DE2227279A1

DE2227279A1 - Im querschnitt veraenderbare duese fuer gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2227279A1
Application number: DE2227279A
Authority: DE
Inventors: Norman Robert Robinson
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-06-11
Filing date: 1972-06-05
Publication date: 1973-04-26
Also published as: JPS5319724B1; FR2140626B1; IT956132B; GB1381503A; US3786992A; DE2227279C3; DE2227279B2; FR2140626A1

Description

Rolls-Royce (1971) Limited, Derby, Derbyshire, England.

Im Querschnitt veränderbare Düse für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung betrifft eine im Querschnitt veränderbare Schubdüse für Gasturbinenstrahltriebwerke,

Die Erfindung geht aus von einer Düse mit veränderbarem Querschnitt für ein Gasturbinenstrahltriebwerk, bestehend aus einer ringförmigen Anordnung von Primärklappen, die an einem Ende"schwenkbar gelagert sind und mit ihrem anderen Ende nach der Achse des Triebwerks und von dieser weg" beweglich sind. Gemäß der Erfindung sind die Primärklappen mit Rollenführungen ausgestattet, die mit Rollenführungen benachbarter Primärklappen zusammenwirken, um sich verjüngende Rollenführungen zu bilden, wobei Rollen in diesen sich verjüngenden Rollenführungen laufen, und Mittel vorgesehen sind, um relative Axialbewegungen zwischen den Rollen und den sich verjüngenden Rollenführungen derart zu bewirken, daß die anderen Enden der Primärklappen nach der Achse der Klappenanordnung und von dieser weg beweglich sind;

Die Primärklappen können naoh der Achse entgegen dem Druck der durch die Düse strömenden Gase beweglich sein oder sie können sich von der Achse unter dem Einfluß des Gssdruckes wegbewegen.

Die Primärklappen können an ihrem stromoberseitigen Ende mit axial verschiebbaren Abschirmkörpern verbunden sein.

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Die Abschirmkörper werden zweckmäßigerweise durch pneumatische oder hydraulische Kolbenzylinderantriebe bewegt.

Die Rollenanordnung kann aus mehreren Rollen bestehen, die am stromunterseitigen Ende von axial angeordneten Armen gelagert sind, deren stromoberseitiges Ende schwenkbar mit dem Strahlrohr des Gasturbinenstrahltriebwerks verbunden ist.

Vier parallele"Rollen können am stromunterseitigen Ende der Arme derart angeordnet waden, daß ihre Zentren ein Trapez definieren, dessen nicht parallel zueinander verlaufende Seiten der Verjüngung der Rollenführung entsprechen.

Vorzugsweise stehen die beiden stromoberseitigen Rollen in Umfangsberührung miteinander, mit den Rollenführungen und mit den beiden stromunterseitigen Rollen.

Die Rollenführungen können auf axial und radial angeordneten Oberflächen der Primärklappen mittels der Arme derart gelagert sein, daß die Rollenführungen auf die axial verlaufenden und radial angeordneten Oberflächen der Primärklappen hin gerichtet sind, an denen sie festgelegt sind.

Die Sekundärklappen können überlappend zwischen den Primärklappen vorgesehen sein.

Die stromoberseitigen Enden der Primärklappen und der Sekundärklappen stehen vorzugsweise in Gleitberührung mit dem stromunterseitigen Ende des Strahlrohres, so daß eine gasdichte Verbindung zustandekommt.

Die Primärklappoi und die Sekundärklappen können so ausgebildet sein, daß eine Konvergent-Divergentdüse geschaffen wird.

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Die Primärklappen können Je ein äußeres Primärklappenteil aufweisen, das fest an seiner radial äußeren Oberfläche angeordnet ist.

Zwischen den äußeren Primärklappenteilen können überlappend äußere Sekundärklappen angeordnet werden.

