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TECHNISCHES
GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
in einem Typ einer hydraulischen Maschine, die ein Laufrad oder
Rotor mit einem Naßenkörper und
Flügeln oder
Schaufeln enthält,
die in Lagern in dem Nabenkörper
drehbar gelagert sind, der wenigstens eine Kammer aufweist, die
mit den Lagern in Kontakt ist.
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Die Erfindung wurde als eine Verbesserung der
Kaplanturbine entwickelt, aber kann ebenfalls auf andere hydraulische
Maschinen der in dem Oberbegriff genannten An, wie beispielsweise
Schiffschrauben mit winkelig einstellbaren Schaufeln, angewendet
werden.
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STAND DER
TECHNIK
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Herkömmlich ist die Nabenkammer
in Kaplanturbinen mit Öl
gefüllt.
Der Hauptzweck des Öls
ist es, die Laufradschaufellager zu schmieren. Andere wichtige Funktionen
sind die Bereitstellung eines ausreichenden Korrosionsschutzes in
der Nabe und die Bereitstellung einer Möglichkeit zur Detektion von Wassereintritt
in die Nabe. Um zu verhindern, dass Wasser in die Nabe eintritt,
eine Gefahr, die nicht vollständig
ignoriert werden kann, soweit die Nabenauslegungen von heute betroffen
sind, wird der gesamte Nabenkörper
mit Drucköl
gefüllt.
In GB 1,124,170 ist eine hydraulische Vorrichtung mit einer Anordnung zum
Erreichen einer Schmierung der Laufradschaufellager gezeigt. Die
hydraulische Maschine enthält eine
Flügelzellenpumpe,
die mit der Betriebsstange des Laufrads verbunden ist. Diese Anordnung
ist insbesondere auf Kaplanturbinen und andere Turbinen mit einem
Laufradschaufelmechanismus vom Rotationstyp anwendbar. Die Tatsache,
dass der Nabenkörper
mit Drucköl
gefüllt
ist, führt
jedoch zu einer Gefahr, dass Öl
auslaufen wird. Sachlich betrachtet tritt der Verlust durch Auslaufen
von Öl
in Kaplanturbinen so häufig
auf, dass es als wichtiges Umweltproblem betrachtet wird, weil das Öl, das ausläuft den Fluss
kontaminieren wird, in dem die Turbine arbeitet. Zudem können Unfälle auftreten,
wenn die Nabe vollständig
von Öl
entleert ist, was bedeutende Schäden
an dem Fluss verursachen kann. Trotzdem ist das Unterdrucksetzen
des Öls in
dem Nabenkörper keine
Garantie gegen in die Nabe eintretendes Wasser. Es wurden viele
Systeme zur Verhinderung eines derartigen Wassereintritts sowie
Systeme zur Detektion des Vorhandenseins von Wasser in der Nabe entwickelt.
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KURZE OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die Erfindung beabsichtigt die vorstehenden Probleme
in Angriff zu nehmen und bietet ein verbessertes System, das eine
ausreichende Schmierung jener Lager und anderer Teilen der Nabe
bereitstellt, die mit Öl
geschmiert werden müssen,
und gleichzeitig die Gefahr für
einen Ölverlust
minimiert und ebenfalls in dem Fall eines Versagens Schäden an der Umgebung
bzw. Umwelt aufgrund von Öl
reduziert, das auslaufen kann.
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Eine andere Aufgabe ist es, in der
Lage zu sein, die Erfindung in vorhandenen Maschinen zu implementieren
und zu verwenden, während
nur kleine Vervollständigungen
oder Änderungen
in der Maschinenauslegung gemacht werden.
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Diese und andere Aufgaben können dadurch erreicht
werden, dass die Erfindung durch das gekennzeichnet ist, was in
dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegt ist.
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Andere kennzeichnende Merkmale und
Aspekte der Erfindung werden aus den unabhängigen Ansprüchen und
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
klar werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
VON ZEICHNUNGEN
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In der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen
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1 ein
Axialschnitt durch ein Laufrad einer Kaplanturbine mit einer Auslegung
ist, die per se bekannt ist, in der die Erfindung verwendet wird
und wobei die kennzeichnenden Teile der Erfindung schematisch veranschaulicht
sind;
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2 ein
Querschnitt durch ein Laufrad in einer Ansicht entlang der Linie
II-II in 1 ist;
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3 das
eingerahmte Detail III in 1 in einem
größeren Maßstab zeigt,
das das System zur Verhinderung von Wassereintritt in die Nabe veranschaulicht;
und
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4 eine
Ansicht entlang der Linie IV-IV in 1 ist.
