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Die
Erfindung betrifft einen Einspritzkopf für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
sind Einspritzköpfe
für Flüssigkeitsraketentriebwerke
bekannt, bei denen eine Anzahl von ersten Einspritzbohrungen zum
Einspritzen von Treibstoffstrahlen einer ersten Treibstoffkomponente in
die Brennkammer des Raketentriebwerks und eine Anzahl von zweiten
Einspritzbohrungen zum Einspritzen von Treibstoffstrahlen einer
zweiten Treibstoffkomponente in die Brennkammer des Raketentriebwerks
vorgesehen sind, wobei eine gegenseitige Vermischung der Treibstoffkomponenten
erfolgt.
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Der
Einspritzkopf des Raketentriebwerks hat die Aufgabe, eine vollständige Verbrennung
des Treibstoffs bei geringem Brennkammervolumen durch gute Gemischaufbereitung
zu gewährleisten, für ein homogenes
Verbrennungsgasgemisch, eine hohe Verbrennungsstabilität und möglichst
geringe Einspritzdruckverluste zu sorgen. Weiterhin soll ein unzulässig hoher
Wärmeeintrag
an den Wänden
von Brennkammer und Triebwerksdüse
vermieden werden. Die Herstellkosten sollen möglichst gering sein.
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Aus
George P. Sutton, Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements, Seventh
Edition, pp. 271 bis 276 sind verschiedene Arten von Einspritzköpfen für Flüssigkeitsraketentriebwerke
bekannt, darunter solche, die nach Koaxial-, Drall- oder Prallstrahleinspritzverfahren
arbeiten. Diese Typen von Einspritzköpfen haben den Nachteil, dass
sich in der Brennkammer Treibstoffsträhnen ausbilden können, in
denen entweder durch Brennstoffüberschuss
eine fette Verbrennung oder durch Oxidatorüberschuss eine magere Verbrennung
vorherrscht. Eine solche Strähnenbildung
beeinträchtigt
einerseits den Ausbrenngrad, d.h. den Gütegrad der Verbrennung und
andererseits können
magere Strähnen
zu Heißgaskorrosion
oder zu punktuellen Übertemperaturen,
sogenannten „Hot
Spots", an der Brennkammerwand
führen,
mit der möglichen
Folge einer Zerstörung
der Brennkammer. Strähnen
mit Brennstoffüberschuss können, wenn
es sich um einen thermisch zersetzbaren Brennstoff handelt, zu lokalen
Druckspitzen führen,
die hochfrequente Verbrennungsinstabilitäten verursachen können.
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Weiterhin
sind als eine der ältesten
Bauarten nach dem sogenannten Parallelstrahl-Brausekopf-Einspritzverfahren
arbeitende Einspritzköpfe bekannt,
welche in der Lage sind, eine strähnenfreie gleichmäßige Gemischbildung
von Oxidator und Brennstoff sowohl in axialer Richtung, d.h. in
Richtung der Strömung
der Verbrennungsgase, als auch in radialer Richtung, also quer dazu,
zu liefern. Hierbei sind Anordnungen bekannt, bei denen die Einspritzbohrungen
für Brennstoff
bzw. Oxidator abwechselnd in Schachbrettform, in zirkularer Form oder
in Wabenform angeordnet sind. Ein Nachteil bei den bisher bekannten
Parallelstrahl-Brausekopf-Einstellspritzköpfen besteht jedoch darin,
dass zum Erreichen eines hohen Verbrennungswirkungsgrads und einer
hohen Leistung recht große
Brennkammerlängen
erforderlich sind. Dies ist im wesentlichen Folge davon, dass durch
das parallele Einspritzen von Brennstoff und Oxidator beide Komponenten
erst allmählich
in Kontakt kommen und so deren Reaktion erst nach einer verhältnismäßig großen Wegstrecke zustande
kommt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es einen Einspritzkopf für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk
anzugeben, mit welchem es möglich
ist, bereits bei einer geringen Brennkammerlänge eine vollständige, gleichmäßige und
stabile Verbrennung zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Einspritzkopf für
ein Flüssigkeitsraketentriebwerk
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Einspritzkopfs sind in
den Unteransprüchen
angegeben.
