DE2732344A1

DE2732344A1 - Gasturbinenmaschine

Info

Publication number: DE2732344A1
Application number: DE19772732344
Authority: DE
Inventors: Michael John Virr
Original assignee: Stone Platt Fluidfire Ltd
Current assignee: Stone Platt Fluidfire Ltd
Priority date: 1976-07-17
Filing date: 1977-07-16
Publication date: 1978-01-19
Also published as: FR2358553A1; JPS5386912A; GB1585157A; US4148186A

Description

Be Bohre i b u η g

Grasturbinenmaschine

Sie Erfindung betrifft eine Gasturbinenmaschine. In der Patentanmeldung P 25 45 680.8 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Reaktion in einem Wirbelbett beschrieben, welche eine drehbare Trommel mit einer sich in TJmfangsrichtung erstreckenden gasdurchlässigen Wand, ein Teilchenbett, das von einer radial nach innen weisenden Oberfläche der Trommelwand unterstützt wird, und eine Einrichtung für die Förderung von zwei Reaktionsmaterialien su dem Bett aufweist, von denen mindestens ein Reaktionsmaterial gasförmig ist und in das Bett durch die Auflage zur Aufwirbelung des Bettes gefördert wird. Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung dieser Vorrichtung in einer Gasturbinenmaschine.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Grasturbinenmaschine mit einer Turbine in einem Triebkanal, einer Teilchenmenge, einer gasdurchlässigen Auflage für ein Teilchenbett, einer Einrichtung zur Förderung von Luft in das Bett durch die Auflage zur Aufwirbelung des Bettes, einer Einrichtung zum

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Zuführen von Brennstoff in das Bett, der dort verbrannt wird, lind einer Einrichtung zum Führen der heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte vom Bett zum Triebkanal dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage von einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Wand einer drehbaren Trommel gebildet wird und daß die Teilchen während des Betriebs von einer nach innen weisenden Oberfläche der Wand unterstützt werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Barin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Maschine gemäß der Erfindung, wobei gewisse Teile im Schnitt gezeigt sind,

Fig. 2 schematisch in größerem Maßstab einen Brenner der Masohine gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer weiteren Maschine gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Maschine weist eine Turbine 10 auf, die drehbar um eine horizontale Achse 11 gelagert ist und in Antriebsverbindung mit einem Elektrogenerator 12 steht, der von der Turbine angetrieben werden kann. Koaxial zu der Turbine 10 ist ein Kompressor 13 gelagert, der ebenfalls von der Turbine angetrieben wird. Zwischen den Kompressor und die Turbine ist ein Brenner 14 eingeschaltet, in welchem ein Brennstoff verbrannt wird, um heiße gasförmige Verbrennungsprodukte zu erzeugen, welche die Turbine antreiben. Der Kompressor zieht Luft aus der Atmosphäre durch einen EInlaßkanal 15 an, um die Luft zu einem vorbestimmten Druck zu

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komprimieren und um die komprimierte Luft zum Brenner 14 zu fördern. Die Turbine 10 ist in einem Triebkanal 16 angeordnet, welcher vom Brenner zu einem Abgaskanal 17 führt, aus welchem die Verbrennungsprodukte zur Atmosphäre abgegeben werden können. Palis erforderlich,kann zwischen den Brenner 14 und den Triebkanal 16 eine Einrichtung zum Trennen der mitgerissenen Peststoffteilchen von den heißen Gasen eingeschaltet werden.

Der Brenner 14 weist ein Gehäuse 20 auf, das auf einem Körper 21 montiert ist, der die Turbine 10, den Kompressor 13» den Einlaßkanal 15 und den Triebkanal 16 enthält. Innerhalb des Gehäuseβ 20 ist eine drehbare Trommel 22 drehbar um eine vertikale Achse 23 gelagert. Die Trommel ist im Gehäuse mit Hilfe von schematisch gezeigten Lagern 24 gelagert, die am oberen Ende der Trommel angeordnet sind, so daß die Trommel vom oberen Ende des Gehäuses herabhängt.

Die Trommel weist eine obere ringförmige Endwand 25 und eine sich in Umfangerichtung erstreckende zylindrische Wand auf, welche vom Umfang der oberen Endwand herabhängt. Unter der zylindrischen Wand 27 befindet sich eine konische Wand 28, welche sich nach unten und radial nach innen in Richtung auf die Achse 23 verjüngt. Von der unteren Kante der konischen Wand 28 erstreckt sich eine nach oben divergierende Wand 29 nach oben bis zu einer Position, die innerhalb der Trommel und etwas oberhalb des unteren Endes der zylindrischen Wand liegt.

