CN103256629A - 燃烧器以及用于向燃烧器供应燃料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃烧器。所述燃烧器包括具有上游表面和下游表面的端帽以及围绕所述上游表面和下游表面的帽罩。第一组和第二组预混合管从所述上游表面延伸经过所述下游表面。第一燃料管道向所述第一组预混合管供应燃料。外壳周向围绕所述帽罩以限定环形通道,并且第二燃料管道通过所述环形通道向所述第二组预混合管供应燃料。一种用于向燃烧器供应燃料的方法包括:使工作流体流动经过第一组和第二组预混合管;使第一燃料流入所述第一组预混合管;以及使第二燃料流动经过围绕所述端帽的环形通道并进入所述第二组预混合管。
Description
技术领域
本发明大体涉及燃烧器以及用于向燃烧器供应燃料的方法。
背景技术
燃烧器通常用于工业生产和发电操作中,用以点燃燃料,以产生高温高压的燃烧气体。例如,燃气涡轮机通常包括一个或多个燃烧器,以发电或产生推力。用于发电的典型燃气涡轮机包括位于前部的轴流式压缩机、位于中部附近的一个或多个燃烧器,以及位于尾部的涡轮机。可以将环境空气供应到压缩机,并且压缩机中的旋转桨叶和固定叶片逐渐向工作流体(空气)传递动能,以产生处于高能量状态的压缩工作流体。随后,经压缩的工作流体离开压缩机并流经一个或多个喷嘴进入各燃烧器中的燃烧室,在燃烧室中,经压缩的工作流体与燃料混合并点燃,从而产生高温高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀做功。例如,燃烧气体在涡轮中膨胀可以使连接至发电机的轴旋转,从而发电。
各种设计和运行参数均会影响燃烧器的设计和运行。例如,较高的燃烧气体温度通常会提高燃烧器的热力学效率。然而,燃烧气体的温度比较高也会促使回火或火焰稳定(flame holding)情况发生,其中燃烧火焰朝着由喷嘴供应的燃料移动,从而可能在相对较短时间内对喷嘴造成严重损坏。另外,在较高燃烧气体温度下,燃烧室内的局部热痕会加快双原子氮气的分解速率,从而增加氮氧化物(NOX)的产量。相反,与燃料流减小和/或部分负载运行(关闭)相关的较低燃烧气体温度通常会降低燃烧气体的化学反应速率,从而增加一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的产量。
在一项特定燃烧器设计中,多个预混合管可以径向布置在端帽中,从而为工作流体和燃料提供流体连通,使得它们能够流经所述端帽而进入燃烧室。该预混合管可以增强工作流体与燃料之间的混合,从而减少能够在较高燃烧气体温度下产生不利影响的热痕。因此,该预混合管可以有效地防止回火或火焰稳定的发生以及/或者减少NOX产量,特别是在运行级较高的情况下。然而,一种用于将燃料供应到预混合管以允许分阶段供应燃料或者在不同的运行级下运行预混合管的改进的系统和方法将会是有用的。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各方面内容和优点,或者,这些方面和优点在说明中可能是显而易见的,或者可以通过实施本发明而知悉。
本发明的一项实施例是一种燃烧器,包括:第一燃料室;与所述第一燃料室轴向隔开的第二燃料室;周向围绕所述第一燃料室和第二燃料室的帽罩;外壳,其周向围绕所述帽罩的至少一部分,从而限定所述帽罩与所述外壳之间的环形通道;将第一燃料供应到所述第一燃料室的第一燃料管道;以及延伸穿过所述环形通道以将第二燃料供应到所述第二燃料室的第二燃料管道。
进一步的,其中所述第一燃料管道延伸穿过所述环形通道到达所述第一燃料室。
进一步的,其进一步包括轴向延伸经过所述第一燃料室和第二燃料室的多个管。
进一步的,其进一步包括通过第一组所述多个管中的每一个管的第一燃料口,其中所述第一燃料口提供从所述第一燃料室通过所述第一组所述多个管中的每一个管的流体连通。
进一步的,其进一步包括经过第二组所述多个管中的每一个管的第二燃料口,其中所述第二燃料口提供从所述第二燃料室通过所述第二组所述多个管中的每一个管的流体连通。
进一步的,其进一步包括在所述环形通道中围绕所述第二燃料管道的至少一部分的至少一个翼型或叶片。
进一步的,其进一步包括在位于所述第一燃料室和第二燃料室下游的所述帽罩中径向延伸的挡板,其中所述挡板至少部分限定所述帽罩中的稀释剂室。
