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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Dichtungen zur Verwendung mit kompressiblen
Medien wie z.B. Gasen. Es gibt viele Anwendungen, bei denen Gehäuse innere
Bereiche mit rotierenden Teilen darin aufweisen, wobei einer der
inneren Gehäusebereiche
von einem anderen mit Hilfe eines Dichtungssystems isoliert werden
muss, das mit dem rotierenden Teil zusammenwirkt. Bei einem solchen
rotierenden Teil kann es sich um eine Welle oder ein auf einer rotierenden
Welle montiertes Bauteil für
Anwendungsgebiete wie z.B. Gasturbinen, Fluidpumpen oder Kompressoren
handeln. Zu den Dichtungen für
Medien in solchen Anwendungsgebieten können Umfangsdichtungen oder
Flächendichtungen
gehören.
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"Umfangsdichtung" ist eine Bezeichnung
für eine
Dichtungsvorrichtung allgemeiner Art, die breite Verwendung findet;
unter anderem bei Anwendungen in Flugzeugtriebwerken. Diese Dichtungen
bestehen in erster Linie aus mehreren bogenförmigen Kohlenstoff bzw. Grafitsegmenten,
die am Umfang angeordnet sind, so dass ein kontinuierlicher, relativ ortsfester
Dichtungsring um die Peripherie einer rotierenden Welle gebildet
wird. Die Enden der Segmente enthalten überlappende Vorsprung Vertiefungsverbindungen,
um eine Leckage an den Endspalten zu begrenzen. Bei der Anwendung
als Ölsumpfdichtung
in Flugzeugtriebwerken werden diese Dichtungen dazu verwendet, Umgebungsbereiche
mit Hochdruckluft von einem ölbenetzten
Bereich mit niedrigeren Umgebungsdrücken zu trennen, und erfüllen zwei
Hauptfunktionen: (1) Verhinderung einer Ölleckage aus der Kammer mit
niedrigerem Druck und (2) Minimierung der Durchflussrate heißer Luft
aus dem Hochdruckbereich zu der ölbenetzten Kammer.
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Um
die lange Verschleißdauer
zu erreichen, die bei modernen Anwendungen in Flugzeugtriebwerken
oder Dampfturbinen verlangt wird, ist es notwendig, die Anpresskräfte (Einzellasten)
zwischen den ortsfesten Kohlenstoffsegmenten der Dichtung und dem
rotierenden Wellenlaufelement (shaft race) zu verringern. Umfangsdichtungen
für kompressible Medien
gemäß dem Stand
der Technik sind gegenwärtig
auf Druckgefälle über die
Dichtungsfläche
in der Größenordnung
von 20 bis 40 psi (137,0 bis 275,8 kP) begrenzt, um die Anforderungen
hinsichtlich der Verschleißdauer
zu erfüllen.
Beim Versuch, den Druckbereich dieser Dichtungen zu erhöhen, ist viel
Arbeit darauf verwendet worden, hydrodynamische Gaslagertechnik
(normalerweise als "Rayleigh pockets
bearing", "Rayleigh- Ausnehmungslager" bezeichnet) auf
die Reibfläche
der Kohlenstoff Dichtungssegmente anzuwenden. In solchen Vorrichtungen
wird durch den Geschwindigkeits-Schergradienten zwischen der rotierenden
Welle und den ortsfesten Kohlenstoffteilen ein Druckanstieg erzeugt.
Dieser Druckanstieg, der gegen die Auflagefläche auf der Oberfläche des
Dichtungssegmentes wirkt, erzeugt eine Kraft, deren Richtung entgegengesetzt
zu der Reibungskraft verläuft,
die durch das Umgebungsdruckgefälle
erzeugt wird. Hierdurch werden die Reibungsbelastungen effektiv
verringert und die Fähigkeiten
der Dichtung hinsichtlich des Druckbereiches erhöht. Das Hauptproblem bei Rayleigh-Ausnehmungen
besteht in ihrer sehr geringen Tiefe (normalerweise im Bereich von
weniger als 0,001 Zoll (0,0254mm)). Durch diese inhärente Flachheit
ist nicht genügend
Spielraum vorhanden, um einen Verschleiß der Gasdichtung während solcher
Zeiträume zu
verhindern, in denen die Oberflächengeschwindigkeit
zu niedrig ist, um ausreichende hydrodynamische Kräfte zu entwickeln,
oder wenn Fliehkraftträgheit,
Druck und Temperaturgefälle
die Reibflächen verformen
und zu einem Verlust der Gasdichtungsfähigkeit führen. Anders ausgedrückt: die
Rayleigh-Ausnehmungsgaslager werden zerstört, wenn ein Verschleiß von 0,001
Zoll (0,0254 mm) auftritt. Daher ist aufgrund der Flachheit dieser
Lagerausnehmungen, kombiniert mit dem durch die Einführung der
Ausnehmungen verursachten Verlust an Verschleißfläche, die Akzeptanz dieser Ausgestaltung
als nutzbare Möglichkeit
für Hochdruck-Dichtungsanwendungen
mit langer Lebensdauer begrenzt.
