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Gasturbine mit absatzweiser wiederholter, selbsttätiger Zündung durch
Stoßwelle Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit absatzweise wiederholter,
selbsttätiger Zündung von Treibgemisch durch Stoßwelle in einem langgestreckten
Brennraum und mit zusätzlich .eingeführter, gegenüber dem Verbrennungsgas kälterer
Luft. Bei Gasturbinen mit der bekannten Zündung durch Wärmeleitung, die oft durch
Verwirbelung des Treibgemisches unterstützt wird, liegen Zündgeschwindigkeiten von
einigen Metern in de, Sekunde vor. Die Verwendung zusätzlicher Luft, die von dem
Verbrennungsgas verdichtet werden soll, führt dabei zu Vermischungen der Luft mit
dem Brenngas, weil die Druckentwicklung bei der Verbrennung des Gemisches verhältnismäßig
lange Zeiträume erfordert. Dabei entstehen ungeregelte Strömungen, deren Geschwindigkeiten
kleiner sind als die Schallgeschwindigkeit in der Luft, woraus sich Vermischungen
von Luft und Brenngas zwangläufig ergeben. Bei Verbrennungen von Gemisch mit Zündgeschwindigkeiten
von nur einigen Metern in der Sekunde ist es in Gegenwart zusätzlicher Luft auch
nicht möglich, eine technisch wirksame Gleichraumverbrennung zu erreichen. Die verhältnismäßig
langsam fortschreitende Teilverbrennung in dem Gemisch führt vielmehr unverzüglich
zu einer Ausdehnung des verbrannten Gemischteils. Mit bekannten
Gasturbinen
dieser Art, die mit zusätzlich eingeführter, kälterer Luft arbeiten, ist .demnach
keine wirkungsvolle Verbesserung durch die zusätzliche Luft zu erreichen. Die Anordnung
eines gesonderten, von zusätzlicher Luft abgeschlossenen Brennraumes führt zu technisch
unvorteilhaften und umfangreichen Bauweisen, insbesondere wegen der Wärmewirkung
der Verbrennungsgase auf die Äbschlußorgane des Brennraumes. Somit weisen die bekannten
Konstruktionen wesentliche Nachteile auf, die teils in hohem baulichem Aufwand und
teils in zu geringen Wirkungsgraden bestehen.
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Der Nachteil einer umfangreichen Bauweise wird vermieden, und zugleich
wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, indem in bekannter Weise zusätzlich eingeführte
kältere Luft dem- Auslaß des Brennraumes zwischen den Verpuffungen der Brenngase
in einem Beschleunigungsraum absatzweise kolbenartig vorgelagert wird. Die wesentlichen
Bauteile der Turbine werden durch die zwischenzeitliche Wirkung kälterer Luftmassen
gegen zu- große Erwärmung geschützt, und aus der angenäherten Gleichraumverbrennung
bei Stoßwellenzündung ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad.
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Eine betriebssichere Abstimmung der Pulsatiönen in dem Brennraum und
dem Beschleunigungsraum für die Zusatzluft wird gemäß der Erfindung in der Weise
erreicht, daß der Einlaß des Beschleunigungsraumes für die Zusatzluft von dem Auslaß
des Brennraumes so weit entfernt angeordnet ist, daß dieser Teil des Beschleunigungsraumes
eine Eigenschwingung der darin befindlichen Luft mit annähernd der Frequenz des
Brennraumes ergibt. Eine genaue Abstimmung auf die Frequenz des Brennraumes ist
in den Fällen gegeben, in denen die Brenngasschwingungen harmonisch verlaufen. Praktische
Versuche mit Brennräumen verschiedener Konstruktionen und mit verschiedenartiger
Gemischbildung haben gezeigt, daß ungefähr harmonische Schwingungen der Brenngase
sich nur in besonderen Fällen einstellen, diese Schwingungen im allgemeinen aber
nicht harmonisch verlaufen. Deshalb können die Frequenzen im allgemeiner, nicht
exakt gleiche Werte erhalten, weil dann der Betrieb nicht auf die technisch günstigste
und sicherste, Art abgestimmt sein würde. In jedem Fall ist aber eine weitgehende
Annäherung der Luftschwingung an die Frequenz der Brenngase erforderlich.
