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Diese
Erfindung betrifft im Wesentlichen Gasturbinentriebwerke und insbesondere
einen Ablaufstopfen zur Rückgewinnung
von Öl,
das zum Schmieren der Lager eines Gasturbinentriebwerkes verwendet
wird.
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Gasturbinentriebwerke
enthalten typischerweise einen Triebwerkskern mit einem Verdichter zum
Komprimieren von in den Triebwerkskern eintretender Luft, eine Brennkammer,
in der Brennstoff mit der komprimierten Luft gemischt und dann verbrannt wird,
um einen Hochenergiegasstrom zu erzeugen, und eine Druckturbine,
die dem Gasstrom Energie entzieht, um den Verdichter anzutreiben.
In Flugzeug-Turbobläsertriebwerken
entzieht eine stromab von dem Triebwerkskern angeordnete Niederdruckturbine
zusätzliche
Energie aus dem Gasstrom für den
Antrieb eines Bläsers.
Der Bläser
liefert den von dem Triebwerk erzeugten Hauptantriebsschub.
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In
dem Triebwerk werden Lager eingesetzt, um Rotoren in Bezug auf Statoren
in dem Verdichter und in den Hoch- und Niederdruckturbinen des Triebwerks
genau zu positionieren und drehbar zu befestigen. Die Lager sind
in als Sümpfen
bezeichneten ölbenetzten
Abschnitten des Triebwerks eingeschlossen.
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Um
eine Überhitzung
der Lager zu vermeiden, müssen
Schmieröl
und Dichtungen vorgesehen werden, um zu verhindern, dass heiße Luft
in dem Triebwerkströmungspfad
die Lagersümpfe
erreicht, und die Schmierölströme müssen ausreichend
sein, um die von den Lagern aufgrund ihrer hohen Relativrotationsgeschwindigkeit
erzeugte Wärme
abzuführen.
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Ein Ölverbrauch
ergibt sich aus dem Verfahren, das zum Abdichten der Triebwerkssümpfe verwendet
wird. Das Dichtungsverfahren macht es notwendig, dass ein Luftstromkreislauf
vorliegt, der in die und aus den Sümpfen strömt. Dieser Strom enthält letztlich Öl, das nicht
zurückgewinnbar
ist, sofern es nicht geeignet abgetrennt und an die Sümpfe zurückgeführt wird.
In einer speziellen Konfiguration wird der vordere Triebwerkssumpf über die
vordere Bläserwelle
belüftet
und aus dem Triebwerk heraus über
ein mittiges Entlüftungsrohr
entlüftet.
Sobald das Luft/Öl-Gemisch
den Sumpf verlässt,
verwirbelt es, wobei sich Öl
auf der Innenseite der Bläserwelle absetzt. Öl, das in
dem Luft/Öl-Gemisch
enthalten ist, ist verloren, wenn es aufgrund der rasch entweichenden
Entlüftungsluft
nicht möglich
ist, es durch das Entlüftungsloch
in den Sumpf zurück
zu zentrifugieren.
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Einige
Konstruktionen ermöglichen
eine Ölrückgewinnung
durch Verwendung von Ablauflöchern,
welche Kanäle
sind, deren Funktion es ist, einen speziellen Pfad für das Öl bereitzustellen,
um wieder in den Sumpf einzutreten, der in die Konstruktion der
vorderen Bläserwelle
integriert ist. Ablauflöcher
sind typischerweise im Durchmesser kleiner und in der Länge länger als
Löcher,
die dafür
ausgelegt sind, einen Entlüftungsstrom
zuführen.
Jedoch weist in anderen Konstruktionen die Bläserwelle keine speziellen Ablauflöcher auf,
sondern nur Entlüftungslöcher. Die
Erzeugung von Ablauflöchern
in Bläserwellen
der letzteren Konstruktion wäre
nach deren Herstellung und Einbau in einem Triebwerk prohibitiv teuer.
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Demzufolge
besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zur Rückgewinnung von Öl in existierenden
Sumpfstrukturen ohne Modifikation der bestehenden Hardware.
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Der
vorstehend erwähnte
Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung gestillt, welche einen
Ablaufstopfen mit einem zentralen Entlüftungskanal und einen oder
mehrere Ablaufkanäle
parallel zu dem zentralen Kanal bereitstellt.