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Es
ist versucht worden, die Tiefen der Ausnehmungen in einem System
vom Rayleigh-Typ zu erhöhen,
indem sowohl die Tiefe als auch die Länge der Ausnehmung erhöht wurden
und eine verbindende Austrittsausnehmung für Medium in der Rayleigh-Nut
mit noch tieferer Bemessung vorgesehen wurde. Zu sehen ist dies
im US-Patent 5,145,189, erteilt an Adam N. Pope am 8. 9. 1992. Popes
Lösung zur
Eliminierung der flachen Rayleigh-Ausnehmungen ist zwar möglicherweise
insofern erfolgreich, als Popes längere Ausnehmungen tiefer sind
als die normalen Rayleigh-Ausnehmungen; es ist jedoch anzumerken,
dass zur Herstellung der Dichtungsbestandteile eine beträchtlicher
Aufwand an zusätzlicher
spanender Präzisionsbearbeitung
erforderlich ist. Es sei darauf hingewiesen, dass gemäß Popes
Konstruktion nicht nur eine längere
Ausnehmung vom Rayleigh-Typ bereitgestellt werden muss, sondern
auch eine Austrittsausnehmung mit noch größerer Tiefe sowie ein Kommunikationsschlitz
in Querrichtung zwischen der Rayleigh-Ausnehmung und der Austrittsausnehmung,
der ebenfalls spanend gefertigt werden muss.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird insbesondere beabsichtigt, ohne
solche komplexe und teure spanende Fertigung auszukommen und dabei eine
für Fluide
bestimmte Dichtung mit langer Lebensdauer zu erzielen, die wesentlich
tiefere Hubausnehmungen (Hebetaschen) aufweist als die normale Rayleigh-Konstruktion.
Gleichzeitig stellt die vorliegende Erfindung eine Dichtung mit
sehr großen Unterschieden
der Druckniveaus, langer Lebensdauer, niedrigeren spezifischen Reibungsbelastungen für gleiche
radiale Kräfte
und daher niedrigeren Wärmeentwicklungsraten
als denjenigen sowohl der Pope- als auch der älteren Rayleigh-Konstruktion zur Verfügung. Darüber hinaus
können
die Breiten von Bohrungs-Abdichtdämmen erhöht werden,
so dass, verglichen mit den sonst empfindlicheren Strukturen gemäß dem Stand
der Technik, eine robustere Struktur zur Verfügung gestellt wird, um Beschädigungen bei
Handhabung und Montage zu vermeiden. Außerdem sind die Kräfte erzeugenden
Ausnehmungen erfindungsgemäß gleichmäßiger über die
Bohrung der Dichtungsringe verteilt, so dass einer beliebigen Konizität eines
Wellenlaufelementes Rechnung getragen wird.
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Für die Zwecke
dieser Beschreibung ist eine primäre Dichtungsfläche sowohl
an einer Umfangsdichtungs- als auch an einer Flächendichtungs-Ausführungsfom
vorgesehen. Sofern die primären
Dichtungsfläche
einen konstanten bzw. nur einen Durchmesser aufweist, wird sie hier
als Bohrungsfläche oder
Bohrungsregion bezeichnet, insbesondere in Verbindung mit Umfangsdichtungen.
Für Dichtungen vom
Flächentyp
und im allgemeinen Gebrauch wird der Begriff "Dichtungsoberfläche" bzw. "Dichtungsfläche" verwendet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung offenbart eine Ausgestaltung einer hydrodynamischen
Gasdichtung, die sich sowohl von dem Rayleigh-Lager als auch von
Popes Patent vollkommen unterscheidet. Anstelle der flachen, breiten
und kurzen Geometrie einer einzelnen Ausnehmung bei der Rayleigh-Dichtung
und anstelle der Nuten mit mehreren Tiefen gemäß Popes Patent weist die hydrodynamische
Dichtung der vorliegenden Erfindung eine Dichtungsfläche (bzw.
Bohrungsfläche)
mit Hubausnehmungen auf die tief (normalerweise im Bereich von ca.
0,010 Zoll (0,254 mm) bis 0,025 Zoll (0,635 mm)), schmal und lang
sind. Die erfindungsgemäßen Dichtungen weisen
Sätze von
mehreren koextensiven, parallelen Ausnehmungen von einheitlicher
Tiefe auf, die wesentlich länger
sind als Rayleigh-Ausnehmungen
und von benachbarten Ausnehmungen bis auf das Einlassende getrennt
sind.
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In
der vorliegenden Erfindung wird das gleiche grundlegende hydraulische
Prinzip der Erzeugung eines Druckanstieges durch den Schergradienten
zwischen der rotierenden Welle und den ortsfesten Kohlenstoffteilen
verwendet und somit eine Kraft erzeugt, deren Richtung entgegengesetzt
zu der Reibungskraft verläuft,
welche durch das Umgebungsdruckgefälle über die Dichtung erzeugt wird.
Erfindungsgemäß sind die
Kräfte über die
axiale Fläche der
Dichtungsringsegmente gleichmäßiger ausgeglichen,
wodurch einer beliebigen Konizität
des Wellenlaufelements Rechnung getragen wird.
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Insbesondere
ist erfindungsgemäß in jedem eine
drehbare Welle umgebenden Dichtungssegment eine Umfangsdichtung
vorgesehen, wobei die Bohrungsregion des Dichtungssegmentes so ausgebildet
ist, dass sie Folgendes aufweist: einen Einlass, der an die Vorderkante
des Segmentes angrenzt, welche der Hochdruckseite des Dichtungssegmentes ausgesetzt
ist, und mehrere tiefenkonstante, längliche Hubausnehmungen (Hebetaschen)
bzw. Lüftnuten,
die parallel zueinander von dem Einlass über einen wesentlichen Teil
der Bohrungsregion jedes der Dichtungssegmente verlaufen und vor
der Hinterkante des Dichtungssegmentes enden. Die Zahl der länglichen
Hubausnehmungen kann zwei, drei oder vier sein, je nach Anwendung
und Parametern wie z.B. Druck, Temperatur, Viskosität des kompressiblen Mediums
usw. Die Hubausnehmungen sind ansonsten voneinander getrennt, mit
Ausnahme der Einlassregion. Indem so mehrere längliche, parallele Hubausnehmungen
mit konstanter Tiefe zur Verfügung gestellt
werden, die sich von einem gemeinsamen Einlass aus erstrecken, wird
eine einheitliche Zerspanungstiefe für die Ausnehmungen erzielt,
die in einem einzigen Zerspanungsvorgang erreicht werden kann, wobei
die Ausnehmungen gleichzeitig ausgeschnitten werden können. Alternativ
kann jede Ausnehmung einzeln ausgeschnitten werden. Für die Dichtungs-Bohrungsregion
ist außer
am Einlass keine weitere Querverbindung erforderlich, so dass dieses
Dichtungssegment deutlich weniger teuer in der Fertigung ist. Außerdem werden
durch die axiale Position der Hubausnehmungen die durch den Schergradienten
erzeugten Kräfte
gleichmäßiger in
axialer Richtung über
die Dichtungssegmente verteilt.
