DE10393433T5 - Bürstendichtungen verwendende Dichtungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Dichtungsanordnung zwischen einem ersten und einem zweiten Körper einer Maschine, die bezüglich einander drehbar sind, wobei in der Maschine im Betrieb ein relativ hoher Druck auf einer Seite der Dichtungsanordnung und ein relativ niedriger Druck auf der anderen Seite besteht, wobei die Dichtungsanordnung eine Reihe von Dichtungselementen, von denen mindestens eines eine Bürstendichtung ist, wobei der Druck an jedem nachfolgenden Dichtungselement von der Hochdruckseite der Dichtungsanordnung zur Niederdruckseite abfällt, und eine Dichtungsumgehungsvorrichtung, die den Druckabfall an der Bürstendichtung begrenzt, umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft Dichtungsanordnungen im Allgemeinen, insbesondere eine Dichtungsanordnung zwischen einem ersten und einem zweiten Körper einer Maschine, insbesondere einer Turbomaschine, die bezüglich einander drehbar sind.
  • Die Entwicklung der Bürstendichtungstechnologie während der letzten zwei Jahrzehnte hat hauptsächlich auf dem Gebiet von Gasturbinen stattgefunden. Bei solchen Anwendungen beträgt der Druckabfall an der Dichtungsanordnung üblicherweise nicht mehr als 25 bar.
  • Bei Dampfturbinenanwendungen müssen Dichtungsanordnungen jedoch häufig für Druckabfälle ausgelegt werden, die wesentlich mehr als 25 bar betragen. In einem Hochdruckzylinder kann beispielsweise der Dampfeinlassdruck in der Größenordnung von 200 bar und der Auslassdruck in der Größenordnung von 80 bar liegen. In einem Zwischendruckzylinder kann der Einlassdruck beispielsweise etwa 80 bar und der Auslassdruck etwa 5 bar betragen. Somit sind in jedem Fall der Druckabfall an einem Ausgleichskolben und der Druckabfall zwischen dem Auslassdruck und dem externen Atmosphärendruck beträchtlich.
  • Es sind verschiedene Dichtungsanordnungen unter Verwendung von Bürstendichtungen mit dem Ziel vorgeschlagen worden, einen guten Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer zu erreichen. In der EP-A-0 836 040 wird eine Dichtungsanordnung offenbart, die eine Reihe von Dichtungseinheiten 1 (von denen eine in 1 dargestellt ist) zwischen einem stationären Gehäuse 2 und dem Rotor 3 einer Turbomaschine umfasst. Jede Dichtungseinheit 1 enthält mehrere Bürstendichtungen 4, die an einem am Gehäuse 2 montierten Träger 6 befestigt sind, so dass sie in einem begrenzten Umfang in Radialrichtung bewegbar sind. Am Rotor 3 sind Rippendichtungen 7 befestigt.
  • In der GB-B-2 301 635 wird eine in etwa ähnliche Dichtungsanordnung (wie in 2 dargestellt) offenbart, bei der der Träger 6 nur eine einzelne Bürstendichtung 4 aufweist, die so montiert ist, dass sie bezüglich des Trägers 6 in begrenztem Umfang radial bewegbar ist. Die Rippendichtungen 7 sind am Träger 6 vorgesehen.
  • Es hat sich herausgestellt, dass bei Dichtungsanordnungen mit einer Reihe von Bürstendichtungen die einzelnen Bürstendichtungen leicht versagen. Es hat den Anschein, dass, wenn erstmal eine der Bürstendichtungen ausgefallen ist, aufgrund der zunehmenden Belastung der verbleibenden Dichtungen kaskadenartig weitere Ausfälle auftreten. Deshalb wäre es wünschenswert, eine Dichtungsanordnung bereitstellen zu können, die eine Bürstendichtung verwendet und eine ausreichend lange Lebensdauer aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Dichtungsanordnung zwischen einem ersten und einem zweiten Körper einer Maschine, die bezüglich einander drehbar sind, bereit, wobei in der Maschine im Betrieb ein relativ hoher Druck auf einer Seite der Dichtungsanordnung und ein relativ niedriger Druck auf der anderen Seite besteht, wobei die Dichtungsanordnung eine Reihe von Dichtungselementen, von denen mindestens eines eine Bürstendichtung ist, wobei der Druck an jedem nachfolgenden Dichtungselement von der Hochdruckseite der Dichtungsanordnung zur Niederdruckseite abfällt, und eine Dichtungsumgehungsvorrichtung, die den Druckabfall an der Bürstendichtung begrenzt, umfasst.
