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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine mit einem Entlastungselement, das drehfest mit einer Welle verbunden ist und zusammen mit einem gehäusefesten Gegenelement einen radialen Drosselspalt bildet.
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Der Axialschub ist die Resultierende aller auf den Läufer einer Strömungsmaschine wirkenden Axialkräfte. Man unterscheidet verschiedene Arten des Axialschubausgleichs.
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Zur Aufnahme des Axialschubes sind im Wesentlichen drei Arten von Entlastungseinrichtungen bekannt: Entlastungsscheibe, Einfachkolben und Doppelkolben. Allen drei Ausführungen gemeinsam ist ein über Spalte geführter Entlastungsstrom. Der meist zum Einlauf der Kreiselpumpe zurückgeführte Entlastungsstrom stellt einen Leckverlust dar, den man durch möglichst geringe Spaltweiten zu minimieren versucht.
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Ziel ist es, eine für alle Betriebszustände der Strömungsmaschine kontrollierte axiale Lage des Läufers zu erreichen, um einen störungsfreien Betrieb der Strömungsmaschine zu gewährleisten. Im Betrieb der Kreiselpumpe muss ein Anstreifen von bewegten Teilen an feststehenden Teilen vermieden werden.
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Im Betrieb einer Strömungsmaschine mit Entlastungsscheibe führt die Druckdifferenz, die zwischen zwei Seiten des Entlastungselements wirkt, zu einer Entlastungskraft, die dem Axialschub entgegengerichtet ist. Die Entlastungskraft ist dabei gerade so groß wie der Axialschub. Es besteht ein Kräftegleichgewicht am Läufer. Ein Anstreifen des Entlastungselements am Gegenelement wird verhindert.
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Bei An- oder Abfahrvorgängen ist diese Druckdifferenz noch nicht aufgebaut, so dass es ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zum Kontakt zwischen dem Entlastungselement und dem Gegenelement kommt. Mithilfe von Federpaketen in der sogenannten „Abhebevorrichtung“ soll ein solches Anlaufen der radialen Spaltflächen verhindert werden.
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Die
DE 886 250 beschreibt eine Abhebevorrichtung für Kreiselpumpen. Die Abhebevorrichtung bildet ein gesondertes Bauelement, dessen umlaufende Teile an dem der Antriebsseite abgekehrten Wellenstumpf der Kreiselmaschine befestigt sind. Die nicht umlaufenden Teile sind an dem Gehäuse der Kreiselmaschine abgestützt. Bei diesen herkömmlichen Vorrichtungen zur Aufnahme der Axialkräfte beim An- und Abfahren sind Federpakete außerhalb des flüssigkeitsdurchströmten Bereichs in einem gesonderten Raum angeordnet. Dieser Raum ist zum Fördermedium hin abgedichtet. Solche Konstruktionen führen zu einer verlängerten Baulänge. Zudem muss ein eigenes Gehäuse für die Vorrichtung vorgesehen werden.
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Eine weitere Möglichkeit, die Axialkräfte bei An- bzw. Abfahrvorgängen von Strömungsmaschinen abzufangen, besteht in dem Einsatz eines kardanischen Ringes.
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Die
DE 199 27 135 A1 beschreibt eine Entlastungseinrichtung für mehrstufige Kreiselpumpen, bei der ein kardanischer Ring zum Einsatz kommt. Der kardanische Ring ist so dimensioniert, dass er durch den Restschub elastisch verformt wird. Der kardanische Ring ist in einem separaten abgedichteten Raum angeordnet. Auch diese Konstruktion führt zu einer zusätzlichen Baulänge der Strömungsmaschine.
