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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserturbine für ein Wasserkraftwerk, sowie ferner ein Wasserkraftwerk mit selbiger.
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Turbinen werden in Wasserkraftwerken dazu eingesetzt, mittels rotatorischen Antriebs ihrer Turbinenschaufeln unter Ausnutzung der kinetischen Energie einer Wasserströmung elektrische Energie zu erzeugen. Hierbei wird grundsätzlich unterschieden zwischen Turbinen, die über eine Rotorwelle ein Drehmoment in einen Bereich außerhalb eines Strömungskanals übertragen, wo sodann das an der Rotorwelle vorliegende Drehmoment zum Antrieb eines Generators genutzt wird, und solchen Turbinen, bei denen die Turbinenrotoren unmittelbar mit einem Läufer eines Generators verbunden sind. Erstgenannte Typen sind unter anderem aus
DE 10 2008 045 500 A1 bekannt. In letzterem Fall spricht man von sogenannten Straight-Flow Turbinen. Sofern die Rotationsachse der Turbinen im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Wassers liegt, spricht man von Axial-Turbinen.
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Sämtlichen Turbinentypen, insbesondere den Axialturbinen, ist die Herausforderung gemein, dass auf die Turbinenschaufeln hohe axiale Kräfte wirken, die auf den Druck des Wassers zurückzuführen sind. Ferner erreichen die Turbinen hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten ihrer Rotoren, was insbesondere in Verbindung mit den aufzunehmenden Kräften für Verschleiß sorgt.
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Die aufgrund der axialen Kräfte und aufgrund der Rotation einwirkenden Kräfte werden im Stand der Technik von ein- oder mehrreihigen Wälzlageranordnungen aufgenommen, die nach Art einer Innenlagerung die Rotorwelle abstützen und im Wesentlichen zentral im Strömungskanal angeordnet sind. Üblicherweise werden im Stand der Technik diese Lagerungen von separaten Stützeinrichtungen gehalten, welche beispielsweise in die benachbart zu den Turbinenrotoren selbst angeordneten Leitapparaten angeordnet sein können.
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Die bekannte Art der Lagerung hat zum einen den Nachteil, dass für die Innenlagerung freier Strömungsquerschnitt im Strömungskanal geopfert werden muss. Zum anderen entsteht an den Lagern aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse aufgrund hoher Flächenpressungen potentiell Verschleiß.
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Es ist ferner in Extremfällen denkbar, dass bei Versagen der Lagerdichtungen oder der Lager selbst Schmierstoff austreten und das die Turbine durchströmende Wasser kontaminieren kann.
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Der Erfindung lag vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, eine Wasserturbine der eingangs bezeichneten Art sowie ein Wasserkraftwerk mit selbiger anzugeben, die die vorstehend erwähnten Nachteile möglichst weitgehend überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wasserturbine und ein Wasserkraftwerk anzugeben, die eine verminderte Verschleißanfälligkeit aufweisen. Ferner lag der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Wasserturbine sowie ein Wasserkraftwerk anzugeben, bei der eine Kontaminierung des durchströmenden Wassers mit Schmierstoff zuverlässig vermieden werden kann. Ferner lag der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Wasserturbine und ein Wasserkraftwerk anzugeben, die eine kompakte Bauweise ermöglichen bei gleichzeitig hoher Effizienz in der Stromerzeugung.