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Durch
die Erfindung wird ein Einspritzkopf für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk mit
einer Anzahl von ersten Einspritzbohrungen und mit einer Anzahl
von zweiten Einspritzbohrungen zum Einspritzen von Treibstoffstrahlen
einer ersten Treibstoffkomponente bzw. einer zweiten Treibstoffkomponente
in die Brennkammer des Raketentriebwerks unter gegenseitiger Vermischung
der Treibstoffkomponenten geschaffen. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass die ersten Einspritzbohrungen zum Einspritzen von Treibstoffstrahlen
der ersten Treibstoffkomponente mit großem Impuls vorgesehen sind
und die zweiten Einspritzbohrungen zum Einspritzen von Treibstoffstrahlen
der zweiten Treibstoffkomponente mit kleinem Impuls vorgesehen sind,
und dass die ersten und zweiten Einspritzbohrungen zueinander so
angeordnet sind, dass eine Beimischung der zweiten Treibstoffkomponente
zu der ersten Treibstoffkomponente unter Ejektorwirkung der die
ersten Einspritzbohrungen verlassenden Treibstoffstrahlen der ersten
Treibstoffkomponente erfolgt.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Einspritzkopfs ist es,
dass durch das parallele Einspritzen der beiden Treibstoffkomponenten,
also von Treibstoff und Oxidator, eine Vermischung der Treibstoffe
typischerweise nicht in der Flüssigphase, sondern
erst in der gasförmigen
Phase erfolgt, wodurch hochfrequente Verbrennungsstabilitäten vermieden
werden. Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Qualität des Einspritzkopfs
relativ unempfindlich gegenüber
Herstellungstoleranzen bei den einzelnen Einspritzbohrungen ist,
d.h. durch die große
Anzahl von Einspritzbohrungen eine Maßabweichung einzelner Bohrungen
im Verbund nur eine untergeordnete Rolle spielt und damit meist
vernachlässigt werden kann.
Dies ist vorteilhaft in Bezug auf Aufwand und Kosten der Herstellung.
Ein weiterer großer
Vorteil des erfindungsgemäßen Einspritzkopfs
ist es, dass mit diesem ein hoher Verbrennungswirkungsgrad des Flüssigkeitsraketentriebwerks
aufgrund einer hohen charakteristischen Geschwindigkeit und damit eine
hohe spezifische Leistung des Triebwerks erreicht werden kann. Schließlich ist
es ein wesentlicher Vorteil, dass aufgrund einer geringeren Anfälligkeit
für punktuelle Überhitzungen
der Betriebsbereich des Raketentriebwerks stark erweitert werden
kann. Weiterhin kann im Vergleich zu anderen Einspritzverfahren
das Triebwerk mit wesentlich niedrigeren Einspritzdrücken noch
absolut stabil betrieben werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Einspritzkopfs
ist es vorgesehen, dass die ersten Einspritzbohrungen einen zum
Erzeugen der Treibstoffstrahlen der ersten Treibstoffkomponente
mit großem
Impuls vorgesehenen kleinen Strömungsquerschnitt
aufweisen und die zweiten Einspritzbohrungen einen zum Erzeugen
der Treibstoffstrahlen der zweiten Treibstoffkomponente mit kleinem
Impuls vorgesehenen großen
Strömungsquerschnitt
aufweisen.
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Vorzugsweise
münden
die ersten Einspritzbohrungen und die zweiten Einspritzbohrungen
an der Oberfläche
einer den Einspritzkopf brennraumseitig begrenzenden Einspritzplatte.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Einspritzkopfs ist
es vorgesehen, dass die zweiten Einspritzbohrungen an der Oberfläche der
Einspritzplatte einen ersten Bereich mit einem zum Erzeugen der
Treibstoffstrahlen der zweiten Treibstoffkomponente mit kleinem
Impuls vorgesehenen großen
Strömungsquerschnitt
und stromaufwärts
bezüglich
der Flussrichtung der zweiten Treibstoffkomponente einen zweiten
Bereich mit einem kleinen Strömungsquerschnitt
aufweist. Der bei den zweiten Einspritzbohrungen vorhandene zweite
Bereich mit kleinem Strömungsquerschnitt
dient in vorteilhafter Weise zum Erzeugen eines der hydraulischen
Entkopplung von Treibstofffördersystem
und Brennkammer zugutekommenden großen Einspritzdruckgefälles.
