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Wellendichtungsanordnung für eine mit einem elastischen Flud arbeitende
Maschine mit einer Mehrzahl Spaltdichtungen Die vorliegende Erfindung bezieht sich
allgemein auf Dichtungsflude für um die drehbare Welle beispielsweise einer Dampf
nur bine fest angeordnete Spaltdichtungen und insbesondere auf einen Aufbau, um
ein unter hohem Druck stehendes gasförmiges Flud zu einer Mehrzahl Spaltdichtungen
zu leiten.
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Die Gehäuse von mittels Fluden angetriebenen bzw. arbeitenden Maschinen
wie etwa Dampfturbinen sind an ihren -Stirnwandungen mit Öffnungen versehen, durch
die eine Läuferwelle -ragt. Um soweit wie möglich zu verhindern, daß Luft in eine
Turbine eindringt bzw. Dampf oder ein anderes Antriebsflud in die umgebende Atmosphäre
entweicht, sind die Stirnwandungen von Turbinengehäusen mit Spaltdichtungen versehen.
Diese Spaltdichtungen
(gland structures) begrenzen um die Welle
herum ringförmige Häume, die dazu dienen, die in den Stirnwandungen befindlichen
Oeffnungen gegenüber auf die Spaltdichtungen auftreffenden gasförmigen Fluden abzudichten.
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In herkömmlichen Dichtungsanordnungen wird das gasförmige Dichtungsf
lud einer geeigneten, den erforderlichen holmen Druck gewährleistenden quelle über
eine Haupt leitung entnommen und mittels eines geeigneten, in die Hauptleitung geschalteten
Druckminderventils auf einen niedrigeren Druckwert von beispielsweise 1,4 kg/cm²
(20 psia) herabgesetzt. Dieses nur noch unter niedrigerer Druck stehende Flud gelangt
über die Hauptleitung zu einzelnen Zweigleitungen, die das Diciitungsflud auf die
einzelnen Spaltdichtungen aufteilen. Infolge des niedrigen Druckes des Dichtungsfludes
uß in den einzelnen /Iie Leitungen ein grober Ouerschnitt zur Verfügung stehen,
um Spaltdichtungen in ausreichendem Maße mit Dichtungsf lud versorgen zu können.
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Solche Leitungen großen ruerschllitts weisen viele Nachteile auf,
die sich insbesondere in Verbindung mit Turbinenspaltdichtungen störend bemerkbar
machen. ei einer Dampfturbinenanlage mit mehreren operativ zusammengeschalteten
Turbinen, in der beispielsweise eine mit hohem, eine mit mittlerem und eine mit
niedrigem Druck arbeitende Dampfturbine zusammengetaßt sind, haben die für die Fortleitung
des Dichtungsfludes zu den Spaltdichtungen der mit niedrigem Druck arbeitenden Turbine
dienenden Rohrleitungen einen so großen Durchmesser, daß sie unterhalb des Bodens
des Turbinenraumes geführt werden müssen. Eine derartige Führung bedingt naturgemäß
einen besonderen erheblichen Aufwand bei der Zeichnung und der sonstigen ingenieurmäßigen
Gestaltung, da die erforderlichen Röhren um andere Anlagenelemente, Leitungen, Träger,
elektrische
Kabel, Treppenhäuser oder dergleichen herumsowie außerdem durch Trennwände hindurchgeführt
werden müssen, die sich in dem Gebäude des Benutzers oder Kunden befinden.
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Tatsächlich ist es notwendig, daß Zeichner und Ingenieure die Zeichnungen
des Kunden gesondert auf diesen Punkt hin überprüfen und dan in einigen Fällen das
für die Aufstellung der Turbinenanlage vorgesehene Gebäude oder Gelände aufsuchen
und eingehend an Ort und Stelle inspizieren, um die Rohrleitungen für die Dichtungsflude
auf die besonderen Verhältnisse des Geländes oder Gebäudes abzustimmen, bevor und/òder
nachdem die Turbinenanlage installiert wird. Die Kosten für diese besondere vorbereitende
Zeichner- und lngenieurarbeit sind naturgemäß beträchtlich.