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Erfindungsgemäß ist die
Tiefe der Hubausnehmungen so gestaltet, dass im Fall eines Verschleißens der
Bohrungsfläche,
das zu einer Verringerung der Ausnehmungstiefe führt, die in der nun flacheren
Ausnehmung erzeugte Kraft erhöht
wird, um den Dichtspalt zu vergrößern. Dementsprechend bewirkt
ein Verschleiß der
Bohrungsfläche
eine Erhöhung
des Drucks in den Ausnehmungen, wodurch der Dichtspalt vergrößert wird,
so dass die Größe des Dichtspalts
im Wesentlichen selbstregulierend ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird eine Flächendichtung
für kompressible
Medien mit bogenförmigen,
dabei aber im Wesentlichen parallelen Nuten von konstanter Tiefe,
die sich von einem Einlass ertrecken, der dem Hochdruckbereich des Gehäuses ausgesetzt
ist, auch für
Anwendungen zur Verfügung
gestellt, bei denen ein axial beweglicher Dichtungsring einem axial
verlaufenden drehbaren Bauteil wie z.B. einem Wellenläufer (shaft
runner) oder einem Bestandteil eines Gasturbinentriebwerks entgegengesetzt
montiert ist.
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In
der EP-A1-0803668 wird ein Dichtungssystem beschrieben, das ausschließlich für nicht kompressible
Medien (d.h. Flüssigkeiten)
geeignet ist und bei dem kurze, tiefe Hubausnehmungen (68, 68') mit Ablassöffnungen
(70, 70', 70A)
darin, die den Einlässen
(40, 42')
nachgelagert sind, verwendet werden, um die Hubausnehmungen mit
einem Hochdruckbereich der Dichtung zu verbinden. Durch die vorliegende
Erfindung wird eine grundlegend andersartige und einfachere, verbesserte
Dichtung für
kompressible Medien bereitgestellt, so dass, wenn versucht würde, Merkmale
der angeführten
Druckschrift EP-A1-0803661
mit einem kompressiblen Medium einzusetzen, das in deren kurze Ausnehmungen
einströmt,
die Ausnehmungen so flach sein müssten, dass
sie sich außerhalb
der Lehre dieser angeführten Druckschrift
befänden.
Derartig flache Ausnehmungen würden
beim Auftreten eines reibenden Kontaktes mit der beweglichen Welle
bzw. dem Läufer
verschwinden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein vertikaler Schnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtung, die zwischen einem
Gehäuse
und einer rotierenden Welle abdichtet.
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1A und 1B sind
angeschnittene Teilansichten, welche die rotierende Welle mit einem darauf
angeordneten Hülseneinsatz
darstellen, der als Laufelement für diese Dichtung dient und
wobei der Einsatz in 1A eine konische Abschrägung mit
einem schmalen Segment links an dem Hülseneinsatz aufweist und der
Einsatz aus 1B eine konische Abschrägung mit
dem schmaler gestalteten Abschnitt rechts an dem Hülseneinsatz
aufweist.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Segments des in 1 gezeigten
Dichtungsrings, von der Niedrigdruckseite aus gesehen.
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3 ist
eine Entwicklungsansicht der Bohrungsregion des Dichtungsringsegments
aus 2.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Dichtungsringsegments,
von der Niedrigdruckseite aus gesehen.
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5 ist
eine Entwicklungsansicht der Bohrungsregion des Dichrungsringsegments
aus 4.
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6 ist
eine angeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit der Welle in Ganzansicht, wobei eine Flächendichtung
für einen
Läufer
auf einer rotierenden Welle vorgesehen ist.
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7 ist
ein Schnitt durch 6 entlang der Linien 7-7 aus 6,
der die Dichtungsfläche
der Flächendichtung
darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie
in 1 dargestellt, bildet ein Gehäuse 2 eine Kammer 4 aus,
die geeignet ist, ein kompressibles Medium wie z.B. ein Gas aufzunehmen.
Eine Welle 6 verläuft
durch das Gehäuse 2 in
die Kammer 4. Ein Dichtungsring 8 hat in diesem
Beispiel vier Segmente 10 (2), allerdings
können
in anderen Beispielen drei oder mehr Segmente verwendet werden.
Jedes Segment 10 hat einen versetzten Vorsprungsbereich 12 mit
einer diagonalen Fläche 14, die
zu einem diagonal geschnittenen Nutbereich 16 an dem angrenzenden
Segment 10 passt, so dass ungeachtet einer etwa bestehenden
radialen Ausdehnung oder Zusammenziehung des Dichtungsrings 8 eine
kontinuierliche Abdichtungsstruktur entsteht. Die Segmente 10 werden
durch eine Spannfeder 20 in Kontakt mit der Welle 6 gedrückt. Die
nachgelagerten Flächen 22 der
Segmente 10 werden durch Spiraldruckfedern 26,
die in Ausnehmungen 28 eines Abschlussrings 30 angeordnet
sind, welcher zwischen der Gehäuseschulter 32 und
einem Haltering 34 gehalten wird, gegen einen Flansch 24 des Gehäuses 2 gedrückt. Die
nachgelagerte Fläche 22 jedes
Segmentes 10 ist mit radialen Nuten 40 versehen,
die mit einer Umfangsnut 42 verbunden sind, so dass ein
Strömen
von Medien aus der Kammer 4 in die Nut 42 ermöglicht wird,
um einen Fluiddruck auf der Hochdruckseite 29 teilweise
auszugleichen, so dass die Druckbelastung des Segmentes gegen den Flansch 24 verringert
wird. In dem Flansch 24 angebrachte Stifte 44 (1)
passen jeweils lose in Schlitze 46 in den Dichtungsringsegmenten 10,
um eine Rotation der Segmente 10 zu verhindern, erlauben
jedoch eine Bewegung der Segmente zu der Welle 6 hin und
von ihr weg. Die Schlitze 46 sind in einem zentralen Bereich
jedes Segmentes 10 angeordnet.
