DE2541637A1

DE2541637A1 - Schwanzrotor fuer drehfluegelflugzeuge

Info

Publication number: DE2541637A1
Application number: DE19752541637
Authority: DE
Inventors: Rene Louis Moulle
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1974-09-19
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1976-04-01
Also published as: JPS5734160B2; DE2541637C3; DE2541637B2; FR2285298B1; GB1514828A; JPS5166698A; IT1042160B; FR2285298A1; US4053258A

Description

2541637 Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch Patentanwälte

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Hans Dieter Gesthuysen Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 46 60l/Ba-th 43 Esten !,Theaterplatz3, Postf.789

16. September 1975

Patentanmeldung

SOCIETE NATIONALE INDUSTRIELLE AEROSPATIALE 37, Boulevard de Montmoreney

Paris (Seine) Prankreich

Schwanzrotor für Drehflügelflugzeuge.

Die Erfindung betrifft einen Schwanzrotor für Drehflügelflugzeuge, insbesondere in zweiflügeliger Ausbildung für leichte und wirtschaftliche Drehflügelflugzeuge mit einem im Mittelteil zwischen zwei auf der Rotorwelle befestigten, die Rotornabe bildenden Platten eingespannten plattenförmigen biegsamen Holm, dessen beide Hälften jeweils mit zwei die Rotorflügel bildenden Profilschalen derart verbunden sind, daß sein Mittelteil frei liegt.

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Unter den zahlreichen Schwanzrotortypen für Drehflügelflugzeuge oder Hubschrauber, welche als freie Schraube wirken, kennt man im wesentlichen Rotore mit zwei oder mehr Flügeln, welche getrennt voneinander mit Schlag- und Trimmgelenken angelenkt sind. Diese Gelenkrotoren haben jedoch den Nachteil, daß sie relativ kompliziert sind, da ihre Schlag- und Trimmgelenke Kugellager, Nadellager oder Rollager aufweisen, welche sehr genau geschmiert werden müssen, um im Betrieb Beschädigungen oder allzu hohen Verschleiß zu vermeiden. Tatsächlich sind diese Gelenke nicht nur durch hohe Zentrifugalkräfte beaufschlagt, welche von den Flügeln herrühren, sondern sie sind auch Schwingbewegungen unterworfen, welche ein Ausschlagen der Lager begünstigen.

Bei einem anderen bekannten Schwanzrotor für Hubschrauber besitzen die zweiflügeligen sogenannten "ausgeglichenen" Rotorflügel für beide Flügel ein einziges Schlaggelenk, während die beiden Flügel besondere Trimmgelenke aufweisen. Bei diesen Rotoren sind die beiden Flügel im allgemeinen starr ineinander eingepaßt, wobei sie an ihrer Wurzel bedeutenden konstanten Biegemomenten unterworfen sind.

Bei einer anderen Ausbildung wurde eine Vereinfachung des Schwanzrotors dadurch erreicht, daß das Schlaggelenk auf einem selbstschmierenden Ring angeordnet wurde und daß für die Trimmgelenke selbstschmierende Kugelgelenke verwendet wurden, welche gleichzeitig zur Flügelbefestigung dienen. Da diese "Kugelgelenke jedoch starken Zentrifugalkräften ausgesetzt sind, welche von den Flügeln herrühren, unterliegen sie einem sehr schnellen Verschleiß.

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Im Hinblick auf eine konstruktive Vereinfachung und eine Verminderung der Wartung hat man sich außerdem bei der Ausbildung von Schwanzrotoren von Konstruktionen leiten lassen, welche im wesentlichen ursprünglich für die Tragrotoren oder Tragflügel bestimmt waren, bei denen die Gelenke ausgeschaltet sind. So kennt man Konstruktionen zweiflügeliger Hauptrotore, welche einen einteiligen hohlen Holm für beide einander gegenüberliegende Flügel besitzen, welcher elliptischen Querschnitt aufweist und auf dem Rotormast mit Hilfe von Keilnuten befestigt ist. Dieser aus glasfaserverstärktem Kunstharz bestehende Holm ist beiderseits des Rotormastes mit einer Glasfaserabdeckung verklebt und trägt darunter eine Wabenmusterfüllung, sodaß ein Verbundflügel entsteht.

Die Steuerung dieser Flügel beim Trimmen durch Verdrehung des Holmes über einen Teil seiner Länge an der Wurzel eines jeden Flügels beaufschlagt das Gestänge sehr stark, sodaß Servosteuerungen erforderlich werden, welche kostspielig sind und in ihrer Wartung besondere Sorgfalt erfordern.