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Die Zündung durch eine Stoßwelle verläuft bei kaltem Gemisch von atmosphärischem
Druck mit einigen hundert Metern Geschwindigkeit in der Sekunde. Diese Zündgeschwindigkeit
liegt somit in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit des Gemisches. Mit einer
derartigen Zündung wird deshalb auch in offenen Räumen eine Verbrennung erzielt,
die einer Gleichraumverbrennung weitgehend angenähert ist. Eine zündende Stoßwelle
ist zudem bei offenem Brennraum durch eine vorhergegangene Verbrennung selbsttätig
zu erzeugen, wenn die dazu notwendigen bekannten Konstruktionsbedingungen eingehalten
werden. Der Vorgang der. Ausbildung einer Stoßwelle in einem -offenen Brennraum
besteht vorwiegend in gasdynamischen Erscheinungen, er erfordert somit keine mechanisch
bewegten Teile einer Einrichtung. Daraus folgt, daß eine derartig Zündung ohne weitere
Mittel in schneller Folge erzielbar ist. Bei einer schnellen Folge von Verbrennungen
ist die Bildung einer annähernd stetigen Strömung, wie sie für den Gasturbinenbetrieb
erwünscht ist, ohne größeren, Aufwand- und ohne wesentliche Energieverluste möglich.
Es liegt deshalb eine besondere Eignung derartiger Verbrennungen für den Gasturbinenbetrieb
vor.
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Ferner folgt aus der hohen Zündgeschwindigkeit eine hohe Ausnutzung
eines Brennraumes, der somit wesentlich kleiner ausgeführt werden kann als ein Raum,
in welchem die Zündung durch Wärmeleitung und Verwirbelung bewirkt wird, wie z.
B. bei Brennkraftkolbenmaschinen und Brennkammern von Gasturbinen. Der unvermeidbare
Wärmeabfluß durch die Wandung ist bei einem kleinen Brennraum geringer als bei einem
größeren Raum, womit sich ein erhöhter thermischer Wirkungsgrad ergibt. Die durch
Stoßwellenzündung bewirkte Gleich raumverbrennung gibt außerdem die Möglichkeit,
vorgelagerte Luft mit gutem Wirkungsgrad zu ver dichten und zu beschleunigen. Dies
folgt aus dem schnellen Druckanstieg der Verbrennungsgase, welcher in kurzer Zeit
in der Berührungsschicht von Gas und Luft zur Ausbildung einer Verd,ichtwng:swelle
mit Drucksprung führt. Diese Welle pflanzt sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit
in der Luft fort. Da Vermischungen Unterschallgeschwindigkeit erfordern, so kann
sich eine nennenswerte Vermischung von Gas und Luft nicht einstellen, vielmehr wird
die vorgelagerte Luft im wesent lichen in ihrer Gesamtheit wie durch einen Kolben
verdichtet und beschleunigt. Dies erfolgt mit hohem Wirkungsgrad. Bei andersartigen
Zündungen von Gemisch tritt eine derartige Wirkung nicht ein, weil dabei der Druckanstieg
des Gases nicht schnell genug erfolgt. Von Bedeutung für einen Turbinenbetrieb ist
auch die Betriebssicherheit der Stoßwellenzündung und ihre Unabhängigkeit von be
sonderen Hilfseinrichtungen. Schließlich ist es für einen Turbinenbetrieb wesentlich,
daß die Zündung durch Stoßwelle keine Empfindlichkeit gegen unter schiedliche Brennstoffe
aufweist. Treibgas, flüssige Kraftstoffe und Kohlenstaub werden in gleicher Weise
verarbeitet.
