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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanordnung für eine Brennkammer
einer Gasturbine und insbesondere eine Kraftstoffeinspritzanordnung, die
eine zuverlässige
Leistung bei geringer Belastung der Turbine ermöglicht.
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In
Gasturbinen wird Kraftstoff in einen Bereich, der sich stromaufwärts vor
dem Hauptbrennkammerbereich der Turbine befindet, eingespritzt, um
mit Luft gemischt und schließlich
im Hauptbrennkammerbereich verbrannt zu werden.
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1 zeigt
einen Teil einer Gasturbine, die eine Brennkammer 10, einen
Kraftstoffeinlaßkopf 12 sowie
einen dazwischen befindlichen Radialverwirbeler 14 umfaßt. Der
Verwirbeler 14, der üblicherweise
in Gasturbinen als eine Mischvorrichtung verwendet wird, um Kraftstoff
und Luft zwecks Zufuhr zur Brennkammer zu vermischen, entspricht
in seiner Konfiguration der Darstellung in 2 und umfaßt eine
Reihe von Schaufeln 16, die mit gleichem Abstand um einen
Umfang des Verwirbelers vorgesehen sind, wobei die Schaufeln eine
entsprechende Reihe von Durchgängen 18 für die Strömung der Mischluft 20 durch
den Verwirbeler von einem radial äußeren zu einem radial inneren
Bereich davon bilden.
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Die
Schaufeln sind so geformt und vorgesehen, daß sie der eintretenden Luft
eine Tangentialkomponente verleihen, wodurch bewirkt wird, daß die Luft
um die Längsachse 22 des
Verwirbelers "wirbelt", und wodurch auch
bewirkt wird, daß die
Luft aus dem Verwirbeler an einem stromabwärts befindlichen Bereich davon
austritt und in die Brennkammer 10 (siehe Pfeile 21)
eintritt.
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Entlang
dem Nachlaufkantenbereich 24 der Schaufeln 16,
d.h. der Nachlaufkante im Verhältnis zur
Luftströmung
durch die Schaufelanordnung, befinden sich in herkömmlicher
Weise eine Reihe von Kraftstoffauslässen 26, die von einer
mit dem Kraftstoffkopf 12 verbundenen Kraftstoffeinlaßleitung 28 versorgt
werden. Die Auslässe
oder Löcher 26 haben einen
einheitlichen Durchmesser und sind entlang der Nachlaufkante axial
mit gleichem Abstand vorgesehen. Durch Verwendung solcher Löcher, die
entlang mindestens dem größten Teil
der Länge
der Nachlaufkante mit gleichem Abstand vorgesehen sind, wird ein
besseres Vermischen von Kraftstoff und Luft dadurch unterstützt, daß der Kraftstoff
entlang der axialen Länge
des Verwirbelers gleichmäßig verteilt
wird.
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Die
EP-A-0747636 betrifft ein emissionsarmes Verbrennungssystem, in
dem ein Verbrennungsmodus mit magerem Vorgemisch durch einen stromaufwärts vorgesehenen "Dom" als Teil der Brennkammer
ermöglicht
wird, in dem die Schaufeln eines feststehenden Axialverwirbelers
mit internen radialen Kraftstoffdurchgängen ausgestattet sind, die
zu radial beabstandeten Kraftstoffeinspritzauslässen führen, um den Kraftstoff in
der in die Brennkammer erfolgenden Luftströmung gleichmäßiger zu
verteilen.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinenbrennkammer
bereitgestellt, die eine Längsachse,
die in einer der Strömung
entsprechenden Richtung im Verhältnis
zur dadurch erfolgenden Verbrennungsströmung verläuft, einen Hauptkammerbereich,
einen stromaufwärts
vor dem Hauptkammerbereich befindlichen Vorkammerbereich und eine
Kraftstoffeinspritzanordnung aufweist, die mindestens eine Reihe
von Kraftstoffeinspritzauslässen
umfaßt,
die in axial beabstandeter Anordnung im Verhältnis zur Längsachse der Brennkammer im
Vorkammerbereich vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzauslässe so vorgesehen
sind, daß sie
die Kraftstoffstrahle in den Vorkammerbereich mit radial inneren
Momentkomponenten austragen, die in ihrer Größenordnung am stromaufwärts befindlichen
Ende der mindestens einen Reihe von Auslässen größer als am stromabwärts befindlichen
Ende der mindestens einen Reihe von Auslässen sind. Die Variation der
radialen Momentkomponente entspricht vorzugsweise der Form einer
Variation einer radialen Geschwindigkeitskomponente, was dadurch
erzielt werden kann, daß die
Auslässe
in den Reihen mit einer variablen Größe vorgesehen sind.
