DE2503856A1

DE2503856A1 - Wellendichtung

Info

Publication number: DE2503856A1
Application number: DE19752503856
Authority: DE
Inventors: Donald P Ravicchio; Owen S Taylor
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1974-03-21
Filing date: 1975-01-30
Publication date: 1975-09-25
Also published as: US3874676A; CA1020974A; DE2503856C3; JPS5414257B2; CH580242A5; DE2503856B2; NL7500629A; JPS50132354A; IT1028292B; FR2265020A1; GB1486661A; FR2265020B1

Description

Wellendichtung

Die Erfindung tezieht sioh auf eine Wellendichtung und insbesondere auf eine "I¹lüssig-Gas"-Dichtung, die verhindert, daß in einer Rotationsmaschine, etwa einer Turbine oder einem Kompressor, befindliche Hochdruck-Arbeitsmittel längs der Welle zu einer Zone niedrigeren Drucks oder der Atmosphäre entweichen.

Der Ausdruck "]?lüssig-Gas"-Dichtung bezieht sich auf ein Diohtungssystem, das mit einem Druckmittel arbeitet, welches eine Sperre für das Arbeitsmedium bildet, die verhindert, daß das Arbeitsmedium in einen Bereich nied-, rigeren Drucks gelangt. Die Bezeichnung "ilüssig-G-äs" umfaßt jegliche zu diesem Zweck geeignete Pluid-ITuid-Kombination.

Bei der in der US-PS 3 695 621 beschriebenen Fiüssig-Gas-Wellendichtung ist in der.Stirnwand der Maschine eine Öffnung ausgebildet, durch die die Rotorwelle von einem innerhalb der Maschine befindlichen Hochdruckbereich zu einer außerhalb der Maschine gelegenen Zone niedrigeren Drucks verläuft. Eine Reihe von schwimmend gelagerten, die

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Welle umgreifenden Dichtungsbuchsen oder -stücken sind in , der Stirnwandöffnung angeordnet. Diese Dichtungsstücke enthalten eine an der Hochdruckzone gelegene gasseitige Dichtung und mehrere Öl-Abfalldichtungen, die hinter der gasseitigen Dichtung gelegen und in Richtung der Niederdruckzone gleichförmig auf Abstand gehalten sind. Geringfügig höher als der Betriebsdruck der Strömungsmittel innerhalb der Maschine unter Druck gesetztes Öl wird mit der Welle in der Nähe der gasseitigen Dichtung in Berührung gebracht. Unter der Wirkung der Abfalldichtungen wird ein Hochdruckölstrom erzeugt, der längs der Welle von der Hochdruck- zur ITiederdruekzone führt. Der Hochdruckstrom dient in diesem Pail dazu, ein Entweichen der Arbeitsmittel aus der Maschine zu verhindern, sorgt für eine Schmierung und Kühlung der Dichtungen und unterbindet ein Eindringen von Öl in die Maschine.

Unter normalen Betriebsbedingungen arbeitet eine Flüssig-Gas-Dichtung dieser Art zumeist äußerst zufriedenstellend. Beim Start oder wenn die Maschine unterhalb der Betriebsbedingungen,auf die sie ausgelegt ist, arbeitet, nimmt der Ölstrom jedoch beträchtlich ab. Infolgedessen verringert sich die durch das Öl an den Abfalldichtungen erzielte Schmierung beträchtlich, was zu einer Überhitzung der Bauteile führt_o Daher ist eine Öleinspritzung zur Unterstützung des Hochdruck-Ölstroms während kritischer Betriebes en vor-

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gesehen, wenn eine Überhitzungsgefahr für die Dichtungen besteht. Eine derartige öleinspritzung erfordert jedoch zum Bitrieb und zur Regulierung komplizierte Steuereinrichtungen, hat einen übermäßigen Strömungsmittel-Verbrauch und hohe Einbaukosten und ist schwierig in der Wartung.«

Erfindungsgemäß soll eine Wellendichtung für eine druckbeaufschlagte Rotationsmaschine geschaffen werden, die auch während kritischer Betriebsfifiasen ohne eine besondere Strömungsmitteleinspritzung zufriedenstellend arbeitet.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung die in den Ansprüchen beschriebene Wellendichtung.

