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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Dichtspaltreduzierung innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine, insbesondere einer Turbomaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Um den Wirkungsgrad von Strömungsrotationsmaschinen, z. B. Verdichtereinheiten oder Gasturbinenstufen einer Turbomaschine, zu verbessern, werden Verlustmechanismen soweit wie möglich reduziert. Verluste können insbesondere an Dichtspalten entstehen, die zwischen rotierenden und stationären Anlagenkomponenten auftreten. Dementsprechend ist es Ziel, diese Dichtspalte so klein wie möglich einzustellen, um Leckageströme zu reduzieren, die durch die Dichtspalte hindurchtreten und daher nicht zur Energieumwandlung beitragen.
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Aus der
EP 1 229 213 A1 ist eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art bekannt, bei der Leitschaufeln in einer Leitschaufelreihe in Umfangsrichtung eines Rotors der Turbomaschine angeordnet sind. Die Leitschaufeln weisen an ihren radial innenliegenden freien Enden jeweils ein Deckband auf bzw. sind ihre radial freien Enden jeweils durch ein solches Deckband gebildet. Die Deckbänder tragen radial innen, also an einer dem Rotor zugewandten Seite jeweils eine Honeycombstruktur. Die Honeycombstrukturen sind dabei an den Deckbändern so angebracht, dass die Zellen der Honeycombstrukturen jeweils radial offen sind.
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Um die Leitschaufeln montieren zu können, muss zwischen Leitschaufeln, die in Umfangsrichtung aneinandergrenzen ein entsprechendes Montagespiel vorhanden sein. Dieses Montagespiel hat zur Folge, dass jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Honeycombstrukturen ein Dichtspalt ausgebildet ist, der sich radial und axial erstreckt. In entsprechender Weise erstreckt sich ein solcher Dichtspalt auch jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Deckbändern und Honeycombstrukturen
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Bei der bekannten Dichtungsanordnung ist zwischen zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Deckbändern jeweils ein Dichtelement angeordnet, das sich in Umfangsrichtung und in axialer Richtung erstreckt und dadurch radial dichtet. Der Dichtspalt zwischen den Honeycombstrukturen sowie der Dichtspalt zwischen den Deckbändern bleibt jedoch in axialer Richtung mehr oder weniger frei durchströmbar, was zu einem Druckverlust in der jeweiligen Turbinenstufe bzw. Verdichterstufe führt.
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Aus dem Dokument
DE 102 59 963 A1 ist eine Wabendichtung (Honeycombstruktur) bekannt, die durch pulvermetallurgisches Spritzgiessen hergestellt ist. Das Deckband, auf welchem die Honeycombstruktur angeordnet ist, ist mehrteilig ausgebildet und weist an seinen Stossstellen/Dichtspalten Ausnehmungen und Vorsprünge auf, die ineinander greifen. Die Honeycombstrukturen greifen aber nicht ineinander bzw. stehen auch nicht über das Deckband hinaus, so dass auch bei dieser bekannten technischen Lösung – ähnlich wie bei der in
EP 1 229 213 A1 beschriebenen Lösung – die Dichtwirkung verbesserungsbedürftig ist. Dies trifft auch auf die in
US 42 95 785 A offenbarte vergleichbare Konstruktion zu.
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Im Dokument
US 34 25 665 A wird eine Dichtungsanordnung für Gasturbinenrotorschaufeln beschrieben, bei welcher sich zwar die Dichtbandelemente überlappen, aber die Honeycombstrukturen auf dem Deckband einen Dichtspalt aufweisen und nicht ineinander greifen. Daher treten auch hier nachteilig Leckageströmungen in axialer Richtung auf.
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Darstellung der Erfindung
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, bei der insbesondere Leckageströmungen in axialer Richtung durch den Dichtspalt reduziert sind.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Honeycombstrukturen so zu dimensionieren, dass sie in Umfangsrichtung über das jeweilige radial freie Ende der zugehörigen Schaufel überstehen, und zwar soweit, dass in Umfangsrichtung gegenüberliegende Stirnseiten benachbarter Honeycombstrukturen ineinandergreifen, wenn die Strömungsrotationsmaschine in einem Warmbetriebszustand, also im Normalbetrieb arbeitet. Durch diese Bauweise greifen die umfangsseitigen Stirnseiten der Honeycombstrukturen im jeweiligen Dichtspalt ineinander und bilden dort durch ihre Struktur eine hochwirksame Labyrinthdichtung, die eine axiale Durchströmung des Dichtspalts stark behindert. Axiale Leckageströmungen durch diesen Dichtspalt werden dadurch deutlich reduziert.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Honeycombstrukturen an ihren umfangsseitigen Stirnseiten in Umfangsrichtung abstehende und in Umfangsrichtung frei endende Stege aufweisen, die zumindest im Normalbetrieb der Strömungsrotationsmaschine ineinandergreifen. Mit Hilfe dieser Stege wird die Dichtwirkung der Labyrinthdichtung gesteigert, da an den Stegen intensivere Strömungsumlenkungen erforderlich sind, was zu entsprechenden Druckabfällen führt.