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In der
DE 1 745 898 U wird eine Vorrichtung zur Begrenzung des Axialschubes des Pumpenläufers einer Kreiselmaschine beschrieben. Ein Anlaufen des Entlastungselements am Gegenelement wird dadurch verhindert, dass ein frei bewegliches Axiallager und ein äußerer Lagerring durch Federkraft an einem Traglagerflansch begrenzend anliegen. Für diese Konstruktion ist eine Ölschmierung erforderlich. Auch bei dieser Konstruktion verlängert sich die Baulänge der Maschine um ein entsprechendes Wellenstück, dort wo das entsprechende Gehäuse gegen das Fördermedium abgedichtet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine anzugeben, bei der ein Anstreifen des Entlastungselementes an einem Gegenelement auch beim An- oder Abfahren zuverlässig verhindert wird. Dabei soll die Verhinderung des Anlaufens nicht zu einer zusätzlichen Baulänge der Strömungsmaschine führen. Auch sollen ein eigenes Gehäuse sowie der Einsatz eines zusätzlichen Schmiermittels vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Gegenelement eine Einrichtung zur Abstandshaltung des Entlastungselements vom Gegenelement angeordnet ist, die mindestens ein Krafterzeugungselement aufweist, das eine dem Axialschub entgegengerichtete Kraft erzeugt.
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Erfindungsgemäß ist die Einrichtung am Gegenelement selbst angeordnet. Die Einrichtung befindet sich im mediumdurchströmten Bereich der Strömungsmaschine. Somit sind keine Verlängerung der Welle und kein zusätzliches Gehäuse erforderlich. Auch entfällt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein separates Schmiermittel.
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Die Einrichtung weist mindestens ein Krafterzeugungselement auf, das eine dem Axialschub entgegengerichtete Kraft erzeugt. Das Krafterzeugungselement kann beispielsweise hydraulisch oder magnetisch arbeiten. Auch der Einsatz von Piezoelementen zur Krafterzeugung ist möglich.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird eine Feder als Krafterzeugungselement eingesetzt. Diese ist preiswert in der Herstellung und erweist sich als äußerst zuverlässig bei der Verhinderung eines Anstreifens des Entlastungselements am Gegenelement. Zudem sind keine zusätzlichen Antriebsmittel erforderlich.
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Vorzugsweise weist die Einrichtung neben dem Krafterzeugungselement ein axial verschiebliches Element auf. Bei einer günstigen Ausführung der Erfindung weist das axial verschiebliche Element zumindest einen Bereich auf, der in eine vom Gegenelement gebildete Führung zumindest teilweise eingreift. Dazu kann das axial verschiebliche Element einen ringförmigen Vorsprung aufweisen, der in eine ringförmige Aussparung am Gegenelement eingreift.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Krafterzeugungselement zwischen dem gehäusefesten Gegenelement und dem axial verschieblichen Element angeordnet. Dabei wird ein Raum gebildet, in dem das Krafterzeugungselement positioniert ist. Das Krafterzeugungselement kann sich dabei am Gegenelement abstützen und auf das axial verschiebliche Element wirken.
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Das Entlastungselement weist Flächen auf, die zu einem Hochdruckraum weisen und Flächen die zu einem Niederdruckraum weisen. Im Betrieb der Strömungsmaschine führt die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckraum und dem Niederdruckraum zu einer Entlastungskraft, die dem Axialschub entgegengerichtet ist. Die Entlastungskraft ist dabei gerade so groß wie der Axialschub. Es besteht ein Kräftegleichgewicht am Läufer. Ein Anstreifen des Entlastungselements am Gegenelement wird verhindert.
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Da bei An- oder Abfahrvorgängen diese Druckdifferenz noch nicht aufgebaut ist, wird erfindungsgemäß beim An- und/oder Abfahren eine Kraft durch das Krafterzeugungselement aufgebaut, das am Gegenelement angeordnet ist. Diese Kraft wirkt auf ein axial verschiebliches Element. Dadurch wird das axial verschiebliche Element in Richtung des Entlastungselements bewegt.
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Vorzugsweise ist am axial verschieblichen Element ein Gleitlagerelement angeordnet. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung besteht das Gleitlagerelement aus einem hochfesten thermoplastischen Kunststoff. Als besonders günstig hat sich dabei ein Kunststoff auf Basis von Polyaryletherketonen erwiesen. Vorzugsweise kommt Polyetheretherketon (PEEK) zum Einsatz. Dieses Gleitelement ermöglicht ein mediumgeschmiertes Gleiten.
