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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stützen und Führen einer Drehwelle, insbesondere einer
Rotorwelle in einer Turbomaschine wie einem Turbotriebwerk oder
einem Turboproptriebwerk eines Flugzeugs. Eine solche Stütz- und
Führungsvorrichtung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus dem Dokument
US 5 197 807 A bekannt.
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Die
kleinen Unwuchten der Rotorwelle rufen tendenziell Außermittigkeiten
und radiale Vibrationen der Welle und ihrer Lager hervor, die man
mittels Ölfilmkompressionsvorrichtungen
(squeeze film dampers) dämpft,
die den Stütz-
und Führungslagern
der Welle zugeordnet sind.
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Jeder Ölfilmkompressionsdämpfer bzw. Quetschöldämpfer weist
eine Aufnahme auf, die in einem Gehäuse zum Halten des entsprechenden
Lagers gebildet ist und in der der Außenring des Lagers mit geringem
radialen Spiel angebracht ist. Ein um den Ring in dieser Aufnahme
abgegrenzter ringförmiger
Zwischenraum ist mit Öl
gefüllt
und axial durch ringförmige
Dichtungselemente geschlossen, die drehfrei in ringförmigen Auskehlungen
des Außenrings
des Lagers sitzen und unter Dichtigkeit mit einer zylindrischen
Innenfläche
des Gehäuses
zusammenwirken.
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Öleinlaßöffnungen
sind in dem Gehäuse
gebildet und münden
in den obengenannten ringförmigen
Zwischenraum, und Ölauslaßöffnungen
sind in den ringförmigen
Dichtungselementen gebildet und münden außerhalb dieses ringförmigen Zwischenraums,
um zu ermöglichen,
das Öl
auf kontinuierliche Weise in dem ringförmigen Zwischenraum zirkulieren zu
lassen und es außerhalb
dieses Zwischenraums abzukühlen,
um die thermische Energie zu evakuieren, die durch die aus der Kompression
eines Ölfilms durch
den Außenring
des Lagers bei seinen Orbitalbewegungen in der obengenannten Aufnahme
resultierenden Reibungen abgeleitet wird. Ohne Kühlung würde die Temperaturerhöhung des Öls in dem
ringförmigen
Zwischenraum eine starke Verminderung seiner Viskosität und damit
der Dämpfung
der orbitalen Bewegungen des Außenrings
des Lagers der Welle hervorrufen.
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Im
Fall einer Welle für
ein Turbotriebwerk oder ein Turboproptriebwerk eines Flugzeugs sind die
ringförmigen
Dichtungselemente allgemein durch Segmente gebildet, die hohen Temperaturen
widerstehen, wobei diese Segmente gespaltene Ringe aus elastisch
verformbarem Metall sind, gewöhnlich
mit rechteckigem Querschnitt. Die Spalte dieser Segmente, die Spalte
mit geradem Schnitt oder mit Überlappung
sein können,
bilden Ölauslaßöffnungen.
Um eine ausreichend leckende Ölmenge
zu gewährleisten,
werden bevorzugt eher Segmente mit geradem Schnitt als Segmente
mit Überlappung
verwendet, und es wird eine Spannfläche am Außenumkreis jedes Segments auf
Höhe seines
Spalts realisiert, um die leckende Ölmenge zu kalibrieren.
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Die Ölleckage
ist also an einem genauen Punkt des Umfangs des Segments lokalisiert.
Gleichwohl stellt man eine starke Variation der Leckagemenge durch
diesen Spalt in Abhängigkeit
von der Winkelposition des Außenrings
des Lagers bezüglich dieses
Spalts fest. Eine Analyse des Verhaltens des Dämpfers hat gezeigt, daß der Außenring
des Lagers einer festen (nicht drehenden) hydrodynamischen Kraft
und einer drehenden hydrodynamischen Kraft unterworfen ist, wobei
die feste hydrodynamische Kraft in der gleichen Größenordnung
wie die hydrodynamische Kraft liegt und an der Ölleckage durch den Spalt des
Segments liegt.
