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Die Erfindung betrifft eine Schubumkehrvorrichtung für ein
Mantelstrom-Strahltriebwerk.
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Dieser Typ von Strahltriebwerken besitzt einen primären Strömungskanal für die Gase
der sog. heißen Strömung, die einen Hauptschubstrahl bilden, sowie einen zu diesem
primären Kanal koaxialen ringförmigen Kanal, in dem die Gase der sog. kalten Strömung
zum Ausgang beispielsweise eines am Eingang des Turbostrahltriebwerks angeordneten
Bläsers zirkulieren und einen sekundären Schubstrahl bilden. Dabei bewirkt die
Schubumkehr, insbesondere bei hohem Nebenstromverhältnis, hauptsächlich oder
ausschließlich eine Umlenkung der kalten Sekundärströmung.
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Fig. 1 der anliegenden Zeichnungen zeigt ein bekanntes Realisierungsbeispiel für eine
derartige Schubumkehrvorrichtung, die aus drei Hauptteilen besteht, nämlich einem
festen Teil 1, der auf der stromaufwärtigen Seite in Verlängerung der äußeren
Wandung des innen von der Hülle der zentralen Konstruktion des Strahltriebwerks
begrenzten Strömungskanals angeordnet ist, ferner einem beweglichen Teil 2 sowie einem
hinteren festen Mantelring 3. Der feste stromaufwärtige Teil 1 umfaßt eine äußere
Gondelplatte 4, eine innere Platte 5, die den sekundären Strömungskanal außen
begrenzt sowie einen vorderen Rahmen 6, der die Verbindung der Platten 4 und 5
ermöglicht. Der vordere Rahmen 6 dient außerdem als Träger für die Vorrichtung zur
Bewegungssteuerung des beweglichen Teils 2, der im wesentlichen aus einer
bestimmten Anzahl von verschiebbaren Elementen oder Hindernissen 7 besteht, die
üblicherweise als Klappen bezeichnet werden. Ihre Anzahl kann in Abhängigkeit von den
speziellen Anwendungen variieren. So können beispielsweise zwei, drei oder vier Klappen
7 eine ringförmige Einheit bilden, die ggf. mit einem festen Teil zusammenwirkt. Dies
hängt davon ab, wie die von dem Turbostrahltriebwerk gebildete Antriebseinheit an
dem Flugzeug montiert ist.
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Fig. 2 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung ein Beispiel für die
Anbringung einer solchen Schubumkehrvorrichtung an einem Mantelstromtriebwerk, wobei
die Schubumkehrvorrichtung in diesem Fall vier Klappen 7 besitzt. Fig. 2 zeigt diese
Klappen 7 in ihrer dem Direktschubbetrieb entsprechenden geschlossenen Position.
Jede Klappe 7 ist mit einer Vorrichtung zur Bewegungssteuerung, z.B einem
Arbeitszylinder
7a, verbunden.
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Auf der stromabwärtigen Seite des festen Teils 1 (stromaufwärts und stromabwärts
sind in Bezug auf die normale Zirkulationsrichtung der Gase im Direktschubbetrieb
definiert) wird die Struktur von einem Ablenkrand 8 verlängert, der an dem vorderen
Rahmen 6 befestigt ist und in Schubumkehrposition eine zweckentsprechende
Orientierung der Strömung gewährleisten soll. Jede Klappe 7 besteht aus einer äußeren Platte
9, die sich in der Direktschubposition in Verlängerung der äußeren Platte 4 des festen
stromaufwärtigen Teils 1 anordnet, um dann die kontinuierliche aerodynamische
Wandung zu bilden, die die durch den Pfeil 10 angedeutete Strömung außerhalb des Motors
begrenzt, ferner aus einer inneren Platte 11 und einer von Versteifungen 12 gebildeten
inneren Struktur. Letztere stellen die Verbindung zwischen den Platten 9 und 11 her.
Die Klappe 7 wird durch eine Gruppe von Deflektoren vervollständigt, die zur
Kanalisierung der umgekehrten Strömung dienen, wenn sich die Schubumkehrvorrichtung in
Schubumkehrposition befindet und die Klappe 7 ihre offene oder ausgefahrene Position
einnimmt. Diese Gruppe umfaßt auf der stromaufwärtigen Seite der Platte 4 einen
Deflektor 13, der aus einem frontalen Teil besteht, der ggf. mit seitlichen Teilen
verbunden ist. Damit die Klappe 7 in der geöffneten Schubumkehrposition hinreichende
Leistung erbringt, ist es in der Regel erforderlich, daß der vordere Teil der inneren Platte
11, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, in der radial nach außen weisenden
Richtung Abstand von einer durch die Linie 14 angedeuteten theoretischen Fläche hat,
die der theoretischen Hülle für eine perfekte kontinuierliche aerodynamische
Begrenzung des durch den Pfeil 15 angedeuteten sekundären Gasströmungskanals entspricht.