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Bei An- oder Abfahrvorgängen wird durch das Krafterzeugungselements das axial verschiebliche Element so weit verschoben, dass das Gleitlagerelement am Entlastungselement anliegt. Das Gleitlagerelement dient somit als Anschlag für das Entlastungselement, sodass ein Anstreifen des Entlastungselementes am Gegenelement verhindert wird.
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Durch die erfindungsgemäße Materialauswahl kommt es zu einem mediumsgeschmierten Gleiten des Entlastungselementes auf dem Gleitlagerelement, durch die ein Anstreifen des Entlastungselementes am Gegenelement verhindert wird. Dadurch wird eine Beschädigung des Gegenelementes bzw. des Entlastungselementes verhindert. Es entsteht kein Abrieb, sodass der radiale Drosselspalt in seiner gewünschten Geometrie erhalten bleibt.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gleitlagerelement um einen Ring. Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist der Ring in einer Aufnahme angeordnet, die vom axial verschieblichen Element gebildet wird. Dazu kann das axial verschiebliche Element eine Nut aufweisen, in der das Gleitelement liegt. Vorzugsweise ist das Gleitelement mittels eines Klebers und/oder eines anderen Befestigungsmittels am axial verschieblichen Element fixiert.
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Während der Anfahrphase ist das axial verschiebliche Element zum Entlastungselement hin verschoben. Baut sich dann eine Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckraum und dem Niederdruckraum auf, so wirkt auf das Entlastungselement eine Druckdifferenz, die zu einer Entlastungskraft führt und den Läufer entgegen des Axialschubes verschiebt.
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Wenn die Strömungsmaschine auf der gewünschten Drehzahl läuft, wirkt ein Druck auf das axial verschiebliche Element bzw. das Gleitlagerelement. Dadurch verschiebt sich das axial verschiebliche Element vom Entlastungselement weg zum Gegenelement hin. Das axial verschiebliche Element samt dem Gleitlagerelement wird somit in eine rückgezogene Position verfahren.
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Vorzugsweise ist ein Dichtungselement zwischen dem axial verschieblichen Element und dem Gegenelement angeordnet. Durch dieses Dichtungselement wird ein Hochdruckraum von einem Niederdruckraum getrennt. Das Krafterzeugungselement ist in einem Raum angeordnet, in dem niedrigerer Druck herrscht.
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Vorzugsweise weist das Gegenelement eine Öffnung auf, die den Raum, in den das Kraftelement angeordnet ist, mit dem Entlastungsraum verbindet. Durch diese Verbindung kann bei einer Verschiebung des axial verschieblichen Elementes Medium aus dem Raum entweichen bzw. einströmen.
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Beim Abfahren der Maschine nimmt die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckraum ab, sodass die Entlastungskraft zurückgeht und sich der Drosselspalt verkleinert. Dadurch nimmt auch der Druck ab, der im Hochdruckraum auf das axial verschiebliche Element bzw. das Gleitlagerelement wirkt. Somit stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, bei dem das Krafterzeugungselement das axial verschiebliche Element zum Entlastungselement hin verschiebt. Dadurch rückt das axial verschiebliche Element vor. In dieser Position liegt die Entlastungsscheibe an dem Gleitlagerelement an und verhindert ein Anstreifen des Entlastungselements am Gegenelement.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt
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1 eine Anordnung zur Kompensation des Axialschubes eingebaut in einer Kreiselpumpe.
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2 einen Ausschnitt eines Axialschnittes einer mehrstufigen Kreiselpumpe,
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1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einer Welle 1, die mehrere Laufräder 2 trägt. Die Laufräder sind von einem Stufengehäuse 3 umgeben. Das Fördermedium strömt durch ein Druckgehäuse 4.