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Die
Auslässe
können
in einem axial stromaufwärts
befindlichen Abschnitt des Vorkammerbereichs am kleinsten sein,
und die Variation der Auslaßgröße in den
Reihen kann im Verhältnis
zur Längsachse
gleichbleibend sein.
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Die
Variation kann eine kontinuierliche Variation oder alternativ eine
stufenweise Variation sein. Sie kann über mindestens einen Teil der
Reihe von Auslässen
linear sein.
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Die
Auslässe,
die im wesentlichen mit gleichem Abstand vorgesehen sein können, können so konfiguriert
sein, daß eine
Richtung der aus den Auslässen
austretenden Kraftstoffstrahle im wesentlichen radial ist.
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Die
Auslässe
können
sich in einem Verwirbelerabschnitt des Vorkammerbereichs und/oder
in einem Zwischenabschnitt des Vorkammerbereichs zwischen einem
Verwirbelerabschnitt davon und dem Hauptkammerbereich befinden.
Im ersteren Fall, in dem der Verwirbelerabschnitt mehrere Schaufeln umfaßt, können die
Reihe von Auslässen
in jeder von mindestens einigen der Schaufeln an einer Nachlaufkante
davon vorgesehen sein. Im letzteren Fall können sich die Auslässe in einer
Wand des Zwischenabschnitts befinden. Alternativ können die
Auslässe in
im Vorkammerbereich befindlichen Kraftstoffpfosten vorgesehen sein.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nunmehr lediglich beispielhaft unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben; dabei sind:
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1 eine
Schnittansicht eines Teils einer Gasturbine mit einem herkömmlichen
Verwirbeler;
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2 ein
Seiten- bzw. Endaufriß des
Verwirbelers der 1;
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3 eine
Ansicht einer Gasturbine entsprechend derjenigen der 1,
die einen dynamischen Aspekt des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Innern
des Verwirbelers zeigt;
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4(a), 4(b) und 4(c) Seitenansichten des Verwirbelers, die ein
Geschwindigkeitsprofil für
das Kraftstoff/Luft-Gemisch an einem stromaufwärts befindlichen Endaxialpunkt,
nach zwei Dritteln vom stromaufwärts
befindlichen Endaxialpunkt bzw. an einem stromabwärts befindlichen
Endaxialpunkt des Verwirbelers zeigen;
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5(a) und 5(b) Ansichten
von zwei alternativen Kraftstoffauslaßgrößen-Verteilungsprofilen für den Verwirbeler
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Ansicht einer Ausführungsform des
Verwirbelers gemäß der Erfindung,
in der Kraftstoff dem Verwirbeler über Kraftstoffpfosten zugeführt wird;
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7 eine
Endansicht des Verwirbelers gemäß der Erfindung
mit radial orientierten Kraftstoffauslässen; und
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8 eine
Teilansicht der 3, die die Verwendung von Auslässen variabler
Größe gemäß der Erfindung
in einem Zwischenabschnitt eines Vorkammerbereichs der Brennkammer
zeigt.
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Der
Betrieb des Verwirbelers gemäß der Erfindung
wird nunmehr unter Bezugnahme auf 3 erläutert. Aus 3,
die die gleiche Turbinenanordnung wie in 1 zeigt
und einen Verwirbeler nach dem Stand der Technik beinhaltet, ist
ersichtlich, daß sich
im Betrieb in einem radial zentralen Bereich des Verwirbelers 14 ein
Kraftstoff- und Luftkörper 23 befindet,
der sich um die Verwirbelerachse 22 dreht und sich in einer
vom Verwirbeler wegführenden
Richtung hin zur Brennkammer 10 bewegt. Dieser Drehkörper ist
mit einem Drehbeschleunigungsrohr vergleichbar, wobei eine wirksame
Rohrwand aus einem Luft/Kraftstoff-Gemisch besteht, das eine Dicke "T" aufweist und sich wie ein Korkenzieher
dreht. In diesem zentralen Bereich des Verwirbelers können drei Luftströmungsgeschwindigkeitskomponenten
identifiziert werden: eine axiale Komponente (U), die in eine Richtung
parallel zur Verwirbelerachse 22 weist, eine radiale Komponente
(V) senkrecht zur Ver wirbelerachse 22 sowie eine tangentiale
Komponente (W) an der Verwirbelerachse 22.
