DE1476769A1

DE1476769A1 - Turbinen-Trommellaeufer

Info

Publication number: DE1476769A1
Application number: DE19651476769
Authority: DE
Inventors: Harrison West
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-01-12
Filing date: 1965-01-12
Publication date: 1969-10-02
Also published as: GB1041320A; US3203666A; FR1419544A

Description

Turbinen-Trommelläufer

Die Erfindung besieht sich auf eine Turbinen-Trommelläufer-Bauart und betrifft insbesondere einen leiohtgebauten, teilweise oder vollständig aus dünnwandigem Werkstoff, wie z. B. Blech hergestellten Trommelläufer·

Xn jüngster Zeit hat die Suohe naoh leichteren und mehr zweckentsprechenden, zur Verwendung in Flugseugen konstruierten Turbomasohinen erneut Antrieb erhalten· Der Hauptgrund dafür ist der gesteigerte Bedarf an Gasturbinen-Aggregaten rar Verwendung in Überschall-Flugzeugen, welche eine wesentlich größere Leistung gegenüber den bisherigen aufweisen, ohne daß die Leistungssteigerung mit einer Gewientβzunähme des Triebwerk»

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verbunden ist. Bei derartigen Hochleistungs-Triebwerken sind die Läuferbauteile naturgemäß beträchtlichen Belastungen,wie Festigkeits- sowie Temperaturbeanspruchungen ausgesetzt. Ein Gasturbinenläufer eines Flugzeugtriebwerks ist im allgemeinen starken Zentrifugalkräften sowie auch erheblichen Temperaturunterschieden sowie Torsionsbeanspruchungen ausgesetzt.

Man hat zahlreiche Versuche unternommen, um die Konstruktion von leichtgebauten Triebwerken zu verbessern; hierzu gehörte der Vorschlag der Verwendung von Bauteilen, wie beispielsweise Verdichtern, die weitgehend aus dünnwandigen Werkstoffen,wie Blech hergestellt sind. Bei aus Blech gefertigten Läufern von Axialverdichtern gehörte zur Lösung des Problems der Leichtbauweise auch der Vorschlag, hohle Trommelläufer zu verwenden, die gewöhnlich keine Innenwelle aufweisen, sondern aus einer Reihe einzelner in sich steifer, in axialer Richtung voneinander getrennter Schaufeln tragender Scheiben bestehen. Zwar sind noch einige Möglichkeiten vorhanden, vom die Turbinenläufer nach dem bisher bekannten Stand der Technik zu verbessern, insbesondere hinsichtlich Belastbarkeit der Beschaufelung und der Kraftübertragung sowie der Verringerung des Eigengewichts, d.h. des Gewiahts der nicht unmittelbar an der Krafterzeugung bzw. Kraftübertragung beteiligten Bauteile. Es sind nun aber insbesondere bei Läufern von Überschall-Triebwerken, für die man leichtgebaute Hohlschaufeln mit niedrigem Breiten-Längen-Verhältnis verwendet, bei denen Drehmomente infolge hoher, an den Schaufeln angreifender Kräfte von großer Bedeutung sein können, Verbesserungen ganz besonders erwünscht.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten Leichtbau-Trommelläufer in Blechbauweise zu schaffen, der einen verhältnismäßig weitgehend selbsttragenden Aufbau hat und verbesserte Kraftaufnähme- und Kraftübertragungs-Wisrte der Beschaufelung bei Überschall-Betrieb mit hoher Energ abgabe bei niedrigem Breiten-Längen-Verhältnis aufweist.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, einen Trommelläufer für Gasturbinen-Aggregate der in Betracht kommenden Art, welcher mehrere Sohaufelkränze trägt, in der Weise auszubilden, daß jede der mit einem S_chaufelkranz ausgerüsteten Stufen bzw. Einheiten, aus denen der Trommelläufer zusammengesetzt ist, aus zwei ringförmigen Trommelteilen aus Blech besteht, die einen sich in radialer Richtung erstreckenden Ringteil und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden, mit diesem durch einen Kraftübertragungsabschnitt verbundenen Trommelmantelteil aufweisen, wobei die beiden Trommelteile an den in radialer Richtung äußeren Enden der Ringteile mittels eines zylindrischen Halte— ringes und an ihren in radialer Richtung inneren Enden unmittelbar miteinander verbunden sind; an den Schaufelfüßen ist je ein sich in radialer Richtung nach innen erstreckender, zwischen den Kraftübertragungsabschnitten der beiden Trommelteile liegender und an ihnen mittels Flanschen befestigter Steg angeordnet und an den Trommelmantelteilen der Trommelteile sind Distanz- und Abdeckplatten befestigt, die an den einander benachbarten Schaufeln anliegen· Der sich in radialer Richtung nach innen erstreckende Steg der Schaufelfüße endet

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an einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Bodenflaasch und ist mit in axialer Richtung voneinander getrennten, sioh in radialer Richtung erstreckenden Randflanschen versehen, wobei die Bodenflansche der Schaufelfußstege an dem zylindrischen Haltering und die Randflanschen an, ddn.benachbarten Kraftübertragungsabschnitten der Trommelteile befestigt sind.

