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Kraftmaschine Die Erfindung betrifft Kraftmaschinen und insbesondere
solche, die einen Dampfkessel, eine Gasturbine und eine Dampfturbine in sich vereinigen.
Die einen stetig abbrennenden Brennstoff benutzende Maschine dient vorzugsweise
zum Antrieb von Transport-und Verkehrsmitteln.
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Es sind bereits verschiedene Maschinenbekannt geworden, in denen ein
Teil der durch die Verbrennung frei werdenden Wärmeenergie zur Erzeugung von Dampf
und zum Betrieb einer Dampfturbine und ein anderer Teil zum Antrieb einer Gasturbine
v erwendet -wird.
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Die Ausnutzung der Energie, die Dampferzeugung und Kondensation geschah
jedoch meist in räumlich getrennten Einheiten von verhältnismäßig großen Abmessungen
und großem Gewicht. Es wurde auch eine kombinierte Anlage vorgeschlagen, bei der
eine umlaufende, auf einem Radkranz angeordnete Brennkammer benutzt werden soll.
Die Brennstoffzufuhr zu einer rotierenden Brennkammer würde jedoch große Schwierigkeiten
bereiten.
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Uni eine möglichst günstige Führung der Gase und des Dampfes ohne
lange Rohrleitungen und damit möglichst niedrigen Wärmeverlust zu erhalten und gleichzeitig
das Gewicht der Maschine herabzusetzen, wird gemäß der Erfindung die Anordnung so
getroffen, daß ein Gasturbinenrotor und ein Dampfturbinenrotor einen einen Dampfkessel
enthaltenden Stator drehbar umgibt. Im Innern des von den Rotoren umgebenen Gehäuses
liegt ein Verbrennungsraum und eine Dampferzeugungsanlage. Die Leitschaufeln der
Gasturbine umgeben nur einen Abschnitt des die Dampferzeugungsanlage und den Verbrennungsraum
enthaltenden zylindrischen Gehäuses. Auch die Leitschaufeln der Dampfturbine umgeben
nur einen Teil des länglichen zylindrischen Statorgehäuses. Mit den Rotoren läuft
ein Luftkompressor, der mit dem Verbrennungsraum verbunden ist, um den Kessel um.
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Um jedoch nicht nur das Gewicht der Maschine selbst, sondern auch
alle Zubehörteile herabzudrücken, wird zur Zuführung des Kondenswassers zum Kessel
ein Injektor benutzt, der mit von der Dampfturbine abgezapftem Dampf getrieben wird.
Auf der Wandung des Statorgehäuses sind Einlaßöffnungen und Düsen angordnet, die
die Verbindung des Verbrennungsraumes und der Dampferzeugungsanlage mit den Turbinenrotoren
herstellen. In dem Kessel sind innere, mit öffnungen versehene Wasserrohre angeordnet,
die
konzentrisch von Verdampfungsrohren umgeben sind, in denen durch diese Öffnungen
tangential in die Verdampfungsrohre gespritztes Wasser sofort verdampft.
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Der Wirkungsgrad der Maschine gemäß der Erfindung ist hoch, da lange
Rohrleitungen vermieden sind und zugleich die Teile mit der höchsten Temperatur
im Innern liegen. Das Gewicht der Maschine ist im Verhältnis zur erzeugten Energie
sehr gering, so daß die Maschine für Luftfahrzeuge Verwendung finden kann.
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In den Zeichnungen ist Abb. i eine schematische Darstellung des Gesamtplans
der Kraftmaschine mit den zur Ausführung des Verfahrens nötigen Leitungen, Abb.2
eine teilweise schematische Darstellung der Teile der Kraftmaschine, die koaxial
zum Brenner und Kessel angeordnet sind, mit den dazugehörigen Verbindungsleitungen,
Abb.3 ein Längsschnitt durch eine neue gedrängte Bauweise, bei der die umlaufenden
Teile der Maschine konzentrisch um den Brenner und den Kessel angeordnet sind und
aus dem der innere Aufbau der Maschine hervorgeht, Abb. 4 eine Seitenansicht nach
der Linie 4-4 der Abb. 3, Abb. 5, 6, ; und 8 Querschnitte nach den Linien 5-5, 6-6,
7-7 und 8-8 der Abb. 3 und Abb. g ein Teilschnitt, aus dem die Anordnung eines inneren
Speisewasserrohres in einem äußeren Verdampfungsrohr hervorgeht und in dem die Düsen
zum Ausspritzen des Speisewassers gegen die innere Wandung des äußeren Rohres ersichtlich
sind.
