DE2333839A1

DE2333839A1 - Stroemungsdrosseleinrichtung

Info

Publication number: DE2333839A1
Application number: DE19732333839
Authority: DE
Inventors: Harold L Sletten
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-07-03
Publication date: 1974-03-07
Also published as: JPS4951635A; CA987799A; FR2191215A1; SE372365B; GB1403650A; US3873419A; FR2191215B3

Description

71 A 2 3. Juli 1973

1A-512

ROCKWELL INTERNATIOHAL CORPORATION, 11 Segundo, California, V.St.A.

Strömungsdrosseleinriehtung

Die Erfindung betrifft eine Strömungsdrosseleinrichtung für einen Kernreaktor zur Beseitigung einer hohen Druckdifferenz zwischen einer Hochdruckspeieherkammer und Brennelementen.

In Kernreaktoren und insbesondere in schnellen Brütern wird das Kühlmittel im allgemeinen aus einer Hochdruckspeicherkammer den Brennelementen zugeführt. Eine Drosseleinrichtung muß vorgesehen sein, damit das Erfordernis einer geringen Strömung in einigen Brennelementen, welche mit geringer Leistung und geringem Druckverlust arbeiten, erfüllt wird. Es ist erforderlich, den hohen Druck des Kühlmittels in der Hochdruckspeicherkammer zu reduzieren, bevor das Kühlmittel in das Brennelement eintritt. Die Drosseleinrichtung muß den größten !Beil der hohen Druckenergie beseitigen, so daß die Strömungsgeschwindigkeit auf Werte herabgesetzt wird, welche sich für Brennelemente schwacher Leistung eignen, wobei gleichzeitig ein ausreichender Strömungsquerschnitt und ein paralleler Strömungspfad vorgesehen sein müssen, um die Gefahr einer Verstopfung des Eingangs des Brennelements herabzusetzen.

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Es sind eine Vielzahl von Strömungsdrosseleinrichtungen "bekannt. Die US-Patentschrift 3.545.492 beschreibt eine Strömungsdrosseleinrichtung, bei der Platten mit Durchgängen in einer Leitung vorgesehen sind. Jede der Platten liegt radial quer zur Achse der Leitung. Eine Reihe solcher Platten sind im Abstand voneinander vorgesehen. Die in Strömungsrichtung erste Platte weist einen einzigen Durchgang auf, welcher relativ groß ist. Die in Strömungsriehtung nächste Platte weist zwei Öffnungen auf, welche kleiner sind als die einzige Öffnung der ersten Platte. Die dritte und vierte und fünfte Platte usw. weisen mehr und mehr Öffnungen auf, je nachdem, wie weit stromab sie gelegen sind. Diese Vorrichtung dient in erster Linie dazu, Kavitation zu verhindern. Die Öffnungen sind radial und in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, so daß die Öffnungen benachbarter Platten nicht miteinander fluchten. Aufgabe dieser Vorrichtung ist es primär, den Druckabfall auf einem Minimum zu halten, während die Kavitation möglichst vollständig vermieden werden soll. Demgegenüber wird erfindungsgemäß angestrebt, den Druckabfall so groß wie möglich zu machen, so daß eine schwache Strömung bewirkt wird.

Das US-Patent 3.368.94-6 beschreibt eine Einrichtung zum Kühlen eines Brennelementes in einem Kernreaktor. Das Strömungsmedium tritt in den Bereich des Brennelementes parallel zur Axialrichtung des Brennelementes ein. Das Strömungsmedium tritt in eine zentrale Öffnung ein, welche axial mit dem Brennelement fluchtet und beaufschlagt einen parabolisch geformten Innenkörper, dessen schmale Spitze am Einlaß gelegen ist, so daß das auf den parabolischen Körper auf treffende Strömungsmedium entlang der Achse des Körpers zerteilt wird, so daß das Kühlmittel im wesentlichen radial nach außen strömt und die Brennelemente umspült. Außerhalb der konzentrisch angeordneten Brennstoffelemente ist ein mit Durchgängen versehener Zylinder vorgesehen, welcher einen

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Auslaß für das Kühlmedium, welches durch die Brennelementestangen strömt, bildet. Somit strömt das Kühlmedium durch den Innenraum des Brennelementes zum Teil in Längsrichtung und zum Teil in Querrichtung. Es ist wichtig zu bemerken, daß bei dieser Vorrichtung wenig Druckabfall beobachtet wird. Eine solche Vorrichtung eignet sich nicht zum Abbau eines hohen Drucks und wirkt nicht als Drossel für einströmendes Kühlmedium.

