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Gegenstand
der Erfindung sind allgemein Bürstendichtungen
und spezieller Bürstendichtungen zur
Verwendung in Gasturbinentriebwerken.
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Ein
Gasturbinentriebwerk arbeitet gemäß bekannter Prinzipien, wonach
ein hereinkommender Strom atmosphärischer Luft entlang eines
sich in Axialrichtung erstreckenden Strömungsweges durch das Triebwerk
fließt.
Wenigstens ein Teil der hereinkommenden Luft wird in einem Kompressorabschnitt des
Triebwerks komprimiert und dann mit Kraftstoff vermischt sowie in
einem Brennkammerabschnitt verbrannt, um einen hochenergetischen
Gasstrom mit hoher Temperatur zu erzeugen. Der heiße Gasstrom
verlässt
die Brennkammer und passiert nachfolgend einen Turbinenabschnitt,
der dem Gasstrom Energie entnimmt, um den Kompressor anzutreiben und
Nutzarbeit zu liefern, wie beispielsweise zum Antrieb eines Luftfahrzeugs
während
des Fluges.
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Unkontrollierte
Leckagen von Gasen, wie beispielsweise atmosphärischer Luft, von heißen Gasen
oder anderer, tragen in dem Triebwerk zu einer reduzierten Energieeffizienz
bei. Es werden Dichtungen genutzt, um diesen Energieverlust unter
Kontrolle zu bringen, indem sie in einem Leckpfad angeordnet werden,
um das Volumen oder die Masse des von einem Teil des Triebwerks
in einen anderen Teil strömenden
Gases zu reduzieren. In Gasturbinentriebwerken werden weithin Labyrinthdichtungen
verwendet, um eine Dichtung zwischen beweglichen Komponenten zu
erbringen. Jedoch ist als Ersatz für Labyrinthdichtungen außerdem die
Verwendung von Bürstendichtungen
bekannt.
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Eine
konventionelle Bürstendichtung
enthält typischerweise
einen Satz Borsten mit einer Anzahl von zwischen einem Paar ringförmiger Platten
angeordneten Borsten, wie beispielsweise aus der US-A-5,474,305
ersichtlich. Die Borsten sind typischerweise in einem ungefähr 45° betragenden
Winkel zu dem Radius geneigt, der von der Triebwerksmittellinie
ausgehend gedacht ist. Typischerweise ist eine Bürstendichtung entlang ihrer
radial äußeren Kante
mit einem stationären
Triebwerksteil verbunden, wobei die radial inneren freien Enden
der Borsten in abdichtender Wechselwirkung mit einer Dichtungsfläche eines
rotierenden Triebwerksteils stehen. Bürstendichtungen sollen nicht
als vollständige Abdichtung
eines Triebwerksteils gegen einen anderen dienen, sondern sie beruhen
auf dem gewundenen Flusspfad, der zwischen den Borsten definiert wird,
um den hindurch führenden
Gasfluss zu reduzieren und den Druckverlust zwischen den Triebwerksabschnitten
unter Kontrolle zu bringen.
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Die
Borsten des Borstensatzes etwas flexibel und somit in der Lage,
sich bei einer Triebwerkszustandsänderung zu biegen und immer
noch, nachdem der Übergang
stattgefunden hat, ihre Dichtungsfähigkeit zu behalten. Zu Beispielen
solcher Übergangsvorgänge gehören unterschiedliche
thermische Ausdehnung zwischen dem stationären und dem drehenden Triebwerksteil
sowie eine seitliche Relativbewegung zwischen dem stationären und dem
drehenden Triebwerksteil in Folge von Triebwerksvibrationen und/oder
einer Exzentrizität
der Wellendrehung. Die Dichtungseffizienz einer Bürstendichtung
wird mit der Zeit durch den Verschleiß an den Borstenenden beeinträchtigt,
die die dichtende Fläche
an dem rotierenden Triebwerksteil berühren, sowie durch die Berührung der
Bürstenenden
mit der dichtenden Fläche überhaupt.
Jedoch kann in einigen Fällen
die seitliche Bewegung zwischen den Triebwerksteilen eine Größe erreichen,
die groß genug
ist, um eine wesentliche Ausbiegung der Borsten zu verursachen,
was zu vorzeitigem und exzessivem Verschleiß der Borsten führt. Vorzeitiger
Bürstenverschleiß erfordert
den Ersatz der Dich tung oder der Borstenpackung früher als
es ansonsten notwendig wäre,
so dass die Triebwerksbetriebskosten steigen.