  • In einer Dampfturbine kann sich die Dichtungsanordnung zum Beispiel zwischen einem stationären Gehäuse und einem Ausgleichskolben, der Teil des Rotors ist, befinden. Als Alternative oder zusätzlich dazu kann sich die Dichtungsanordnung zwischen einem stationären Gehäuse und einem Drehzapfen am Rotor befinden.
  • Um den Druckabfall an der Bürstendichtung zu regulieren, kann eine Leitung einen ersten Bereich in der Maschine auf der Hochdruckseite der Dichtungsanordnung und einen zweiten Bereich in der Dichtungsanordnung auf der Niederdruckseite der Bürstendichtung miteinander verbinden. Als Alternative dazu kann eine die Hochdruckseite und die Niederdruckseite der Dichtungsanordnung verbindende Leitung ein Ventil aufweisen, das einen Druck bereitstellt, der zwischen dem hohen Druck und dem niedrigen Druck liegt, wobei eine zweite Leitung das Ventil und einen Bereich in der Dichtungsanordnung auf der Niederdruckseite der Bürstendichtung miteinander verbindet.
  • Vorzugsweise umfasst die Dichtungsumgehungsvorrichtung ein Druckbegrenzungsventil. Allgemein kann ein Druckbegrenzungsventil Mittel zum Erfassen eines Druckunterschieds umfassen (der ein absoluter Wert oder ein Druckverhältnis sein kann) und wirken zur Reduzierung des Druckunterschieds, wenn der erfasste Druckunterschied eine gegebene Schwelle überschreitet, umfassen.
  • Ein geeignetes Druckbegrenzungsventil kann ein Ventilglied umfassen, das eine Verbindung von einer ersten Ventilkammer (die mit der Hochdruckseite der Bürstendichtung in Verbindung steht) zu einer zweiten Ventilkammer (die mit der Niederdruckseite der Bürstendichtung in Verbindung steht) öffnet, wenn der Druckunterschied zwischen den Kammern eine gegebene Schwelle überschreitet. Das Druckbegrenzungsventil kann eine Feder enthalten, die das Ventilglied in eine Position vorbelastet, in der es die Verbindung zwischen den Ventilkammern sperrt. Das Ventilglied kann einen relativ kleinen Bereich, der dem Druck in der ersten Kammer ausgesetzt ist, und einen relativ großen Bereich, der dem Druck in der zweiten Kammer ausgesetzt ist, aufweisen, wobei die Druckunterschiedschwelle eine Funktion des dem Druck ausgesetzten Bereichs (und der Steife der Feder) ist.
  • Die Bürstendichtung kann einen Teil der Dichtungseinheit mit mindestens einem Dichtungselement bilden, wobei die Dichtungsumgehungsvorrichtung den Druckabfall an der Dichtungseinheit begrenzt und wobei die Dichtungsanordnung eine Reihe solcher Dichtungseinheiten umfasst. Im einfachsten Fall können zwei solcher Dichtungseinheiten vorgesehen sein, die jeweils eine einzige Bürstendichtung umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Dichtungseinheit mindestens eine Bürstendichtung und mindestens eine Rippendichtung umfassen. Die Dichtungseinheit kann zwei, drei oder mehr Bürstendichtungen umfassen. Die Dichtungseinheit kann an einem der bezüglich einander drehbaren Körper angebracht sein, so dass sie in einem begrenzten Ausmaß in einer Richtung auf den anderen Körper zu und von ihm weg bewegbar ist.