Dadurch entsteht ein Hohlraum 16 auf der inneren Seite der Klappe 7, wenn diese sich
in ihrer dem Direktschub entsprechenden geschlossenen Position befindet. Dieser
Hohlraum wird vorn von dem Reflektor 13 der Klappe und von dem Ablenkrand 8 des ersten
stromaufwärtigen Teils 1, auf der äußeren Seite von dem vorderen Teil der inneren
Platte 11 und auf der radial inneren Seite von der erwähnten theoretischen Fläche 14
begrenzt. Ein Teil der Strömung wird von dem Ablenkrand 8 zwangsweise in den
Hohlraum 16 umgelenkt und verursacht dadurch eine Verzerrung des Strahls sowie
Störungen der Strömungen. Hieraus resultieren aerodynamische Verluste, die im
Direktschubbetrieb nachteilig sind.
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Weitere Realisierungsbeispiele für Schubumkehrvorrichtungen von
Turbostrahltriebwerken mit schwenkbaren Klappen sind in FR-A 2 486 153, FR-A 2 506 843 und
FR-A 2 559 838 beschrieben. Es wurden auch Lösungen zur Verbesserung des
Strömungsprofils vorgeschlagen, damit dieses einer aerodynamischen Umhüllung der
korrekten Strömung im Direktschubbetrieb entspricht.
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In FR-A 2 621 082 ist eine Schubumkehrklappe angegeben, die einen beweglichen
inneren Teil aufweist, der sich im Direktschubbetrieb an das Strömungsprofil anpaßt
und den erwähnten Hohlraum 16 abdeckt. Im Schubumkehrbetrieb wird dieser Teil
versenkt, damit die geforderten Leistungsmerkmale erreicht werden.
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In allen diesen bekannten Beispielen weist die Schubumkehrklappe 7 entlang ihrem
Umfang, insbesondere an dem Rand ihrer äußeren Platte 9, Dichtungsmittel auf, wie z.B.
das in Fig. 1 dargestellte Element 17, das mit dem festen stromaufwärtigen Teil 1 der
Schubumkehrvorrichtung zusammenwirkt, desgleichen sind an den seitlichen Rändern
Dichtungsmittel vorgesehen, die mit den in Fig. 2 sichtbaren Trägern 18
zusammenwirken.
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Ein weiteres Problem betrifft die Steuerung des umgelenkten Strahls im
Schubumkehrbetrieb. Die oben erwähnte FR-A 2 559 838 suchte eine Lösung insbesondere in
verschiedenen Gestaltungen für die Form der Ränder des Umkehrschachts, der beim
Öffnen der Klappen der Schubumkehrvorrichtung in die Verkleidung eingezogen ist. Es ist
außerdem bekannt, zu diesem Zweck eine Gruppe von den einzelnen Klappen
zugeordneten Deflektoren einzusetzen, wie z.B. den in Fig. 1 dargestellten frontalen Deflektor
13. Trotzdem kann es vorkommen, daß diese bekannten Vorkehrungen bei gewissen
Anwendungen nicht ausreichen, um die geforderten Leistungsmerkmale zu
gewährleisten.
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US-A-3 601 992 beschreibt ebenfalls eine Schubumkehrvorrichtung für ein
Turbostrahltriebwerk, deren Klappen mehrere durch Triebstangen miteinander verbundene
Teile aufweisen, wobei die Länge der Triebstangen und die Plazierung der zugehörigen
Gelenkzapfen so festgelegt sind, daß in Strömungsumkehrposition und unter der
Wirkung eines Arbeitszylinders zwischen den Teilen der Klappe Durchgänge gebildet
werden, die in der Direktstrahlposition einen glatten Strömungskanal gewährleisten.
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Um ein unzeitiges Öffnen der Schubumkehrklappe zu verhindern, das ein gutes
Verhalten des Flugzeugs außer in der Anflug-, Lande- oder Bremsphasen beeinträchtigen
würde, ist es bekannt, die Klappe in ihrer Schließstellung mit Hilfe von an sich
bekannten Vorrichtungen formschlüssig zu verriegeln. Es hat sich indessen, insbesondere bei
zweimotorigen Langstreckenmaschinen, als wünschenswert erwiesen, unabhängig von
dem Zustand und der Position der normalen Schließ- und Verriegelungsvorrichtungen
eine Selbstschließung der Klappe herbeizuführen.