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Es
wäre zu
wünschen,
die Lebenserwartung und die Dichtungseffizienz von Bürstendichtungen
zu erhöhen,
indem vorzeitiger und exzessiver Borstenverschleiß reduziert
wird, der in Folge signifikanter Versätze in der Triebwerksausrichtung
auftritt.
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Das
oben genannte Bedürfnis
wird durch die vorliegende Erfindung befriedigt, die eine Bürstendichtung
mit einem Halter und einem Träger
schafft, der an dem Halter durch eine Anzahl flexibler Haltedrähte beweglich
aufgehängt
ist. Eine Anzahl der Borsten ist an dem Träger gesichert. Vorzugsweise ist
der Halter an dem stationären
Element befestigt und die Borsten stehen in dichtendem Eingriff
mit einem drehenden Element.
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Es
wird nun im Wege eines Beispiels eine Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines exemplarischen Gasturbinenbläsertriebwerks ist, wobei eine
Anwendung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist,
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2 eine
detaillierte Schnittdarstellung des Turbinenabschnitts des Gasturbinentriebwerks
nach 1 ist,
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3 eine
Schnittdarstellung einer exemplarischen Ausführungsform einer Bürstendichtung
ist,
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4 eine
vergrößerte Ansicht
der Bürstendichtung
nach 3 ist,
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5 eine
axiale Schnittdarstellung der Bürstendichtung,
geschnitten entlang Linie 5-5 der 4 ist,
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6 eine
Axialschnittdarstellung der Bürstendichtung,
geschnitten entlang der Linie 6-6 der 4 ist, Es
wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen identische
Bezugszeichen über die
verschiedenen Ansichten hinweg die gleichen Elemente bezeichnen,
wobei die vorliegende Erfindung lediglich im Hinblick auf eine mögliche Anwendung
in einem Gasturbinenflugzeugtriebwerk 10 beschrieben ist,
das in 1 veranschaulicht ist. Speziell ist das Triebwerk 10 ein
Bläsertriebwerk
mit hohem Nebenstromverhältnis,
das in serieller axialer Strömungsverbindung
um eine Längsmittelachse 12 angeordnet
einen Bläser 14,
einen Kompressorabschnitt 16, einen Brennkammerabschnitt 18 und
einen Turbinenabschnitt 20 aufweist. In das Triebwerk 10 tritt
ein hereinkommender Luftstrom ein, wobei ein Teil desselben durch
einen Bypasskanal 22 strömt, um Bypassschub zu erzeugen.
Der verbleibende Teil des Luftstroms tritt in den Kompressorabschnitt 16 ein.
In dem Kompressorabschnitt 16 wird diese Luft komprimiert
und zu dem Brennkammerabschnitt 18 geleitet, in dem sie
mit Brennstoff vermischt und das Kraftstoff/Luft-Gemisch gezündet wird.
Das gezündete
Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt einen Gasstrom mit hoher Temperatur,
der durch den Turbinenabschnitt 20 fließt. Der Turbinenabschnitt 20 entzieht dem
heißen
Gasstrom Energie und nutzt die Energie zum Antrieb des Kompressorabschnitts 16 sowie
des Bläsers 14,
der den vorgenannten Bypassschub erzeugt.
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In 2 ist
ein Teil des Turbinenabschnitts 20 detaillierter veranschaulicht.
Wie bekannt, enthält der
Turbinenabschnitt 20 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung
verlaufenden Reihen im Wesentlichen radial gerichteter Ro torschaufeln 24,
die mit einer oder mehreren in Umfangsrichtung verlaufenden Reihen
im Wesentlichen radial orientierter Leitschaufeln 26 ineinander
greifen. Die Rotorscheiben 28 sind ihrerseits starr über einen
Turbinenwellenkonus 32 mit einer drehenden Turbinenwelle 30 verbunden und
drehen um die (in 2 nicht veranschaulichte) Triebwerksmittelachse 12.
Der Turbinenteil 20 enthält außerdem eine Anzahl von Bürstendichtungen 34, die
zwischen stationären
Strukturelementen des Triebwerks oder Dichtungsträgern 36 und
drehenden Elementen 38 angeordnet sind, die fest mit dem
Turbinenwellenkonus 32 verbunden sind und mit diesem drehen.
Die drehenden Elemente 38 weisen generell eine zylindrische
Form auf und sind teilweise innerhalb der entsprechenden Dichtungsträger 36 angeordnet,
die ebenfalls im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweisen.