Die Sekundär klappen können jeweils schwenkbar mit ihren stromunterseitigen Enden an den stromunterseitigen Enden der Sekundärklappen befestigt sein, die sich über die radial äußere Oberfläche der Sekundärklappen erstrecken und die äußeren Primärklappenteile überlappen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine scbanatische Seitenansicht eines mit einer Verstelldüse gemäß der Erfindung ausgestatteten Strahltriebwerks,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Verstelldüse gemäß der Erfindung mit ihrem Verstellmechani smus,

Fig. 3 in größerem Maßstab eine perspektivische Ansicht der Dichtung zwischen einzelnen Klappen der Düse gemäß Fig.2,

Fig. 4 in größerem Maßstab eine perspektivische Ansicht des Mechanismus, der die Düse gemäß Flg.2 yerstellt.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 12, das in Strömungsrichtung hintereinander einen Verdichter 1>, eine Verbrennungseinrichtung 14, eine Turbine I5, einen Nachbrenner 16 und eine Verstelldüse 17 aufweist.

Die Konstruktion der Düse 17 kann aus Fig.2 entnommen werden. Eine Ringwand 18 ist an ihrer radial innenliegenden Oberfläche mit zwei ringförmigen, im axialen Abstand liegenden Kanalbleqhen 19 und 20 versehen. Diese Kanalbleche 19 und 20 sind an ihrer radial inneren Oberfläche mit mehreren, im gleichen Abstand zueinander angeordneten Lagern 21 versehen. Die Lager 21 greifen in-

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-ihrerseits gleitbar in axial verlaufende, in entsprechendem Abstand zueinander liegende Lagerführungen 22 ein, die auf der radial äußeren Oberfläche des Strahlrohrs 25 angebracht sind. Die Ringwand 18 ist über der radial äußeren Oberfläche des Strahlrohres 25 axial verschieblich.

Die Ringwand l8 wird durch eine ringförmige Anordnung von zwölf im gleichen Winkelabstand angeordneten pneumatischen Kolbenantrieben 24 verschoben. Das stromunterseitige Ende Jedes Kolbenantriebs 24 ist schwenkbar mit einer Trägerplatte 25 verbunden, die fest an dem axial stromoberseitigen ringförmigen Kanalblech 20 festgelegt ist. Das stromoberseitige Ende jedes Kolbenantriebs 24 ist schwenkbar mit dem Strahlrohr 25 verbunden.

Mehrere Betätigungsrahmen 26 sind schwenkbar mit ihren gegabelten , axial stromoberseitigen Enden an dem axial stromunterseitigen Kanalblech I9 angelenkt. Jeder Betätigungsrahmen hat einen im wesentlichen H-förmigen Querschnitt, wobei der Steg 27 zwischen den Flanschen des nicht gegabelten Abschnitts axial verläuft und radial bezüglich der Achse des Triebwerks 12 angeordnet ist.

Der radial innere Plansch eines jeden Betätigungsrahmens 26 entspricht der Form einer jeden Primärklappe 2Ö, die daran festgelegt ist. Jede Primärklappe 28 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf und ist an jedem Betätigungsrahmen 26 derart angeordnet, daß ihre nicht parallelen Seiten axial verlaufen und die längere der Parallelseiten stromoberseitig der kürzeren liegt. Die nicht parallel verlaufenden Seiten können gekrümmt sein.

Der axial stromoberseitige Abschnitt 29 jeder Primärklappe 28 kann, wie aus Fig.5 ersichtlich, von der Achse des Triebwerks 12 nach oben gebogen sein. Dieser abgebogene Teil 29 liegt gleitbar an einer Lippe 30, die auf dem axial nach hinten verlaufenden Rand

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des Strahlrohres 23 ausgebildet ist. Der Betrag, in dem der Abschnitt 29 aufgebogen ist, wird so gewählt, daß der Abschnitt 29 in allen Betriebsstellungen der Klappen 28 in Dichtungsberührung mit der Lippe 30 steht.

