DE2048588A1

DE2048588A1 - Lufteinlaß fur ein Gasturbinenstrahl triebwerk

Info

Publication number: DE2048588A1
Application number: DE19702048588
Authority: DE
Inventors: Michael Duffield Derbyshire Poucher (Großbritannien) P
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-10-03
Filing date: 1970-10-02
Publication date: 1971-04-29
Also published as: GB1312619A; US3623494A; FR2068750A1; FR2068750B1; DE2048588B2; JPS4822041B1

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. CURT WALLACH

DIPL.-ING. GONTHERKOCH 2048588

DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, ^ _okfcober

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.

Lufteinlaß für ein Gasturbinenstrahltriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lufteinlaß für ein Gasturbinenstrahltriebwerk und insbesondere auf einen Lufteinlaß eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit Frontgebläse.

Triebwerke mit Frontgebläse sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und weisen einen Gasturbinengasgenerator oder ein Haupttriebwerk mit gegebenem Durchmesser auf,stromoberseitig von dem ein relativ langsam umlaufendes Gebläse in einem Gebläsemantel untergebracht ist, der einen größeren Durchmesser aufweist als das Gehäuse des Gasgenerators. Derartige Frontgebläsetriebwerke haben sich als sehr zweckmäßig erwiesen, aber bei der Entwicklung von Flugzeugen, die solche Triebwerke benutzen, treten Probleme auf hinsichtlich einer Verminderung des Gewichtes und/oder ihrer Größe, denn diese Faktoren sind von entscheidender Bedeutung bei Flugtriebwerken und bei der Ausbildung von Flugzeugen allgemein.

Wenn jedoch der äußere Durchmesser des Gebläsemantels vermindert wird, um die Querschnittsfläche und das Gewicht des Gebläsegehäuses zu vermindern und wenn dabei das Einlaßwandprofil aufrechterhalten wird, dann wird eine viel schärfere Lippe erzeugt, die eine Vermin-

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derung des Kontraktionsverhältnisses des Triebwerks zur Folge hat. Wie bekannt,wird das Kontraktionsverhältnis definiert als Verhältnis von senkrechten Abständen von der Längsmittellinie des Triebwerkes nach dem höchst gelegenen Punkt (d.h. dem am weitesten stromoberseitig liegenden Punkt) und der Einsehnürung( d.h. der Stelle minimalen inneren Durchmessers des Einlasses) des Geblasegehäuseaufbaus. Diese Verminderung des Kontrakt!onsVerhältnisses ist jedoch höchst unerwünscht, weil eine scharfe Lippe Räume niedrigen Druckes erzeugen kann, was eine asymmetrische Einlaßströmung und eine schlechte Luftverteilung vor dem Gebläserotor unter gewissen Flugbedingungen, z.B. beim Start oder der Landung oder einem Flugmanöver bei Seitenwind L· zur Folge hat. Wenn die allgemeine Richtung der Luftströmung in einem Winkel gegenüber der Längsmittellinie der Triebwerksanlage verläuft, beschattet ein Teil der Einlaßlippe einen Bereich im Inneren des Einlasses, inaem sich eine Niederdruckzone ausbildet und worin die Luftströmung sich nicht ordnungsgemäß der Einlaßwandung anlegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lufteinlaß zu schaffen, bei dem die Außenwand einen verminderten Durchmesser aufweist und dennoch die obenerwähnten, daraus resultierenden Nachteile wesentlich vermindert oder sogar eliminiert werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Lufteinlaß für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer stromoberseitigen Lippe " dadurch gelöst, daß diese stromoberseitige Lippe relativ zu einem festen Gehäuseteil beweglich ist, daß verstellbare, auf Druck ansprechende Einrichtungen dieser Lippe zugeordnet und so angeordnet sind, daß im Betrieb diese Lippe entgegengerichteten Kräften ausge-. setzt ist, die von dem statischen Druck innerhalb des Lufteinlasses bzw. von der Umgebungsluft herrühren, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß eine Versetzung der auf Druck ansprechenden Einrichtungen eine Bewegung der Lippe verursacht, um das Kontraktionsverhältnis des Einlasses automatisch und allein gemäß den Relativgrößen dieser Drücke zu verändern.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lippe schwenkbar mit dem festen Gehäuseteil zwischen einer Ruhestellung und einer Arbeitestellung beweglich. In der Ruhestellung vergleichen die benachbarten Oberflächen der Lippe und des festen Gehäuses,während in der Betriebsstellung die Lippe nach vorn mit einer radial nach innen gerichteten Komponente derart bewegt wird, daß gleichzeitig das Kontrakt!onsverhältnis ansteigt und ein Spalt zwischen der Lippe und dem festen Gehäuse gebildet wird, der als Hilfslufteinlaß wirkt.

