DE2104145A1

DE2104145A1 - Luft-Wirbelvorrichtung für Gasturbinenbrenner

Info

Publication number: DE2104145A1
Application number: DE19712104145
Authority: DE
Inventors: Edward Paul Schenectady N.Y. Hopkins (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-02-02
Filing date: 1971-01-29
Publication date: 1971-08-19
Also published as: US3630024A; JPS506888B1; DE2104145C2; GB1320263A; CH529972A

Description

Luft-Wirbelvorrichtung für Gasturbinenbrenner

Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenbrenner und insbesondere eine Luft-Wirbe!vorrichtung für die Verwendung in einem Gasturbinenbrenner.

In der heutigen industrialisierten und motorisierten Gesellschaft ist die Luftverschmutzung zu einem sehr großen Problem geworden. Die Regierungen treffen Maßnahmen, um das Problem durch eine entsprechende Gesetzgebung einzudämmen, und die
Hersteller unternehmen Forschungsarbeiten, um Geräte mit geringerer Luftverschmutzung zu konstruieren. Die Gasturbinenindustrie bildet hierbei keine Ausnahme, und es wurden bereits

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ausgedehnte Forschungen auf dem Gebiet der Schmutzbeseitigung in den Ausstoßgasen von Gasturbinen durchgeführt.

Eine der bekannten Methoden zur Verringerung von Rauch in dem Auslaßgas der Gasturbine bestand in der Verwendung eines Zusatzstoffes, beispielsweise Mangan. Solche Zusätze erhöhen selbstverständlich die Kosten des Brennstoffes, während sie oft die "von Brand'sehe Rauchzahl" nicht nennenswert vergrößern. Die Rauchdichte oder "von Brand¹sehe reflektierende Rauchzahl" ist ein Maß der Menge des sichtbaren Rauches in einem Abgasstrom. Die Zahlen besitzen einen Bereich von 0 bis 100, wobei die Zahl 100 ein rachfreies Abgas bezeichnet.

Bisher wurde auch vorgeschlagen, ein fein zerstäubtes Kühlmittel in die Primärzone des Brenners einzusprühen und dadurch zur Erreichung einer geringen Erhöhung der "von Brand' sehen Rauchzahl" die Temperatur der primären Zone zu verringern. Ein Beispiel für dieses Verfahren ist ersichtlich aus dem US Patent 3 088 280.

Ein weiteres Verfahren zur Verringerung des Rauches in dem Auspuffgas einer Gasturbine besteht in der Behandlung der Auspuffgase selbst. Die Verwendung von Ausstoßgasreinigern (scrubbers), wie sie manchmal genannt werden, erfordert einen zusätzlichen Aufwand von komplizierter Ausrüstung, um einwandfrei zu arbeiten.

Die vorliegende Erfindung betrifft neben der Vorrichtung für Luftwirbelung ein Verfahren zur Verringerung des Rauches durch Abmagerung in der Primärzone der Verbrennungskammer, d. h. in der Primärzone wird eine zusätzliche Luftmenge in Relation zu der zugeführten Brennstoffmenge eingeführt. Es ist an sich bekannt, daß die Abmagerung des Brennstoff-Luftgemisches die bei dem Verbrennungsvorgang erzeugte Menge von Ruß und Rauch verringert. Wenn der Versuch unternommen wird, die Primärzone oder das Kopfende (head end) des Brenners abzumagern, besteht das Problem, daß die BHammstabilität verringert wird und möglicherweise vollständig verloren geht. Durch die Zufügung des Luftwirbiers

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gemäß der vorliegenden Erfindung um die Brennstoffdüse herum, wird in dem Brenner eine freie Wirbelströmung erzeugt und die Plammiront wird wirksam stabilisiert.