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Die Eigenschaften einer selbsttätigen Zündung durch Stoßwelle zeigen
somit überraschend günstige Wirkungen bei einem Turbinenbetrieb, welcher außer der
Verbrennungsluft noch zusätzlich eingeführte Luft verwendet, die dem Auslas des
Btennraumes absatzweise vorgelagert wird.
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Das an sich bekannte Verfahren einer absatzweisen und kolbenartigen
Beschleunigung von zusätzlicher Luft, das insbesondere für Flugzeugstrahlantriebe,
welche die Gas- und Luftmassen unmittelbar ins Freie ausstoßen und geringe mechanische
Beanspruchung erfahren, vorgeschlagen worden ist, besitzt somit bei der Anwendung
auf Gasturbinen besondere Vorteile, welche es ermöglichen, neue Bauformen. von Gasturbinen
auszuführen,
die thermodynamisch und bautechnisch günstigere ?Merkmale
aufweisen, als die bekannten Gasturbinen.
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Die Abb. i und 2 zeigen beispielsweise eine Ausführungsform der Gasturbine.
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Abb. i gibt einen Längsschnitt und Abb. 2 einen Ouerschnitt in der
Ebene A-A der Abb. i wieder.
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In der Abb. i ist durch Strömungspfeile der Weg der Luft beziehungsweise
des Gases durch die Turbine angedeutet. Die Luft tritt durch den Einlaß des Verdichterrades
i ein, strömt durch den Leitapparat 2 und wird sodann dem zweiten Verdichterrad
3 zugeführt. Ferner durchströmt die Luft den Leitapparat q. und gelangt durch Öffnungen
5 der Wand 6 in die Kammer 7. Das Gehäuse der Verdichterräder i und 3 wird durch
die Wand 6 und den Deckel 8 gebildet, die Abdichtung zwischen den Rädern bewirken
die Zwischenwände 9 und iö, die mit dem Deckel 8 durch Schrauben verbunden sind.
Die Kammer 7 wird durch die Wände 6 und i i sowie den Ring 12 gebildet. In der Kammer
7 sind zwei langgestreckte Brenn- und Lufträume untergebracht, von denen kreisförmige
Querschnitte in Abb. i sichtbar sind. Innerhalb des Rings 12 und zwischen den Wänden
6 und i i befindet sich der Sammelraum 13, in welchen die Gas- und Luftmassen einströmen.
Aus dem Raum 13 treten diese Massen in die Beschaufelung der vierstufigenAxialturbine,
deren Leitschaufelringe 14 bis 17 mit dem Gehäuse 18 und deren Laufschaufelringe
ig bis 22 mit dem Rotor 23 verbunden sind. Das Gehäuse 18 ist mit einem Flansch
versehen und mit der Wand i i verschraubt. Die Verdichterräder i und 3 sind mit
der Welle 24 verkeilt. Die Welle 24 hat die Lager 25 und 26, wobei das Gehäuse des
Lagers 25 durch Rippen 27 mit der Wand 8 verbunden ist. An dem außenliegenden Ende
der Welle 24 ist eine Wellenkupplung 28 zur Weiterleitung der Turbinen-Leistung
angeordnet. An dem innenliegenden Ende der Welle 24 befindet sich innerhalb des
Gehäuserings, welcher das Lager 26 hält, eine Wellenkupplung 2o gegenüber der Kupplung
3o an der Welle31 des Turbinenrades. Diese Kupplungen verbinden beide Wellen. Der
Rotor 23 ist mit der Welle 31 verkeilt, und die Welle ist durch die Lager 32 und
33 gehalten. Das Lager 33 ist in einem durch kippen 3:I mit dem Gehäuse 18 verbundenen
Ring untergebracht.
