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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil zum Anordnen im Gaskanal einer Strömungsmaschine.
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Stand der Technik
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Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Das vom Heißgas durchströmte Volumen, also der Pfad von einschließlich der Brennkammer über die Turbine bis zur Düse wird als „Heißgaskanal“ bezeichnet. Vom Einlauf im Verdichter bis zur Brennkammer erstreckt sich der „Verdichtergaskanal“ .
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Der vorliegende Gegenstand richtet sich auf ein Bauteil zum Anordnen im „Gaskanal“ der Strömungsmaschine, dieses kann sowohl für den Verdichter- als auch für den Heißgaskanal vorgesehen sein.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Bauteil für eine Strömungsmaschine anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst. Dessen gaskanalzugewandte Oberfläche ist zumindest bereichsweise strukturiert, nämlich mit Erhebungen und/oder Vertiefungen vorgesehen. Diese Strukturen sind dabei flach ausgeführt, eine jeweilige Struktur hat nämlich relativ zu ihrer mittleren Weite D eine dazu senkrechte Erstreckung T, die höchstens das 0,1-Fache der mittleren Weite D ausmacht (T ≤ 0,1·D). Die mittlere Weite D wird dabei im Bereich der entsprechenden Struktur in einer in die Oberfläche gelegten Ebene genommen, und die senkrechte Erstreckung T senkrecht zu dieser Ebene, also im Falle einer Erhebung als die Höhe und im Falle einer Vertiefung als die Tiefe der Struktur.
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Generell kann mit den Strukturen bspw. einer Strömungsablösung vorgebeugt und kann z. B. eine Verlustreduzierung erreicht werden. Bei der Anwendung im Verdichtergaskanal kann die verringerte Strömungsablösung bspw. die Stabilität des Verdichters erhöhen (Verdichterpumpen), weil z. B. die Verdichterschaufeln (Leit- und Laufschaufeln) entgegen eines steigenden Druckgradienten arbeiten. Die vergleichsweise flache Ausgestaltung der Strukturen kann bspw. strukturmechanisch von Vorteil sein und z. B. auch noch relativ dünne Schaufelblätter ermöglichen (aerodynamisch bzw. wegen geringerer Fliehkräfte von Vorteil). Ferner können sich flache Vertiefungen bspw. auch leichter nachträglich einbringen lassen, z. B. in einem Laserabtragverfahren. In allgemeinen Worten können flache Strukturen speziell mit Blick auf eine Massenherstellung leichter fertigbar und in Kostenhinsicht vorteilhaft sein. Ferner sind, egal ob Erhebung oder Vertiefung, flache Strukturen bspw. auch robuster, also weniger verschleißträchtig (und damit in ihren aerodynamischen Eigenschaften konstanter über die Betriebsdauer).
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Die mittlere Weite D der jeweiligen Struktur (Erhebung oder Vertiefung) ergibt sich als arithmetischer Mittelwert aus ihrer kleinsten und größten Erstreckung in der in die Oberfläche gelegten Ebene, also bspw. im Falle einer Ellipse als Mittelwert aus Haupt- und Nebenachse oder im Falle eines Kreises als Kreisdurchmesser.
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Bei dem Bauteil kann es sich in allgemeinen Worten um eine beliebige Komponente handeln, die solchermaßen in der Strömungsmaschine angeordnet ist bzw. wird, dass in deren Betrieb das Verdichter- oder Heißgas entlang der gaskanalzugewandten Oberfläche des Bauteils strömt. Es kann sich also bspw. um eine den Gaskanal radial begrenzende Gaskanalplatte handeln, ebenso aber bspw. um eine Verkleidung (z. B. ein Fairing) oder insbesondere um ein Schaufelblatt, einer Leit- oder Laufschaufel. Das Bauteil kann in einem Verdichter- oder Turbinenmodul angeordnet sein bzw. werden, ebenso ist eine Anwendung in einem zwischen zwei Modulen angeordneten Zwischengehäuse möglich (Verdichter- oder Turbinenzwischengehäuse).