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Wie
in detaillierterer Form nachstehend beschrieben, weist jede Bürstendichtung 34 eine
Anzahl von Borsten auf, die sich in fester Verbindung zu dem entsprechenden
Dichtungsträger 36 von
diesem weg in dichtenden Eingriff zu dem entsprechenden drehenden
Element 38 erstrecken. Die Bürstendichtungen 34 sind
in dem Turbinenabschnitt 20 so angeordnet, dass sie einen
unerwünschten
Leckfluss von Gasen, beispielsweise von Kühlluft mit unterschiedlichen
Drücken
innerhalb des Triebwerks 10 von einem Volumen in ein anderes
verhindern. Es sollte angemerkt werden, dass die erfindungsgemäße Bürstendichtung,
während
sie hier mit Bezug auf ihre Verwendung in dem Turbinenabschnitt
eines Bläserturbinentriebwerks
beschrieben ist, nicht auf eine solche Anwendung beschränkt ist.
Tatsächlich
kann die Erfindung im Zusammenhang mit vielen anderen Anwendungen
innerhalb eines Gasturbinentriebwerks oder anderswo genutzt werden.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, in der eine
exemplarische Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bürsten dichtung 34 detaillierter
veranschaulicht ist. Die Bürstendichtung 34 ist
in einem Ringspalt zwischen dem Dichtungsträger 36 und dem drehenden
Element 38 angeordnet. Wie oben bemerkt, weisen sowohl
der Dichtungsträger 36 als auch
das drehende Element 38 eine im Wesentlichen zylindrische
Form auf, wobei der stationäre
Dichtungsträger 36 das
vordere Ende des drehenden Elements 38 umgibt, um den vorgenannten
ringförmigen Spalt
zu definieren. Das rotierende Element 38 ist mit dem (in 3 nicht
veranschaulichten) Turbinenwellenkonus 32 über einen
Flansch 39 verbunden, der an dem hinteren Ende desselben
angeordnet ist. Der ringförmige
Spalt bildet einen Leckpfad zwischen einem ersten Volumen 40 und
einem zweiten Volumen 41. Zum Zwecke der Veranschaulichung
weist das erste Volumen 40 einen höheren Druck als das zweite
Volumen 41 auf, so dass jeder durch den Spalt gerichtete
Gasfluss die durch den Pfeil A in 3 gekennzeichnete
Richtung aufweist.
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Zu
der Bürstendichtung 34 gehört ein ringförmiger Halter 42,
der in Bezug auf die Mittelachse 12 koaxial in einer Dichtungstasche 44 angeordnet
ist, die an dem hinteren Ende des Dichtungsträgers 36 ausgebildet
ist. Obwohl die Dichtungstasche 44 als an dem hinteren
Ende des Dichtungsträgers 36 angeordnet
dargestellt ist, wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist. Eine Dichtungstasche
könnte
in Abhängigkeit
von der Konfiguration der speziellen abzudichtenden Kombination
aus Dichtungsträger
und drehendem Element auch an dem vorderen Ende des Dichtungsträgers angeordnet
sein. Die Dichtungstasche 44 enthält eine radial orientierte
Wand 36 und eine axial orientierte Wand 38. Von
dem distalen Ende der axialen Wand 38 radial nach außen erstreckt
sich ein Befestigungsflansch 50. Der Halter 42 ist
mit dem Dichtungsträger 36 durch
eine Befestigungsplatte 52 verbunden. Die Befestigungsplatte 52 ist
ein ringförmiges
Element, das durch kon ventionelle Befestigungsmittel 54 so
an dem Befestigungsflansch 50 gesichert ist, dass es mit
der Schulter 42 in fester Anlage steht, um in der Dichtungstasche 44 im
Presssitz gehalten zu werden. Ein ringförmiger Träger 56 ist radial
innerhalb des Halters 42 gehalten und an dem Halter 42 durch
eine Anzahl axial orientierter flexibler Stützdrähte 58 beweglich gehalten
(von denen in 3 lediglich einer veranschaulicht
ist). In Folge der Flexibilität
der Stützdrähte 58 kann
sich der Träger 56 in
Bezug auf die Triebwerksmittellinie 12 (in 3 nicht
veranschaulicht) radial bewegen.
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Die
Bürstendichtung 34 weist
außerdem
eine Borstenpackung auf, zu der eine Vielzahl um den Umfang des
Trägers 56 herum
angeordneter Borsten 59 gehören. Die radial äußersten
Enden der Borsten 59 sind an dem Träger 56 gesichert und
die radial inneren freien Enden stehen mit der Außenfläche des drehenden
Elements 38 in Eingriff, wobei sie den Leckpfad zwischen
dem ersten und dem zweiten Volumen 40 und 41 abdichten.
