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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe zur Förderung eines Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind Flügelzellenpumpen bekannt, wobei ein Rotor in einem Kurvenring rotiert. Der Kurvenring ist von je einer Seite mit einer Stirnplatte und mit einer Steuerplatte abgeschlossen. Der Kurvenring besitzt eine zur Drehachse des Rotors nicht koaxial verlaufende Kontur und bildet einen Pumpenraum aus. In der Umfangsfläche des Rotors sind über dessen Breite im wesentlichen radial verlaufende Schlitze angeordnet, in denen radialverschiebliche Flügel geführt sind. Bei einer Rotation des Rotors werden die Flügel an der Kontur des Kurvenringes entlanggeführt, wobei zwischen zwei benachbarten Flügeln jeweils Kammern mit sich veränderndem Volumen gebildet sind. Entsprechend der Drehbewegung des Rotors wird ein Saugbereich und ein Pumpendruckraum oder Druckbereich ausgebildet, wobei der Saugbereich im Bereich sich vergrößernden Volumens und der Druckbereich im Bereich sich verkleinernden Volumens der Kammern angeordnet ist.
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Dem Saugbereich wird das Fluid über einen Saugkanal und mit tangentialem Abstand zueinander in der Stirn- und Steuerplatte angeordneten Saugnieren zugeführt.
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Über Drucknieren, die auch mit Druck-Sacknieren über die Kammern kommunizieren, wird das Fluid aus dem Pumpendruckraum zu einem Druckanschluss der Flügelzellenpumpe gelenkt.
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Die Anordnung und die Form der Fluid-führenden Bereiche der Stirnplatte und der Steuerplatte ist fertigungsbedingt so, dass es zu Wirbelbildung, Rückströmung und auch zu Strömungsverlusten durch Eintrittsstoß in dem Saugbereich der Flügelzellenpumpe und in dem Pumpendruckraum und unter Druck stehenden Fluid-führenden Bereichen der Flügelzellenpumpe kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flügelzellenpumpe der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass Strömungsverluste in der Flügelzellenpumpe minimiert sind.
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Die Aufgabe wird mit einer Flügelzellenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Stirnplatte und/oder die Steuerplatte der Flügelzellenpumpe Mittel zur zumindest annähernd wirbelfreien, gerichteten Strömungsführung des Fluids aufweist, wobei die Mittel eine unterschiedliche sphärische Form der Saugnieren in der Steuerplatte und der Stirnplatte oder weitere konstruktive Maßnahmen beinhalten, ist eine widerstandarme Führung des Fluids gewährleistet.
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Durch die konstruktiven Maßnahmen sind Strömungsverluste insbesondere beim Eintritt des Fluids in den Pumpenraum und beim Austritt des Fluids aus dem Pumpenraum minimiert.
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Um die Umlenkverluste beim Eintritt des Fluids in den Pumpenraum zu minimieren, weisen die Saugnieren in der Steuerplatte und der Stirnplatte zueinander unterschiedliche sphärische Formgebung auf.
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Ebenso sind die Drucknieren, die vorzugsweise in der Steuerplatte als Sacknieren und in der Stirnplatte als sich zu einem Pumpentilgerraum öffnende Drucknieren ausgebildet sind, mit einer anderen Kontur in der Steuerplatte als in der Stirnplatte gebildet. Die Saugnieren in der Steuerplatte und/oder in der Stirnplatte haben nicht zueinander kongruente Konturen, d. h. ihre Querschnittsform in der jeweiligen axialen Begrenzungsfläche der Stirnplatte und der Steuerplatte ist verschieden. Die vorzugsweise als Sacknieren ausgebildeten Drucknieren in der Steuerplatte haben nicht zueinander kongruente Konturen.
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Um einen Druckabbau des Fluids beim Eintritt in den Saugbereich und den Pumpenraum der Flügelzellenpumpe zu bewirken, erweitern sich die Saugnieren zum Rotor hin. Die Drucknieren erweitern sich in der Steuerplatte als Sacknieren zum Rotor hin und in der Stirnplatte vom Rotor weg zum Pumpensammel- oder Tilgerraum hin. Der konisch sich in Bezug auf alle Wandflächen, die zum Rotor hin gerichtet sind, erweiternde Querschnitt der Saugnieren ist vorzugsweise unsymmetrisch ausgebildet, wobei die in radialer Richtung zu dem Rotor benachbart liegenden Flächen sich flacher, mit geringerer Steigung zum Rotor öffnen, als die mit größerem radialen Abstand angeordneten Flächen der Saugnieren. Die tangentiale Erstreckung der Saugnieren ist kleiner als die Drucknieren.