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Die Strukturen an der gaskanalzugewandten Oberfläche können bspw. je nach Gestaltung die lokale Turbulenz erhöhen oder verringern. Dies kann vorteilhaft Verluste reduzieren oder Ablösungen unterdrücken.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die senkrechte Erstreckung T weiter reduziert, macht sie nämlich höchstens das 0,05-Fache der mittleren Weite D aus (T ≤ 0,05·D), besonders bevorzugt höchstens das 0,03-Fache der mittleren Weite D (T ≤ 0,03·D). Bezüglich der Vorteile der flachen Ausgestaltung wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Mögliche Untergrenzen der senkrechten Erstreckung T liegen bei mindestens dem 0,01-Fachen bzw. 0,02-Fachen der mittleren Weite D (T ≥ 0,01·D bzw. 0,02-D).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat eine jeweilige Struktur in einer Aufsicht betrachtet eine Ellipsen- oder Kreisform. Dies betrifft die Form der Struktur in der im Bereich der Struktur in die Oberfläche gelegten Ebene. Generell, also auch unabhängig von der Form, kann bevorzugt sein, dass die in der Ebene genommene kleinste Erstreckung der jeweiligen Struktur mindestens dem 1/2-Fachen, bevorzugt mindestens dem 2/3- bzw. 4/5-Fachen der größten Erstreckung entspricht, die Struktur soll also vereinfacht gesprochen nicht zu lang gestreckt sein. Im Falle der Ellipse betrifft dies das Verhältnis von Neben- zu Hauptachse (und sollen die eben genannten Werte entsprechend offenbart sein). Prinzipiell kann sich eine Ellipsen-Form der Kreis-Form beliebig annähern, die Nebenachse kann aber bspw. andererseits auch höchstens das 19/20-Fache oder 14/15-Fache der Hauptachse ausmachen.
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In einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegt und die Struktur mittig durchsetzt, hat die Struktur in bevorzugter Ausgestaltung eine Kontur in Form eines Ellipsensegments. Es ist also der Boden der Vertiefung oder die Kuppe der Erhebung im senkrechten Schnitt betrachtet ellipsenförmig. Der Boden bzw. die Kuppe kann auch in mehreren Schnittebenen, die jeweils senkrecht zur in die Oberfläche gelegten Ebene liegen und zueinander verkippt sind, jeweils die Form eines Ellipsensegments haben, insbesondere kann der Boden oder die Kuppe insgesamt eine ellipsoidale Form haben (also die Form eines Ellipsoidsegments).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Struktur in einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegt und die Struktur mittig durchsetzt, eine Kontur in Form eines Kreissegments. Die entsprechende Struktur kann in einer anderen Schnittebene betrachtet (die ebenfalls senkrecht zu der Ebene liegt) auch eine andere Form haben, bspw. eine Ellipsenform. Sie kann aber auch in mehreren Schnittebenen, die jeweils senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegen und zueinander verkippt sind, jeweils eine Kreissegmentform haben. Der Boden der Vertiefung bzw. die Kuppe der Erhebung kann insgesamt insbesondere kugelsegmentförmig sein.
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Generell können die Strukturen des Bauteils untereinander baugleich sein, also dieselbe Form und Größe haben. Andererseits kann ihre Größe und/oder Form über das Bauteil hinweg auch variieren, können die Strukturen also an die lokalen strömungs- bzw. strukturmechanischen Erfordernisse angepasst sein.
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Im Allgemeinen kann zwischen der jeweiligen Struktur und dem diese Struktur einfassenden Bereich der Oberfläche auch eine Kante ausgebildet sein. Es ist also in anderen Worten ein scharfkantiger Übergang der Struktur in die umgebende Oberfläche möglich. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Übergang jedoch verrundet, wobei ein entsprechender Verrundungsradius R mindestens das 5-Fache und höchstens das 100-Fache der senkrechten Erstreckung T ausmachen kann (5,0·T ≤ R ≤ 100·T). Der Verrundungssradius wird bspw. in einer Schnittebene betrachtet, die senkrecht zu der in die Oberfläche gelegten Ebene liegt und die jeweilige Struktur mittig durchsetzt.
