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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen von Öldichtungen
und verwandten Dichtungssystemen zum Verhindern einer Ölleckage in
Verbindung mit rotierenden Wellen und insbesondere eine Pufferdichtung
zur Verwendung in Turbomotoren zum Verhindern von Ölverunreinigung
von Triebwerkzapfluft bei der Druckbeaufschlagung einer Flugzeugkabine.
Ein Pufferdichtungssystem der oben genannten Art ist zum Beispiel
aus der Schrift US-A-3,351,396 bekannt, auf der der Oberbegriff
von Anspruch 1 basiert.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Mehrwellige
Turbomotoren sind in der Technik allgemein bekannt, wobei mindestens
zwei rotierende Turboverdichtergruppen in Verbindung mit einer Brennkammer
vorgesehen sind. Jede rotierende Turboverdichtergruppe umfasst eine
Verdichterstufe und eine Turbinenstufe, die auf einer gemeinsamen Welle
angebracht sind, wobei die Wellen getrennter rotierender Gruppen
in konzentrischer Beziehung zueinander angeordnet sind. Bei einem
typischen Zweiwellenmotor enthält
eine Hochdruckwellenbaugruppe eine Verdichterstufe und eine Turbinenstufe,
die auf gegenüberliegenden
Seiten der Turbinenbrennkammer angeordnet und durch eine Hohlwelle,
die die Welle einer Niederdruckwellenbaugruppe, die eine Verdichterstufe
und eine Turbinenstufe enthält, drehbar
aufnimmt, verbunden sind. Im Betrieb stellen die Verdichterstufen
der Nieder- und der Hochdruckwellenbaugruppe eine zweistufige Verdichtung
der Luft bereit, die der Brennkammer zur Verbrennung mit einem geeigneten
Brennstoff zugeführt
wird. Die heißen
Verbrennungsgase werden dann durch die Turbinenstufen der Hoch-
bzw. der Niederdruckwellenbaugruppe nacheinander expandiert, um
eine Motorausgangsleistung bereitzustellen. Ein Vorteil von mehrwelligen
Turbomotoren dieser allgemeinen Art besteht darin, dass solche Motoren
schnell beschleunigen können,
um erhöhten
Ausgangsleistungsanforderungen Rechnung zu tragen.
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Turbomotoren
der mehrwelligen Art enthalten eine große Anzahl von rotierenden und
verwandten Lagerkomponenten, die für einen kontinuierlichen Motorbetrieb
geschmiert werden müssen.
In diesem Zusammenhang sind Ölschmierungssysteme
dafür wohlbekannt,
Schmiermittel durch den ganzen Motor zu ausgewählten Lagern und verwandten
Strukturen zu liefern. Wannendichtungen mit einer Labyrinth- oder ähnlichen
Konfiguration sind normalerweise dazu vorgesehen, eine Leckage von
Schmieröl
in den Hauptstromweg von Luft und Verbrennungsgasen durch den Motor
zu verhindern. Es sind Pufferdichtungsanordnungen vorgeschlagen
worden, um Ölwannendichtungen
mit Druck zu beaufschlagen, um die Wahrscheinlichkeit einer Ölleckage
zu verringern.
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Bei
Turbomotoren ist es gemeinhin üblich, eine
geringe Luftmenge aus dem Stromweg Pufferölwannendichtungen an verschiedenen
Stellen im ganzen Motor zuzuführen. 1 zeigt
eine gebräuchliche
Anordnung zum Puffern einer Ölwannendichtung.
Bei dieser Anordnung wird Druckluft 1 aus dem Motor einem
Ring 2 zwischen der Pufferlabyrinthdichtung 9 mit
einem hinteren Teil 3 und einem vorderen Teil 4 zugeführt. Der
hintere Teil weist drei Schneidendichtungen auf, während der
vordere Teil 4 nur eine einzige Schneidendichtung und einen Ölschleuderring 5 aufweist.
