CN101550844A - 涡轮内壳的支承构造和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮内壳的支承构造和方法。具体而言,本发明公开的实施例涉及一种涡轮(10),其包括外壳(11)、连接在外壳(11)上并以与之大体同心的关系被外壳(11)包绕的内壳(12)、收容在内壳(12)中的至少一个涡轮转子(15)、由内壳(12)承载的多个喷嘴(13)和护罩(14)、多个接合在内壳(12)及外壳(11)之间使内壳(12)围绕转子(15)对准的连接元件(31),以及至少一个自适应支承件(51)。本发明公开的实施例还涉及一种在涡轮(10)的内壳(12)和外壳(11)之间构造固定布置的方法。

Description

涡轮内壳的支承构造和方法
技术领域
文中公开的主题大致涉及涡轮。更具体地说,本发明涉及一种燃气涡轮构造,其具有在内壳和外壳之间改进的安装布置,这可使内壳相对于外壳在径向和周向方向上进行热膨胀和收缩。
背景技术
在与本申请一起的共同受让人的之前美国专利No.5,685,693中描述了一种具有内壳和外壳的工业燃气涡轮。内壳具有一对轴向间隔开的径向向外凸出的销的周向阵列,其终接在缩减节段中,缩减节段在其相对的周向侧面上具有平坦部。通常,圆柱形的套管向内并围绕外壳中的检修孔而凸出,并具有在周向方向上延伸的带螺纹的螺栓孔。螺栓穿过孔而与销侧面上的平坦部相接合。通过调整螺栓,可在外壳的外部调整内壳,以使内壳围绕转子轴线而定位。在涡轮操作期间,当壳体响应热负荷和物理负荷时,内壳可相对于外壳膨胀或移动而产生不圆度和不同心度。因为涡轮效率受到内壳相对于外壳的圆度和同心度的影响,因此这容许在不拆卸涡轮的条件下使壳体重新对准。圆度和同心度确定了在涡轮叶片(附接在转子上)和叶片罩(附接在涡轮壳体上)之间的间隙,而这又确定了绕过叶片的燃气数量。因为叶片没有从这种旁路气体中吸取功,所以燃气涡轮性能与这种隙距成反比。
在美国专利No.6,457,936中进一步致力于此问题,其通过引用而整体地结合在本文中,其中在内壳和外壳之间利用仅仅在周向或切向方向上加载的支承销而改进了安装布置。周向间隔开的支承销设置成穿过外壳中的检修孔,并具有容纳在内壳凹部中的凸起物以便与这两个壳体以一定方式相接合,该一定方式为支承内壳抵御相对于外壳的径向和周向运动,并可使内壳相对于外壳在径向和轴向方向上实现热膨胀和收缩。通过控制涡轮内壳的热膨胀和收缩,在燃气涡轮的操作期间控制叶尖和护罩之间的隙距,提高效率。
然而,支承销的最新模拟显示,在组装期间涡轮壳体的同心度和圆度受到销最初如何豁裂的影响。具体地说,对于由多个支承销径向支承的涡轮内壳而言,当转子发动机静止时,最少至少两个销必须支承重力负荷。当发动机启动时,支承销抵消了由内壳承载的喷嘴所产生的应用扭矩。两个重力加载的销同时经受重力和反作用扭矩负荷,当在涡轮操作期间壳体发生差异性膨胀时,这导致损失了圆度和同心度。此外,其中的一个销经受相反方向的重力负荷,作为抵消的扭矩负荷。当涡轮运行时,这个销和下一相邻的销推挤在其间的内壳部分使之彼此抵靠。因而,当内壳部分在操作期间发生膨胀时,此部分被夹在两个销之间,这造成整个涡轮内壳的偏心和不圆度。解决这些问题的一种方法是放宽支承销的初始间隙,但这种构造降低了涡轮效率。
模拟还显示在销和内壳之间的接触线的表面轮廓影响内壳在涡轮操作期间的同心度和圆度。因此,在先进的燃气涡轮设计中需要一种在内壳和外壳之间更为先进的结构布置。
发明内容
为了缓和重力销支承难题,本发明公开所包含的实施例提供了一种涡轮,其包括外壳、连接在外壳上并以与之大体同心的关系被外壳包绕的内壳、至少一个收容在内壳中的涡轮转子、由内壳承载的多个喷嘴和护罩、与内壳及外壳相接合并用于使内壳围绕转子对准的多个连接元件,以及至少一个自适应(compliant)支承件。在一个特殊的实施例中,连接元件具有周向面向的弧形侧面,其沿着接触线而与内壳相接合,该侧面的平面(planer face)径向指向转子中心线。