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Diese
feste hydrostatische Kraft verleiht dem komprimierten Ölfilm ein
nicht achsensymmetrisches Verhalten, das deshalb nicht zu meistern
ist, weil die Segmente, die drehfrei in den Auskehlungen des Außenrings
des Lagers sitzen, durch Reibung zufällig in Drehung angetrieben
werden können,
wodurch die Winkelpositionen der Spalte der Segmente zueinander
und bezüglich
des Außenrings
des Lagers auf nicht kontrollierbare Weise variieren.
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Daraus
ergibt sich, daß das
Verhalten des Ölfilms
nicht zu meistern ist und man nicht völlig wirksam die Außermittigkeiten
und radialen Vibrationen der Welle dämpfen kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt insbesondere darin, eine einfache, wirksame
und ökonomische Lösung für dieses
Problem beizubringen, die bis dato in der Technik nicht bekannt
war, indem hydrostatische Kräfte
aufgrund von in den Spalten der obengenannten Segmente lokalisierten Ölleckagen
neutralisiert oder mindestens sehr stark reduziert werden.
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Dazu
schlägt
sie eine Vorrichtung zum Stützen
und Führen
einer Drehwelle, insbesondere einer Rotorwelle einer Turbomaschine
wie eines Turbotriebwerks oder Turboproptriebwerks eines Flugzeugs
vor, die mindestens ein um die Welle herum angebrachtes Lager und
einen um das Lager herum angebrachten Schwingungsdämpfer mit Ölfilmkompresion
umfaßt,
wobei dieser Schwingungsdämpfer eine
Aufnahme aufweist, die in einem Außengehäuse gebildet ist und um ein
Außenring
des Lagers herum einen ringförmigen
Zwischenraum abgrenzt, der mit Öl
gefüllt
ist und axial durch ringförmige
Dichtungselemente verschlossen ist, die drehfrei in ringförmigen Auskehlungen
dieses Außenrings
des Lagers sitzen und jeweils eine nach außen gerichtete Außenumkreisfläche aufweisen,
die unter Dichtigkeit mit einer zylindrischen Innenfläche des
Gehäuses zusammenwirkt,
wobei in dem Gehäuse Öffnungen zur
Zuführung
von Öl
gebildet ist und in den ringförmigen
Dichtungselementen Ölauslaßöffnungen
gebildet sind, um eine Ölzirkulation
in dem ringförmigen Zwischenraum
und das Kühlen
des Öls
außerhalb dieses
ringförmigen
Zwischenraums zu ermöglichen, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes
ringförmige Dichtungselement
einige kalibrierte Ölauslaßöffnungen
aufweist, die auf der Außenumkreisfläche dieses ringförmigen Dichtungselements
in Abständen
voneinander verteilt angeordnet sind und dergestalt ausgeführt sind,
daß die
Resultierende der hydrostatischen Kräfte, die in dem Ölfilm bei
der Drehung der Welle erzeugt werden und Ergebnis der durch die
genannten kalibrierten Öffnungen Ölmengen
sind, im wesentlichen neutralisiert werden.
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Die
an einigen Stellen des Umkreises des Segments lokalisierten Ölleckagemengen
erzeugen jeweils eine hydrostatische Kraft auf den Ring des Lagers,
wobei jede Kraft annähernd
in Richtung der entsprechenden Auslaßöffnung orientiert ist.
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Durch
Verteilung dieser Auslaßöffnungen
an dem Umkreis des Segments schafft man es, die Resultierende dieser
hydrostatischen Kräfte
im wesentlichen zu neutralisieren, wobei lediglich die hydrodynamischen
Kräfte
erhalten bleiben, welche die gewünschte
Dämpfung
der orbitalen Bewegungen des Rings des Lagers verleihen. Damit läßt sich
ein achsensymmetrisches Verhalten des Ölfilmkompressionsdämpfers erhalten
und damit die Dynamik der Welle des Rotors besser meistern.
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Vorteilhaft
ist die Anzahl der in jedem ringförmigen Element gebildeten kalibrierten Öffnungen
geringer als oder gleich 8 und bevorzugt geringer als oder gleich
5.
