem turbinenseitigen Teil der Brennkammer (7) ein Belüftungskanal
(21) vorgesehen. Über
die Sperrluftdichtungen (22, 23) und den Wellentunnel
(9) wird auch Warmluft aus der Brennkammer (7)
oder vom Verdichter (2) in den Vorverdampfer (12)
geführt.
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Mit
den beschriebenen Maßnahmen
wird eine Gasturbine (1) geschaffen, bei der die Kraftstoffversorgung
zentral im Bereich der Turbinenwelle (6) und des Wellentunnels
(9) und zugleich die Kraftstoffaufbereitung durch Vergasung
zu einem Brennstoff erfolgt. Diese Form der Kraftstoffversorgung
ist sehr kompakt und effektiv, so dass sich die einleitend beschriebene
Wirkungsgraderhöhung
ergibt.
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In
der 2 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile
mit denselben Bezugszeichen wie in der 1 gekennzeichnet.
In der 2 ist der verdichterseitige Teil der Turbinenwelle
(6) mit den Funktionsteilen Flügelrad (13) und Läufer (18)
des Schraubenverdichters (17) ausgebildet als neungängiges Schraubengewinde
dargestellt, wobei das Schraubengewinde in Richtung auf die Hauptstufe des
Vorverdampfers sich konisch erweiternd ausgebildet ist. Dieser verdichterseitige
Teil der Turbinenwelle (6) wird mittels eines Gewindeanschlusses
(25) mit dem turbinenseitigen Teil der Turbinenwelle (6) verbunden.
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In
der 3 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile
wie in den 1 und 2 mit denselben
Bezugszeichen versehen. Die Darstellung der Stirnseite des verdichterseitigen
Teils der Turbinenwelle (6) zeigt das Flügelrad (13)
mit den drei Flügeln
(26) des Flügelrades
der Haupstufe des Vorverdampfers (12).
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In
der 4 ist der turbinenseitige Teil der Turbinenwelle
(6) mit dem Gewindeanschluss (25) zur Verbindung
mit dem verdichterseitigen Teil der Turbinenwelle (6) gemäß 2 dargestellt.
Im montierten Zustand verbindet die Turbinenwelle (6) das Turbinenrad
(5) mit dem Verdichterrad (3) in 1.
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In
der 5 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile
wie in der 1 mit den identischen Bezugszeichen
dargestellt. Die 5 zeigt die Stirnseite des verdichterseitigen
Teils (11) des Wellentunnels (9) mit Fortsätzen, die
die Brennstoffaustrittsöffnungen
(10) tragen. Insgesamt sind sechs Brennstoffaustrittsöffnungen
(10) vorgesehen, die der Brennkammer (7), die
den Wellentunnel (9) axial umgibt, direkt radial gegenüber liegen.
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6 zeigt
einen Schnitt durch den verdichterseitigen Teil (11) des
Wellentunnels (9) gemäß Schnittlinie
A-A in 5. In diesem Schnitt durch den verdichterseitigen
Teil (11) des Wellentunnels (9) wird die Kontur
des Stators (14) des Vorverdampfers (12) deutlich,
der die Vorverdampferkammer (15) bildet. Darüber hinaus
ist der Anschluss für
die Kraftstoffzuleitung (24) erkennbar. Zudem ist eine
Brennstoffaustrittsöffnung
(10) im Schnitt zu erkennen. Darüber hinaus weist der verdichterseitige
Teil (11) des Wellentunnels (9) einen weiteren
Gewindeanschluss (27) zur Verbindung mit dem turbinenseitigen
Teil (16) des Wellentunnels (9) gemäß 7 auf.
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In
der 7 wird in der Schnittdarstellung die Hohlbohrung
des turbinenseitigen Teils (16) des Wellentunnels (9)
deutlich, die jedoch für
die Funktion der Funktionsteile Turbinenwelle (6) und Wellentunnel
(9) als Vorverdampfer (12) nicht mehr relevant ist.
Die Vorverdampferkammer (15) ist durch den stirnseitigen
Teil des turbinenseitigen Teils (16) des Wellentunnels
(9) mittels des Gewindeanschlusses (27) verbunden
mit dem verdichterseitigen Teil (11) des Wellentunnels
(9) abgeschlossen.