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Rohrleitungen großen Durchmessers bringen ferner Flexibilitätsprobleme
mit sich. Uekanntlic haben Rohrleitungen, die Flude erhöhter Temperatur führen,
die bigenschaft, sich auszudehnen und zusammenzuziehen, so daß besondere Dehnungskrümmer
vorgesehen werden müssen, die dann bei Rohrleitungen großen Durchmessers weiter
einen großen Raum, außerdem genügend Spielraum für die Aufnahme der Längenanderungen
beanspruchen. Dies erfordert wiederum Flexibilitätsuntersuchungen, was zu einer
weiteren Erhöhung der Installationskosten der Turbinenanlage führt.
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Außerdem liegt in solchen Anordnungen normalerweise der Durchschnittswert
des in den Spaltdichtungen herrschenden Druckes über dem Druckwert, der für eine
einwandfreie Abdichtung notwendig ist, so daß mehr Dampf verlorengeht als für die
Abdichtung der SpaltdichtunF>en erforderlich wäre und somit der Wirkungsgrad
der Turbinenanlage verringert wird.
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Ferner leidet auch die Zuverlässigkeit des Dichtungssystems, da eine
Störung an dem Ventil alle Spaltdichtungen beeinträchtigt und bei Reparatur des
Ventils die gesamte Dichtungsfludzufuhr
zu dem Ventil und somit
zu allen Spaltdichtungen gesperrt werden muß. In einigen Fällen kann es sich sogar
als notwendig erweisen, die Turbinen stillzusetzen.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher in erster Linie, eine
in hohem Maße zuverlässige Dichtungsanordnung für Spaltdichtungen zu schaffen, bei
der das Dichtungsf lud mit einem Druck zugeführt wird, der genau den für die verschiedenen
Spaltdichtungen erforderlichen Wert hat.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Wellendichtungsanordnung für eine
mit einem elastischen Flud arbeitende Maschine mit einer Mehrzahl Spaltdichtungen,
die über eine Hauptleitung sowie über die Hauptleitung mit den einzelnen Spaltdichtungen
verbindende Zweigleitungen mit einen unter hohem Druck stehenden gasförmigen Dictungsflud
beaufschlagt sind, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in die einzelnen
Zweigleitungen in Nähe der Spaltdichtungen jeweils ein Druckminderventil für die
Herabsetzung des auf die Spaltdichtungen einwirkenden Druckes geschaltet ist.
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Infolge des höheren Druckes des zugeführten Fluds verringert sich
der erforderliche Querschnitt für die Hauptleitungen auf annähernd 1/10 des bisher
benötigten Querschnittes. Infolge der kleineren Abmessungen der Rohrleitungen, wie
sie durch den erfindungsgemäßen Einsatz einzelner Druckminderventile an oder nahe
den Spaltdichtungen möglich werden, brauchen die Rohrleitungen nicht mehr unterhalb
des Bodens des Turbinenraumes geführt zu werden, so daß die Notwendigkeit kostspieliger
und zeitraubender zusätzlicher Arbeit durch Zeichner und Ingenieure entfällt. Die
Rohrleitungen mit dem kleinen Durchmesser lassen sich unterhalb des Turbinenfundamentes
oberhalb des Bodens verlegen, so daß auch hinsichtlich der Zeichnungen für die Installation
der Turbinenrohrleitungen eine Standardisierung erfolgen kann.
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Auch die Rohrleitungen selbst kosten infolge ihrer geringeren Durchmesser
wesentlich weniger als die großen Rohrleitungen, wie sie in Verbindung mit herkömmlichen
Spaltdichtungssystemen Verwendung finden, und lassen sich überdies leichter handhaben
und installieren. Auch ist die Flexibilität solcher Rohrleitungen kleineren Durchmessers
größer, was bei dem Entwurf und der Auslegung von Turbinenanlagen einen sehr wesentlichen
Faktor darstellt, da in diesem Fall die Rohrleitungen nämlich mit kleineren Dehnungskrümmern
versehen werden können. Ferner läßt die Verwendung der kleineren Rohrleitungen einen
einfacheren und somit weniger kostspieligen Aufbau für die Spaltdichtungen zu.