  • Die Erfindung wird rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, darin zeigen:
  • 1 einen Axialquerschnitt durch eine bekannte Dichtungsanordnung;
  • 2 einen Axialquerschnitt durch eine andere bekannte Dichtungsanordnung;
  • 3 einen Axialquerschnitt durch einen Teil einer Dampfturbine;
  • 4 einen Axialquerschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ein Schema, das eine dritte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 7 einen Axialschnitt durch einen Teil einer vierten Ausführungsform der Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Zunächst auf 3 der beigefügten Figuren Bezug nehmend, wird darin ein Zylinder einer Dampfturbine mit einem Gehäuse 2 und einem Rotor 3 gezeigt, der einen Ausgleichskolben 11 und zwei Drehzapfen 12 enthält. Hochdruckdampf (zum Beispiel auf 200 bar) wird durch den Einlass des Zylinders eingeleitet und durchströmt die Schaufeln 14, bevor er in eine Auslasskammer (in der der Druck zum Beispiel 80 bar betragen kann) zwischen einem Innen- und einem Außenteil des Gehäuses 2 eintritt. Der Durchmesser des Ausgleichskolbens 11 wird so gewählt, dass der am Rotor 3 aufgrund des Druckabfalls am Ausgleichskolben erzeugte Schub den auf die Gesamtwirkung des Druckabfalls an jeder der Reihen sich bewegender Schaufeln am Rotor 3 zurückzuführenden Schub im Wesentlichen ausgleicht. Eine Dichtungsanordnung 17 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Ausgleichskolben 11 ist im Wesentlichen dem gesamten Druckabfall vom Einlassdruck zum Auslassdruck (zum Beispiel einem Druckabfall von 120 bar) ausgesetzt. Eine Dichtungsanordnung 17a zwischen jedem Drehzapfen 12 und dem Gehäuse 2 ist dem Druckabfall zwischen dem Auslassdruck und Atmosphärendruck ausgesetzt.
  • Die unten beschriebenen Ausführungsformen der Dichtungsanordnungen sind in erster Linie zur Anwendung auf die Dichtungsanordnung 17 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Ausgleichskolben 11 ausgeführt, sie können jedoch auch auf die Dichtungsanordnung 17a zwischen dem Gehäuse 2 und einem Drehzapfen 12 angewandt werden. Die Ausführungsformen sind natürlich auch auf andere Arten von Dampfturbinenausführungen anwendbar.
  • Eine erste Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 21 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Rotor 3 wird in 4 gezeigt und umfasst eine Reihe von drei Dichtungseinheiten S1, S2, S3, von denen jede der in 2 gezeigten Dichtungseinheit 1 ähnelt, die in der GB-B-2 301 635 ausführlich beschrieben wird. Jede Dichtungseinheit enthält eine einzige Bürstendichtung 4 und mehrere Rippendichtungen 7. (Die Anzahl der Rippendichtungen 7 könnte reduziert werden, oder die Rippendichtungen könnten weggelassen werden, die Anzahl der Bürstendichtungen könnte größer sein als eine und die Dichtungselemente könnten am Gehäuse 2 befestigt sein.) Obgleich die Dichtungsanordnung in der Darstellung drei Dichtungseinheiten aufweist, ist diese Anzahl von Dichtungseinheiten willkürlich.