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In den Zeichnungen wurden nur derartige Details
gezeigt, die zum Verstehen der Prinzipien der Erfindungen erforderlich
sind, während
andere Details ausgelassen wurden, wie beispielsweise die Laufradschaufeln
in 1, damit das Wesentliche klarer
wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 ist
ein Nabenkörper,
der an einem Turbinenwellenflansch 13 gesichert ist, allgemein
mit 1 gekennzeichnet. Das Innere der Nabe in diesem Text
wird als Nabenkörperkammer
bezeichnet, die allgemein mit 2 gekennzeichnet ist, die
ebenfalls einen unteren Teil 3 in dem Bereich des Nasenabschnitts
der Turbine umfasst, der in diesem Text als Trockensumpf bezeichnet
wird. Die Turbine ist mit einer Anzahl von Laufradschaufeln 4 bereitgestellt,
wobei jede einen Schaufelflansch 5 aufweist, der mittels Schraubenkupplungen
an einem Schaufeldrehzapfen bzw. Schaufellagerzapfen 6 befestigt
ist. Der Schaufelzapfen 6 ist in Innen- bzw. Außengleitlagern 7, 8 in
dem Nabenkörper 1 drehbar
gelagert. Die Zapfen 6 und folglich die Schaufeln 4 sind
durch Rotation in den Lagern 7, 8 auf eine per
se bekannte Weise mittels Bewegungsmitteln winkelig einstellbar,
die einen Stellantriebkolben 9, eine Kolbenstange 10,
die in dem Nabenkörper 1 senkrecht
beweglich ist, ein Querhaupt 11 und einen Hebelmechanismus
enthält, der
allgemein mit 12 gekennzeichnet ist. Hydraulische Kammern 14, 15 sind
für die
Bewegungen von Kolben 9 bereitgestellt. Eine Axialbohrung 16 mit
einem Rohr 17 erstreckt sich durch Kolben 9, Kolbenstange 10,
und Querhaupt 11.
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Die Elemente, die bis jetzt beschrieben
wurden, gehören
zum Stand der Technik und werden in diesem Text nicht detaillierter
beschrieben werden, noch wird der Kolben 9, der mittels
hydraulischer Fluide in den Kammern 14 und 15 bewegt
wird, detaillierter beschrieben werden.
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Gemäß der Erfindung ist die Nabenkammer 2 mit
Umgebungsatmosphärendruck
P3 durch das Rohr 17 der Bohrung 16 verbunden.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung
ein hydraulischer Motor bzw. Hydromotor 18 vom Displacement-
bzw. Verdrängungstyp
und eine hydraulische Pumpe bzw. Hydraulikpumpe 19 vom
Displacement- bzw. Verdrängungstyp
durch den Hydromotor angetrieben, der in dem Trockensumpf 3 untergebracht
ist. Der Hydromotor 18 wird durch eine Druckquelle, nicht
gezeigt, die in einer Einheit 49 enthalten ist, durch eine
erste Röhre 20,
eine Drehvorrichtung bzw. Spülwirbel 21 und
eine zweite Röhre 22 angetrieben,
die sich abwärts
durch das Rohr 17 zu dem Trockensumpf 3, einem
Schlauchabschnitt 23 und einer Verbindungsröhre 24 erstreckt.
Eine Röhre 25,
ein Schlauchabschnitt 26 und eine Röhre 27 erstrecken
sich von dem Hydromotor 18 zu einer Röhre 28 in dem Querhaupt 11 und
in die Kolbenstange 10. Die Röhre 28 führt zu dem
geschlossenen Umfangsraum 31 an der Außenseite der Kolbenstange 10 zwischen
den Schaufelzapfen 6 und der Kolbenstange 10.
Eine Röhre 30 verläuft durch
jeden Schaufelzapfen 6 von dem Raum 31 zu dem
Außenlager 8.
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Die Kammer 2 enthält eine
Menge an Öl 35, die
nicht ist größer als
diese, bei der Rotation des Laufrads wird es in Richtung zu der
Wand des Nabenkörpers 1 gedrückt und
im Wesentlichen das Volumen, das in dem Axialschnitt die Form einer
Schale aufweist, 1,
zwischen den Schaufelzapfen 6, 2, füllen. Unter
dem Gravitationseinfluss wird, wenn die Turbinenwelle senkrecht
ist, die Innenoberfläche 36 des Ölvolumens 35 nicht
vollständig
senkrecht, sondern leicht abwärts-inwärts geneigt
sein, 1, sodass sich
ein kleines Volumen 35A mit einer Innenoberfläche 36A ebenfalls
in den Trockensumpf 3 herunter erstrecken wird. In dem
letzten Bereich befindet sich ein Saugrohr 37, das zu der
Hydraulikpumpe 19 von dem Volumen 35A führt. Eine
Röhre 38 führt von der
Pumpe 19, ein Schlauchabschnitt 39 und eine Rückführröhre 41 führen zu
dem Spülwirbel 21 und von
dort führt
eine Rückführröhre 42 zu
einen Öldurchlass
(nicht gezeigt) oder entsprechenden Einheit 49.