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Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe, indem sie eine Wasserturbine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 vorschlägt. Die Wasserturbine gemäß der Erfindung weist einen Strömungskanal mit einem Strömungseinlass und einem Strömungsauslass auf, einen in dem Strömungskanal angeordneten Turbinenrotor mit einer Rotationsachse, einem Ringgenerator zum Erzeugen elektrischer Energie mit einem Generatorrotor und einem Generatorstator, wobei der Generatorrotor mit dem Turbinenrotor zu einer Rotoreinheit drehfest verbunden ist, und einer Lagereinheit zur Aufnahme der auf die Rotoreinheit wirkenden radialen axialen Kräfte, wobei die Lagereinheit bezogen auf die Rotationsachse radial außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist. Sofern im Zusammenhang mit der Erfindung von einem Ringgenerator gesprochen wird, so wird hierunter vorzugsweise ein getriebeloser, fremderregter Synchrongenerator verstanden.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass durch die Abkehr vom etablierten Konzept der Innenlagerung zeitgleich zwei Vorteile erreicht werden können. Dadurch, dass die Lagereinheit radial außerhalb des Strömungskanals angeordnet wird, weisen die Lager der Lagereinheit zwangsläufig größere Lagerflächen auf, als im Inneren des Strömungskanals realisierbar wären. Dadurch sinkt die Flächenpressung, die auf die Lagerflächen wirkt, was eine deutliche Reduzierung des potentiellen Verschleißes zur Folge hat. Ferner wird selbst im Versagensfall der Lagereinheit eine Kontamination des Strömungskanals mit Schmierstoff ausgeschlossen, da die Lagereinheit nicht mehr innerhalb, sondern radial außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil zeigt sich darin, dass durch das Verlagern der Lagereinheit nach außerhalb des Strömungskanals mehr freier Strömungsquerschnitt im Strömungskanal zur Verfügung steht, um die Funktion der Turbine zu realisieren. Dies ermöglicht insgesamt eine kompaktere Bauform, ohne die Effizienz der Turbine einzuschränken.
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Die Erfindung wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Lagereinheit mindestens ein Axiallager, vorzugsweise zwei Axiallager, und mindestens ein Radiallager, vorzugsweise zwei Radiallager aufweist. Vorzugsweise liegen sämtliche Lagerflächen bezogen auf die Rotationsachse radial außerhalb des Strömungskanals.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das mindestens eine Axiallager und/oder das mindestens eine Radiallager als Gleitlager ausgeführt. Die Ausführung als Gleitlager wird durch die Verringerung der Flächenpressung ermöglicht, die mit dem Verlegen der Lagerung nach radial außerhalb des Strömungskanals einhergeht.
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Durch die Verwendung von Gleitlagern wird ein konstruktiv einfacheres Design mit weniger Komponenten gegenüber bekannten Wasserturbinen erreicht. Gleitlager übernehmen zuverlässig ihre Lagerfunktion bei den hohen Umfangsgeschwindigkeiten, die bei der radial außerhalb der Strömungskammer angeordneten relativ bewegten Lagerflächen auftreten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Lagereinheit zwei in Richtung der Rotationsachse beabstandete Außenlagerringe auf. Die Außenlagerringe nehmen vorzugsweise in montiertem Zustand die Rotoreinheit zwischen sich auf.
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Vorzugsweise weisen die Außenlagerringe einander zugewandte Axiallager-Außenflächen auf, und die Rotoreinheit weist korrespondierend ausgebildete, gegenüberliegend angeordnete Axiallager-Innenflächen zum Bilden der Axiallager auf. Durch entsprechende Positionierung der beiden Außenlagerringe lässt sich auf diese Weise beidseitig der Rotoreinheit das Axialspiel der Lagereinheit bereits werkseitig sehr präzise einstellen, was die Verschleißanfälligkeit wiederum reduziert. Vorzugsweise sind die beiden Außenlagerringe als identische Bauteile ausgeführt, was die Bauteilkomplexität senkt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Außenlagerringe jeweils eine umlaufende Radiallagerfläche auf, vorzugsweise eine Radiallager-Innenfläche, und die Rotoreinheit weist jeweils eine korrespondierende, gegenüberliegend angeordnete Radiallagerfläche, vorzugsweise Radiallager-Außenfläche, zum Bilden der Radiallager auf. Während bei einer Wasserturbine die Kräfte, die in axialer Richtung aufgenommen werden müssen, um ein Vielfaches höher sind als die Kräfte, die in radialer Richtung aufgenommen werden müssen, ist eine zuverlässige und vor allem präzise radiale Lagerung dennoch unerlässlich. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein getriebeloser fremderregter Synchrongenerator zum Erzeugen elektrischer Energie verwendet werden soll. Bei diesem Generatortyp ist zwischen Generatorrotor und Generatorstator nur ein sehr geringer Spalt vorgesehen. Aufgrund des geringen Spalts und der aufgrund des großen Durchmessers des Generatorrotors vorherrschenden hohen Umfangsgeschwindigkeiten ist eine sehr präzise Ausrichtung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator unerlässlich. Zudem muss, um eine möglichst homogene Spannungsinduktion zu erreichen, der Spaltverlauf während des Betriebs des Generators möglichst konstant sein. Hierzu ist eine Lagerung mit möglichst geringem radialem Spiel erforderlich. Dies wird vorbildlich durch ein als Gleitlager ausgebildetes Radiallager erfüllt. Indem die Außenlagerringe die Radiallager-Innenfläche aufweisen, und die Rotoreinheit die Radiallager-Außenfläche, die als radial außen auf der Radiallager-Innenfläche umläuft, wird die radiale Lagerfläche größtmöglich gestaltet. Hierdurch sinkt zum einen die Flächenpressung.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Wasserturbine weisen die Außenlagerringe auf ihren Lagerflächen Gleitbeläge auf. Mit Lagerflächen sind hierbei die Axiallagerflächen und die Radiallagerflächen gemeint, die vorstehend beschrieben wurden. Die Gleitbeläge sind vorzugsweise in Form mehrerer, vorzugsweise voneinander beabstandeter, Segmente auf den jeweiligen Lagerflächen angeordnet.
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Die Gleitbeläge sind vorzugsweise aus Elastomeren oder Duromeren ausgebildet. Die Aufteilung der Gleitbeläge in eine Mehrzahl von Segmenten ermöglicht einerseits das Ausbilden von Schmierstoffkissen in den Zwischenräumen zwischen den Segmenten, und zum anderen erzielt das Austauschen nur solcher Segmente, die beschädigt sind, während andere Segmente nicht ausgetauscht werden müssen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Wasserturbine ist die Lagereinheit wassergeschmiert. Durch die Verwendung von Wasser als Schmierstoff im Vergleich zu dem aus Stand der Technik bekannten öl- oder fettbasierten Schmiermitteln wird ein bereits konstruktiv minimiertes Kontaminationsrisiko des die Turbine durchströmenden Wassers weiter vermindert.
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Vorzugsweise weist die Lagereinheit ein Wassereinlass auf, der fluidleitend mit einem dedizierten Wasserreservoir verbunden ist. Das Wasserreservoir enthält vorzugsweise gefiltertes Flusswasser. Vorzugsweise ist im Zulauf zu dem Wasserreservoir und/oder zwischen dem Wasserreservoir und dem Wassereinlass zu der Lagereinheit eine Filtereinheit angeordnet, um das Wasser vor dem Eintritt in die Lagereinheit möglichst weitgehend von Feststoffen zu befreien.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Turbinenrotor mehrere Turbinenschaufeln auf, vorzugsweise zwei, drei, vier oder mehr. Vorzugsweise sind die Turbinenschaufeln im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse zur Verstellung ihres Schaufelwinkels drehbar an der Rotoreinheit gelagert. Die Vorteile einer Schaufelwinkelverstellung bei den Turbinenschaufeln liegen insbesondere im Regelverhaltend des Kraftwerks. Wird eine Wasserturbine gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in einem Wasserkraftwerk eingesetzt, bei dem benachbarte zum Turbinenrotor ein Leitapparat angeordnet ist, lässt sich der Vorgang der Stromerzeugung mittels einer dreifach Regelung beeinflussen, die sich zusammensetzt aus einer Drehzahlregulierung, einer Laufradverstellung mittels Einstellung des Schaufelwinkels, sowie einer Regulierung des Strömungsquerschnittes über den Leitapparat. Eine solche Regelung hat sich als vorteilhaft für schwankende Wasserstände beziehungsweise große Fallhöhenänderung in Wasserkraftwerken herausgestellt.
