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Die Erfindung betrifft eine Axialturbine. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader mit einer solchen Axialturbine.
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Aus der Praxis bekannte Axialturbinen verfügen über ein rotorseitiges Turbinenlaufrad mit Laufschaufeln sowie über ein statorseitiges Turbinengehäuse. Ferner ist es aus der Praxis bereits bekannt, am Turbinengehäuse einen Deckring kraftschlüssig über Befestigungsschrauben zu befestigen, wobei der Deckring sich radial außen an die Laufschaufeln anschließt und zusammen mit den Laufschaufeln einen Radialspalt definiert.
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Aus der
DE 10 2009 045 167 A1 ist eine Axialturbine eines Abgasturboladers mit einem Turbinengehäuse, einem Laufschaufeln aufweisenden Turbinenlaufrad und einem am Turbinengehäuse befestigten Deckring bekannt.
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Im Betrieb unterliegen das Turbinengehäuse sowie der Deckring einer ungleichmäßige Erwärmung bzw. Aufheizung, wodurch sich der Radialspalt zwischen den Laufschaufeln und dem Deckring verändert. Ein sich verändernder Radialspalt zwischen dem Deckring und den Laufschaufeln kann zu einem Anstreifen der Laufschaufeln des Turbinenlaufrads in den Deckring führen. Dies ist von Nachteil.
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Es besteht daher Bedarf an einer Axialturbine, bei welcher der Radialspalt zwischen den Laufschaufeln und dem Deckring im Betrieb einer geringeren Veränderung unterliegt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Axialturbine und einen Abgasturbolader mit einer solchen Axialturbine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Axialturbine nach Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Axialturbine umfasst einen Zentrierring für den Deckring, wobei der Zentrierring mit dem Deckring derart kraftschlüssig verbunden ist, dass ein Kraftschluss zwischen dem Zentrierring und dem Deckring größer ist als ein Kraftschluss zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse. Der Zentrierring ragt zumindest abschnittsweise in eine Nut des Turbinengehäuses hinein, und zwar derart, dass in einem Kaltzustand der Axialturbine der Zentrierring über eine radial innere Fläche desselben an einer radial inneren Fläche der Nut des Turbinengehäuses zentriert ist, wohingegen in einem Warmzustand der Axialturbine der Zentrierring über eine radial äußere Fläche desselben an einer radial äußeren Fläche der Nut des Turbinengehäuses zentriert ist.
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Die erfindungsgemäße Axialturbine umfasst den Zentrierring, wobei Zentrierring und Deckring sowie der Deckring und Turbinengehäuse jeweils kraftschlüssig aneinander befestigt sind. Durch das Größenverhältnis des Kraftschlusses zwischen dem Zentrierring und dem Deckring sowie des Kraftschlusses zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse wird beim Aufheizen sowie Abkühlen der Axialturbine im Betrieb ein thermisch bedingtes Gleiten des Deckrings am Turbinengehäuse zugelassen, jedoch keine entsprechende Relativbewegung zwischen Deckring und Zentrierring. Die radial innere Fläche sowie die radial äußere Fläche der Nut des Turbinengehäuses, in welche der Zentrierring zumindest abschnittsweise hineinragt, begrenzen dabei eine thermisch bedingte Relativbewegung zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse und begrenzen so die Veränderung des Radialspalts zwischen den Laufschaufeln und dem Deckring. Die Gefahr des Anstreifens der Laufschaufeln des Turbinenrotors in den Deckring kann so reduziert werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind der Deckring und der Zentrierring über erste Befestigungsschrauben und der Deckring und das Turbinengehäuse über zweite Befestigungsschrauben kraftschlüssig aneinander befestigt. Das Größenverhältnis zwischen dem Kraftschluss zwischen dem Zentrierring und dem Deckring und dem Kraftschluss zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse ist vorzugsweise durch Anzahl und/oder Größe und/oder Anzugsmoment der