Die Wand 29 befindet sich in einem Abstand von der Achse 23, welcher bei der gezeigten Ausführungsform mindestens gleich der Hälfte des Halbmessers der Trommel 22 ist, jedoch bei

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anderen Ausführungsformen kleiner als der halbe Trommelhalbmesser sein kann. Diese Wand bestimmt einen zentralen Gasauslaß 30 der Trommel. Die zylindrische Wand 27 ist derart perforiert, daß Luft in die Trommel 22 durch die zylindrische Wand von einem ringförmigen Einlaßraum 31 eindringen kann, der zwischen dem Gehäuse 20 und der zylindrischen Wand 27 der Trommel angeordnet ist. Die Perforationen sind ausreichend klein, um die Wand in die Lage zu versetzen, auf ihrer inneren Oberfläche ein Peststoffteilchenbett zu unterstützen, wobei die Teilchen z.B. aus der Verbrennung von Kohle bei einer Temperatur im Bereich zwischen 800 und 900⁰C stammen.

Unterhalb der Trommel 22 ist das Innere des Gehäuses 20 durch eine ortsfeste Wandstruktur 32 in einen Eingangskanal 33 und einen Ausgangskanal 34 aufgeteilt. Der Eingangskanal 33 steht mit dem den Kompressor 13 enthaltenden Einlaßkanal 15 und auch mit dem Einlaßraum 31 in Verbindung. Der Ausgangskanal steht mit dem Gasauslaß 30 und mit dem die Turbine 10 enthaltenden Triebkanal 16 in Verbindung. Zwischen der Wandstruktur 32 und der Trommel 22 ist eine Gasdichtung 35 angeordnet, welche von der Labyrinthbauart sein kann. Ein gewisses Leck durch diese Dichtung kann hingenommen werden, ohne daß dies eine erhebliche nachteilige Wirkung auf die Leistungsfähigkeit der Masohine hat.

Eine ortsfeste Zufuhreinrichtung 37 erstreckt sich in die Trommel 22 duroh die zentrale Öffnung der oberen Endwand Eine weitere Gasdichtung ist zwischen der Zufuhreinrichtung und dieser Endwand vorgesehen. Die Zufuhreinrichtung ist ein pneumatischer Förderer und geeignet, einen Peststoffbrennst off, z.B. Brechkohle, in die Trommel mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zu liefern. Wenn der Brenner in Benutzung ist, drehen sich die Trommel 22 und die darin befindlichen Gase.

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Demzufolge wird Feststoffmaterial, das mit Hilfe der Zuführeinrichtung in die Trommel gefördert worden ist, unter der Zentrifugalwirkung von der Achse 23 weg bewegt. Wenn erforderlich, kann die Zufuhreinrichtung einen Austrittsabschnitt aufweisen, der sich innerhalb der Trommel in Richtung auf die zylindrische Wand 27 erstreckt, um das hereinkommende Pe stet off mate rial an einer Position nahe der zylindrischen Wand abzugeben.

Sie Trommel 22 enthält ein Bett 38 von Feststoffteilchen, das bei Rotation der Trommel von der inneren Oberfläche der zylindrischen Wand 27 unterstützt wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn die Trommel steht, fallen die Teilchen in den ringförmigen Aufnehmer, der von der konischen Wand 28 und der nach oben divergenten Wand 29 begrenzt wird. Wenn der Brenner erstmals in Betrieb genommen wird, kann das Bett aus Sand oder anderem feuerfesten Material bestehen. Anschließend kann die Zusammensetzung des Bettes geändert werden, so daß es evtl. nur aus Asche besteht, die durch die Verbrennung von Kohle erzeugt worden ist. Wenn erwünscht, können Feststoffteilchen des feuerfesten Materials gleichzeitig mit der Zufuhr von Kohle in die Trommel gefördert werden.

In der oberen Endwand 25 der Trommel ist ein Feststoffauslaß 39 ausgebildet, durch welchen Teilehen des Feststoffmaterials kontinuierlich während des Betriebs vom Bett 38 abgegeben werden. Der Auslaß 39 ist nahe der zylindrischen Wand 27 angeordnet, so daß er mit dem Bett 38 in Verbindung steht und nicht mit dem Raum, der radial nach innen vom Bett aus während des Betriebs angeordnet ist. Teilchen, die aus der Trommel durch den Festetoffauslaß 39 austreten, werden durch die Zentrifugalkraft radial naoh außen gegen das Gehäuse 20 geworfen und fallen in einen Kanal 40, aus welchem sie

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- 8 kontinuierlich entfernt werden.