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Bei der Gestaltung der sphärischen Form und der Kontur der Saugnieren in der Trennebene der Steuerplatte zum Rotor wurde, wie auch bei der Gestaltung der Saugnieren in der Stirnplatte und der Drucknieren darauf geachtet, dass keine Bereiche mit Wirbelbildung und Rückströmung vorhanden sind, sondern die Strömung des Fluids über den gesamten freien Querschnitt der Saugnieren und der Drucknieren annähernd gerichtet erfolgt.
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Um das Fluid energiereich in den Saugbereich und den Pumpenraum der Flügelzellenpumpe zu führen, weisen die Saugnieren Rampen in Form von in axialer Richtung der Steuerplatte angeordneten, rückversetzten Abflachungen auf.
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Die Kontur der Drucknieren ist an die Innenkontur des Kurvenringes angepasst, so dass annähernd keine Umlenkungs-Druckverluste bei der Fluidströmung in diesem Bereich entstehen.
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Der Saugkanal, dessen Boden in der Steuerplatte liegt, ist in zwei Zweigkanäle aufgeteilt, in denen entgegengesetzte Strömungsrichtungen des Fluids herrschen. Die Zweigkanäle sind in Längsschnitt oder Draufsicht der Steuerplatte unsymmetrisch und inkongruent zueinander gestaltet. Die Zweigkanäle sind durch eine, mit einem Nasenkreisradius sich aus der Ebene des Bodens des Saugkanals erstreckende Erhebung geteilt. Die Erhebung wird durch das vorzugsweise mit Hilfe des Venturi-Düseneffekt vorbeschleunigten Fluids beaufschlagt, wobei das Fluid in einem Zweigkanal des Saugkanals in Drehrichtung und in einem weiteren Zweigkanal entgegengesetzt zur Drehrichtung des Rotors umgelenkt wird.
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In tangentialer Richtung des Saugkanals sind zu beiden Seiten der Erhebung Einsenkungen mit vorzugsweise großen Radien in dem Boden des Saugkanals in der Steuerplatte angeordnet, die eine widerstandsarme Umlenkung des Fluids in die Zweigkanäle des Saugkanals ermöglichen.
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Damit die Pumpenräume der zweihubigen Flügelzellenpumpe gleichzeitig beschickt werden, sind die Fließstrecken des Fluids in den Zweigkanälen etwa gleichlang gewählt. Zu diesem Zweck kann der Zweigkanal des Saugkanals, in dem das Fluid entgegengesetzt zur Drehrichtung des Rotors gelenkt ist, eine Ausbiegung aufweisen. Die Ausbiegung verlängert die Laufstrecke des Fluids in diesem Zweigkanal. Es ist zweckmäßig, die saugseitige Fluidströmung durch eine kontinuierliche Querschnittsverengung der Zweigkanäle in tangentialer Richtung von der Erhebung zu den Saugnieren hin zu beschleunigen.
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Um das Fluid, welches entgegengesetzt zur Drehrichtung des Rotors in dem Zweigkanal geleitet ist, nicht mit einer wesentlich geringeren Relativgeschwindigkeit zu den Flügeln des Rotors in den Saugbereich und den Pumpenraum der Flügelzellenpumpe eintreten zu lassen wie das Fluid in dem Zweigkanal, welches in Drehrichtung des Rotors darin geleitet ist, erhält die Saugniere an ersterem Zweigkanal möglichst große Umlenkradien in ihrer Kontur und ihren sphärisch geformten Wandflächen und in ihrem Bodenbereich. Zudem kann es zweckmäßig sein, die mittlere Querschnittsfläche des Zweigkanals, in dem das Fluid entgegen der Drehrichtung des Rotors gelenkt ist, größer als die in dem anderen Zweigkanal, in dem das Fluid in Drehrichtung des Rotors gelenkt ist, auszubilden, um die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Zweigkanal zu verringern.
