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FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen ein System und Verfahren zur Strömungsverbesserung in einer Düse. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können insbesondere ein System und Verfahren umfassen, das dazu dient, zu vermeiden, dass an bestimmten Stellen in der Düse Flammenhalten auftritt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In Brennkammern wird bekanntlich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, um unter hohem Druck stehende Verbrennungsgase hoher Temperatur zu erzeugen. Gasturbinenanlagen, Flugzeugtriebwerke sowie zahlreiche andere auf Verbrennung basierende Systeme enthalten zum Beispiel eine oder mehrere Brennkammern, in denen ein Arbeitsfluid – zum Beispiel Luft – mit Kraftstoff gemischt und das Gemisch entzündet wird, um unter hohem Druck stehende Verbrennungsgase hoher Temperatur zu erzeugen. Jede Brennkammer enthält im Allgemeinen eine oder mehrere Düsen, die vor der Verbrennung das Arbeitsfluid mit dem Kraftstoff mischen.
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Bekanntermaßen steigt die thermodynamische Effizienz eines auf Verbrennung basierenden Systems mit zunehmender Betriebstemperatur, und zwar mit zunehmender Temperatur der Verbrennungsgase. Wenn allerdings Kraftstoff und Luft vor der Verbrennung nicht gleichmäßig gemischt sind, können sich in der Brennkammer lokalisierte heiße Stellen bilden. Durch die lokalisierten heißen Stellen steigt das Risiko, dass die Flamme in der Brennkammer in die Düsen zurückschlägt und/oder in den Düsen gehalten wird, wodurch die Düsen beschädigt werden können. Flammenrückschlag und Flammenhalten können zwar bei jedem Kraftstoff auftreten, stellen sich aber eher bei hochreaktiven Kraftstoffen wie beispielsweise Wasserstoff ein, da diese eine höhere Verbrennungsrate und einen größeren Zündbereich haben.
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Es existieren bereits verschiedene Verfahren, um höhere Betriebstemperaturen bei gleichzeitiger Minimierung von Flammenrückschlag und Flammenhalten zu ermöglichen. Bei vielen dieser Verfahren wird angestrebt, lokalisierte heiße Stellen und/oder Bereiche mit geringer Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren, um das Auftreten von Flammenrückschlag oder Flammenhalten zu reduzieren oder zu verhindern. Kontinuierliche Verbesserungen der Düsengestaltung führen beispielsweise zu einer gleichmäßigeren Vermischung von Kraftstoff und Luft vor der Verbrennung, wodurch die Bildung lokalisierter heißer Stellen in der Brennkammer reduziert oder verhindert werden soll. Alternativ oder zusätzlich wurden Düsen konstruiert, die eine minimale Fließgeschwindigkeit des Kraftstoffs und/oder der Luft durch die Düse sicherstellen sollen, um ein Zurückschlagen der Brennkammerflamme in die Düse zu verhindern. Weitere Verbesserungen der Düsengestaltung sowie der Verfahren zur Reduzierung von Bereichen mit Strömungsablösung und geringer Strömungsgeschwindigkeit wären nützlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt; sie können auch aufgrund der Beschreibung offensichtlich sein oder sich bei der praktischen Anwendung der Erfindung herausstellen.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Düse mit einem Zentralkörper, der eine axiale Mittellinie definiert, und einem Mantel, der in Umfangsrichtung zumindest einen Teil des Zentralkörpers umschließt, wodurch eine ringförmige Passage zwischen dem Zentralkörper und dem Mantel definiert wird. Die Düse umfasst weiter mehrere Schaufeln zwischen dem Zentralkörper und dem Mantel, wobei jede dieser Schaufeln einen von dem Mantel getrennten, radial außen liegenden Abschnitt aufweist.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Düse mit einem Zentralkörper, der eine axiale Mittellinie definiert, und einem Mantel, der in Umfangsrichtung zumindest einen Teil des Zentralkörpers umschließt, wodurch eine ringförmige Passage zwischen dem Zentralkörper und dem Mantel definiert wird. Die Düse umfasst weiter mehrere Schaufeln zwischen dem Zentralkörper und dem Mantel, wobei jede dieser Schaufeln eine Druckseite und eine Vakuumseite aufweist. In der Nähe der Vakuumseite jeder Schaufel befinden sich mehrere Öffnungen in dem Mantel.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Verbesserung der Strömung durch eine Düse. Das Verfahren umfasst das Leiten eines Kraftstoffs durch einen Zentralkörper und das Leiten eines Fluidstroms über eine Schaufel, die sich zwischen dem Zentralkörper und einem Mantel befindet, der zumindest einen Teil des Zentralkörpers umschließt. Das Verfahren umfasst weiter das Leiten des Fluidstroms zwischen einen radial außen liegenden Abschnitt der Schaufel und den Mantel, wobei der radial außen liegende Abschnitt der Schaufel von dem Mantel getrennt ist.
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Die Merkmale und Aspekte derartiger und anderer Ausführungsformen werden für Durchschnittsfachleute durch das Lesen der Beschreibung besser verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In der weiteren Beschreibung, die für Durchschnittsfachleute bestimmt ist, wird eine vollständige und ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung dargelegt, eingeschlossen die bevorzugte (beste) Ausführungsform (best mode). Dabei wird auf die folgenden angefügten Zeichnungen Bezug genommen:
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1 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Düse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Schaufeln gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine seitliche Schnittdarstellung einer Schaufel gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Schaufeln gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Düse gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird ausführlich Bezug auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung genommen. Ein oder mehrere Beispiele dieser Ausführungsformen sind in den begleitenden Zeichnungen dargestellt. In der ausführlichen Beschreibung werden Bezugszeichen in Form von Zahlen und Buchstaben zur Bezeichnung von Elementen verwendet, die in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen und der Beschreibung werden gleiche oder ähnliche Elemente durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Jedes dieser Beispiele dient nur zur Erläuterung der Erfindung und soll die Erfindung nicht einschränken. Für Fachleute ist offensichtlich, dass Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne von dem Schutzumfang oder Sinn der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt sind oder beschrieben werden, in Verbindung mit einer weiteren Ausführungsform eine wiederum andere Ausführungsform ergeben. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Änderungen und Variationen abdeckt, die im Schutzumfang der angefügten Ansprüche sowie deren Äquivalenten enthalten sind.
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer Düse 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Düse 10 im Allgemeinen einen Zentralkörper 12, einen Mantel 14 und mehrere Schaufeln 16. Der Zentralkörper 12 verläuft im Allgemeinen entlang einer axialen Mittellinie 18 der Düse 10, wobei die Mittellinie durch den Zentralkörper definiert wird. Der Mantel 14 umschließt in Umfangsrichtung zumindest einen Teil des Zentralkörpers 12, wodurch eine ringförmige Passage 20 zwischen dem Zentralkörper 12 und dem Mantel 14 definiert wird. Die Schaufeln 16 umfassen im Allgemeinen eine Anströmkante 22 (in 1 nicht sichtbar) und eine Abströmkante 24 und verlaufen in der ringförmigen Passage 20 radial zwischen dem Zentralkörper 12 und dem Mantel 14. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Schaufeln 16 in Bezug auf die axiale Mittellinie 18 gekrümmt sein oder in einem Winkel verlaufen, was bewirkt, dass jede Schaufel 16 eine Druckseite 26 und eine Vakuumseite 28 aufweist. Ein Arbeitsfluid 30, beispielsweise Luft, kann in die ringförmige Passage 20 und über die Schaufeln 16 Strömen. Über ein Plenum 32 in dem Zentralkörper 12 kann Kraftstoff 34 dem Zentralkörper 12 und/oder den Schaufeln 16 zugeführt werden. Kraftstofföffnungen 36 in dem Zentralkörper 12 und/oder den Schaufeln 16 können als Strömungsverbindung dienen, damit der Kraftstoff 34 von dem Plenum 32 in die ringförmige Passage 20 strömen kann. Auf diese Weise kann der Kraftstoff 34 durch die Kraftstofföffnungen 36 in dem Zentralkörper 12 und/oder den Schaufeln 16 strömen, und die Schaufeln 16 können den Kraftstoff 34 und/oder das Arbeitsfluid 30 leiten und/oder verwirbeln, um das Mischen des Kraftstoffs 34 und/oder Arbeitsfluids 30 in der ringförmigen Passage 20 vor dem Austritt aus der Düse 10 zu verbessern.
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Betriebserfahrung, Tests sowie strömungsmechanische Berechnungen (CFD-Berechnungen) weisen darauf hin, dass die Schaufeln 16 eine Umgebung schaffen könnten, die Flammenhalten fördert. Insbesondere durch die Vakuumseite 28 und/oder die Abströmkante 24 der Schaufeln 16 können Bereiche mit geringer Strömungsgeschwindigkeit oder Strömungsablösung entstehen, die Flammenhalten fördern. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sorgen für eine verbesserte Strömung und/oder eine Kontourierung der Düsenoberflächen, um das Auftreten von Flammenhalten zu reduzieren und im Fall von Flammenhalten eine Beschädigung der Düsenoberflächen zu vermindern und/oder zu verhindern. Auf diese Weise können durch verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit den Schaufeln 16 in Verbindung stehende Bereiche mit geringer Strömungsgeschwindigkeit reduziert werden, um das Potenzial für und/oder die Folgen von Flammenhalten in der Düse 10 zu verringern.
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Wie in 1 gezeigt, kann jede Schaufel 16 eine gekrümmte Oberfläche 38 aufweisen, die dem über die Schaufeln 16 strömenden Kraftstoff 34 und/oder Arbeitsfluid 30 Tangentialgeschwindigkeit bzw. Drall verleiht. Wie in 1 gezeigt, können die Schaufeln 16 weiter einen von dem Mantel 14 getrennten, radial außen liegenden Abschnitt 40 aufweisen. Der radial außen liegende Abschnitt 40 kann vom Mantel 14 weg gekrümmt oder kontouriert sein, so dass die Abströmkante 24 der Schaufel 16 sich von dem Mantel 14 aus radial nach innen verjüngt. Bei dieser Gestaltung können der Kraftstoff 34 und/oder das Arbeitsfluid 30 zwischen dem radial außen liegenden Abschnitt 40 und dem Mantel 14 strömen, so dass die Fluidströmung in dem Bereich mit Strömungsablösung an der Vakuumseite 28 und/oder nahe der Abströmkante 24 der Schaufeln 16 verstärkt wird.
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2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Zentralkörpers 12, des Mantels 14 und der Schaufeln 16 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser speziellen Ausführungsform verfügen die Schaufeln 16 im Allgemeinen über eine gerade Oberfläche, die in einem Winkel zu der axialen Mittellinie 18 verläuft, um über die Schaufeln 16 strömendem Kraftstoff 34 und/oder Arbeitsfluid 30 Tangentialgeschwindigkeit bzw. Drall zu verleihen. Die Schaufeln 16 umfassen wieder den von dem Mantel 14 getrennten, radial außen liegenden Abschnitt 40, der bereits mit Bezug auf die in 1 gezeigte Ausführungsform beschrieben wurde. Die Schaufeln verfügen zusätzlich über eine Öffnung 42, bzw. eine Passage oder ein Loch in dem radial außen liegenden Abschnitt 40 und/oder der Druck- und/oder der Vakuumseite 26, 28 der Schaufel 16. (Die Begriffe „Öffnung”, „Passage” und „Loch” werden in diesem Zusammenhang möglicherweise synonym verwendet.) 3 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung einer gekrümmten Schaufel 16, bei der die Öffnungen 42 in dem radial außen liegenden Abschnitt 40 sowie in der Druck- und der Vakuumseite 26, 28 zu sehen sind. Wie in 2 gezeigt, kann eine Passage 44 zwischen dem Mantel 14 und den Schaufeln 16 oder dem Zentralkörper 12 und den Schaufeln 16 als Strömungsverbindung für einen Fluidstrom 46 dienen, so dass dieser durch die Schaufeln 16 strömen und aus der Öffnung 42 in dem radial außen liegenden Abschnitt 40 austreten kann. Der Fluidstrom 46 kann zum Beispiel das Arbeitsfluid 30, Dampf, ein Inertgas, ein Verdünnungsmittel oder ein anderes, Durchschnittsfachleuten bekanntes Fluid umfassen. Auf diese Weise wird durch den Fluidstrom 46 eine zusätzliche Strömung über die Abströmkante 24 und/oder Druck- oder Vakuumseite 26, 28 der Schaufeln 16 bewirkt. Strömungsmechanische Berechnungen (CFD-Berechnungen) weisen außerdem darauf hin, dass durch die zusätzliche Strömung des Fluidstroms 46 durch die Öffnungen 42 in dem radial außen liegenden Abschnitt 40 und/oder der Druck- und Vakuumseite 26, 28 Bereiche geringer Zirkulation auf beiden Seiten der Abströmkante 24 der Schaufeln 16 reduziert werden können.
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4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Zentralkörpers 12, des Mantels 14 und der Schaufeln 16 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser speziellen Ausführungsform verfügen die Schaufeln 16 im Allgemeinen über eine gerade Oberfläche, die mit der axialen Mittellinie 18 fluchtet, um den über die Schaufeln 16 strömenden Kraftstoff 34 und/oder das Arbeitsfluid 30 zu leiten. Die Schaufeln 16 umfassen wieder den von dem Mantel 14 getrennten, radial außen liegenden Abschnitt 40, der bereits mit Bezug auf die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen beschrieben wurde. Die Schaufeln 16 verfügen außerdem wieder über die Öffnung 42 in dem radial außen liegenden Abschnitt 40, damit der Fluidstrom 46 durch die Schaufeln 16 strömen und eine zusätzliche Strömung an dem radial außen liegenden Abschnitt 40 und/oder der Abströmkante 24 der Schaufeln 16 bewirken kann.