Eine andere Kühlvorrichtung ist in dem US-Patent 3.114.798 beschrieben. Dieses Patent offenbart eine Einrichtung zum Kühlen einer Pernsehkamera, welche zur Überwachung eines Kernreaktors innerhalb desselben vorgesehen ist. Die Komponenten der Fernsehkamera befinden sich innerhalb eines zylindrischen Körpers, welcher von einer Reihe konzentrischer mit Durchgängen versehener Rohre umgeben ist. Das Ganze befindet sich, wiederum in einem zylindrischen Körper. Kühlmittel tritt in das äußere Gehäuse durch eine Ringöffnung ein, welche zwischen dem äußeren Gehäuse und dem ersten perforierten Zylinder gebildet ist. Der innere Zylinder weist entlang einer Seite eine Reihe mit gleichem Abstand voneinander angeordneter Löcher auf, welche axial entgegengesetzt der Öffnung im äußeren Gehäuse angeordnet sind. Das einströmende Kühlmedium tritt durch die Durchgänge im ersten inneren Zylinder in eine Ringkammer ein, welche durch den ersten inneren Zylinder und den benachbarten perforierten Zylinder gebildet ist. Der zweite perforierte Zylinder weist eine Reihe von ausgerichteten Durchgängen auf, welche axial entgegengesetzt der Durchgänge im ersten inneren Zylinder angeordnet sind, so daß das Strömungsmedium wiederum die gesamte Ringkammer, welche durch den inneren Zylinder und den zweit-inneren Zylinder gebildet ist, durchströmen muß. Auf diese Weise kühlt das Kühlmedium die gesamte Peripherie des zweit-inneren Zylinders und so fort. Die Gesamteinrichtung schützt den Innenzylinder der Fernsehkamera vor den hohen Temperaturen, welche in der Umgebung vorliegen. Dieses Kühlsystem führt niht zu

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einer Drosselung oder zu einer Reduktion des Drucks des einströmenden Kiihlmediums. Dieses System dient primär dazu, eine Pernsehkamera Tor der Hitze und den Strahlen der Umgebung zu schützen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsdrosseleinrichtung zu schaffen, welche zur Begrenzung der Kühlmittelströmung' durch Brennelemente niedriger Leistung in einem Kernreaktor geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein äußeres lang — gestrecktes Gehäuse mit einer Vielzahl von im Abstand voneinander über das Gehäuse geordnet verteilten Durchgängen, welche mit der Hochdruckspeicherkammer in Verbindung stehen, gelöst, sowie durch mindestens ein weiteres langgestrecktes Gehäuse innerhalb des äußeren Gehäuses und im Abstand von diesem angeordnet, welches eine Vielzahl im Abstand voneinander über das Gehäuse geordnet verteilte Durchgänge aufweist, welche nicht mit den Durchgängen im äußeren Gehäuse fluchten, so daß das Strömungsmedium unter Druckabfall auf einem gewundenen Pfad durch die Durchgänge strömt.

Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vielzahl konzentrischer Rohre vorzusehen, welche nicht fluchtende Durchgänge aufweisen, so daß das Kühlmedium zwischen den konzentrischen Rohren auf einem gewundenen Pfad strömen muß, wodurch ein Druckabfall zustandekommt. Die erfindungsgemäße Strömungsdrosseleinrichtung eignet sich insbesondere gut für bestimmte Arten von Brennelementen in schnellen Brütern, wie z. B. für "radial abdeckende" Brennelementanordnungen (radial blanket). Diese Brennelemente haben eine geringere Leistung relativ zu den primären Brennelementen des Reaktors. Alle Brennelemente stehen mit einer gemeinsamen Kühlmittelquelle in Verbindung, welche durch eine Hochdruckspeicherkammer gebildet ist. Die erfindungsgemäße Strömungsdrossel-

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einrichtung "bewirkt einen Abfall des größten Teils des Druckes in der Hochdruckspeicherkammer, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch die "betreffenden Brennelemente
herabgesetzt ist und so daß gleichzeitig eine genügende Strömungsquerschnitts fläche und ein Parallelströmungspfad vorgesehen ist, um die Gefahr einer Verstopfung des Eingangs des
Brennelementes zu beseitigen.

Durch diese Strömungsdrosseleinrichtung, welche aus'einer Anzahl von mit Durchgängen versehenen konzentrischen Rohren besteht, werden eine Reihe von parallelen Strömungspfaden gebil-; det. Die Rohrdurchmesser werden derart gewählt, daß ein genügender ringförmiger Raum oder eine ringförmige Kammer für die Strömung zwischen benachbarten Rohren verbleibt. Diese Kammer ist an den Stirnflächen verschlossen und das gesamte Kühlmedium muß der Reihe nach durch die einzelnen Rohre fließen, und
zwar vom äußeren zum nächst-äußeren bis schließlich zum
innersten Rohr. Von dort fließt das Kühlmedium axial weiter
in die Kernbrennelemente. Die Durchgänge von benachbarten
konzentrischen Rohren fluchten nicht, so daß das Strömungsmedium mindestens zweimal die Richtung wechseln muß und axial und in Umfangsriehtung in einer maximalen Strömungslänge durch den ringförmigen Zwischenraum zwischen den Röhren strömen
muß. Diese Anordnung von nicht fluchtenden Durchgängen in den konzentrischen Rohren führt dazu, daß das Kühlmedium zunächst zwischen dem äußeren und dem mittleren Rohr aufwärts gelenkt
wird, und dann zwischen dem mittleren und dem inneren Rohr abwärts. Hierdurch wird der hydraulische Widerstand erhöht und
die Anforderungen hinsichtlich Druckabfall und Strömungsgeschwindigkeit werden leicht erfüllt.

Die erfindungsgemäße Strömungsdrosseleinrichtung erlaubt einen hohen Druckabfall, während in der Speicherkammer ein hoher
Druck aufrechterhalten bleibt. Eine Gefahr eines Verstopfens
des Eingangs des Brennelementes aufgrund von Verunreinigungen

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des Kühlmittels wird durch den relativ großen Strömungsquerschnitt und die Zahl der Durchgänge beseitigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Strömungsdrosseleinrichtung sehr gut den Verhältnissen am Einlaß des Kühlsystems des Kernreaktors angepaßt ist, wobei bei dem eine Vielzahl von Brennelementen parallel und nahe beieinander in dem relativ engen Raum der Hochdruckspeicher— kammer angeordnet sind. Ferner bietet der Aufbau der Strömungsdrosseleinrichtung aus einer Vielzahl von konzentrischen Rohren eine zusätzliche Steifigkeit für die Verlängerungsdüse und eine größere Gesamtfestigkeit der Einrichtung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Brennelementes mit einer Düsenverlängerung;

Fig. 2 einen Längsschnitt der Dasenverlangerung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Abwicklung einer Drosseleinrichtung der Düse gemäß Fig. 2; und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Drosseleinrichtung der erfindungsgemäßen Düse.