ersten und zweiten Befestigungsschrauben bestimmt. Hiermit kann das Größenverhältnis des Kraftschlusses zwischen dem Zentrierring und dem Deckring und des Kraftschlusses zwischen dem Deckring und dem Turbinenring besonders einfach und vorteilhaft eingestellt werden, um so zwar eine thermisch bedingte Relativbewegung zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse zuzulassen, jedoch eine entsprechende Relativbewegung zwischen Deckring und Zentrierring zu vermeiden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Größenverhältnis zwischen dem Kraftschluss zwischen dem Zentrierring und dem Deckring und dem Kraftschluss zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse zusätzlich durch die Rauigkeit von Reibflächen zwischen Zentrierring und dem Deckring sowie zwischen Deckring und dem Turbinengehäuse bestimmt. Auch hiermit kann das Größenverhältnis zwischen dem Kraftschluss zwischen Turbinenring und Deckring und dem Kraftschluss zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse einfach und vorteilhaft eingestellt werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Turbinengehäuses bezogen auf die Laufschaufeln einen zuströmseitigen Gehäuseabschnitt, einen zuströmseitigen Düsenring und einen abströmseitigen Gehäuseabschnitt auf, wobei der Deckring am abströmseitigen Gehäuseabschnitt über die zweiten Befestigungsschrauben befestigt und zusätzlich der Düsenring den Deckring am Turbinengehäuse klemmt. Dann, wenn der Düsenring den Deckring am Turbinengehäuse klemmt und hierdurch ein Teil des Kraftschlusses zwischen Deckring und Turbinengehäuse bereitgestellt wird, kann die Anzahl der zweiten Befestigungsschrauben zwischen Deckring und Turbinengehäuse reduziert werden.
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Als Variante ist auch die komplette Übernahme des Kraftschlusses über den Düsenring möglich. In dieser Variante wird die Befestigungsschraube so ausgeführt, dass sie auf Grund oder auf ein Bund geschraubt wird und zwischen Schraubenkopf und der Auflage des Deckringes ein Spalt entsteht. Die Befestigungsschraube ist damit „frei“. Es sind keine weiteren Maßnahmen, wie beschrieben z.B. mit Dehnhülsen, notwendig. Die Befestigungsschrauben dienen dann nur noch als Montagesicherung, dass der Deckring mit Zentrierring bei Montage/Demontage nicht herausfällt und als Sicherung gegen Rotation.
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Der Abgasturbolader ist in Anspruch 12 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen ersten Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Axialturbine;
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2 einen zweiten Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Axialturbine;
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3 einen dritten Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Axialturbine;
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4 ein Detail der erfindungsgemäße Axialturbine in axialer Blickrichtung;
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5 den Schnitt V-V der 4; und
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6 den Schnitt VI-VI der 4.
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Die Erfindung betrifft eine Axialturbine, insbesondere eine Axialturbine für einen Abgasturbolader. 1 und bis 3 zeigen drei unterschiedliche, in Umfangsrichtung zueinander versetzte Axialschnitte durch eine Axialturbine 10, wobei von der Axialturbine 10 ein Turbinenrotor 11 mit Laufschaufeln 12 gezeigt ist. Ferner zeigen 1 bis 3 ein Turbinengehäuse 13, wobei in 1 bis 3 mehrere Abschnitte des Turbinengehäuses 13 gezeigt sind, nämlich ein bezogen auf die Laufschaufeln 12 zuströmseitiger Gehäuseabschnitt 14, ein ebenfalls zuströmseitiger Düsenring 15 sowie ein abströmseitiger Gehäuseabschnitt 16. Im in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zuströmseitige Düsenring 15 am zuströmseitigen Gehäuseabschnitt 14 über einen Klemmring 17 und Befestigungsschrauben 18 montiert, wobei eine Verdrehsicherung 19 eine Relativverdrehung zwischen dem zuströmseitigen Düsenring 15 und dem zuströmseitigen Gehäuseabschnitt 14 unterbindet.