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Abb. 2 zeigt in der Ebene A-A der Abb. i die Außenbegrenzung des Raumes
7 durch die Wand i i, und mehr innerhalb liegend ,den Ring 12. Durch den Ring 12
dringen die beiden rohrförmigen Räume 35, die jeder für sich mit einem rohrförmigen
Brennraum 36 in Verbindung-stehen. Am Anfang jedes Brennraumes 36 befindet sich
ein Klappenventil 37, welches die Einströmung zuläßt, aber ein Rückströmen von Gas
bei der Verpuffung verhindert oder doch wenigstens weitgehend unterdrückt. Ebenso
befinden sich Ventile 38 für die zusätzliche Luft am Anfang der Lufträume 35. Das
Treibgas und die beschleunigte Luft strömen absatzweise in den Raum 13. Bei dieser
Strömung im Raum 13 findet bei ausgeglichenem Druck der beiden Strö-. mungsbestandteile
ein Ausgleich der Pulsationsbewegung und der Temperaturen statt, so daß nur unerhebliche
Schwankungen um einen Mittelwert verbleiben. Dieser Ausgleich kann auch durch be
sondere Einbauten für die Stromführung unter. stützt werden. Die im Raum 13 kreisende
Strömung tritt nach der einen Seite in die Beschaufelung der Turbine über, die in
Abb.2 durch die Ansicht auf den Leitschaufelring 14 erkennbar ist.
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Um die periodischen Verbrennungen in den Brennräumen 36 einzuleiten,
sind die Räume mit Zündkerzen 39 versehen. Die Einführung von Brennstoff geschieht
durch die Düsen 40, die von den Brennstoffleitungen 41 gespeist werden. Zum Anlassen
der Turbine kann z. B. zugleich mit der anfänglichen Einführung von Brennstoff auch
Verbrennungsluft in einer Menge in jedes der Rohre 36 eingeblasen werden, die eine
wenigstens teilweise Füllung jedes Rdhres@36 mit Gem:i.schergibt, worauf die Zündung
betätigt wird, oder aber die Verdichter werden zusammen mit dem Turbinenrotor in
Drehung versetzt, so daß eine Luftströmung in den Rohren 36 entsteht, in die sodann
Brennstoff gegeben und gezündet wird. Nach einmaliger Zündung durch die Kerze 39
oder auch durch eine andere Wärmequelle vollziehen sich die weiteren Zündungen selbsttätig.
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Im periodischen Betrieb ergibt sich während der Verpuffung von Treibgemisch
in dem einen der Rohre 36 eine Vorwärtsbeschleunigung der Luft in dem Teil des Raumes
35, der in Richtung der Strömung vom Auslaß des Rohres 36 an verläuft. Die in dem
rückwärtigen Teil des Rohres 35 befindliche Luft, bis zum Ventil 38 reichend, kommt
währenddessen zur Ruhe und wird darüber hinaus zum Ventil 38 hin beschleunigt
und verdichtet. Wenn sodann der Druck der Verbrennungsgase am Austritt des Rohres
36 abgefallen ist, findet das Ein.-strömen frischer Verbrennungsluft in Rohr 36
und eine Ausdehnung der Luft im Rohr 35 statt. Die Ausströmung am Ende des Rohres
35 führt bald dazu, daß sich auch die Luft ausdehnt, die sich in dem Teil des Rohres
35 befindet, der zwischen dem Auslaß des Rohres 36 und dem Ventil 38 liegt. Daran
anschließend erfolgt eine Nachströmung frisches Luft durch das sich öffnende Ventil
38 hindurch infolge der Trägheit der Luftströmung in Rohr 35. Damit ergibt
sich eine vollständige oder teilweise Neufüllung des Rohres 35 mit frischer zusätzlicher
Luft. Der Raum 35 für die Zusatzluft ist gemäß der Erfindung teilweise hinter dem
Auslaß des Brennraumes 36 angeordnet, wobei in diesem Teil der Einlaß für die Zusatzluft
von dem Auslaß des $rennraumes 36 so weit entfernt angeordnet ist, daß er eine Eigenschwingung
der darin befindlichen Luft mit annähernd der Frequenz des Brennraumes 36 ergibt.