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Jedes
ringförmige
Element weist an einer Stelle seines Umfangs einen Spalt auf und
weist eine gerade oder ungerade Anzahl kalibrierter Ölauslaßöffnungen
auf, wobei diese Öffnungen
und der Spalt des ringförmigen
Elements im wesentlichen in gleichen Abständen voneinander auf der Umfangslinie des
ringförmigen
Elements verteilt angeordnet sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Anzahl von Öffnungen
ungerade, und eine dieser Öffnungen
liegt dem Spalt des ringförmigen
Elements diametral gegenüber.
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Auf
bequeme Weise sind die kalibrierten Ölauslaßöffnungen durch Aussparungen
der Außenumfangslinie
der ringförmigen
Elemente gebildet.
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Im
Fall einer Rotorwelle eines Turbotriebwerks oder eines Turboproptriebwerks
für ein
Flugzeug sind die ringförmigen
Dichtungselemente metallene Segmente, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt,
und können
jeweils einen Spalt mit geradem oder schrägem Schnitt oder einen Spalt
mit Überlappungen
aufweisen.
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Bei
anderen Anwendungen, wo die Drehwelle nicht hohen Temperaturen unterworfen
ist, können die
ringförmigen
Dichtungselemente durch O-Ringdichtungen gebildet sein, die einige
kalibrierte Öffnungen
zum Ölauslaß aufweisen,
die an ihrem Umfang verteilt sind.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Turbomaschinen-Rotorwelle, dadurch
gekennzeichnet, daß sie
von einer Vorrichtung von einem oben beschriebenen Typ gestützt und
geführt
wird.
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Die
Erfindung betrifft schließlich
eine Turbomaschine wie ein Turbotriebwerk oder ein Turboproptriebwerk
für ein
Flugzeug, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vorrichtung zum
Stützen
und Führen
einer Drehwelle des oben beschriebenen Typs aufweist.
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Die
Erfindung ist leichter zu verstehen, und weitere ihrer Merkmale,
Einzelheiten und Vorteile ergeben sich deutlicher aus der Lektüre der folgenden beispielhaften
Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen; darin zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht in Perspektive und im axialen Schnitt eines
Teils einer Rotorwelle, die mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ausgestattet
ist;
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2 eine
Perspektivansicht eines ringförmigen
Dichtungssegments aus dem Stand der Technik;
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3 eine
schematische Teilansicht eines weiteren Dichtungssegments aus dem
Stand der Technik;
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4, 5 und 6 schematische
Ansichten, welche die hydrostatischen und hydrodynamischen Kräfte darstellen,
die auf den Außenring
eines Lagers im Stand der Technik aufgebracht werden;
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7 eine
schematische Perspektivansicht eines ringförmigen Dichtungssegments nach
der Erfindung; und
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8 einen
Graphen, der hydrostatische Kräfte
darstellt, die auf den Außenring
eines Lagers nach der Erfindung aufgebracht werden.
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 10 eine Rotorwelle einer Turbomaschine
wie eines Turbotriebwerks oder eines Turboproptriebwerks eines Flugzeugs,
die drehbar in einem Lager 12 z. B. vom Typ Wälzlager
zentriert und geführt
wird und von der ein Außenring 14,
der mit einer Käfigwicklung 16 fest verbunden
ist, in einer zylindrischen Aufnahme 18 eines Gehäuses 20 angebracht
ist, die um den Ring 14 einen Ölfilmkompressionsdämpfer oder „squeeze film
damper" in angelsächsischer
Terminologie bildet.
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Ein
ringförmiger
Zwischenraum 22 ist um den Ring durch die zylindrische
Fläche 21 der
Aufnahme 18 abgegrenzt und axial durch ringförmige Dichtungselemente 24 verschlossen,
die in ringförmigen
Auskehlungen 26 der zylindrischen Außenfläche des Rings 14 angebracht
sind. Der ringförmige
Zwischenraum 22 ist mit durch eine Einlaßöffnung 28 zugeführtem Öl gefüllt, die
durch eine radiale Bohrung des Gehäuses 20 gebildet ist
und in eine ringförmige Auskehlung 30 der
zylindrischen Fläche 21 um
den Ring 14 mündet.