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Die
Erfindung wird detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Längsaxial-Querschnittsansicht eines
Gasturbinentriebwerks ist, das einen Ablaufstopfen der vorliegenden
Erfindung enthält;
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2 eine
vergrößerte Teilansicht
eines Bereichs des Triebwerks ist, der durch einen Strichlinienkasten
2-2 von 1 eingeschlossen ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Ablaufstopfens der vorliegenden Erfindung
ist;
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4 eine
Endansicht eines Ablaufstopfens der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine
Seitenaufrissansicht des Ablaufstopfens von 4 ist;
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6 eine
Querschnittsansicht entlang der Linien 6-6 von 5 ist;
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7 eine
perspektivische Ansicht eines gemäß einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebauten Ablaufstopfens ist;
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8 eine
Querschnittsansicht eines Abschnittes einer vorderen Welle eines
Gasturbinentriebwerkbläsers
mit einem darin eingebauten Ablaufstopfen der Erfindung ist.
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In
den Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente
durchgängig durch
die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 ein
insgesamt mit 10 bezeichnetes Gasturbinentriebwerk dar,
in welches der Ablaufstopfen 90 der vorliegenden Erfindung
gemäß detaillierter
Darstellung in den 3–8 eingebaut
ist. Das Triebwerk 10 enthält eine Längsmittellinie oder Achse A und
ein äußeres stationäres Ringgehäuse 14,
das konzentrisch um und koaxial entlang der Achse A angeordnet ist.
Das Triebwerk 10 enthält
einen Gasgeneratorkern 16, welcher aus einem mehrstufigen
Verdichter 18, einer Brennkammer 20 und einer
Hochdruckturbine 22, entweder einer ein- oder mehrstufigen,
besteht, welche alle koaxial um die Längsachse oder Mittellinie A
des Triebwerks 10 in einer seriellen axialen Strömungsbeziehung
angeordnet sind. Eine ringförmige
Außenantriebswelle 24 verbindet
fest den Verdichter 18 und die Hochdruckturbine 22.
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Der
Kern 16 dient zur Erzeugung von Verbrennungsgasen. Druckluft
aus dem Verdichter 18 wird mit Brennstoff in der Brennkammer 20 vermischt und
verbrannt, um dadurch Verbrennungsgase zu erzeugen. Ein Teil der
Arbeit wird aus diesen Gasen durch die Hochdruckturbine 22 entzogen,
welche den Verdichter 18 antreibt. Der Rest der Verbrennungsgase
wird aus dem Kern 16 in eine Niederdruckturbine 26 ausgegeben.
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Eine
innere Welle 38 ist zur Drehung in Bezug auf die äußere Antriebswelle 24 über hintere
Lager 32, Differentiallager 24 und über mit
dem äußeren stationären Gehäuse 14 verbundene
geeignete vordere Lager 42 befestigt. Die innere An triebswelle 38 treibt
wiederum drehbar eine vordere Bläserwelle 62 an,
welche wiederum einen vorderen Bläserscheiben/Booster-Rotor 44 antreibt.
Bläserlaufschaufeln 48 und
Boosterlaufschaufeln 54 sind auf dem Bläserscheiben/Booster-Rotor 44 zur
Rotation damit befestigt.
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In 2 ist
der Bereich des Gasturbinentriebwerks 10 dargestellt, in
welcher ein herkömmlicher
Lagersumpf 58 um das vordere Lager 42 herum ausgebildet
ist. Der Lagersumpf 58 wird im Wesentlichen von einer äußeren Ringstruktur 60 definiert, welche
mit dem Außengehäuse 14 und
der vorderen Bläserwelle 62 verbunden
ist, welche starr das vordere Ende der inneren Antriebswelle 38 mit
dem vorderen Bläserscheiben-Booster-Rotor 44 verbindet.
Die mit einem Innenlaufring 42a der vorderen Lager 42 verbundene
vordere Bläserwelle 62 dreht
sich mit der inneren Antriebswelle 38 in Bezug auf die
stationäre äußere Ringstruktur 60 des
Lagersumpfes 58, welche mit einer äußeren Laufring 42b des
vorderen Lagers 42 verbunden ist.
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Herkömmliche
Labyrinth-Luft- und Öldichtungen 64, 66 sind
angrenzend an die vorderen Lager 42 und zwischen den vorderen
Enden der sich relativ drehenden äußeren Ringstruktur 60 und
der vorderen Bläserwelle 62 vorgesehen,
um das vordere Ende des Lagersumpfes 58 abzudichten. Öl wird zu den
vorderen Lagern 42 und daher in den Sumpf 58 über eine Ölzuführungsleitung 68 gepumpt.
Druckluft wird in die Labyrinth-Luftdichtung 64 über eine
Luftzuführungsleitung 70 eingeführt, um
zu verhindern, dass Öl
durch die Labyrinth-Öldichtung 66 austritt.