Die erfindungsgemäße Flüsslg-G-as-Dichtung ist in einer Strömungsmittelmaschine verwendbar und vermag auch unter schwankenden Masohinenbelastungen eine übermäßige Wärmeentwicklung wirksam von der Dichtzone abzuführen; die erforderliche Hochdruckölmenge wird herabgesetzt und die für ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten der 3?lüssig-Öas-Ifellendichtung benötigten Steuerungen werden vereinfacht·

Die Wellendichtung enthält eine Stirnwand mit einer Öffnung zur Abstützung der Welle einer mit Druckmittel arbeitenden Rotationsmaschine, mehrere die Welle in der öffnung um-

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greifende, schwimmend gelagerte, axial zueinander ausgerichtete Dichtungsstücke oder -büchsen einschließlich einer gasseitigen Dichtung, die auf der Hochdruckseite der Öffnung gelegen ist, sowie mehrerer Öl-Abfalldichtungen, die hinter der gasseitigen Dichtung angeordnet sind, eine Zufuhreinrichtung, die einen geringfügig höher als das Arbeitsmedium in der Maschine unter Druck gesetzten Ölstrom mit der Welle an der gasseitigen Dichtung in Berührung bringt, so daß das Öl zwischen der Welle und den Dichtungen in Richtung der Niederdruckzone abströmt, und eine von dem Hochdruckölstrom getrennte Kühleinrichtung, die die Dichtungen bei jeglicher Betriebslast kühlt.

Insgesamt schafft die Erfindung eine Wellendichtung, die verhindert, daß gasförmige oder flüssige Arbeitsmedien aus einer Rotationsmaschine, etwa einer !Turbine oder einem Kompressor, entweichen. Öl unter einem verhältnismäßig hohen Druck, d,h. einem Druck, der geringfügig oberhalb der Druckhöhe des in der Maschine befindlichen Arbeitsmediums liegt, strömt zwischen der Welle und mehreren axial zuein-» ander-.ausgerichteten, frei schwimmenden Di chtungs stücken oder -büchsen, die das stirnwandseitige Wellenende umgreifen. Der ölstrom beginnt an einer ersten, gasseitigen Dichtung und führt über eine Reihe von hinter der gasseitigen Dichtung in Strömungsrichtung aufeinander folgenden Öl-Abfalldichtungen längs der Welle zur Atmosphäre oder einer

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Zone geringeren Drucks. Ein Hilfs-Ölkreislauf niedrigen Drucks führt Kühlöl über die Rückseite der Abfalldichtungen und verhindert somit eine Überhitzung der Dichtungen während des Starts der Maschine oder wenn die Haschine unter ungewöhnlichen Lastbedingungen arbeitet.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:

einen Teilschnitt einer Rotationsmaschine;

und

eine schematische Darstellung einer Öl-

zufuhreinrichtung für eine erfindungsge-

Diäß ausgebildete Wellendichtung.

Gemäß Pig. 1 enthält das Gehäuse 10 einer Rotationsmaschine, etwa eines Kompressors oder einer Turbine, eine Öffnung, durch die eine umlaufende Welle 11 verläuft, die die bewegten

/sich

Maschinenteile trägt. Die Welle 11 erstreckt'in Axialrichtung von der im Sinne der Fig. 1 rechts gelegenen Hochdruckzone der Haschine 12 zu einer Niederdruckzone 13 ο Die Miederdruckzone steht übli&heiEweise auf Atmosphäreiidruck, kann jedoch auch einem geringfügig höheren oder niedrigeren Druck ausgesetzt sein. Die Innenwand der Öffnung kann einstückig am Gehäuse 10 angeformt oder durch einen Ring15