  • Wenn sich die Dichtungsanordnung 21 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Ausgleichskolben 11 befindet, ist der Druck p0 auf der Hochdruckseite der Dichtungsanordnung 21 (auf der linken Seite in der Zeichnung) im Wesentlichen gleich dem Dampfeinlassdruck und der Druck pf auf der Niederdruckseite ist im Wesentlichen gleich dem Dampfauslassdruck. Zwischen den Dichtungseinheiten S1 und S2 bzw. zwischen den Dichtungseinheiten S2 und S3 herrschen Zwischendrücke p1 und p2. Für eine maximale Lebensdauer der Dichtungsanordnung ist p0 – p1 = P1 – p2 = p2 – pf, so dass, wenn p0 gleich 170 bar und pf gleich 80 bar, p1 140 bar und p2 110 bar betragen sollte. Um dies zu gewährleisten ist das Gehäuse 2 mit Leitungen 22 und 23 versehen, die jeweils einerseits die Bereiche 24 und 25 zwischen den Dichtungseinheiten und andererseits Bereiche in der Maschine verbinden, die sich auf der Hochdruckseite der Dichtungseinheit befinden und jeweilige Drücke aufweisen, die größer als pf sind, wobei diese Drücke derart sind, dass die erforderlichen Werte von p1 und p2 erhalten bleiben. Es ist zu sehen, dass die Leitungen 22 und 23 Umgehungen bezüglich der Dichtungseinheiten S1 bzw. S2 bereitstellen. In dem Fall, in dem sich die Dichtungsanordnung am Ausgleichskolben 11 befindet, leiten die Leitungen 22 und 23 Dampf von den geeigneten Stellen in der Zylinderexpansion (oder von anderswo im Dampfkreislauf) ab.
  • Wenn während des Betriebs eine vorübergehende Anormalität der Dichtungsanordnung auftritt, die dazu neigt, die Druckverteilung entlang der Dichtungsanordnung zu behindern, halten demgemäß die Umgehungsleitungen 22 und 23 die korrekten Werte der Zwischendrücke p1 und p2 proportional zwischen dem hohen Druck p0 und dem niedrigen Druck pf aufrecht. Auf diese Weise wird der Druckabfall an den Bürstendichtungen 4 begrenzt, wodurch die Gefahr eines Versagens der Bürstendichtungen reduziert wird.
  • Die Dichtungsanordnung 31 gemäß einer zweiten Ausführungsform nach der Darstellung in 5 ähnelt der Dichtungsanordnung 21 mit Ausnahme der mit den Bereichen 24 und 25 zwischen den Dichtungseinheiten in Verbindung stehenden Leitungen. Erste Leitungen 32 und 33 verbinden jeweils die Hochdruckseite und die Niederdruckseite der Dichtungsanordnung 31. Jede Leitung 32 (33) enthält ein Steuerventil 34 (35) mit einer Öffnung 34a (35a), die mit einer jeweiligen zweiten Leitung 36 (37) verbunden ist, die mit dem jeweiligen Bereich 24 (25) zwischen den Dichtungseinheiten S1 und S2 (S2 und S3) in Verbindung steht. Auf jedes Steuerventil 34 (35) wird durch die Drücke p0 und pf eingewirkt, und es ist so konfiguriert, dass es an der jeweiligen Öffnung 34a (35a) einen Druck bereitstellt, der zwischen den Drücken p0 und pf liegt und im Wesentlichen gleich dem gewünschten Wert des jeweiligen Drucks p1 (p2) ist.
  • Die Dichtungsanordnung 41 gemäß der dritten Ausführungsform, die in 6 schematisch gezeigt wird, unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsformen darin, dass jede Dichtungseinheit S1, S2, S3 durch ein Druckbegrenzungsventil 42, 43 bzw. 44 umgangen werden kann. Die Dichtungseinheiten umfassen jeweils eine Bürstendichtung und können sein, wie oben beschrieben. Wenn eine der Bürstendichtungen anfängt, im Betrieb überlastet zu werden (zum Beispiel aufgrund von durch Reibung verursachter Bürstendichtungshysterese), öffnet sich das entsprechende Druckbegrenzungsventil, um einen sicheren Betriebsdruckabfall an der Bürstendichtung aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der Bürstendichtung vermieden werden und die Bürstendichtung steht weiterhin zur Aufnahme eines normalen Betriebs zur Verfügung, wenn der Druckabfall entlang der Dichtungsanordnung 41 wieder auf eine gleichmäßigere Verteilung eingestellt ist.