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Ein Magnetventil 45 in der
Zuführröhre 20 ist bereitgestellt,
um sich nicht zu öffnen,
bis das Turbinenlaufrad bei nahezu Nominalrotationsgeschwindigkeit
dreht (wenigstens 90% Nominalrotationsgeschwindigkeit) und in der
Röhre 20 befindet
sich ebenfalls ein konstantes Durchflussventil 46. Eine Durchflusssteuerung 47 und
ein Tank 48 zur Detektion und/oder Trennung und Ausführung von
Wasser mit kontaminiertem Öl
sind ebenfalls in der Rückführröhre 42 bereitgestellt.
Weiterhin kann ein Wasserabscheider 50 zum Pflegen irgendwelchen
Wassers bereitgestellt werden, das mit Öl kontaminiert worden sein
könnte.
Das gereinigte Öl
kann von dem Wasserabscheider 50 zu dem Tank 48 zurückgeführt werden.
Die Einheit 49 enthält
u. a. eine Druckquelle und Öldurchlass
etc.
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Das beschriebene System arbeitet
auf die folgende Weise. Sobald gestartet, wird die Turbine mit einer
bestimmten Menge Öl
in Kammer 2, z. B., durch das Rohr 17, gefüllt. Während normalen
Betriebs wird das Öl
von der Druckquelle (nicht gezeigt) in die Einheit 49 durch
die Röhre 20,
den Spülwirbel 21 und
die Röhren 22, 23 und 24 zu
dem Hydromotor 18 geführt,
der die Pumpe 19 antreibt. Von dem Hydromotor 18 wird Öl durch
die Röhren 25, 26 und 27 zu
der Röhre 28 und
durch eine Öffnung
in die Kelbenstange 10 in den Raum 31 geführt. Das Öl schmiert
und durchläuft
die Innenzapfenlager 7, wonach das Öl in der Nabenkammer 2 herumspritzt,
wobei es die verschiedenen Teile der Nabe schmieren wird, bevor
das Öl
die Außenzapfenlager
erreicht und schmiert. Die Lager in dem Hebelmechanismus 12 sind
jedoch geeigneterweise der selbstschmierende Typ. Weiterhin wird Öl von dem
Raum 31 durch die Kanäle 30 zu
den Außenlagern 8 geführt, um
zu sichern, dass auch diese Lager geschmiert werden. Durch die Rotation
des Laufrads wird Öl
von den Lagern 7, 8 weiterhin in Richtung zu der
abgerundeten Wand des Ventilkörpers 1 gedrückt, um
den schalenförmigen
Raum zu füllen.
Dieses Ölvolumen 35 entspricht
nur einem kleinen Abschnitt des Gesamtvolumens von Kammer 2,
z. B., weniger als 10%. Das Ölvolumen 35 wird
dadurch konstant gehalten, dass die Pumpe 19 durch die
Saugröhre 37 Öl von der Ölvolumenfraktion 35A saugt,
die sich in den Trockensumpf herunter und weiterhin durch Röhren 38, 39, 40, 41, den
Spülwirbel 21 und
die Rückführröhre 42 erstreckt.
Die Verdrängung
von Pumpe 19 ist größer als die
des Motors 18, was sichert, dass der Ölpegel 36A und das Ölvolumen 35 konstant
gehalten werden. Der Öldurchfluss
wird mittels des konstanten Durchflussventils 46 konstant
gehalten und wird von der Durchflussteuerung 47 überwacht,
sodass Störungen
in der Funktion angezeigt werden und gewartet werden können. Möglicherweise
wird Wasser, das in dem Öl
vorhanden ist, in dem Tank 48 detektiert, und kann, wenn
notwendig, in dem Wasserabscheider 50 entfernt werden,
bevor das Öl
zu dem Tank 48 oder direkt zu der Einheit 49 zurückgeführt wird.