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1 zeigt weiterhin einen statorseitigen Deckring 20. Der Deckring 20 ist am Turbinengehäuse 13, nämlich in 1 bis 3 am abströmseitigen Gehäuseabschnitt 16 des Turbinengehäuses 13, befestigt, nämlich über in 3 sichtbare Befestigungsschrauben 21. Diese Befestigungsschrauben 21 dienen der kraftschlüssigen Befestigung des Deckrings 20 am Gehäuseabschnitt 16 des Turbinengehäuses 13.
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Der Deckring 12 ist radial außen angrenzend an die Laufschaufeln 12 des Turbinenrotors 11 positioniert und begrenzt zusammen mit den Laufschaufeln 12 des Turbinenrotors 11 einen Radialspalt 22.
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Die erfindungsgemäße Axialturbine 10 verfügt über einen Zentrierring 23 für den Deckring 20, der an dem Deckring 20 kraftschlüssig montiert ist, und zwar über in 2 sichtbare Befestigungsschrauben 24. Dabei ist ein Kraftschluss zwischen dem Zentrierring 23 und dem Deckring 20 größer als ein Kraftschluss zwischen dem Deckring 20 und dem Turbinengehäuse 13, sodass eine temperaturbedingte Relativbewegung zwischen dem Deckring 20 und dem Turbinengehäuse 13 zugelassen wird, jedoch eine entsprechende, thermisch bedingte Relativbewegung zwischen dem Zentrierring 23 und dem Deckring 20 unterbunden wird.
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Der mit dem Deckring 20 verbundene Zentrierring 23 ragt in eine Nut 25 des Turbinengehäuses 13, nämlich des Gehäuseabschnitts 16 desselben, abschnittsweise hinein, und zwar derart, dass in einem Kaltzustand der Axialturbine 10 der Zentrierring 23 über eine radial innere Fläche 26 an einer radial inneren Fläche 27 der Nut 25 zentriert ist, wohingegen in einem Warmzustand der Axialturbine der Zentrierring 23 über eine radial äußere Fläche 28 an einer radial äußeren Fläche 29 der Nut 25 zentriert ist. Unter dem Kaltzustand der Axialturbine soll ein Zustand verstanden werden, in welchem die Axialturbine abgekühlt ist, wohingegen unter dem Warmzustand der Axialturbine 10 ein Zustand verstanden werden soll, in welchem dieselbe im Betrieb aufgeheizt ist.
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Die radialen Flächen 27, 29 der Nut 25 des Gehäuseabschnitts 16 des Turbinengehäuses 13 begrenzen demnach die Relativbewegung des Deckrings 20 relativ zum Turbinengehäuse 13, nämlich durch das Zusammenspiel der entsprechenden Radialflächen 26, 28 des am Deckring 20 befestigten Zentrierrings 23 mit den entsprechenden Radialflächen 27, 29 der Nut 25 des Turbinengehäuses 13.
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Wie bereits ausgeführt, sind der Deckring 20 und der Zentrierring 23 über Befestigungsschrauben 24 (siehe 2) aneinander befestigt, wobei diese Befestigungsschrauben 24 nachfolgend als erste Befestigungsschrauben bezeichnet werden. Diese ersten Befestigungsschrauben 24 erstrecken sich durch ein entsprechendes Durchgangsloch 30 im Deckring 20 hindurch und greifen in eine Gewindebohrung 31 des Zentrierrings 23 ein.
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Der Deckring 20 ist am Gehäuseabschnitt 16 des Turbinengehäuses 13 über die Befestigungsschrauben 21 (siehe 3) befestigt, wobei diese Befestigungsschrauben 21 nachfolgend als zweite Befestigungsschrauben bezeichnet werden. Diese zweiten Befestigungsschrauben 21 erstrecken sich durch Durchgangslöcher 32, 33 von Deckring 20 und Zentrierring 23 und greifen in eine Gewindebohrung 34 des Turbinengehäuses 13 ein.