Bei einer anderen Ausbildung des Hauptrotors, welcher vier paarweise einander gegenüberliegende Flügel aufweist, wird jedes Flügelpaar von einem Holm mit rechteckigem Querschnitt getragen, welcher auf dem Rotormast mittels zweier Ober- und Unterplatten befestigt ist, die eine Aufnahmenut für den Holm aufweisen. Dieser Flügel besteht hierbei aus einer Schale, welche teilweise innig mit dem äußeren Ende des Holmes verbunden ist, während das nahe dem Rotormast liegende Teil dieser Schale nicht am Holm befestigt

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ist und in eine Ausweitung ausläuft. Der flexible Holm ist hierbei aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul hergestellt, der wenigstens 2,11 χ 10 kg/cm beträgt, wie beispielsweise aus Borfasern mit einem Kern aus Wolframdraht und/oder aus Graphitfasern, die sehr preisaufwendig sind, was mit den für einen leichten und wirtschaftlichen Hubschrauber vertretbaren Preisen unvereinbar ist.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Schwanzrotor für Drehflügelflugzeuge der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher ohne die Gelenke eines herkömmlichen Schwanzrotors auskommt, die aufgezeigten Nachteile der vorbeschriebenen gelenklosen Rotoren behebt, sehr preiswert herstellbar und dabei praktisch wartungsfrei ist.

Gekennzeichnet ist ein derartiger erfindungsgemäßer Schwanzrotor im wesentlichen dadurch, daß jede Profilschale im Bereich des Flügelfußes progressiv im Querschnitt vom eigentlichen Flügelprofil in einem Umdrehungszylinder übergeht, der seinerseits einen zylindrischen Flansch umfasst und damit verbunden ist, und daß innerhalb dieses zylindrischen Flansches beiderseits der die Nabe bildenden Platten zwei biegsame Klötze angeordnet sind, welche paarweise jeweils einen Flansch mit der Rotornabe elastisch verbinden.

Diese Klötze, welche vorzugsweise aus elastomeren Silikonblöcken mit großer Elastizität bestehen, sind vorzugsweise symmetrische Umdrehungskörper mit zur Mitte hin fortschreitender Verjüngung, was ihre ^iegung begünstigt. Der Durchmesser der Grundkreise dieser Klötze kann im wesentlichen gleich ihrer Höhe sein.

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Jeder zylindrische Plansch besitzt vorzugsweise einen kreisrunden Versteifungsbund sowie einen Seitenhebel, welcher die Steuerung der Flügelsteigung erlaubt und direkt am Flansch angeformt ist oder an diesem angesetzt ist.

Durch die zylindrische Form der Flansche wird es möglich, die gesamte Rotornabe ohne Schwierigkeiten mit einer Schutzverkleidung zu umgeben, welche aus zwei im wesentlichen zylindrischen Halbschalen besteht, welche diese Flansche umfassen.

Bei dieser erfindungsgemäßen Konstruktion eines Schwanzrotors erfüllen die zylindrischen Flansche trotz äußerst einfacher Konstruktion und Herstellung in äußerst vorteilhafter Weise vier wichtige Funktionen, und zwar:

bilden sie die Befestigungsteile für die Flügelschalen und helfen infolge ihrer der ebenfalls zylindrischen Form der Flügelfüße zugeordneten zylindrischen Form mit, das Rückholmoment der Flügel herabzusetzen, und gewähr-' leisten eine geeignete Verteilung der lokalen Kräfte der Steuerung der Steigung und der Stützkräfte im Pseudo-Schlaggelenk;

bilden sie starre Tragelemente für die elastischen Klötze, die sie mit der Rotornabe verbinden und welche durch ihre Biegsamkeit ein Schlagen und eine Veränderung der Flügelsteigung erlauben;

liefern sie Ansatzpunkte für die Lenker der Flügelsteigung;

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erlauben sie einen äußerst einfachen Einbau einer Schutzhaube für die Rotornabe.

Der gesamte erfindungsgemäße Schwanzrotor ist in seinem Aufbau und in seiner Herstellung äußerst einfach und wesentlich preiswerter als bisher bekannte Konstruktionen, und zwar sowohl im Hinblick auf die Herstellungskosten wie auf die Wartungskosten, wobei letztere praktisch vollkommen entfallen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Draufsich auf einen erfindungsgemäßen Schwanzrotor, wobei die Flügelenden fortgelassen wurden;

Figur 2 einen Schnitt durch Figur 1 längs der Linie II-II; Figur ^ einen Schnitt durch Figur 2 längs der Linie III-III; Figur 4 einen Schnitt durch Figur 2 längs der Linie IV-IV;

Figur 5 eine Seitenansicht des mit einer Schutzhabe abgedeckten Mittelteiles; und

Figur 6 einen Schnitt durch Figur 5 längs der Linie VI-VI.