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Hinzu kommt, daß infolge der Einschaltung eines Druckminderventils
in jede einzelne Zweigleitung einer Spaltdichtung der Druck für jede Spaltdichtung
genau eingestellt werden kann, so daß das Eindringen von Luft in die Spaltdichtungen
und das Entweichen von Dichtungsf lud von den Spaltdichtungen in den Bereich niedrigeren
Druckes reduziert wird. Durch das Herabsetzen der Menge an entweichendem Dichtungsf
lud wird wiederum der Wirkungsgrad der Turbinenanlage verbessert, da der Verlust
an durch den entweichenden Dampf mitgeführter Wärme abnimmt. Durch die Verringerung
der Menge an entweichendem Dichtungsf lud oder Sperrdampf wird auch der Querschnitt
der Auslaßrohrleitung, mittels der die Spaltdichtungen mit einem Bereich niedrigen
Drucks verbunden sind, auf etwa 1/2 des bisher erforderlichen Wertes verringert.
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Durch die Verwendung gesonderter Druckininderventile wächst auch die
Zuverlässigkeit des Spaltdichtungssystems in der gewünschten Weise. Tritt an einem
Ventil eine Störung im geöffneten Zustand auf, so wird der durch den erhöhten Druck
hervorge rufene Verlust an Dichtungsflud auf die Spaltdichtung beschränkt, der das
offene Ventil zugeordnet ist, während die übrigen Ventile und Spaltdichtungen durch
das offene Ventil nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.
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Die Erfindung wird nachstehend zusamtnen mit weiteren Merkmalen anhand
eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugevorigen Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsge,näß
aufgebauten Spaltdichtun(ssystems; und Fig. 2 einen Teil-Längsschnitt dadurch einen
in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten Spaltdichtungsaufbau.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein allgemein mit 10 bezeichnetes Fluddichtungssystem
für eine Anzahl (im vorliegenden Fall drei) Turbinen 1, 2 und 3, die als bei niedrigem
Druck arbeitende Gegendruckturbinen (lowpressure steam, double opposed-flow type)
ausgebildet sein können.
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Die Turbinen 1, 2 und 3 können Bestandteil einer größeren Energieerzeugungsanlage
mit bei mittlerem und hohem Druck arbeitenden Turbinen (nicht dargestellt) für den
Antrieb einer geeigneten Last, beispielsweise eines elektrischen Generators (nicht
dargestellt) sein.
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Die in Fig. 1 dargestellten Turbinen 1, 2 und 3 sind tandemartig über
Läuferwellen 5 und Kupplungen 6 miteinander verbunden.
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Die Nullen 5 ragen durch Öffnungen 8 (Fig. 2), die in Stirnwandungen
9 der Turbinengehäuse vorgesehen sind. Eine dieser Stirnwandungen 9 ist in Fig.
2 teilweise wiedergegebenen.
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Die Stirnwandungen 9 der Turbinen sind ferner mit in Fig. 1 nur schematisch
gezeigten ringförmigen Spaltdichtungen 11 bis 16 versehen, die die ringartigen Öffnungen
8 in den flndwandungen 9 (Fig. 2) längs des Umfangs der Wellen 5 abdichten, wenn
ein Dlchtungsflud, beispielsweise Dampf, zu den Spaltdichtungen 11 bis 16 geleitet
wird.
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Jede der Spaltdichtungen 11 bis 16 ist über entsprechende Zweigleitungen
21 bis 25 sowie über vorzugsweise in Nähe der Spaltdichtungen 11 bis 16 in die Zweigleitungen
21 bis 25 geschaltete Druckminderventile 31 bis 35 an eine Hauptleitung 18 angeschlossen.
Die Spaltdichtungen 11 bis 14 der Turbinen 1 und 2 sind über ihre entsprechenden
Zvzeigleitungen 21 bis 24 mit der Hauptleitung18 verbunden, während die Spaltdichtungen
15 und 16 der Turbine 3 untereinander über Zweigleitungen 26 bzw. 27 verbunden sind,
die dann gemeinsam über die Zweigleitung 25 mit der Hauptleitung 18 in Verbindung
stehen.
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In jede der Zweigleitungen können außerdem zusätzliche Ventile 41
bis 45 (Fig. 1) geschaltet sein, die sich normalerweise im geöffneten Zustand befinden
und von Hand betätigbar sind.
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Die Druckminderventile 31 bis 35 sind mit den zugehörigen Spaltdichtungen
über zur erfassung des Druckes geeignete Leitungen 51 bis 55 verbunden, über die
eine automatische Steuerung der Druckminderventile erfolgen kann.