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Wie bereits ausgeführt, ist der Kraftschluss zwischen dem Deckring und dem Zentrierring 23 größer als der Kraftschluss zwischen dem Deckring und dem Turbinengehäuse 13.
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Das Größenverhältnis zwischen dem Kraftschluss zwischen dem Zentrierring 23 und dem Deckring 20 und dem Kraftschluss zwischen dem Deckring 20 und dem Turbinengehäuse 13 ist insbesondere durch die Anzahl und/oder die Größe und/oder das Anzugsmoment der Befestigungsschrauben 21, 24 bestimmt.
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Im in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der ersten Befestigungsschrauben 24, die der Befestigung von Deckring 20 und Zentrierring 23 dienen, doppelt so groß wie die Anzahl der zweiten Befestigungsschrauben 21, die der Befestigung des Deckrings 20 am Gehäuseabschnitt 16 des Turbinengehäuses 13 dienen. Obwohl in 4 die Durchmesser der Befestigungsschrauben 21, 24 identisch ist, ist es auch möglich, den Durchmesser der ersten Befestigungsschrauben 24 gegenüber dem Durchmesser der zweiten Befestigungsschrauben 21 zu erhöhen.
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Bedingt dadurch, dass sich die zweiten Befestigungsschrauben 21 ins Turbinengehäuse 13 hinein erstrecken, ist die Länge der zweiten Befestigungsschrauben 21 größer als die Länge der ersten Befestigungsschrauben 24.
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Ferner ist vorzugsweise das Anzugsmoment der ersten Befestigungsschrauben 24 größer als das Anzugsmoment der zweiten Befestigungsschrauben 21, vorzugsweise um mindestens das 1,3-fache, besonders bevorzugt um mindestens das 1,5-fache, höchst bevorzugt um mindestens das 1,8-fache.
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Wie bereits ausgeführt, dienen die zweiten Befestigungsschrauben 21 der Befestigung des Deckrings 20 am Turbinengehäuse 13. Da im Betrieb der Axialturbine 10 eine thermisch bedingte Relativbewegung zwischen dem Deckring 20 und dem Turbinengehäuse 13 zugelassen wird, unterliegen die zweiten Befestigungsschrauben 21 im Betrieb einer Durchbiegung. Damit dieselben entsprechende Biegekräfte sicher aufnehmen können, verfügen die zweiten Befestigungsschrauben 21 über eine angepasste Länge, wobei in den gezeigten Ausführungsbeispielen sich die Befestigungsschrauben 21 über Dehnhülsen 35 am Deckring 20 abstützen. Diese Dehnhülsen 35 sind jedoch optionale Baugruppen. Um eine entsprechende Länge der zweiten Befestigungsschrauben 21 aufnehmen zu können, können auch die Gewindebohrungen 34 des Turbinengehäuses 13 entsprechend länger ausgeführt sein.
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Das Größenverhältnis zwischen dem Kraftschluss zwischen dem Zentrierring und dem Deckring 20 sowie dem Kraftschluss zwischen dem Deckring 20 und dem Turbinengehäuse 13 kann auch über eine Rauigkeit von Reibflächen einerseits zwischen Zentrierring 23 und Deckring 20 sowie andererseits zwischen Deckring 20 und Turbinengehäuse 13 eingestellt sein. Dabei wird vorzugsweise für die Reibflächen zwischen Deckring 20 und Zentrierring 23 eine größere Rauigkeit gewählt als für die Reibflächen zwischen Deckring 20 und Turbinengehäuse 13.