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Eine besonders intensive Dichtwirkung kann bei einer anderen Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass sich die Honeycombstrukturen im Normalbetrieb der Strömungsrotationsmaschine an ihren umfangsseitigen Stirnseiten berühren. Die Dichtwirkung im Dichtspalt wird dadurch nochmals verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die Honeycombstrukturen in Umfangsrichtung an beiden Seiten das jeweilige freie Schaufelende radial übergreifen, wobei in Umfangsrichtung aneinandergrenzende Honeycombstrukturen zumindest im Normalbetrieb der Strömungsrotationsmaschine an ihren Stirnseiten auch zwischen den freien Enden benachbarter Schaufeln ineinandergreifen. Bei dieser Ausführungsform kann auch der weiter oben genannte Dichtspalt, der sich radial und axial zwischen den freien Enden benachbarter Schaufeln erstreckt, mit Hilfe der dort ineinander eingreifenden Honeycombstrukturen abgedichtet werden.
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Weitere wichtige Merkmale der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung im Axialschnitt durch eine Strömungsrotationsmaschine im Bereich eines Dichtspalts,
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2 eine Ansicht wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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3 einen Ausschnitt einer Darstellung wie in 1, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform,
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4 eine vergrößerte Ansicht von unten entsprechend einem Pfeil IV in 1 auf zwei benachbarte Honeycombstrukturen,
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5 und 6 Ansichten wie in 4, jedoch bei anderen Ausführungsformen und/oder bei anderen Betriebszuständen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Entsprechend 1 besitzt eine Strömungsrotationsmaschine, insbesondere eine Turbomaschine, zumindest eine Schaufelreihe 1, z. B. in einer Verdichterstufe oder in einer Turbinenstufe. In dieser Schaufelreihe 1 sind mehrere Schaufeln 2 in einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Umfangsrichtung 3 eines Rotors der Strömungsrotationsmaschine nebeneinander angeordnet. Dabei kann es sich bei der Schaufelreihe 1 um eine Leitschaufelreihe 1 handeln, die statorfeste Leitschaufeln 2 aufweist. Ebenso kann es sich dabei um eine Laufschaufelreihe 1 handeln, die rotorfeste Laufschaufeln 2 besitzt. Obwohl die Schaufeln 2 hier parallel zueinander dargestellt sind und die Umfangsrichtung 3 durch einen geradlinigen Pfeil symbolisiert ist, ist klar, dass die Schaufeln 2 bezüglich einer senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden Rotationsachse des Rotors radial ausgerichtet sind, während die Umfangsrichtung 3 bezüglich der Rotationsachse gekrümmt ist. Die Radialrichtung 4 ist in 1 durch einen Doppelpfeil symbolisiert, während die Axialrichtung senkrecht auf der Zeichnungsebene steht.
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Die Schaufeln 2 besitzen jeweils ein radial freies Ende 5 sowie ein davon entferntes, hier nicht dargestelltes Ende, mit dem die Schaufeln 2 entweder im Stator oder Rotor verankert sind. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die freien Enden 5 der Schaufeln 2 jeweils als Deckband 6 ausgestaltet bzw. weisen die Schaufeln 2 an ihren freien Enden 5 jeweils ein solches Denkband 6 auf. Die Schaufeln 2 sind außerdem mit einer Honeycombstruktur 7 ausgestattet, die jeweils am freien Ende 5 bzw. am Deckband 6 der jeweiligen Schaufel 2 angebracht sind, insbesondere mittels einer Löt- oder Schweißverbindung. Die Honeycombstrukturen 7 sind dabei so ausgerichtet, dass ihre Zellen 8 sich in radialer Richtung erstrecken und in der Radialrichtung 4 offen sind.