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Ein
Teil der injizierten Druckluft, welcher in den Lagersumpf 58 eintritt,
muss aus dem Sumpf 58 in einer kontrollierten Weise abgeleitet
werden, um den Sumpfdruck in einem korrekten Gleichgewicht zu halten.
Die Druckluft wird jedoch mit Partikeln aus dem Öl in dem Sumpf 58 vermischt.
Daher besitzt die vordere Bläserwelle 62 eines
oder mehrere Entlüftungslöcher 64,
die sich durch ihre Dicke in einer im Wesentlichen radialen Richtung
erstrecken. Typischerweise hat die Bläserwelle 62 mehrere
dieser Löcher 84 in
einem Band um ihren Umfang herum angeordnet. Die Entlüftungslöcher 84 stellen
einen Kanal für
einen Luftstrom aus dem Sumpf 58 in einen Abluftsammelraum 78 und
anschließend
in das mittige Abluftrohr 80 bereit. Eine Abdeckung 74 ist
an der vorderen Bläserwelle 62 mit
Befestigungselementen 76 befestigt.
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Gemäß den 3–6 hat
ein Ablaufstopfen 90 einen einteiligen Körper 92 mit
einem ersten Ende 96 und einem zweiten Ende 98,
die eine sich dazwischen erstreckende Achse 94 definieren.
Ein im Wesentlichen zylindrischer zentraler Kanal 100 verläuft von
dem ersten Ende 96 zu dem zweiten Ende 98 axial
durch den Körper 92.
Ein im Wesentlichen runder Kopf 116 mit einer ebenen Endfläche 118 ist
an dem ersten Ende 96 angeordnet. Angrenzend an den Kopf 116 befindet
sich ein im Wesentlichen ringförmiger
Flansch 104, welcher ein Paar gegenüberliegender Abflachungen 108 besitzt,
die an lateral gegenüberliegenden
Seiten davon ausgebildet sind. Eine ringförmige Nut 117 trennt
den runden Kopf 116 und den Flansch 104 und stellt
eine Oberfläche
für ein
Werkzeug zum Gegendrücken
bereit, wenn der Stopfen 90 entfernt wird. Ein im Wesentlichen
zylindrischer länglicher
Abschnitt 102 erstreckt sich zwischen dem proximalen Ende 110 angrenzend an
den Flansch 104 und einem distalen Ende 112 an dem
zweiten Ende 98 des Körpers 92.
Eine ringförmige
Nut 114 ist an dem Übergang
des länglichen
Abschnittes 102 und des Flansches 104 angeordnet. Ein
Rand 106 ist auf dem Flansch 104 angeordnet und
erstreckt sich axial zu dem zweiten Ende 98 des Körpers 92 hin.
Der Rand 106 ist in zwei ringförmige Abschnitte aufgrund des
Vorhandenseins der gegenüberliegenden
Abflachungen 108 des Flansches 104 unterteilt.
Die Abflachungen 108 stellen einen Zwischenraum zwischen
dem Ablaufstopfen 90 und weiteren in der Nähe liegenden
Strukturen bereit, wenn der Ablaufstopfen 90 eingebaut
ist.
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Ein
Paar von Schlitzen 122 ist auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen
Abschnittes 102 ausgebildet. Die Schlitze 122 beginnen
an dem distalen Ende 112 des länglichen Abschnittes 102 und
erstrecken sich teilweise über
den Verlauf des länglichen
Abschnittes 94 nach unten. Die Schlitze 122 unterteilen
den länglichen
Abschnitt 102 in zwei Klauen 124. Jede von den
Klauen 124 weist ein Paar von Schrägflächen 120 auf, die
an ihrem distalen Ende 112 auf gegenüberliegenden Seiten der Klaue 124 ausgebildet
sind. Eine ringförmig
vorstehende Lippe 126 erstreckt sich aus dem distalen Ende 112 jeder der
Klauen 108. Obwohl das dargestellte Beispiel zwei Schlitze 122 darstellt,
sollte angemerkt werden, dass drei oder mehr Schlitze 122 in
dem länglichen Abschnitt 102 ausgebildet
werden könnten,
welche diesen in drei oder mehr Klauen 108 unterteilen
würden.