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Zur mechanischen Stabilisierung der Drucknieren und zur Strömungsgleichrichtung sind Stege in dem freien Querschnitt der Drucknieren in der Stirnplatte und/oder der Steuerplatte vorgesehen, die vorzugsweise aus den Trennebenen von Steuer- und Stirnplatte zum Rotor rückversetzt angeordnet sind.
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Die Steuer- und oder Stirnplatte ist vorzugsweise in Druckguss aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und ihre Oberflächen durch eine Anodisierschicht gehärtet ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen Längsschnitt durch eine zweihubige Flügelzellenpumpe,
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2 eine Draufsicht auf die Steuerplatte in Pfeilrichtung II in 1,
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2a einen Querschnitt durch ein Stiftloch entlang der Linie II-II in 2,
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3 eine Ansicht der Kontur des Saugkanals und der Saugnieren in der Steuerplatte in Pfeilrichtung II in 1,
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3a einen Querschnitt durch die Saugniere entlang der Linie A-A in 3,
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3b einen Längsschnitt durch den Saugkanal entlang der Linie B-B in 3,
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4 eine Ansicht der Steuerplatte mit Kurvenring in Pfeilrichtung II in 1,
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5 eine Ansicht einer Steuerplatte mit entgegengesetzter Drehrichtung wie in 2 gezeigt,
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6 eine Ansicht der Stirnplatte in 4 ohne Kurvenring,
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6a einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI durch die Stirnplatte in 6,
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6b einen Querschnitt C-C in 6,
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6c eine Ansicht der Stirnplatte in 4 in Pfeilrichtung II ohne Kurvenring.
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In 1 ist in einem Längsschnitt entlang ihrer Welle 33 eine zweihubige Flügelzellenpumpe 1 zum Fördern eines Fluids 2, wie Hydrauliköl und dgl. gezeigt. Ein von der Welle 33 angetriebener Rotor 3 (vgl. 4) ist mit von seiner Umfangsfläche 4 über dessen Breite 5 radial verlaufenden Schlitzen 6 versehen. In jedem Schlitz 6 ist ein darin verschieblich gelagerter Flügel 7 angeordnet. Die Flügel 7 werden unter dem Einfluss von Betriebsdruck der Flügelzellenpumpe 1 in ihrem Hinterflügelbereich 34 gegen einen Kurvenring 8 gepresst. Der Kurvenring 8 und der in dem Kurvenring 8 angeordnete Rotor 3 werden in axialer Richtung der Welle 33 von einer Steuerplatte 10, die den Fluidfluss steuert, und einer Stirnplatte 9 begrenzt. Die Stirnplatte 9 und die Steuerplatte 10 sind durch Stifte 35 (vgl. 2), die den Kurvenring 8 durchragen und in Sacklöcher in Stirnplatte 9 und Steuerplatte 10 eingreifen, fixiert.
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Die Stirnplatte 9 und die Steuerplatte 10 sind unter Zwischenlage von je einer Dichtung zusammen mit dem Kurvenring 8 über Schraubbolzen (vgl. 5) mit einem Gehäuse 36 verschraubt. Das Gehäuse 36 dient zur Unterbringung von Saug- und Druckkanälen des Fluids, sowie zur Aufnahme eines Stromregelventils 39 und eines Wälzlagers 37 für die Lagerung der Welle 33.
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Das Fluid 2 gelangt über einen Winkelstutzen 38 von einem nicht gezeigten Speicher in das Pumpengehäuse, wird dort mit einem druckseitigen Fluidstrahl in der Art einer Wasserstrahlpumpe beschleunigt und gegen eine nasenförmige Erhebung 24 (vgl. 2, 3, 3b) gerichtet.
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Das Fluid 2 gelangt unter Aufspaltung in zwei Teilströme an der Erhebung 24 in einen Saugkanal 11, dessen Boden 25 in der Steuerplatte 10 eingeformt ist.
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Der Saugkanal 11, bzw. dessen beide Zweigkanäle 26, 26' durch die er gebildet ist, ist tangential zwischen dem Kurvenring 8 und einer Innenwand 40 des Gehäuses 36, sowie in der Steuerplatte 10 geführt.