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Bevorzugt verläuft der Übergang zwischen dem einfassenden Bereich und der Struktur kontinuierlich, ohne Unstetigkeiten im Krümmungsverlauf.
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In bevorzugter Ausgestaltung macht ein parallel zur lokalen Strömungsrichtung des entlangströmenden Gases genommener Abstand Ls zwischen zwei nächstbenachbarten Strukturen mindestens das 1,5-Fache der mittleren Weite D dieser nächstbenachbarten Strukturen aus (sofern diese eine unterschiedliche mittlere Weite haben, wird das arithmetische Mittel daraus betrachtet). Eine weitere vorteilhafte Untergrenze des Abstands Ls liegt bei mindestens dem 2,5-Fachen der mittleren Weite D, vorteilhafte Obergrenzen können bei höchstens dem 4,0- bzw. 3,0-Fachen der mittleren Weite D liegen. Es kann also insbesondere 2,5·D ≤ LS ≤ 3,0·D sein. Abstände zwischen Strukturen werden im Rahmen dieser Offenbarung generell als Mitte-zu-Mitte-Abstand genommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform macht ein senkrecht zur lokalen Strömungsrichtung (und dabei parallel zur Oberfläche) genommener Abstand Ln zwischen zwei nächstbenachbarten Strukturen mindestens das 1-Fache der mittleren Weite D der nächstbenachbarten Strukturen aus (im Falle unterschiedlicher mittlerer Weiten des arithmetischen Mittels daraus). Eine weitere vorteilhafte Untergrenze liegt bei mindestens dem 1,1-Fachen der mittleren Weite D, und vorteilhafte Obergrenzen des Abstands Ln können bspw. beim 2,5- bzw. 2,0-Fachen der mittleren Weite D liegen. Es kann also insbesondere 1,1·D ≤ Ln ≤ 2,5·D sein.
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Die Strukturen können in der Oberfläche des Bauteils unregelmäßig angeordnet sein, also mit variierenden Abständen (die keinem Muster folgen). In bevorzugter Ausgestaltung sind die Strukturen jedoch in einer bzw. mehreren Reihen angeordnet, wobei eine jeweilige Reihe bevorzugt parallel zur lokalen Strömungsrichtung liegt. Der vorstehend diskutierte Abstand Ls wird dann entlang der jeweiligen Reihe genommen, der Abstand Ln hingegen senkrecht dazu zwischen zwei Reihen. Die auf benachbarten Reihen angeordneten Strukturen können dabei zueinander ausgerichtet sein, also zwar unterschiedlichen Reihen, aber bezogen auf die lokale Strömungsrichtung auf den gleichen Positionen liegen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die auf zwei nächstbenachbarten Reihen angeordneten Strukturen jedoch zueinander versetzt, sind also bezogen auf die lokale Strömungsrichtung die Strukturen abwechselnd jeweils auf der einen und der anderen der beiden nächstbenachbarten Reihen angeordnet. Die Strukturen der übernächstbenachbarten Reihen können dabei wieder relativ zueinander ausgerichtet sein, also bezogen auf die lokale Strömungsrichtung auf den gleichen Positionen. Die Strukturen können zusammengefasst nach dem Prinzip der dichtesten Kugelpackung angeordnet sein bzw. werden, also bspw. in einem hexagonalen Muster. Insgesamt kann mit der versetzten Anordnung ein großer Flächenanteil strukturiert werden, wobei die Abstände zwischen den Strukturen nicht zu klein werden, was wiederum strukturmechanisch bzw. herstellungstechnisch von Vorteil sein kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform macht die mittlere Weite D der jeweiligen Struktur, bezogen auf eine lokale Strömungsgeschwindigkeit U und eine kinematische Viskosität v des Gases, mindestens das 5000-Fache von v/U aus (D ≥ 5000·v/U). Weitere vorteilhafte Untergrenzen der mittleren Weite D liegen bei mindestens dem 10000-, 20000-, bzw. 30000-Fachen von v/U. Eine mögliche Obergrenze der mittleren Weite D kann bspw. bei höchstens dem 150000-Fachen von v/U liegen (D ≤ 150000·v/U).
