DE1960186A1

DE1960186A1 - Stroemungsmessgeraet

Info

Publication number: DE1960186A1
Application number: DE19691960186
Authority: DE
Inventors: Pustell Robert Algerd; Pfuntner Richard Alonzo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-12-04
Filing date: 1969-12-01
Publication date: 1970-06-18
Also published as: DE1960186C3; SE370451B; DE1960186B2; NL6918002A; US3538767A; BE742170A; CH507509A; GB1279990A; NL166125C; FR2025180A1; NL166125B; JPS4913035B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mengenströmung3meßgerät der Dreh-Impulsart, das einen Wirbelgenerator besitzt, um dem zu messenden Strömungsmittel Wirbel aufzuprägen sowie eine Turbine zum Drehmomentenausgleioh zur Entfernung der Wirbel, Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Massenströmungsmesser der obengenannten Art, das einen verbesserten Wirbelgenerator aufweist.

Mengenströmungsmesser der Dreh-Impulsart werden in großem Umfange bei Flugzeugen zur Messung der Mengenströmungsrate des Brennstoffes, der den Plugzeugantriebsaggregaten zugeführt wird, verwendet. Derartige Strömungsmesser bestehen aus einem Gehäuse, durch das das zu messende Strömungsmittel fließt und in dem sich ein Wirbelgenerator und eine Reaktionsturbine befinden. Der Wirbelgenerator beaufschlagt das Strömungsmittel mit einem Drehimpuls oder mit Wirbel, die durch eine Reaktionsturbine entfernt werden, deren Rotation durch eine geeignete Bremsvorrichtung gebremst werden.

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Da das auf die Reaktionsturbine aufgeübte Drehmoment des Strömungsmittels dem Produkt der Mengenströmungsrate mit der Winkel-geschwindigkeit des Strömungsmittels proportional ist, kann die Mengenströmungsrate durch Auslenkung der Reaktionsturbine gegen die Gleichgewichtskraft der Bremsvorrichtung bestimmt werden^ wenn Korrekturen für die Veränderung der Winkelgeschwindigkeit des Strömungsmittels vorgenommen werden.

Bisher war es üblich, als Wirbelgenerator ein Laufrad zu verwenden, das durch einen Motor mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird, um dem zu messenden Strömungsmittel Wirbel aufzuprägen« Um die Kosten zu senken und Schwierigkeiten zu verringern, war man bemüht, das motorangetriebene Laufrad durch einen Wirbelgenerator zu ersetzen, der die Energie des Strömungsmittels ausnutzt, um Wirbel zu erzeugen. Derartige Wirbelgeneratoren verwenden einen Satz windschiefer Propeller, die der Strömung ausgesetzt sind. Ein Problem, dae bei der Verwendung derartiger Wirbelgeneratoren auftritt, besteht darin, daß bei festangeordneten Flügeln die Wirbelgeschwindigkeit mit zunehmender Strömungsrate ansteigt/Daher muß bei hohen Geschwindigkeitsraten der Reaktionsturbine durch die Bremsvorrichtung ein erhöhtes Drehmoment zugeführt werden.

Hierdurch wird die Konstruktion komplizierter und teurer. Um dieaes Problem zu lösen, wurde bereite vorgeschlagen, Vorrichtungen zu verwenden, die auf die Strömungsrate ansprechen und den Anstellwinkel der Flügel automatisch verringern und damit die Wirbelgeschwindigkeit bei hohen Strömungsraten. Eine solche Flügelanstellwinkelsteuerung bringt unerwünschte Komplikationen mit sich, die die Zuverlässigkeit des Strömungsmeßsystenis beeinflussen.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mengenströmungamesser der Dreh-Impulsart vorzuschlagen, das einen verbesserten Wirbelgeneratör besitzt, der wieder einen Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit noch einstellbare Flügel erfordert ₉ um bei hcaem Strömursgsraten eine überhöht«