Das Bezugszeichen 10 bezeichnet allgemein ein Brennelement mit einem Brennelementgehäuse 12, welches Brennstoffelemente umgibt, die in Form eines Bündels von Brennstoffstangen vorliegen. Das Brennelement 10 umfaßt ferner eine allgemein mit bezeichnete Düsenverlängerung, welche metallurgisch oder in anderer Weise an dem Gehäuse des Brennelementes an der Stelle 11 befestigt ist. Die Düsenverlängerung 14, welche

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zwischen Gitterplatten 16 und 18vorgesehen ist, macht etwa 1/6 der Gesamtlänge des Brennelementes aus. Die relative Dtisenlänge ist jedoch nicht auf diesen Wert beschränkt. Brennelemente sind mit Ausnahme der Düsenverlängerung seit langem bekannt.

JFig. 2 zeigt ein langgestrecktes Gehäuse oder eine Düsenverlängerung 14-, welche sich durch eine obere Gitterplatte. 16 sowie durch eine Lagerhülse 13 erstreckt. Der Boden 15 der Verlängerungsdüse 14 erstreckt sich durch eine untere Gitterplatte 18 und durch eine Lagerhülse 19. Der Boden 15 der Verlängerungsdüse 14 endet an einer Basisplatte 21. Mit einem Stift 29, welcher an der Basisplatte 21 befestigt ist, wird die Verlängerungsdüse in Position gehalten. Die'Düse 14 umfaßt ein äußeres konzentrisches Rohr oder Gehäuse 22, welches eine Reihe von Öffnungen 23 aufweist. Die Öffnungen sind in Peripherierichtung des Außenrohrs 22 in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Mit Abstand vom Außenrohr 22 und konzentrisch zu diesem befindet sich innen ein mittleres Rohr 24. Das mittlere Rohr 24 umfaßt eine Reihe von Öffnungen 25. Die Öffnungen sind um die Peripherie des mittleren Rohrs 24 herum in gleichem Abstand zueinander und geordnet vorgesehen. Ein inneres konzentrisches Rohr 26 ist mit Abstand vom mittleren Rohr 24 und innerhalb desselben angeordnet. Auch das Innenrohr 26 weist in ähnlicher Weise Öffnungen 27 auf. Jedes der konzentrischen Rohre 22, 24 und 26 sind derart im Gehäuse 14 angeordnet, daß die jeweiligen Öffnungen 23, 25 und 27 nicht miteinander fluchten. Zwischen der oberen Gitterplatte 16 und der unteren Gitterplatte 18 befindet sich eine Speicherkammer 20 unter hohem Druck, welche normalerweise gefüllt ist, z. B. mit flüssigem Natrium. Flüssiges Natrium eignet sich ausgezeichnet zum Wärmetransport in Kernreaktoren. Die Hoehdruckspeichrkammer 20 hält ein Gesamtdruckdifferential von 6,8 Atmosphären relativ zum Druck oberhalb oder am Auslaß der Brennzelle 10.

£ 0 9 8 1 0 / 0 3 6 5

Diese Druckdifferenz muß kompensiert werden, um die Brennzelle 10 zu kühlen. Das als Kuhlmittel verwendete flüssige Natrium tritt durch die Öffnungen 23 des äußeren konzentrischen Rohrs 22 ein. Da die Öffnungen 23 nicht mit den Öffnungen 25 im mittleren konzentrischen Rohr 24 fluchten, muß das Kühlmittel dann entweder axial nach oben oder unten strömen, um durch das mittlere Rohr 24 hindurchzutreten. Sobald das flüssige Natrium die durch das mittlere Rohr 24 und das Innenrohr 26 definierte Kammer erreicht, muß es wiederum entweder nach oben oder nach unten axial strömen, bis es die Öffnungen 27 des Innenrohrs 26 erreicht. Die Zahl, Größe und Anordnung der Öffnungen in jedem konzentrischen Rohr 22, und 26 sind so gewählt, daß etwa 95 $ der Druckenergie, welche in der Hochdruckspeicherkammer 20 zur Verfügung steht, zerstreut werden.