Ein weiteres Problem bei Brennern für Gasturbinen besteht in der Ansammlung von Kohlenstoff an der Oberfläche der Brennstoffdüse während des Betriebes. In der Vergangenheit mußten in Zeitabständen die Brennstoffdüsen von jedem Brenner herausgenommen und gereinigt werden. Selbstverständlich erforderte dies ein Stilllegen der Gasturbine und eine Demontage des Brenners, so daß die Oberfläche der Brennstoffdüsen gereinigt werden konnte. Es ist erwünscht, eine Brennstoffdüsenanordnung zu haben, welche sich während des Betriebes selbst reinigt.

Bei Gasturbinenbrennern, wo die Möglichkeit zur Verwendung von zwei Brennstoffen erwünscht ist, d. h. eines flüssigen und eines gasförmigen Brennstoffes, wird es ein Problem, die Gasaustrittsöffnungen sauber zu halten, wenn man den Brenner mit flüssigem Brennstoff betreibt. Es ist erwünscht, die Gasaustrittsöffnungen an einem Punkt zu halten, an dem nur saubere Luft vorhanden ist, d. h. in der Nähe der eintretenden Verbrennungsluft. Die durch die Schlitze der Wirbelvorrichtung hindurchtretende Luft verhindert, daß Verbrennungsprodukte und ül in der Gasseite der Brennerdüsen eintreten können. | üs ist außerdem erwünscht, dem gasförmigen Brennstoff eine Wirbelcharakteristik zu vermitteln, so daß hierdurch eine vollständige Mischung im Brenner ausgelöst wird.

Demgemäß besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Flamme zu stabilisieren und gleichzeitig das Kopfende oder die Primärzone abzumagern, und dadurch den Rauch in dem Ausstoßgas der Turbine zu verringern.

Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, den Aufbau einer Kohlenstoffablagerung auf der Fläche der Brennstoffdüse während des Betriebes zu verhindern.

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Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Luftwirbelvorrichtung zu schaffen, welche gleichzeitig noch als Düse für gasförmigen Brennstoff arbeitet.

Die vorliegende Erfindung wird in einer Ausführungsform dadurch verwirklicht, daß man um die Brennstoffdüse eines Gasturbinenbrenners herum eine verbesserte Luftwirbelvorrichtung anordnet. Die Wirbelvorrichtung besteht aus einem Hauptteil, in dem Schlitze eingearbeitet sind, so daß um den Umfang dieses Hauptteils herum eine Vielzahl von Leitflächen ausgebildet wird. Die Leitflächen sind so gestaltet, daß die Oberfläche der Austrittskante eine bestimmte meßbare Dicke aufweist. In dem Hauptteil ist eine Vielzahl von Luftaustrittsbohrungen vorgesehen, so daß ein Teil der zu den Leitflächen der Wirbelvorrichtung hindurchgehenden Verbrennungsluft durch diese Luftaustrittsöffnungen gerichtet wird, über die Stirnfläche der Brennstoffdüse hinwegstreicht und so das Ansetzen von Kohlenstoffablagerungen verhindert. In einer Ausführungsform sind in dem Hauptteil des Luftwirbelers auch eine Vielzahl von Löchern für Verbrennungsgas in der Weise angeordnet, daß bei Betrieb der Brennstoffdüse mit gasförmigem Brennstoff der Brennstoff in die Gasbohrungen eintritt und in die Schlitze des Luftwirbelers geleitet wird. Der gasförmige Brennstoff wird zusammen mit einem Teil der Verbrennungsluft, welcher durch die Schlitze des Luftwirbelers geht, in eine Wirbelung versetzt, und dadurch wird eine Anhäufung von Abscheidungen um die Gasbohrungen herum vermieden.

Die nachstehenden Abbildungen und die zugehörige Beschreibung dienen zur Erläuterung des allgemeinen Erfindungsgedankens am Beispiel bestimmter Ausführungsformen.

Fig. 1 ist eine Vorderansicht der Luftwirbe!vorrichtung.

Fig. 2 ist eine teilweise Seitenansicht und zeigt die relativen Abmessungen der Leitflächen des Luftwirbelers.

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Pig. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linien 3-3 der Fig. 1.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Luftwirbelers und der zugehörigen Brennstoffdüse, welche beide in den Brennkammerverschluß (cap) eingesetzt sind.