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Die neue Kraftmaschine enthält eine Gasturbine und eine Abzapfdampfturbine,
die so vereinigt sind, daß sie eine Kraftmaschine von gutem Wirkungsgrad für Flugzeuge,
Automobile und für solche Zwecke ergeben, wo ein besonders leichtes Gewicht der
Antriebsmaschine wünschenswert ist. Das Betriebsverfahren der neuen Kraftmaschine
ist im folgenden beschrieben.
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Eine Verminderung der Temperatur der Gase, die als Mittel zur Umwandlung
der Wärmeenergie in mechanische Energie in der Gasturbine dienen, wird dadurch erhalten,
daß eine bestimmte Wärmemenge pro Volumeneinheit in der Verbrennungskammer abgegeben
wird und daß diese Wärmemenge mittels eines Dampfkessels und einer Abzapfturbine
in mechanische Energie umgewandelt wird. Diese Verringerung der Temperatur der Gase
ist für den Betrieb der Gasmaschine wichtig und wesentlich, da das Material, aus
dem die Teile der Gasturbine hergestellt sind, nicht in genügender Weise der hohen
Anfangstemperatur der Verbrennungsgase -widerstehen kann.
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Die Verwendung einer Abzapfdampfturbine, bei der der Dampf einer der
Hochdruckstufen entnommen wird, verringert beträchtlich das Gewicht des Kondensators,
der zum Kondensieren des Dampfes erforderlich ist. Der entnommene oder abgezapfte
Dampf wird zum Betreiben eines Injektors benutzt, urn das Kondenswasser in den Kessel
zu speisen.
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In der neuen Kraftmaschine wird Rohöl in einem Verbrennungsraum verbrannt,
der sich innerhalb eines Kessels mit schraubenförmigen Verdampfungsrohren befindet.
Die Gasturbine erhält die Verbrennungsgase aus dem Kessel, und die Dampfturbine
ist mit dem Kessel verbunden. Ein rotierender Luftkompressor führt Luft in den Verbrennungsraum
ein, und der Inj ektor erhält von der Turbine abgezapften Dampf, um das aus dem
Kondensator stammende Kondenswasser in den Kessel zu speisen. Die von den Turbinen
erzeugte Kraft dient zum Antrieb eines Propellers unter Zwischenschaltung eines
Rädergetriebes. Normale und bekannte Mechanismen zur automatischen Überwachung von
Dampf-, Luft-, Ö1- und Wasserzufuhr sind in bekannter Weise an der Kraftmaschine
angebracht.
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In Abb. i ist ein Gesamtplan einer Kraftmaschineneinheit io dargestellt,
die zur Umwandlung der Energie eines stetig brennenden Öles in mechanische Energie
dient. Die Kraftmaschineneinheit enthält einen Druckerzeuger, wie den Dampfkessel
i i, der zweckmäßig mit Spritzverdampfung arbeitet, eine mehrstufige Turbine mit
einer Hochdruckstufe 12 und einen- Kondensator 14, der den Abdampf aus einer Niederdruckstufe
13 der Turbine aufnimmt. Das Kondenswasser aus dem Kondensator 14 wird mittels eines
Inj ektors 15 dem Kessel i z zugeführt, wobei der Injektor mittels des von der Hochdruckstufe
abgezapften Dampfes betrieben wird.
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Zur Beheizung des Kessels wird ein flüssiger Brennstoff, wie z. B.
Rohöl, verwendet, das aus einem Behälter 16 einem Brenner 17 zugeführt wird.
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Die teilweise abgekühlten V erbrennungsgase aus dem Kessel gehen durch
eine Gasturbine 18, die die durch die Dampfturbine i2 und 13 erzeugte mechanische
Energie vermehrt, die an -der Abnahmestelle i9 entnommen wird. Mit den umlaufenden
Teilen der Kraftmaschineneinheit ist ein Gebläse oder Kompressor 2o verbunden, der
dem Ölbrenner 17 und dem Verbrennungsraum im Kessel (Abb. 3) Luft zuführt.
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Eine andere schematische Darstellung einer Kraftmaschineneinheit io
ist in Abb. 2 gezeigt.
Die Kraftmaschine enthält einen Antriebsmotor
2i, der mit dem Brenner verbunden ist. Ein Übersetzungsgetriebe 22 verbindet die
Energieabnahmestelle i9 mit einem Flugzeugpropeller 23.