Unmittelbar unterhalb der Gasdichtung 35 ist ein weiterer Kanal 41 angeordnet, dessen Öffnung radial nach innen in Richtung der Achse 23 weist. Sie Abgase, welche den Gasauslaß 30 passieren, drehen sich mit hoher Geschwindigkeit um die Achse 23. Feststoffteilchen, die von diesen Abgasen mitgerissen werden, bewegen sich radial nach außen und werden vom Kanal 41 aufgenommen, aus welchem sie kontinuierlich oder periodisch durch ein Rohr 42 entfernt werden.

Um die Trommel 22 zu drehen, ist eine Antriebseinrichtung mit einem Ketten- und Zahnrad- oder Zahnradvorgelegeantrieb 43 vorgesehen, der am oberen Ende des Gehäuses 20 angeordnet ist. Dieser Antrieb überträgt ein Drehmoment von einem herkömmlichen Motor (nicht gezeigt) oder von einer von der Turbine 10 angetriebenen Welle zu der Trommel. Die Antriebseinrichtung ist vorzugsweise eine Antriebseinrichtung mit veränderlicher Drehzahl.

Wenn die Haschine in Betrieb genommen wird, wird die Trommel 22 mit relativ geringer Drehzahl gedreht, z.B. mit einer Drehzahl, die gerade ausreicht, um das Bettmaterial über die gesamte Höhe der zylindrischen Wand 27 auszubreiten. Anschließend wird ein gasförmiger Brennstoff in die Luft eingespritzt, welche in den Eingangekanal 33 gefördert wird, und das gasförmige Gemisch wird innerhalb der Trommel 22 gezündet, so daß die Temperatur des Bettes 38 ansteigt und gegebenenfalls eine Verbrennung in dem Bett aufgebaut wird. Während dieser Anfangephase des Betriebes reicht die Geschwindigkeit, mit welcher die Gase durch das Bett gefördert werden,aus, um das Bett aufzuwirbeln. Die Geschwindigkeit ist

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jedoch kleiner als die Flammengeechwindigkeit, welche In einer Mischung von Naturgas und Luft ungefähr 0,48 m pro Sekunde beträgt.

Wenn die Temperatur des Bettes auf ungefähr 55O⁰C angestiegen ist, wird mit der Zufuhr von festem Brennstoff durch die Zufuhreinrichtung 37 begonnen. Wenn eine von selbst ablaufende Verbrennung des festen Brennstoffes in dem Bett aufgebaut worden ist, werden sowohl die Drehzahl der Trommel und die Zuführgeschwindigkeit der Luft auf die normalen Betriebswerte erhöht. Die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff wird beendet. Typische normale Betriebsbedingungen sind eine Betttemperatur innerhalb des Bereiches zwischen 800 und 900⁰C, eine Drehzahl der Trommel von 108 Umdrehungen pro Hinute, eine Gasgeschwindigkeit durch das Bett von 6,1 m pro Sekunde und ein Druckabfall durch den Brenner von 2,53 . 10 kp/m .

Der Durchmesser, der in Fig. 2 gezeigten Trommel beträgt ungefähr 1,5 m und seine Höhe ungefähr 0,6 m. Hit diesen Daten gibt eine Drehzahl von 108 Umdrehungen pro Hinute ungefähr eine Kraft von 10 g an der inneren Oberfläche der zylindrieohen Wand 27. Die Tiefe des Wirbelbettes beträgt ungefähr 7,6 cm. Kohle kann demBett zugeführt werden mit einer Rate von ungefähr 4362 kg/h, wobei das Gewichtsverhältnis/Brennstoff 41,2 : 1 beträgt, wodurch sich ein LuftüberechuS von 308 i» ergibt. Der gesamte thermische Eingang würde 33,85 Milliwatt betragen und es wird angenommen, daß der Nominalausgang des Generators 12 ungefähr 6 Milliwatt ist.

Die dem Brenner 14 vom Kompressor 13 zugeführte Luft weist einen Druck auf, der ungefähr dem 10-fachen der Umgebungsluft entspricht. Demzufolge wird das Gehäuse 22 im Inneren unter Druck gesetzt und es sind geeignete Ventile in der Zufuhreinrichtung 37 vorgesehen, um einen Gasaustritt zu

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verhindern, während Kohlenbrennstoff in die Trommel 22 gefördert wird.

Es wird angemerkt, daß bei Kaltstart normale Betriebsbedingungen innerhalb einer Zeit von ungefähr 6 Minuten erreicht werden können. Da die Verbrennung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 800 und 900⁰C durchgeführt wird und die Asche nicht auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, ist die Asche relativ weich verglichen mit einer Asche, die durch Verbrennung bei einer Temperatur zwischen 1400 und 1500 C erzeugt wird. Die relativ lockere Asche, die in dem gezeigten Brenner erzeugt wird, ist für die Turbinenblätter weniger abträglich als Asche, die auf eine höhere Temperatur erhitzt worden ist.

