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Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das mit Hilfe eines Stiftelements relativ zu einem Gehäusekörper kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen.
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Stand der Technik
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Aus dem europäischen Patent
EP 3 260 716 B1 ist ein Kippsegmentlager bekannt, umfassend: Ein Kippsegment, welches ein Stiftelement aufweist; eine Hülse, wobei die Hülse wenigstens eine Stiftelementaufnahme mit einer Aussparung in Umfangsrichtung aufweist, wobei das Stiftelement in der Aussparung aufnehmbar ist, wobei das Stiftelement entlang der Aussparung in Umfangsrichtung bewegbar ist zum Einstellen wenigstens eines Spalts des Kippsegments.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das mit Hilfe eines Stiftelements relativ zu einem Gehäusekörper kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen, funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das mit Hilfe eines Stiftelements relativ zu einem Gehäusekörper kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen, dadurch gelöst, dass das Stiftelement zwischen dem Gehäusekörper und dem Kippsegment mindestens eine Querschnittsverringerung aufweist, durch welche eine Biegesteifigkeit des Stiftelements gezielt eingestellt ist. Bei dem Rotorkörper handelt es sich zum Beispiel um einen Wellenabschnitt einer Welle. In vielen Bereichen der Technik müssen schnelldrehende Wellen gelagert werden. Solche Wellen werden beispielsweise in Turboverdichtern benötigt, wie sie insbesondere zur Verdichtung von Luft für aufgeladene Verbrennungsmotoren oder für Brennstoffzellensysteme Verwendung finden. Dabei sind auf, in oder an der Welle in der Regel weitere Bauteile montiert, beispielsweise Turbinenräder, Verdichterräder oder Magnete für elektrische Antriebe. Diese drehen sich ebenfalls mit sehr hoher Geschwindigkeit. Die Wellen können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle wird vorzugsweise durch mehrere Lagereinheiten gelagert, zum Beispiel zwei Radiallager und ein Axiallager. Die Lagereinheiten ermöglichen ein möglichst verlustarmes Rotieren, wenn im Betrieb Kräfte und Momente auf die Welle wirken. Zur Lagerung werden vorteilhaft gasgeschmierte Lager verwendet, da diese bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten sehr geringe Reibung und damit nur wenig Lagerverluste aufweisen. Darüber hinaus kann bei einem gasgeschmierten Lager eine Öl- oder Fettschmierung entfallen. Das ist insbesondere bei Brennstoffzellenanwendungen von Vorteil, da hier die geförderte Verdichterluft ölfrei sein muss, um einen Brennstoffzellenstack nicht zu beschädigen. Das Kippsegmentlager umfasst vorteilhaft mindestens drei Kippsegmente. Besonders bevorzugt umfasst das Kippsegmentlager genau drei Kippsegmente. Bei dem beanspruchten Kippsegmentlager handelt es sich um ein Radiallager. Durch das beanspruchte Kippsegmentlager wird die Positioniergenauigkeit des Rotorkörpers, der auch als Rotor bezeichnet wird, verbessert. Dadurch verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad einer mit dem Kippsegmentlager ausgestatteten Maschine. Durch das beanspruchte Kippsegmentlager kann der Lagerverschleiß reduziert und somit die Lebensdauer des Kippsegmentlagers erhöht werden. Aufgrund der reduzierten Lagerverluste reduziert sich vorteilhaft der Kühlbedarf. Zur Schmierung des Kippsegmentlagers wird Gas, insbesondere Luft, verwendet. Das mindestens eine Kippsegment wird auch als Pad bezeichnet. Je nach Ausführung umfasst das Kippsegmentlager zwei oder mehr Pads. Besonders bevorzugt umfasst das Kippsegmentlager mindestens drei oder mehr Pads. Je nach Ausführung umfasst das Kippsegmentlager mindestens zwei flexible Pads und ein festes Pad. Drei Pads sind vorzugsweise in einer sogenannten einhundertzwanzig Grad-Anordnung in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet. Die Pads oder Kippsegmente sind um einen sogenannten Pivotpunkt kippbar. Die Querschnittsverringerung dient besonders vorteilhaft zur Darstellung des Pivotpunktes. So wird auf einfache Art und Weise ein definiertes Verkippen des Kippsegments oder Pads realisiert. Bei drei Kippsegmenten ist der Abstand zwischen den Pivotpunkten vorzugsweise gleich. Es ist aber auch möglich, die Pivotpunkte ungleich voneinander zu beabstanden. Alle drei Kippsegmente sind baugleich ausgeführt. Je nach Ausführung können die Pads oder Kippsegmente aber auch ungleich ausgeführt sein. Die Pads können mit oder ohne Axialversatz angeordnet sein. Alle Pads können den gleichen Massenschwerpunkt aufweisen. Die Massenschwerpunkte können aber auch gewünscht ungleich gestaltet sein. Das gleiche gilt für Federeinrichtungen, die den Stiftelementen zugeordnet sein können. Innenflächen oder Innendurchmesser der Pads können gleich oder verschieden ausgeführt sein. Eine dem Rotorkörper zugewandte Oberfläche der Pads ist vorteilhaft strukturiert und/oder mit einer Tasche ausgestattet. In Achsrichtung können die Pads konkav, eben oder konvex ausgeführt sein, insbesondere um Winkelfehler auszugleichen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung des Stiftelements so ausgeführt und angeordnet ist, dass sich das Stiftelement im Betrieb des Kippsegmentlagers definiert verformt. Die Verformung ist vorzugsweise reversibel. Je nach Ausführung kann aber auch eine irreversible Verformung gewünscht sein, zumindest anteilmäßig.