本发明公开的实施例还包含一种涡轮,其包括结构外壳、连接在结构外壳上并以与之大体同心的关系被其包绕的内壳、由内壳承载的多个喷嘴和护罩、收容在内壳中的涡轮转子、接合在内壳和外壳之间以使内壳围绕转子对准的多个销,其中内壳具有围绕内壳周向间隔开的多个凹部,内壳包括两个径向向外的凸起物,其沿着转子的水平分离线在相反的方向上凸出,各个销与各个凹部相接合,在由喷嘴产生的应用扭矩负荷的方向上形成第一周向间隙和在反作用扭矩负荷的方向上形成第一周向间隙,从而可使内壳相对于外壳实现差异性增长和收缩,外壳还包括两个托架以容纳两个径向向外的凸起物的部分,从而在涡轮装配期间提供用于内壳的水平支承,其中各个径向向外的凸起物与各个托架相接合,在由喷嘴产生的应用扭矩负荷的方向上形成第二周向间隙和在反作用扭矩负荷的方向上形成第二周向间隙,从而可使内壳相对于外壳实现差异性增长和收缩;以及弹簧,其固定在其中一个托架上,以保持在该托架的应用扭矩负荷方向上的第二周向间隙至少大于大约0mil(密耳)。
本发明公开的实施例还包含一种用于构造具有改进效率的涡轮的方法。该方法包括提供带有至少两个托架的外壳、内壳、由内壳承载的多个喷嘴和护罩、收容在内壳中的涡轮转子,内壳带有围绕其周向间隔开的多个凹部,内壳连接在外壳上并通过多个连接元件而以与之大体同心的关系被外壳包绕,其中各个凹部与各个连接元件相接合,以便在由喷嘴产生的应用扭矩负荷的方向上保持第一周向间隙和在反作用扭矩负荷的方向上保持第一周向间隙,从而可使内壳相对于外壳在转子的周向方向上实现差异性增长和收缩,从而实现内壳相对于外壳的差异性增长和收缩,使多个凹部与多个销相接合,其中各个凹部容纳各个销的一部分,其在由喷嘴产生的应用扭矩负荷的方向上形成第一周向间隙和在反作用扭矩负荷的方向上形成第一周向间隙,在涡轮装配期间利用内壳两个径向向外的凸起物使外壳的两个托架相接合,该凸起物沿着转子的水平分离线在相反的方向上凸出,其中各托架容纳各个径向向外的凸起物的一部分,其在由喷嘴产生的应用扭矩负荷的方向上形成第二周向间隙和在反作用扭矩负荷的方向上形成第二周向间隙,以及将自适应支承件固定在其中的一个托架上,用以保持在应用扭矩负荷方向上的第二周向间隙大于大约0mil。
从以下详细说明和权利要求中将更好地明白本发明的其它目的和优势。
附图说明
图1是结合了径向销几何形状的涡轮节段部分的局部截面图。
图2是内壳的透视图,出于清晰起见未显示喷嘴。
图3是显示了在内壳和外壳之间的连接的轴向示意性的端视图,其中销与凹部相接合而托架与凸起物相接合。
图4是图3的截面A-A′的放大图。
图5A是图3截面A-A′的放大图,其显示了以相反方向作用在连接元件和托架上的力。
图5B是图3截面B-B′的放大图,其显示了以相同方向作用在连接元件和托架上的力。
图6是显示了在内壳和外壳之间的连接的轴向示意性的端视图,其中只有销与凹部相接合。
图7是支承销的局部视图。
图8和图9是在销和内壳凹部之间的接触的自顶向下的视图。零件清单
10    涡轮
11    外壳
12    内壳
13    喷嘴
14    护罩
15    转子
16                     转子轴线
20,63,64             凹部
31,61,62             支承销
32                     检修孔
33,34,40,41,42,43 间隙
34                     第一周向间隙
33                     第二周向间隙
41                     第三周向间隙
40                     第四周向间隙
35,36                 向外的凸起物
37                     水平分离线
38,39                 支承托架