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gemäß Pig. 1 gebildet sein, der durch Senkschrauben 17 fest mit dem Gehäuse 10 verbunden ist₀ In diesem Pail dient der Ring 15 zweclanäßigerweise zur Halterung einer labyrinthdichtung 20, die die Welle 11 in der Hochdruckzone 12 umgreiftο

Die Dichtung enthält ferner ein stationäres, ringförmiges Einsatzstück 22, das in der Stirnwandöffnung angeordnet ist und am Ring 15 anliegt. Im Einsatzstück 22 "befindet sich/gasseitige Dichtung 23, die die Welle 11 in der Nähe der Hochdruckzone 12 umgreift. Die ,gasseitige Dichtung 23 enthält eine zylindrische, hülsenförmige Buchse 24, die die Welle mit Drehspiel umschließt, sowie einen schräg zur Buchse 24 angestellten, konusförmigen Abschnitt 25,der in einen radial "verlaufenden Plansch 26 übergeht, der an der Außenseite jdes Halterings 15 angeordnet ist.

Auf seiner Innenseite ist das Einsatzstück 22 an die Porm der gasseitigen Dichtung 23 angepaßt■und" mit mehreren gleichförmig verteilten Öffnungen 30 versehen, die in Umfangsrichtung um die Diohtung 23 verlaufen. Die Öffnungen 30 sind an eine ringförmig um den Außenumfang des Einsatζstückes 22 verlaufende Hochdruck-Ölnut 33 angeschlossen,, Hochdrucköl wird auf die weiter unten im einzelnen erläuterte Weise über einen die G-ehäuse stirnwand 10 durchsetzenden Ölzufuhrkanal 35 der Ringnut 33 zugeführt

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Beidseitig des Flansches 26 der gasseitigen Dichtung befinden sich 2 O-Ringe 38 und 39» die verhindern, daß Hochdrucköl zwischen das Einsatzstück 22 und den Haltering 15 gelangt. Mehrere am Einsatzstück 22 befestigte Stifte 2? greifen nach unten in Horizontalnuten, die am Außenumfang des Flansches 26 ausgebildet sind, und sichern die gasseitige Dichtung gegen eine Drehbewegung, ermöglichen jedoch gleichzeitig eine Bewegung der Dichtung sow-oh.1 in Axial- als auch in Radialrichtung.

Während des Betriebs wird Hochdrucköl, das unter einem geringfügig höheren Druck als das Arbeitsgas gteht, den Öffnungen 50 zugeführt und in dem mit 31 bezeichneten Bereich in Berührung mit der Welle 11 unterhalb der Buchse 24 gebracht. Infolgedessen gelangen die zu diesem Bereich vorgedrungenen Arbeitsgase unter den Einfluß des Gegendrucks des Hochdrucköle und werden somit an einem Entweichen im Bereiche niedrigeren Drucks längs der Welle gehinderte Verunreinigtes Öl, das sich im Öl-Gas-Grenzbereich ansammelt, wird ttbtr eine übliche Ablaßleitung 32 aus dem Kreislauf entfernt.

Wie bereits erwähnt, wird ein Hochdruck-Ölstrom in Axialrichtung längs der Welle vom Gas-Öl-Grenzbereich in Richtung der Niederdruckseite erzeugt. Mehrere Abfalldichtungen in Form von fliegend gelagerten Dichtungsstücken oder