Die Borsten 59 sind etwas flexibel und somit in der Lage,
einer Relativbewegung in Radial- und Axialrichtung zu widerstehen, die
bei einer Triebwerkszustandsänderung
erfolgen kann, wobei sie noch immer ihre Dichtungswirkung beibehalten,
nachdem ein Übergangsvorgang
stattgefunden hat. Außerdem
sind die freien Enden der Borsten 59, weil der Träger 56 an
dem Halter 42 beweglich aufgehängt ist, in der Lage, der Außenfläche des
drehenden Elements 38 bei Triebwerkzustandsübergängen zu
folgen. Dies reduziert die Borstenbiegung, was wiederum den Borstenverschleiß reduziert.
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Es
wird nun auf die 4 bis 6 Bezug genommen,
aus denen hervorgeht, dass der Träger 56 einen ringförmigen Körperabschnitt 60 mit
einem axialen, sich nach hinten erstreckenden Flansch 62 aufweist,
der an dem radial äußeren Ende
desselben ausgebildet ist. Die Borsten 59 sind zwischen
dem ringförmigen
Körperteil 60 und
einer ringförmigen Frontplatte 63 eingeklemmt,
die an der Hochdruckseite der Bürstendichtung 34 angeordnet
ist. Der Flansch 62 weist eine Anzahl von Taschen 64 auf,
die in der Rückseite
desselben ausgebildet sind. Wie am besten aus den 4 und 6 hervorgeht,
sind die Taschen 64 um den Umfang des Flanschs 62 mit
engen Abständen
zwischen einander verteilt. Die Taschen 64 reduzieren die
Masse des Trägers 56,
so dass er sich in Abhängigkeit
von einer Lateralbewegung des rotierenden Elements 38 in
Bezug auf den Dichtungsträger 36 schnell
bewegt. Der Flansch 62 weist ebenfalls eine Anzahl von
zwischen benachbarten Taschen 64 ausgebildeten Löchern 66 auf,
um ein Ende eines entsprechenden Stützdrahts 58 aufzunehmen.
Vorzugsweise ist in jedem Zwischenraum zwischen benachbarten Taschen 64,
mit Ausnahme eines einzigen, jeweils eines der Löcher 66 angeordnet.
Der verbleibende Zwischenraum zwischen benachbarten Taschen 64 ist
mit einem Schlitz 68 versehen, wie in 6 veranschaulicht
ist, der sich durch die radiale Dicke des Flanschs 62 erstreckt.
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Der
Halter 42 weist einen zylindrischen Körperabschnitt 70 mit
einem sich radial nach innen erstreckenden Flansch 72 auf,
der an dem hinteren Ende desselben angeordnet ist. Der Flansch 72 weist eine
Anzahl von Löchern 74 auf,
die darin ausgebildet sind, um das andere Ende des entsprechenden Stützdrahts 58 aufzunehmen.
Das vordere Ende 76 des zylindrischen Körpers 70 liegt an
der radialen Wand 46 an, um den Halter 42 in der
Dichtungstasche 44 axial zu positionieren. Der Halter 42 ist
vorzugsweise axial etwas länger
als die axiale Wand 48, um die sichere Belastung desselben
sicherzustellen, wenn er mit der Befestigungsplatte 52 in
Eingriff steht. Außerdem
ist der Innendurchmesser des zylindrischen Körperteils 70 größer als
der Außendurchmesser
des Trägers 56,
um einen radialen Freiraum zwischen dem Träger 56 und dem zylindrischen
Körperteil 70 zu
bilden.
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Eine
drehungsverhindernde Zunge 78 erstreckt sich von der vorderen
Kante 76 des zylindrischen Körperteils 70 beabstandet,
jedoch nahe zu dieser radial nach innen. Die drehungsverhindernde Zunge 78 wird
von dem Schlitz 68 aufgenommen, so dass sie mit dem Träger 56 in
Eingriff steht und eine Drehung des Trägers 56 in Bezug auf
den Halter 42 verhindert. Die rotationsverhindernde Zunge 78 ist ausreichend
dick (in der Größenordnung
von 0,25 Zoll), um Dauerermüdungsfestigkeit
zu haben.
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Wie
in 6 veranschaulicht, ist in dem Schlitz 68 zwischen
dem Träger 56 und
der rotationsverhindernden Zunge 78 eine flexible Verbindung 80 angeordnet.