进一步的,其进一步包括通过所述帽罩的稀释剂口,其中所述稀释剂口提供从所述环形通道经过所述帽罩从而进入所述稀释剂室的流体连通。
进一步的,其进一步包括防护罩,所述防护罩周向围绕所述第一燃料管道以限定所述防护罩和所述第一燃料管道之间的环形流体通道。
进一步的,其进一步包括位于所述防护罩与所述第一燃料管道之间的旋流器叶片。
本发明的另一项实施例是一种燃烧器,其包括:第一燃料室;与所述第一燃料室轴向隔开的第二燃料室;与所述第一燃料室流体连通的第一组管;与所述第二燃料室流体连通的第二组管;周向围绕所述第一组管和第二组管的帽罩;外壳,其周向围绕所述帽罩的至少一部分,以限定所述帽罩与所述外壳之间的环形通道;将第一燃料供应到所述第一燃料室的第一燃料管道;以及延伸穿过所述环形通道以将第二燃料供应到所述第二燃料室的第二燃料管道。
进一步的,其中所述第一燃料管道延伸穿过所述环形通道到达所述第一燃料室。
进一步的,其进一步包括在所述环形通道中围绕所述第二燃料管道的至少一部分的至少一个翼型或叶片。
进一步的,其进一步包括在位于所述第一燃料室和第二燃料室下游的所述帽罩中径向延伸的挡板,其中所述挡板至少部分限定所述帽罩中的稀释剂室。
进一步的,其进一步包括经过所述帽罩的稀释剂口,其中所述稀释剂口提供从所述环形通道经过所述帽罩从而进入所述稀释剂室的流体连通。
进一步的,其进一步包括防护罩,所述防护罩周向围绕所述第一燃料管道以限定所述防护罩和所述第一燃料管道之间的环形流体通道。
进一步的,其进一步包括位于所述防护罩与所述第一燃料管道之间的旋流器叶片。
本发明还可以包括一种用于将燃料供应到燃烧器的方法。所述方法包括:使工作流体流动经过由帽罩周向围绕的多个管;使第一燃料经过第一燃料室流入第一组多个管;使第二燃料流动经过围绕所述帽罩的环形通道;以及使所述第二燃料经过第二燃料室流入第二组多个管,其中所述第二燃料室与所述第一燃料室轴向隔开。
进一步的,其进一步包括使所述第一燃料流动经过围绕所述端帽的所述环形通道。
进一步的,其进一步包括使稀释剂流动经过所述帽罩并进入位于所述第一燃料室和第二燃料室下游的稀释剂室。
所属领域的普通技术人员将通过阅读本说明书来更好地了解此类实施例的特征和方面及其他内容。
附图说明
本说明书的以下部分参考附图,针对所属领域的技术人员,完整且可实现地详细披露了本发明,包括其最佳模式,其中:
图1为根据本发明的第一项实施例的燃烧器的局部透视图;
图2为图1所示燃烧器的侧视截面图;
图3为根据本发明的第二项实施例的燃烧器的侧视截面图;以及
图4为根据本发明的第三项实施例的燃烧器的侧视截面图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各个实施例,附图中描绘了本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和描述中相同或类似的标识用于指代本发明的相同或类似的部分。本说明书及权利要求书中所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换使用,以区分不同部件,并且这些术语并不旨在表示单个部件的位置或重要性。此外,术语“上游”和“下游”指部件在流体通路中的相对位置。例如,如果流体从部件A流向部件B,则部件A在部件B的上游。相反,如果部件B从部件A获取流体流,则部件B在部件A的下游。
各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上,所属领域的技术人员容易了解,在不脱离本发明的范围或精神的前提下,可以对本发明做出各种修改和变化。例如,作为一个实施例的一部分进行说明或描述的特征可用于另一个实施例中,从而得到又一个实施例。因此,本发明应涵盖属于所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。
本发明的各实施例提供一种燃烧器,以及用于向燃烧器供应燃料的方法。在特定的实施例中,布置在端帽内的多个管在工作流体和燃料发生燃烧之前增强这两者之间的混合。可以经过一个或多个轴向和/或径向燃料管道而将燃料供应到管中。通过这种方式,这些管可以被分组成多个燃料回路,从而使燃烧器能够在较大运行条件范围内运行,同时不会超过与回火、火焰稳定和/或排放限制相关的设计余量。尽管在对本发明的示例性实施例所进行的描述中,为便于说明大体上采取的是将燃烧器添加到燃气涡轮机内的配置,但所属领域的技术人员将容易了解,除非在权利要求书中特别指出,否则本发明的各实施例可以用于任意燃烧器,且并不限于燃气涡轮机燃烧器。