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Die Hauptleitung 18 ist mit einer Quelle (nicht dargestellt) für die
Abgabe von unter hohem Druck stehendem Dichtungsflud über ein Druckregulierventil
57 verbunden. Parallel zu dem Druckregulierventil 57 ist ein normalerweise geschlossenes,
von Hand betätigbares Umgehungsventil 58 geschaltet. Das Ventil 57 steht außerdem
über eine zur Erfassung des herrschenden Druckes geeignete Leitung 59 mit der Hauptleitung
18 in Verbindung, über die das Druckregulierventil 57 automatisch gesteuert werden
kann.
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Mit der Hauptleitung 18 steht ferner ein Druckentlastungs- oder Sicherheitsventil
60 in Verbindung, über das überschüssiges Dichtungsflud entweichen kann, wenn an
dem Druckregulierventil 57 im geöffneten Zustand eine Störung auftreten sollte.
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Die Spaltdichtungen 11 bis 16 sind ferner jeweils mit Ausgangsleitungen
61 bis 66 verbunden-, die zu einer Stelle führen, an der ein niedrigerer Druck als
in den Spaltdichtungen herrscht, beispielsweise zu einem Kondensator (nicht dargestellt)
für das Spaltdichtungsf lud. Die verschiedenen Ausgangs leitungen können mit dem
Kondensator einzeln oder auch in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise über eine Sammelleitung
67 verbunden sein.
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Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine der Spaltdichtungen (im
vorliegenden Fall Spaltdichtung 13 der Fig. 1) sowie durch einen Teil der zugehörigen,
in Fig. 1 schematisch dargestellten Turbine 2 mit der entsprechenden Welle 5.
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Die in Fig. 2 gezeigte Spaltdichtung 13 ist zwischen einem Lager 68
für die Welle 5 und dem in Seitenansicht gezeigten Austrittsende 69 der Turbine
angeordnet.
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Die Spaltdichtung 13 weist einen äußere, ringförmigen Wandungsteil
70 sowie innere ringförmige Wandungsteile 71 und 72 auf, die erste und zweite Ringräume
oder -kammern 74 und 75 begrenzen. Die Wandungsteile begrenzen ferner eine ringförmige,
sich in axialer Richtung längs des Umfangs der Welle 5 erstreckende Offnung 77,
deren Querschnitt im wesentlichen durch eine Anzahl labyrinthartiger Dichtungsringe
78 begrenzt ist, die in geringem radialem Abstand von dem äußeren Umfang der Welle
5 in den Wandungsteilen 71, 72 angeordnet sind.
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Die Zweigleitung 23 ist durch das äußere Wandungsteil 70 hindurch
unmittelbar mit dem Ringraum 75 verbunden. In gleicher Weise steht die Ausgangsleitung
63 durch das äußere Wandungsteil 70 hindurch unmittelbar mit dem Ringraum 74 in
Verbindung.
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Die zur Erfassung des Druckes dienende Leitung 53 steht ebefalls durch
das äußere Wandungsteil 70 hindurch mit dem Ringraum 75 in Verbindung.
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Zur Erzielung der gewünschten Abdichtung der in den Stirnwandungen
der Turbine vorgesehenen Öffnungen im Verhältnis zu den Wellen 5 wird von einer
geeigneten Quelle (nicht dargestellt) aus ein unter hohem Druck stehendes Dichtungsf
lud zu den Spaltdichtunrten 11 bis 16 geleitet. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
und der Schnelligkeit wird dieses Dichtungsflud bei Dampfturbinenanlagen üblicherweise
von einer Stelle des Kreislaufes geliefert, an der der Dampf einen höheren Druck
und eine höhere Temperatur als der die Turbinen 1 und 2 durchströmende Dampf hat.
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In der vorliegenden Anlage kann der Sperrdampf an einer vor den üblichen
Drossel- und Absperrventilen für eine Hochdruckdampf turbine liegenden Stelle abgenommen
werden, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. tn jedem Fall wird der
Sperrdampf zu dem egulierventil 57 geleitet, das dazu dient, den Druck in der Hauptleitung
18 unabhängig von Änderungen im Druck oder in der Menge des zugeführten Dampfes
auf einem vorgegebenen konstanten-Wert zu halten.