Wenigstens ein Ablaufkanal 130 ist in der Außenoberfläche 128 des
länglichen
Abschnittes 122 ausgebildet. Wie es am besten in den 4 und 5 zu
sehen ist, liegen in dem dargestellten Beispiel die Ablaufkanäle 130 in
der Form von Nuten mit einem im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt
vor, obwohl auch andere Formen verwendet werden können. Die
Ablaufkanäle
besitzen einen Auslass 132, der an dem distalen Ende des
länglichen
Abschnittes 102 angeordnet ist. Die Ablaufkanäle erstrecken
sich dann axial zu dem Flansch 104. An dem Punkt, an dem
die Ablaufkanäle 130 die
ringförmige
Nut 144 schneiden, führen
sie an der Ecke 34 eine Wende aus und erstrecken sich radial
nach außen,
wobei sie an einem in dem Flansch 104 angeordneten Einlass 136 ausgerichtet
zu der Abflachung 108 enden.
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Der
Ablaufstopfen 90 wird aus einem Material hergestellt, welches
in der Lage ist, den in dem Sumpf 58 vorherrschenden Temperaturen
zu widerstehen, welche bei etwa 149°C (300°F) liegen, und das dem Angriff
des Triebwerkschmierungsöls
widersteht. Ferner muss, da die Bläserwelle 62 ein Lebensdauerbeschränktes Teil
ist, dessen Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden dürfen, der
Stopfen 90 aus einem Material bestehen, welches selber
verschleißt,
statt einem Verschleiß der
Gebläsewelle 62 zu
bewirken. Ferner ist das Gewicht des Stopfens 90 bevorzugt
minimiert, um sowohl zusätzliches
Gewicht in dem Triebwerk 10 im Wesentlichen zu vermeiden
als auch Unwuchtprobleme in der Gebläsewelle 62 insbesondere
dann auszuschließen,
falls die Stopfen 90 fehlerhaft eingebaut sein sollten.
Ein geeignetes Material ist VESPEL-POLYIMID, das von E.I. DuPont
de Nemours and Company, Wilmington, DE 19898 USA beziehbar ist.
Ein weiteres geeignetes Material ist PEEK POLYETHERKETON, welches von
Vitrex USA Inc., 3 Caledon Court, Suite A, Greenville, SC 29615
USA beziehbar ist. Im Wesentlichen kann jedes Material, das die
vorstehend beschriebenen Anforderungen erfüllt, verwendet werden, wie
z.B. Aluminium, oder andere relativ weiche Metalle können ebenfalls
geeignete Materialien sein. Der Ablaufstopfen 90 kann mittels
jedes bekannten Verfahrens beispielsweise durch Einspritzformung, Kompressionsformung,
Endabmessungsnahes Gießformen
gefolgt von einer Bearbeitung oder durch Bearbeitung aus einem Materialrohling
hergestellt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt.
Ein Ablaufstopfen 290 ist dem Ablaufstopfen 90 ähnlich,
indem er einen Körper 292 besitzt, der
einen länglichen
Abschnitt 102, einen Flansch 104 mit einem Rand 106 und
einem runden Kopf 116 aufweist. Eine ringförmige Nut 114 umschreibt
den Körper 292 an
dem Übergang
des Flansches 104 und dem länglichen Abschnitt 102.
Ein Paar von Ablaufkanälen 294 ist
in der Außenoberfläche des
länglichen
Abschnittes 102 auf gegenüberliegenden Seiten davon angeordnet.
In dieser Ausführungsform
erstrecken sich die Einlässe 296 der
Ablaufkanäle 294 nicht
in dem Flansch 104. Der Flansch 104 erstreckt
sich vollständig
um den Umfang des Körpers 292 herum.
Ein Paar gegenüberliegender
Kanäle 298 sind
in dem Rand 106 ausgebildet. Die Kanäle 298 sind von der
Oberfläche
des Randes 106 ausgespart und stellen einen zusätzlichen Ölabflussbereich
zu der Nut 114 und den Ablaufkanälen 294 bereit.
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8 stellt
eine detailliertere Ansicht des in die vordere Bläserwelle 62 eingebauten
Ablaufstopfens 90 dar. Der Ablaufstopfen 90 wird
in das Entlüftungsloch 84 aus
der radial inneren Richtung eingebaut. Die Schrägflächen 120 unterstützen bei
der Ausrichtung des Körpers 92 des
Ablaufstopfens 90 zu dem Entlüftungsloch 84. In
dem nicht eingebauten Zustand ist die Breite W (4) über den
Außenkanten
der Lippen 126 etwas größer als
der Durchmesser D (2) des Entlüftungsloches 84. Das
Vorhandensein der Schlitze 122 ermöglicht ein leichtes Einwärtsbiegen
der Klauen 124, wenn der Ablaufstopfen 90 eingebaut
wird. Wenn der Ablaufstopfen 90 vollständig eingeführt ist und die Lippen 126 die
radiale Außenkante
des Belüftungsloches 84 freigeben,
kehren die Klauen in ihre Ausgangsposition zurück und liegen an dem radialen
Außenrand 302 des
Entlüftungsloches 84 an,
und halten den Ablaufstopfen 90 in dem Entlüftungsloch 84 fest.