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Als
Variante kann das Öl
in den ringförmigen Zwischenraum 22 durch
mehrere radiale Bohrungen 28 des Gehäuses 20 zugeführt werden,
die um die Drehachse der Welle 10 verteilt sind.
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Im
Fall der Rotorwelle eines Turbotriebwerks oder eines Turboproptriebwerks
sind die ringförmigen
Dichtungselemente 24 gespaltene metallische Segmente mit
rechteckigem Querschnitt, wobei diese Segmente drehfrei in den ringförmigen Auskehlungen 26 des
Rings 14 angebracht sind und unter Dichtigkeit mit ihrem
Außenumkreis
an der zylindrischen Fläche 21 des
Gehäuses 20 anliegen.
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Im
Stand der Technik sind die Segmente 24 vom in 2 dargestellten
Typ und weisen beispielsweise einen Spalt 32 mit geradem
Schnitt auf, der derart eine Ölauslaßöffnung bildet,
daß das
durch die radiale(n) Bohrung(en) 28 des Gehäuses in
den ringförmigen
Zwischenraum 22 zugeführte Öl in diesem ringförmigen Raum
zirkulieren und außerhalb
dieses Zwischenraums durch die Spalte 32 der Segmente 24 austreten
kann, um gekühlt
zu werden. Allgemein dient das in den ringförmigen Zwischenraum 22 zugeführte Raum
auch als Schmieröl
für das
Lager 12.
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Als
Variante, und wie dies schematisch in 3 dargestellt
ist, weisen die Segmente 24 aus dem Stand der Technik eine
Spannfläche 34 auf,
die in ihrem Außenumkreis
auf Höhe
des Spalts 32 gebildet ist und ermöglicht, die Ölleckagemenge
auf Höhe des
Spalts 32 zu kalibrieren.
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Das Öl in dem
den Ring 14 umgebenden ringförmigen Zwischenraum 22 liegt
auf einem ausreichenden Druck, um bei den orbitalen Bewegungen des
Rings 14 in der Aufnahme 18 Kavitationsphänomene zu
vermeiden. Diese orbitalen Bewegungen aufgrund von Außermittigkeiten
und radialen Vibrationen der Welle 10 werden durch Kompression
eines Ölfilms
zwischen dem Ring 14 und der zylindrischen Fläche der
Aufnahme 18 gedämpft
werden.
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Typischerweise
ist der Druck des Öls
in dem ringförmigen
Zwischenraum 22 geringer als oder gleich etwa 10 bar und
kann in dem von dem Ring 14 komprimierten Ölfilm bis
zu 100 bar ansteigen, wobei die Dicke dieses Ölfilms in der Größenordnung
von 0,2 bis 0,3 Millimeter liegt.
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Wenn
der Ring 14 mit Segmenten 24 von dem in 2 oder
in 3 dargestellten Typ ausgestattet ist, stören die
auf Höhe
des Spalts 32 oder der Spannfläche 34 jedes Segments
lokalisierten Ölleckagemengen
das Druckfeld in dem Ölfilm
und lassen eine hydrostatische Kraft FS entstehen,
die auf den Ring 14 aufgebracht wird und fest (nicht drehend)
und im wesentlichen in Richtung der Ölauslaßöffnung 32 oder 34 orientiert
ist, wie dies in 4, 5 und 6 schematisch
dargestellt ist.
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Die
Kompression des Ölfilms
in dem ringförmigen
Raum 32 durch den Ring 14, dessen orbitale Bewegung
durch den Pfeil 36 symbolisiert ist, erzeugt ebenfalls
eine hydrodynamische Kraft FD, die drehend
ist und deren Richtung von der Winkelposition des Rings 14 bezüglich der Ölauslaßöffnung 32 oder 34 abhängt.
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Die
Amplitude der hydrostatischen Kraft FS ist
im wesentlichen in der gleichen Größenordnung wie die hydrodynamische
Kraft FD. Die Ölleckagemengen durch die Auslaßöffnungen 32, 34,
die in den Segmenten 24 gebildet sind, variieren ebenfalls
in Abhängigkeit
von der Winkelposition des Rings 14 in seiner orbitalen
Bewegung, wobei der Umkreis des Rings 14 die Auslaßöffnung 32 oder 34 jedes
Segments maskieren oder in etwa vollständig verschließen kann.