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Bei dem in den Figuren dargestellten zweiflügeligen Schwanzrotor für einen Hubschrauber besteht dieser Rotor 1 im wesentlichen aus einem biegsamen und verdrehbaren Holm 2 mit abgeflachtem rechteckigem Querschnitt, der aus äußerst widerstandsfähigen Pasern mit niedrigem Elastizitätsmodul hergestellt ist, welche mit unter Wärmeeinwirkung aushärtendem Kunstharz umhüllt sind und somit ein Flügelblatt bilden, welches sich über die gesamte Spannweite des Rotors 1 erstreckt. Bei diesen Fasern handelt es sich um Glasfasern, deren Verwendung dadurch möglich wird, daß es sich bei der ersten natürlichen Zugverformung um eine Verformung mit zwei Knoten handelt. Tatsächlich werden die Bewegungen der Rotormitte, welche sich an einen Bauch der Verformung legt, in diesem Fall, d.h. bei einem zweiflügeligen Rotor, durch die Biegsamkeit der Tragwelle des Rotors und durch die Gesamtheit des Schwanzträgers des Hubschraubers ermöglicht. Unter diesen Umständen kann der Holm 2, ohne daß man übermäßige dynamische Zugspannungen bei ausschließlicher Verwendung von Glasfasern befürchten muß, derart dimensioniert werden, daß die erste Zugart über der Nenndrehzahl des Rotors liegt, sodaß beim Start und im Flug jegliche Resonanz ausgeschaltet wird.

Auf diesen Holm 2 und auf jedes seiner beiden Enden sind Verkleidungen aufgezogen, welche aus zwei Schalen 3 und H- bestehen, welche teilweise in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind und mit diesem Holm die beiden Flügel 5 und 6 des Rotors 1 bilden. Diese Schalen 5 und 4, welche aus Leichtmetall, oder aus mit Glasgewebe verstärktem Kunststoff hergestellt sind, sind mit dem Holm 2 über eine bestimmte Länge nahe seiner Enden verklebt,

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wobei die beiden Holmhälften im Bereich der Flügelwurzeln freigelassen werden, sodaß durch Verbiegung des Holmes 2 ein Schlagen der Flügel und durch Verdrehung eine Veränderung der Flügel-Steigung möglich ist.

Die Querschnittsform des Fußes eines jeden Flügels (Fig.2) entwickelt sich progressiv zur Rotormitte hin, und zwar vom eigentlichen Flügelprofil aus, um schließlich einen zylindrischen Nabenflansch 7 bezw. 8 zu bilden. Dieses Teil des Flügelfußes in Form eines Flansches ergibt einen ebenfalls zylindrischen Flansch 9 bezw. 10 und ist mit diesem verklebt, wobei dieser Flansch 9 bezw. 10 jeweils einen kreisrunden Versteifungsbund 11 bezw. 41 aufweist.

Ein Steuerhebel 12 für die Flügelsteigung, welcher mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden ist, ist einteilig mit dem Flansch 9 (Fig.l) ausgebildet. Wie Figur 1, rechte Hälfte, und Figur 4 zeigen, kann ein derartiger Hebel 13 auch am Bund 41 mittels einer Schraube 14 festgeschraubt sein.

Die zylindrische Form der Nabenflansche 7 und 8 sowie der Flansche 9 und 10 ist insofern äußerst vorteilhaft, als dadurch eine ausgewogene Verteilung der Trägheit um die der Drehachse bei der Steigung entsprechende Längsachse möglich ist, sodaß die Steuerkräfte so weit herabgesetzt werden, daß zur Veränderung der Steigung keine Servosteuerung mehr benötigt wird.