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung des Stiftelements so ausgeführt und angeordnet ist, dass das Kippsegment relativ zu dem Rotorkörper gezielt vorgespannt wird, um eine gewünschte Vorspannung des Kippsegments in dem Kippsegmentlager zu realisieren. Dadurch kann auf zusätzliche Federeinrichtungen zur Vorspannung des Kippsegments verzichtet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stiftelement fest mit dem Kippsegment verbunden ist. Die feste Verbindung kann stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig ausgeführt sein. Je nach Ausführung ist es auch möglich, dass das Stiftelement einstückig mit dem Kippsegment verbunden ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stiftelement einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Das Stiftelement hat zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. Dadurch werden die Herstellung und die Montage des Stiftelements erheblich vereinfacht. Das Stiftelement ist zum Beispiel mit einem Endabschnitt in eine entsprechende Ausnehmung des Gehäusekörpers eingepresst. Mit einem weiteren Endabschnitt kann das Stiftelement in eine entsprechende Ausnehmung des Kippsegments eingepresst sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung als umlaufende Ringnut an dem Stiftelement ausgeführt ist. Dadurch wird die fertigungstechnische Realisierung der Querschnittsverringerung vereinfacht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut einen kreisbogenartigen Nutquerschnitt aufweist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine gewünschte Verformung beziehungsweise Biegesteifigkeit des Stiftelements im Betrieb des Kippsegmentlagers sichergestellt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stiftelement einen polygonförmigen Querschnitt aufweist. Das Stiftelement kann zum Beispiel einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweisen. Die gewünschte Querschnittsverringerung kann zum Beispiel durch mindestens eine Längsnut oder durch zwei Längsnuten an zwei einander abgewandten Seiten des Stiftelements realisiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung im Querschnitt asymmetrisch ausgeführt ist. Das bedeutet bei einem quadratischen Querschnitt zum Beispiel, dass nur eine Längsnut an einer Seite des Stiftelements vorgesehen ist. Bei einem kreiszylinderförmigen Stiftelement bedeutet die asymmetrische Ausführung der Querschnittsverringerung zum Beispiel, dass die Querschnittsverringerung nicht rotationssymmetrisch ausgeführt ist. Durch die asymmetrische Ausführung der Querschnittsverringerung kann auf einfache Art und Weise eine definierte Nachgiebigkeit, insbesondere eine definierte Drehsteifigkeit, in einer gewünschten Verformungsrichtung realisiert werden. Die Querschnittsverringerung kann vorteilhaft auch zur Darstellung eines Festkörpergelenks in dem Stiftelement genutzt werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Stiftelement, eine Kippsegment und/oder einen Gehäusekörper für ein vorab beschriebenes Kippsegmentlager. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Herstellen oder Betreiben eines vorab beschriebenen Kippsegmentlagers.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kippsegmentlagers mit drei Kippsegmenten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Querschnitt; und die
- 2 bis 4 ähnliche Kippsegmentlager wie in 1 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
- 5 eine Anordnung mit zwei Kippsegmentlagern zur Radiallagerung einer Welle im Längsschnitt;
- 6 eine ähnliche Darstellung wie in 5 mit einem einteiligen Gehäusekörper für beide Kippsegmentlager; und
- 7 eine Variante des Kippsegmentlagers aus 1.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den 1 bis 4 und 7 ist ein Kippsegmentlager 10 mit drei Kippsegmenten 1, 2, 3 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen im Querschnitt schematisch dargestellt. Radial innerhalb der Kippsegmente 1, 2, 3 ist ein Rotorkörper 4 drehbar gelagert. Bei dem Rotorkörper 4 handelt es sich zum Beispiel um eine Welle oder um einen Wellenabschnitt einer Welle.