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Wirbelgeschwindigkeit zu verhindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Mengenströmungsmesser der Drehimpulsart vorgesehen, das eine Reaktionsturbine besitzt, die der Strömung des wirbelnden Strömungsmittels ausgesetzt . ist, um die Mengenströmungsrate zu messen und wobei ein Wirbelgenerator in der Strömung vorgesehen ist, der von der Reaktionsturbine aus gesehen stromaufwärts angeordnet isi?. Der Wirbel- generator besitzt einen Satz fest angeordneter Flügel, die der Strömung unter einem Winkel ausgesetzt sind, um dem strömenden MitteljWirbel aufzuprägen. Ferner sind Leitungen vorhanden, um das Strömungsmittel dem Wirbelgenerator zuzuführen, wobei diese' ein Ausströmende besitzen, das die Flügel umgibt und das Strö-· mungsmittel durch die Flügel führt und wobei die Leitungen so ■ ä konstruiert und angeordnet sind, daß um die Flügel ein Ausströmkahal für einen Teil des Strömungsmittels gebildet wird, wenn die Strömungsrate ansteigt. Ein Teil der Leitungen ist mit längsausgerichteten Schlitzen versehen, die so angeordnet sind, daß elastische Finger gebildet werden, die sich durch den Strömungsmitteldruck umbiegen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Mengenströmungsmessers, der einen strömungsgeregelten Wirbelgenerator besitzt, welcher die vorliegende Er- " findung verkörpert; ,

Figur 2 eine perspektivische Explosionsansicht, die gewisse Konstruktionseinzelheiten des Wirbelgenerators wiedergibt;

Figur 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Wirbelgenerators bei einer geringen Strömungsrate;

Figur k eine ähnliche Ausführungsform wie Figur 3 mit der Ausnahme, daß hier ein Zustand einer hohen Strömungsrate aufgezeigt ist,
und

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Figur 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Wirbelgeschwindigkeit und der Strömungsrate angibt, die zur Erklärung der Wirkungsweise der Erfindung nützlich.ist.

Die Figur 1 zeigt einen Mengenströmungsmesser der Drehimpulsart, der die vorliegende Erfindung verkörpert♦ Der Strömungsmesser hat ein zylindrisches Gehäuse 12, das mit Endflanschen 13 und 14 versehen ist, die so ausgebildet sind, daß sie mit einem Züleitungsrohr verbunden werden können, durch das das zu messende Strömungsmittel fließt. Das Strömungsmittel, das durch ein Einlaßende 15 eintritt, strömt durch einen Wirbelgenerator 16, der dem Strömungsmittel eine Winkelgeschwindigkeit oder Wirbel aufprägt.

Abströmseitig zum Wirbelgenerator 16 sind eine Geschwindigkeitsturbine 17 und eine Reaktionsturbine 18 angeordnet, die zur Rotation mit Hilfe geeigneter und nicht näher dargestellter Lager koaxial auf der Welle 19 befestigt sind. Die Geschwindigkeitsturbine 17 besitzt eine äußere zylindrische Ummantelung 20, die von einer Nabe 21 durch radial angeordnete Flügel 22 getrennt ist, welche längsgerichtete Strömungskanäle 23 bilden. Das wirbelnde Strömungsmittel aus dem Wirbelgenerator 16 trifft auf die Flügel 22 und bewirkt eine Drehung der Geschwindigkeit sturbine 17» strömt sodann durch die Strömungskanäle 23 und verläßt die Turbine abströmseitig. Die Strömungskanäle 23 sind genügend lang, so daß das die Turbine verlassende Strömungsmittel eine gleiche Winkelgeschwindigkeit besitzt, die auch gleich der Drehgeschwindigkeit der Turbine ist.