Das axial stromunterseifcige Ende jeder Primärklappe 28 ist ebenfalls von der Triebwerksachse derart abgebogen, daß im Betrieb das Längsprofil jeder Klappe 28 im wesentlichen konvergent-divergent verläuft.

Abwechselnde Betätigungsrahmen 26 sind an jeder Axial verlaufenden Seite des Steges 27 angeordnet,wobei zwei im axialen Abstand liegende, im wesentlichen quer verlaufende Portsätze 31 vorgesehen sind. Jeder Fortsatz 31 weist eine U-Form auf, derart daß die Arme im Abstand und parallel zueinander liegen.

Die freien Enden der Arme des Fortsatzes 31 sind an den Stegen 27 so festgelegt, daß die Arme in Richtung stromaufwärts im Winkel zueinander verlaufen und sie sind relativ zur Achse des Triebwerks übereinandergefügt.

Die Enden eines jeden Paares von Fortsätzen Jl, die von dem Steg 27 abgewandt sind, werden durch einen Träger 33 verbunden. Jeder Träger 33, von denen einer aus Fig.4 ersichtlich ist, ist an jedem Ende mit einem Fortsatz 34 ausgestattet. Die Fortsätze 34 ruhen in den Enden der Armfortsätze 31, deren Lageroberfläche zylindrisch oder sphärisch ist.

jeder Träger 33 ruht derart in dem Fortsatz 31, daß jene Oberfläche, die dem Steg 27,an dem die Fortsätze 3I befestigt sind, zugewandt ist, eine Rollenführung 35 bildet, die im wesentlichen senkrecht zu den Fortsätzen 3I verläuft.

Die übrigen Betätigungsrahmen 26 sind auf jeder Seite des Steges 27 mit zwei im axialen Abstand liegenden Fortsätzen 36 ausgestattet.

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Diese Portsätze 36 gleichen den Portsätzen 3I und unterscheiden sich von diesen nur dadurch, daß die Arme der Portsätze 36 genügend weit auseinanderliegen, um den Durchtritt der Teile 31 und dazwischen zu ermöglichen. Die Enden eines jeden Paares von Portsätzen 36, die dem Steg 27 abgewandt sind, werden durch einen Träger 37 verbunden, der jenem Träger 33 entspricht, welcher die Fortsätze 31 verbindet, und dieser Träger 37 ist auch in ähnlicher Weise gelagert. Ebenso wie der Träger 33 trägt auch der Träger eine Rollenführung 38. Sämtliche Führungen können, wie bei 35, angedeutet, kanalförmig gestaltet sein, um die Rollen in Richtung parallel zur Rollenachse zu führen.

Die Portsätze 31 und 36 sind genügend lang und so auf den Stegen 27 angeordnet, daß die Träger 33 und 37 so miteinander wirken können, daß ihre jeweiligen Rollenführungen 35 und 38 eine einzige, sich verjüngende Rollenführung 39 bilden. Die Verjüngung der Rollenführung 29 ist derart, daß das stromobeiseitige Ende schmaler ist als das stromunterseitige Ende.

Eine ringförmige Anordnung von Betätigungsarmen 40, von denen jeder am stromunterseitlgen Ende eine Rollenanordnung 41 trägt, ist schwenkbar mit ihren stromoberseitigen Enden am stromunterseitigen Ende des Strahlrohres 23 festgelegt. Jede Rollenanordnung 41, von der eine aus Fig.4 ersichtlich ist, besteht aus vier parallelachsig gelagerten Rollenpaaren.