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Die
Einspritzbohrungen sind vorzugsweise mit ihren Achsen parallel zueinander
angeordnet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Einspritzkopfs
ist es vorgesehen, dass die ersten Einspritzbohrungen und die zweiten
Einspritzbohrungen abwechselnd angeordnet sind.
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Die
ersten Einspritzbohrungen und die zweiten Einspritzbohrungen können schachbrettartig
abwechselnd angeordnet sein.
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Alternativ
können
die ersten Einspritzbohrungen und die zweiten Einspritzbohrungen
zirkular abwechselnd angeordnet sein.
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Gemäß noch einer
anderen Alternative können
die ersten Einspritzbohrungen und die zweiten Einspritzbohrungen
wabenförmig
abwechselnd angeordnet sein.
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Gemäß vorteilhafter
Bemessungen des erfindungsgemäßen Einspritzkopfs
ist es vorgesehen, dass die ersten Einspritzbohrungen einen Durchmesser
von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,05 bis 0,15 mm aufweisen.
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Gemäß weiteren
vorteilhaften Bemessungen des erfindungsgemäßen Einspritzkopfs ist es vorgesehen,
dass die zweiten Einspritzbohrungen einen Durchmesser von 0,2 bis
2 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 1,2 mm aufweisen.
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Schließlich ist
es vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Abstand zwischen den
ersten Einspritzbohrungen und den zweiten Einspritzbohrungen kleiner
als 2 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm ist.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Einspritzkopfs
für ein
Flüssigkeitsraketentriebwerk
anhand der Zeichnung erläutert.
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Es
zeigt:
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1a)
und b) in der Draufsicht bzw. in einer teilweisen seitlichen Schnittansicht
einen Einspritzkopf für
ein Flüssigkeitsraketentriebwerk
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 einen
nochmals vergrößerten Ausschnitt
aus 1b) zur Erläuterung
des Effekts einer zur Vermischung der Treibstoffkomponenten genutzten
Ejektorwirkung bei der vorliegenden Erfindung;
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3 zum
Vergleich eine Darstellung ähnlich 2 für ein herkömmliches
Parallelstrahl-Einspritzverfahren nach dem Stand der Technik;
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4a) bis c) in der Draufsicht verschiedene mögliche Anordnungen
für die
Einspritzbohrungen des erfindungsgemäßen Einspritzkopfs in schematisierter
Darstellung und
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5 schematisch
die Möglichkeiten
einer Skalierung des Einspritzkopfs durch Variation der Anzahl der
Einspritzbohrungen bei gleichbleibender Dimensionierung der Bohrungen.
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In 1a)
und b) ist ein Einspritzkopf 1 für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk gezeigt.
Der Einspritzkopf 1 verfügt über eine Anzahl von ersten
Einspritzbohrungen 3 zum Einspritzen von Treibstoffstrahlen
einer ersten Treibstoffkomponente und über eine Anzahl von zweiten
Einspritzbohrungen 4 zum Einspritzen von Treibstoffstrahlen
einer zweiten Treibstoffkomponente in die Brennkammer 8 des
Raketentriebwerks, welche in der Figur lediglich angedeutet ist.
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Die
erste Treibstoffkomponente kann ein Brennstoff sein, die zweite
Treibstoffkomponente kann ein Oxidator sein oder umgekehrt.