Die auf Druck ansprechende Einrichtung wird vorzugsweise von einer allgemein radial verlaufenden Oberfläche der Lippe gebildet, die in Arbeitsstellung mit einer allgemein radial verlaufenden Oberfläche des festen Gehäuseteils vergleicht, wobei elastische Mittel vorgesehen sind, um die Lippe in ihre Ruhestellung zu drücken.

Die Schwenkverbindung zwischen der Lippe und dem festen Gehäuseteil kann eine Schienenanordnung mit Rollen aufweisen, wobei Streben zwischen den Rollen und der Lippe vorgesehen sind.

Vorzugsweise bestehen die elastischen Mittel aus einer Feder, die an einem Ende in dem festen Gehäuseteil verankert und am anderen Ende mit einem Teil verbunden ist, der mit den Rollen beweglich ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Lippe mit einer flexiblen Wandung versehen oder es ist ihr eine solche

de

Wandung zugeordnet und sie riniert zwei Räume, die im Betrieb den genannten Drücken ausgesetzt sind und die gegeneinander durch die auf Druck ansprechende Einrichtung getrennt sind, welche von einem beweglichen Kolben gebildet wird, der an der flexiblen Wand befestigt ist, so daß eine Bewegung des Kolbens gemäß einer Differenz der Drücke eine Biegung der flexiblen Wand in der Weise

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bewirkt, daß das Kontraktionsverhältnis geändert wird.

Der Kolben kann als Schwingkolben ausgebildet sein und ein Ende der Arbeitsoberfläche oes Kolbens kann in Dichtungsberührung mit einer allgemein radialen Fläche des stromoberseitigen Endes eines festen Gehäuseteils stehen, während das andere Ende der Arbeitsoberfläche mit der Lippe verbunden ist.

Die Lippe besteht vorzugsweise aus mehreren, in Umfangsrichtung benachbarten Segmenten, die sieh relativ zueinander bewegen können, damit der Einlaß eine asymmetrische Gestalt annehmen kann.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Gasturbinenstrahltriebwerk, das mit einem Lufteinlaß, wie oben beschrieben, ausgestattet ist, wobei dieses Triebwerk vorzugsweise als Frontgebläsetriebwerk ausgebildet ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einem erfindungsgemäßen Lufteinlaß,

Fig. 2 einen schematischen Halbschnitt des Lufteinlaßaufbaus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem gegenüber Fig.l größeren Maßstab,

Fig. 3 eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht von Teilen des Lufteinlaßaufbaus nach Fig.2 in einem gegenüber Fig.2 wiederum größerem Maßstab,

Fig. 4 einen Halbschnitt des Lufteinlaßaufbaus gemäß der Erfindung in Ruhestellung,

Fig. 5 eine der Fig.4 entsprechende Ansicht des Lufteinlaßaufbaus in BetrieteBteilung mit vergrößertem Kontraktionsverhältnis.

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Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 mit Frontgebläse, das in bekannter Weise ein äußeres Gebläsegehäuse 11 mit einer Innenwand 12 und einer Außenwand 13 aufweist, in dem ein Gebläserotor 14 gelagert ist. Dieser Rotor 14 sitzt auf einer Nabe 15, die antriebsmäßig mit nicht dargestellten drehenden Teilen eines Gasgenerators 16 verbunden ist, der in einem Gehäuse 17 montiert ist. In dem Gehäuse 17 sind in Strömungsrichtung hintereinander ein Kompressor, eine Verbrennungseinrichtung, eine Turbine und eine Abgasdüsenanordnung vorgesehen.■ Diese Teile sind in der Zeichnung nicht dargestellt, weil sie nicht Gegenstand der Erfindung sind. Das Gasgeneratorgehäuse 17 wird vom Gebläsegehäuse 11 über einen Ring von allgemein radial verlaufenden Streben 18 getragen.

Das stromoberseitige Ende des Gebläsegehäuses 11 bildet einen Lufteinlaß 19 für das Gebläse 14 und für den Gasgenerator 16.

Im folgenden wird auf die Fig. 2 und J5 bezuggenommen, die eine bevorzugte Ausführungsform des Einlaßaufbaus gemäß der Erfindung zeigen. Das stromoberseitige Ende des Gebläsegehäuses 11, das den Einlaß 19 definiert, wird von einer relativ scharfen Lippe 20 gebildet. Der Buchstabe "A" zeigt den Abstand zwischen dem höchsten Punkt und der Einschnürung des vollausgezogen dargestellten Einlasses, der sich in Ruhestellung befindet. Der Abstand "A" ist natürlich eine Funktion des Kontraktionsverhältnisses des Einlasses.