51,65                 自适应支承件
71                     螺栓圆形部
72                     螺栓孔
73                     杆部
74                     突出部(ledge)
75                     侧面
81                     转子中心
82                     线接触
110                    径向方向
120                    轴向方向
130                    周向方向
具体实施方式
如上文概述,本发明的实施例包含一种改善涡轮效率的涡轮以及一种用于改善涡轮效率的构造方法,其在涡轮运转时,通过减少内壳相对于外壳的圆度和同心度的损失而达到此目的。
在具体的实施例中,涡轮包括外壳、连接在外壳上并以与之大体同心的关系被外壳包绕的内壳、收容在内壳中的至少一个涡轮转子、由内壳承载的多个喷嘴和护罩、接合在内壳及外壳之间并用于使内壳围绕转子对准的多个连接元件,以及至少一个自适应支承件。
涡轮内壳的支承构造
图1显示了涡轮节段的一个特殊的实施例。涡轮10具有外壳11和由外壳11支承的内壳12。内壳12承载喷嘴阵列13和护罩14。内壳12包绕总体用标号15表示的转子,转子可围绕转子轴线16而旋转。多个连接元件沿着垂直于转子轴线的径向平面而将内壳12固定在外壳11上,这些连接元件处于径向方向110上并位于轴向120上的轴向位置(未显示)处。
根据图2中所示的一个实施例,内壳12包括用于容纳连接元件的周向间隔开的凹部20。在一个特殊的实施例中,如图3中所示,连接元件包括支承销31,该支承销穿过外壳11的检修孔32并且容纳在内壳12的凹部20中。在支承销31和内壳12的凹部20之间提供周向方向130上的多个周向间隙33和34。在特殊的实施例中,涡轮还可包括在内壳12的凹部20中沿转子轴向方向120处于连接元件31和涡轮内壳之间的间隙。这种轴向间隙可实现内壳相对于外壳11的差异性增长。
本领域普通技术人员应该懂得,涡轮可包括任何合适数量的连接元件。理论上,无穷大数量的连接元件将是最适宜的;然而,本领域中的技术人员应懂得无穷大数量的连接元件是不实际的,并且因此最大数量的连接元件将取决于制造和成本因素。例如,在特殊的实施例中,涡轮包括许多连接元件,如二(2)至三十六(36)个,更特殊地为4至1 6个,且还更特殊地为6至10个。例如,在图4所示的特殊实施例中,连接元件包括围绕内壳12而径向间隔开的八个支承销31。
内壳12还可包括至少两个径向向外的凸起物35和36,其在相反方向上从内壳凸出。在特殊的实施例中,该至少两个径向向外的凸起物35和36包括销31,例如上文所述。在一个特殊的实施例中,径向向外的凸起物35和36沿着水平分离线37而定位,以便在涡轮装配期间提供用于内壳12的水平支承。外壳11还可包括至少两个支承托架38和39,分别用于容纳凸起物35和36的部分。在一个特殊的实施例中,如图4中所示,托架38和39与凸起物35和36相接合,从而在涡轮装配期间提供用于内壳12的水平支承,同时还在凸起物35和36与托架38和39之间保持所需的周向间隙40和41。
本领域中的普通技术人员应该懂得,当开启涡轮时,喷嘴将产生作用在转子以及内壳和外壳上的应用扭矩负荷。在不希望受到任何理论约束的条件下,认为支承销抵消扭矩负荷,以减少内壳相对于外壳的圆度和同心度的损失。例如,参看图4,如果来自喷嘴的应用扭矩是逆时针的(虚线箭头),则作用在支承销上的反作用扭矩负荷将是顺时针的(白色块状箭头)。周向间隙33和40是″在反作用扭矩负荷方向上的″间距,因为当反作用扭矩负荷将内壳推压到销上时,间隙变狭窄。在一个实施例中,在涡轮装配期间,反作用扭矩负荷方向上的一个或多个周向间隙构造为在大约0mil至大约20mil之间,大约在5mil至大约15mil之间,或在大约5mil至10mil之间。在另一实施例中,在装配期间,反作用扭矩负荷方向上的一个或多个周向间隙构造为在大约0mil至大约6mil之间。在又一实施例中,在装配期间,反作用扭矩负荷方向上的一个或多个周向间隙构造为大约0mil。