In Fig. 3 ist eine weitere Maschine gezeigt, wobei gewisse Teile dieser Maschine Teilen entsprechen, die bereits in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind. Solche entsprechenden Teile sind mit gleichen Bezugszeichen mit dem Prefix 1 versehen und die vorstehende Beschreibung kann übernommen werden mit Ausnahme der hiernach erwähnten Unterschiede.

Der Hauptunterschied zwischen der Maschine gemäß Fig. 1 und der Maschine gemäß Fig. 3 besteht darin, daß bei der Letzteren zwischen den Ausgangskanal 134 des Brenners 114 und den Triebkanal 116 eine Einrichtung zum Entfernen von Feststoffteilchen von den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten eingeschaltet ist, welche von diesen Verbrennungsprodukten mitgerissen werden. Diese Einrichtung weist eine Reihe von Zyklonen 144 auf. Jeder Zyklon hat einen tangentialen Einlaß, der mit dem Ausgangskanal 134 in Verbindung steht,

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und einen axialen Gasauslaß, der zu einem Kanal 145 führt, der die gasförmigen Yerbrennungsprodukte zum Triebkanal fördert. Feststoffteilchen, welche durch die Zyklonen von dem Gasstrom getrennt werden, werden ausgeschieden.

Sie Zyklonen 144 können aus keramischem Material geformt sein, wobei die gesamte Reihe von Zyklonen vorzugsweise innerhalb eines Gehäuses (nicht gezeigt) enthalten ist, dessen Inneres unter Druck gesetzt werden kann, um eine größere Druckdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren der Zyklonen zu vermeiden.

Der Kompressor wird durch eine erste Turbine 146 im Triebkanal 116 angetrieben. Stromabwärts von der Turbine 146 ist ein Satz einstellbarer Statorblätter 147 vorgesehen, die von einer normalen Position zu einer Bremsposition verstellt werden können, in welcher sie den Gasstrom derart ablenken, daß eine Bremswirkung auf die Hauptturbine 110 verursacht wird. Es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, um die einstellbaren Statorblätter in ihre Bremspositionen zu bewegen, wenn die Drehzahl der Hauptturbine 110 einen Schwellwert erreicht. Die einstellbaren Statorblätter stellen daher eine Sicherheitsvorrichtung dar.

Die in Pig. 3 gezeigte Trommel 122 des Brenners weist eine äußere unperforierte zylindrische Wand 148 auf, welche an einer ringförmigen oberen Endwand 149 befestigt ist. An ihrem unteren Ende ist die Wand 148 mit einer unteren Endwand 150 verbunden, die mit öffnungen versehen ist, um der Trommel Luft zuzuführen, welche vom Kompressor 114 kommt. Die Endwand 150 ist starr mit einer Welle 151 verbunden, die in Lagern 124 gelagert ist, so daß die Wände 148, 149 und

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einen starren Aufbau bilden, der von den Lagern unterstützt wird. Zum Antrieb der Trommel 122 ist ein Motor 152 mit veränderlicher Drehzahl vorgesehen, welcher mit der Welle 151 über einen Riemenantrieb 153 in Verbindung steht.

Zwischen der drehbaren Trommel 122 und dem ortsfesten Gehäuse 120 sind jeweils eine erste und zweite Sichtung 154 und 155 vorgesehen. Die Dichtung 154 ist zwischen der Endwand 150 und dem Gehäuse und die Dichtung 155 zwischen der Endwand 149 und dem Gehäuse angeordnet. Die Dichtungen 154 und 155 sind von der Labyrinthbauart, um das Gasleck durch die Dichtungen in den Raum 156 zu reduzieren oder zu eliminieren, der von dem Gehäuse und der drehbaren Trommel begrenzt wird, wobei dieser Raum unter Druck steht.