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Die Turbinenschaufeln sind vorzugsweise mittels einer Momentenlagerung in einem Rotorring aufgenommen, der eine dem Strömungskanal begrenzende Innenwandung aufweist. Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe ferner, indem sie ein Wasserkraftwerk nach Anspruch 13 vorschlägt, welches eine Turbine gemäß einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen aufweist.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische räumliche Darstellung eines Wasserkraftwerks mit einer Wasserturbine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
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2 eine Teilansicht der Turbine aus 1,
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3 eine weitere Teilansicht der Turbine gemäß 1 und 2, und
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4 eine schematische räumliche Darstellung eines Außenlagerrings der Turbine gemäß den 1 bis 3.
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1 zeigt eine teilweise im Querschnitt abgebildete Wasserturbine 11, insbesondere Axialturbine, eines Wasserkraftwerks 1. Die Wasserturbine 11 weist einen Strömungskanal 12 mit einem Strömungseinlass 13 und einem Strömungsauslass 15 auf. Im Inneren des Strömungskanals 12 ist ein Turbinenrotor 17 angeordnet, der um eine Rotationsachse X drehbar gelagert ist.
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Die Wasserturbine 11 weist ein Nabengehäuse 19 auf, in welchem eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 21a–d drehbar gelagert sind. Von einem dem Nabengehäuse gegenüberliegenden radial äußeren Ende sind die Turbinenschaufeln 21a–d drehfest mit einem Generatorrotor 25 gekoppelt. Der Generatorrotor 25 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Innenläufer, der in einem Generatorstator 27 umläuft. Der Generatorrotor 25 und der Generatorstator 27 bilden ein, vorzugsweise als fremderregter Synchrongenerator ausgebildeten, Generator 23. Der Generator 23 ist ein getriebeloser Ringgenerator.
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Benachbart, im vorliegenden Ausführungsbeispiel stromabwärts, zu dem Turbinenrotor 17 ist ein Leitapparat 29 im Strömungskanal 12 angeordnet. Der Leitapparat 29 ist dazu eingerichtet, mittels einer Mehrzahl verstellbarer Leitschaufeln den freien Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 12 einzustellen bzw. zu regeln.
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Weitere Details zur Wasserturbine 11 sind in 2 dargestellt. Die Wasserturbine 11 wird von einer Lagereinheit umfassend einen ersten Außenlagerring 31a und einen zweiten Außenlagerring 31b eingefasst. Die Außenlagerringe 31a, b bilden eine radial außerhalb des Strömungskanals 12 angeordnete Außenlagerung für den Turbinenrotor 17.
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Der Turbinenrotor 17 und der Generatorrotor 27 sind zu einer Rotoreinheit 35 verbunden, die von den Außenlagerringen 31a, 31b gelagert wird.
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Die Turbinenschaufeln 21a–d sind drehbar in einem Turbinenring 33 aufgenommen, dessen innere Wandung vorzugsweise fluchtend in die Wandung des nicht rotierenden Strömungskanals 12 übergeht.
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Die Aufnahme der Turbinenschaufeln sowie die Lagerung der Rotoreinheit 35 ist in 3 dargestellt, die einen vergrößerten Abschnitt aus 1 wiedergibt. Gezeigt ist exemplarisch die Aufnahme der Turbinenschaufel 21d, wobei die Darstellung exemplarisch auch für alle übrigen Turbinenschaufeln gilt. Die Turbinenschaufel 21d ist mittels einer Momentenlagerung 37 in dem Turbinenring 33 drehbar gelagert. Eine statische Dichtung 14 ist zum Abdichten gegen Fluidübertritt aus dem und in den Strömungskanal 12 vorgesehen.
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Die Rotoreinheit 35 weist eine erste Axial-Lagerfläche 39a auf. Gegenüberliegend der ersten Axial-Lagerfläche 39a ist eine erste Axial-Lagerfläche 41a des ersten Außenlagerrings 31a vorgesehen. Auf der ersten Axial-Lagerfläche 41a des ersten Außenlagerrings 31a ist ein erster Gleitbelag 43a angeordnet.