In den Figuren 1 bis 7 der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung anhand von zwei besonders bevorzugten Ausftihrungsbeispielen dargestellt, welche nachstehend näher erläutert sind. Bs zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte eines Trommelläufers eines Turbomaschinen-Verdichters;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Trommelläufers nach Fig. 1 im Bereich eines Schaufelkranzes in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 einen Schnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Läuferteil entlang der Linie 3-3;

Fig. k eine Aufsicht auf zwei einander benachbarte Schaufeln eines Schaufelkranzes;

Fig. 5 einen Radialschnitt durch den Teil des Trommellaufers nach Fig. 2 entlang der Linie 5-5;

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Pig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Trommelläufer nach Fig. 1;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Trommelläufers in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung·

Wenn auch die Erfindung vorliegend nur beispielsweise anhand eines Läufers für den Axialverdichter eines Strahltriebwerks näher beschrieben ist, so ist diese in gleicher Weise auch auf die Läufer von ein- oder mehrstufigen Turbinen ο«dgl* anwendbar· Der in Fig. 1 gezeigte Trommelläufer 10 eines Verdichters ist mit vier Schaufelkränzen 12 besetzt, deren Schaufeln vom Lufteintritt 11 aus die Luft in der Richtung des Pfeiles L verdichten. Nach ihrem Durchgang durch die vier Verdichterstufen oder S_ohaufelkränze 12 gelangt die verdichtete Luft vom Luftaustritt 13 in einen üblichen, vorliegend nicht dargestellten Brennkammerabschnitt eines Strahltriebwerks ·

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, gehört zu jeder Läuferstufe ein erstes oder vorderes ringsförmiges Trommelteil 20 und ein zweites oder hinteres Trommelteil 22. Die Trommelteile 20 und 22 haben je einen Kraftübertragungeabschnitt Zh bzw, 26 und je ein sich in radialer Richtung nach innen gegen die Achse des Läufers erstreckendes Ringteil bzw« eine Ringscheibe 28 bzw. 30. Die sich achsparallel in Umfangerichtung erstreckenden

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Trommelmantelabschnitte 32 bzw. 3k des vorderen bzw. hinteren Trommelteiles 20 bzw. 22 einer jeden Stufe bilden einen Teil der inneren Begrenzungswand für den Strömungskanal im Verdichter- bzw. Turbinenaggregat· Die äußere Begrenzungs— wand bildet andererseits das in Fig. 1 strichpunktiert angedeutete Statorgehäuse 16. Zwischen den Kraftübertragungsabschnitten 2k und 26 und den Ringteilen 28 bzw. 30 der Trommelteile 20 bzw, 22 einer jeden Stufe ist ein zylindrischer Haltering 36 angeordnet. Der Haltering 36 dient, wie nachstehend noch näher beschrieben ist, bei dem fertig zusammengebauten Trommelläufer außerdem noch als Spannteil.

Der in Fig. 1 bis 6 dargestellte Trommelläufer ist vollständig fabrikmäßig vorgefertigt und zwar unter Verwendung der ebenfalls fabrikmäßig vorgefertigten Stufen, aus welchen er zusammengebaut ist, so daß der Läufer zu Reparaturzwecken in einfacher Veise auseinandergenommen werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält jede Läuferstufe einen Schaufelkranz bestehend aus einer Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordneten Schaufeln kO , die einen Schaufelkörper kZ und einen Schaufelfuß kk besitzen. Zwecks maximaler Gewichtsverringerung kann der Schaufelkörper kZ der Schaufeln hohl ausgebildet sein; zwischen den Wänden können, wie Fig. 2 veranschaulicht, im Hohlraum k5 Stege k6 zum Zwecke der Aussteifung angeordnet sein. Wie ersichtlich, haben die Schaufeln ein kleines Breiten-Längen-Verhältnis, das für Verdichter von Ultra- und Überschall-