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Es ist deshalb das Ziel der Erfindung, diese Probleme einer Lösung zuzuführen und
dabei leichte Ausführbarkeit unter Berücksichtigung der Forderungen nach
geringstmöglicher Masse und verringertem Raumbedarf, die bei den hier in Rede stehenden
aeronautischen Anwendungen wichtige Kriterien darstellen, sowie der Forderungen nach
niedrigen Kosten mit der Erfüllung der geforderten Leistungsmerkmale in Einklang zu
bringen, und zwar sowohl - unter Vermeidung von aerodynamischen Verlusten - im
Direktschubbetrieb als auch - mit zweckentsprechender Steuerung der Schichten der
Umkehrströmung - im Schubumkehrbetrieb. Es ist schließlich ein spezielles Ziel der
Erfindung, zusätzlich zu den technologischen Festlegungen, die die Zuverlässigkeit des
Geräts gewährleisten, in optimaler Weise den Sicherheitsbedingungen zu entsprechen,
indem die Gefahr eines unzeitigen Öffnens von bewegbaren Elementen, z.B. den
Klappen der Schubumkehrvorrichtung, im Falle eines unbeabsichtigten Entriegelns
vermieden wird.
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Diese Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch eine mit Schwenkklappen
ausgestattete Umkehrvorrichtung der beschriebenen Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
der Angriffspunkt des Arbeitszylinders, der in der Direktschubposition der
Schubumkehrvorrichtung zwischen der Schwenkklappe und der genannten stromaufwärtigen
inneren Platte angeordnet ist, auf der Schwenkklappe liegt wobei die in
Strömungsumkehrposition der Platte und des inneren Elements der Schwenkklappe der
Deflektorvorrichtung an dem auf der vorderen Randleiste angeordneten frontalen Teil der
Schwenkklappe zugeordneten Neigungen eine Lenkung der Schichten der umgekehrten
Strömung erlauben, und daß die innere Platte sich in der Direktschubposition unter
Zwischenfügung von Dichtungsmitteln einerseits vorn an den festen stromaufwärtigen
Teil der Schubumkehrvorrichtung und andererseits hinten an den hinteren Rand des
stromaufwärtigen Teils des inneren Elements der Schwenkklappe anschließt, wobei der
zwischen der stromaufwärtigen inneren Platte und dem stromaufwärtigen inneren Teil
der Schwenkklappe gebildete Hohlraum auf den Umgebungsdruck gebracht wird, der
niedriger ist als der in dem Strömungskanal herrschende Druck, der auf den
stromabwärtigen Teil des inneren Elements der Schwenkklappe ausgeübt wird, so daß unter
Berücksichtigung der festgelegten Position der Gelenkzapfen selbstätig Kräfte in
Schließrichtung positiv auf die Schwenkklappe einwirken und die Schließposition der
Schwenkklappe eine stabile Position wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen.
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Fig. 1 zeigt die bereits erwähnte bekannte Schubumkehrvorrichtung geschlossenen
Schwenkklappen in einer schematischen Halbansicht, die als Längsschnitt
durch eine durch die Rotationsachse des zugeordneten Turbostrahltriebwerks
verlaufende Ebene ausgeführt ist,
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Fig. 2 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht einer
Schubumkehrvorrichtung der beschriebenen Art in montierter Position mit geschlossenen Klappen,
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Fig. 3 zeigt eine Schubumkehrvorrichtung mit in geschlossener Position dargestellten
Schwenkklappen nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer
zu Fig. 1 analogen Ansicht,
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Fig. 4 zeigt die Schubumkehrvorrichtung von Fig. 3 mit Mitteln zur Verbindung einer
stromaufwärtigen inneren Platte mit der Schubumkehrklappe in einer zu Fig. 3
analogen Ansicht, wobei die Schnittebene versetzt ist,
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Fig. 5 zeigt in einer zu Fig. 1 und 3 analogen schematischen Ansicht die
Schubumkehrposition gemäß der Erfindung in Schubumkehrposition, wobei die Position
der Klappen und beweglichen Platten dargestellt ist.