Wenn z. B. die Tiefe der Hochdruckspeicherkammer zwischen der oberen Gitterplatte 16 und der unteren Gitterplatte 76 cm beträgt, und wenn der Druck 6,8 Atmosphären beträgt und das äußere Rohr einen Außendurchmesser von 9,5 cm und das mittlere Rohr einen Außendurchmesser von 7,6 cm und das Innenrohr einen Außendurchmesser von 5,7 cm hat, wobei die Fennstärke der Wandung eines jeden Rohrs 3,05 mm beträgt, so muß jedes Rohr 24 Löcher mit einem Durchmesser von 6,3 mm und 5 Löcher mit einem Durchmesser von 4,6 mm aufweisen. Mit den vorstehenden Parametern werden etwa 95 ί° der 6,8 Atmosphären durch die Düsenverlängerung 14 verbraucht. Eine zusätzliche Einrichtung zur Variierung der Strömung des unter hohem Druck stehenden flüssigen Natriums zu den verschiedenen Brennzellen unter Verwendung einer derartigen Drosseleinrichtung kann darin bestehen, daß man den Randbereich 17 der Lagerhülse 13 axial über das äußere konzentrische Rohr 22 verlängert. Die Länge des Randbereichs hängt von dem Ausmaß der erforderlichen Hemmung der Strömung durch das Brennelement und die Drosseleinrichtung ab.

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Der Randbereich der Lagerhülse 13 wird aus den folgenden Gründen vorgesehen. Da ebenfalls eine Druckdifferenz von 6,8 Atmosphären an der oberen Gitterplatte 16 anliegt, so besteht zwischen der Innenfläche der Lagerhiilse 13 und der Außenfläche des Gehäuses 12 ein möglicher Leckpfad. Wenn jedoch das Natrium durch einen solchen Leckpfad hindurchtritt, so wird hierdurch die Oberfläche der Hülse durch Korrosion zerstört. Somit benötigt man Einrichtungen zum Austausch der Hülse und nicht zum Austausch der oberen Gitterplatte 16. Am Boden der Brennstoffzelle 14 sind Öffnungen 28 vorgesehen, welche dafür sorgen, daß Flüssigkeit, welche sich zwischen den Rohren angesammelt hat, während dem Ausbau der Brennstoffzelle 10 aus dem Reaktor abfließen kann.

Im folgenden soll auf Fig. 3 Bezug genommen werden. Die Abwicklungen der konzentrischen Rohre 22, 24 und 26 zeigen, wie in jedem konzentrischen Rohr die Lochmuster vorgesehen sind. Man erkennt leicht, daß die Öffnungen 23 im Außenrohr 22 nicht mit den Öffnungen 25 im mittleren Rohr 24 fluchten und daß ebenso die Öffnungen im mittleren Rohr nicht mit den Öffnungen 27 im Innenrohr 26 fluchten, wenn man jeweils gleiche Richtungen ins Auge faßt (z. B. die 60 ° Winkelposition in jedem konzentrischen Rohr). Somit wird das flüssige Natrium gezwungen, der Reihe nach axial von einem ringförmigen Zwischenraum zum anderen ringförmigen Zwischenraum, welche durch die konzentrischen Rohre definiert sind, zu strömen. Dieser gewundene Pfad bewirkt einen Druckabfall des Druckes in der Speicherkammer 20. Die Öffnungen 30, 32 und 34 sind kleinere Öffnungen in jedem konzentrischen Rohr 22, 24 und 26. Die Verringerung der Größe der Öffnungen 30, 32 und 34 dient dazu, die GesamtÖffnungsflache oder die Zahl der Öffnungen auf den notwendigen Wert zu bringen, um den Druck zu beseitigen. Die Verteilung der verschiedenen Lochgrößen ist relativ unkritisch, solange nur eine genügende Zahl von öffnungen vorhanden sind, um einerseits eine Druckenergie-

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Zerstreuung zu gewährleisten und um andererseits die Gefahr einer Verstopfung zu verringern,