在来自喷嘴的应用扭矩是逆时针的相同示例中,周向间隙34和41是″在应用的扭矩负荷方向上的″间距,因为当应用的扭矩负荷将内壳推压在销上时,间隙变窄。在一个实施例中,在涡轮装配期间,在应用扭矩负荷方向上的一个或多个周向间隙构造为在大约5mil至大约20mil之间。在另一实施例中,在装配期间,在应用扭矩负荷方向上的一个或多个周向间隙构造为在大约8mil至大约15mil之间。在又一实施例中,在装配时,在应用扭矩负荷方向上的一个或多个周向间隙构造为大约13mil。
总地说来,周向间隙33和34或40和41之和(总的周向间隙)应大于连接元件31和凹部20的最大的热膨胀,以防止这些构件在发动机运转期间发生结合。因此,对于这些周向间隙的范围将依赖于所使用的具体发动机、具体凹部和具体连接元件的尺寸。
在上述实施例中,两个径向向外的凸起物35和36和其相应的支承托架38和39在涡轮装配期间能够抵消内壳12的惯性负荷(图3)。为了确保周向间隙40和41的构造,本发明的实施例还可进一步包括设置在周向间隙41中位于径向向外的凸起物35和支承托架39之间的自适应支承件51(图5A),使其经受相反方向上的惯性扭矩负荷和反作用扭矩负荷。在不希望受到任何理论约束的条件下,认为这种构造抵消了内壳的惯性负荷,可使内壳在径向和周向方向上进行热膨胀和收缩,并且保持围绕转子轴线的同心度。这种自适应支承件施加足够的力,以抵消装配期间的惯性力,从而使周向间隙40闭合接近几乎0mil。然而,由于支承力和表面之间的摩擦力的组合效应,由自适应支承件所施加的力应不足以使向外的凸起物35结合到支承托架39上。
例如,参看图5A,来自喷嘴的应用扭矩(虚线箭头)是逆时针的,并且作用在销上的反作用扭矩负荷(白色块状箭头)是顺时针的。托架39上的惯性负荷被向上推(黑色块箭头)。在一个特殊的实施例中,自适应支承件51固定在托架39上,并经受相反方向的重力和反作用扭矩负荷,从而在扭矩装配和操作期间保持在该托架的应用扭矩负荷方向上的周向间隙41大于大约0mil。图5B中显示了相反的径向向外的凸起物36和支承托架38及周向间隙42和43。在这个特殊的实施例中,来自喷嘴的应用扭矩(虚线箭头)是逆时针的,作用在销上的反作用扭矩负荷(白色块状箭头)是顺时针的,并且作用在托架38上的惯性负荷是向上推的(黑色块状箭头)。因为惯性负荷和反作用扭矩负荷是相互一致的,故自适应支承件不需要保持周向间隙42和43。在一个特殊的实施例中,在涡轮装配与操作期间,应用扭矩负荷的方向上的周向间隙保持在大约0mil至大约15mil之间,或者在另一实施例中,在大约5mil至大约10mil之间。在又一特殊的实施例中,在涡轮装配与操作期间,周向间隙保持在大约13mil。然而,本领域中的普通技术人员应该懂得,对于周向间隙的合适的范围通常依赖于所使用的特定的发动机尺寸。
在一个备选实施例中,如图6中所示,使用两个额外的销61和62以及相应的凹部63和64来替代凸起物35和36及支承托架38和39。销和凹部的数量和位置可经调整,使其以任何合适的方式围绕内壳而周向间隔开。自适应支承件65还可添加到凹部上,该凹部经受相反方向的重力和反作用扭矩负荷,以便在涡轮装配和操作期间保持周向间隙在上述范围内。在这个实施例中,在反作用扭矩负荷方向上的周向间隙33,其在装配期间闭合(即,保持大约0mil)并在操作期间由于反作用喷嘴的扭矩效应而倾向于保持闭合,而在应用扭矩负荷方向上的周向间隙34则大于大约0mil。在特殊的实施例中,在装配与操作期间,周向间隙33是闭合的,而周向间隙34在大约5mil至大约15mil之间。