Ein erster Teil der Luft vom Ring 2 strömt nach vorne durch den vorderen
Teil 4, durch eine Ölwannenkohleringdichtung 6 und
zur Ölwanne 7,
während
ein zweiter Teil der Luft über
die drei Schneidendichtungen in einen Hohlraum 8 strömt. Der
Zweck der Bereitstellung einer Pufferdichtung 9 neben der Ölwannendichtung 6 besteht
in der Bereitstellung eines angemessenen Luft-zu-Öl-Differenzdrucks
an der Ölwannendichtung 6 an
allen Stellen im Flugbereich, so dass eine Ölleckage an der Wannendichtung 6 verhindert
wird. Trotz aller Sorgfalt bei der Konstruktion der Ölwannendichtungen
und der Bereitstellung von angemessenem Pufferluftdruck sind Ölwannendichtungen
dafür bekannt,
zu irgendeinem Zeitpunkt während
der Lebensdauer des Motors Öl
zu lecken. Dieses Ölleck kann
auf eine zu stark verschlissene Wannendichtung, eine aufgespaltene
Wannendichtung, eine verkokte Wannendichtung, niedrigen oder umgekehrten Differenzdruck
während
eines Übergangs-
oder eines stabilen Punkts im Betriebsbereich zurückzuführen sein.
Wenn sich diese Ölleckstelle
vor der Zapfluftöffnungsstelle
im Motorgasstromweg befindet, kann dieses Ölleck die Zapfluft verunreinigen. Die
Zapfluft-Ölverunreinigung
kann zu einem unangenehmen Geruch in der Kabine führen, da
diese Zapfluft zur Druckbeaufschlagung der Luftkabine verwendet
wird. Dies ist ein inakzeptables Szenarium, das zu einem Abstellen
des Triebwerks im Flug oder einem außerplanmäßigen Ausbau des Motors aus dem
Flugwerk führen
kann.
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Demgemäß besteht
Bedarf nach weiteren Verbesserungen von Zapfluftpufferdichtungsanordnungen
zur Verwendung bei allen Arten von Turbomotoren, um zwangsläufig zu
verhindern, dass eine Ölwannendichtungsölleckage
die Zapfluft im ganzen Bereich normaler Motorbetriebsbedingungen
verunreinigt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines verbesserten Ölpufferdichtungssystems
zur Verwendung bei allen Turbomotorarten, um zu verhindern, dass
eine Wannendichtungsölleckage
die Zapfluft im ganzen Bereich normaler Motorbetriebsbedingungen
verunreinigt.
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Die
vorliegende Erfindung löst
diese Aufgabe durch Bereitstellung einer Pufferdichtungsanordnung,
die die Kombination der Merkmale von Anspruch 1 enthält.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besonders
angeführt
oder werden daraus ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Querschnitt einer Ölwannenpufferdichtung
nach dem Stand der Technik.
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2 ist
ein Schemadiagramm eines Turbomotors.
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3 ist
ein Querschnitt eines Teils eines Turbomotors, der das durch die
vorliegende Erfindung erwogene Ölpufferdichtungssystem
aufweist.
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4 ist
ein Querschnitt eines durch die vorliegende Erfindung erwogenen Ölpufferdichtungssystems.
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5a, 5b und 5c zeigen
perspektivische Ansichten von drei Ausführungsformen der stationären Hülse des
durch die vorliegende Erfindung erwogenen Ölpufferdichtungssystems.
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6 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Drehhülse des durch die vorliegende
Erfindung erwogenen Ölpufferdichtungssystems.
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7 zeigt
Prüfstandergebnisse
aus dem Prüfen
der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen des durch die
vorliegende Erfindung erwogenen Ölpufferdichtungssystems.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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2 zeigt
schematisch eine typische mehrwellige Konfiguration für einen
Turbomotor jener Art, die zur vorteilhaften Verwendung der verbesserten Pufferdichtungsanordnung
der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. Wie gezeigt, umfasst
der Motor 10 eine Hochdruckwellenbaugruppe 18 und
eine Niederdruckwellenbaugruppe 20. Die Hochdruckwellenbaugruppe 18 umfasst
die Hochdruckverdichterstufe 16 und eine verwandte Turbinenstufe 22,
die an gegenüberliegenden
Enden einer drehbaren Hohlwelle 24 mit dazwischen angeordneter
Motorbrennkammer 26 angebracht sind. Des Weiteren enthält die Niederdruckwellenbaugruppe 20 eine
Verdichterstufe 28 und eine verwandte Turbinenstufe 30,
die an gegenüberliegenden
Enden einer drehbaren Welle 32 angebracht sind, wobei die
Welle 32 der Niederdruckwellenbaugruppe 20 durch
die Welle 24 der Hochdruckwellenbaugruppe 18 hindurchfährt und
darin drehbar gestützt
wird.