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Die Honeycombstrukturen 7 besitzen in Umfangsrichtung 3 auf jeder Seite eine Stirnseite 9 bzw. 10. Die Stirnseiten 9, 10 benachbarter Honeycombstrukturen 7 sind in Umfangsrichtung 3 in einem Dichtspalt 11 einander gegenüberliegend angeordnet. Dieser Dichtspalt 11 erstreckt sich bezüglich der Umfangsrichtung 3 zwischen den Honeycombstrukturen 7 in Radialrichtung 4 sowie in Axialrichtung. In entsprechender Weise ist auch zwischen Stirnseiten 12 bzw. 13 der freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 benachbarter Schaufeln 2, die sich ebenfalls in Umfangsrichtung 3 gegenüberliegen, ein weiterer Spalt 14 ausgebildet. Auch dieser Spalt 14 erstreckt sich bezüglich der Umfangsrichtung 3 zwischen den Stirnseiten 12, 13 in Radialrichtung 4 sowie in Axialrichtung. Der Dichtspalt 11 und der Spalt 14 werden im Stillstand, also im Kaltzustand der Strömungsrotationsmaschine benötigt, um die Schaufeln 2 am Stator bzw. am Rotor montieren zu können.
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Im Betrieb der Strömungsrotationsmaschine können durch den Dichtspalt 11 und den Spalt 14 radiale Leckageströmungen sowie axiale Leckageströmungen entstehen, welche die Funktionssicherheit und/oder den Wirkungsgrad der Strömungsrotationsmaschine beeinträchtigen. Um die radialen Leckageströmungen zu reduzieren, ist im Spalt 14 ein radial wirkendes Dichtelement 15 angeordnet, das in die Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 eingesetzt ist, wozu diese beispielsweise mit entsprechenden Nuten 16 ausgestattet sind. Das Dichtelement 15 dichtet den Spalt 14 somit in radialer Richtung ab, während es in axialer Richtung keine Dichtwirkung entfaltet.
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Erfindungsgemäß sind nun die Honeycombstrukturen 7 so dimensioniert, dass sie zumindest an einer der Stirnseiten 9, 10, hier an beiden, in der Umfangsrichtung 3 über die jeweils zugeordneten freien Enden 5 bzw. Deckbänder 6 der zugehörigen Schaufel 2 überstehen, und zwar so, dass die benachbarten Honeycombstrukturen 7 an ihren, einander zugewandten Stirnseiten 9, 10 ineinandergreifen, zumindest dann, wenn sich die Strömungsrotationsmaschine in einem Warmzustand oder Normalbetrieb befindet. Durch die ineinandergreifenden Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 bildet sich in Axialrichtung eine effektive Labyrinthdichtung aus, die den Dichtspalt 11 in axialer Richtung wirksam dichtet.
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Bei der in den 1 und 2 rechts dargestellten Schaufel 2 steht die rechte Stirnseite 10 der Honeycombstruktur 7 beispielsweise mit einem Übermaß 17 über die rechte Stirnseite 13 des freien Endes 5 bzw. des Deckbands 6 vor. Entsprechendes gilt bei der links dargestellten Schaufel 2 für ein Übermaß 18.
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Dass die Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 im Bereich des Dichtspalts 11 ineinander eingreifen, geht beispielsweise daraus hervor, dass eine Summe der Übermaße 17, 18 um die Eindringtiefe größer ist als ein in Umfangsrichtung 3 gemessener Abstand zwischen den Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6.
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Bei den Ausführungsformen der 2 und 3 sind die Honeycombstrukturen 7 so modifiziert, dass sie die umfangsseitigen Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 in radialer Richtung 4 übergreifen. Auf diese Weise werden die umfangsseitigen Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 in der Radialrichtung 4 verlängert. Dies führt dazu, dass die umfangsseitigen Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 auch zwischen den Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 in Umfangsrichtung 3 ineinander eingreifen. Mit anderen Worten, die umfangsseitigen Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 bilden auch im Bereich des Spalt 14 eine axial dichtende Labyrinthdichtung aus.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 erstrecken sich die Honeycombstrukturen 7 in der radialen Richtung 4 nur bis zum Dichtelement 15 in den Spalt 14 hinein. Im Unterschied dazu erstrecken sich die Honeycombstrukturen 7 bei der Ausführungsform gemäß 2 in radialer Richtung über die gesamte radiale Erstreckung der umfangsseitigen Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw. Deckbänder 6. Das hat zur Folge, dass die Honeycombstruktur 7 in der Radialrichtung 4 beiderseits des Dichtelements 15 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Nuten 16 zur Unterbringung des Dichtelements 15 erst nach dem Anbringen der Honeycombstruktur 7 hergestellt. Ebenso ist es möglich, die Honeycombstrukturen 7 mehrteilig aufzubauen, so dass die beiderseits der Nuten 16 angeordneten Abschnitte der Honeycombstruktur 7 unterschiedlichen Teilen der Honeycombstruktur 7 zugeordnet sind.