Wie jedoch bereits oben erwähnt, muß bei gewissen Flugbedingungen das Kontraktionsverhältnis erhöht werden, um eine asymmetrische Einlaßströrnung zu vermeiden und um allgemein die Erzeugung von Räumen niedrigen Druckes innerhalb des Einlasses zu vermeiden. Um dies zu erreichen, hat die Lippe 20 die Gestalt einer Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbart angeordneten und aufeinanderfolgenden Lippensegmenten 21 und jedes Segment weist eine gekrümmte, allgemein radial verlaufende, stromunterseitige Ober-

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fläche 22 auf, die so ausgebildet ist, daß sie mit einer komplementär gestalteten, gekrümmten Oberfläche 23 der am weitesten stromoberseitig liegenden Fläche des übrigen Gebläsegehäuses 11 zusammenpaßt, welches festgelegt ist.

Jedes Lippensegment 21 ist relativ zu dem festen Gebläsegehäuse 11 beweglich und ebenso relativ gegenüber den anderen Lippensegmenten. Um diese relative Bewegung zu ermöglichen, weist jede Oberfläche 22 zwei Streben 25 gleicher Länge auf, die von dort vorstehen (Fig.3), wobei,jede Strebe 25 zwei in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegende,fre^rehbare Rollen 26 aufweist, die so gelagert sind, daß sie von den Rollen der anderen Strebe 25 auf der gleichen Oberfläche 22 wegweisen. Die Rollen 26 laufen in Schienen, die von Schlitzen 27 in den Seitenflächen der Platten 28 gebildet werden. Jede Platte 28 hat zwei axial verlaufende Schlitze 27, die schräg gegenüber einer rein radial verlaufenden Linie angeordnet sind, aber die beiden Schlitze 27 jeder Platte 28 liegen hierzu unter verschiedenen Winkeln, wobei der vordere Schlitz 27 damit den größeren spitzen Winkel einschließt. So besitzen zwei in Umfangsrichtung benachbarte Platten 28 einander zugewandte Paare von Schlitzen 27 und die.vorderen Schlitze 27 jeder Platte 28 laufen parallel zueinander, ebenso wie die rückwärtigen Schlitze 27. Jede Strebe 25 ist mit einer oder mehreren festen Ansätzen 30 am rückwärtigen Ende ausgestattet, an denen ein Einde einer Schraubenfeder 31 verankert ist, deren anderes Ende an einem Vorsprung 32 verankert ist, der an der Außenwand 13 des festen Abschnitts des Gebläsegehäuses 11 festgelegt ist.

Wenn ein Triebwerk, das den Einlaßaufbau nach. Fig. 2 und 3 aufweist, Seitenwindbedingungen im Flug ausgesetzt wird, dann sind die radial inneren Seiten des Lippensegmentes 21 einem hohen Druckabfall im Vergleich mit dem Druck der Umgebungsluft ausgesetzt, die auf der radial äußeren Seite lastet. Die Uragebungsluft

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ist daher in der Lage, zwischen den Oberflächen 22 und 23 hindurchzuströmen und sie wirkt gegen die Vorspannwirkung der Schraubenfeder jjl und sdhwenkt das Lippensegment 21 aus der vollausgezogenen Stellung nach Fig.2 nach vorn und außerdem radial nach innen und diese Bewegung wird durch die Rollen 26 und die Schlitze 27 gesteuert, bis die strichpunktiert dargestellte Stellung erreicht ist.

Der Buchstabe "B" zeigt den Vertikalabstand zwischen den neuen Lagen des höchsten Punktes und der Einschnürung an und es ist ersichtlich, daß der Abstand "B" größer ist als der Abstand "A", was wiederum bedeutet, daß das Kontraktionsverhältnis angestiegen ist und die Lippe wieder eine Stellung angenommen hat, in der die innere Oberfläche der Einlaßlippe wirksam abgerundet ist, und zwar in eine glockenförmig aufgeweitete Gestalt, die die Möglichkeit schafft, daß die Luftströmung der Oberfläche des Einlasses folgt, anstatt abzubrechen und asymmetrische Einlaßströmüngen zu erzeugen.

Die Bewegung des Lippensegraentes 21 nach vorn und innen reduziert den Querschnitt des Lufteinlasses, aber diese Reduktion des Einlaßquerschnitts wird durch die Tatsache kompensiert, daß bei der Bewegung des Lippensegmentes 21 nach vorn und innen ein Spalt 35 zwischen den Oberflächen 22 und 23 erzeugt wird und dieser Spalt 35 dient als Hilfslufteinlaß.