Vorzugsweise hat die flexible Verbindung 80 die Form eines
Metallbands, das mit einem Ende an dem Träger 56 befestigt ist
und sich in Umfangsrichtung erstreckt, um mit der rotationsverhindernden
Zunge 78 in Eingriff zu kommen. Die flexible Verbindung 80 verhindert
somit die Reibung zwischen dem Träger 56 und der rotationsverhindernden Zunge 78,
wenn der Träger 56 sich
in Folge lateraler Bewegung des drehenden Elements 38 in
Bezug auf den Dichtungsträger 36 radial
verschiebt. Vorzugsweise ist die flexible Verbindung 80 an
der Druckseite der rotationsverhindernden Zunge 78 angeordnet, d.h.
derjenigen Seite der rotationsverhindernden Zunge 78 gegen
die der Träger 56 in
Folge der Drehung des drehenden Elements 38 drückt. Alternativ kann
die flexible Verbindung 80 weg gelassen werden und die
Breite des Schlitzes 68 etwas größer bemessen werden als die
Breite der rotationsverhindernden Zunge 78.
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Wie
oben bemerkt, ist der Träger 56 an
dem Halter 42 durch flexible Stützdrähte 58 beweglich aufgehängt. Jeder
Stützdraht 58 erstreckt
sich axial aus einem der Löcher 66,
die in dem Trägerflansch 62 ausgebildet
sind, zu einem entsprechenden der Löcher 74, die in dem
Halterflansch 72 ausgebildet sind. Die gegenüber liegenden
Enden jedes Stütz drahts 58 sind
mit dem Trägerflansch 62 bzw.
dem Halterflansch 72 verschweißt oder anderweitig verbunden. Wie
in 4 veranschaulicht, sind die Löcher 66 und 74 sich
verjüngend
so ausgebildet, dass die von den Stützdrähten 58 getragene
Last über
die gesamte Dicke oder Länge
des Trägerflanschs 62 bzw.
des Halterflanschs 72 verteilt ist. Speziell haben die
hinteren Enden der Löcher 66 eine
größere Öffnungsweite
als die vorderen Enden derselben und die vorderen Enden der Löcher 74 haben
eine größere Öffnungsweite
als die hinteren Enden derselben. Die Stützdrähte 58 sind in Umfangsrichtung
gleichmäßig voneinander beabstandet
und die Anzahl der benutzten Stützdrähte 58 sollte
ausreichend sein, um den Träger 56 zu
halten. Vorzugsweise werden genügend
Stützdrähte 58 verwendet,
um die fortgesetzte Verlässlichkeit
der Bürstendichtung 34 sicherzustellen,
selbst wenn einige der Stützdrähte 58 ausfallen.
Typischerweise werden wenigstens zehn Stützdrähte 58 verwendet.
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Die
Länge der
Stützdrähte 58 ist
so bemessen, dass sie den Träger 56 sehr
nahe, jedoch nicht berührend
an der Radialwand 46 der Dichtungstasche 44 lagern.
Dies liefert einen engen Axialspalt zwischen den Träger 56 und
der Radialwand 46, so dass diese beiden Elemente nicht
aneinander reiben, wenn sich der Träger in Folge einer seitlichen
Bewegung des drehenden Elements 38 in Bezug auf den Dichtungsträger 36 radial
bewegt. Die Stützdrähte 58 positionieren
außerdem
den Träger 56 radial,
um ausreichend Freiraum zwischen der radialen äußeren Kante des Trägers 56 und
dem zylindrischen Körperabschnitt 70 des
Halters 42 zu lassen, um eine Radialbewegung des Trägers 56 zuzulassen.
Eine axial rückwärtig gerichtete
Bewegung des Trägers 56 ist
durch die axiale Steifigkeit der Stützdrähte 58 und die rotationsverhindernde
Zunge 78 begrenzt.
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Obwohl
der Spalt sehr eng ist, erzeugt der Axialspalt zwischen dem Träger 56 und
der Radialwand 46 einen Leckpfad zwischen dem ersten und dem
zweiten Volumen 40 und 41. In der vorderen Fläche des
ringförmigen
Körperabschnitts 60 des
Trägers 56,
die der Radialwand 46 zugewandt ist, ist eine Anzahl konzentrischer
Nuten 82 ausgebildet. Die Nuten 82 und die zwischen
ihnen vorhandenen Flächen
funktionieren folglich als Labyrinthdichtung zwischen dem Träger 56 und
der Radialwand 46, wobei sie den Leckpfad durch den engen
Axialspalt abdichten.
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Vorstehend
ist eine Bürstendichtung
beschrieben worden, die vorzeitigen und exzessiven Borstenverschleiß durch
wesentliche Triebwerksfehlausrichtungen verhindert.