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Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schubumkehrvorrichtung, die in
den entsprechenden Flugphasen eines Flugzeugs eine Umkehrung der sekundären
Strömung des zugehörigen Mantelstrom-Strahltriebwerks bewirken kann, weist die
Einheiten und Teile auf, die oben anhand von Fig. 1 für ein bekanntes Realisierungsbeispiel
bereits beschrieben wurden. Es wurden die gleichen Bezugszeichen für diese Elemente
beibehalten, soweit sie identisch oder analog sind. Die Schubumkehrvorrichtung weist
also den festen stromaufwärtigen Teil 1 auf, bestehend aus der äußeren Gondelplatte
4, ferner aus der dem Kanal für die durch den Pfeil 15 angedeuteten Sekundärströmung
zugeordneten äußeren Platte 5, deren stromabwärtiges Ende von dem Ablenkrand 8
verlängert wird, sowie aus dem vorderen Rahmen 6 besteht, der den Träger des
Arbeitszylinders 8a bildet. Die Schubumkehrvorrichtung weist weiterhin den
beweglichen Teil 2 auf, bestehend aus den Klappen 7, die jeweils aus einem externen Element
9, das die aerodynamische Begrenzungswandung für die durch den Pfeil 10
angedeutete Strömung außerhalb des Motors bildet, wenn sich die Klappe 7 in Schließstellung
befindet, ferner aus einem inneren Element 11 der inneren Struktur 12 und der Gruppe
von Deflektoren besteht, die insbesondere den frontalen Deflektor 13 umfaßt, und
schließlich aus dem hinteren festen Konus 3.
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Wenn sich die Klappe 7 der Schubumkehrvorrichtung in ihrer dem Direktschubbetrieb
entsprechenden Schließstellung befindet, wird die in Fig. 1 des bekannten Beispiels
dargestellte theoretische Fläche 14, die der kontinuierlichen theoretischen
aerodynamischen Hülle des Strahls der Sekundärströmung entspricht, zwischen der Innenseite der
Platte 5 stromaufwärts und der Innenseite des hinteren festen Konus 3 stromabwärts
einerseits von der Innenfläche 19 des stromabwärtigen Teils 11 a des inneren
Klappenelements 11 und andererseits von der Außenfläche 20a einer inneren stromaufwärtigen
Platte 20 verkörpert. Letztere bildet eine Auskleidung für den stromaufwärtigen Teil
11b des inneren Klappenelements 11 und verschließt so auf der inneren Seite den
stromaufwärtigen Hohlraum 16 zwischen der genannten Platte 20 und der Klappe 7.
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Erfindungsgemäß entfällt die bei dem bekannten Beispiel von Fig. 1 vorgesehene
Dichtung 11, die zwischen dem stromaufwärtigen Rand der Klappe 7 und der festen
stromaufwärtigen Struktur 1 der Schubumkehrvorrichtung angeordnet ist, so daß der
Hohlraum 16 mit dem äußeren Umgebungsdruck in Beziehung steht. Auf der
stromabwärtigen Seite ist hingegen zwischen dem hinteren Rand des stromabwärtigen Teils 11a des
inneren Klappenelements 11 und dem hinteren Konus 3 eine Dichtung 21 angeordnet.
Die Montage der stromaufwärtigen Platte 20 ist in Fig. 4 schematisch dargestellt: Eine
Triebstange 22 verbindet ein mit der Platte 20 fest verbundenes Gelenk 23 und ein mit
dem stromaufwärtigen Teil 11b des inneren Klappenelements 11 fest verbundenes
Gelenk 24 miteinander. Zwischen dem stromaufwärtigen Rand der Platte 20 und der
festen stromaufwärtigen Struktur 1 ist eine Dichtung 25 vorgesehen. Desgleichen ist
zwischen dem stromabwärtigen Rand der Platte 20 und der Verbindungszone auf dem
hinteren Rand des stromaufwärtigen Teils 11b des inneren Klappenteils 11 eine
Dichtung 26 angeordnet, so daß in der in Fig. 4 dargestellten Position, die dem
Direktschubbetrieb der Schubumkehrvorrichtung entspricht, der innere stromaufwärtige Teil
11 dem in dem Hohlraum 16 herrschenden Umgebungsdruck ausgesetzt ist, während
auf die Innenseite des inneren stromabwärtigen Teils 11a der Klappe 7 der Druck des
Fluidstrahls einwirkt, der in dem ringförmigen Kanal der Schubumkehrvorrichtung
zirkuliert.
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Jede Klappe 7 ist in an sich bekannter Weise an ihren Seitenrändern in einem
feststehenden Gelenkzapfen 27 gelagert, der von der festen Struktur der
Schubumkehrvorrichtung, insbesondere von dem Rand eines Längsträgers 18 getragen ist, wie er in Fig.