Wenn Wasser in das System eintreten wird, können bei irgendeiner geeigneten,
vor-geplanten Zeit Messungen durchgeführt werden, um einen fortgesetzten Eintritt,
z. B. durch Austausch von Dichtungsringen, zu verhindern. Es sollte
in diesem Zusammenhang ebenfalls erwähnt werden, dass die Wasserdetektion bei
dem System der Erfindung durch die Tatsache, dass das Schmieröl in einer
zyklischen Bahn in dem System kontinuierlich zirkuliert, und durch
die Tatsache erleichtert wird, dass die Gesamtmenge an Schmieröl in dem
System vergleichsweise klein ist. Weiterhin sollte erwähnt werden,
dass auf das Hydrauliköl,
das möglicherweise
in die Nabenkörperkammer 2 aus
entweder einer der Hydraulikkammern 14 oder 15 auslaufen
kann, in dem System gewartet bzw. achtgegeben wird und zu dem zirkulierenden Öl zugegeben
wird.
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Durch die Rotation des Laufrads,
die z. B. eine Zentrifugalkraft von 20 g des Ölvolumens 35 entwickeln
kann, wird das Öl
mit einer bestimmten Kraft in Richtung zu den Außenschaufelzapfenlagern 8 gedrückt, aber
ansonsten ist das Öl
in Kammer 2 nicht irgendeinem Überdruck unterworfen. Der Druck,
der auf das Ölvolumen 35 wirkt,
ist deshalb normalerweise niedriger als der Umgebungswasserdruck,
was die Gefahr stark vermindert, dass Öl zu dem Umgebungswasser bzw.
umgebenden Wasser auslaufen wird.
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Obwohl die Gefahr, dass Öl zu Umgebungswasser
auslaufen wird, sehr klein ist, weil das Öl in der Nabenkörperkammer
nicht irgendeinem Überdruck
unterworfen wird, kann die Gefahr weiterhin durch eine gute Abdichtung
zwischen den Außenschaufelzapfenlagern 8 und
umgebenden Wasser minimiert werden. In 3 ist ein derartiges Abdichtungssystem
gezeigt, das einen Außen-
und einen Innendichtungsring 60 bzw. 61 enthält, die
aus Gummi oder anderem Elastomer hergestellt sind, die in dem ringförmigen Zwischenraum 62 untergebracht
sind, der den Schaufelflansch 5 umgibt. Die Dichtungsringe 60, 61 sind
in dem Zwischenraum 62 mittels eines Klemmrings 63 gesichert,
der durch Schrauben in dem Nabenkörper 1 befestigt ist.
Die größte Gefahr für Öl, auszulaufen,
obwohl die Ventilnabenkörperkammer 2 nicht
unter Druck ist, existiert an der Saugseite der Turbine, d. h. an
der „Unterseite" oder „Hinterseite" der Laufradschaufeln,
wo der Druck sehr gering ist. Dieser Druck, Druck P2, ist niedriger
als der Atmosphärendruck
während
Betrieb, Druck P3, 3,
der der Druck an der Innenseite der Nabe ist. Andererseits ist der
Druck P1 an der Druckseite der Laufradschaufeln, d. h. über den
Laufradschaufeln 4, immer höher als der Atmosphärendruck.
Diese Bedingungen werden in der Dichtungsanordnung der Erfindung
verwendet. Von der Außenseite
des Schaufelflansches 5 in dem Bereich der Druckseite der
Laufradschaufeln, d. h. von einem Punkt an dem Schaufelflansch 5 über der
Schaufel 4, erstreckt sich ein Kanal 64 in einen
Umfangsraum 65 in dem Zwischenraum 62 zwischen
dem Außen-
und dem Innendichtungsring 60 bzw. 61. Der ringförmige Umfangsraum 65 zwischen
den Dichtungsringen wird mit anderen Worten mit dem umgebenden Wasser
an der Druckseite der Turbine durch den Kanal 64 in Verbindung
stehen, was bedeutet, dass der Raum 65 den gleichen Druck
um den gesamten Umfang des Schaufelflansches 5 aufweisen
wird, wie das Wasser an der Druckseite aufweist. Dies bedeutet wiederum, dass
der Druck außerhalb
des Innendichtungsrings 61 höher als an der Innenseite des
Dichtungsrings 61 entlang dessen gesamten Umfangs ist,
d. h. in dem Bereich der Saugseite des Schaufelflansches, wo der
Wasserdruck P2 an der Außenseite
unter Atmosphärendruck
ist. Das Unterdruckdetzen des Umgangsraums 65 wirkt deshalb
als eine Spene gegen Ölverlust.