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In dem in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Düsenring 13 und dem Deckring 20 ein Axialspalt 36 ausgebildet. In diesem Fall wird der Kraftschluss zwischen Deckring 20 und Turbinengehäuse 13 ausschließlich über die ersten Befestigungsschrauben 21 eingestellt. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass der Düsenring 15 den Deckring 20 im Turbinengehäuse 13 klemmt, wobei dann kein Axialspalt 36 zwischen Deckring 20 und Düsenring 15 vorhanden ist. In diesem Fall wird ein Teil des Kraftschlusses zwischen Deckring 20 und Turbinengehäuse 13 durch die vom Düsenring 15 auf den Deckring 20 ausgeübte Klemmkraft bereitgestellt, sodass dann die Anzahl der zweiten Befestigungsschrauben 21 reduziert werden kann. Auch in diesem Fall ist der Kraftschluss zwischen Deckring 20 und Turbinengehäuse 13, der dann über die Klemmkraft des Düsenrings 15 und durch die Schraubenkräfte der zweiten Befestigungsschrauben 21 bestimmt wird, kleiner als der Kraftschluss zwischen Deckring 20 und Zentrierring 23.
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Mit der Erfindung wird die thermisch bedingte Relativbewegung zwischen Deckring 20 und Turbinengehäuse 13 begrenzt. Der Deckring 20 ist über den Zentrierring 23 am Turbinengehäuse 13 zentriert. Der Radialspalt 22 zwischen den Laufschaufeln 12 und dem Deckring 20 kann damit auch bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnung der beteiligten Baugruppen im Betrieb exakter eingestellt werden. Ein Anstreifen der Laufschaufeln 12 in den Deckring 20 kann gegenüber dem Stand der Technik verringert oder gar vollständig reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße Axialturbine ist vorzugsweise Bestandteil eines Abgasturboladers, der einen Verdichter und die Axialturbine umfasst.
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Auf Grund der Toleranz-, Ausrichtungs- und Fluchtungsfehler der verschiedenen Gehäuse und Läuferteile kann es beim Zusammenbau zu einem ungleichmäßigen Spalt zwischen Turbinenschaufel und Deckring kommen.
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Um diesen ungleichmäßigen Spalt korrigieren zu können, wird der Deckring nicht fest zentriert, sondern einstellbar und damit eben über Reibschluss montiert.
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Der Reibschluss nur zwischen Deckring und Gehäuse hat aber immer durch die Temperaturwechsel und unterschiedliche Aufheizung der Bauteile zu einseitigem Wandern der Deckringes und damit zu Spaltveränderung und Streifschäden geführt.
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Um dies zu vermeiden, wurde in Vergangenheit der Deckringspalt teilweise auch vergrößert und damit der Wirkungsgrad verschlechtert.
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Hier setzt die Erfindung an, die zum Ausgleich dieses ungleichmäßigen Spalts den Deckring und Zentrierring zweiteilig ausführt, zum Zwecke des Einstellens.
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Die Einstellbarkeit wird zwischen Deckring und Zentrierring realisiert. Der Deckring hat im Außendurchmesser genügen Luft zum Gehäuse.
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Vorteile durch diese Erfindung sind eben die Reduzierung der Streifschäden (Laufschaufeln und Deckring) bzw. die Möglichkeit der Reduzierung des Spaltes und damit ein Wirkungsgradgewinn.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Axialturbine
- 11
- Turbinenrotor
- 12
- Laufschaufel
- 13
- Turbinengehäuse
- 14
- Gehäuseabschnitt
- 15
- Düsenring
- 16
- Gehäuseabschnitt
- 17
- Klemmring
- 18
- Befestigungsschraube
- 19
- Verdrehsicherung
- 20
- Deckring
- 21
- Befestigungsschraube
- 22
- Radialspalt
- 23
- Zentriering
- 24
- Befestigungsschraube
- 25
- Nut
- 26
- Fläche
- 27
- Fläche
- 28
- Fläche
- 29
- Fläche
- 30
- Durchgangsloch
- 31
- Gewindebohrung
- 32
- Durchgangsloch
- 33
- Durchgangsloch
- 34
- Gewindebohrung
- 35
- Dehnhülse
- 36
- Axialspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045167 A1 [0003]