Die beiden Primärrollen 42 des ersten Paares, die an der sich verjüngende Rollenführung 39 und aufeinander ablaufen, sind lose auf Achsen stromoberseitig der SekundöriOllen 43 des zweiten Paares gelagert. Die Sekundärrollen 43 stehen nicht miteinander oder mit der Führung 39 in Berührung und ihre Achsen sind relativ zu dem entsprechenden Betätigungsarm 40 festgelegt. Auf diese Weise verhindern die Sekundärrollen 43, daß sich das entsprechende Paar von Primärrollen 42 unter dem Einfluß der verjüngten Rollen-

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führung 29 nach hinten bewegt, weil diese Rollen in Rollberührung miteinander stehen. Die Rollen 42 und 43 sind derart angeordnet, daß die in Längsrichtung verlaufende Verjüngung, die durch die Rollenachsen definiert wird, im gleichen Sinne verläuft, wie die in Längsrichtung verlaufende Verjüngung der Rollenführung 39.

Die Arme 40 sind am Strahlrohr 23 derart festgelegt, daß jeweils eine Rollenanordnung 41 in jeder verjüngten RollenfUhrung 39 zu liegen kommt. Die Rollenanordnung 41 sind in jeder Rollenführung 39 derart angeordnet, daß eine relative Axialbewegung zwischen ihnen dazu führt, daß die Träger 33 und 37 gespreizt werden oder sich aufeinander zu bewegen können. Es ist ersichtlich, daß bei Spreizung der Teile 33 und 37 die Betätigungsrahmen 26 in entsprechender Weise nach der Achse des Triebwerks 12 hin oder von dieser weg verschwenkt werden.

Die axial verläufenden Ränder der Primärklappen 28 sind nach außen so verschränkt, daß sie die axial verlaufenden Ränder der Sekundärklappen 44 aufnehmen, die daxzwischen angeordnet sind. Das Längsprofil jeder Sekundärklappe 44 ist jenem der Primärklappen 26 ähnlich, so daß die Klappen 26 und 24 zusammen eine im wesentlichen kontinuierlich verlaufende ringförmige Konvergent-Divergent-Düse bilden.

Die stromoberseitigen Abschnitt der Sekundärklappen 44 sind gleitbar auf dem stromunterseitigen Ende des Strahlrohres 23 in der gleichen Weise wie die Primärklappen 28 darauf liegen. Die Primärklappen 26 und die Sekundärklappen 44 bewegen sich demgemäß im gleichen Sinn.

Die stromoberseitigen Enden der Primärklappen 28 und der Sekundärklappen 44 sind durch eine Schlitz-Zapfen-Verbindung verbunden. Die beiden mit seitlichem Abstand angeordneten Zapfen 45 sind

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am stromoberseitigen Ende jeder Sekundärklappe 44 angeordnet.

Jeder Zapfen 45 liegt in einem entsprechenden querverlaufenden
Schlitz 45a im axial stromoberseitigen Ende der Primärklappen 28_f '

Das stromunterseitige Ende jeder sekundärklappe 44 ist schwenkbar ' mittels eines Gelenkes 46 an einer äußeren Sekundärklappe 47
angelenkt. Die Klappe 47 wird im Mittelteil durch eine Feder 48
getragen, die am radial äußeren Rand des stromunterseitigen Endes
des Armes 40 angebracht ist. Die Feder 48 ist an ihrem radial äußeren Rand mit einem radial verlaufenden Zapfen 49 versehen, der
in einen Längsschlitz 50 der äußeren Sekundärklappe 47 einsteht.
Die stromunterseitigen Enden der äußeren Sekundärklappen 47 werden
durch die Federn 48 in Gleitberührung mit dem radial nach innen j gerichteten Rand des stromunterseitigen Endes der Ringwand 18 · gehalten. \

Die radial äußeren Flansche eines jeden Betätigungsrahmens 26 \

sind mit einer äußeren Primärklappe 51 ausgestattet, die daran j

festgelegt ist. Jede äußere Primärklappe 51 ist trapezförmig ge* i

staltet und so angeordnet, daß die nicht parallelen Ränder in Lings* I

richtung verlaufen und dabei gekrümmt sein können, während die ;

längere Seither parallelen Ränder stromoberseitig des kürzeren ₍

Randes liegt. Die radial innere Oberfläche der in Längsrichtung ⁵

verläufenden Rändern jeder äußeren Primärklappe 51 steht überlappen \

in Gleitverbindung mit der radial äußeren Oberfläche der in Längs- ί

richtung verlaufenden Ränder der äußeren Sekundärklappen 47. Die , axial stromoberseitigen Ränder der äußeren Primärklappen 51 liegen

gleitbar auf dem radial nach innen gerichteten Rand des stromunter- *

Rand einer jeden Sekundärklappe 47 ist mit zwei quer im Abstand !