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In
einer Gasturbinenbrennkammer in der in den 1 und 3 dargestellten
Ausführung
hat die Verbrennungsflamme im Bereich der Verwirbelerrückseite 30 eine
stromaufwärts
befindliche Flammenfront und in der dem Verwirbeler zugewandten Brennkammer
oder zur Brennkammer hin eine stromabwärts befindliche Flammenfront.
Wenn die Turbinenbelastung abnimmt und weniger Kraftstoff zugeführt wird,
zieht sich die stromabwärts
befindliche Flammenfront fortschreitend zur stromaufwärts befindlichen
Front zurück,
so daß bei
minimaler Betriebsbelastung (oder beim Start der Turbine) nur eine
kleine Pilotflamme vorhanden ist, die sich im Verwirbelerbereich
befindet. Die stromaufwärts
befindliche Flammenfrontzone ist typischerweise ein kraftstoffarmer
Bereich, und ohne gewisse Kraftstoffergänzungsmittel in diesem Bereich
würde die
Pilotflamme dazu neigen, bei Niedrigbelastungseinstellungen zu erlöschen. Dies
ist darauf zurückzuführen, daß sich die
Flamme in einem kraftstoffarmen Gemisch auf der Suche nach Kraftstoff
ausbreitet und dadurch bis zu dem Punkt geschwächt wird, an dem das Erlöschen der
Flamme erfolgt – dem
sogenannten "Magererlöschen". Ein Grund für den kraftstoffarmen
Bereich liegt darin, daß die
vorerwähnte
Rohrwand als eine Barriere gegenüber
dem Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Verwirbeler wirkt. Weiterhin
befindet sich im Innern des sogenannten Rohrs eine gegenströmende Masse
aus teilweise verbrannten (und daher kraftstoffarmen) Verbrennungsgasen, die
aus der Brennkammer abgezogen werden.
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Eine
bekannte Möglichkeit,
das Bereitstellen von Kraftstoff für die Pilotflamme unter diesen
Umständen
zu ergänzen,
besteht darin, von einem an der Rückseite des Verwirbelers befindlichen
Kraftstoffeinspritzmittel aus Kraftstoff direkt in diesen Bereich
einzuspritzen. Eine solche Methode ist allgemein wirksam, um eine
Flamme bei Niedrigbelastungseinstellungen aufrechtzuer halten, hat
aber den Nachteil, daß die
Gesamtkonstruktion der Brennkammereinheit noch komplizierter wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Verwirbeler bereit, der das radiale
Moment der aus den Kraftstoffauslässen austretenden Kraftstoffstrahle
im vorerwähnten
kraftstoffarmen Bereich am stromaufwärts befindlichen Ende des Verwirbelers
verstärkt. Dadurch
wird bewirkt, daß die
Kraftstoffstrahle an diesem Teil des Verwirbelers die "Rohr"-Wand durchdringen
können,
so daß dadurch
die Kraftstoffzufuhr zur Pilotflamme innerhalb des "Rohrs" ergänzt und somit
die Stabilität
der Flamme bei Niedrigbelastungseinstellungen aufrechterhalten wird,
ohne für eine
ergänzende
Kraftstoffbereitstellung sorgen zu müssen.
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Die
bevorzugte Art, das radiale Moment gemäß der Erfindung zu steigern,
besteht darin, die radiale Geschwindigkeit der Kraftstoffstrahle
zu erhöhen.
Diese Steigerung der radialen Geschwindigkeitskomponente verstärkt ein
bestehendes Geschwindigkeitsmerkmal des Verwirbelers, wie aus 4 ersichtlich.