Auf das kegeistumpfförmige Ende 15 der Rotorwelle 16 (Fig.2) ist der Stutzen 17 einer unteren Platte 18 aufgeschrumpft, in

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welchem eine Längsnut 19 ausgebildet ist (Fig.3)· In dieser Längsnut ist der Holm 2 auf einem unteren Zwischenstück ruhend eingesetzt, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse des Schwanzrotors liegt und die Mitte einer Bohrung 21 bildet. Dabei wird Vorsorge getroffen, daß zwischen dem Ende 22 der Welle 16 und der Unterseite des Zwischenstückes 20 reichlich Spiel bleibt. Ein zweites Zwischenstück 23 ist derart auf dem Holm 2 angeordnet, daß ein bündiger Abschluß mit der Oberseite 24 der Platte 18 erreicht wird. Auf letzterer und auf dem Zwischenstück 23 liegt eine obere Platte 25 auf. Die beiden Zwischenstücke 20 und 23 und der Holm 2 werden zwischen der Unterplatte 18 und der Oberplatte 25 mittels eines Schraubbolzens 26 festgepreßt, der in eine Gewindebohrung im Ende der Rotorwelle l6 eingeschraubt ist, wobei die Oberplatte und die beiden Zwischenstücke eine der Bohrung 21 des Holmes 2 entsprechende Bohrung aufweisen. Beiderseits dieses Befestigungsbolzens 26 sind zwei Gewindespindeln 27 und 28 angeordnet, welche die beiden Platten l8 und 25, die die Rotornabe bilden, fest miteinander verbinden.

Die beiden Zwischenstücke 20 und 23 sind aus Glasgewebeplatten hergestellt, die mit Kunstharz umhüllt sind und durch Polymerisation fest mit dem Holm verbunden sind. Sie sind über eine begrenzte Länge zwischen den beiden Nabenplatten angeordnet, um jeden ungünstigen Kontakt zwischen dem Holm und den beiden Platten zu verhindern.

Zwischen dem zylindrischen Flansch 9 (innerhalb desselben) und zwei abgeflachten Verlängerungen 29 bezw. 30 der Unterplatte 18 bezw. der Oberplatte 25 der Nabe, welche den Holm 2 zwischen

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sich festhalten, sind in der die Längsachse des Holmes und die Drehachse des Rotors enthaltenden Ebene parallel zur letztgenannten Achse zwei elastische Klötze 31 angeordnet. Auch zwischen dem Plansch 10 und zwei einander gegenüberliegenden Verlängerungen 32 und 33 dieser Platten sind zwei derartige Klötze 31 angeordnet. Diese Klötze bestehen aus elastomeren Silikonblöcken mit großer Elastizität, welche eine symmetrische Umdrehungsform aufweisen. Die Grundkreise eines jeden Klotzes

31 haben einen im wesentlichen der Klotzhöhe entsprechenden Durchmesser, während der Klotz sich zur Mitte hin fortlaufend verjüngt, wodurch seine Biegsamkeit erleichtert wird.

Die Enden der Klötze 31 sind fest mit jeweils einer dünnen Metallplatte J>k verbunden, welche in entsprechende Aufnahmen eingesetzt sind, die einmal an der Innenseite der Plansche 9 und 10 und zum anderen in den abgeflachten Verlängerungen 29, 30,

32 und 33 der Nabe ausgebildet sind. Die Klötze 31 sind in ihren Aufnahmen zusammengepreßt eingesetzt, wodurch sie ohne zusätzliche Befestigung festgehalten werden und im Betrieb ohne langwierige Demontage ersetzt werden können. Sie dienen somit als Abstützung für den Flügelfuß, und zwar hauptsächlich während des Startens oder in Ruhelage des Rotors, während die Zentrifugalkraft nicht ausreicht, um den Holm zu spannen und zu stabilisieren. Andererseits erlauben sie infolge ihrer sehr großen Biegsamkeit bei Veränderungen der Steigung relativ große Verschiebungen der Plansche 9 und 10 gegenüber der Nabe, und zwar ohne ein zu ungünstiges Rückholmoment hervorzurufen, welches die Steuerungen stören würde. Sie bilden außerdem einen Gelenk-

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punkt für den gesamten Flügel 5» 6 während der Durchbiegung des den Holm 2 bildenden Blattes, welches dem Rotor die Konizität verleiht. Schließlich sind diese Klötze auch dazu bestimmt, stets mögliche Kopplungen zwischen den Schlagbewegungen und den Steigungsbewegungen zu vermeiden, und die Instabilität des Rotors zu begrenzen, und zwar im wesentlichen durch eine Verstärkung der Steifheit beim Schlagen eines jeden Flügels und seiner Befestigung.