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-büchsen 40, 41 und 42 sind in gleichmäßigen Abständen auf der "»volle hinter der gasseitigen Dichtung in Stromungsrichtung axial zueinander ausgerichtet angeordnet. Zwi-. sehen der Innenfläche der Abfalldichtungen und dem Außenumfang der Welle ist ein ausreichend großer Spalt vorhanden, wodurch der Druck im Ölstrom gleichförmig und schrittweise zum Bereich niedrigeren Drucks hin abgebaut wird. Die Abfalldichtungen sind in stationären Hingen 45, 47, gelagert, die in der Wellenöffnuiig gehaltert sind, Wie i"ig_e 1 zeigt, liegen die lunge in Ari3,lrichtung aneinander an, wobei, der im Stapel letzte Hing 40 auf der Außenfläche des ISiiisatzstückec 22 für die gasseitige Dichtung anliegt. In Axialrichtung ist der Singstapel in der Wellenöffnung durch einen Haltering 67 gersichert, welcher etwa durch Schrauben oder dergl. auf der linken oeite der Stirnwand befestigt ist. Im Haltering 67 kann eine zweite äußere Labyrinthwellendichtung (nicht gezeigt) angeordnet sein, die einen zusätzlichen Schutz gegen eine Leckage aus der Haschine gewährleistet ο

Wie in der oben erwähnten US-PS beschrieben, dient bei diesel" Art von Wellendichtung das Hochdrucköl nicht nur als Sperre, die ein Jüntweichen von Arbeitsinedien aus der Haschine verhindert, sondern auch zur Kühlung der verschiedenen Bauteile der Wellendichtung. Bei bestimmten kritischen Betriebsbedingungen, und insbesondere beim Start der.Ma-

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scliine verringert sich, jedoch der Kengenstrom des Jiochdrucköls längs der Dichtflächen ganz erheblich und bis zu einen Punkt, wo eine Uberhitzung der Dichtungen auftritt. Bei diesen Betriebszustanden werden eine Exzentrizität in den miteinander zusammenwirkenden Bauteilen, ein "unrunder Vieilenlauf oder Vibrationen der Maschine verstärkt, was zu einem abermaligen YersclileilB der Dichtungen und schließlich zu einem Versagen führt. ' . ■ - ■ ■

Die beschriebene Wellendichtung verfügt über eine verhältnismäßig einfache Kühleinrichtung für die Dichtungen,die unabhängig vom !Betriebszustand der Maschine kontinuierlich. auf einem konstanten Betriebspegel arbeitet. £u diesem. ' Zv/eck ist ein ITiederdruck-Hilfskreisla,uf in ITorm eines ".-■-. Külilmittelstrom,s vorgesehen, der kontinuierlich mit den ij.bfa.lldiclituiigen in Berührung gebracht wird, solange die Has chine a.rbeitet.

G-emäJ'3 j?ig. 1 befindet sich jede Abfalldichtung in einer in Umfang sr icht ung verlaufenden Ausnehmung 50, 51 bzw.. 52, ■ die in den Iragriiigen für die Abfalldiciituiigen ausgebildet ist,-In Jedem Tragring ist ferner "unmittelbar . hinter der Ausnehmung eine axial verlaufende Hingöffnung ausgebildet, die mit dieser über Zufuhrbohrungen .61 in Verbindung steht. Im zusammengebauten Zustand bilden die llingöffnungeil gemeinsam eine Längskammer, die ein Strömungs-

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mittel unter niedrigem Druck enthält, das über, die Zufuhrbohrungen 61 in Berührung mit der Rückseite der Abfall-Dichtungsstücke gebrecht wird.' Das Uiederdruckmittel wird auf die weiter unten im eins einen beschriebene Weise der Hammer bO aber einen die I-Iaschinenwand durchsetzenden Einlasskanal 62 von einem Reservoir zugeführt. Der Kengenstrom des Niederdruck-Kühlmittels, wird mittels einer im .Einlaßkanal befindlichen Drosoelöffllung reguliert, derart, daß die die Dichtungsstücke umströmende Kühlmitteln! enge ausreicht, deren Temperatur unabhängig vom Betriebszustand der Haschine in einem konstanten Betriebsbereich su halten. Hach dem Umströmen der Dicht-ungsötücke wird- das ITi ed er druckmittel von den stationären Bauteilen über einen Auslaß 65 abgeführt und zum Reservoir zurückgeleitet.