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Wie
vorliegend in 2 und 3 gezeigt, weist
die Dichtungsfläche
bzw. Bohrungsfläche 50 jedes
Segmentes 10 mehrere flache Hubausnehmungen oder Nuten 52 auf,
die sich parallel zueinander in Umfangsrichtung entlang nahezu der
gesamten Länge
jedes Segmentes 10 erstrecken und vor dem Vorsprungsabschnitt 12 jedes
Segmentes 10 enden. Die drei in diesem Beispiel der Erfindung
dargestellten Hubausnehmungen 52 verlaufen in Umfangsrichtung und sind
axial voneinander beabstandet, wobei die axiale Richtung die axiale
Richtung der Welle 6 ist. Die einzige Kommunikation der
Ausnehmungen 52 miteinander erfolgt durch eine Plenumkammer 54 an dem
oberen (vorgelagerten) Ende (3) des Dichtungssegmentes 10,
wobei die Kammer 54 der Hochdruckregion des Dichtungsgehäuses ausgesetzt
ist, so dass unter hohem Druck stehendes Medium zum vorderen Ende
jeder der Hubausnehmungen 52 vorgelassen wird. Ein abgewinkelter
Abschnitt 56 ist in der Bohrungsoberfläche 50 ausgebildet
und dient als Fluidabstreifer, um das Eintreten des Fluids in die Plenumkammer 54 zu
unterstützen.
Außerdem
ist in dem Dichtungssegment 10 eine Öffnung 57 ausgebildet,
die sich von der Kammer 54 durch das gesamte Dichtungssegment 10 zu
der Außenseite 62 des
Segmentes 10 erstreckt, welche ebenfalls hohem Druck ausgesetzt
ist, um sicherzustellen, dass unter hohem Druck stehendes Medium
sich an der Vorderkante jeder der Hubausnehmungen 52 befindet.
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Wie
in 2 deutlich zu erkennen, ist die Tiefe der Kammer 54 in
diesem Beispiel größer als die
Tiefe jeder der Ausnehmungen 52, so dass ein adäquater Fluss
von Medium in die Ausnehmungen 52 sichergestellt wird.
Ein Abdichtdamm 60 ist auf der Bohrungsfläche 50 angrenzend
an die Hinterkante 22 des Dichtungssegmentes 10 ausgebildet,
wobei diese letztere Kante während
des Betriebs des Dichtungssystems niedrigem Druck ausgesetzt ist.
Eine längliche
Nut 58 ist vorgelagert zu dem, angrenzend an den und parallel
zu dem Abdichtdamm 60 ausgebildet und an dessen Hochdruckseite
angeordnet. Die Nut 58 ist mit dem Abdichtdamm 60 im
Wesentlichen koextensiv, endet aber vor den Enden des Dichtungssegments 10.
Mehrere Öffnungen 64 sind
in einer beabstandeten Anordnung mit im Wesentlichen gleichen Abständen entlang
der Nut 58 angeordnet. Die Öffnungen 64 erstrecken
sich vom Boden der Nut 58 zu der Außenseite 62 des Dichtungssegmentes 10 und
sorgen für
eine Fluidkommunikation von unter hohem Druck stehendem Medium von
der Außenseite 62 durch
die Öffnungen 64 ins
Innere der Nut 58, um sicherzustellen, dass der Abdichtdamm 60 in
der Nut 58 hohem Druck ausgesetzt ist. Die übrigen Flächen auf
der Bohrungsfläche 50,
d.h. die Flächen zwischen
den einzelnen Hubausnehmungen 52, zwischen den Hubausnehmungen 52 und
der Vorderkante 29 sowie zwischen den Hubausnehmungen 52 und
der Nut 58 dienen als Verschleißschutze (Verschleißunterlagen) 68 für die Dichtungssegmente 10. Die
Umfangsausnehmungen 52 dienen als hydrodynamische Hubausnehmungen
für die
Dichtung 8, und vorzugsweise enden die Hubausnehmungen 52 ca. 0,20
Zoll (5,08 mm) vor dem Ende des Dichtungssegmentes 10 in
toten Enden, so dass ein Verschleißschutz von dieser Größe zwischen
den hinteren Enden der Ausnehmungen 52 und dem Vorsprung 12 des
Dichtungssegmentes 10 gebildet wird. Wenn die vier Dichtungssegmente 10 montiert
sind, weist somit jedes Dichtungssegment 10 drei parallele,
verhältnismäßig tiefe
Ausnehmungen 52 auf (verglichen mit der Tiefe normaler
Rayleigh-Ausnehmungen),
die sich in Umfangsrichtung im Wesentlichen entlang der gesamten
Fläche
des Dichtungssegmentes 10 erstrecken und als hydrodynamische
Hubausnehmungen dienen. Der hydrodynamische Druck in jeder Hubausnehmung
steigt als Funktion der Länge
der Ausnehmung in Rotationsrichtung, verringert sich als Funktion
der Tiefe derselben und wird durch die Breite kaum signifikant beeinflusst.