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Wie bereits erwähnt, kann das Bauteil in bevorzugter Ausgestaltung ein Schaufelblatt sein. Dieses weist eine Vorder- und eine Hinterkante auf, sowie zwei Seitenflächen (die jeweils die Vorder- und die Hinterkante miteinander verbinden). Dabei ist zumindest eine der Seitenflächen bereichsweise mit den Strukturen versehen, es kann im Allgemeinen auch nur genau eine Seitenfläche strukturiert sein, bevorzugt sind es beide.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Bereich an der Hinterkante des Schaufelblatts frei von Vertiefungen, was strukturmechanisch von Vorteil sein kann (keine Schwächung im dünnen Hinterkantenbereich). Der besagte Bereich kann auch insgesamt unstrukturiert sein, also weder Vertiefungen noch Erhöhungen aufweisen. Bezogen auf eine axiale Schaufelblattlänge kann der von Vertiefungen bzw. Strukturen freie Bereich bspw. jedenfalls über 10 % erreichen (von der Hinterkante weg nach axial vorne genommen), wobei sich „axial“ auf die Längsachse der Strömungsmaschine bezieht.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorliegend offenbarten Bauteils. Dabei können die Strukturen bereits beim originären Formen des Bauteils Berücksichtigung finden, also bspw. in einer Gussform oder einem Datenmodell bei generativer Herstellung. Andererseits kann das Bauteil aber auch zunächst geformt und können die Strukturen dann nachträglich eingebracht werden, bspw. anhand eines Fräsverfahrens, eines Bohrverfahrens oder in dem vorstehend erwähnten Laserabtragverfahren.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines vorliegend offenbarten Bauteils in einer Strömungsmaschine, insbesondere einem Flugtriebwerk. Bei der Verwendung des Bauteils strömt das Gas entlang der gaskanalzugewandten Oberfläche des Bauteils. Dessen mittlere Weite kann dabei insbesondere einem vorstehend erwähnten Verhältnis von kinematischer Viskosität v und lokaler Strömungsgeschwindigkeit U entsprechend eingestellt sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 in schematischer Darstellung ein Mantelstromtriebwerk in einem Axialschnitt;
- 2 in schematischer Darstellung ein Schaufelblatt, dass bereichsweise mit erfindungsgemäßen Strukturen versehen ist;
- 3a einen senkrechten Schnitt durch eine Struktur, nämlich eine Vertiefung;
- 3b einen senkrechten Schnitt durch eine alternative Struktur, nämlich eine Erhebung;
- 4a-c verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung von Strukturen;
- 5 in Aufsicht ellipsenförmige Strukturen zur Illustration.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 in einem schematischen Axialschnitt (bezogen auf eine Längsachse 2), konkret ein Mantelstromtriebwerk. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. In dem Verdichter 1a wird die angesaugte Luft über mehrere Stufen hinweg komprimiert, in der Brennkammer 1b wird sie mit hinzugemischten Kerosin verbrannt, die Expansion erfolgt dann in der Turbine 1c, ebenfalls über mehrere Stufen. Sowohl im Verdichter 1a als auch in der Turbine 1c ist jede Stufe aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz aufgebaut, jeder Schaufelkranz setzt sich aus mehreren umlaufend aufeinanderfolgen Schaufeln zusammen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein in einem Gaskanal 5 der Strömungsmaschine angerechnetes Bauteil 20, vorliegend ein Schaufelblatt 21 an einem Schaufelfuß 22. Dieses weist eine Vorderkante 21.1 und eine Hinterkante 21.2 auf, sowie zwei Seitenflächen 21.3,21.4. Die Seitenflächen 21.3,21.4 sind mit Strukturen 25 versehen, die einer Strömungsablösung vorbeugen können (vgl. die Beschreibungseinleitung im Detail). Auch der Schaufelfuß 22 ist auf den der Strömung zugewandten Oberflächen mit Strukturen 25 versehen.