In 4(a) ist ein typisches Profil von
Geschwindigkeitskomponenten in Abhängigkeit von der radialen Distanz
von der Verwirbelerachse für
das Kraftstoff/Luft-Gemisch, das aus dem Verwirbeler an einer axialen
Position angrenzend an die Verwirbelerrückseite 30 austritt,
grafisch dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die radiale Komponente an
diesem Punkt am größten und
die axiale Komponente am schwächsten
ist. An der stromabwärts
befindlichen Vorderseite des Verwirbelers (siehe 4(c)) ist im Gegensatz dazu die radiale Geschwindigkeitskomponente
am schwächsten
und die tangentiale Komponente am stärksten. In einer Zwischenposition,
z.B. nach zwei Dritteln des Weges von der stromaufwärts befindlichen
Vorderseite 30 (4(b)),
ist die tangentiale Komponente bereits gut ausgebildet, und die
radiale Komponente ist nicht wesentlich größer als in dem in 4(c) dargestellten Fall mit stromabwärts befindlichem
Ende.
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Damit
die Kraftstoffstrahle in nächster
Nähe zur
Pilotflamme tatsächlich
die Flamme erreichen können,
müssen
sie die "Rohr"-Wand durchdringen und
deshalb ein ausreichendes radiales Moment besitzen. Es ist vorteilhaft,
daß die
radiale Geschwindigkeit der Luftströmung in diesem Bereich bereits
am größten, aber
selbst noch nicht stark genug ist, um Kraftstoff zur Flamme transportieren
zu können. Selbst
wenn das zusätzliche
radiale Moment aufgrund der Kraftstoffstrahle in Betracht gezogen
wird, ist nicht genügend
Energie vorhanden, um die Wand zu durchbrechen, wenn ein Verwirbeler
herkömmlicher
Ausführung
verwendet wird.
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Die
Erfindung beinhaltet die Maßnahme,
die Löcher
in nächster
Nähe zum
stromaufwärts
befindlichen Ende 30 kleiner als diejenigen im Mittel-
und Endbereich zu dimensionieren, wodurch die Geschwindigkeit des
durch diese Löcher
strömenden Kraftstoffstrahls
erhöht
wird. Diese Geschwindigkeitserhöhung
bewirkt eine entsprechende Steigerung des Momentflußverhältnisses,
das wie folgt definiert ist: Momentflußverhältnis = ρF·VF 2/ρA·VA 2 wobei:
- ρF
- = Kraftstoffdichte
- VF
- = Kraftstoffgeschwindigkeit
- ρA
- = Luftwanddichte
- VA
- = Luftwandgeschwindigkeit
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Die
Kraftstoffstrahllöcher
sind auf eine Größe reduziert,
aus der sich ein Wert VF ergibt, der ausreicht,
um ein Momentflußverhältnis zu
erzielen, das größer als
der Faktor Eins ist, wodurch dann ein Durchdringen des Kraftstoffs
durch die Wand sichergestellt wird. Die erforderliche Lochgröße variiert
gemäß der Wanddichte
und ist daher für
jede Turbinenbrennkammerkonfiguration unterschiedlich. Die Lochgröße läßt sich
durch Anwendung der folgenden Formel ermitteln: dF = k·ymax·(Momentflußverhältnis)–1/2 wobei:
- dF
- = Durchmesser des
Kraftstoffstrahls
- ymax
- = maximale erforderliche
Kraftstoffstrahldurchdringung
- k
- = eine Konstante
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Die
Konstante k läßt sich
empirisch durch schrittweise Anpassung an ein aktuelles System ermitteln
und könnte
für ein
typisches System im Bereich von 1,25 liegen.
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Die
Größe der Löcher variiert
fortschreitend über
die Länge
der Nachlaufkante der Schaufel, wobei die Verteilung entweder kontinuierlich
ist, d.h. jedes Loch entlang der Kante ist größer als das vorangegangene
Loch, oder stufenweise erfolgt, d.h. die Lochgröße variiert in getrennten Schritten.
Diese zwei Fälle
sind in 5(a) bzw. 5(b) dargestellt. Im Falle der 5(b) sind drei kleine Löcher 32 auf der linken
Seite der Abbildung dargestellt und gleichermaßen drei Löcher 34 von mittlerer
Größe sowie schließlich zwei
große
Löcher 36.
Im Gegensatz dazu haben alle Löcher 38 in 5(a) unterschiedliche Durchmesser. Es versteht
sich, daß diese
Darstellungen nur beispielhaft sind, und die Zahl der Löcher und
ihre Verteilung variieren in der Praxis und abhängig von der Anwendung beträchtlich.