Durch die zylindrische Form der beiden Flansche 9 und 10 ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit, die Rotornabe mittels einer oberen Halbschale 35 und einer unteren Halbschale 36 windschlüpfig zu verkleiden. Diese beiden im wesentlichen zylindrischen Halbschalen umfassen die beiden Flansche 9 und 10 mit einem derartigen Spiel, daß während der Flügelbewegungen jeglicher Kontakt ausgeschlossen ist (Fig. 5 und 6). Die obere Halbschale 35 besitzt zwei seitliche Vertiefungen 37 und 38, die beiderseits des Befestigungsbolzens 26 liegen und eine Verschraubung dieser Halbschale auf den oberen Enden der beiden Gewindespindeln 27 und 28 ermöglichen, die zur Befestigung der beiden Platten l8 und 25 auf der Nabe vorgesehen sind. Die untere Halbschale 36 besitzt entsprechend angepreßte Plansche 39 bezw. 40, sodaß sie an den unteren Enden der Gewindespindeln 27 und 2δ aufgeschraubt werden kann.

In den beiden Halbschalen 35 und 36 sind an der Stelle der Steigungshebel 12 und I3 nicht dargestellte Ausnehmungen ausgebildet, um den Durchgang dieser Hebel und deren entsprechenden

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Ausschlag zu ermöglichen. Eine derartige Verkleidung setzt einmal den Luftwiderstand der Nabe wesentlich herab und ergibt einen Nabenschutz, da jedes Eindringen von Wasser, Staub oder irgendeines anderen Fremdkörpers in die Aufnahme des flexiblen Blattes oder Holmes 2 verhindert wird, was die Rotorfunktion durch Ausbildung einer Unwucht oder beispielsweise Verklemmen stören würde.

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Claims

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Patentansprüche

j Schwanzrotor für Drehflügelflugzeuge, insbesondere in zweiflügeliger Ausbildung für leichte und wirtschaftliche Drehflügelflugzeuge mit einem im Mittelteil zwischen zwei auf der Rotorwelle befestigten, die Rotornabe bildenden Platten eingespannten blattförmigen biegsamen Holm, dessen beide Hälften jeweils mit zwei die Rotorflügel bildenden Profilschalen derart verbunden sind, daß sein Mittelteil freiliegt, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Profilschale (3; 4) im Bereich des Flügelfußes progressiv im Querschnitt vom eigentlichen Flügelprofil in einen Umdrehungszylinder (7J 8) übergeht, der seinerseits einen zylindrischen Flansch (9ί 10) umfaßt und damit verbunden ist, und daß innerhalb dieses zylindrischen Flansches beiderseits der die Nabe bildenden Platten (l8; 25) zwei biegsame Klötze (31) angeordnet sind, welche paarweise jeweils einen Flansch mit der Rotornabe elastisch verbinden.
2. Schwanzrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Klötze (j51) in der die Längsachse des Holmes (2) und die Drehachse des Rotors (1) enthaltenden Ebene angeordnet sind, wobei das einem Flansch (9 oder 10) entsprechende Klotzpaar parallel zur letztgenannten Achse liegt.
3. Schwanzrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klötze (3I) symmetrische Umdrehungskörper mit zur Mitte hin fortschreitender Verjüngung sind und der Durchmesser ihrer Grundkreise praktisch gleich der Höhe des Klotzes ist.

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4. Schwanzrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Klötze (31) zusammengepreßt zwischen dem zugeordneten Plansch (9 bezw. 10) und den gegenüberliegenden Teilen der die Nabe bildenden Platten (18; 25) eingesetzt sind.
5· Schwanzrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klötze (31) an jeder kreisrunden Stirnfläche mit einer dünnen Scheibe (34) verklebt sind, die jeweils in eine entsprechende Aufnahme eingelassen ist, welche in den Planschen (9;10) und den entsprechenden Teilen der die Nabe bildenden Platten (18; 25) ausgebildet sind.
6. Schwanzrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Klötze (31) aus elastomeren Silikonblöcken von großer Elastizität bestehen.
7. Schwanzrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Umdrehungszylinder (7; 8) des Flügelfußes auf die Außenseite des entsprechenden zylindrischen Flansches (9 bezw. 10) aufgeklebt ist.
8. Schwanzrotor nach Anspruch 1 oder 7> dadurch gekennzeichnet, daß jeder zylindrische Plansch (9; 10) einen kreisrunden Versteifungsbund (11; 14) aufweist.

8. Schwanzrotor nach Ansprach 1 oder ^r{, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zylindrische Flansch (9; 10) einen kreisrunden Versteifungsbund (11; 14) aufweist.

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9. Schwanzrotor nach einem der Ansprüche 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem der beiden Plansche (9; 10) eine seitliche Verlängerung angeformt ist und einen Hebel zur Steuerung der Blattsteigung bildet.
10. Schwanzrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Rotornabe von einer aus zwei im wesentlichen zylindrischen Halbschalen (35> 56) bestehenden, die zylindrischen Flansche (9; 10) abdeckenden Verkleidung umhüllt ist.

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