  • 7 zeigt eine Kugel- und Federausführung für ein Druckbegrenzungsventil. Diese Figur zeigt beispielhaft das der ersten Dichtungseinheit S1 zugeordnete Druckbegrenzungsventil 42, wobei diese in diesem Fall aus einer am Gehäuse 2 befestigten einzigen Bürstendichtung 4 besteht. Das Druckbegrenzungsventil enthält ein Ventilglied oder eine Kugel 46, die durch eine Feder 47 so gedrückt wird, dass sie eine Verbindung zwischen einer schmalen ersten Ventilkammer 48 und einer breiten zweiten Ventilkammer 49 sperrt. Die erste Ventilkammer 48 steht direkt mit der Hochdruckseite der Dichtungsanordnung 41 in Verbindung und ist somit dem hohen Druck p0 ausgesetzt, und die zweite Ventilkammer 49 steht direkt mit dem Raum zwischen den Dichtungseinheiten S1 und der nächsten Dichtungseinheit S2 (nicht gezeigt) in Verbindung und ist somit dem Zwischendruck p1 ausgesetzt. Die Kugel 46 öffnet die Verbindung von der ersten Ventilkammer 48 zur zweiten Ventilkammer, wenn der Druckunterschied p0 – p1 einen gegebenen Schwellwert überschreitet, der eine Funktion der Vorbelastungskraft der Feder 47 und der dem Druck ausgesetzten Bereiche der Kugel ist. Das gleiche Druckbegrenzungsventil mit seiner Kugel- und Federausführung kann auch für die Ventile 43 und 44 in 6 verwendet werden.
  • Bei jeder der oben beschriebenen Dichtungsanordnungen kann die Anzahl von Bürstendichtungen in jeder Dichtungseinheit geändert werden, jede Dichtungseinheit kann mit einem oder mehreren sich von Bürstendichtungen unterscheidenden Dichtungselementen versehen sein, und die Dichtungsanordnung kann zusätzliche Dichtungseinheiten enthalten, die keine Bürstendichtungen umfassen.
  • Wie oben erwähnt, kann des Weiteren die Anzahl von Dichtungseinheiten geändert werden. Zum Beispiel kann ein Ausgleichskolben mit sechs Dichtungseinheiten zur Abdichtung gegen einen Gesamtdruckabfall von zum Beispiel 120 bar ausgeführt sein. Jede Dichtungseinheit kann eine einzige Bürstendichtung enthalten, die einem Druckabfall von 30 bar Rechnung tragen kann. Jegliche der oben beschriebenen Ausführungsformen könnten dazu verwendet werden, den Druckabfall an jeder Dichtungseinheit zu regulieren, um den Druckabfall auf 20 bar zu begrenzen, wodurch jegliche Gefahr einer zu starken Druckbeaufschlagung einer beliebigen einzelnen Bürstendichtung beseitigt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Bürstendichtungen verwendende Dichtungsanordnung Bei einer Dichtungsanordnung 41 zwischen einem ersten und einem zweiten Körper einer Maschine wie einer Dampfturbine, die bezüglich einander drehbar sind, besteht auf einer Seite der Dichtungsanordnung ein relativ hoher Druck p0 und auf der anderen Seite ein relativ niedriger Druck pf. Die Dichtungsanordnung umfasst eine Reihe von Dichtungselementen oder -einheiten S1, S2, S3, von denen mindestens eine eine Bürstendichtung umfasst. Eine Dichtungsumgehungsvorrichtung, die vorzugsweise ein Druckbegrenzungsventil 4244 umfasst, begrenzt den Druckabfall an der Bürstendichtung.