Es ist somit ersichtlich, daß durch Anordnung eines Ringes von Lippensegmenten 21, wobei jedes Segment 21 relativ zu dem anderen gleiten kann, ein asymmetrischer Einlaß vollständig automatisch und nur gemäß den relativen Größen des Umgebungsluftdrückes und des statischen Druckes innerhalb des Einlasses hergestellt werden kann und demgemäß braucht dieses System nicht durch den Flugzeugführer ferngesteuert zu werden. Außerdem ist ersichtlich, daß an der anderen Seite der Lippe, nämlich an der diametral

gegenüberliegenden Seite der Seitenwind direkt auf die innere

• * ■

Oberfläche des Einlaßes wirkt und dort keine Niederdruckzone erzeugt wird.

Nunmehr wird auf das Ausführungsbeispiel nach Pig.4 und 5 feeausgenommen. Dieses Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine andere Möglichkeit, mit der das Kontraktionsverhältnis des Einlasses automatisch gemäß den Druckbe&ngungen ohne Steuerung durch den Plugzeugführer eingestellt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel zeigen einfach durch Vergleich die strichpunktierten Linien in Pig.4 die Kontur einer konventionellen Lippe und es ist aus den vollausgezeichneten Linien der erfindungsgemäßen Lippe ersichtlich, daß letztere einen sehr viel spitzeren Winkel aufweist. Als Ergebnis wird jedoch das Kontraktionsverhältnis in einem Maße reduziert, das funktionell von den Differenzen in den Abständen ¹¹C" und "D" abhängt, wie aus dieger Zeichnung ersichtlich.

Bei dieser Ausführungsform hat die Lippe 20 noch die Gestalt eines Ringes von Segmenten 21 und jedes Segment 21 ist in der Lage, sich gegenüber dem übrigen Gebläsegehäuse 11, d.h. gegenüber einem festen Teil, zu bewegen.

Die Fig.4 und 5 zeigen die normale Bedingung oder Stellung bzw. die Seitenwindbedingung oder Stellung der Segmente 21. Zunächst wird auf Fig.4 bezuggenommen. Jedes Lippensegment 21 ist hohl ausgebildet und besitzt eine Wand 40 in der Nähe des festen Abschnitts des Gebläsegehäuses 11. Ein Enteisungsrohr ist bei dargestellt.

Innerhalb des Hohlsegmentes 21 ist ein Schwingkolben 4l gelagert, der bei 50 drehbar angelenkt ist und wirksam das Segment in zwei Kammern 43 und 44 unterteilt. Die Kammer 44 steht mit dem Umgebungsluftdruck über eine oder mehrere öffnungen 46 der

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Außenwand I3 in Verbindung,, während die Kammer 43 mit dem statischen Druck der Einschnürung über eine öffnung 47 in der Innenwand 12 in Verbindung steht. Falls erforderlich, könnte diese Anordnung auch so abgewandelt werden, daß die Drücke nur auf jenen Teil des Kolbens 41 wirken, der rechts des Drehzapfens 50 befindlich ist, während der kleinere linke Teil davon getrennt ist und mit einem Ausgleichsdruck versehen wird, der entweder von einer ftgjxfcxjs speziallen Kompressorabzapfung oder von der Enteisungsluft zugeführt wird. In jedem Falle bestimmen die Drücke, die in den Kammern 43 bzw. 44 herrschen, die Relativstellungen· der beiden Schenkel 51 und 52 des Schwingkolbens 41. Das Ende des Schenkels 51 ist starr mit dem Lippensegment 21 verbunden, von dem ein Ende schwenkbar an einem Ende einer flexiblen Platte 55 angelenkt ist. Die Platte 55 ist in der Nähe des anderen Endes am festen Aufbau mittels eines Gelenkes 56 befestigt. Der Schenkel 52 des Schwingkolbens 41 besitzt an seinem Ende eine Dichtung 57» die in Dichtungseingriff mit der Wand 40 steht.

Wie oben erwähnt, zeigt Fig.4 die normale bzw. die Reiseflug-Bedingung, wobei die Luftströmung parallel zu der Längsmittellinie des Einlasses liegt. Unter Seitenwindbedingungen befindet sich die Einschnürungsfläche im Bereich eines extrem niedrigen Druckes und der Umgebungsluftdruck wird größer, so daß der Kolben um sein Gelenk 50 der/SSgeschwenkt wird, daß der Schenkel angehoben wird und hierbei wird das Vorderende des Lippensegmentes 21 angehoben. Gleichzeitig wird die flexible Platte 55 nach der Oberseite der Oberfläche 53 des Gebläsegehäuses 11 angehoben, wodurch ein gewisser Teleskop£effekt auftritt.