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Die
ersten Einspritzbohrungen 3 und die zweiten Einspritzbohrungen 4 münden an
der Oberfläche 2a einer
den Einspritzkopf 1 zum Brennraum 8 hin begrenzenden
Einspritzplatte 2. Die ersten Einspritzbohrungen 3 haben
einen verhältnismäßig kleinen
Strömungsquerschnitt,
so dass die Treibstoffstrahlen der ersten Treibstoffkomponente mit großer Geschwindigkeit
und damit mit großem
Impuls aus den ersten Einspritzbohrungen 3 ausgestoßen werden.
Demgegenüber
haben die zweiten Einspritzbohrungen 4 einen verhältnismäßig großen Strömungsquerschnitt,
so dass die Treibstoffstrahlen der zweiten Treibstoffkomponente
mit verhältnismäßig kleiner
Geschwindigkeit und damit verhältnismäßig kleinem
Impuls aus den zweiten Einspritzbohrungen 4 ausgestoßen werden.
Die ersten und zweiten Einspritzbohrungen 3, 4 sind
zueinander so angeordnet, dass eine Beimischung der zweiten Treibstoffkomponente,
die die zweiten Einspritzbohrungen 4 mit kleinem Impuls
verlässt,
unter Ejektorwirkung der die ersten Einspritzbohrungen 3 mit
großem
Impuls verlassenden Treibstoffstrahlen der ersten Treibstoffkomponente
zu der letztgenannten erfolgt.
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Wie 1b)
zeigt, sind die ersten und zweiten Einspritzbohrungen 3, 4 mit
ihren Achsen parallel zueinander und jeweils abwechselnd angeordnet, wobei
in dem in 1a) dargestellten Ausführungsbeispiel
eine schachbrettartige abwechselnde Anordnung der ersten Einspritzbohrungen 3 und
der zweiten Einspritzbohrungen 4 vorgesehen ist.
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Wie 2 zeigt,
haben die zweiten Einspritzbohrungen 4 an der Oberfläche 2a der
Einspritzplatte 2 einen ersten Bereich 5 mit einem
großen
Strömungsquerschnitt,
der zum Erzeugen der Treibstoffstrahlen der zweiten Treibstoffkomponente
mit kleinem Impuls vorgesehen ist, und stromaufwärts bezüglich der Flussrichtung der
zweiten Treibstoffkomponente, also von der Oberfläche 2a der
Einspritzplatte 2 weg, einen zweiten Bereich 6 mit
einem kleinen Strömungsquerschnitt,
der zum Erzeugen eines zur hydraulischen Entkopplung von Treibstoffförderung
und Brennkammer dienenden großen
Einspritzdruckgefälles
und damit zur Stabilisierung der Verbrennung vorgesehen ist. Die
zweiten Einspritzbohrungen 4 können durch einen Düseneinsatz 7 verwirklicht
sein.
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Demgegenüber zeigt 3 eine
Anordnung von ersten und zweiten Einspritzbohrungen 3', 4' eines Einspritzkopfs
nach einem herkömmlichen
Parallelstrahl-Brausekopf-Einspritzverfahren gemäß dem Stand der Technik. Hier
haben die ersten und zweiten Einspritzbohrungen 3', 4' im wesentlichen
den gleichen Strömungsquerschnitt
und es findet keine Vermischung der Komponenten unter Ejektorwirkung wie
bei der Erfindung statt.
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Wieder
zurückkehrend
zu der vorliegenden Erfindung, die ersten Einspritzbohrungen 3 können einen
Durchmesser von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,05 bis 0,15
mm aufweisen, die zweiten Einspritzbohrungen 4 können einen
Durchmesser von 0,2 bis 2 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 1,2 mm aufweisen.
Dies sind Bemessungen, die für
die meisten Anwendungsfälle
vorteilhaft sind, es sind jedoch auch Bemessungen außerhalb
dieser Bereiche möglich.
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Der
Abstand zwischen den ersten Einspritzbohrungen 3 und den
zweiten Einspritzbohrungen 4 ist vorzugsweise kleiner als
2 mm, insbesondere kleiner als 1 mm, wobei der Abstand jeweils zwischen den
Mittelachsen der jeweiligen Einspritzbohrungen 3, 4,
gemessen ist.