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3a illustriert eine erste Struktur 25 in einem senkrechten Schnitt, es handelt sich um eine Vertiefung 35. Diese hat in einer in die Oberfläche 20.1 des Bauteils 20 gelegten Ebene 30 eine mittlere Weite D. Senkrecht dazu hat sie eine Erstreckung T, die in diesem Beispiel mindestens das 0,02-Fache und höchstens das 0,05-Fache der mittleren Weite D ausmacht. Die Vertiefung 35 ist also in anderen Worten relativ flach ausgebildet. In dem senkrechten Schnitt gemäß 3a hat die Struktur 25 die Kontur 37 eines Kreissegments 36 (Kreisform zeichnerisch nicht differenziert dargestellt).
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Ein Übergang zwischen einem die Struktur 25 einfassenden Bereich 20.1.1 der Oberfläche 20.1 und der Struktur 25 erfolgt nicht abrupt, sondern ist verrundet, vgl. den Verrundungsradius R.
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Gleiches gilt für die Struktur 25 gemäß 3b, bei welcher es sich um eine Erhebung 45 handelt. Deren vertikale Erstreckung T ist, wiederum bezogen auf eine in der Ebene 30 genommene mittlere Weite D, ebenfalls verhältnismäßig klein, in diesem Beispiel zwischen 0,02·D und 0,05·D. In dem senkrechten Schnitt gemäß 3b hat die Struktur 25 eine Kontur 37 in Form eines Ellipsensegments 46 (Ellipsenform zeichnerisch nicht differenziert dargestellt).
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Die 4a-c illustrieren verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung von Strukturen 25. In 4a sind die Strukturen 25 unregelmäßig angeordnet, sie haben keine besondere Positionierung relativ zueinander bzw. zur lokalen Strömungsrichtung 50. Bei der Variante gemäß 4b sind die Strukturen 25 in mehreren Reihen 51 angeordnet, wobei diese Reihen 51 parallel zur lokalen Strömungsrichtung 50 liegen. Die auf den unterschiedlichen Reihen 51 angeordneten Strukturen 25 sind dabei zueinander ausgerichtet, sie liegen bezogen auf die Strömungsrichtung 50 auf den gleichen Positionen 52.
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Bei der Variante gemäß 4c sind die auf nächstbenachbarten Reihen 51.1,51.2 angeordneten Strukturen 25 zueinander versetzt. Vorliegend sind die Strukturen 25 in einem hexagonalen Muster platziert (dichteste Kugelpackung). In den 4b und 4c sind ferner zur Illustration auch entlang der lokalen Strömungsrichtung 50 genommene Abstände Ls und senkrecht dazu genommene Abstände Ln markiert, vgl. die Beschreibungseinleitung bzgl. deren Quantifizierung.
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5 illustriert Strukturen 25 in einer Aufsicht, die keine Kreis-, sondern eine Ellipsen-Form haben. Die mittlere Weite D ergibt sich hier als Mittelwert aus Hauptachse 60 und Nebenachse 61.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsmaschine
- 1a
- Verdichter
- 1b
- Brennkammer
- 1c
- Turbine
- 2
- Längsachse
- 5
- Gaskanal
- 20
- Bauteil
- 20.1
- Oberfläche
- 20.1.1
- einfassender Bereich
- 21
- Schaufelblatt
- 21.1
- Vorderkante
- 21.2
- Hinterkante
- 21.3, 21.4
- Seitenflächen
- 25
- Strukturen
- 30
- Ebene
- 35
- Vertiefung
- 36
- Kreissegment
- 37
- Kontur
- 45
- Erhebung
- 46
- Ellipsensegment
- 50
- Strömungsrichtung
- 51
- Reihen
- 51.1, 51.2
- nächstbenachbarte Reihen
- 52
- Positionen
- 60
- Hauptachse
- 61
- Nebenachse