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Der Rotorkörper 4 ist um eine Drehachse 20 mit Hilfe der Kippsegmente 1 bis 3 gegen den Uhrzeigersinn drehbar gelagert, wie durch einen Pfeil 9 angedeutet ist. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 1 bis 4 und 7 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 und 7 eingegangen.
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Die Kippsegmente 1 bis 3 sind mit Hilfe jeweils eines Stiftelements 5, 6, 7 definiert kippbar in einem Gehäusekörper 8 angeordnet, um das Kippsegmentlager 10 darzustellen. Der Gehäusekörper 8 umfasst einen Innendurchmesser 15 und einen Außendurchmesser 14. An seinem Außendurchmesser 14 weist der Gehäusekörper 8 drei in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandete Vorsprünge 11, 12, 13 auf.
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Die Kippsegmente 1 bis 3 sind in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 und 7 jeweils gleich ausgeführt. Anders als dargestellt, können die Kippsegmente 1 bis 3 aber auch unterschiedlich ausgeführt sein. Die Stiftelemente 5 bis 7 sind mit einem radial äußeren Endabschnitt 18 in oder an dem Gehäusekörper 8 befestigt. Mit einem radial inneren Endabschnitt 19 sind die Stiftelemente 5 bis 7 fest mit einem der Kippsegmente 1 bis 3 verbunden. Jedem Kippsegment 1 bis 3 ist aber genau ein Stiftelement 5 bis 7 zugeordnet.
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Allen Stiftelementen 5 bis 7 ist in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gemeinsam, dass jedes Stiftelement 5 bis 7 eine Querschnittsverringerung 16 aufweist, die nur an dem Stiftelement 5 bezeichnet ist. Die Querschnittsverringerung 16 ist als umlaufende Ringnut 17 an dem Stiftelement 5 ausgeführt und ermöglicht ein definiertes Verkippen des Kippsegments um einen Pivotpunkt.
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Der Gehäusekörper 8 wird auch als Käfig bezeichnet. Bei dem Rotorkörper 4, der mit den Kippsegmenten 1 bis 3 radial gelagert wird, handelt es sich zum Beispiel um eine stehende oder rotierende Welle einer Turbomaschine. Im Betrieb können sich die Kippsegmente 1 bis 3 entsprechend der Betriebsbedingungen um den Pivotpunkt verkippen.
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Durch das Verkippen stellt sich zwischen den Kippsegmenten 1 bis 3 und der Rotorkörper 4 jeweils ein konvergierender Lagerspalt (55 in 7) ein, der zu einem Druckaufbau und damit zu einer aerodynamischen Lagerfunktion führt. So wird der Rotorkörper 4, insbesondere die Welle, auf einem Luftpolster oder Gaspolster ohne Festkörperreibung getragen.
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Die Verbindung der Stiftelemente 5 bis 7 mit den Kippsegmenten 1 bis 3 ist zum Beispiel kraftschlüssig oder formschlüssig.Die Stiftelemente 5 bis 7 sind zum Beispiel kraft- und/oder formschlüssig oder mittels eines Nut-Federprinzips mit dem Gehäusekörper 8 verbunden.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stiftelemente 5 bis 7 mit ihren radial äußeren Endabschnitten 18 in entsprechende Bohrungen des Gehäusekörpers 8 eingepresst. Die Stiftelemente 5 bis 7 sind in 1 radial angeordnet, wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
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Mit ihren radial nach innen gerichteten Endabschnitten 19 sind die Stiftelemente 5 bis 7 in entsprechende Sackbohrungen der Kippsegmente 1 bis 3 eingepresst.
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In Umfangsrichtung sind die Stiftelemente 5 bis 7 gleichmäßig voneinander beabstandet.