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Die Hauptleitung 18 führt den unter Hochdruck stehenden Sperrdampf
zu den Zweigleitungen 21 bis 25 sowie zu den in diese Leitungen- geschalteten Druckminderventilen
31 bis 35. Erfindungsgemäß erfolgt durch die Druckminderventile eine individuelle
Herabsetzung und Steuerung des Druckes des auf die jeweiligen Spaltdichtungen 11
bis 16 einwirkenden Dampfes. In einem praktischen Fall wird der von dem Ventil 57
auf etwa 14 kg/cm² ( 200 psia) gehaltene Druck mittels der Ventile 31 bis 35 auf
etwa 1,1 kg/cmn (16- psia) an den Spaltdichtungen herabgesetzt, wobei der genaue
Wert des an den Spaltdichtungen herrschenden Druckes naturgemäß von den jeweiligen
Konstruktionswerten für die Turbine und die Spaltdichtungen athätigt.
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Die Zweigleitungen 21 bis 27 führen den im Druck herabgesetzten Sperrdampf
in die ringförmigen Kammern 75 (Fig. 2) der zugeordneten Spaltdichtungen 11 bis
16. Um die gewünschte Abdichtung der Turbinen 1 bis 3 um die Wellen zu erzielen,
werden die Kammern 74 durch Anschluß an eine Stelle niedrigeren Druckes (nicht dargestellt)
über die damit verbundenen Leitungen 61 bis 66 auf einem Druck gehalten, der unter
dem in den Kammern 75 herrschenden Druck und unter dem Druck der umgebenden Atmosphäre
liegt. Dadurch strömt der Dampf vorzugsweise durch die ringförmige Öffnung 77 längs
der Welle 5 von der Kammer 75 zu der Kammer 74 und von der Kammer 74 zu der Stelle
niedrigeren Druckes, die vonkinem Kondensator gebildet sein kann, in dem der von
den Spaltdichtungen abströmende Dampf aufgefangen und niedergeschlagen wird, so
daß er einer weiteren Verwendung zugefürt, außerdem beispielsweise die Dampfhitze
ausgewertet werden kann, um die Speisewass-ertemperatur zu erhöhen. Damit wird in
bekannter Weise das Entweichen des Sperrdampfes über den letzten Dichtring 78 hinaus
in die umgebende Atmosphäre verhindert sowie Luft in die Kammer 74 gesaugt und mittels
einer dem Kondensator für den Spaltdichtungsdampf zugeordneten Pumpeinrichtung abgeführt.
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Wenn es sich bei der Turbine 3 beispielsweise um eine Hochdruckturbine
handelt, so kann der Druck des Dampfes in Nähe der Spaltdichtungen 15 und 16 bei
zunehmender belastung bis auf einen Wert anwachsen, der größer als der Druck des
in der Kammer 75 anwesenden Sperrdampfes ist. Um zu verhindern, daß es in der ringförmigen
Kammer 75 zu einem Druckstau kommt, ist ein Steuerventil 81 vorgesehen. Dieses Steuerventil
ist normalerweise geschlossen, öffnet jedoch, wenn der Druck in der Leitung 27 über
1,3 kg/cm² (19 psia) ansteigt. Dieser Dampf wird dann etwa zu einem Speisewassererhitzer
geleitet, der einen +)in die umgebende Atmosphäre
Druck von weniger
als 0,7 kg/cm² (10 psia) hat, wo die thermische Energie dieses Dampfes beispielsweise
für die Vorerhitzung des Kesselspeisewassers verwendet wird.
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Wie mit Fig. 1 veranschaulicht, kann der Druck des Sperr-oder Dichtungsfluds
für die einzelnen Spaltdichtungen jeweils mittels eines gesonderten Druckminderventils
reduziert und gesteuert werden, wie das in Verbindung mit den Turbinen 1 und 2 gezeigt
ist. Statt dessen kann der Druck des jeweils auf ein Paar Spaltdichtungen wie etwa
die Spaltdichtungen 15 und 16 der Turbine 3 einwirkenden Sperrdampf es auch mittels
eines einzigen Druckminderventils 45 reduziert und gesteuert werden. Individuelle
Druckminderventile für die Spaltdichtungen ergeben eine genauere Steuerung des Sperrdampfdruckes,
jedoch ist eine genaue Herabsetzung und Steuerung des auf ein Paar Spaltdichtungen
einer Turbine einwirkenden Sperrdampfdruckes auch in Verbindung mit nur einem einzigen
Ventil je Paar möglich, wenn die Konstruktionswerte der Spaltdichtun-Lm wesentlichen
identisch sind.
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PatentansprUche: