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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detonationsbrennkammer, ein Flugtriebwerk mit einer solchen Detonationsbrennkammer sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Detonationsbrennkammer.
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Detonationstriebwerke („Pulse Detonation (Wave) Engines“, PD(W)E) sind derzeit Gegenstand theoretischer und experimenteller Forschung. Im Gegensatz zu heute üblichen Turbojets oder Turbofans wird hier ein Gas-Treibstoff-Gemisch in der Regel nicht kontinuierlich subsonisch verbrannt, sondern, vorzugsweise supersonisch und/oder periodisch, detoniert. Durch die in Durchströmungsrichtung austretenden Detonationswellen kann ein Flugzeug angetrieben werden.
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Eine Ausbreitung von Detonationswellen entgegen der Durchströmungsrichtung kann den Prozess verschlechtern, beispielsweise eine Wiederbefüllung einer Detonationskammer mit neuem Gas bzw. Gas-Treibstoff-Gemisch verzögern und/oder den Schub verringern.
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Mechanische Ventile zur Verhinderung einer Ausbreitung von Detonationswellen entgegen der Durchströmungsrichtung können nachteilig den apparativen Aufwand erhöhen und/oder für höhere Detonationsfrequenzen von über 100 kHz ungeeignet sein.
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Daher schlägt die
EP 1 741 916 A2 , auf die insbesondere zum grundlegenden Prinzip von Detonationstriebwerken ergänzend Bezug genommen und deren Inhalt ausdrücklich in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird, ein integriertes Ventil vor, welches stromaufwärts vor einer Detonationskammer angeordnet ist. Detonationswellen, die sich entgegen der Durchströmungsrichtung ausbreiten, werden durch dieses Ventil stromaufwärts vor der Detonationskammer in zwei Ströme aufgeteilt, die weiter stromaufwärts zusammengeführt werden und so eine Ausbreitung von Detonationswellen entgegen der Durchströmungsrichtung in eine Gaszufuhrpassage verhindern sollen.
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Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Detonationsbrennkammer zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Detonationsbrennkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 12, 13 stellen ein Flugtriebwerk mit einer erfindungsgemäßen Detonationsbrennkammer bzw. ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Detonationsbrennkammer unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Detonationsbrennkammer nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen ersten Detonationsraum sowie eine Gaszufuhrpassage auf, die mit dem ersten Detonationsraum kommuniziert und stromaufwärts von dem ersten Detonationsraum angeordnet ist. In einer Ausführung mündet die Gaszufuhrpassage in den ersten Detonationsraum.
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Die Detonationsbrennkammer weist weiter einen zweiten Detonationsraum und eine Sperrpassage auf, die mit diesem zweiten Detonationsraum kommuniziert und einen Austritt in die Gaszufuhrpassage aufweist.
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Der Austritt, insbesondere eine Mittelachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandbereichen der Sperrpassage, die sich von der Gaszufuhrpassage in Richtung der Sperrpassage um wenigstens 1% und/oder höchstens 5% von deren Länge erstrecken, d.h. eine Mittelachse eines austrittsnahen Bereichs der Sperrpassage, schließt in einer Ausführung mit einer Durchströmungsrichtung der Gaszufuhrpassage, insbesondere einer Mittelachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandbereichen der Gaszufuhrpassage auf Höhe des Austritts, einen Winkel ein, der wenigstens 15° und höchstens 100° beträgt. In einer Ausführung beträgt der Winkel wenigstens 25°, insbesondere wenigstens 35°, und/oder höchstens 90°, insbesondere höchstens 75°. Wenn der Austritt in einer Ausführung als Düse, insbesondere Ringdüse, ausgebildet ist, schließt eine Düsenachse mit der Durchströmungsrichtung den entsprechenden Winkel ein.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung breitet eine Detonationswelle sich aus dem zweiten Detonationsraum durch die mit diesem kommunizierende Sperrpassage in die Gaszufuhrpassage aus und wirkt einer Ausbreitung von Detonationswellen aus dem ersten und/oder zweiten Detonationsraum entgegen der Durchströmungsrichtung entgegen.