Im rliederdruck-Kühlsystem läßt sich zwar jedes geeignete Kühlmittel verwenden, vorzugsweise wird jedoch das gleiche Strömungsmittel wie im Hochdruck-Dichtkreislauf verwendet. Auf diese Weise läßt sich"die Steuerung erheblich vereinfachen, Lind es entsteht kein oder nur ein geringer Schaden, wenn das Kühlmittel unbeabsichtigt erweise von dem ITiederdruck-Kühlkreislauf sum HoCh-JJiChTlCrOiSIaLIf gelangt.

Zv/ei in Umfangsrichtung verlaufende O-Ringe 66 liegen zwischen den Seitenwänden jeder Ausnehmung und den Stirnflächen der darin befindlichen Abfall-Dichtungsstücke, um

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den Hiederdruck-iaüilmittelstrora von dem Dichtöl-Hauptstrom zu trennen. Die O-Hinge liegen verhältnismäßig nahe der ' der ¥elle zugekehrten, axial verlaufenden Innenfläche jedes Dichtungsstücks, so daß der überwiegende Plächenbe— reich jedes Dichtungsstücks den Iaihlmittelstrom. ausgesetzt ist. TJn den Eühlro rgang weiter zu fördern, sind auf der Rückseite jedes Dichtungsstücks mehrere rippenförinige Schaufeln 60 vorgesehen, durch die die benetzte Eläche vergrößert wird. ' . ■

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die gasseitige Dichtung 23 nicht von der liilfslrohlung versorgt, ils hat' sich herausgestellt, daß das anfangs mit dieser speziellen Dichtung 23 in Berührung gebrachte Öl des Hauptkreislaufs sich auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur befindet und daher jegliche Wärmeansammlung an dieser besonderen Stelle in den meisten Betriebszustanden wirksam abzuführen, vermag. Erforderlichenfalls läßt sich jedoch entsprechend der anhand der Abfalldichtungen erläuterten Weise auch eine Hilfskühlung der gasseitigen Dichtung erreichen.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Pumpanordnung zur Zufuhr sowohl des Kühlmittels zum Hilfskreislauf als auch des Hochdrucköle zum Hauptkreislauf, Vorzugsweise, werden Ililfs- und Hauptkreislauf vom gleichen Strömungsmittel in Eorm von öl gespeist« Hierdurch vereinfachen sich die

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erforderlichen Steuerungen "beträchtlich, insbesondere im Vergleich zu üldichtungen dieser Art, welche eine Öleinspritzung oder dergl. benötigen. Wie gezeigt, wird das Öl für beide Kreisläufe einem gemeinsamen Ölreservoir -70 entnommen. Das Öl gelangt zunächst zur Niederdruckpumpe 71» die den Öldruck auf einen Druckpegel anhebt, der erforderlich ist, einen zur wirksamen Kühlung der Abfalldichtungen ausreichenden Ölmengenstrom im Kühlmittel-Hilfskreislauf zu erzeugen. Diese Pumpe arbeitet kontinuierlich, so daß sie für eine konstante Druckhöhe sorgt, solange die Maschine arbeitet. Das von der Pumpe geförderte Öl gelangt zunächst durch einen Filter 72 und einen Kühler 73, bevor es den stationären Teilen der Dichtung zugeführt wird. Eine Öl-Teilmenge strömt über die Leitung 74 über ein Rückschlagventil 75 zum Einlaßkanal 62 des Kühlmittel-Hilfskreislaufs, wo es auf die oben beschriebene Weise in Berührung mit den Abfalldichtungen gebracht wird.

Außerdem gelangt Öl von der Niederdruckpumpe 71 zur Hochdruckpumpe 76, die den Öldruck auf einen zweiten Druckpegel anhebt. Das von der Hochdruckpumpe 76 geförderte Hochdrucköl strömt über einen zweiten Filter 77 und einen Kühler über eine Leitung 79 zum Einlaß 35 des Hochdruck-Dichtkreislaufs. In der Leitung 79 liegt ein Steuerventil 82, das mit einem Druckregelbehälter 80 gekoppelt ist.