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In den Abb. 3 bis 9 ist eine gedrängte neue Bauart der Kraftmaschine
i io gezeigt. In der Maschine iio sind die umlaufenden Teile konzentrisch um einen
Verbrennungsraum 2.4 und den Kessel i i angeordnet, wobei diese einen inneren Stator
bilden. Der Stator ist in einem waagerechten, zylindrischen Gehäuse 25 eingeschlossen,
dessen flache, kreisförmige Enden -25u und 25G mit Wellenstümpfen 26 bzw. 27 versehen
sind. Die äußere Oberfläche des Zylinders 25 trägt eine rohrförmige Wandung ati',
auf der an einem Ende radial nach aus« ärts ragende Leitschaufeln 18i der Gasturbine
18 befestigt sind. Auf dem Mittelteil sind nach außen ragende feste Leitschaufeln
12a und 13u der Hoch- und iederdruckdampfturbinenstufen 12 und 13 angebracht. An
dem anderen Ende der Wandung 26' befinden sich radial nach auswärts ragende
feste Leitschaufeln 2oa des Luftkompressors 2o. Ein Leitungsstück 25e zwischen dein
Gehäuse 25 und der Wandung 26' bildet einen Durchgang für Luft-, Dampf-und Wasserleitungen
in einer später beschriebenenWeise.
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Der äußere Rotorteil bildet eine Umhüllung, die den Stator der Maschine
iio'unigibt. Die Umhüllung besteht aus einem horizontal liegenden, zylindrischen
Gehäuse -8, das an seinen Enden durch Scheiben 29 und 3o abgestützt ist. Das Gehäuse
28 ist konzentrisch in bezug auf die rohrförmige Wandung 2E1 angeordnet und trägt
die L aufradschaufeln 18G, 12G, 13G und tob der Gasturbine, der Hoch- und N iederdruckdampfturbine
und des Luftkompressors, die mit den festen Leitschaufeln iga, 12a, 13a und 2oa
zusanimenwirken.
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Die das Gehäuse 2,9 tragenden Scheiben 29 und 30 sind au-f
`Fellen 26 und 27 drehbar gelagert unter Zwischenschaltung von Lagern, die möglichst
reibungsfrei, z. B. als Kugellager 31 und 32, ausgebildet sind. Die Welle 26 wird
fest durch eine Stütze 33 getragen, und die Welle 27 sitzt in einer Hohlwelle
3oa, die sich axial nach auswärts von der Scheibe 3o erstreckt. Die Hohlwelle 30a
ist unter Zwischenschaltung eines Lagers durch eine nicht dargestellte Unterstützung
abgestützt, wobei das Lager ebenfalls zweckn ' ßig als Kugellager
34 ausgebildet ist.
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Der Verbrennungsraum 2d., der sich axial durch einen Teil der Länge
des Stators erstreckt, besitzt an einem Ende 24a den Ölbrenner mit einer Leitung
17a, die in der Welle 26 (Abb. 3 und 4) angebracht ist. Das gegenüberliegende Ende
2.4t des Verbrennungsraumes ist mit einer sich verengenden Leitwand 35 ausgerüstet.
Durch den ganzen Stator erstrecken sich der Länge nach, den Verbrennungsraum 24
umgebend, gewundene, konzentrisch angeordnete Rohrgruppen 36, die in Abständen angeordnet
sind, so daß Züge 37 zwischen jeder Rohrgruppe entstehen. Ferner befindet sich zwischen
dem Ende 24G des Verbrennungsraumes und der Endwand 25d eine Gruppe eng gewundener
Kesselrohre 38. Die Rohre 38 sind mit dem Rohr 36 verbunden und dienen als Überhitzer
für den in den Rohren 36 erzeugten Dampf. Die Züge 37, durch die die Verbrennungsgase
aus dem Verbrennungsraum 24 hindurchstreichen, gehen erst durch den Überhitzer 38
und dann hin und her in der Längsrichtung durch den Stator zwischen den Rohrgruppen
36, wie es in Abb. 3 durch die Pfeile angedeutet ist. Die Züge 37 enden in Einlaßöifnungen
39 der Gasturbinendüsen 40, um die Verbrennungsgase der Gasturbine 18 zuzuführen.
Nach dem Durchgang zwischen den Schaufeln i8a und 18G der Turbine werden die Gase
an Auslässen 41 ausgestoßen. Auf diese Weise dient das stetig brennende. Ü1 im Verbrennungsraum
2.4 als Heizmittel für die Oberhitzerrohre 38 und die Kesselrohre 36, und die in
ihrer Temperatur stark erniedrigten Verbrennungsgase werden der Turbine i8a und
18G nach dem Durchstreichen durch die Rohre zur Krafterzeugung zugeführt.