Erfindungsgemäß erzeugen
die Hubausnehmungen 52, die wesentlich tiefer als ein tausendstel
Zoll sind, Scherkräfte
von ausreichender Größe, um das
Dichtungssegment 10 etwas von dem Wellenlaufelement wegzubewegen, so
dass eine relativ geringfügige
Leckage von unter hohem Druck stehendem Medium über den Abdichtdamm 60 in
die Niederdruckregion des Gehäuses
erzeugt wird. Die schmale Gestaltung der Ausnehmung 52 dient
dazu, die Größe der Verschleißoberfläche bzw.
der Verschleißschutze 68 auf
der Bohrungsoberfläche 50 zu
erhöhen,
um die Lebensdauer der Dichtung durch Verringerung der Reibungsbelastung pro
Einzelfläche
der Verschleißschutze 68 auf
der Fläche 50 zu
erhöhen.
Außerdem
beträgt
in diesem Beispiel die Tiefe der Ausnehmungen 52 vorzugsweise
wenigstens ca. 0,01 Zoll (0,254 mm) und bis zu ca. 0,025 Zoll (0,635
mm). Für
bestimmte Medien wie z.B. Dampf kann der Bereich auf ca. 0,018 Zoll (0,4572
mm) bis ca. 0,023 Zoll (0,5842 mm) verringert werden, je nach der
Anzahl der in den Dichtungssegmenten 10 ausgebildeten Ausnehmungen 52 und
anderen Bedingungen in der Dichtungsumgebung.
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Es
liegt im Bereich dieser Erfindung, wie in einem anderen Ausführungsbeispiel
noch gezeigt wird, dass die zentrale Ausnehmung 52 der
drei Ausnehmungen 52 ohne Änderung des Druckprofils auf der
Bohrungsregion weggelassen werden kann. Sie ist jedoch zu dem Zweck
vorgesehen, dem Potential höheren
Verschleißes
in der äußeren Ausnehmung Rechnung
zu tragen, d.h. der in der Nähe
der vorgelagerten (Hoch-) Druckseite 29 angeordneten Ausnehmung 52,
wozu es durch eine Konizität
des Laufelementes aufgrund thermischer Verformung kommen kann. Dieser
Zustand ist in 1A und 1B deutlicher
zu sehen, wobei die Welle 6 mit einer Hülse bzw. einem Laufeinsatz 70 versehen
ist, die bzw. der entgegengesetzt zu den Dichtungssegmenten 10 entlang
der Welle angeordnet ist. Die Hülse
bzw. das Laufelement 70 wird durch eine zusätzliche,
auf der Welle montierte und mit geeigneten Mitteln (nicht dargestellt)
daran befestigte Hülse 72 an
ihrem Platz gehalten. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es
in bestimmten Anwendungen zu thermischen Verformungen des Laufelementes
bzw. der Hülse 70 kommen
kann, je nach der thermischen Umgebung der Hoch- und Tiefdruckregionen
und der in verschiedenen Regionen des Gehäuses 2 erzeugten Wärme. Die
thermische Verformung kann zur Bildung einer Konizität an der
nachgelagerten Seite des Laufelementes 70 führen, wie
in 1A dargestellt, wobei das Laufelement 70 eine
leicht konische Form annimmt und das kleinere Ende sich an der linken
Seite bzw. Hochdruckseite des Dichtungsringsegmentes 10 befindet
und der Bereich des Konus mit größerem Maß sich an
der nachgelagerten Seite bzw. Niedrigdruckseite des Dichtungsringsegmentes 10 (links
bezüglich 1A)
befindet. Alternativ kann die Hülse bzw.
das Laufelement 70 Konizität in entgegengesetzter Richtung
unterliegen, wie in 1B dargestellt, wobei die Hülse 70 ihr
größeres Maß auf der linken
Seite, d.h. der Hochdruckseite, des Dichtungsringsegments 10 aufweist
und ihr kleineres Maß an der
Niedrigdruckseite bzw. der nachgelagerten Seite des Dichtungsringsegmentes 10 aufweist.
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Es
ist zwar möglich,
eine Konizität
eines Dichtungs-Laufelementes 70 bei der Gestaltung der Dichtungskomponenten
vorzusehen; am besten ist jedoch die Berücksichtigung einer solchen
Konizität bei
der Gestaltung durch Zulassen eines leichten Verschleißes in axialer
Richtung. Dies lässt
sich am besten durch Vorsehen von Hubausnehmungen 52 erreichen,
die einen Großteil
der axialen Bemessung des Dichtungsringsegmentes 10 abdecken
und daher Konizität
in beiden Richtungen Rechnung tragen können, unabhängig von der Anwendung der
Dichtung.
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Wie
ersichtlich, haben alle Ausnehmungen 52 dieselbe Tiefe,
was einfache spanende Fertigung und eine kostengünstigere Dichtung zur Folge
hat. Prüfungen
von erfindungsgemäßen Dichtungen
ergaben eine Verlängerung
der Lebensdauer der Dichtungen (d.h. eine Verringerung von Verschleiß und Verformung)
etwa um den Faktor 10 sowie eine Verringerung der Wärmeentwicklung
des Dichtungsringes (und daher niedrigere Temperaturen an der Dichtungs-Grenzfläche) sowie
der Anpresskräfte
auf dem Dichtungsring, was beides im Vergleich zu dem Stand der
Technik entsprechenden Dichtungen eine Verringerung der Verformung
zur Folge hat. Prüfungen
ergeben, dass entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruierte
Dichtungen für
Anwendungen mit hoher Wellengeschwindigkeit (600 ft/s (182,88 m/s))
und hohem Druckdifferential (100 psi (689,47 kP)) geeignet sind,
wobei trotzdem eine lange Verschleißdauer erreicht wird.