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Triebwerken typisch ist. Der Schaufelfuß 44 jeder Schaufel 4o kann kaliverfomrt sein oder aus einem dünnwandigen Gußstück bestehen, das mit dem Sohaufelkörper 42, sofern dieser nicht hohl ist, aus einem Stück bestehen kann. In jedem Fall hat jeder Schaufelfuß 44 einen verstärkten Verbindungsteil 48, einen

agteil 50, einen verbreiterten Fuß- oder Schwalbenschwanzteil 52, zwei in axialer Richtung einander gegenüberliegende Flanschen 54 und 56 sowie einen Bodenflansch 58. Bei der beschriebenen Ausführungsform gehören weiterhin zu der Beschaufelung eines jeden Schaufelkranzes jeweils zwischen zwei Schaufeln 40

60 angeordnete Abdeck- und Distanzplattety£ Diese Platten 60, die zwischen je zwei einander benachbarte Schaufelkörper 42 genau passen, haben einen oberen Wandteil 61 und an diesem sich nach unten erstreckende Seitenflansche 62 und 64, die in Bezug auf das Profil der benachbarten Schaufelkörper 44 entsprechend gekrümmt ausgebildet sind, so daß sie über ihre gesamte axiale Länge an den Schaufelkörpern 44 eng anliegen. Darüber hinaus besitzen die Distanz« und Abdeckplatten 60 in axialer Richtung einander gegenüberliegend gekrümmte Randflansche 66 und 68, die oberhalb der anliegenden Flanschen54 und 56 der benachbarten Schaufel fuße 44 bleiben, während die außerdem die abgestuften Abschnitte 7I und 72 der Trommelmantelteile 'der ersten bzw. zweiten ringförmigen Trommelmantelteile 32 bzw. 34 im wesentlichen überlappen. Zum Versteifen der Abdeckplatte 60 kann unter dieser noch eine mittlere Versteifungsrippe 7^ vorgesehen sein«

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Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung nach verschiedenen Gesichtspunkten auf die Verbesserung der Bauweise und Herstellung von leichtgebauten Läufern aus dünnwandigem Berkstoff, wie Blech gerichtet ist. Ein Problem besteht darin, wie man die hohen Belastungen ausgesetzten Schaufeln mit ungewöhnlich langer Profilsehne am besten befestigen kann. Hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dieses Problem vor allem dadurch zu lösen, daß die die Trommelteile bildenden Elemente aus einem Stück bestehen, d.h., daß die sich an die Trommelmantelabschnitte 32, 34 anschließenden radialen Ringteile 2k, 28 bzw. 26, 30 aus einem Stück geformt sind. Dazu werden dünne Stahlbleche o,dgl, auf die erforderliche Stärke kaltgewalzt oder geschliffen und dann zu den beschriebenen, ringförmigen Trommelteilen 20 und 22 geformt. Auf diese Weise kann die Wandung eine gleichbleibende oder auch eine unterschiedliche Stärke haben. Darüber hinaus können die Ringteile 28 bzw, 30, wie in Fig. gezeigt, in Abhängigkeit von der gewünschten Beanspruchungskonzentration in dem Kraftübertragungsabschnitt, der Größe des auftretenden Moments und - im Hinblick auf die nachstehend beschriebene und in Fig. 7 dargestellte Ausführung - der in dem Kraftübertragungsbereich herrschenden Kräfte, in einer zu der Läuferachse senkrechten Ebene oder dieser gegenüber unter einem beliebigen Winkel geneigt angeordnet sein. Die Trommelteile 2o und 22 werden dann im Bereich ihrer Stoßstelle 80 nach einem genauen Planschliff der aneinander

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liegenden Stirnflächen sowie nach Durchführung von Zusammenpassungsmaßnahmen zusammengefügt; dadurch ist es möglich, die Beanspruchungen im zentralen Bereich des Läufers auf ein Mindestmaß herabzusetzen«