In der Fig. 1 ist bei 1 eine Luftwirbelvorrichtung allgemein gezeigt und besteht aus einem Hauptteil 2, aus dem eine Vielzahl von einzelnen Leitflächenieil-.-a 3 herausgearbeitet sind. Man erkennt, daß bei der Ausbildung der Leitflächenteile 3 außerdem eine Vielzahl von Nuten oder Schlitzen k am Umfang des Hauptteiles 2 gebildet werden. Selbstverständlich kann neben der Herausarbeitung der Leitflächenteile 3 aus dem Hauptteil 2 durch spananhebende Verformung irgendein anderes geeignetes Verfahren zur Ausbildung der Nuten 4 und der Leitflächenteile 3 verwendet werden. Ein Kriterium bei der Ausbildung der Leitflächenteile besteht darin, daß die Oberfläche der Austrittskante (hiermit ist die Austrittskante bezüglich des durch den Luftwirbeier hindurchtretenden VerbrennungsluftStroms gemeint), welche allgemein bei 5 angedeutet ist, im Gegensatz zu einer verjüngt zusammenlaufenden Kante eine bestimmte meßbare Dicke aufweist. Der Grund für diese Gestaltung der Oberfläche der Austrittskante 5 wird untenstehend näher erläutert. In der Mitte des Hauptteils 2 ist eine Brennstoffdüsenöffnung 6 angebracht, welche die Brennstoffdüse 7 aufnimmt. Die gegenseitige Lage der Brennstoffdüse 7 und der Luftwirbelvorrichtung 1 ist aus Fig. 4 ersichtlich.

Wie bei 8 in Fig. 1 angedeutet, werden Luftreinigungslöcher (sweeper holes) verwendet, um die Vorderfläche der Brennstoffdüse 7 frei von einer Ablagerung von Kohlenstoffteilchen zu halten, welche normalerweise bei dem Betrieb bekannter Gasturbinenbrenner auftrat. Diese Luftreinigungslöcher erstrecken sich im allgemeinen unter einem Winkel von der Innenfläche 9 der Nuten 4 bis zu der oberen Fläche 10 des Hauptteils 2. Der Neigungswinkel der Luftreinigungslöcher

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ist besser ersichtlich aus der Fig. 3 und liegt in der Größenordnung von 25 bis 35°. Dabei wird der Winkel von 30° bevorzugt und verringert die Menge der Kohlenstoffablagerung am stärksten. Dieser Winkel mit einer Ebene senkrecht zur Achse des Luftwirbelers ist in der Fig. 3 mit dem Buchstaben <λ bezeichnet. Gewöhnlich treten zwischen 5 und 10 % der Gesamtverbrennungsluft in die Nuten oder Schlitze 4 ein. Mit dem Beginn des Eintritts der Verbrennungsluft in die Nuten 4 wind infolge des Druckabfalls über dem Hauptteil 2 ein geringer Anteil dieser Luft in die Luftreinigungslöcher 8 strömen.

Die Abmessungen der Nuten 4 und der Leitflächenteile 3 sind kritisch. Es müssen hierbei bestimmte Verhältnisse der Abmessungen zueinander vorliegen, um den richtigen Anteil von Wirbelluft zur Erfüllung der Aufgaben der Erfindung zu erhalten. Wenn man durch einen zu großen Abstand zwischen den Leitflächen 3 zuviel Luft in die Nuten k eintreten läßt, ist es möglich, eine solche Abmagerung in der primären Zone zu schaffen, daß eine Verbrennung nicht aufrecht erhalten werden kann. Ebenso ist es offensichtlich, daß beim Durchströmen einer zu großen Luftmenge durch die Nuten 4 eine Mischung der Verbrennungsluft und des Brennstoffes mit geringem Wirkungsgrad eintritt. Ein kritisches Verhältnis ist das Verhältnis der Länge (span) der Leitfläche, welche in Fig. 2 mit A bezeichnet ist, zu der Breite der Nut 4, welche mit B bezeichnet ist. Dieses Verhältnis A/B muß in einem Bereich von 1,15 bis 1,85 liegen, wenn der Durchmesser der Verbrennungskammer in der Größenordnung von etwa 38 cm (15 Zoll) liegt, so daß der erforderliche Anteil von 5 bis 10 % der Verbrennungsluft durch die Nuten 4 strömt.