Die Reaktionsturbine 18 ist ähnlich aufgebaut, wie die Geschwindigkeitsturbine 17 und besitzt eine äußere zylindrische Ummantelung 24, die durch radiale Flügel 26 iron der Nabe 25 entfernt ist_s welche längsausgerichtete Strömungskanäle 27 bilden» Das wirbelnde Strömungsmittel verläßt die Geschwin-, ' digkeitsttarbxne IJ-_s trifft auf .die Flügel 26 auf und verursacht eine Ablenkung der Reaktionsturbine₉ die. durch geeignete Mittel_s wie beispielsweise durch einen elektromagnetischen

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Drehmomentmotor 28 gebremst wird. Das Strömungsmittel gelangt durch die Strömungskanäle 27 und verläßt dann, nachdem es die Abströmseite der Reaktionsturbine erreicht hat, das Auslaßende 29 des Strömungsmessers.

Das Gerät zur Anzeige der Mengenstromrate ist nicht gezeigt, da es keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Es sei jedoch bemerkt, daß der Strömungsmesser der oben beschriebenen Art nach dem Prinzip arbeitet, wonach die Reaktionsturbine,die gebremst wird, den Drehimpuls des wirbelnden Strömungsmittels beseitigt und ein Drehmoment anzeigt, das dem Produkt der ä Mengenströmungsrate und der Wirbelgeschwindigkeit des Strömungsmittels proportional ist. Dieses Drehmoment wird durch die Bremsvorrichtung, wie beispielsweise durch den Drehmomentenmotor 28 ausgeglichen, dessen Ausgangsleistung eine Punktion der Umlenkung der Reaktionsturbine 18 darstellt_s deren Umlenkung durch geeignete Vorrichtungen, wie beispielsweise durch einen Stellungsanzeiger 30, gemessen werden kann. Falls die Wirbelgeschwindigkeit variiert, wie es beispielsweise bei einem Wirbelgenerator mit fest eingestellten Flügeln der Fall ist, ist es notwendig, einen Wirbelgeschwindigkeitskorrekturfaktor einzuführen; für diesen Zweck ist ein Turbinengeschwindigkeitsabgriff 31 vorgesehen, der ein Geschwindigkeitssignal erzeugt, das der Geschwindigkeit der Turbine 17 proportional ' ist, die auch der Wirbelgeschwindigkeit des Strömungsmittels proportional ist, das aus dieser ausströmt, wie oben bereits erwähnt wurde. Ein bekanntes System zur Anzeige der Mengenstromrate besteht darin, daß Signale vom Abgriff 30 der Reaktionsturbine, ohne Geschwindigkeitskorrektur, das dem Produkt der Massenstromrate M und der Wirbelgeschwindigkeit W (d.h. M χ W) proportional ist, durch das Signal vom Abgriff 31 der Geschwindigkeitsturbine zu dividieren, das der Wirbelgeschwindigkeit W proportional ist.
Daher ist:

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Ein System zur Darstellung der Mengenstromrate macht es erforderlich, daß die Bremsvorrichtungen für ein Gleichgewichtsdrehmoment sorgen, das gleich dem Drehmoment des Strömungsmittels ist, das der Wirbeiges chwindigke'it proportional ist. Wenn die Wirbelgeschwindigkeit durch fest angeordnete Flügel erzeugt wird, die sich in der Strömung befinden, zum Unterschied vom Laufrad, das durch einen Motor konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird, wird die Wirbelgeschwindigkeit bei hohen Strömungsraten größer. Hierdurch wird eine höhere Drehmomentenausgangsleistung der Bremsvorrichtung, beispielsweise des Drehmomentenmotors 28, erforderlich, die kostspielig und ™ daher unerwünscht ist. Gemäß vorliegender Erfindung wird daher eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Wirbelgeschwindigkeit automatisch gesteuert wird, so daß sie bei verschiedenen Strömungsraten in dem gewünschten Ge schmndigkeitsb ereich bleibt. Eine solche Ausführung wird im folgenden beschrieben:

Wie den Figuren 2,3 und 4 zu entnehmen ist, besitzt der Wirbelgenerator 16 eine Basis 32 und ein Nabenteil 33, dessen äußere Oberflächen wie gezeigt Oberflächen der Umwälzung um eine Achse A-A sein können. Die Achse A-A fällt vorzugsweise mit den Achsen des zylindrischen Gehäuses 12 und der Turbinenwelle 19 zusammen, um eine symmetrische Wirbelströmung um die zuvor- £ genannten Achsen zu gewährleisten.