    (6)

Claims (16)

  1. Dichtungsanordnung zwischen einem ersten und einem zweiten Körper einer Maschine, die bezüglich einander drehbar sind, wobei in der Maschine im Betrieb ein relativ hoher Druck auf einer Seite der Dichtungsanordnung und ein relativ niedriger Druck auf der anderen Seite besteht, wobei die Dichtungsanordnung eine Reihe von Dichtungselementen, von denen mindestens eines eine Bürstendichtung ist, wobei der Druck an jedem nachfolgenden Dichtungselement von der Hochdruckseite der Dichtungsanordnung zur Niederdruckseite abfällt, und eine Dichtungsumgehungsvorrichtung, die den Druckabfall an der Bürstendichtung begrenzt, umfasst.
  2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Dichtungsumgehungsvorrichtung eine einen ersten Bereich in der Maschine mit einem zweiten Bereich in der Dichtungsanordnung verbindende Leitung umfasst, wobei der erste Bereich einen geeigneten Zwischendruck zwischen den Drücken auf der Hochdruck- und der Niederdruckseite der Dichtungsanordnung aufweist und sich der zweite Bereich auf der Niederdruckseite der Bürstendichtung befindet.
  3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Dichtungsumgehungsvorrichtung eine die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite der Dichtungsanordnung verbindende erste Leitung, wobei die erste Leitung ein Ventil mit einer Öffnung, an der der Druck zwischen dem hohen Druck und dem niedrigen Druck liegt, und eine die Öffnung des Ventils mit einem Bereich in der Dichtungsanordnung auf der Niederdruckseite der Bürstendichtung verbindende zweite Leitung umfasst.
  4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Dichtungsumgehungsvorrichtung ein Druckbegrenzungsventil umfasst.
  5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, bei der das Druckbegrenzungsventil eine erste Ventilkammer, eine zweite Ventilkammer und ein Ventilglied umfasst, das eine Verbindung zwischen der ersten Ventilkammer und der zweiten Ventilkammer öffnet, wenn der Druckunterschied zwischen den Kammern eine gegebene Schwelle überschreitet, wobei die erste Ventilkammer mit der Hochdruckseite der Bürstendichtung und die zweite Ventilkammer mit der Niederdruckseite der Bürstendichtung in Verbindung steht.
  6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, bei der das Druckbegrenzungsventil eine Feder enthält, die so auf das Ventilglied einwirkt, dass es in eine Position vorbelastet wird, in der es die Verbindung zwischen den Ventilkammern sperrt.
  7. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bürstendichtung einen Teil einer Dichtungseinheit mit mindestens einem Dichtungselement bildet, wobei die Dichtungsumgehungsvorrichtung den Druckabfall an der Dichtungseinheit begrenzt und die Dichtungsanordnung eine Reihe solcher Dichtungseinheiten umfasst.
  8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, bei der die Dichtungseinheit mindestens eine Bürstendichtung und mindestens eine Rippendichtung umfasst.
  9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Dichtungseinheit mindestens zwei Bürstendichtungen umfasst.
  10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Dichtungseinheit an einem der bezüglich einander drehbaren Körper angebracht ist, so dass sie in einem begrenzten Ausmaß auf den anderen Körper zu und davon weg bewegbar ist.
  11. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Unterschied zwischen dem relativ hohen Druck und dem relativ niedrigen Druck mehr als 25 bar beträgt.
  12. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der es sich bei der Maschine um eine Turbine handelt.
  13. Dichtungsanordnung nach Anspruch 12, bei der es sich bei der Turbine um eine Dampfturbine handelt.
  14. Dichtungsanordnung nach Anspruch 13, bei der der erste Körper ein stationäres Gehäuse und der zweite Körper ein Ausgleichskolben ist, wobei der relativ hohe Druck der Dampfeinlassdruck und der relativ niedrige Druck der Dampfauslassdruck ist.
  15. Dichtungsanordnung nach Anspruch 13, bei der es sich bei dem ersten Körper um ein stationäres Gehäuse und bei dem zweiten Körper um einen Drehzapfen handelt, wobei der relativ hohe Druck der Dampfauslassdruck und der relativ niedrige Druck der Atmosphärendruck ist.
  16. Dichtungsanordnung im Wesentlichen wie mit Bezug auf eine der 4 bis 7 der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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