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Eine mechanisch einstellbare Axialdichtung 45a ist radial innerhalb der Lagerflächen 39a, 41a zum Abdichten gegen Fluidaustritt aus der Außenlagerung angeordnet.
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Der erste Außenlagerring 31a weist eine erste Radiallagerfläche 47a auf. Gegenüberliegend zu der ersten Radiallagerfläche 47a ist an der Rotoreinheit 35 eine korrespondierende erste Radiallagerfläche 49a ausgebildet. Auf der ersten Radiallagerfläche 47a des ersten Außenlagerrings 31a ist ein Gleitbelag 51a angeordnet.
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Radial außerhalb der Radiallagerflächen 47a, 49a ist eine, vorzugsweise identisch zu der Dichtung 45a ausgebildete, weitere Dichtung 53a angeordnet, um Fluidaustritt aus der Außenlagerung zu verhindern.
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Die Rotoreinheit 35 weist ferner eine zweite Axial-Lagerfläche 39b auf. Gegenüberliegend der zweiten Axial-Lagerfläche 39b ist eine zweite Axial-Lagerfläche 41b des zweiten Außenlagerrings 31b vorgesehen. Auf der zweiten Axial-Lagerfläche 41b des zweiten Außenlagerrings 31b ist ein Gleitbelag 43b angeordnet.
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Eine mechanisch einstellbare Axialdichtung 45b ist radial innerhalb der Lagerflächen 39b, 41b zum Abdichten gegen Fluidaustritt aus der Außenlagerung angeordnet.
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Der zweite Außenlagerring 31b weist eine zweite Radiallagerfläche 47b auf. Gegenüberliegend zu der zweiten Radiallagerfläche 47b ist an der Rotoreinheit 35 eine korrespondierende Radiallagerfläche 49b ausgebildet. Auf der zweiten Radiallagerfläche 47b des zweiten Außenlagerrings 31b ist ein Gleitbelag 51b angeordnet.
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Radial außerhalb der Radiallagerflächen 47b, 49b ist eine, vorzugsweise identisch zu der Dichtung 45b ausgebildete, weitere Dichtung 53b angeordnet, um Fluidaustritt aus dem Lager zu verhindern.
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Die durch die Lagerringe 31a, b gebildete Außenlagerung weist Durchlassbohrungen 55a, b als Fluideinlässe bzw. Fluidauslässe zum Ein- und Ablassen von Schmierstoff in das Lagerinnere auf, wobei besonders bevorzugt Wasser als Schmierstoff verwendet wird, insbesondere gefiltertes Flusswasser. Das Wasser wird vorzugsweise in einem Wasserreservoir 57 bereitgestellt. Eine Filtereinheit 59 ist optional dem Wasserreservoir vor- und/oder nachgeschaltet.
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In 4 ist exemplarisch die Gestaltung des Außenlagerrings 31a, b gemäß 3 gezeigt. Der Außenlagerring 31a, b weist an der Radiallagerfläche 47a, b eine Vielzahl von Gleitbelags-Segmenten auf, die gemeinsam den Gleitbelag 51a, b ausbilden. Die Axial-Lagerfläche (41a, b weist ebenfalls eine Vielzahl von Gleitbelags-Segmenten auf, die gemeinsam den Gleitbelag (43a, b ausbilden. Die Außenlagerringe 31a, b lassen sich auf vorteilhafte Weise bereits ab Werk vormontieren. Ein modulartiges, ringweises axiales Montieren erst des einen Außenlagerrings 31a, b gefolgt von der Rotoreinheit 35 und schließlich dem zweiten Außenlagerring 31b ermöglicht eine einfache Montage im Wasserkraftwerk 1. Die hohe Anzahl der Segmente der Gleitbeläge 51a, b und 43a, b sorgt in Verbindung mit dem großen Durchmesser der Lagerflächen 41a, b und 47a, b für eine geringe Flächenpressung und hohe Verschleißresistenz des gesamten Gleitlagers.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008045500 A1 [0002]