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Der Kessel i i mit den Rohren 36 und 38 arbeitet vorzugsweise nach
dem Spritzverdampfungsverfahren und ist in den Abb. 3, 8 und 9 im einzelnen dargestellt.
Die Kesselrohre 36 bestehen aus einem äußeren, schraubenförmig gewundenen Rohr 36a
und einem durchlöcherten inneren, ebenfalls schraubenförmig gewundenen Rohr 36G,
das konzentrisch zum Rohr 36a liegt. Das innere Rohr 36G wird im Rohr 36a in konzentrischer
Lage z. B. durch Abstandsstücke 36e gehalten, wobei diese etwas kleiner sind als
der lichte Durchmesser des Rohres 36a, um ein Einsetzen oder Entfernen des Rohres
36G üic erleichtern.
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Die Enden der Rohre 36G sind bei 36d nahe der Teilwand 25e abgeschlossen,
die innerhalb der Gehäusewand 25a liegt (Abb.3). Die anderen Enden der Rohre 36G
jeder Rohrgruppe 36 sind durch ein Verbindungsstück .:1.2 (Abb. 6) verbunden, das
über ein Rohr 43 mit der Speisewasserleitung 44 zusammenhängt, wobei die letztere
in dem Raum 25e zwischen dem Gehäuse 25 und der Wandung 26' angeordnet ist. Das
Verbindungsstück 42 ist in dem Raum 25t zwischen der Teilwand 25d und der Gehäuseendwand
25G, wie aus den Abb. 3 und 6 ersichtlich, angebracht,
Das durch
das innere Rohr 36b zugeführte Wasser dringt durch üffnungen 36e, die in Abständen
im innern Rohr 36v angebracht sind, wobei das Wasser durch die vorzugsweise radialen
Öffnungen gegen die innere erhitzte Wand des äußeren Rohres 36d gespritzt wird (Abb.
9). Auf diese Weise wird das Speisewasser verdampft, und der Dampf dringt durch
die Rohre 36a in das Kopfstück 45 und durch ein Rohr 46 in das Einlaßende
38" des Überhitzerrohres 38. Vom Auslaßende 38b der Überhitzerrohre 38 geht
der Dampf durch ein Rohr 47 zu einer Frischdampfleitung 48 im Raum 251. Die Leitung
48 steht mit Düsen 49 am Einlaß der Hochdruckturbinenstufe 12 in Verbindung (Abb.
3 und 8). Der Dampf wirkt auf die Schaufeln 12a und 121', passiert den Auslaß 5o
und tritt in die Einlaßöffnung 5i der Niederdruckturbine 13 ein. Ein abgedichtetes
Ringlager 52 ragt von dem Rotorgehäuse 28 zwischen den Auslaß 5o der I1ochdruckturbinenstufe
und Einlaß 51 der 1 iederdruckstufe, wie aus Abb. 3 ersichtlich. Der die Turbine
am Auslaß 53 verlassende Dampf tritt in die Ausströmleitung 54 ein und wird durch
eine -Leitung 55 (Abb. 5) in der Welle 26 dem Kondensator 14 zugeführt.
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Eine Dampfabzapfleitung 56 steht mit dem Auslaßende 5o der Hochdruckturbine
12 in Verbindung. Die Leitung56 führt durch einen Kanal 57 in der Welle 26 zu dem
Inj ektor 15. Der von der Hochdruckturbine abgezapfte Dampf wird im Injektor dazu
verwendet, das aus dem Kondensator 14 stammende Kondenswasser dem Kessel i i in
bekannter Weise zuzuführen.
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Das Gebläse oder der Luftkompressor 2o besitzt Einlaßöffnungen 29a
in den Rotorendwänden 29. Die verdichtete Luft wird durch eine Auslaßöffnung 58,
eine Leitung 59 und durch ein Rohr 59a dem Verbrennungsraum 24 durch eine bffnung
6o zugeführt. Eine weitere Leitung 61 erstreckt sich durch die Welle 26 zur Zuführung
von Luft zu dem Brenner 17, um den durch die Leitung i7a dem Verbrennungsraum 24
zugeführten flüssigen Brennstoff zu zerstäuben.
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Ein abgedichtetes Ringlager 63 ist in dem Rotorgehäuse 28 angebracht,
um die Dampfturbine 12 von dem Luftkompressor 2o zu trennen. Ein abgedichtetes Ringlager
64 ist weiterhin zur Trennung der Dampfturbine 13 von der Gasturbine 18 vorgesehen.