Die zweite,sich auf das Problem der Kraftübertragung von den Läufers chaufel auf die Trommel beziehende Besonderheit bedingt, die besondere, beschriebene Ausbildung der Nut zwischen den einzelnen Trommelteilen zur Aufnahme der Schaufelfüße der Beschaufelung, In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß jeweils zwei zusammengepaßte TrommelteiIe, nachdem zwischen ihnen längs einer Linie zwischen dem Kraftübergaagsabschnitt 2k bzw. 26 und dem inneren Ringteil 28 bzw· 30 beispielsweise mittels Elektronenstrahlsohweißung an einem der Trommelteile de» zylindrische Haltering 36 befestigt worden ist, eine grob und teilweise zusammengebaute Stufeneinheit darstellen. Wenn dann dia .Schaufelfüße in die Ringnut zwischen den Kraftübergangsabsohnitten 2k_t 26 eingesetzt worden sind, können die Teile zunächst an den zusammenpassenden, aneinander anliegenden Flächen, die erstens aus der Innenfläche des Kraftübertragungsabschnitts 2k und den Flanschen 54 der Schaufelfüße kk und zweitens aus den in Umfangsrichtung verlaufenden Bodenflanschen 58 der Schaufelfuße kk und der Oberseite des Halteringes 36 bestehen, miteinander verschweißt oder verlötet werden, wobei die Boden- und Seitenflansche 5k_t 56 58 einander benachbarter Sohaufelfüße vorzugsweise vor ihrem Einsetzen in die Ringnut zusammengefügt worden sind, obwohl

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dies bei Anwendung fortschrittlicher Fertigungsmethoden, wie u.a, der Elektronenstrahlschweißung, nicht absolut notwendig ist. Während sich diese Einheit noch in einer Bearbeitungsoder Einspannvorrichtung befindet, werden dann die andere Kante des Halteringes 36 und die den Flanschen 5k gegenüberliegenden Flansche 56 der Schaufelfüße kk an der Innenfläche des Kraftübertragungsabschnitts 26 des hinteren Trommelteiles dauerhaft befestigt und die Distanz- und Abdeckplatten zwischen den Schaufeln kO eingelegt und mit den Schaufelkörpern kZ und den Trommelteilen längs der Kanten 7I und 72 verschweißt oder verlötet. Die zusammengebauten Stufen bzw. Einheiten können dann in eine Bearbeitungsvorrichtung eingesetzt und zur Herstellung des fertigen Trommellaufers längs der Stoßkanten 81 und 82 (Fig. 6) zusammengefügt werden.

Fig. 7 zeigt eine Variante des Gegenstandes gemäß der Erfindung, bei der eine teilweise fabrikmäßig vorgefertigte Läuferstufe bevorzugt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden ringförmige Trommelteile 20a und 22a mit Hilfe eines Halteringes 36a zusammengefügt. Die Schaufelfüße kka. sind ebenso wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform in die Ringnut zwischen den Trommelteilen 20a und 22a eingesetzt. Jedoch sind die Teile in diesem Bereich nicht miteinander verlötet oder zusammengeschweißt. Auf den Außenseiten der Ringteile 28a bzw. 30a im Kraftübertragungsbereich liegen je ein Ring 8k und 86, die Bohrungen 87 auf-

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weisen; entsprechende Bohrungen 83 befinden sich in den Kraftübertragungsabschnitten 24a und 26a, die der Aufnahme der Spannbolzen 90 dienen« Nachdem die Schaufelfüße kha. in ihre Ringnut eingesetzt worden sind, werden die die Einheit bildenden Trommelteile 20a und 22a mit Hilfe der BoI-

en 90 und Muttern 92 miteinander verschraubt bzw, zusammengespannt. Selbstverständlich können anstelle der Bolzen auch andere Befestigungsmittel, wie beispielsweise Nieten, Verwendung finden, Gegenbenenfalls können innerhalb der Ringnut Distanzbuchsen ^k zum Versteifen die Bolzen 90 umgeben.

Ein wesentliches Merkmal der vorstehend beschriebenen, von den bisher bekannten Läuferbauarten abweichenden Erfindung ist die optimale Ausbildung der Schaufelhalterung durch das wechselseitige Zusammenwirken von vier Mechanismen oder baulichen Anordnungen, und zwar bilden erstens die zusammengefügten Bodenflansche der Schaufelfüße in der Tat bereits einen durchgehenden, in Umfangsrichtung verlaufenden, verbreiterten Ring; zweitens die weitesbnögliche Verwendung von Kräfte aufnehmenden Bauteilen, d.h. von Ringteilen, wie die in axialer Richtung voneinander getrennten Schaufelfußflansche 5^ und 56 sowie die Halteringe 36, welche alle in Umfangsrichtung im wesentlichen durchgehende Bauteile sind unabhängig von der Tatsache, daß bei der beschriebenen Bauart die Schaufeln selbst längs ihres Profils unter Spannung stehen, während die Distanz- bzw. Abdeckplatten zusätzlich als Spannteile wirken (hierzu ist zu bemerken, daß eine Scher-