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Bei dem in 2 dargestellten Kippsegmentlager 10 sind die Stiftelemente 5 bis 7 anders als in 1 in einem Winkel 22 schräg zu einer Radialen angeordnet, die in 2 ebenfalls nur gestrichelt angedeutet ist. Die Befestigung der radial äußeren Endabschnitt 18 der Stiftelemente 5 bis 7 erfolgt zum Beispiel durch Einpressen in entsprechende Bohrungen in dem Gehäusekörper 8.
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Die Befestigung der radial inneren Endabschnitte 19 der Stiftelemente 5 bis 7 an den Kippsegmenten 1 bis 3 ist zum Beispiel stoffschlüssig ausgeführt. Die stoffschlüssige Verbindung kann durch Kleben, Löten oder Schweißen erfolgen.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers 10 sind die Stiftelemente 5 bis 7 radial bewegbar mit Hilfe von Federeinrichtungen 23 an dem Gehäusekörper 8 angebracht. Die Federeinrichtungen 23 dienen vorteilhaft dazu, die Kippsegmente 1 bis 3 über die Stiftelemente 5 bis 7 gegen den Rotorkörper 4 vorzuspannen. In 3 sieht man auch, dass die Kippsegmente 1 bis 3 eine Verkippung relativ zum Rotorkörper 4 aufweisen.
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In 3 sind die Stiftelemente 5 bis 7, wie bei den in den 1 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen, radial ausgerichtet. In 4 sind die Stiftelemente 5 bis 7, wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, schräg zu einer Radialen angeordnet.
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Mit der auch als Querschnittsverjüngung bezeichneten Querschnittsverringerung 16 lässt sich vorteilhaft die Biegesteifigkeit der Stiftelemente 5 bis 7 und darüber das definierte Kippen der Kippsegmente 1 bis 3 beeinflussen oder einstellen.
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Die Vorsprünge 11 bis 13 sind radial außen an dem Gehäusekörper 8 in Umfangsrichtung zwischen den Stiftelementen 5 bis 7 positioniert und bilden dadurch Stege aus. Über diese Stege kann zum Beispiel eine kraft- oder formschlüssige Verbindung zu einem (nicht dargestellten) Gehäuse hergestellt werden.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers 10 weisen die Stiftelemente 5 bis 7 ein Gewinde 24 und eine Schulter 21 auf. Mittels des Gewindes 24 können die Stiftelemente 5 bis 7 in den Gehäusekörper oder Käfig 8 eingeschraubt und positioniert werden.
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Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel sind die Stiftelemente 5 bis 7 hohl. So wird die Möglichkeit geschaffen, Gas zum Kühlen und/oder Schmieren durch die Stiftelemente direkt in den Lagerspalt zu geben.
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In den 5 und 6 ist eine Welle 30 im Längsschnitt dargestellt. Die Welle 30 ist mit zwei Kippsegmentlagern 31, 32 radial gelagert. Das Kippsegmentlager 31 umfasst zwei Kippsegmente 33, 34, die mit Hilfe von Stiftelementen 35, 36 an einem Gehäusekörper 37 angebracht sind.
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Ein radial innerhalb der Kippsegmente 33, 34 angeordneter Wellenabschnitt der Welle 30 stellt einen Rotorkörper 38 dar. Analog stellt ein Wellenabschnitt innerhalb des Kippsegmentlagers 32 einen Rotorkörper 39 dar.
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Der Rotorkörper 39 ist mit Hilfe von Kippsegmenten 43, 44 des Kippsegmentlagers 32 radial gelagert. Die Kippsegmente 43, 44 sind mit Hilfe von Stiftelementen 45, 46 an einem Gehäusekörper 47 angebracht.
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In 6 ist gezeigt, dass die Kippsegmentlager 31, 32 mit den Stiftelementen 35, 36; 45,46 und den Kippsegmenten 33, 34; 43, 44 auch in einen gemeinsamen Gehäusekörper 50 integriert sein können.
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In 7 ist gezeigt, dass die Vorsprünge 11 bis 13 radial außen an dem Gehäusekörper 8 auch mit jeweils einem Durchgangsloch 51 bis 53 ausgestattet sein können. Die Durchgangslöcher 51 bis 53 verlaufen in axialer Richtung und dienen vorteilhaft dazu, den Gehäusekörper 8, der auch als Käfig bezeichnet wird, in einem (nicht dargestellten) Gehäuse zu montieren. Darüber hinaus ist in 7 zwischen dem Kippsegment 1 und dem Rotorkörper 4 ein konvergierender Lagerspalt 55 bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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