在备选实施例中,经受相反方向的重力和反作用扭矩负荷的连接元件,其在涡轮操作期间可通过外部机构进行重新定位。
根据特殊的实施例,自适应支承件包括弹簧、伸缩管、波纹(crest)或波形弹簧,或任何其它合适的偏压装置,例如力位移装置或恒力装置(例如气动活塞)。本领域中的普通技术人员应该懂得,用于自适应支承件的材料将依赖于涡轮的应用,并且应考虑到包括但不限于操作温度、施加力的大小和周期性负荷等因素。用于自适应支承件的合适材料的非限制性的示例包括铁合金和非铁合金,包括不锈钢、磷青铜和铍铜合金。
连接元件的接触表面轮廓
还已经发现,连接元件与内壳的接触表面轮廓影响涡轮内壳和外壳围绕转子轴线的同心度。在特殊的实施例,如图7中所示,支承销31包括扩大的头部,其具有带多个螺栓孔72的螺栓圆形部71、大体圆柱形的杆部73和位于支承销的径向最内端的扩大的突出部74。各个突出部74的相对的周向面向的侧面75具有弧形表面。各侧面75的弧形表面包括围绕轴线的柱面的一部分,该轴线大体平行于转子轴线而延伸。
根据一个特殊的实施例,支承销31的各侧面75的弧形表面在周向方向上沿着内壳的凹部侧面发生线接触。线接触在轴向方向上延伸。在一个特殊的实施例中,如图8中所示,线接触82沿着表面(例如,支承销31的各个侧面75的弧形表面)而发生,该表面的平面径向指向转子中心线。当支承销沿着表面接触内壳12时,该表面的平面径向指向转子中心线,其中外壳11和内壳12以不同的比率进行膨胀或收缩,这种相对运动的阻力可能只有因垂直于线接触的接触压力和摩擦系数所引起的摩擦力。如果所有这种销和内壳构造都具有相同的构造,则系统将保持同心。
如图9中所示,如果接触表面轮廓82不与径向指向转子中心81的线共面时,则可能产生径向分力(除了摩擦力之外),该径向分力在环发生热膨胀或收缩时可驱动环偏心。当内壳膨胀或收缩时,单个销和壳体的接触经历非相对运动的时段,之后产生称为粘滑作用的突然的相对运动。非径向分力在这些粘滑作用期间对同心度造成负面影响。在备选实施例中,连接元件可具有非圆柱形的接触表面,其减少或消除了上述径向分力;然而,这种连接元件超出了本发明公开的范围。
应该懂得文中提供的支承销的实施例可使内壳在径向、周向和轴向方向上进行热膨胀和收缩,同时保持围绕转子轴线的圆度和同心度。当涡轮启动时,通过加热内壳可使内壳径向向外相对于外壳而膨胀。类似而言,当内壳冷却时,可相对于涡轮转子而收缩,以根据要求而控制叶片至护罩的间隙。利用前述销的设计和其构造,一个销或凸起物可同时接受扭矩负荷和重力负荷,而不用将内壳部分夹在销或凸起物之间。销的表面接触轮廓还保持内壳相对于外壳以及转子轴线的同心度。此外,因为凹部在轴向尺寸上大于突出部的轴向尺寸并且突出部定位在凹部中间,所以内壳在轴向方向上的差异性增长不会被支承销占用。
本发明还通过以下示例进行举例说明,这无论如何不应认为对其范围强加了限制。相反而言,应该明确懂得,可借助于各种其它实施例、变型及其等效物,在阅读文中的描述之后,本领域中的技术人员可在不脱离本发明的精神和/或附属权利要求的范围内提出这些实施例、变型和其等效物。
一种涡轮包括八个围绕内壳而周向间隔开的销以及由外壳的两个托架所容纳的两个径向向外的凸起物,该涡轮构造成在装配期间,使得在销和凹部之间的所有间隙以及在托架和凸起物之间的所有间隙都大约为6.5mil。在进行实验测量作为时间函数的温度和作用力之后,从热/结构化有限元分析中求出最终的傅里叶系数。涡轮可重新构造成在装配时,使得反作用扭矩负荷方向上的间隙是闭合的,而应用扭矩负荷的方向上的间隙大约为13mil。进行相同的实验,并求出最终的傅里叶系数。实验结果的比较显示当同第一构造相比时,第二构造有43%的圆度改善。
应该懂得,前面涉及本发明的一个特殊的实施例,并且在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围内可做出许多变化。

Claims (10)