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In einer Ausführung breitet die Detonationswelle sich aus dem zweiten Detonationsraum auch in den ersten Detonationsraum aus. Sie kann dort eine weitere Detonation bewirken und/oder sich in dem ersten Detonationsraum entfalten, dessen Volumen insbesondere hierzu in einer Ausführung wenigstens das Vierfache, insbesondere wenigstens das Zehnfache des Volumens des zweiten Detonationsraums beträgt. In einer Ausführung weist der zweite Detonationsraum ein Zündmittel zum Auslösen einer Detonation auf. Das Zündmittel kann insbesondere eine externe Zündquelle, insbesondere eine Funkenentladung, einen Laserpuls, eine Wärmequelle oder einen Plasmazünder aufweisen bzw. hierzu eingerichtet sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Zündmittel auch eine interne Zündquelle, insbesondere eine Detonationswellenfokussierung, Selbstzündung oder dergleichen aufweisen bzw. hierzu eingerichtet sein. Der erste und/oder zweite Detonationsraum können eine Treib- bzw. Brennstoffzufuhr aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann Brennstoff vor und/oder in der Gaszufuhrpassage zugeführt werden. Entsprechend wird zur kompakteren Darstellung auch ein Gas-Treibstoff-Gemisch und Frischluft jeweils als Gas bezeichnet.
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Der erste und/oder zweite Detonationsraum kann in einer Ausführung kammer-, insbesondere rohrartig ausgebildet sein. Daher wird nachfolgend der erste Detonationsraum auch als Hauptdetonationskammer bezeichnet, der zweite Detonationsraum als Zünddetonationskammer, ohne dass hieraus irgendeine Einschränkung resultiert.
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In einer Ausführung ist der erste Detonationsraum stromabwärts von dem zweiten Detonationsraum angeordnet. Die Bezeichnung „stromabwärts“ bezieht sich auf die (Haupt)Durchströmungsrichtung der Detonationsbrennkammer bzw. von der Gaszufuhrpassage zum ersten Detonationsraum und durch diesen hindurch. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Detonationsraum mit dem zweiten Detonationsraum kommunizieren. Hierdurch kann in einer Ausführung eine Detonationswelle sich von dem zweiten in den ersten Detonationsraum ausbreiten und in einer Weiterbildung in diesem entfalten und/oder eine weitere Detonation auslösen. Durch die, vorzugsweise entgegen der Durchströmungsrichtung gepfeilte, Sperrpassage, die mit dem stromaufwärtigen zweiten Detonationsraum kommuniziert, wird eine Ausbreitung von Detonationswellen aus dem ersten und/oder zweiten Detonationsraum entgegen der Durchströmungsrichtung reduziert, vorzugsweise – wenigstens im Wesentlichen – verhindert.
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In einer Ausführung verbindet eine Verbindungspassage den ersten Detonationsraum mit dem zweiten Detonationsraum, wobei die Sperrpassage von dieser Verbindungspassage abzweigt. Die Verbindungspassage kann sich gegenüber dem zweiten Detonationsraum erweitern und so eine Ausbreitung und/oder Aufteilung bzw. -spaltung von Detonationswellen aus dem zweiten Detonationsraum zum ersten Detonationsraum und zur Sperrpassage hin begünstigen.