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Ferner
sitzen die Segmente 24 drehfrei in den Auskehlungen 26 des
Rings 14 und können
sich damit in diesen Auskehlungen derart drehen, daß die Winkelpositionen
der Ölauslaßöffnungen 32 oder 34 nicht
fest sind und zueinander und bezüglich
des Rings 14 variieren.
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Daraus
ergibt sich, daß das
Verhalten des unter Druck stehenden Ölfilms nicht achsensymmetrisch
ist, womit die Dämpfung
der radialen Vibrationen und dynamischen Außermittigkeiten der Welle nicht
gemeistert werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht,
dieses Problem durch die Ausbildung von mehreren Ölauslaßöffnungen
zu lösen,
die am Umfang eines Segments 24 verteilt sind, wie dies
in 7 schematisch dargestellt ist, wodurch mehrere
hydrostatische Kräfte
erzeugt werden können,
deren Resultierende null oder im wesentlichen null ist, wie dies
schematisch in 8 veranschaulicht ist.
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Das
ringförmige
Segment 38 nach der Erfindung weist beispielsweise einen
Spalt 40 vom Typ mit Überlappung,
der eine relativ niedrige Ölleckagemenge
außerhalb
eines ringförmigen
Zwischenraums 22 zuläßt, und
Aussparungen 42 auf, die in seinem Außenumkreis gebildet sind und
kalibrierte Ölleckagemengen
außerhalb
des ringförmigen Raums 22 zulassen,
wobei diese Aussparungen 42 auf symmetrische Weise bezüglich des
Spalts 40 und auf relativ gleichmäßige Weise an dem Umfang des Segments 38 verteilt
sind.
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Die
Anzahl von Aussparungen 42 ist relativ niedrig und bevorzugt
geringer als oder gleich 5. Bei dem dargestellten Beispiel weist
das Segment 38 fünf
Aussparungen 42 auf, von denen eine dem Spalt 40 des
Segments diametral gegenüber
liegt.
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Die Ölleckagemengen
durch den Spalt 40 und die Aussparungen 42 sind
also am Umfang des Segments 38 verteilt, wobei die geringe
Anzahl von Aussparungen 42 ermöglicht, mit Präzision die
Gesamtölleckagemenge
zu kalibrieren, was nicht der Fall wäre, wenn die Anzahl von an
dem Umkreis des Segments 38 gebildeten Aussparungen relativ
hoch wäre.
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8 veranschaulicht
das von der Erfindung gelieferte Ergebnis in dem Fall, wo das Segment 38 drei
identische oder im wesentlichen identische Ölauslaßöffnungen 42 aufweist,
die um 120° voneinander
an seinem Außenumkreis
gebildet sind.
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In
diesem Fall erzeugt jede auf Höhe
einer Öffnung 42 lokalisierte
Leckagemenge eine hydrostatische Kraft FS,
die auf den Ring 14 aufgebracht wird, wobei die drei Kräfte FS um 120° voneinander orientiert
sind und eine Resultierende null oder im wesentlichen null haben.
Der Ring 14 des Lagers ist dann nur noch einer drehenden
hydrodynamischen Kraft unterworden, die zu einem achsensymmetrischen
Verhalten des Kompressionsölfilms
führt,
womit die gewünschte
Dämpfung
der radialen Vibrationen und dynamischen Außermittigkeiten der Welle des
Rotors ermöglicht
ist.
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Die
Segmente nach der Erfindung können mit
Schnitt mit Überlappung
sein, wie dies in 7 dargestellt ist, oder mit
geradem Schnitt wie in 2 oder mit schrägem Schnitt.
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In
dem Fall, wo die Welle 10 nicht eine Rotorwelle eines Turboproptriebwerks
oder eines Turbotriebwerks ist, dessen Lager hohen Temperaturen unterworfen
sein können,
können
die ringförmigen Dichtungselemente
des Rings 14 durch O-Ringdichtungen
gebildet sein, die kalibrierte Ölauslaßöffnungen
aufweisen, die an ihrem Außenumkreis
gebildet sind.