Um die Peripherie der Basis 32 sind mehrere Flügel 34 angeordnet, die zur Achse A-A unter einem Winkel windschief angebracht sind. Die Flügel können - wie dargestellt - gebildet werden_a indem in der Basis Schlitze 35 ausgefräst werden. Der Wirbelgenerator wird im Gehäuse 12 durch Streben 36 gestützt_s die sich von einem Stützring 37 aus radial nach innen erstrecken.

Das Strömungsmittel, das durch das Einlaßende 15 des Strömungsmessers eintritt, trifft auerst auf das Nasenteil 33, das das Strömungsmittel radial nach außen umlenkt bis es die Schlitze zwischen den Flügeln 34 in der- Basis 33 erreicht. Bei geringen Strömungsraten (Figur 3) riiaßc es dann in einem ersten

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Strömungspfad durch die Schlitze 35 und verläßt abströmseitig den Wibelgenerator, wie durch die Pfeile 38 angezeigt ist. Da die Schlitze und Flügel windschief angebracht sind, erhält das fließende Strömungsmittel eine Wirbelgeschwindigkeit aufgeprägt. Bei höheren Strömungsraten (Figur 4) fließt ein Teil des Strömungsmittels in einem zweiten Strömungspfad, der durch die Pfeile 39 angedeutet ist, aufgrund der Trägheitswirkung um die Flügel und Schlitze herum und wird somit nicht mit Wirbeln beaufschlagt.

Dies hat die Wirkung, daß die mittlere Wirbelgeschwindigkeit des gesamten Strömungsmittels, das den Wirbelgenerator abströmseitig verläßt, in bezug auf die Wirbelgeschwindigkeit des Teiles der Strömung, die durch die Schlitze 35 strömt, verringert wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Wirbelgeschwindigkeit des Strömungsmittels, das in die Reaktionsturbine 18 eintritt, bei höheren Strömungsraten überhöht ist." Dies wiederum macht es nicht erforderlich, daß eine entsprechend hohe Drehmomentenausgangsleistung aus dem Drehmomentenmotor 28 zur Verfügung gestellt werden muß, wodurch sich Kosteneinsparungen bei den elektrischen Komponenten des Drehmomentenausgleichssystems ergeben.

Um am Endmeßbereich geringer Strömungsrate eine genaue Strömungsratenanzeige zu erhalten, ist es wünschenswert, bei geringen Strömungsraten eine erhebliche Wirbelgeschwindigkeit zu erzielen. Dies wird durch Verwendung eines zylindrischen Rohres 4O erreicht, das ein Abströmende ¹Jl aufweist, das bei geringen Strömungsraten die Basis 33 des Wirbelgenerators umgibt, gegen ihn drückt und somit das gesamte einkommende Strömungsmittel durch die Schlitze 35 in den ersten Pfad zwingt. Das Abströmende 4l des Rohres 40 besitzt mehrere elastische Finger 43, die sich bei hohen Strömungsraten aufgrund des Ströraungsmitteldruckes wie in Figur 4 gezeigt, umbiegen, der durch das mit Hilfe des Nasenteiles 33 nach außen umgelenkte Strömungsmittel entsteht.

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Dies erlaubt einem Teil des Strömungsmittels durch den zweiten Pfad zu fließen, der durch die Pfeile 39 angezeigt ist, um so die mittlere Wirbelgeschwindigkeit, wie oben erläutert, zu verringern.