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In einer Ausführung weist die Detonationsbrennkammer eine weitere Sperrpassage auf, die einen Austritt in die Gaszufuhrpassage aufweist, welcher zur Unterscheidung von dem Austritt der Sperrpassage, die mit dem zweiten Detonationsraum kommuniziert, entsprechend als weiterer Austritt bezeichnet wird. Der weitere Austritt, insbesondere eine Mittelachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandbereichen der weiteren Sperrpassage, die sich von der Gaszufuhrpassage in Richtung der weiteren Sperrpassage um wenigstens 1% und/oder höchstens 5% von deren Länge erstrecken, d.h. eine Mittelachse eines austrittsnahen Bereichs der weiteren Sperrpassage, schließt in einer Ausführung mit einer Durchströmungsrichtung der Gaszufuhrpassage, insbesondere einer Mittelachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandbereichen der Gaszufuhrpassage auf Höhe des weiteren Austritts, einen Winkel ein, der wenigstens 15° und höchstens 100° beträgt. In einer Ausführung beträgt der Winkel wenigstens 25°, insbesondere wenigstens 35°, und/oder höchstens 90°, insbesondere höchstens 75°. Wenn der weitere Austritt in einer Ausführung als Düse, insbesondere Ringdüse, ausgebildet ist, schließt eine Düsenachse mit der Durchströmungsrichtung den entsprechenden Winkel ein.
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Hierdurch kann auch eine Detonationswelle aus dem ersten Detonationsraum durch die weitere Sperrpassage entgegen der Durchströmungsrichtung zurückgeführt und in die Gaszufuhrpassage derart eingeführt werden, dass sie einer Ausbreitung von Detonationswellen aus dem ersten Detonationsraum entgegen der Durchströmungsrichtung entgegenwirkt.
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Insbesondere hierzu kommuniziert die weitere Sperrpassage in einer Ausführung mit dem ersten Detonationsraum über eine Eintrittsanordnung, die stromabwärts von dem weiteren Austritt angeordnet ist. Die Eintrittsanordnung kann einen oder mehrere Eintrittsschlitze und/oder Löcher aufweisen. In einer Ausführung bildet eine Außenfläche einer Gehäusewand, deren Innenfläche den ersten Detonationsraum definiert, eine Wand der weiteren Sperrpassage. Hierdurch kann in einer Ausführung eine sehr kompakte Konstruktion zur Verfügung gestellt werden.
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In einer Ausführung ist die Gaszufuhrpassage ringartig ausgebildet. Hierdurch kann in einer Ausführung eine Drehachse eines Flugtriebwerks, insbesondere einer oder mehrerer der Detonationsbrennkammer vorgelagerter Verdichterstufen, hindurchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Gaszufuhrpassage zum ersten Detonationsraum hin divergieren bzw. einen Querschnitt aufweisen, der sich zum ersten Detonationsraum hin erweitert, was insbesondere für die Detonationscharakteristik vorteilhaft sein kann.
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In einer Ausführung konvergiert die Sperrpassage, die mit dem zweiten Detonationsraum kommuniziert, und/oder die weitere Sperrpassage, die mit dem ersten Detonationsraum kommuniziert, düsenartig zur Gaszufuhrpassage hin. Hierdurch kann in einer Ausführung die Sperrwirkung einer Detonationswelle, die sich durch den (weiteren) Austritt der (weiteren) Sperrpassage in die Gaszufuhrpassage hin ausbreitet, verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Austritt der Sperrpassage, die mit dem zweiten Detonationsraum kommuniziert, und/oder der weitere Austritt der weiteren Sperrpassage, die mit dem ersten Detonationsraum kommuniziert, ringartig bzw. umlaufend ausgebildet sein, insbesondere, um so in einer Ausführung, wenigstens im Wesentlichen, über dem gesamten Umfang der Gaszufuhrpassage die Sperrwirkung zu entfalten.