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Bezüglich der
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aus 4 und 5 wird
darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsform das Dichtungsringsegment 10A zeigt
und dass die gleichen Bezugszeichen für gleiche Teile des Dichtungsringsegmentes 10A aus 4 und 5 und
diejenigen des Ringsegmentes 10 aus 1 bis 3 verwendet
werden und diese nicht erneut beschrieben werden. Es ist ersichtlich,
dass der einzige Unterschied zwischen der Ausführungsform aus 4 und 5 und
der aus 1 bis 3 darin
besteht, dass in dem Dichtungsringsegment 10A aus den 4 und 5 nur
zwei Hubausnehmungen 52 vorgesehen sind; im Gegensatz zu
den drei Hubausnehmungen 52 der Ausführungsform aus den 1 bis 3. Das
Dichtungsringsegment 10A wird vorzugsweise für Dichtungen
verwendet, die in Dampf-/Luftumgebungen eingesetzt werden, wobei
unter hohem Druck stehender Dampf sich auf der Hochdruckseite der
Dichtungsringsegmente 10A befindet und unter niedrigem
Druck stehender Dampf oder eine Öl-/Luftumgebung
sich an der Niedrigdruckseite derselben befindet. In dieser Anordnung
(4 und 5) sind die Verschleißschutze 68 auf
der Dichtungs-Bohrungsfläche 50 etwas
größer als
die entsprechenden Verschleißschutze 68 in
der Ausführungsform
aus 1 bis 3. Außerdem kann für andere
Anwendungen als Dampf-/Luftsysteme, bei denen die Konzentrizität der Wellenlaufelemente
kein Problem darstellt, ein Dichtungsringsegment 10A aus
den 4 und 5 ohne Verwendung der mittleren
bzw. zentralen Hubausnehmung 52 verwendet werden. Dies ist
insofern bereits erläutert
worden, als die zentrale Ausnehmung aus den 1 bis 3 dazu
verwendet wird, die in den Hubausnehmungen 52 erzeugten Scherkräfte gleichmäßiger über die
Dichtungsbohrung 50 zu verteilen und dadurch den Verschleiß der Verschleißschutze 68 zu
minimieren, die angrenzend an die Hochdruckkante 29 auf
der Dichtungs-Bohrungsfläche 50 angeordnet
sind. Für
Dampf-/Luftanwendungen liegt die Tiefe der Hubausnehmungen 52 in
der Ausführungsform
aus 4 und 5 vorzugsweise im Bereich von
ca. 0,015 Zoll (0,381 mm) bis ca. 0,023 Zoll (0,5842 mm). Es versteht
sich, dass zu den Faktoren, welche die konstruktionsgemäße Tiefe
der Hubausnehmungen 52 beeinflussen, normalerweise die
Viskosität
der in der Anwendung verwendeten kompressiblen Medien, die Temperatur
der Medien, das gewünschte
Temperaturgefälle über die Dichtung,
der Wellendurchmesser, die Wellengeschwindigkeit usw. gehören. In
einem spezifischen Beispiel für
Dampf-/Luftanwendungen wurde die Tiefe der Ausnehmungen 52 im
Bereich von ca. 0,015 Zoll (0,381 mm) bis ca. 0,017 Zoll (0,4318
mm) eingestellt.
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Bezüglich der
in den Zeichnungen in 6 und 7 dargestellten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ersichtlich, dass darin die entsprechend
den erfindungsgemäßen Prinzipien
konstruierte Dichtung 108 eines Flächentyps dargestellt ist. Die
Anordnung der Dichtung vom Flächentyp
umfasst einen ringförmigen
Dichtungsring 108, der dazu angebracht ist, mit einer Umfangsschulter
bzw. einem Wellenläufer 110 in
Eingriff zu treten, die bzw. der sich von einer rotierenden Welle 106 radial
nach außen
erstreckt. Der Läufer 110 ist
fest an der Welle 106 gegen eine integrale Schulter 112 montiert,
die an der Welle 106 ausgebildet ist, und der Wellenläufer 110 ist
dazu angeordnet, durch geeignete Mittel wie z.B. eine Wellenhülse 114 mit
der Schulter 112 in Eingriff zu treten. Die Hülse 114 ist
durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) fest an der Welle 106 angebracht
und dient dazu, den Läufer 110 gegen
die Schulter 112 zu halten. In dieser Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung befindet sich die Gehäuseregion mit höherem Druck 104 angrenzend
an die Welle 106 an dem vorgelagerten Ende des Läufers 110,
während
die Region mit niedrigerem Druck radial und axial außerhalb
des Läufers 110 und
wie durch das Bezugszeichen 105 angezeigt angeordnet ist.
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Die
rotierende Welle 106 ist zur Rotation innerhalb eines Gehäuses 102 montiert,
von dem nur ein Teil in 6 dargestellt ist, wobei das
Gehäuse 102 einen
Dichtungs-Montagering 130 aufweist, welcher sich davon
nach innen zu der Welle 106 hin erstreckt und die Welle 106 in
einer zentralen Öffnung aufnimmt.
Der Dichtungsmontagering 130 weist eine Schulter 131 auf,
die mit einer komplementären
Fläche
an dem Gehäuse 102 in
Eingriff steht und durch geeignete Mittel wie z.B. Schrauben 134,
von denen nur eine in 6 dargestellt ist, an dem Gehäuse 102 befestigt
ist, so dass die angrenzenden Flächen des
Dichtungs-Montagerings 130 und des Gehäuses 102 in engem
Kontakt stehen. Um ein Durchströmen von
Medium aus der Hochdruckregion 104 in die Niederdruckregion 105 entlang
des Weges zwischen dem Gehäuse 102 und
dem Dichtungs-Montagering 130 zu verhindern, ist eine Dichtungsvorrichrung
wie z.B. ein O-Ring 135 in einer komplementären Aussparung
angeordnet, um ein Durchströmen
von Medium außer
zwischen dem Dichtungsring 108 und dem Läufer 110 zu
verhindern. Der Dichtungs-Montagering 130 weist auch einen
daran angeordneten Flansch 124 auf, der sich axial zu dem
Läufer 110 hin erstreckt,
jedoch von diesem beabstandet ist, und dessen Öffnung die Welle 106 umgibt.