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Obwohl bei den hier gezeigten Ausführungsformen im Spalt 14 zwischen den Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 stets das radialwirkende Dichtelement 15 angeordnet ist, sind durchaus auch Ausführungsformen möglich, bei denen kein solches radial wirkendes Dichtelement 15 vorhanden ist.
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In den Darstellungen der 4 bis 6 steht nunmehr die radiale Richtung senkrecht auf der Zeichnungsebene, während die Axialrichtung in der Zeichnungsebene liegt und durch einen Doppelpfeil 19 symbolisiert ist.
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4 stellt exemplarisch eine mögliche Relativlage zwischen benachbarten Honeycombstrukturen 7 im Bereich ihrer Stirnseiten 9, 10 dar, wie sie bei der Montage der Schaufeln 2, also im Kaltzustand der Strömungsrotationsmaschine auftreten kann. Die einander im Dichtspalt 11 gegenüberliegenden Stirnseiten 9, 10 sind dabei in Umfangsrichtung 3 so noch weit voneinander beabstandet, dass sie nicht ineinander eingreifen. Der Dichtspalt 11 ist dementsprechend groß in Umfangsrichtung 3.
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Erst im Betrieb der Strömungsrotationsmaschine nähern sich die Stirnseiten 9, 10 in Umfangsrichtung 3 soweit aneinander an, dass sie zur Ausbildung der Labyrinthdichtung ineinander eingreifen und den Dichtspalt 11 mehr oder weniger schließen. Die Relativbewegung in Umfangsrichtung 3 ist dabei auf Wärmedehnungseffekte zurückzuführen.
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Im Unterschied dazu können die Honeycombstrukturen 7 auch so dimensioniert sein, dass sie bereits im Kaltzustand der Strömungsrotationsmaschine, also während der Montage an ihren Stirnseiten 9, 10 in Umfangsrichtung 3 ineinander eingreifen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 nähern sich vorstehende Konturen der einander gegenüberliegenden Stirnseiten 9, 10 relativ nahe aneinander an, ohne sich jedoch zu berühren. Im Unterschied dazu erfolgt die Relativverstellung in Umfangsrichtung 3 bei der Variante gemäß 6 so stark, dass sich vorstehende Konturen der Stirnseite 9, 10 gegenseitig berühren. Hierbei kann es durchaus zu elastischen und/oder plastischen Deformationen der Honeycombstrukturen 7 kommen, wodurch die axiale Dichtwirkung im Bereich des Dichtspalts 11 zusätzlich verstärkt wird.
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Wie in den 4 bis 6 gezeigt, sind, die Honeycombstrukturen 7 an ihren Stirnseiten 9, 10 zweckmäßig so ausgestaltet, dass sie in Umfangsrichtung 3 vorstehende Strukturen in Form von Stegen 20 besitzen, die sich radial und in Umfangsrichtung erstrecken. Die Positionierung der Honeycombstrukturen 7 erfolgt zweckmäßig so, dass ihre Stirnseiten 9, 10 nicht mit ihren Stegen 20 aneinander stoßen, sondern dass die Stege 20 der einen Stirnseite 9 zwischen den Stegen 20 der anderen Stirnseite 10 eintauchen. Der Labyrintheffekt wird dadurch verstärkt.
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Obwohl bei den hier gezeigten Ausführungsformen die Honeycombstrukturen 7 an beiden umfangsmäßigen Stirnseiten 9, 10 in Umfangsrichtung über die umfangsmäßigen Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw. Deckbänder 6 der Schaufeln 2 überstehen, ist grundsätzlich auch eine Ausführungsform möglich, bei welcher die Honeycombstrukturen 7 nur an einer der umfangsmäßigen Stirnseiten 9 oder 10 über die jeweilige Stirnseite 12 oder 13 des freien Endes 5 bzw. des Deckbands 6 in Umfangsrichtung 3 überstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufelreihe
- 2
- Schaufel
- 3
- Umfangsrichtung
- 4
- Radialrichtung
- 5
- radial freies Ende von 2
- 6
- Deckband von 2
- 7
- Honeycombstruktur
- 8
- Zelle
- 9
- Stirnseite von 7
- 10
- Stirnseite von 7
- 11
- Dichtspalt
- 12
- Stirnseite von 5, 6
- 13
- Stirnseite von 5, 6
- 14
- Spalt
- 15
- Dichtelement
- 16
- Nut
- 17
- Überstand/Übermaß
- 18
- Überstand/Übermaß
- 19
- Axialrichtung
- 20
- Steg