2 dargestellt ist. Die jeder Klappe 7 zugeordnete stromaufwärtige innere Platte 20 ist in
einem unabhängigen festen Gelenkzapfen 28 gelagert, der ebenfalls von der festen
Struktur getragen wird.
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Diese Gelenkzapfen 27 und 28 sind in bekannter Weise auf beiden Seiten mit
Lagerungsteilen verbunden. Die diesbezüglichen Einzelheiten sind in den Zeichnungen nicht
detailliert dargestellt.
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Im folgenden sei die Funktion der vorangehend anhand von Fig. 3 und 4 beschriebenen
Schubumkehrvorrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 5 summarisch beschrieben. Um
von der in Fig. 3 und 4 dargestellten, dem Direktschubbetrieb entsprechenden
Schließstellung der Schubumkehrklappe 7 in die in Fig. 5 dargestellte Öffnungsstellung
überzugehen, die dem Verschließen des Sekundärkanals und einer Schubumkehr
entspricht, bewirkt der Arbeitszylinder 7a, der durch ein an sich bekanntes in den
Zeichnungen nicht dargestelltes Steuersystem betätigt wird, durch Verschiebung seines in
Fig. 3 dargestellten, auf der Klappe 7 angeordneten Gelenks 29 eine Verschwenkung
dieser Klappe um ihre Gelenkzapfen 27, bis der stromabwärtige Rand 7b der Klappe
sich mit der Oberfläche der inneren Hülle 30 des ringförmigen Kanals des sekundären
Strahls verbindet. Bei dieser Schwenkbewegung nimmt die Klappe 7 über die
Triebstange 22 die stromaufwärtige Platte 20 mit, die um ihre eigenen Gelenkzapfen 28
verschwenkt wird, so daß auf beiden Seiten der Platte 20 Durchgangskanäle für die
umgekehrte Strömung gebildet werden.
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Die insbesondere durch den frontalen Deflektor 13 der den Strahl nach vorn
umlenkenden Klappe 7 gewährleistete Ausrichtung der Strömung wird durch die Lenkung der
Schichten der Umkehrströmung verbessert, die so dank verschiedener ergänzender
Anordnungen, die je nach dem besonderen Anwendungsfall an die angestrebten
Ergebnisse angepaßt sind, durch die Platte 20 gewährleistet ist. Diese Ergebnisse
werden insbesondere durch die Wahl der jeweiligen Positionen der Gelenkzapfen 27 der
Klappe bzw. der Gelenkzapfen 28 sowie durch das spezielle Profil beeinflußt, das der
Platte 20, insbesondere auf ihrer Außenseite, gegeben wird.
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Anhand von Fig. 4, die den Direktschubbetrieb darstellt, erkennt man einen weiteren
wichtigen Vorteil der Erfindung. Wie oben erwähnt wurde, entsteht dadurch, daß die
Dichtung am vorderen Rand der Klappe 7 weggelassen ist, hingegen an den hinteren
Rändern der inneren stromaufwärtigen Platte 20 die Dichtungen 25 und 26 vorgesehen
sind, ein Ungleichgewicht der auf die Klappe 7 einwirkenden Kräfte. Die inneren
Druckkräfte der Fluidströmung, die auf den stromaufwärtigen inneren Teil 11a der Klappe 7
einwirken, werden durch die Kräfte, die auf den stromaufwärtigen Teil 11b einwirken,
nicht kompensiert, weil in dem Hohlraum 16 der Umgebungsdruck herrscht. Hieraus
ergibt sich eine Tendenz zur Selbstschließung der Klappe 7, deren Schließstellung
damit stabil ist, so daß jede Gefahr eines ungewollten Öffnens bei einer zufälligen
Entriegelung oder im Falle eines Bruchs vermieden wird. Im übrigen ist die Klappe mit
den üblichen Verriegelungs/Entriegelungs-Vorrichtungen versehen.
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Man erkennt außerdem, daß die auf diese Weise gewonnene Verteilung der Drücke auf
dem stromaufwärtigen Teil 11b und dem stromabwärtigen Teil 11a des inneren
Klappenteils
11 eine Verringerung der Belastungen und eine Reduzierung der von dem
Arbeitszylinder 7a aufzubringenden Kraft ermöglicht, was wiederum eine kleinere
Auslegung und damit eine vorteilhafte Verringerung des Raumbedarfs erlaubt.