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In einer Ausführung ist der zweite Detonationsraum in einer Nabe angeordnet, deren Außenmantel eine Innenwand der Gaszufuhrpassage definiert. Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft eine kompakte Bauform erreicht werden.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Flugtriebwerk wenigstens eine Detonationsbrennkammer auf, wie sie vorstehend erläutert wurde. Deren Gaszufuhrpassage kommuniziert mit einem Lufteinlass des Flugtriebwerks. Die Gaszufuhrpassage kann direkt mit dem Lufteinlass kommunizieren. Gleichermaßen kann die Gaszufuhrpassage indirekt mit dem Lufteinlass kommunizieren, insbesondere über eine oder mehrere Verdichterstufen zum Verdichten von der Gaszufuhrpassage zuzuführendem bzw. zugeführtem Gas, insbesondere Luft. Ein Gasauslass des Flugtriebwerks kommuniziert in einer Ausführung direkt oder indirekt, insbesondere über eine oder mehrere Turbinenstufen mit dem ersten Detonationsraum dieser Detonationsbrennkammer. In einer Weiterbildung weist das Flugtriebwerk zwei oder mehr Detonationsbrennkammern auf, von denen wenigstens eine in vorstehend erläuterter Weise ausgebildet ist. Diese können in einer Ausführung parallel oder in Serie geschaltet sein. Entsprechend kann eine Gaszufuhrpassage einer Detonationsbrennkammer mit einem ersten Detonationsraum einer weiteren, ihr vorgeschalteten Detonationsbrennkammer und somit indirekt mit einem Lufteinlass des Flugtriebwerks kommunizieren. Umgekehrt kann ein erster Detonationsraum einer Detonationsbrennkammer mit einer Gaszufuhrpassage einer weiteren, ihr nachgeschalteten Detonationsbrennkammer und somit indirekt mit einem Gasauslass des Flugtriebwerks kommunizieren.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige:
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1 eine Detonationsbrennkammer eines Flugtriebwerks nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Detonationsbrennkammer eines Flugtriebwerks nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem oberen Halbschnitt.
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Die Detonationsbrennkammer weist einen ersten Detonationsraum in Form einer rohrartigen Hauptdetonationskammer 8 sowie eine Gaszufuhrpassage 1 auf, die in die Hauptdetonationskammer mündet und stromaufwärts von dieser angeordnet ist (links in 1). Die Gaszufuhrpassage ist ringartig ausgebildet und divergiert zum ersten Detonationsraum hin.
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Die Detonationsbrennkammer weist weiter einen zweiten Detonationsraum in Form einer rohrartigen Zünddetonationskammer 3 auf. Die Zünddetonationskammer ist in einer Nabe 2 angeordnet, deren Außenmantel eine Innenwand der Gaszufuhrpassage 1 definiert. Sie ist stromaufwärts von der Hauptdetonationskammer 8 angeordnet und kommuniziert mit dieser über eine Verbindungspassage 4, die sich gegenüber der Zünddetonationskammer erweitert. Das Volumen der Hauptdetonationskammer beträgt im Ausführungsbeispiel wenigstens das Zehnfache des Volumens der Zünddetonationskammer.
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Die Zünddetonationskammer 3 weist ein Zündmittel zum Auslösen einer Detonation auf (nicht dargestellt). Haupt- und/oder Zünddetonationskammer können eine Treib- bzw. Brennstoffzufuhr aufweisen, zusätzlich oder alternativ kann Brennstoff vor und/oder in der Gaszufuhrpassage 1 zugeführt werden (ebenfalls nicht dargestellt).
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Von der Verbindungspassage 4 zweigt eine Sperrpassage ab, die durch die Nabe 2 und einen Ring 6 definiert ist. Die ringartige Sperrpassage kommuniziert über die Verbindungspassage 4 mit der Zünddetonationskammer 3 und weist einen Austritt in Form einer konvergierenden Ringdüse 5 in die Gaszufuhrpassage auf.
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Eine Mittelachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandbereichen (links, rechts in 1) der Sperrpassage, die sich von der Gaszufuhrpassage in Richtung der Sperrpassage um 5% von deren Länge erstrecken, d.h. eine Mittelachse eines austrittsnahen Bereichs der Sperrpassage bzw. eine Düsenachse der Ringdüse 5, schließt mit einer Durchströmungsrichtung D der Gaszufuhrpassage, insbesondere einer Mittelachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandbereichen (oben, unten in 1) der Gaszufuhrpassage auf Höhe des Austritts, einen Winkel α ein, der im Ausführungsbeispiel etwa 40° beträgt.