Um das geschlitzte Rohr 40 zentral in der Strömung zu befestigen, wird das stromaufwärts gelegene Ende über einen Plansch-⁴ ring 44 geschoben. Ein zweiter Planschring 45 wird sodann über die Anordnung geschoben. Die aneinander stoßenden Plansche der Ringe können dann gegeneinander durch schweißen oder löten befestigt werden. Die Nuten 46, die in den Ring 45 geschnitten sind, vervollständigen die Anordnung und sorgen für eine Klemmreibung. Auch die Teile 46 a zwischen den Nuten 45 stellen definierte Biegepunkte für die elastischen Finger 43 dar. Das Rohr 40 und die elastischen Finger 43 werden aus einem geeigneten elastischen Material hergestellt, das nicht magnetisch, jedoch chemisch beständig ist, und die Eigenschaft hat, vielen ümbiegungen standzuhalten, ohne an die Festigkeitsgrenzen zu gelangen. Die zusammengeflanschte Anordnung wird dann zentral in dem Strömungskanal neben dem Einlaßende 15 des Strömungsmessers mit Hilfe von nicht dargestellten Klemmvorrichtungen befestigt, so daß das Auslaßende 41 des Rohres den Wirbelgenerator 16 umgibt.

Die Wirkung des Wirbelgenerators. 16 und des Rohres 40 überhöhte. Wirbelgeschwindigkeiten bei hohen Strömungsraten zu verhindern,. während eine entsprechende Wirbelgeschwindigkeit bei geringen Flußraten erzeugt wird, wird durch die Kurve in Figur 5 verdeutlicht. Diese Kurve zeigt wie die Wirbelgeschwindigkeit, die durch die Dreiigeschwindigkeit .der Turbine 17 gemessen wird, über einen Strömungsbereich von nahezu 0-11 300 kg/h (25 000 Pfund pro Stunde) während der mit einem Strömungsmesser durchgeführten Versuche variiert, der die Wirbelgeneratorkonstruktion wie oben beschrieben aufweist.

Wie aus der Kurve zu entnehmen ist, steigt die Wirbeigeschwin-r digkeit bei 2260 kg/h (5000 Pfund/h) sehr schnell auf über 330 Umdrehungen/Minute an, nach der die Wirbelgeschwindigkeit allmählich auf etwa 240 Umdrehungen nro Minute bei der maxima-

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len Flußrate von 11 300 kg/h (25 000 Pfund/h) abfällt. Der Abfall der Turbinengeschwindigkeit nach der Flußrate von 2260 kg/h (5000 Pfund/h) wurde durch die Zunahme der Strömung um die Flügel 34 und Schlitse 35 herum verursacht, was durch die Vergrößerung des Ausflußendes kl des Rohres 40 durch die Umbiegung der federnden Finger 43 ermöglicht wird, die durch den Strömungsmitteldruck, wie in Figur k dargestellt ist, bewirkt wird.

Da das Strömungsmittel, das aus dem ersten Flußpfad, der durch die Pfeile 38 angezeigt ist, aus dem Wirbelgenerator 16 aus- ä strömt, eine Wirbelgeschwindigkeit besitzt, die sich von der Strömung unterscheidet, die durch den zweiten Flußpfad, der durch die Pfeile 39 angezeigt ist, strömt, ist es vorteilhaft, Mittel vorzusehen, um eine gleiche mittlere Wirbelgeschwindigkeit des Strömungsmittels zu erzeugen, bevor es in die Reaktionsturbine 18 zur Flußratenmessung gelangt. Wie oben erläutert wurde, wird dies erreicht, indem eine Geschwindigkeitsturbine 17 verwendet wird, deren Rotationsgeschwindigkeit ebenso ein befriedigendes Maß der mittleren Wirbelgeschwindigkeit liefert, welche durch einen Geschwindigkeitsabgriff 30 gemessen wird. Wenn die Wirbelgeschwindigkeit"sich mit der Flußrate, wie z.B. in Figμr 5 gezeigt, verändert, ist eine Kompensation der Wirbelgeschwindigkeitsrate erforderlich, um ' eine genaue Mengenflußrate anzuzeigen. Die Geschwindigkeitsturbine 17 übt daher 2 Funktionen aus, nämlich die Wirbelgeschwindigkeit zu mitteln und ein Geschwindigkeitskorrektursignal zu liefern.