zueinander liegenden, radial verlaufenden Zapfen 52 versehen* Diese i

Zapfen 52 liegen in entsprechenden quer verlaufenden Schlitzen 5J5 I

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in den stromoberseitigen Rändern der äußeren Primärklappen 44.

Zwischen den stromunterseitigen Rändern der äußeren Primärklappen 51 und den inneren Primärklappen 28 können Zwischenräume vorhanden sein, damit Kühlluft zwischen dem Strahlrohr 23 und der Ringwand 18 ^! und durch den Klappenbetätigungsmechanismus in den Hauptstrom fließen kann.

Wenn der Nachbrenner eingeschaltet ,ist, ist es oft erwünscht, eine große Strahlquerschnittsfläche mit geringer Konvergenz und hoher Divergenz zu haben. Diese Bedingung wird durch die erfindungsgemäße Düse erfüllt, wenn diese in der Stellung A befindlich ist. Wenn jedoch der Nachbrenner abgeschaltet ist, ist es oft erwünscht, eine Strahlrohrdüse mit geringerer Querschnittsfläche zu haben, die eine hohe Konvergenz und eine geringe Divergenz besitzt. Diese Bedingung wird durch die erfindungsgemäße Düse in der Stellung B erfüllt.

Wenn das Triebwerk arbeitet, hat der die Düse 17 verlassende Strahl die Neigung, die Klappen 28 und 44 und infolgedessen die Betätigungs· rahmen 26 naih außen zu drücken. Wenn die Rahmen 26 radial nach außen schwenken, werden die Träger 33 und 37 zusammengezogen. Da diese Träger 33 und 37 durch die Rollenanordnungen 41 getrennt sind und da die durch die Träger 33 und 37 definierte Rollenführung 39 verjüngt ist, bestimmen die relativen Stellungen von Rollenanordnung und Trägern 33 und 37 die Schwenkstellungen der Klappen 28 und 44 und demgemäß die Querschnittsfläche der Düse 17.

Eine Relativbewegung zwischen den Rollenanordnungen 41 und den Trägern 33 und 37 wird durch die Axialverschiebung der Ringwand l8 ' bewirkt. Demgemäß wird die Verstellung der Düse 17 aus der Stellung A in die Stellung B dadurch bewirkt, daß die Ringwand 18 axial nach hinten verschoben wird. Die Träger 33 und 37 werden in entsprechender Weise axial nach hinten verschoben und demgemäß durch die Rollenanordnungen 41 gespreizt, was dazu führt, daß die Betätigungsrahmen 26 und die hieran festgelegten Klappen in die Stellung B eingeschwenkt werden.

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Eine Rückführung in die stellung A wird in umgekehrter Weise erreicht.

Die Betätigungsrahmen 26 werden durch nicht dargestellte Mittel so gehalten, daß bei Betätigung alle Teile der Düse etwa die gleiche Bewegung durchführen und zwar unabhängig davon, ob ein Gasdruck , herrührend vom Gasstrom, vorhanden ist oder nicht. Demgemäß dürfen die Rollen in den Rollenanordnungen 41 unter allen Betriebsbedingungen höchstens ein kleines Spiegel gegenüber den Rollenführungen aufweisen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche :

!./Düse mit veränderbarem Auslaßquerschnitt für ein Gasturbinen- ^- strahltriebwerk, bestehend aus einer ringförmigen Anordnung von primären Klappen, die an einem Ende schwenkbar gelagert sind und sich mit ihrem anderen Ende nach der Triebwerksachse und von dieser wegbewegen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Primärklappen (26,28) mit Rollenführungen (35,38) versehen sind, die mit Rollenführungen (35,38) benachbarter Primärklappen (26,28) in der Weise zusammenwirken, daß sich verjüngende Rollenführungen (39) definiert werden, daß in den sich verjüngenden Rollenführungen (39) Rollenanordnungen (41) befindlich sind und daß Mittel (18) vorgesehen sind, um eine relative axiale Bewegung zwischen den Rollenanordnungen (41) und den verjüngten Rollenführungen (39) derart bewirken, daß die anderen Enden der Primärklappen (26,28) nach der Triebwerksachse hin bzw. von dieser weg bewegt werden.

2. Verstelldüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzei chnet ,

daß die Prirnärklappen (26,28) an ihrem stromoberseitigen Ende schwenkbar mit einer axial verschiebliehen Ringwand (18) verbunden sind.

3. Vers-telldüse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die ftin&wand (l8) durch mehrere pneumatische oder hydraulische Kolbenantriebe (24) verstellbar ist.

4. Verstelldüse nach den Ansprüchen 1 bis 3* . dadurch gekennzeichnet,

daß die Rollenanordnung (41) mehrere Rollen (42,43) aufweist,die am stromunterseitigen Ende eines axial verlaufenden Armes (40)

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angeordnet sind, wobei das stromoberseitige Ende jedes Armes am Strahlrohr (23) des Gasturbinentriebwerks (12) angelenkt ist.

5. Verstelldüse nach Anspruch 4,
dadurch gekennzei chnet,

daß vier Rollen (42,45) parallelachsig am stromunterseitigen Ende des Armes (40) so gelagert sind, daß ihre Achsen ein Trapez definieren, dessen nicht parallele Seiten der Verjüngung der Rollenführung (j59) entsprechen.

6. Verstelldüse nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden stromoberseitigen Rollen (42) sowohl miteinander als auch mit der Rollenführung (39) und mit den beiden stromunseitigen Rollen (43) in Umfangsberührung stehen.

7. Verstelldüse nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rollenführungen (35,38) von axial verlaufenden und radial angeordneten Oberflächen (27) der Primärklappen (26,28) über Portsätze (31,36) derart gelagert sind, daß jede Rollenführung (35,38) der axial verlaufenden und radial angeordneten Oberfläche (27) der Primärklappe (26,28) gegenüberliegt, an welcher sie festgelegt ist.

8. Verstelldüse nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß Sekundärklappen (44) überlappend zwischen den Primärklappen (26,28) vorgesehen sind.

9. Verstelldüse nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß das stromoberseitige Ende der Primärklappen (26,28) und der Sekundärklappen (44) in Gleitberührung mit dem stromunterseitlgen Ende des Strählrohrs (23) derart steht, daß eine Gasdichtung erzielt wird.

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10. Verstelldüse nach den Ansprüchen 8 oder 9»

dadurch gekennzeichnet, '

daß die Primärklappen (26,28)und die Sekundärklappen (44) so gestaltet sind, daß eine Konvergent-Divergent-Düse gebildet wird.

11. Verstelldüse nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzei ahnet ,

daß jede Primärklappe (26,28) ein äußeres Primärklappenteil (51) aufweist, welches fest auf der radial äußeren Oberfläche angeordnet ist.

12. Verstelldüse nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß die äußeren Sekundärklappen (47) überlappend zwischen den äußeren Primärklappen (51) liegen.

15. Verstelldüse nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die äußeren Sekundärklappen (47) schwenkbar über ihre strotnunterseitigen Enden an den stromunterseitigen Enden der Sekundärklappen (44) gelagert sind.

14. Verstelldüse nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß die äußeren Sekundärklappen (47) sich über die radial äußere Oberfläche der Sekundärklappen (44) erstrecken und die äußeren Primärklappen überlappen.

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