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5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Zentralkörpers 12, des Mantels 14 und der Schaufeln 16 gemäß einer wiederum anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie bereits mit Bezug auf die in 1 gezeigte Ausführungsform beschrieben, umfasst jede Schaufel 16 im Allgemeinen eine gekrümmte Oberfläche 38, die dem über die Schaufeln 16 strömenden Kraftstoff 34 und/oder Arbeitsfluid 30 Tangentialgeschwindigkeit bzw. Drall verleiht. Anstatt aber den radial außen liegenden Abschnitt 40 aufzuweisen, der in den bisherigen Ausführungsformen vorhanden ist, verlaufen die Schaufeln 16 radial über die gesamte ringförmige Passage 20 zwischen dem Zentralkörper 12 und dem Mantel 14. Bei dieser speziellen Ausführungsform weist der Mantel 14 mehrere Öffnungen 48 in der Nähe der Vakuumseite 28 der gekrümmten Oberflächen 38 auf. Diese Öffnungen 48 können in einem Winkel in Richtung auf die Vakuumseite 28 der gekrümmten Oberflächen 38 verlaufen, um als Strömungsverbindung für den Fluidstrom 46 zu dienen, damit dieser gegen die gekrümmten Oberflächen 38 strömen kann. Auf diese Weise kann der Fluidstrom 46 die Bereiche geringer Geschwindigkeit aktivieren, so dass die Strömungsgeschwindigkeit dort zunimmt, um Flammenhalten an der Vakuumseite 28 der gekrümmten Oberflächen 38 zu reduzieren oder zu verhindern.
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Durch die zuvor beschriebenen und in den 1–5 gezeigten Ausführungsformen wird weiter ein Verfahren zur Verbesserung der Strömung durch die Düse 10 zur Verfügung gestellt. Das Verfahren kann das Leiten des Kraftstoffs 34 durch den Zentralkörper 12 und/oder die Schaufeln 16 und das Leiten des Fluidstroms 46 über die Schaufeln 16 umfassen, wie es zum Beispiel in den 3 und 5 gezeigt wird. Das Verfahren kann weiter das Leiten des Fluidstroms 46 zwischen den radial außen liegenden Abschnitt 40 der Schaufeln 16 und den Mantel 14 umfassen, wie es zum Beispiel in den 2 und 4 gezeigt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Verfahren das Leiten des Fluidstroms 46 durch die Öffnung 42 in dem radial außen liegenden Abschnitt 40 und/oder das Leiten des Fluidstroms 46 durch den Mantel 14 und gegen die Vakuumseite 28 der Schaufeln 16 umfassen.
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In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele zur Offenbarung der Erfindung verwendet – darunter die bevorzugte (beste) Ausführungsform (best mode) – die auch dazu dienen sollen, alle Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung anzuwenden, eingeschlossen die Herstellung und Verwendung jeder Vorrichtung oder jedes Systems sowie die Durchführung jedes enthaltenen Verfahrens. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, wie sie Fachleuten einfallen könnten. Derartige andere Beispiele sollen in dem Schutzbereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn diese Beispiele strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zur wörtlichen Bedeutung der Ansprüche aufweisen.
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Eine Düse 10 umfasst einen Zentralkörper 12, der eine axiale Mittellinie 18 definiert, und einen Mantel 14, der der in Umfangsrichtung zumindest einen Teil des Zentralkörpers 12 umgibt, wodurch eine ringförmige Passage 20 zwischen dem Zentralkörper 12 und dem Mantel 14 definiert wird. Mehrere Schaufeln 16 zwischen dem Zentralkörper 12 und dem Mantel 14 umfassen einen radial außen liegenden Abschnitt 40, der von dem Mantel 14 getrennt ist. Ein Verfahren zur Verbesserung der Strömung durch eine Düse 10 umfasst das Leiten eines Kraftstoffs 34 durch einen Zentralkörper 12 und das Leiten eines Fluidstroms 46 über eine Schaufel 16, die sich zwischen dem Zentralkörper 12 und einem Mantel 14 befindet, der zumindest einen Teil des Zentralkörpers 12 umschließt. Das Verfahren umfasst weiter das Leiten des Fluidstroms 46 zwischen einen radial außen liegenden Abschnitt 40 der Schaufel 16 und den Mantel 14, wobei der radial außen liegende Abschnitt 40 der Schaufel 16 von dem Mantel 14 getrennt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Düse
- 12
- Zentralkörper
- 14
- Mantel
- 16
- Schaufeln
- 18
- Axiale Mittellinie
- 20
- Ringförmige Passage
- 22
- Anströmkante der Schaufeln
- 24
- Abströmkante der Schaufeln
- 26
- Druckseite der Schaufeln
- 28
- Vakuumseite der Schaufeln
- 30
- Arbeitsfluid
- 32
- Plenum
- 34
- Kraftstoff
- 36
- Kraftstofföffnungen
- 38
- Gekrümmte Oberfläche
- 40
- Radial außen liegender Abschnitt
- 42
- Öffnung in dem radial außen liegendem Abschnitt
- 44
- Passage in dem Mantel
- 46
- Fluidstrom
- 48
- Öffnungen in dem Mantel