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Zudem kann als eine Alternative der
Raum 65 mittels Wasser von irgendeiner anderen Druckquelle
als das umgebende. Wasser unter Druck gesetzt werden, vorzugsweise
mittels reinem Wasser von dem Achslager (nicht gezeigt) der Turbinenwelle durch
einen Kanal 68 unter Druck gesetzt werden, der sich durch
die Turbinenwelle, den Turbinenwellenflansch 13 und den
Nabenkörper 1 zu
dem Raum 65 erstreckt. Diese Lösung kann besonders vorteilhaft
sein, wenn das Gefälle
des Kraftwerks und folglich der Druck P 1 vergleichsweise klein
ist.
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Im Grunde handelt die Erfindung von
der Verhinderung von Ölverlust
an umgebendes Wasser bzw. Umgebungswasser. Dies wird gemäß der Erfindung
dadurch erreicht, dass die Erfindung durch wenigstens eine Anzahl
an Merkmalen, die in den anhängenden
Patentansprüchen
erwähnt
sind, oder durch alle dieser Merkmale in Kombination miteinander
gekennzeichnet ist. Es sollte unter diesen Merkmalen erwähnt werden,
dass die Gesamtmenge an Öl
in dem Schmiersystem klein, im Wesentlichen kleiner als das Gesamtvolumen
der Nabenkörperkammer,
ist; dass die Nabenkörperkammer
bei Atmosphärendruck
ist, dass das Schmieröl
in einem Kreislauf zirkuliert; dass Mittel zur Steuerung des Öldurchflusses
bereitgestellt sind, sodass ein möglicher Ölverlust detektiert wird und
gepflegt bzw. gewartet werden kann; und dass effiziente Abdichtungsmittel bereitgestellt
sind, die den Eintritt von Wasser begünstigen, bevor ein Ölverlust
erlaubt wird. Zur gleichen Zeit ist es ein Erfordernis, dass die
Schmierung effizient sein wird und nicht durch Eintreten von Wasser
beeinträchtigt
wird. In diesem Zusammenhang muss die Bedingung berücksichtigt
werden, dass Wasser eine höhere
Dichte aufweist als Öl,
was eine Neigung für
Wasser, sich von Öl
zu trennen und für Wasser
erzeugt, sich in den Außenlagern 8 aufgrund der
Zentrifugalkraft zu sammeln. Um diese Neigung zu verhindern, kann
es wesentlich sein, Öl
von dem Raum 31 durch die Röhren 30 zu den Lagern 8 zu führen. Diese
Funktion kann weiterhin durch die Bereitstellung von Mitteln, z.
B. Verengungen verschiedener Arten, z. B. effizientes Abdichten
der Innenlager 7, garantiert werden, um einen Öldurchfluss
sicher zu den Auenlagern 8 zu leiten. In den Lagern 8 kann
erlaubt sein, dass das eintretende Öl mit möglicherweise eintretendem Wasser
gemischt wird, das zusammen mit dem Öl in dem Volumen 35 gemischt wird,
und schließlich
durch die Rückführröhre 42 weggeführt, detektiert
und ausgelassen wird.
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Es sollte klar sein, dass die Erfindung
nicht auf Laufräder
mit der Auslegung, die in der vorangehenden Beschreibung erläutert wurde,
und auch nicht auf Kaplanturbinenlaufräder im Allgemeinen beschränkt ist.
Zum Beispiel kann die Erfindung ebenfalls gut für den Typ von hydraulischen
Maschinen verwendet werden, die in dem Oberbegriff erwähnt sind,
die eine horizontale Rotationsachse aufweisen. Auch in derartigen
Maschinen wird die vergleichsweise kleine Menge an Öl in dem
Laufrad durch die Zentrifugalkraft in Richtung zu der Peripherie
herausgedrückt.
Es ist richtig, dass die erzeugte Form des Ölvolumens in dem Fall zu dem
von Maschinen mit vertikaler Welle verschieden sein wird, insbesondere wird
es eine zylinderförmige
Innenoberfläche
erhalten, aber diese Tatsache kann an dem Ort der Saugröhre 37 in
dem Hydraulikpumpe 19 berücksichtigt werden.
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Es sollte ebenfalls erwähnt werden,
dass die Pumpe 19 ebenfalls in Verbindung mit der veranschaulichten
Ausführungsform
in Anbetracht der g-Kräfte
angeordnet ist, die ebenfalls in der Saugröhre 37 der Pumpe wirken,
sodass die Pumpe in der Lage sein wird, Öl durch die Saugröhre anzusaugen.
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