Im Betrieb dreht sich der Ablaufstopfen 90 mit der vorderen
Gebläsewelle 62 und
versucht sich radial nach außen
zu bewegen. Dieses be wirkt, dass der Rand 106 des Flansches 104 an
dem radial inneren Rand des Belüftungsloches 84 anliegt
und den Ablaufstopfen 90 in dem Entlüftungsloch festhält.
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Im
Betrieb verlässt
das Luft/Öl-Gemisch
den Sumpf 58 durch den zentralen Kanal 100 des
Ablaufstopfens 90, wie es durch die in 8 mit
B bezeichneten Pfeile dargestellt wird. In dem dargestellten Beispiel
ist die Länge
L des Ablaufstopfens 90 etwa 30,5 mm (1,2 inches) und der
Durchmesser c des zentralen Kanals ist etwa 8,8 mm (0,35 inches),
was zu einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von
etwa 3,5 führt.
Das Gemisch wirbelt dann herum, wobei Öl an der Innenseite der vorderen
Bläserwelle 62 abgeschieden
wird. Öl,
das in dem Luft/Öl-Gemisch
vorhanden ist, strömt
in die Einlässe 136 der
Ablaufkanäle 130 entlang
des Verlaufs der Ablaufkanäle 130 und
dann durch die Auslässe 132 in
den Sumpf 58, wo es gemäß Darstellung
durch die Pfeile C zurückgewonnen
wird. In dem dargestellten Beispiel haben die Ablaufkanäle 130 eine
Länge l
von etwa 21 mm (0,83 inches) und eine Breite W von etwa 0,76 mm (0,03
inches), was zu einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von
etwa 28 führt.
Dieses größere L/D-Verhältnis ermöglicht dem Öl über die
Ablaufkanäle 130 abzufließen, ohne
durch die Strömung
des Luftsumpfes 58 beeinflusst zu werden, wie es ohne den
Ablaufstopfen 90 der Fall wäre. Zusätzlich kann der Durchmesser
d des länglichen
Abschnittes 102 des Ablaufstopfens 90 in Bezug
auf den Durchmesser D des Entlüftungsloches 84 so
gewählt
werden, dass ein Zwischenraum zwischen dem Entlüftungsloch 84 und
dem Stopfenkörper 92 verbleibt,
was einen zusätzlichen
Ringraum für Öl für eine Zentrifugalströmung dadurch
ohne Scherung durch die austretende Entlüftungsluft erzeugt. Der diametrale
Zwischenraum des dargestellten Beispiels ist etwa 0,177 mm (0,007
inches).
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Der
hierin offenbarte Ablaufstopfen 90 ergibt einen greifbaren Ölverbrauchsvorteil
und ist trotzdem einfach zu implementieren. Die Ablaufstopfen 90 können in
noch in dem Flugzeug montierte Einsatztriebwerke mit nur einer sehr
geringen Zerlegung des Triebwerks eingebaut können. In einem speziellen Beispiel
führte
der Einbau von 4 Stopfen in die vordere Bläserwelle mit insgesamt 22 Löchern zu
einer Reduzierung im Gesamtölverbrauch
von etwa 8%. Die optimale Anzahl von Stopfen 90 variiert
für jede
spezifische Anwendung. Wenn zu wenig Stopfen vorhanden sind, wird
der Vorteil des reduzierten Ölverbrauchs
nicht realisiert. Wenn zu viele Stopfen verwendet werden, können sie
zu stark die Strömung durch
die Entlüftungslöcher 84 behindern,
was zu einem Umkippen des Sumpfdruck-Gleichgewichtes führt. Eine
Analyse weiterer möglicher
Konfigurationen hat gezeigt, dass 12 Stopfen bei 20 möglichen Löchern zu
der optimalen Reduzierung im Ölverbrauch
bei gleichzeitiger minimaler Beeinträchtigung der Ölsystemdruckeigenschaften
führt.
Es kann auch erwünscht
sein, eine geringere Anzahl von Stopfen wie z.B. 10 zu verwenden,
oder äquivalent
nur einen Stopfen für
jedes zweite Loch, um einen vereinfachten Einbau zu ermöglichen.
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Vorstehend
wurde ein Ablaufstopfen mit einem zentralen Belüftungskanal und einem oder
mehreren Ablaufkanälen
beschrieben.