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Zwischen einer mit dem Druckgehäuse 4 verbundenen Drosselhülse 6 und einem mit der Welle 1 drehfest verbundenen, auch als Kolben bezeichneten Bauteil 7, an dessen Außenumfang vorzugsweise eine Polyetheretherketon-Schicht vorgesehen ist, wird ein axialer Drosselspalt 8 gebildet.
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Durch den axialen Drosselspalt 8 wird aus dem Hochdruckbereich der Kreiselpumpe Förderflüssigkeit abgezweigt und als Entlastungsstrom geführt.
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Die in der 2 gezeigten Räume 9 und 10 sind mit Flüssigkeit gefüllt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um das Fördermedium der Kreiselpumpe. Während des Betriebs der Kreiselpumpe ist der Druck im Raum 9 deutlich größer als im Raum 10. Zwischen dem „Hochdruck“-Raum 9 und dem „Niederdruck“-Raum 10 ist ein Entlastungselement 11 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Entlastungselement 11 um eine Entlastungsscheibe. Das Entlastungselement 11 ist drehfest mit der Welle 1 verbunden.
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Die auf die Flächen des Entlastungselements 11 wirkende Druckdifferenz ∆p = p9 – p10 ergibt eine dem Axialschub Fax entgegengerichtete Entlastungskraft. Im Ausführungsbeispiel wirkt der Axialschub mit Blick auf die Zeichnung von links nach rechts. Die aufgrund der Druckdifferenz ∆p = p9 – p10 erzeugte Entlastungskraft wirkt mit Blick auf die Zeichnung von rechts nach links.
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Zwischen dem Entlastungselement 11 und einem Gegenelement 12 wird ein radialer Drosselspalt 13 gebildet. Das Gegenelement 12 ist mit dem Gehäuse fest verbunden.
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Ändert sich während des Betriebs der Axialschub und fällt die Entlastungskraft, so bewegt sich der Läufer in Richtung der Saugseite der Pumpe und der radiale Drosselspalt 13 wird enger. Durch die stärkere Drosselung am Drosselspalt 13 steigt der Druck p9 an und damit auch die Entlastungskraft. Ist die Entlastungskraft größer als der Axialschub, bewegt der Kraftüberschuss den Rotor zur Rückseite der Pumpe und der Drosselspalt 13 wird weiter. Dies hat zur Folge, dass der auf das Entlastungselement wirkende Druck p9 und auch die Entlastungskraft wieder abfallen. Es stellen sich Gleichgewichte der Kräfte am Läufer ein, bei denen sich ein Drosselspalt von ca. 0,05 bis 0,1 mm bildet. Das Entlastungselement 11 wirkt bei der erfindungsgemäßen Anordnung als selbstregelndes hydrodynamisches Axiallager.
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Damit das System stabil bleibt und die Regelbewegungen nicht zu schnell erfolgen, muss der axiale Drosselspalt 8 so ausgelegt sein, dass sich ein radialer Drosselspalt 13 von mehr als 0,01 mm und weniger als 0,12 mm einstellt.
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Vorteilhaft beim Einsatz einer Entlastungsscheibe als Entlastungselement 11 ist der relativ geringe Entlastungsstrom, so dass hohe volumetrische Wirkungsgrade erreicht werden. Bei herkömmlichen Entlastungsscheiben war bisher die erhöhte Verschleißanfälligkeit ein Nachteil.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun ein Verschleiß durch eine Einrichtung zur Abstandshaltung des Entlastungselements 11 vom Gegenelement 12 beim An- und/oder Abfahren verhindert. Die Einrichtung ist erfindungsgemäß am Gegenelement 12 angeordnet. Die Einrichtung umfasst ein Krafterzeugungselement 14. Das Krafterzeugungselement 14 erzeugt beim An- und/oder Abfahren eine dem Axialschub entgegengerichtete Kraft, die eine Abstandshaltung des Entlastungselements 11 vom Gegenelement 12 gewährleistet.