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festigkeit im Gegensatz zu den meisten, bisher bekannten Läuferbauarten aus Blech nur von zweitrangiger Bedeutung ist); drittens werden die Kräfte von den Schaufeln durch deren Schwalbenschwanzteil oder deren gekrümmten Fußteil 52, statt, wie bei den bisherigen,weniger zweckdienlichen Bauarten, über zwei oder mehr Verbindungen nur über eine einzige Verbindung unmittelbar auf die Ringteile der Trommelteile übertragen; viertens ist der beschriebene Aufbau in einem weitaus größeren Ausmaß selbsttragend - infolge der in Umfangsrichtung verlaufenden, nicht unterteilten Ringteile, Mantelteile, Halteringe sowie der in Umfangsrichtung verlaufenden Bodenflansche der Schaufelfüße - als bei den üblichen, bisher bekannten Läuferbauarten. Es ist verständlich, daß die Verwendung von Blech eine doppelte Aufgabe zu erfüllen vermag, d.h. sowohl funktionell auch auch als reines Halterungsbauteil, bei einer fabrikmäßig vorgefertigten Läuferbauweise zu zweckdienlicheren, weniger aufwendigen und fortschrittlichen Leichtbau-Turbomaschinen-Einzelteilen führt.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims

PA TENTAN WÄL T£

ng. JPicAarä\ytfüäer-J@orner 1476769

PATENTANWALT MÜLLER-BÖRNER PATENTANWALT DIPL.-ING. WEY

BERLIN-DAHLEM PODBIELSKIALLEE 68 MÜNCHEN 22 W.DENMAYERSTRASSE

TELEFON 762907 TELEGRAMME: PROPINDUS TELEFON 225585 TELEGRAMME: PROPINDUS

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General Electric Company Scheneotady, N.Y. (USA)

Patentansprüche

1. Mit Schaufeln bestückter Trommelläufer für Gasturbinen-Aggregate in Leiohtbauweise , dadurch gekennzeichnet, daß für Jeden Schaufelkranz zwei ringförmige Trommelteile (20, 22) aus dünnwandigem Werkstoff, insbesondere aus Blech vorgesehen sind, die aus einem sich in radialer Richtung erstreckenden Ringteil (28 bzw· 30) und einem mit diesem durch einen Kraftübertragungsabschnitt (24 bwz. 26) verbundenen, sich in Umfangsrichtung eretreckenden, Tr omme leant e labschnitt (32 bzw. 34) bestehen, wobei die beiden Trommelteile (20, 22) in dem in radialer Richtung äußeren Bereioh der Ringteile (28, 30) mittels eines

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zylindrischen Halteringes (36) und an ihren in radialer Richtung inneren Enden längs der Stoßnaht (80) unmittelbar miteinander verbunden sind, und daß an jeder Läuferschaufel (^2) ein sich in radialer Richtung nach innen erstreckender, zwischen den Kraftübertragungsabschnitten (2k, 26) der beiden Trommelteile (20, 22) liegender und an diesen befestigter Steg (50) sitzt,und daß an den Trommelmantelabschnitten der Tromraelteile (20, 2?) Distanz- und Abdeckplatten (6o) befestigt sind, die an den einander benachbarten Schaufeln (**0) anliegen.

2. Trommelläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich in radialer Richtung nach innen erstreckende Schaufelfußsteg (50) der Schaufel (4o) mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Bodenflansch (58) und mit in axialer Richtung voneinander getrennten, sich in radialer Richtung erstreckenden Randflanschen (5**·ι 56) versehen ist, wobei der Bodenflansch (58) des Schaufel-Steges (50) an dem zylindrischen Haltering (36) und die Randflanschen (5^* 5&) ^atl den benachbarten Lastübertragungsabschnitten (24, 26) der Trommelteile (20, 22) befestigt sind.

3. Trommelläufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Distanz- und Abdeckplatten (60) mit sich in axialer Richtung erstreckenden Versteifungsrippen (7²O ^{und mit in}

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axialer Richtung voneinander getrennt angeordneten Randflanschen (66, 68) versehen sind, die an den in axialer Richtung voneinander getrennten Randflanschen (54, 56) des Schaufelfuß Steges (50) anliegen·

k_t Trommelläufer nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungeabschnitte (2k_t 26) der beiden Trommelteile (20, 22) und der zylindrische Haltering (36) eine durchgehende, in Umfangerichtung verlaufende Schwalbenschwanznut bilden, wobei der sich in Umfangsrichtung erstreckende Bodenflansch (58), der Schaufelsteg (50) und die Randflanschen (5¹*, 56) des Schaufelfußstegee eine Schwalbenschwanzverbindung mit dieser Nut bilden.

5. Trommelläufer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis k, im übrigen wie beschrieben und bzw. oder dargestellt.

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