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Claims

Patentansprüche , . -

/T^) Mengenströmungsmesser der Drehimpuls art, dadurch ge k e η. η ζ ei c h η e t, daß in dem Strömungspfad, des umwirbelnden Strömungsmittels zur Messung der Mengenflußrate eine Bremsturbine (18) angeordnet ist, wobei stromaufwärts zur Bremsturbine in dem Strömungsmittelpfad ein Wirbelgenerator(lö) vorhanden ist, der einen Satz festangeordneter Flügel (34) besitzt, die unter einem Winkel zur Strömung angebracht sind, um dem strömenden Strömungsmittel Wirbel aufzuprägen, .daß ein Rohr (MO) derart angeordnet ist, daß dem Wirbelgenerator (16) ein Strömungsmittel zugeführt werden kann, wobei das Rohr (40) ein Abströmende (43) besitzt» welches dieFlügel (3¹O umgibt und daß Strömungsmittel an den Flügeln entlang geführt wird , und wobei das Rohr (.40) derartig konstruiert und angeordnet ist, daß für einen Teil des um die Flügel strömenden Strömungsmittels ein Abströmpfad gebildet wird, wenn die Strömungsrate ansteigt.
2. Mengenströmungsraesser nach Anspruch 1, d ad u r e h gekennzeichnet, daß ein Teil des Rohres (40) mit längsausgerichteten Schlitzen (42) versehen ist, die so ausgebildet sind, daß elastische Finger (43) gebildet werden, die sich durch den Strömungsmitteldruck umbiegen.
3. Mengenströmungsmesser nach Anspruch 2, dadurch

g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Wirbelgenerator (16) ein Nasenteil (33) besitzt, das so angeordnet ist, daß das darauf treffende Strömungsmittel umgelenkt wird, und mit den elastischen Fingern (43) des Rohres (40) in Kontakt kommt, um deren Umbiegung zu bewirken. ■
4. Mengenströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (34) durch Schlitze (35) in dem äußeren Teil des Wirbelgenerators (16) gebildet werden. "
5. Mengenströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzei c hnet, daß sich zwischen dem Wirbelgenerator (16) und der Brems turbine (18) eine Turbine (17)

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befindet, welche Strömungskanäle (23) besitzt, die parallel zur Rotationsachse der Turbine (17) verlaufen, wobei das aus der Turbine kommende Strömungsmittel eine gleichförmige Wirbeiges chwindigkeit aufweist.
6. Mengenströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelgenerator (16) eine Basis besitzt, um deren Peripherie windschiefe Flügel (34) sowie ein Nasenteil (33) zur Umlenkung eines Teiles des Strömungsmittels um die Flügel angeordnet sind, daß das Rohr (²K)) zur Führung des Stromungsmittels zum Wirbelgenerator (16) ein Abströmende besitzt, das dem Wirbelgenerator (16) benachbart ist, wobei ein Teil des Strömungsmittels, das durch das Rohr (40) fließt, in einen ersten Pfad zwischen den Flügeln umgelenkt wird, und dem Wirbel aufgeprägt werden und wobei ein Teil des Strömungsmittels außerhalb der Flügel ohne Wirbelgeschwindigkeit strömt, wobei das Verhältnis der Menge des Strömungsmittels, das in dem ersten Pfad fließt zu demjenigen in dem zweiten Pfad als Funktion der Strömungsmittelgeschwindigkeit durch das Rohr (40) variiert.
7. Mengenströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß das Rohr (40) derartig konstruiert und angeordnet ist, daß eine progressive Vergrößerung des Ausströmendes bei einem steigenden Strömungsmitteldruck möglich ist. ·

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