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Die Zweigkanäle 26, 26' münden in Saugnieren 12, 12' in Stirnplatte 9 und Steuerplatte 10 an zwei etwa diametral sich gegenüberliegenden Saugbereichen 13 an dem Rotor 3 (vgl. 1 bis 6).
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Die Saugbereiche 13 liegen im Bereich sich vergrößernder Volumina der zwischen den Flügeln 7 und der Innenkontur des Kurvenrings befindlichen Kammern. Je ein Pumpendruckraum 15 bildet sich im Bereich verkleinernder Volumina aus, wobei das Fluid 2 dort über Drucknieren 14, 14' in der Stirnplatte in einen Pumpensammel- oder Tilgerraum 22 zu dem Stromregelventil 39 und einem Pumpenauslass geführt wird. Zur hydraulischen Zentrierung sind den Drucknieren 14, 14' lagegleich Drucknieren 14, 14' in der Steuerplatte 10 angeordnet, wobei diese Drucknieren 14, 14' als Sacknieren ausgebildet sind. Die Drucknieren 14, 14' sind tief in die Steuerplatte 10 eingelassen, wobei die Steuerplatte 10 eine annähernd doppelt so große Dicke aufweist, wie die Stirnplatte 9. Die Drucknieren 14, 14' und der Saugkanal 11 sind in der Steuerplatte über mehr als die Hälfte ihrer Dicke eingelassen.
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Die Drucknieren 14, 14' in der Stirnplatte 9 durchragen diese als sich zu einem Pumpesammelraum 22 konisch erweiternde Durchbrüche, wobei in den Drucknieren 14, 14' von Stirnplatte 9 und Steuerplatte 10 querverlaufende Stege 32 angeordnet sind. Die Stege 32 dienen zur Versteifung der Stirn- und Steuerplatte und der Gleichrichtung des Fluids 2.
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Zur widerstandsarmen, annähernd wirbel- und rückströmungsfreien, gerichteten Lenkung des Fluids 2 sowohl saug- als auch druckseitig, weist die Flügelzellenpumpe verschiedenartige Mittel 16 zur Strömungsführung auf.
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Wie 2, 3, 3b und 5 zeigen, ist der Saugkanal 11, der sich an der Erhebung 24 in zwei Zweigkanäle 26, 26' aufteilt, im Längsschnitt unsymmetrisch ausgebildet.
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Durch die strömungsteilend wirkende Erhebung 24, die mit einem Nasenkreisradius 23 versehen ist, der etwa der Hälfte ihrer Höhe, mit der sie aus dem Boden 25 des Saugkanals 11 hervorragt, entspricht, wird der Fluidstrom in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei ein Teilstrom in dem Zweigkanal 26' des Saugkanals 11 entgegengesetzt zur Drehrichtung 29 des Rotors 3 und ein Teilstrom in Drehrichtung 29 des Rotors 3 verläuft.
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Die sich quer über den Saugkanal 11 erstreckende Erhebung 24 geht zu beiden Seiten in kreissegmentförmige Einsenkungen 27, 27' im Boden 25 des Saugkanals 11 über. Die Einsenkungen 27, 27' gehen wiederum mit einem großen Radius 28 in tangentialer Richtung des Saugkanals 11 versehene, konvexe Fließstrecken 41 über.
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Diese Formgebung der Einsenkungen, der Erhebung und der Fließstrecken dient als Mittel 16 zur Strömungsführung, das den Umlenkverlust des Fluids an dieser Stelle des Saugkanals 11 reduziert.
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Um eine gleichmäßige Beschickung der Saugbereiche 13 der Flügelzellenpumpe 1 mit Fluid zu gewährleisten, ist ferner vorgesehen, die Fließstrecken in den Zweigkanälen 26, 26' etwa gleichlang zu wählen. Da in dem Ausführungsbeispiel in den 1 bis 6c die Saugnieren 12, 12' mit verschiedenen tangentialen Abständen zu der Erhebung 24 und asymmetrisch zu dem Rotor 3 angeordnet sind, weist der Zweigkanal 26', in dem das Fluid 2 entgegengesetzt zu der Drehrichtung 29 des Rotors 3 gelenkt ist, eine Ausbiegung 30 in radialer Richtung von dem Rotor 3 und der Welle 33 weg auf.