Wie aus Fig.5 ersichtlich, ist jetzt der Abstand von dem oberen Punkt nach der Einschnürung ¹¹E" und diese Entfernung ist größer als "D" gemäß Fig.4 und etwa gleich groß wie der Abstand "c".

Es ist ersichtlich, daß wiederum das erforderliche Ansteigen des Kontraktionsverhältnisses rein automatisch und unabhängig von einer Steuerung des Flugzeugführers erlangt wird, und zwar allein

gemäß den herrschenden Druckbedingungen. ,

Patentansprüche : 10 9 8 18/1311

Claims

©Patentansprüche: Lufteinlaß für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer stromoberseitigen Lippe,
dadurch gekennzeichnet, daß die stromoberseitige Lippe (19) relativ zu einem festen Gehäusebauteil (11) beweglich ist, daß eine verstellbare auf Druck ansprechende Einrichtung (41) der Lippe (20) zugeordnet und so angeordnet ist, daß sie im Betrieb entgegengesetzt gerichteten Kräften ausgesetzt ist, die eine Folge des statischen Druckes innerhalb des Einlasses (19) und des Umgebungsluftdruckes sind,und daß die Anordnung derart getroffen wird, daß die Versetzung der auf Druck ansprechenden Einrichtung (41) eine Bewegung der Lippe (20) in der Weise bewirkt, daß das Kontraktionsverhältnis des Lufteinlasses (19) automatisch und allein gemäß der relativen Größen der Drücke geändert wird.

2. Lufteinlaß nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe' (20) schwenkbar mit dem festen Gehäuseteil (11) verbunden ist und zwischen einer Ruhestellung,in der die benachbarten Oberflächen (22,2^) der Lippe und des festen Gehäuseteils miteinander fluchten,und einer wirksamen Stellung beweglich ist, in der die Lippe (20) stromaufwärts bewegt wird und zwar mit einer radial nach innen gerichteten Komponente, so daß gleichzeitig das Kontrakt!onsverhältnis ansteigt und ein Spalt (55) zwischen diesem und dem festen Gehäuseteil (11) gebildet wird, der als Hilfslufteinlaß dient.

j5. Lufteinlaß nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

' daß die auf Druck ansprechende Einrichtung von einer allgemein radial verlaufenden Oberfläche (22) der Lippe gebildet wird, die in der Ruhestellung mit einer allgemein radial verlaufen-

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den Oberfläche (23) des festen Gehäuseteils fluchtet, und daß elastische Mittel (31) vorgesehen sind, um die Lippe in die Ruhestellung zu überführen.

4. Lufteinlaß nach den Ansprüchen 2 oder 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkverbindung zwischen der Lippe (20) und dem festen Gehäuseteil (11) eine Rollen-Schienenanordnung (26,27) und Streben (25) aufweist, die zwischen&en Rollen (26) und der Lippe (20) verlaufen.

5. Lufteinlaß nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Mittel von einer Feder (31) gebildet werden, die an einem Endeⁿeinem festen Gehäuseteil (11) und am anderen Ende an einem Teil (30) verankert ist, der mit den Rollen (26) beweglich ist.

6. Lufteinlaß nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe mit einer flexiblen Wand (55) versehen ist und im Inneren zwei Räume (43*44) definiert, die jeweils im Betrieb den Drücken ausgesetzt sind und die gegeneinander durch eine auf Druck ansprechende Einrichtung getrennt sind» die von einem beweglichen Kolben (41) gebildet wird, der mit der flexiblen Wand (50) verbunden ist, so daß eine Bewegung des Kolbens (41) gemäß einer Differenz der Drücke eine Biegung der flexiblen Wand (55) zwecks Änderung des Kontraktionsverhältnisses bewirkt,

7. Lufteinlaß nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ein Schwingkolben (41) ist, wobei ein Ende (57)

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der Druckfläche in Dichtungseingriff mit einer allgemein radialen Fläche (40) des stromoberseitigen Endes des festen Bauteiles (11) steht, während das andere Ende der Druckfläche mit der Lippe verbunden ist.

8. Lufteinlaß nach den Ansprüchen 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet,

daß die Lippe eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung benachbar-, ter Segmente (21) aufweist, die sich relativ zueinander bewegen können, damit der Einlaß eine asymmetrische Gestalt annehmen kann.

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