1.一种涡轮(10),包括:
外壳(11);
内壳(12),连接在所述外壳(11)上并以与之大体同心的关系被所述外壳包绕;
收容在所述内壳(12)中的至少一个涡轮转子(15);
由所述内壳(12)承载的多个喷嘴(13)和护罩(14);
多个连接元件(31),其接合所述内壳(12)及所述外壳(11)并使得所述内壳(12)围绕所述转子(15)对准;以及
至少一个自适应支承件(51),其设置在所述连接元件(31)中的至少一个连接元件和所述内壳(12)之间。
2.根据权利要求1所述的涡轮(10),其特征在于,所述内壳(12)具有围绕其而周向间隔开的多个凹部(20),用于容纳所述连接元件(31)的部分。
3.根据权利要求2所述的涡轮(10),其特征在于,所述涡轮还包括:
至少两个径向向外的凸起物(35,36),其沿着所述内壳(12)的水平分离线(37)在相反方向上从所述内壳(12)凸出,以及
沿着所述内壳(12)的水平分离线(37)位于所述外壳(11)上的至少两个托架(38,39),其用于容纳来自所述内壳(12)的至少两个径向向外的凸起物(35,36)的部分。
4.根据权利要求3所述的涡轮(10),其特征在于,所述涡轮还包括在由所述喷嘴(13)产生的应用扭矩负荷的方向上位于各个托架(38,39)和径向向外的凸起物(35,36)之间的第一周向间隙(34),以及在反作用扭矩负荷方向上位于各个托架和径向向外的凸起物(35,36)之间的第二周向间隙(33)。
5.根据权利要求4所述的涡轮(10),其特征在于,所述自适应支承件(51)设置在所述径向向外的凸起物(35,36)和所述托架(38,39)之间,经受相反方向上的重力和反作用扭矩负荷,使得所述第一周向间隙(34)和所述第二周向间隙(33)之和大于大约0mil。
6.根据权利要求5所述的涡轮(10),其特征在于,所述第一周向间隙(34)大约为13mil。
7.根据权利要求6所述的涡轮(10),其特征在于,所述第二周向间隙(33)大约为0mil。
8.根据权利要求1所述的涡轮(10),其特征在于,所述自适应支承件(51)包括弹簧、伸缩管、波纹弹簧、波形弹簧或偏压装置。
9.根据权利要求1所述的涡轮(10),其特征在于,所述连接元件(31)具有用于接合所述内壳(12)的周向面向的弧形侧面(75),其中,所述弧形侧面(75)沿着表面而与所述内壳(12)相接触,该表面的平面径向指向转子中心线(16)。
10.一种构造涡轮(10)的方法,包括:
提供带有至少两个托架(38,39)的外壳(11);
提供内壳(12),其带有围绕所述内壳(12)而周向间隔开的多个凹部(20),所述内壳(12)通过多个连接元件(31)而连接在所述外壳(11)上并以与之大体同心的关系被所述外壳包绕;
提供由所述内壳(12)承载的多个喷嘴(13)和护罩(14);
提供收容在所述内壳(12)中的至少一个涡轮转子(15);
使所述多个凹部(20)与多个销(31)相接合,其中,各个凹部(20)容纳各个销(30)的一部分,以及包括在由所述喷嘴(13)产生的应用扭矩负荷方向上的第一周向间隙(34)和在反作用扭矩负荷方向上的第二周向间隙(33);
在涡轮装配期间使所述外壳(11)的两个托架(38,39)与所述内壳(12)的两个径向向外的凸起物(35,36)相接合,所述凸起物(35,36)沿着所述转子(15)的水平分离线(37)在相反方向上凸出,其中,各个托架(38,39)容纳所述径向向外的凸起物(35,36)的一部分,以及包括在由所述喷嘴(13)所产生的应用扭矩负荷方向上的第三周向间隙(41)和在反作用扭矩负荷方向上的第四周向间隙(40);以及
将自适应支承件(51)设置在所述托架(38,39)中的至少一个托架和径向向外的凸起物(35,36)之间,用以保持所述第三周向间隙(41)大于大约0mil。
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