Der Flansch 124 hat eine ringförmige Ausgestaltung und nimmt die
Welle 106 in seiner zentralen Öffnung auf. Das freie Ende
des Flansches 124 ist teilweise mit einem von dem Läufer 110 entfernt
angeordneten Abschnitt des Dichtungsringes 108 koextensiv,
wobei der Dichtungsring dazu bemessen ist, das freie Ende des Flansches 124 eng
in seiner durch die Innenfläche 132 ausgebildeten Öffnung aufzunehmen.
Eine Dichtung wie z.B. ein O-Ring 127, der zwischen dem Flansch 124 und
dem Dichtungsring 108 rückwirkt,
ist in einer Aussparung in dem Flansch 124 vorgesehen, wobei
die Aussparung der Innenfläche
des Dichtungsrings 108 zugewandt ist. Der O-Ring 127 ist
so bemessen, dass ermöglicht
wird, dass der Dichtungsring 108 sich zu dem Wellenläufer 110 hin
und von ihm weg in einer gleitenden Bewegung hin- und herbewegt,
dabei aber ein Strömen
von Medium über den
O-Ring 127 verhindert wird.
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In
diesem Beispiel ist der Dichtungsring 108 ein einstückiges Kohlenstoff/Grafitteil,
jedoch könnte er
auch einen Kohlenstoff/Grafitring-Einsatz umfassen, der an einem
Trägerring
aus Metall mit Übermaßpassung
montiert ist, so dass eine Leckage mit Ausnahme einer solchen entlang
des Dichtspalts verhindert wird. Die Federn 126 sind in
Aussparungen 128 in der Fläche des Dichtungs-Montagerings 130 ausgebildet,
die dem Dichtungsläufer 110 zugewandt ist,
und die Federn 126 stehen mit der angrenzenden Fläche des
Dichtungsrings 108 in Eingriff um den Dichtungsring 108 in
Kontakt mit der entgegengesetzten Fläche des Dichtungsläufers 110 zu
drücken. In 6 ist
nur eine Spiralfeder 126 gezeigt; jedoch sind vorzugsweise
mehrere Spiralfedern 126 symmetrisch um den Umfang des
Dichtungsrings 108 angeordnet, um für eine gleichmäßige Gewichtung
der Federkraft auf dem Dichtungsring 108 an allen Umfangspositionen
zu sorgen.
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7 stellt
die primäre
Dichtungsfläche 150 des
Dichtungsrings 108 dar, wobei die Fläche 150 unter Reibungskraft,
die durch das Umgebungsdruckgefälle
und die Spiralfedern 126 erzeugt wird, in Reibungseingriff
mit der entgegengesetzten Fläche des
Läufers 110 gedrückt wird
und der Reibungseingriff durch Kräfte hydrodynamisch modifiziert
wird, die entgegen der Reibungskraft durch die Wirkung der Dichtungsausnehmungen 152 in
der Dichtungsfläche 150 entstehen,
welche Scherkräfte
erzeugen, so dass ein physikalischer Eingriff des Dichtungsrings 108 mit
dem Läufer 110 mindestens
während einer
Hochgeschwindigkeits-Rotation
der Welle 106 minimiert wird. Erfindungsgemäß ist die äußere Kante
bzw. Hochdruckkante der Dichtungsfläche 150 mit einem
Abdichtdamm 160 daran versehen, der sich über den
gesamten Außendurchmesser
der Fläche 150 erstreckt.
Es ist eine Umfangsnut 158 vorgesehen, die an der Innenkante
des Abdichtdamms 160 angeordnet ist und sich entlang der
Dichtungsfläche 150 nach
innen erstreckt. Damit die Dichtung korrekt funktioniert, ist die
Fläche 132 (der
Dichtungsausgleichsdurchmesser) gezielt so ausgebildet, dass sie im
Wesentlichen mit der Hochdruckkante (Innenkante) des Abdichtdamms 160 ausgerichtet
ist, wobei diese Kante die an die Nut 158 angrenzende Kante des
Damms 160 ist. Die Nut 158 ist mit mehreren gleichmäßig beabstandeten
Durchgängen 164 von ihrem
Boden durch einen Abschnitt des Dichtungsrings 108 zu einer
Fläche
auf dem Dichtungsring 108 ausgebildet, die der Hochdruckregion 104 ausgesetzt
ist, so dass sichergestellt wird, dass hoher Druck stets im Inneren
der Nut 158 an der Hochdruckseite des Abdichtdamms 160 herrscht.
Außerdem
ist auf dem Umfang der primären
Dichtungsfläche
in drei 120°-Intervallen
(allerdings können
gemäß anderen
Beispielen auch vier 90°-Intervalle
verwendet werden) eine radiale Plenumkammer 154 vorgesehen,
die sich von der Hochdruckkante (in diesem Beispiel der Innenkante 155)
aus erstreckt und in Kommunikation mit der Nut 158 endet.
Drei parallele, bogenförmige,
gleich tiefe Hubausnehmungen 152 sind in der Dichtungsfläche 150 ausgebildet
und ertrecken sich von jeder Plenumkammer 154 aus entgegen
dem Uhrzeigersinn; in diesem Beispiel in Abhängigkeit von der Richtung der
Wellenrotation; jede Ausnehmung 152 endet mit ihrem hinteren
Ende vor der nächsten
Plenumkammer 154. Dadurch werden Verschleißschutze
zwischen dem hinteren Ende der jeweiligen Hubausnehmung 152 und
der nächsten Plenumkammer 154 sowie
zwischen angrenzenden Ausnehmungen 152 ausgebildet. Verschleißschutze sind
auch zwischen der äußeren Ausnehmung 152 und
der angrenzenden Nut 158 ausgebildet, und ein zusätzlicher
Verschleißschutz
ist zwischen der inneren Ausnehmung 152 und der Innenkante 155 der primären Dichtungsfläche 150 ausgebildet.