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Die Detonationsbrennkammer weist eine weitere ringartige Sperrpassage 12 auf, die einen weiteren Austritt in Form einer konvergierenden Ringdüse 13 in die Gaszufuhrpassage 1 aufweist. Eine Mittelachse eines austrittsnahen Bereichs der weiteren Sperrpassage 12 bzw. eine Düsenachse der Ringdüse 13 schließt mit der Durchströmungsrichtung D der Gaszufuhrpassage auf Höhe des weiteren Austritts einen Winkel β ein, der im Ausführungsbeispiel etwa 60° beträgt.
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Die weitere Sperrpassage 12 kommuniziert mit der Hauptdetonationskammer über eine Eintrittsanordnung, die stromabwärts von dem weiteren Austritt 13 angeordnet ist und mehrere Eintrittsschlitze und/oder Löcher 9, 10 aufweist. Eine Außenfläche einer Gehäusewand 7, deren Innenfläche den ersten Detonationsraum 8 definiert, bildet eine Wand der weiteren Sperrpassage 12, eine Außenwand 11 die gegenüberliegende Wand der weiteren Sperrpassage. Anordnung und Ausbildung der Eintrittsanordnung sind auf die Detonationscharakteristik abgestimmt, insbesondere entsprechend der Chapman-Jouget-Detonationstheorie. Im Ausführungsbeispiel weist die Eintrittsanordnung einen ringartigen Haupteintritt 9 und mehrere Abstimmeintritte 10 auf, die zur Abstimmung der weiteren Sperrpassage auf die Detonationscharakteristik ausgebildet und angeordnet sind.
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Eine Detonationswelle breitet sich aus der Zünddetonationskammer 3 über die Verbindungspassage 4 durch die Sperrpassage und deren Ringdüse 5 in die Gaszufuhrpassage 1 aus und wirkt einer Ausbreitung von Detonationswellen aus der Hauptdetonationskammer 8 entgegen der Durchströmungsrichtung D entgegen. Die Detonationswelle breitet sich aus der Zünddetonationskammer 3 auch in die Hauptdetonationskammer 8 aus. Sie kann dort eine weitere Detonation bewirken und/oder sich entfalten
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Eine Detonationswelle aus der Hauptdetonationskammer 8 wird durch die weitere Sperrpassage 12 entgegen der Durchströmungsrichtung D zurückgeführt und durch die Ringdüse 13 in die Gaszufuhrpassage 1 derart eingeführt, dass auch sie einer Ausbreitung von Detonationswellen aus der Hauptdetonationskammer 8 entgegen der Durchströmungsrichtung D entgegenwirkt.
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Die Gaszufuhrpassage 1 kann direkt oder über eine oder mehrere Verdichterstufen und/oder vorgeschaltete weitere Detonationsbrennkammern mit einem Lufteinlass des Flugtriebwerks kommunizieren (nicht dargestellt). Die Hauptdetonationskammer 8 kann direkt oder über eine oder mehrere Turbinenstufen und/oder nachgeschaltete weitere Detonationsbrennkammern mit einem Gasauslass des Flugtriebwerks kommunizieren (ebenfalls nicht dargestellt).
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gaszufuhrpassage
- 2
- Nabe
- 3
- Zünddetonationskammer (zweiter Detonationsraum)
- 4
- Verbindungspassage
- 5
- Ringdüse (Austritt)
- 6
- Ring
- 7
- Gehäusewand
- 8
- Hauptdetonationskammer (erster Detonationsraum)
- 9
- Haupteintritt
- 10
- Abstimmeintritt
- 11
- Außenwand
- 12
- weitere Sperrpassage
- 13
- Ringdüse (weiterer Austritt)
- D
- Durchströmungsrichtung
- α
- Winkel Austritt/Durchströmungsrichtung
- β
- Winkel weiterer Austritt/Durchströmungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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