I*ig. 4 zeigt eine alternative Ausbildung, wobei die Öffnungen 45, 47 und 49 in Gruppen angeordnet sind. Die Gruppe von Öffnungen 45 im äußeren konzentrischen Rohr 44 ist z. B. am Boden des Rohrs 44 gelegen, so daß das flüssige natrium axial aufwärts zu der Gruppe von öffnungen 47 strömen muß, welche nahe dem oberen Ende des konzentrischen Rohrs 46 gelegen sind. Sodann muß das flüssige Natrium abwärts zur Gruppe von Öffnungen 49 nahe dem Boden des Innenrolirs 43 strömen. Somit mui3 das flüssige Natrium in einer einseitig gerichteten Strömung axial der Reihe nach durch die ringförmigen Zwischenräume, welche durch die konzentrischen Rohre 44, 46 und 48 definiert sind, strömen. Die abgewandelte Ausführungsform der Verlängerungsdüse 40 bietet den Vorteil, daß die Gruppe von Öffliungen 47 im mittleren Rohr 46 axial weiter von den Öffnungen 45 und 49 im Außenrohr 44 bzw. im Innenrohr 48 verschoben werden können, indem man das mittlere Rohr 46 in nicht dargestellter Weise axial relativ zu den Roliren 44 und 48 auf mechanischem Wege verschiebt. Auf diese Weise wird mit der Drossel— einrichtung auch noch eine regelbare Ventilwirkung zur Erhöhung oder Senkung der Strömung erreicht. Daher kann in diesem Fall die Verlängerungsdüse 40 auch als Regelventil dienen.

Anstatt der drei konzentrischen Rohre können zwei konzentrische Rohre vorgesehen sein oder es können auch mehr als drei konzentrische Rohre vorgesehen sein.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Strömungsdrosseleinrichtung für einen Kernreaktor zur Beseitigung einer hohen Druckdifferenz zwischen einer Hochdruckspeicherkammer und Brennelementen, gekennzeichnet durch ein äußeres langgestrecktes Gehäuse (22;44) mit einer Vielzahl von im Abstand voneinander über das Gehäuse (22;44) geordnet verteilten Durchgängen (43;45), welche mit der Hochdruck-Speicherkammer (20) in Verbindung stehen, durch mindestens ein weiteres langgestrecktes Gehäuse (24,26;46,48) innerhalb des äußeren Gehäuses (22;44) und im Abstand von diesen angeordnet, welches eine Vielzahl von im Abstand voneinander über das Gehäuse (24,26;46,48) geordnete verteilten Durchgänge (25,27;47,49) aufweist, welche nicht mit den Durchgängen (23;45) im äußeren Gehäuse (22;44) fluchten, so daß das Strömungsmedium unter Druckabfall auf einem gewundenen Pfad durch die Durchgänge (23,25,27;45,47,49) .strömt.
2. Strömungsdrosseleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei langgestreckte Gehäuse (22,24,26;. 44,46,48) vorgesehen sind.
3. Strömungsdrosseleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (23,25, 27;45,47,49) vollständig um die Gehäuse (22,24,26;44,46,48) herum und in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
4. Strömungsdrosseleinrichtung nach einem- der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (22,24,26; 44,46,48) als konzentrische Rohre ausgebildet sind.

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5. Strömungsdrosseleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (45) des äußeren Gehäuses (44) in einem Endbereich des äußeren Gehäuses (44) angeordnet sind, daß die Durchgänge (47) des zweit-äußeren Gehäuses (46) im anderen Endbereieh des zweiten Gehäuses (46) angeordnet sind und daß die !Durchgänge (49) des dritt-äußeren Gehäuses (48) wiederum in dem einen Endbereieh des Gehäuses (48) angeordnet sind und so fort.
6. Strömungsdrosseleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweit-äußere G-ehäuse (46) und/oder andere innere Gehäuse (48 ..,) axial relativ zum äußeren Gehäuse (44) und gegebenenfalls weiteren Gehäusen (48) verschiebbar ist/sind, so daß die Strömung durch die Strömungsdrosseleinrichtung regelbar ist.
7. Strömungsdrosseleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine ringförmige Hülse (17), welche das äußere Gehäuse (22;44) umgibt und sich in axialer Richtung teilweise über das äußere Gehäuse (22;44) erstreckt.

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