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Während bisher
in der Beschreibung der Erfindung davon ausgegangen wurde, daß Kraftstoff
in die Schaufeln selbst eingeleitet wird, so daß die Kraftstoffauslässe in den
Schaufeln ausgebildete Löcher
sind, ist es auch möglich,
Kraftstoffpfosten zu verwenden, um den Verwirbeler mit dem Kraftstoff
zu versorgen. Ein solches Schema ist sehr schematisch in 6 dargestellt,
wobei sich zwei Pfosten 40, die mit der Einlaßleitung 28 verbunden
sind, in der gerade im Innern der Nachlaufkante 24 der
Schaufeln befindlichen Fläche
in den Verwirbeler erstrecken. In diesen Pfosten sind Löcher ausgebildet,
wie beispielsweise im Schaufelzuleitungsschema gemäß 5 dargestellt,
und die Abmessungen der Löcher sind,
wie bereits erläutert, über die
Länge des
Pfostens unterschiedlich.
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Die
Kraftstoffauslässe
sind vorzugsweise so vorgesehen, daß der durch sie strömende Kraftstoff möglichst
nahe zur zentralen Achse 22 des Verwirbelers hin ausströmt, um die
radiale Geschwindigkeitskomponente des Kraftstoffs zu maximieren.
Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in 7 dargestellt,
in der jede Schaufel entlang einer Leitung 42 mit Kraftstoff
versorgt wird, die ungefähr
parallel zu einer mittleren, in etwa tangentialen Achse 44 der Schaufel
verläuft,
wobei die Leitung 42 dann ihre Richtung um etwa 90° ändert, so
daß sie
ungefähr
in einer radialen Richtung 46 zur Achse 22 des
Verwirbelers hin orientiert verläuft.
Die Austrittslinie des Kraftstoffs kann in der Praxis jedoch beliebig
zwischen der mittleren Linie 44 und der radialen Linie 46 verlaufen.
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Die
Kraftstoffauslässe
können
jeder Schaufel des Verwirbelers zugeordnet oder alternativ auf nur
einige Schaufeln, z.B. auf jede zweite Schaufel, beschränkt sein.
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Obwohl
die Erfindung im Zusammenhang mit ihrer Realisierung in einem Verwirbeler
beschrieben wurde, ist es ebenfalls möglich, die Methode variabler
Lochgrößen im Brennkammer-Vorkammerwandbereich,
wie als 50 in 3 dargestellt, vorzusehen, wo
noch ein wirksamer Drehkörper
aus Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einer Wanddicke T in der Nähe vorhanden
sein kann. Der gesamte Vorkammerbereich 51 umfaßt somit
sowohl den Verwirbelerbereich 14 als auch den vorerwähnten Bereich 50 zwischen dem
Verwirbeler und dem Hauptkammerabschnitt 52 der Brennkammer 10.
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Die
Kraftstoffeinspritzmethode gemäß der vorliegenden
Erfindung kann entweder im Verwirbeler oder in der Zwischenkammerfläche 50 oder
in beiden realisiert werden. 8 zeigt
abgestuft vorgesehene Löcher 60, 62, 64, 66, 68 in
beiden Flächen.
Die Verwendung von Kraftstoffpfosten zur Kraftstoffversorgung gilt
gleichermaßen
für den
Verwirbelerabschnitt 14 und für den Zwischenabschnitt 50,
und bei Anwendung der vorliegenden erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzmethode
in beiden Abschnitten kann eine größere Pfostenlänge in einer
einfachen Weise verwendet werden. Wenn die Kraftstoffauslässe mit
variabler Größe als Alternative
in der Wand des Zwischenabschnitts 50 und nicht in angrenzenden
Kraftstoffpfosten vorgesehen werden, kann, abhängig davon, was praktisch ist,
Kraftstoff diesen Auslässen
entweder aus einer Verlängerung
des Kraftstoffsaugraumsystems zur Versorgung der Verwirbelerauslässe oder
aus einem zusätzlichen
System zugeführt
werden.
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Wenn
die Erfindung nur für
den Zwischenabschnitt 50 vorgesehen wird, kann das stromaufwärts vor
dem Zwischenabschnitt erfolgende Vermischen von Kraftstoff und Luft
mittels eines Verwirbelers oder mittels einer beliebigen anderen
geeigneten Methode realisiert werden.