Eine weitere kritische Abmessung im Zusammenhang mit den Leitflächenteilen 3 ist der Winkel 7 , unter dem die Leitflächen 3 zu einer Ebene senkrecht zur Achse der Wirbelvorrichtung liegen. Dieser Winkel 7 bestimmt die Größe des

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Dralls, welcher der Verbrennungsluft vermittelt wird, welche durch die Nuten 4 strömt. Wenn der Winkel Ύ zu klein ist, wird ein zu großer Drall bewirkt, die Mischung von Verbrennungsluft und Brennstoff bildet einen freien Wirbel mit einem zu großen Drall und schleudert Brennstoff gegen die Wände der Brennkammer (nicht gezeigt). Es wird dann auch eine Ablagerung von Kohlenstoff auf der Fläche der Brennstoffdüse stattfinden. Wenn der Winkel Ti zu groß ist, wird der eintretenden Verbrennungsluft ein zu geringer Drall vermittelt. Dieser geringe Drall ergibt eine unzureichende Mischung der Verbrennungsluft und des Brennstoffes Es wurde gefunden, daß der Winkel & zur Erzeugung der richtigen ürallstärke in einem Bereich zwischen 55 und 65° gehalten werden sollte. Bevorzugt wird dabei ein Winkel von 60°.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, daß die Luft-Wirbelvorrichtung so angepaßt werden kann, daß sie die Düse für gasförmigen Brennstoff- bilden kann, sogar wenn eine Brennstoffdüse 7 in Standardausführung eingesetzt ist, In dem Hauptteil 2 der Luftwirbe!vorrichtung 1 sind eine Vielzahl von einzelnen Gasbohrungen 11 angebracht und erstrecken sich von der unteren Fläche 12 des Hauptteils 2 auf der Innenseite 4er Gaswand oder des Halterungsteiles 13 allgemein zur Innenseite 9 der Nuten k. Aus Fig. 1 ist er- J sichtlich, daß die Gasbohrungen 11 einen Auslaß für den gasförmigen Brennstoff in jeder zweiten Nut 4 bilden. Der Winkel /S , unter dem die Gasbohrungen 11 in dem Hauptteil 2 angeordnet sind, ist kritisch und sollte in einem Bereich zwischen 25 und 65° liegen. Dies ist der Winkel, den die Bohrung 11 mit einer Ebene senkrecht zur Achse des Wirbelers bildet. Ein bevorzugter Wert für den Winkel & ist 35°·

Fig. 4 zeigt eine Brennstoffdüse in Kombination mit der Luft-Wirbelvorrichtung 1 am Kopfende der Brennkammer der Gasturbine und die Leitungswege für den Brennstoff in die Brennkammer. Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann entweder flüssiger Brennstoff oder ein gasförmiger Brennstoff ver-

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brannt werden. Die Brennstoffdüse 7 bildet in diesem Sinne in Kombination mit der Luft-Wirbe!vorrichtung 1 eine Düse für zwei Brennstoffe. Die Brennstoffdüse 7 besteht aus einer äußeren Wand I¹I, welche zusammen mit dem Befestigungsteil oder der Gaswand 13 einen Durchlaßweg 15 bildet, der mit den Gasbohrungen 11 in Verbindung steht und daher im wesentlichen die Düse für gasförmigen Brennstoff bildet.

Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff arbeitet die Brennstoffdüse 7. Der flüssige Brennstoff tritt in eine innere Kammer 16 ein und fließt von dort aus durch die Düsenöffnung 17· Er wird dort ggf. durch einen Strom von Zerstäuberluft zerstäubt, welche durch eine umgebende Hülse 18 zufließt, die durch die äußere Wand Ik und eine innere Wand 19 gebildet wird. Die Zerstäuberluft zerstäubt den Flüssigbrennstoff in feine Teilchen bei seinem Eintritt in die Brennkammer der Gasturbine, wie es in Fig. 4 angedeutet ist.