Die Turbinen sind gegenseitig so angeordnet, daß der Auslaß 53 der Dampfturbine
13 dem Auslaß 41 der Gasturbine 18 benachbart ist, so daß' das Lager 64 möglichst
geringen Druckunterschieden ausgesetzt ist. In ähnlicher Weise liegt das Lager 63
zwischen dem Einlaß der Hochdruckdampfturbine und dein Auslaßende 58 des Luftkompressors,
so daß das abgedichtete . Lager 63 möglichst geringen Druckunterschieden ausgesetzt
ist.
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Durch Zentrifugalkraft betätigte Ventile 62 sind zweckmäßig vorgesehen,
um das Innere der Maschine i i o mit der Atmosphäre selbsttätig während der Ruhelage
und während des Anlassens in Verbindung zu bringen.
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Die Wirkungsweise der Maschine i io ist nun leicht verständlich. Von
einem Behälter 16 (Abb. i und 2) wird dem Brenner 17 Rohöl zugeführt. Dieses L51
wird durch Mischen mit Luft, die durch die Leitung 61 zugeführt wird; in den für
eine wirksame Verbrennung geeigneten Zustand gebracht. Das Öl wird in den Verbrennungsraum
24 eingespritzt und verbrennt mit der dtIrch die Leitung 6o vom Kompressor 2o zugeführten
Luft. Die Verbrennungsgase werden aus dem Verbrennungsraum 24 durch den Überhitzer
und die Züge 37 zwischen den Rohren 36 in der Pfeilrichtung nach Abb. 3 geführt.
Der Überhitzer und der Kessel nehmen Wärme aus den Verbrennungsgasen auf, so daß
die Temperatur der Gase von ungefähr i8oo° C auf etwa iioo° C sinkt. Während große
Schwierigkeiten beim 'Bau von Gasturbinen auftreten, die mit Gasen von i8oo° C in
zufriedenstellender Weise betrieben werden sollen, sind diese Schwierigkeiten bei
iioo° C praktisch beseitigt. Die abgekühlten Verbrennungsgase werden der Turbinendüse
40 zugeführt, und die in den Gasen en thaltene Wärmeenergie wird mittels der Schaufeln
,8a und 18° durch Drehen des Rotors in mechanische Energie verwandelt. Die Temperatur
der aus der Turbine am Auslaß 41 ausströmenden Gase ist auf etwa 2oo° C erniedrigt.
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Der in den Rohren 36 erzeugte Dampf wird in den Rohren 38 überhitzt
und der Hochdruckstufe 12 zugeführt und tritt am Auslaß 5o wieder aus. Der Dampf
passiert dann den Einlaß 51 der Niederdruckstufe, geht durch die Turbine 13 hindurch
zum Auslaß 53. Bevor der Dampf die Niederdruckstufe durchströmt, werden etwa 8o
°(o des Dampfes in der Leitung 56 abgezapft und durch die Leitung 57 in der Welle
26 dem Injektor 15 zugeführt.
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Wird der Kessel mit 56 Atmosphären betrieben, so besitzt der von der
Turbine abgezapfte Dampf etwa 14 Atmosphären. Der abgezapfte Dampf expandiert im
Iiijekt-)r 15, um das Kondenswasser in den Kessel zurückzudrücken.
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Der Abdampf wird von der Auslaßöffnung 53 der N iederdruckturbine
durch die Leitring 54 und die Leitung 55 (Abb. 5) in der Welle 26 dem Kondensator
14 zugeführt. Der Kondensator kann verhältnismäßig klein ausgebildet
sein,
da ihm nur etwa 2o o[o des erzeugten Dampfes zugeführt werden und der übrige abgezapfte
Dampf in der oben beschriebenen Weise über den Injektor 15 dein Kessel zugeführt
wird. Die vom Dampf abgegebene Energie wird auf dem Rotor übertragen und zusammen
mit der von ner Gasturbine 189 erzeugten Energie durch die Hohlwelle 3ou über die
Energieabnahniestelle i9 und ein Getriebe 22 dem Propeller 23 zugeführt. Die hier
beschriebene Kraftmaschine wird zweckmäßig so betrieben. daß die Gasturbine
1,9 normalerweise mindestens .@c@ ojo der gesamten Kraft erzeugt.
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Die Luftzufuhr wird durch den rotierenden Luftkompressor 2o gewährleistet,
der einen Einlaß 29t= und Auslaßkanäle 6o und 61 besitzt, die mit dem Verbrennungsraum
-2.I bzw. dem ülbrennerij in der oben beschriebenen Weise in Verbindung stehen,
wobei der Luftdruck in deni Verbrennungsraum zweckmäßig mehrere Atmosphären beträgt.