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Der Regler mißt den Druck des Arbeitsmediums in der Maschine und stellt in Abhängigkeit von diesem den Druck in der Leitung 79 über das Yentil 82 derart ein, daß der Druck auf der Hochdruckseite des Kreislaufs um einen bestimmten Betrag oberhalb des Druckwertes des Arbeitsmediums gehalten wird.

Diese vereinfachte Pumpenanordnung vermag den Abfall-Dichtungsstücken in sämtlichen Betriebszuständen der Maschine einen kontinuierlichen Mederdruck-Kühlmittelstrom zuzuführen und sorgt gleichzeitig für eine Dichtölzufuhr mit einem Überdruck, der erforderlich ist, ein Entweichen der Arbeitsmittel nach außen zu den IJiederdruckzonen zu verhindern.

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Claims

antanwälta

Carrier Corporation Cl-i. i_r,g. n. Hauck

Carrier Tower ^Dip.^ ^Phi's· W. Schmiß

P. 0. Box looo - 14 - DIpT. '»ng⁹'v^ Wehnert

Syracuse^.Y.132ol,USA "^{U000D D|}P'· Phys. W. Carstens

8 München 2

Mozartstr. 23 Anwaltsakte M-3381

Patentansprüche

1J Wellendichtung, bei der zwischen der Welle und mehreren Dichtungsstücken eine ein Entweichen von in einem Druckbehälter befindlichen Hochdruck-Arbeitsmitteln in den Umgebungsbereich geringeren Drucks verhindernde Strömungsmittelsperre vorgesehen ist, mit einem ersten, die Welle umgreifenden, an der Hochdruckzone gelegenen Dichtungsstück, mindestens einem weiteren, in Richtung des Fiederdruckbereichs hinter dem ersten Dichtungsstück die Welle umgreifenden Dichtungsstück und einem Strömungsmittelkanal zur Zufuhr von die Welle in deren vom ersten Dichtungsstück umschlossenen Bereich benetzenden und zwischen den Dichtungsstücken und der Welle in Richtung des Niederdruckbereichs abströmenden Dichtungsmittel, gekennzeichnet durch einen im Druckbehälter (10) befindlichen Kühlkanal (60, 61, 62) zur Zufuhr von Kühlmittel in Wärmetausch mit den Dichtungsstücken (40, 41, 42), eine Pumpe (71) zur Erzeugung eines kontinuierlichen, die Dichtungsstücke auf oder unter einer vorgegebenen Temperatur haltenden Kühlmittelstroms im Kühlkanal und einer Abdichtung (66), die den Kühlmittelstrom von dem Dichtmittelstrom zwischen Welle (11) und Diohtungsstücken trennt,

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2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsstücke (4-0, 41» 42) an ihren mit dem Kühlmittel in Wärmetausch tretenden Außenflächen mit Kühlrippen (68) versehen sind.
3. Wellendichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Regelventil (75), das "beim Umlauf der Welle (11) einen gleichförmigen Kühlmitteldruck und stetigen Kühlmittelmengenstrom im Kühlkanal (60, 61, 62) einreguliert.
4. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelkanal (35, 33,, 30) und der Kühlkanal (60, 61,-62) von einem gemeinsamen Reservoir (70) mit Strömungsmittel versorgt werden.
5. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kühler (73) zur Vorkühlung des Strömungsmittels vor dem Durchlaufen des Kühlkanals (60, 61, 62).
6. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Pumpeneinheit (71) zur Erhöhung des Strömungsmittel-, vorzugsweise Öldrucks auf einen ersten gleichbleibenden Druckpegel, eine der

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ersten Punrpeneinheit strömungsmäßig naclige schaltete zweite Pumpeneinheit (76) zur Erhöhung des Öldrucks auf einen zweiten, höheren Druckpegel und einen Regler (80, 82),der den zweiten Druckpegel auf eine:.· Torgegebene Druckhöhe oberhalb des Arbeitsmitteldrucks im Druckbehälter (10) einreguliert. . ■

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