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Auf 3 Bezug
nehmend, sind die verschiedenen rotierenden Komponenten des Turbomotors 10 in
einem geeigneten Gehäuse
oder Mantel 34 angebracht und werden durch geeignete Lager 36, von
denen nur eines gezeigt wird, drehbar gestützt. Insbesondere enthält die Verdichterstufe 16 der Hochdruckwellenbaugruppe 18 ein
Zentrifugallaufrad 44, das auf der Welle 24 im
geeignet konturierten Laufraddeckband 14 angebracht ist.
Des Weiteren bilden mehrere rotierende Axialverdichterräder 46 und
Axialverdichterstatoren 47 einen Teil der Verdichterstufe 16.
Die Axialräder 46 und
das Laufrad 44 sind durch geschweifte Kupplungen 48 in
Reihe verbunden, während
die Statoren 47 am Gehäuse 34 angebracht
sind. Zwischen dem letzten Stator 47a und dem Laufrad 44 befindet
sich eine Kammer 49, durch die Luft von der Verdichterstufe 16 zu
einem Entlüftungskanal 51 strömt.
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Im
Betrieb liefern die Verdichterstufen 28 und 16 der
getrennten Wellen eine zweistufige Reihenflussverdichtung der Luft,
die von dem Motor 10 angesaugt wird, um der Brennkammer 26 zugeführt zu werden.
Die verdichtete Luft wird in der Brennkammer mit einem (nicht gezeigten)
geeigneten Brennstoff verbrannt, um einen hochenergetischen Massenstrom
von heißen
Abgasen zur Reihenflussexpansion durch die beiden Turbinenstufen 22 und 30 zu
erzeugen. Mehrwellige Turbomotoren dieser allgemeinen Art werden
in einem großen
Bereich verschiedener Anwendungen verwendet, bei denen Übergangsgeschwindigkeitsbedingungen
und -leistungsbelastungen angetroffen werden.
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Wie
in der Technik bekannt, werden die im ganzen Motor angeordneten
Lager 36 normalerweise mit einem geeigneten Schmieröl versorgt,
das durch innere Ölflusskanäle geleitet
wird und durch das Lager und in eine Ölwanne 37 fließt. Aus
der Ölwanne 37 fließt das Öl radial
nach außen
und durch die Kanäle 39 zum
Getriebe zurück.
Eine Beschreibung eines typischen Systems zur Zufuhr von Öl zu dem
Lager und zu seinem Rückleiten
in das Getriebe ist im Sullivan-US-Patent Nr. 5,489,190 zu finden,
auf das hiermit in dem Maß Bezug
genommen wird, wie zum Verständnis
der vorliegenden Erfindung erforderlich.
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Auf 4 Bezug
nehmend, ist das Lager 36 im Hochdruckwellenverdichter 16 angebracht.
Neben dem Lager 36 sind die Ölwanne 37 und eine Ölwannenkohleringdichtung 38 angeordnet.
Zwischen der Dichtung 38 und einem Hohlraum 40 befindet
sich ein Pufferlabyrinthdichtungssystem 60. Das System 60 enthält eine
Labyrinthdichtung mit einer Drehhülse 64, die an der
Welle 32 angebracht ist, und einer stationären Hülse 66,
die am Motorgehäuse 34 angebracht
ist. Von der Drehhülse 64 erstrecken
sich radial mehrere Schneidendichtungen, die auch als Dichtungsschneiden 68 bezeichnet
werden, welche mit der Innenfläche
der stationären
Hülse 66 in
Dichtungseingriff stehen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
weist das Dichtungssystem 60 drei Abschnitte auf, einen ersten
oder hinteren Abschnitt 70, der zwischen dem Hohlraum 40 und
einem Pufferluftzufuhrring 72 angeordnet ist. Der Pufferluftzufuhrring 72 umschließt einen
ersten Teil der stationären
Hülse 66 und
nimmt Druckluft aus dem Motordurchgangskanal 74 auf. Diese
Luft strömt
durch mehrere um den Umfang beabstandete Löcher 76 in der stationären Hülse 66, wie
in den 5a, 5b und 5c gezeigt.
Der erste Abschnitt weist vier Schneiden 68 auf. Ein zweiter
oder Zwischenabschnitt 71 ist zwischen dem Luftzufuhrring 72 und
einem Ablassring 80 angeordnet. Der Ablassring 80 umschließt einen
zweiten Teil der stationären
Hülse 66 und
steht durch mehrere um den Umfang angeordnete Schlitze 73 mit
den Schneiden 68 in Strömungsverbindung.
Auf die 5a, 5b und 5c Bezug
nehmend, sind bei einer Ausführungsform
die Schlitze 73 durch eine flache Fläche 75a getrennt.
Bei einer anderen Ausführungsform
sind die flachen Flächen 75a durch
vertiefte Nuten 75b ersetzt. Bei noch einer anderen Ausführungsform
besteht die Hülse 66 aus
zwei getrennten Teilen eines ersten Abschnitts 77 und eines
zweiten Abschnitts 79. Der Ablassring 80 steht
des Weiteren mit einem ersten Ölablassrohr 82 in
Strömungsverbindung.
Im Rohr 82 ist eine Öffnung 84 von
0,10 Zoll angebracht. Die Öffnungsgröße kann
in Abhängigkeit von
den Ölwannendichtungsbetriebsbedingungen variieren.
Der zweite Abschnitt 71 weist drei Schneiden 68 auf.
Ein dritter oder vorderer Abschnitt 69 ist zwischen dem
ersten Ablassring 80 und einem zweiten Ablassring 90 angeordnet.
Der Ablassring 90 steht mit den Schneiden 68 in
einem dritten Teil 69 der stationären Hülse 66 in Strömungsverbindung. Des
Weiteren steht der Ablassring 90 mit einem zweiten Ölablassrohr 92 in
Strömungsverbindung.
Im Rohr 92 ist eine Öffnung 94 von
0,10 Zoll angebracht. Die Öffnungsgröße kann
in Abhängigkeit
von den Ölwannendichtungsbetriebsbedingungen
variieren. Der dritte Abschnitt weist drei Schneiden 68 und
einen Ölschleuderring 88 auf.
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Die
Luftströmungsrichtung
wird durch Pfeile in 4 dargestellt. Von einer geeigneten
Stelle im Motor wird Druckluft über
eine Leitung 74 dem Pufferzufuhrring 72 zugeführt. Die
Luft vom Pufferzufuhrring strömt
sowohl in Vorwärts-
als auch Rückwärtsrichtung über die
Schneiden 68, wie in der Figur gezeigt. In der Rückwärtsrichtung
leckt die Luft an vier Schneiden 68 vorbei in den stromabwärtigen Hohlraum 40 und
weiter in den Motorgasweg. In Vorwärtsrichtung leckt die Luft
an drei Schneiden vorbei in den Ablassring 80. Vom Ablassring 80 wird
die Luft durch das Ablassrohr 82 über Bord oder in den Motorauslass
abgeführt.
Des Weiteren leckt sie an drei Schneiden 68 vorbei in den
Ablassring 90. Vom Ablassring 90 wird die Luft
durch das Ablassrohr 92 über Bord oder in den Motorauslass
abgeführt.
Ein Teil dieser Luft leckt auch an der Ölwannendichtung 38 vorbei und
in die Ölwanne 37.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
sollte der statische Druck der Luft im Pufferzufuhrring 72 im gesamten
Motorflugbereich auf einen höheren
Wert gehalten werden als der statische Druck in der Ölwanne 37 und
der statische Druck im Hohlraum 40. Dadurch wird gewährleistet,
dass die Luftrichtung vom Pufferzufuhrring 72 in Vorwärtsrichtung
immer zur Ölwanne 37 und
in Rückwärtsrichtung
immer zum stromabwärtigen
Hohlraum 40 verläuft.
Die in Vorwärtsrichtung
strömende
Luft verhindert, dass Öl
an der Ölwannendichtung 38 vorbei
und in den Ablassring 90 leckt. Wenn aus irgendeinem Grunde,
wie zum Beispiel einer verschlissenen oder aufgespaltenen Ölwannendichtung, Öl an der Ölwannendichtung vorbei
leckt, wird sie in das Ablassrohr 92 geblasen und gelangt über Bord
oder in den Motorauslass. Im sehr unwahrscheinlichen Fall, dass
der Ablass 92 durch Öl überflutet
wird, sammelt sich das an den drei Schneiden 68 im dritten
oder vorderen Abschnitt des Systems 60 vorbei leckende Öl im Ablassring 80. Dann
würde das
Lecköl
im Ablassring 80 in das Ablassrohr 82 geblasen
werden und über
Bord oder in den Motorauslass gelangen. Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind die Ablassrohre 82 und 92 so bemessen, dass
sie der maximalen Menge an Öl Rechnung
tragen, die erwartungsgemäß an der Ölwannendichtung 38 vorbeilecken
könnte.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wurde zusammen mit alternativen Ausführungsformen
auf dem Prüfstand
geprüft.