Die drehbare Trommel 122 weist darüber hinaus eine innere sich in !Anfangsrichtung erstreckende Wand 157 auf, welche in radialem Abstand nach innen von der Wand 148 aus angeordnet ist. Der zylindrische Raum innerhalb der Wand 157 stellt eine Verbrennungskammer dar und enthält ein Teilchenbett 138. Das Ende der Verbrennungskammer nahe der Welle wird von einer kreisförmigen Platte 158 verschlossen, die an der Wand 157 befestigt ist. Das gegenüberliegende Ende der Verbrennungskammer wird teilweise durch ein ringförmiges Bauteil 159 verschlossen, welches einen zentralen Gasauslaß 130 des Brenners bildet. Die Platte 158 und das Bauteil 159 sind unperforiert, so daß Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer nur durch die perforierte Wand 157 eindringen kann. Das Bauteil 159 ist mit der Endwand 159 der drehbaren Trommel verbunden. In dem ringförmigen Einlaßraum 131 zwischen den Wänden 148 und 157 sind mehrere Abstandshalter 160 vorgesehen. Diese Abstandshalter verhindern eine ins Gewicht fallende Abweichung von einer konzentrischen Beziehung zwischen

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den inneren und äußeren Teilen der Trommel, sind jedoch nur an einem dieser Teile befestigt.

In dem Bauteil 159 und der Endwand 149 der drehbaren Trommel ist ein Feststoffauslaß 139 ausgebildet)durch welchen Teilchen des festen Materials während des Betriebs aus demBett 38 abgegeben werden. In der Nähe und radial sich nach außen erstreckend von dem freien Ende des Bauteils 159 ist ein stationärer Abscheider zur Aufnahme von Peststoff teilchen vorgesehen, die durch den Gasauslaß 130 getragen werden. Sa sich der GasBtrom im Auslaß 130 schnell um die Achse 123 dreht, werden solche Teilohen radial nach außen von dem Gasstrom in den Abscheider 161 geworfen. Von dem Abscheider gelangen die Teilchen durch ein Rohr in ein Gehäuse 162, in welchem die Teilchen durch vom Kompressor 114 gelieferte Luft aufgewirbelt und durch ein Rückfilhrrohr 163 in die Verbrennungskammer geblasen werden.

Die in Pig. 3 gezeigte Maschine wird in der gleichen Weise in Betrieb genommen, wie es oben in Verbindung mit der in Pig. 1 und 2 gezeigten Maschine beschrieben worden ist. Die Brennst off zuf uhreinrichtungen 37 und 137 können derart ausgebildet sein, um andere als pulverförmige feste Brennstoffe zu liefern, z.B. Raffinerieabfalle oder einen Schlamm von festen,brennbaren,in einer Flüssigkeit fein verteilten Teilchen.

Bremen, den 11. Juli 1977 Pur die Anmelderin:

Meissner & Bolte Patentanwälte

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Le e rs e i t e

Claims

Patentansprüche

1. Maschine mit einer Turbine in einem Triebkanal, einer ^v- Teilchenmenge, einer gasdurchlässigen Auflage für ein Teilchenbett, einer Einrichtung zur Förderung von Luft in das Bett durch die Auflage zur Auf wirbelung des Bettes, einer Einrichtung zum Zuführen von Brennstoff in das Bett, der dort verbrannt wird und einer Einrichtung zum Führen der heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte vom Bett zum Triebkanal zum Antrieb der Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage von einer eich in Umfangerichtung erstreckenden Wand (27) einer drehbaren Trommel (22) gebildet wird und daß die Teilchen (38), während des Betriebs von einer nach innen weisenden Oberfläche der Wand (27) unterstützt werden.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (37) in der Lage ist, die Trommel (22) mit einem festen Brennstoff zu beliefern.

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eingesandte Modelle werden nach 2 Monaten, falls nicht lurDckgeiordert, vernichtet. Mündliche Abreden, Insbesondere durch Fernsprecher, bedürfen schriftlicher Bestätigung. — Öle In Rechnung gestellten Kosten sind mit Rechnungsdatum ohne Abzug fällig. — Bei verspäteter Zahlung werden Bank;lnsen berechnet

Gerichtsstand und Erfüllungsort Bremen. Bremer Bank, Bremen, Nr. 2310028 ■ Die Sparkasse In Bremen, Nr. 104 5855 · Postscheckkonto: Hamburg »952-202

ORIGINAL INSPECTED

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (22) einen Gasauslaß (30) für die gasförmigen Verbrennungsprodukte und einen Peststoffauslaß (39) aufweist, durch welchen Peststoffmaterial während des Betriebs von dem Bett (38) abgegeben werden kann.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasauslaß (30) der Trommel (22) entfernt von der in Umfangsrichtung sich erstreckenden Wand (27) der Trommel und daß der Feststoffauslaß (39) in der Nähe der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Wand angeordnet ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (20), in welchem die Trommel (22) drehbar im Verhältnis zum Gehäuse gelagert ist, unter Druck gesetzt werden kann.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (22) derart angeordnet ist, daß ein Ende über dem anderen liegt, und daß sich die Zufuhreinrichtung (37) in die Trommel durch das obere Ende der Trommel erstreckt.

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