Fig. 4 zeigt auch einen Teil der Brennerkappe 20 (combustor cap), welche sich in Wirklichkeit noch weiter nach außen erstreckt und mit der Brennkammerverkleidung (nicht gezeigt) zusammentrifft. Diese besteht gewöhnlich aus einem zylindrischen Rohr mit Bohrungen für Verbrennungsluft. Die Brennerkappe 20 ist an einem Haltering 21 befestigt, welcher während des Betriebes den äußeren Flächen der Leitflächenteile 3 in einer solchen Weise gegenüberliegt, daß die Nuten 4 nur den Durchtritt für 5 bis 10 % Verbrennungsluft gestatten, welche durch die Luftwirbelvorrichtung 1 strömt.

Es gibt drei verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung, und es folgt nachstehend eine Beschreibung der Arbeitsweise der einzelnen Aspekte. Die erfindunsgemäße Anordnung gestattet zunächst einen Betrieb zur Verringerung des von dem Brenner erzeugten Rauchs. Eine Art zur Verringerung des Rauches besteht in einer solchen Abmagerung des für die Verbrennung verwendeten Luft-Brennstoffgemisches, daß der Brennstoff vollständiger verbrannt wird, wodurch ein geringerer Rückstand an Rußteilchen und ähnlichen auftritt.

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Wenn man versucht, den Primärbereich abzumagern, wird es notwendig, die Flamme zu stabilisieren, so daß man eine kürzere und konstantere Flamme erhält. Bei dem Durchgang der 5 bis 10 % der Verbrennungsluft durch die Luftwirbelvo_rrichtung wird in der Mitte der Brennkammer ein Kern verwirbelter Luft und zerstäubten Brennstoffes gebildet, wie es in Fig. 4 angedeutet ist. Wie bereits erwähnt, bildet der Kern einen freien Wirbel, in dem der Druck in Richtung der Brennstoffdüse geringer ist. Dadurch kann die übrige Verbrennungsluft, welche durch die nicht gezeigt3 Verkleidung eintritt, mit dem Wirbel in Wechselwirkung treten. Dadurch werden die mit Brennstoff angereicherten "Taschen" herausgeblasen, und man erhält eine vollständige Durchmischung des zerstäubten Brennstoffes und der Verbrennungsluft.

Bei der Arbeitsweise der Luft-Reinigungsbohrungen, welche bereits z. T. beschrieben wurde, wird ein Teil der durch die Nuten in den Brenner eintretenden Luft unter einem Winkel gegen die Fläche der Brennstoffdüse gerichtet, Da in den Luftreinigungsbohrungen ein Druckabfall erfolgt und auch durch den freien Wirbel nur ein geringer Staudruck ausgeübt wird, wird diese Luft aus den Reinigungsbohrungen unmittelbar über die Fläche der Brennstoffdüse hinwegstreichen und wird dadurch die Ausbildung von Kohlenstoffablagerungen verhindern. Wie bereits erwähnt, besitzt die Leitfläche an der Austrittskante 5 eine bestimmte meßbare Dicke. Infolge des verringerten Rückstaudruckes wird ein Teil der durch die Verkleidung des Brenners eintretenden Verbrennungsluft dazu neigen, über die Fläche der Austrittskante hinwegzuströmen und dadurch die Ansammlung von Rückständen verhindern.

Der Betrieb des Gasturbinenbrenners entweder mit Flüssigbrennstoff oder Gasbrennstoff wurde ebenfalls bereits teilweise beschrieben. Wenn der gasförmige Brennstoff durch den Gasdurchlaß und die Bohrungen für Brenngas strömt, tritt er in die Brennkammer an einem Punkt ein, an dem sich die Luft des Wirbelers mit ihm vermischt. Hierdurch erhält man nicht nur eine vollständige Durchmischung, sondern die Bohrungen

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für den Gasbrennstoff werden auch sauber gehalten durch die Luft, welche durch die Wirbelerschlitze austritt.