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Die Ausbiegung 30 ist im Bereich eines Stiftes 35 angeordnet und gewährleistet eine etwa gleichlange Fließstrecke des Fluids in den Zweigkanälen 26, 26'. Zur Beschleunigung der Fluidströmung in dem Saugkanal ist dieser von der Erhebung 24 bis zu den jeweiligen Saugnieren 12, 12' verjüngt, wodurch ein energiereicher beschleunigter Eintritt des Fluids in den Rotor ermöglicht ist. Die mittlere Querschnittsfläche 31' des Zweigkanals 26', in dem das Fluid entgegengesetzt zur Drehrichtung 29 des Rotors gelenkt ist, kann größer sein als die mittlere Querschnittsfläche 31 des Zweigkanals 26, in dem das Fluid in Drehrichtung 29 des Rotors 3 gelenkt ist, um eine Vergleichmäßigung der Relativgeschwindigkeit des Fluids in den beiden Saugnieren zum Rotor zu erhalten.
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Wie die 2, 3 und 5 zeigen sind in der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe 1 weitere Mittel 16 zur annähernd wirbelfreien, gerichteten Strömungsführung des Fluids 2 vorgesehen. So weisen die Saugnieren 12, 12' in der Steuerplatte 10 eine andere sphärische Form als die Saugnieren 12, 12' in der Stirnplatte 9 auf.
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Die Saugnieren 12, 12' in der Steuerplatte sind in ihrer Form so gewählt, dass sie sich mit ihren Flächen 17, 17', die in radialer Richtung benachbart zu dem Rotor 3 liegen, mit geringerer Steigung (vgl. 2a) öffnen als mit ihren, dem Rotor 3 abgewandten Flächen 18, 18'.
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Die Saugnieren 12, 12' der Stirnplatte 9 sind mit gleichförmig schräg zur Welle 33 hin ansteigenden Flächen ausgebildet, während die Saugnieren 12, 12' der Steuerplatte 10 zueinander in Form und Kontur inkongruent gebildet sind, wobei die Saugniere 12', die an den Zweigkanal 26' anschließt, so gestaltet ist, dass ein großer Radius in ihrer Kontur an ihrer Spitze in Fluidströmungsrichtung in dem Zweigkanal 26' betrachtet, gebildet ist. Hingegen ist bei der Saugniere 12, die an den Zweigkanal 26 in der Steuerplatte 10 anschließt, ein kleinerer Radius in ihrer Kontur und in ihren Seitenflächen an ihrer Spitze in Fluidströmungsrichtung betrachtet, ausgebildet. Auf diese Weise wird die Fluidströmung in der Saugniere 12' wirkungsvoll, unter Beibehaltung hoher Strömungsgeschwindigkeiten und in gerichteter Weise an den Rotor 3 geführt, wobei die Relativgeschwindigkeiten der Fluidströmungen zu dem Rotor in beiden Saugnieren annähernd gleich sind.
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Die Saugnieren 12, 12' in der Steuerplatte 10 weisen durch in Form von rückversetzt zur Trennebene der Steuerplatte 10 und dem Rotor 3 angeordnete, als Abflachungen 21 ausgebildete Rampen 19 auf.
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Die Abflachungen 21 sind vor der jeweiligen Steuerkante 20 der Saugnieren 12, 12' angeordnet und bewirken eine energiereiche Aufladung der Kammern oder Flügelzellen. Eine Nase 42 an der Kontur der Saugniere 12' in Strömungsrichtung des Fluids 2 und in radialer Richtung zwischen dem Zweigkanal 26' und der Saugniere 12' verhindert eine Wirbelbildung des Fluids in diesem Bereich.
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Wie der Vergleich der 1, 2, 6 und 6a zeigt, sind die Drucknieren 14, 14' in der Steuerplatte 10 und der Stirnplatte 9 mit unterschiedlicher Form gebildet, wobei die als Sacknieren in der Steuerplatte 10 ausgebildeten Drucknieren sich weniger zu dem Rotor 3 hin erweitern, als die sich diffusorartig von dem Rotor 3 weg sich erweiternden Drucknieren 14, 14' in der Stirnplatte 9.