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Somit
sind drei Sätze
von im Wesentlichen schmalen, gleich langen, konzentrischen Hubausnehmungen 152 auf
der Dichtungsfläche 150 des Dichtungsrings 108 ausgebildet.
Die langen Ausnehmungen 152 jedes Satzes kommunizieren
miteinander nur an der vorderen bzw. vorgelagerten Kante durch die
gemeinsame Plenumkammer 154, in welche unter hohem Druck
stehendes Medium aus der Region 104 von der Innenumfangsseite 155 der
Plenumkammer 154 gelangt, die zu der Innenkante der Dichtungsfläche 150 und
damit zu der Hochdruckregion 104 hin geöffnet ist. Außerdem wird
hoher Druck in der Kammer 154 durch eine Öffnung bzw.
einen Zufuhreinlass 157 gewährleistet, die bzw. der sich von
jeder Plenumkammer 154 durch einen Teil des Dichtungsrings 108 erstreckt
und an einer Fläche
des Dichtungsrings 108 endet, die der Hochdruckkammer 104 ausgesetzt
ist, ähnlich
wie die Öffnungen 164.
Die Umfangsnuten bzw. Hubausnehmungen 152 sind im Wesentlichen
koextensiv mit drei Sätzen solcher
koextensiver Ausnehmungen 152, die Ende an Ende angeordnet
sind, um im Wesentlichen den gesamten Umfang der Dichtungsfläche 150 abzudecken.
Die Hubausnehmungen enden vor den Plenumkammern 154 für den nächsten Satz
Ausnehmungen, so wie die Ausnehmungen 52 vor den Enden
der Dichtungssegmente 10 in den Ausführungsformen aus 1 bis 3 enden.
In den relativ langen Hubausnehmungen 152 in der Dichtungsfläche 150 werden
Scherkräfte
erzeugt und wirken den Reibungskräften entgegen, die durch Umgebungsdruck und
Spiralfedern 126 erzeugt werden, so dass der Dichtungsring 108 etwas
von der rotierenden Läuferfläche 110 weg
bewegt wird und eine geringfügige, aber
begrenzte Leckage in dem Dichtspalt entsteht, der zwischen der Dichtungsfläche 150 und
der Läuferfläche 110 verläuft, wodurch
der Verschleiß des Dichtungsrings 108 minimiert
wird und was dazu führt,
dass der Dichtungsring eine signifikant längere Lebensdauer hat als derjenige
der Reibungsdichtung. Da die Länge
der Hubausnehmungen merklich länger
ist als diejenige von Rayleigh-Ausnehmungen, ist die Tiefe der Hubausnehmungen
signifikant größer gestaltet
als 0,001 Zoll (0,0254 mm). Tatsächlich kann
die Tiefe der erfindungsgemäßen Hubausnehmungen
mindestens ca. 0,01 Zoll (0,254 mm) und bis zu ca. 0,025 Zoll (0,635
mm) betragen. Für
bestimmte Fluidanwendungen wie z.B. Dampf/Luft kann der Bereich
auf einen Tiefenbereich von ca. 0,015 Zoll (0,381 mm) bis ca. 0,023
Zoll (0,5842 mm) verringert werden. Außerdem wird im Falle von Konizität, die durch
Verschleiß der
Dichtungskomponenten verursacht wird, ein solcher Verschleiß aufgrund
der großen
Oberfläche
der Verschleißschutze
gleichmäßiger verteilt,
die zwischen angrenzenden Hubausnehmungen 152 sowie den
Enden der Hubausnehmungen und den Verschleißschutzen zwischen den Ausnehmungen 152 und
der Nut 158 ausgebildet sind. Wie im Zusammenhang mit 4 und 5 erläutert, können für bestimmte
Anwendungen nur zwei koextensive Hubausnehmungen 152 (anstatt
drei) in dem Flächendichtungsring 108 vorgesehen
sein. In ähnlicher
Weise muss die Anzahl der Sätze
von Hubausnehmungen 152 nicht auf drei begrenzt sein.
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Außerdem liegt
es im Bereich der vorliegenden Erfindung, dass die Region mit höherem Druck 104 durchaus
in der Region liegen könnte,
die sich radial außerhalb
des Wellenläufers 110 befindet,
und die Region mit niedrigerem Druck 105 könnte an
die Welle 106 angrenzen, ohne dass dadurch der Umfang der
vorliegenden Erfindung verlassen würde. Im letzteren Fall würde jedoch,
wie dem Fachmann verständlich,
die Anordnung des Abdichtdamms und der Zuführ-Plenumkammern 154 der
Hubausnehmungen umgekehrt, so dass der Abdichtdamm 160 sich
an der Innenkante (Niederdruckkante) des Dichtungsringes näher an der
Welle 106 befände,
und die Hubausnehmungs-Plenumkammern 154 wären nur
der Region mit höherem
Druck ausgesetzt, die sich radial außerhalb des Dichtungsrings 108 befindet.
Natürlich wären die Öffnungen 164 und 157 so
ausgebildet, dass sie sich zu Flächen
an dem Dichtungsring 108 erstreckten, die hohem Systemdruck
ausgesetzt sind.
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In
der vorliegenden Anmeldung sind verschiedene Varianten von Dichtungsstrukturen
für kompressible
Medien dargestellt worden, in welchen Hubausnehmungen mit signifikanter
Tiefe, verglichen mit Rayleigh-Ausnehmungen nach dem Stand der Technik,
verwendet werden.