Im vorstehenden wurde eine Luft-Wirbelvorrichtung zur Verwendung in einem Gasturbinenbrenner beschrieben, welche eine stabilisierte Flamme liefert, den Primärbereich des Brenners abmagert und Luftreinigungslöcher besitzt, um die Vorderfläche der Brennstoffdüse sauber zu halten und außerdem Bohrungen für Brenngas enthält, um gewünschtenfalls einen Betrieb mit Brenngas zu ermöglichen.

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Claims

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Ansprüche

ί 1.)Luft-Wirbelvorrichtung zur Verwendung im Primärbereich eines Gasturbinenbrenners, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: einen ringförmigen Hauptteil (2) mit einer Stirnfläche senkrecht zur Ringachse und einer mittleren Bohrung (6) zur Aufnahme einer Brennstoffdüse (7) und einer Vielzahl von unter einem Anstellwinkel verlaufenden Leitflächenteilen (3) am Umfang des Hauptteils (2) und dazwischen liegenden Nuten (M), wobei jeder dieser Leitflächenteile (3) eine Länge von weniger als der vierfachen Dicke an Jj der Austrittskante (5) besitzt. '
2. Luft-Wirbelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Vielzahl von Luftreinigungsbohrungen (8) umfaßt, die sich allgemein so von den Nuten (M) zu der Oberfläche des Hauptteils (2) erstrecken, daß ein Teil der Luft durch diese Luftreinigungsbohrungen (8) strömt und über die Oberfläche (16) der Brennstoffdüse (7) hinwegstreicht.
3. Luft-Wirbelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kenn ze i chne t , daß sie eine Vielzahl von Gasbohrungen (11) besitzt, die sich im allgemeinen von der (J unteren Fläche (12) zu den Nuten (A) erstrecken und so angeordnet sind, daß beim Betrieb mit Brenngas das Gas in die Nuten gerichtet wird und die Bohrungen (11) durch die Strömung der Luft des Wirbelers von Ansammlungen, von Rückständen frei gehalten werden.
4. Luft-Wirbelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächenteile (3) einen Winkel zwischen 55 und 65° mit einer Ebene bilden, die zur Achse des Wirbelers senkrecht liegt.

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5. Luft-Wirbelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 10 % der gesamten Verbrennungsluft in den Brenner durch den Luftwirbeler eintritt.
6. Luft-Wirbelungsvorrichtung zur Verwendung in der Primärzone eines Gasturbinenbrenners, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

einen ringförmigen Hauptteil (1) mit einer Oberfläche (10) senkrecht zur Achse und einer mittleren Bohrung (6) zur Aufnahme einer Brennstoffdüse (7), eine Vielzahl von unter einem Winkel angestellten und am Umfang des Hauptteils verteilten Leitflächenteile (3), zwischen denen Nuten (4) ausgebildet sind, wobei die Leitflächenteile (3) jeweils eine Länge von weniger als dem vierfachen der Leitflächendicke an der Austrittskante (5) besitzen, eine Vielzahl von Luftreinigungsbohrungen (8), die sich allgemein von den Nuten (4) zu der Oberfläche (10) in der V/eise erstrecken, daß ein Teil der Luft durch die Luftreinigungsbohrungen strömt und über die Oberfläche der Brenn-• stoffdüse hinwegstreicht und

eine Vielzahl von Gasbohrungen (11), die sich allgemein von der unteren Fläche (12) zu den Nuten (4) erstrecken und so angeordnet sind, daß beim Betrieb mit" gasförmigem Brennstoff das Gas in die Nuten (4) geleitet ist, wodurch die Luft der Wirbelungsvorrichtung an den öffnungen der Gasbohrungen (11) vorbeistreicht und sie von Ansammlungen von Rückständen frei hält.

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