Die Ergebnisse der Prüfungen
werden in 7 zusammen mit den Bedingungen,
unter denen die Prüfungen
durchgeführt
wurden, gezeigt.
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Eine
alternative Ausführungsform
ist die Doppelluftpuffer-Doppelablasskonfiguration, DBDD. Diese
Konfiguration weist zwei Luftzufuhrringe und zwei Ölablassrohre
auf, die wie in 7 gezeigt, von vorne nach hinten
verlaufend angeordnet sind. Die Schneiden 68 sind in vier
Gruppen angeordnet, wobei die Gruppen 1 und 3 eine
einzige Schneide und die Gruppen 2 und 4 drei
Schneiden aufweisen. Von links nach rechts in 7 wurde Öl durch
den Ablasshohlraum 1 und Luft durch die Luftpuffer eingespritzt.
Prüfdaten
dieser Ausführungsform
konnten aufgrund von Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung einer
Druckdifferenz in der richtigen Richtung nicht erhalten werden.
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Eine
zweite alternative Ausführungsform
ist ein Einzelluftpuffer-Doppelablass SBDD. Diese Konfiguration
weist drei Gruppen von Schneiden auf, wobei die erste Gruppe vier
Schneiden, die zweite Gruppe eine Schneide und die dritte Gruppe
drei Schneiden aufweist. Wieder wurde Öl durch den Ablasshohlraum 1 in 7 und
Luft durch die Luftpuffer eingespritzt. Unter Prüfbedingungen flossen 60% des Öls durch
den ersten Ablass und 39,99% des Öls durch den zweiten Ablass
heraus. Jedoch leckte 0,01% des Öls
ganz hindurch und aus der rechten Seite der Dichtung heraus.
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Eine
dritte alternative Ausführungsform
ist ein Einzelluftpuffer-Einzelablass SBSD. Diese Konfiguration
weist zwei Gruppen von Schneiden auf, wobei die erste Gruppe eine
Schneide und die zweite Gruppe drei Schneiden aufweist. Diese Konfiguration ist
im Wesentlichen die in 1 gezeigte Konfiguration nach
dem Stand der Technik mit dem Zusatz eines Ölablassrohrs vor der Pufferdichtung.
Wieder wurde Öl
in den Ablasshohlraum 1 in 7 und Luft durch
den Luftpuffer gespritzt. Unter Prüfbedingungen flossen 99,9%
des Öls
durch den einzigen Ölablass,
aber 0,01% des Öls
leckte ganz hindurch und aus der rechten Seite der Dichtung heraus.
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Die
in 7 gezeigte letzte Konfiguration ist die bevorzugte
Ausführungsform,
ein Einzelluftpuffer-Doppelablasssystem
SBDD. Wie bei den vorherigen Prüfungen
wurde Öl
in den Ablasshohlraum 1 in 7 und Luft
durch den Luftpuffer gespritzt. Unter den in 7 angeführten Prüfbedingungen
flossen 77% des Öls
durch den ersten Ölablass
und 23% durch den zweiten Ölablass
heraus. Auf der rechten Seite der Dichtung wurde kein Öl entdeckt.
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Somit
wird ein Pufferdichtungssystem 60 bereitgestellt, das Ölleckage
in den Hohlraum 40 und somit in die Flugzeugkabine im für den Motor schlimmsten
angenommenen Szenarium verhindert.
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Für den Fachmann
sind verschiedene Modifikationen und Änderungen der oben beschriebenen bevorzugten
Ausführungsform
offensichtlich. Demgemäß sollten
diese Beschreibungen der Erfindung als beispielhaft und nicht als
den in den folgenden Ansprüchen
angeführten
Schutzbereich der Erfindung einschränkende angesehen werden.