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Die 4a) bis c) zeigen schematisiert verschiedene
Arten der abwechselnden Anordnung von ersten Einspritzbohrungen 3 und
zweiten Einspritzbohrungen 4.
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In 4a) ist eine schachbrettartige abwechselnde
Anordnung der ersten Einspritzbohrungen 3 und der zweiten
Einspritzbohrungen 4 gezeigt, wie sie auch bei dem in 1a)
dargestellten Ausführungsbeispiel
gewählt
ist.
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4b) zeigt eine zirkulare abwechselnde Anordnung
der ersten Einspritzbohrungen 3 und der zweiten Einspritzbohrungen 4.
Auf jedem der gezeigten Kreise sind abwechselnd erste Einspritzbohrungen 3 oder
zweite Einspritzbohrungen 4 vorgesehen.
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4c) zeigt eine wabenförmige abwechselnde Anordnung
der ersten Einspritzbohrungen 3 und der zweiten Einspritzbohrungen 4.
Jeweils im Zentrum einer Wabe ist beispielsweise eine erste Einspritzbohrungen 3 vorgesehen,
an jedem Eckpunkt einer Wabe ist dementsprechend eine zweite Einspritzbohrungen 4 vorgesehen.
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5 zeigt
schematisch die Möglichkeiten einer
Skalierung des Einspritzkopfs durch Variation der Anzahl der Einspritzbohrungen
bei gleichbleibender Dimensionierung der Bohrungen. Es ist möglich Einspritzköpfe für Flüssigkeitsraketentriebwerke
unterschiedlicher Leistungen mit den gleichen Abmessungen, aber
verschiedenen Anzahlen der ersten und zweiten Einspritzbohrungen
zu schaffen, Bei dem anhand der 1a) und
b) dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die ersten Einspritzbohrungen 3 zum Einspritzen von
Treibstoffstrahlen der ersten Treibstoffkomponente mit großem Impuls
und die zweiten Einspritzbohrungen 4 zum Einspritzen von Treibstoffstrahlen
der zweiten Treibstoffkomponente mit kleinem Impuls vorgesehen,
wobei eine Beimischung der zweiten Treibstoffkomponente zu der ersten
Treibstoffkomponente unter Ejektorwirkung der die ersten Einspritzbohrungen 3 verlassenden
Treibstoffstrahlen der ersten Treibstoffkomponente erfolgt. Wie
bereits weiter oben festgestellt, kann die erste Treibstoffkomponente
beispielsweise der Treibstoff und die zweite Treibstoffkomponente
der Oxidator sein oder umgekehrt.
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Die
zweite Treibstoffkomponente verlässt
die zweiten Einspritzbohrungen 4 mit sehr niedrigem Impuls
und wird dann unter Ejektorwirkung den Treibstoffstrahlen der die
ersten Einspritzbohrungen 3 mit großem Impuls verlassenden Treibstoffstrahlen
der zweiten Treibstoffkomponente beigemischt, wie dies in 2 gezeigt
ist. Hierbei findet eine Vermischung der beiden Treibstoffkomponenten
im wesentlichen schon in der gasförmigen Phase statt, was vorteilhaft ist
im Bezug auf die Gleichmäßigkeit
und Stabilität der
Verbrennung. Da der Kontakt der beiden Treibstoffkomponenten bereits
kurz nach dem Verlassen des Einspritzkopfs 1 stattfindet,
kann die Brennkammer 8 wesentlich kürzer ausgeführt werden als beim herkömmlichen
Parallelstrahl-Brausekopf-Einspritzsystem.
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- 1
- Einspritzkopf
- 2
- Einspritzplatte
- 2a
- Oberfläche
- 3
- erste
Einspritzbohrung
- 4
- zweite
Einspritzbohrung
- 5
- erster
Bereich der zweiten Einspritzbohrung
- 6
- zweiter
Bereich der zweiten Einspritzbohrung
- 7
- Düseneinsatz
zweite Einspritzbohrungen
- 8
- Brennkammer