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Um eine erwünscht große Menge an zusätzlicher Luft zu erhalten ist
es vorteilhaft, den Querschnitt des Raumes für die Zusatzluft größer auszuführen
als den Querschnitt des Brennraumes in seinem für die Pulsationsschwingung wesentlichen
Teil. Bei
zylindrischen Röhren mit gleichbleibendem Durchmesser
ist dies die Gesamtlänge.
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Durch die Beschleunigung zusätzlicher Luft wird die Geschwindigkeit
der Strömung herabgesetzt. Damit ist die Möglichkeit gegeben, auch dieRelativgeschwindigkeit
der strömenden Gase gegen die Beschaufelung der Turbine klein zu halten, ohne daß
eine zu große Stufenzahl für die Turbine gewählt werden muß. . Bei geringen Relativgeschwindigkeiten
besteht keine erhebliche Wirkung von kleinen, festen Bestandteilen der Strömung
auf die Beschaufelung. Deshalb können auch feste Brennstoffe, die in der Regel Aschebestandteile
enthalten, ohne Nachteil für die Beschaufelung verwendet werden, wodurch ein besonderer
technischer Vorteil erreicht wird. Dabei ist es ohne weiteres gegeben, gröbere Ascheteilchen
in den strömenden Gasen vor ihrem Eintritt in die Beschaufelung durch kr$isende
Bewegung des Gasstroms auszuscheiden.
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Für die Beaufschlagung eines Turbinenrades ist es technisch vorteilhaft,
das strömende Mittel unter konstantem Druck und mit gleichem spezifischem Gewicht
zuzuführen. Dies ergibt sich in manchen Fällen ohne- weiteres infolge der hohen
Frequenz der Pulsationen und ihres Ausgleichs indem Raum, der für die Stromführung
ohnehin erforderlich ist. Um eine in jedem Fall ausreichende Gleichmäßigkeit der
Strömung hinsichtlich Druck und Geschwindigkeit zu erreichen, ist die Anordnung
eines besonderen Ausgleichraumes 13 zwischen dem Auslaß des Raumes für die Beschleunigung
der Zusatzluft 35 und -der Turbinenbeschaufalung, z B. dem Leitring 14, vorteilhaft.
Ein derartiger Ausgleichraum führt ferner zu einem praktisch vollständigen Ausgleich
der Temperaturen der Strömungsbestandteile. Dieser ergibt sich teilweise durch Wärmestrahlung
und teilweise durch Mischung der Bestandteile. Da die Bestandteile der Strömung
im wesentlichen gleiche Geschwindigkeiten und Drücke aufweisen, vollzieht sich der
Ausgleich ohne nennenswerten Energieverlust, im Gegensatz zu den Vermischungen bei
Ejektoren. Der Förderung einer gleichmäßigen Strömung dient ferner die in den Abb.
z und: .2 .dargestellte Anordnung. des Raumes für die Zusatzluft, weil dabei in
den Zeiten zwischen den Verpuffungen der Brenngase eine Luftausströmung aus dem
Raum zwischen dem Auslaß des. Rohres 36 und dem Ventil 38 %stattfindet, die ausgleichend
wirkt. Sodann ergibt die dargestellte Anordnung einen weiteren Ausgleich infolge
des Betriebes von zwei gleichartigen Brenn-und Lufträumen. Es stellt sich dabei
eine Ver= Setzung der Pulsationen beider Aggregate um 180 Winkelgrade ein, wie aus
Betriebsversuchen parallel liegender Verbrennungsrohre zu schließen ist. i1: dem
Ausgleichraum 13 ergibt sich somit eine Periodizität der Strömung, die eine
doppelt so hohe Frequenz hat wie eines der Verbrennungsrohre. Da ein wesentlicher
Teil der -Gesamtenergie` in Druckenergie aus der Gleichraumverbrennung in den Röhren
36 vorliegt, besteht eine Energie der Strömung, deren Schwankung nur einen Teilbetrag
der Gesamtenergie ausmacht. Um eine geschlossene Bauart einer Turbine zu erhalten
und den unerwünschten Abfluß von Wärme tunlichst zu-vermeiden, ist es vorteilhaft,
den langgestreckten Brennraum und den Raum für die zusätzlichen Luftmassen wenigstens
teilweise bogenförmig gewunden auszuführen. Dadurch wird eine Verringerung der die
Turbine umschließenden Fläche und zugleich. eine bauliche Anordnung von geringerer
Ausdehnung erzielt.