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Es kann zweckmäßig sein, die Kontur der Drucknieren 14, 14' in der Steuerplatte 10 anders als in der Stirnplatte 9 zu wählen. Die Kontur der Drucknieren 14, 14' ist, wie dies beispielhaft die 4 zeigt, der Innenkontur des Kurvenrings 8 angepasst. 5 zeigt ein Beispiel einer entgegengesetzt zu der in 4 gezeigt drehenden Flügelzellenpumpe in einer Draufsicht auf die Steuerplatte.
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Durch diese konstruktive Maßnahme sind Kanten im Bereich zwischen Druckniere und Kurvenring und Umlenk-Strömungsverluste des Fluids vermieden. Eine zusätzliche Druckausgleichsbohrung in dem Kurvenring ist dadurch vermieden.
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Wie die 2, 4 und 5 zeigen, ist die Hinterflügelkontur druckseitig mit einer Abplattung 43, die etwa im Abstand der Breite eines Flügels zur Hubkurve verläuft, versehen. Die Abplattung 43 endet in radialer Richtung zu der Welle 33 mit einer Hinterflügelnut 44. Durch diese konstruktive Maßnahme ist die Leistungsaufnahme und das Kaltstartverhalten der Flügelzellenpumpe 1 optimiert.
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In den 2 und 3 ist verdeutlicht, dass die Stiftlöcher 45 in der Steuerplatte 10 mit je einem Entlastungskanal 46 zum Saugkanal 11 hin fluidisch verbunden sind, wodurch ein Verschieben der Stifte 35 in den Stiftlöchern 45 durch Lecköl infolge Kolbeneffekts vermieden ist.
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Um Lecköl aus dem Spalt zwischen Rotor, Kurvenring und Stirnplatte abführen zu können, ist in der Stirnplatte 9, wie 1 und 6b zeigen, eine Sammelnut 47 als Ringnut um die Welle 33 angeordnet. Diese konstruktive Maßnahme verhindert ein schädlichen Druckaufbau des Fluids auf die Wellenlagerung.
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Sämtliche Mittel
16 zur annähernd wirbelfreien, gerichteten Strömungsführung des Fluids
2 sind durch die Herstellung der Stirnplatte und der Steuerplatte in Druckgussbauweise realisiert. Die Funktionsoberflächen der Stirnplatte und der Steuerplatte sind zweckmäßig mit einer anodisch oxidierten und verdichteten Schicht von etwa 3–10 μm versehen. BEZUGSZEICHENLISTE
1 | Flügelzellenpumpe | 26, 26' | Zweigkanal |
2 | Fluid | 27, 27' | Einsenkung |
3 | Rotor | 28 | Radius |
4 | Umfangsfläche v. 3 | 29 | Drehrichtung v. 3 |
5 | Breite v. 3 | 30 | Ausbiegung an 11 |
6 | Schlitz | 31, 31' | Querschnittsfläche v. 26, 26' |
7 | Flügel | 32 | Steg |
8 | Kurvenring | 33 | Welle |
9 | Stirnplatte | 34 | Hinterflügelbereich |
10 | Steuerplatte | 35 | Stift |
11 | Saugkanal | 36 | Gehäuse |
12, 12' | Saugniere | 37 | Wälzlager |
13 | Saugbereich | 38 | Winkelstutzen |
14, 14' | Druckniere | 39 | Stromregelventil |
15 | Pumpendruckraum | 40 | Innenwand v. 36 |
16 | Mittel z. Strömungsführung | 41 | Fließstrecke, konvex |
17, 17' | Fläche | 42 | Nase an 12' |
18, 18' | Fläche | 43 | Abplattung |
19 | Rampe | 44 | Hinterflügelnut |
20 | Steuerkante v. 12 | 45 | Stiftloch |
21 | Abflachung | 46 | Entlastungskanal |
22 | Pumpensammelraum | 47 | Sammelnut |
23 | Nasenkreisradius | | |
24 | Erhebung | | |
25 | Boden v. 11 | | |