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Die Einrichtung zur Abstandshaltung weist ein axial verschiebliches Element 15 auf. Das Krafterzeugungselement 14 ist zwischen dem axial verschieblichen Element 15 und dem gehäusefesten Gegenelement 12 angeordnet.
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Zudem umfasst die Einrichtung ein Gleitlagerelement 16, das von dem axial verschieblichen Element 15 getragen wird. Dazu weist das axial verschiebliche Element 15 eine Aussparung 17 auf, in dem das als Ring ausgebildete Gleitlagerelement 16 angeordnet ist. Die Aussparung 17 ist als kreisförmige Nut ausgebildet.
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Die Stirnseite des Gleitlagerelements 16 ist zum Entlastungselement 11 gerichtet. Das Gleitlagerelement 16 besteht aus Polyetheretherketon (PEEK).
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Vorzugsweise weist das Gleitlagerelement 16 eine zum Entlastungselement 11 gerichtete strukturierte Stirnseite mit nicht dargestellten Känalen auf. Dadurch wird ein mediumgeschmiertes Gleitlager ermöglicht.
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Beim An- bzw. Abfahren ist die Druckdifferenz ∆p = p9 – p10 gering, so dass beim Auftreten eines Axialschubs das Entlastungselement 11 am Gegenelement 12 anliegen würde. Dieses Anstreifen des Entlastungselements 11 am Gegenelement 12 würde zu erheblichen Abnutzungserscheinungen führen.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung verschiebt das Krafterzeugungselement 14 das axial verschiebliche Element 15 mit Blick auf die Zeichnung von rechts nach links. Dabei liegt das Gleitlagerelement 16 am Entlastungselement 11 an, das an der dem Gleitlagerelement 16 zugewandten Seite einen gepanzerten Bereich 18 aufweist. Beim An- oder Abfahren wird somit ein mediumgeschmiertes Gleitlager zwischen dem Entlastungselement 11 und dem Gleitlagerelement 16 geschaffen. Dabei wird ein Anstreifen des Entlastungselements 11 am Gegenelement 12 verhindert.
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Sobald sich eine ausreichende Druckdifferenz ∆p = p9 – p10 zwischen den beiden Räumen 9 und 10 aufbaut, stellt sich ein Drosselspalt zwischen dem Entlastungselement 11 und Gegenelement 12 ein. Es wirkt nun auch ein erhöhter Druck p9 auf die Stirnseite des Gleitlagerelements 16. Durch diesen Druck p9 wird das axial verschiebliche Element 15 mit Blick auf die Zeichnung von links nach rechts verschoben. Nun befindet sich die Einrichtung in ihrer zurückgezogenen Betriebsposition.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird somit eine Einrichtung geschaffen, die beim An- oder Abfahren ausrückt und sich somit von rechts nach links verschiebt und während des Betriebszustandes zurückrückt in ihre Betriebsposition und somit mit Blick auf die Zeichnung von links nach rechts verschoben wird.
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Das axial verschiebliche Element 15 weist eine erste Nut 19 auf, in der ein als O-Ring ausgebildetes Dichtungselement 20 angeordnet ist. Außerdem weist das axial verschiebliche Element 15 eine zweite Nut 21 auf, in der ein als O-Ring ausgebildetes Dichtungselement 22 angeordnet ist. Die Dichtungselemente 20 und 22 trennen den „Hochdruck“-Raum 9 vom „Niederdruck“-Raum 10.
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Das Gegenelement 12 weist eine Öffnung 23 auf, die einen Raum, in dem das Krafterzeugungselement 14 angeordnet ist, mit dem Entlastungs-Raum 10 verbindet. Die Öffnung 23 ist als Druckausgleichsbohrung ausgeführt.
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Wenn beim Abfahren der Förderdruck sinkt, fährt das axial verschiebliche Element 15 wieder in seine hervorgerückte Position und verhindert ein Anlaufen der Drosselflächen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 886250 [0007]
- DE 19927135 A1 [0009]
- DE 1745898 U [0010]