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Um ferner die thermische Beanspruchung der Baustoffe gering zu halten
und zugleich strömungstechnisch günstige bauliche Verhältnisse der Turbine zu erzielen,
ist es vorteilhaft, die Gewichtsmenge der zusätzlich eingeführten Luft größer zu
machen als die Gewichtsmenge des Treibgemisches.
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Die Einführung zusätzlicher Luft kann in einigen Fällen dadurch verbessert
werden, daß diese vor ihrer Einführung auf erhöhten Druck gebracht wird. Dies kann
schwingungstechnisch durch Koppelung einer schwingenden Luftsäule oder durch einen
Verdichter mit stetiger Förderung von Luft bewirkt werden. Vorteilhaft ist es ferner,
die Verhrenriungsluft (oder das Verbrennungsgemisch) und die Zusatzluft vor ihrer
Einführung in ihre Räume durch die Energie des Turbinenrades auf erhöhten Druck
zu bringen. Dadurch, daß das gesamteDruckniveau erhöht wird, ergibt sich außer einer
Verringerung des baulichen Aufwandes für den Brenn--und> Zusatzluftraum eine Steigerung
der Intensität des Verbrennungsvorganges und eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Durch
diese Maßnahme kann außerdem die Intensität der zündenden Stoßwelle gesteigert und
damit die Gleichraumverbrennung begünstigt werden.
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Eine besonders vereinfachte Konstruktion wird erreicht, wenn die Verbren
nungs- und Zusatzlufträume ganz oder teilweise an dem Turbinenrad angeordnet sind.
Eine derartige Anordnung ergibt sich beispielsweise nach Abb. a, wenn dort die Lage
der Rohre 35 und 36 vertauscht wird. Die Ventile 37 würden dann auf kleinerem Radius,
und die Auslaßquerschnitte der Rohre 35 auf größerem Radius liegen, und diese Rohre
würden den Rotor der Turbine, wenigstens teilweise, bilden. Die- verbleibende Energie
der ausströmenden Massen kann dann nach bekannten Ausführungen mittels Beschaufelungen
zur Unterstützung der Drehenergie des Rotors verwendet werden. Ein besonderer Vorteil
dieser Ausführung besteht darin, daß dieDruck -energie der strömenden Massen unmittelbar
als Drehenergie verwendet wird.
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Die aus der Turbine ausströmenden Gase enthalten eine Wärmemenge,
die zur Steigerung des Wirkungsgrades. der Turbine benutzt werden kann. Demnach
ist es vorteilhaft, die Abgase der Turbine durch Wärmeaustauscher zu führen, in
denen die Übertragung eines Teils dieser Wärme auf die einzuführende Luft erfolgt.
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Andererseits kann die aus der Turbine ausströmende Energie der Gase
auch einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Dies ist beispielsweise gegeben,
wenn es sich um. die Erzeugung von Reaktionskraft handelt, die zum Antrieb eines
Flugzeugs
od. dgl. dienen soll. In derartigen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Energie
des Turbinenrades im wesentlichen nur zum Antrieb eines Verdichters für die benötigte
Luft und die verbleibende Energie der Gase zum Erzeugen von Reaktionskraft benutzt
wird.