图1提供了根据本发明的第一项实施例的燃烧器10的局部透视图,且图2提供了图1所示燃烧器10的侧视截面图。如图所示,外壳12通常围绕燃烧器10,以容纳流到燃烧器10的工作流体14。外壳12可以包括位于一端的端盖16,以提供用于向燃烧器10供应燃料、稀释剂和/或其他添加剂的接口。合适的稀释剂可以包括,例如,水、蒸汽、工作流体、空气、燃料添加剂、氮气等各种惰性气体,和/或二氧化碳或供应给燃烧器10的燃烧废气等各种不可燃气体。端帽20经配置以在燃烧器10的至少一部分上径向延伸,并且所述端帽20和衬管22通常限定了位于所述端帽20下游的燃烧室24。外壳12周向围绕端帽20和/或衬管22,从而限定了围绕所述端帽20和所述衬管22的环形通道26。通过这种方式,工作流体14可以沿着衬管22的外部流经环形通道26,以向所述衬管22提供对流冷却。当工作流体14到达端盖16时,所述工作流体14可以逆转方向,以流经端帽20并流入燃烧室24中。
端帽20通常包括与下游表面30轴向隔开的上游表面28。帽罩32可以周向围绕上游表面28和下游表面30的至少一部分,从而在端帽20内上游表面28和下游表面30之间至少部分限定了一个或多个室(plenum)。例如,在图1、图2中所示的特定实施例中,第一挡板34可以在端帽20和/或帽罩32内部径向延伸,以轴向隔开第一燃料室36和第二燃料室38。此外,第二挡板40可以在端帽20和/或帽罩32内部径向延伸,以在端帽20和/或帽罩32内将稀释剂室42与第一燃料室36及第二燃料室38隔开。
第一燃料管道44可以从端盖16处轴向延伸,以提供经过端盖16进入第一燃料室36的流体连通,而第二燃料管道46可以径向延伸经过外壳12、环形通道26,以及帽罩32,从而提供经过外壳12、环形通道26,以及帽罩32进入第二燃料室38的流体连通。如图1、图2所示,至少一个翼型48或叶片可以在环形通道26中围绕第二燃料管道46的至少一部分,以减小所述环形通道26中流过所述第二燃料管道46的工作流体14的流动阻力。在特定的实施例中,翼型48或叶片可以形成一定角度,以使流经环形通道26的工作流体14旋动。替代地,或除此之外,翼型48或叶片可以包括一个或多个四元燃料口(quaternary fuel port)50,所述燃料口50提供从第二燃料管道46经过翼型48或叶片进入环形通道26的流体连通。通过这种方式,第一燃料管道44可以向第一燃料室36供应燃料,且第二燃料管道46可以向第二燃料室38和/或环形通道26供应相同的或不同的燃料。
多个管60可以从上游表面28处延伸经过下游表面30,以提供经过端帽20的流体连通。管60的特定的形状、尺寸、数目以及布置可以根据特定的实施例而改变。例如,通常将管60描绘为具有圆柱形状;然而,本发明范围内的替代实施例可以包括具有几乎任何几何横截面的管。第一组管62可以包括一个或多个燃料口64,所述燃料口提供从第一燃料室36进入所述第一组管62的流体连通,而第二组管66可以包括一个或多个燃料口64,所述燃料口提供从第二燃料室38进入所述第二组管66的流体连通。燃料口64可以径向、轴向成角和/或成方位角以喷射燃料以及/或者旋动燃料,所述燃料流经所述燃料口64进入管60中。通过这种方式,工作流体14可以在端帽20的外部流动并经过环形通道26直到其到达端盖16,并且逆转方向以流经第一组管62和第二组管66。此外,来自第一燃料管道44的燃料可以在第一燃料室36中环绕第一组管62流动,从而在燃料流经燃料口64并进入第一组管62与工作流体14混合之前,对管60进行对流冷却。类似地,来自第二燃料管道46的燃料可以环绕第二组管66流动,从而在燃料流经燃料口64并进入第二组管66与工作流体14混合之前,对第二组管66进行对流冷却。来自每一组管62、66的燃料-工作流体混合物随后可以流入燃烧室24。
如图1和图2所示,一个或多个稀释剂口68可以提供从环形通道26穿过帽罩32并进入稀释剂室42的流体连通。通过这种方式,至少一部分工作流体14可以从环形通道26流入稀释剂室42,以环绕第一组管62和/或第二组管66流动从而向管60提供对流冷却。然后,工作流体14可以流经下游表面38与管60之间的间隙70然后流入燃烧室24。
图3提供了根据本发明的第二项实施例的燃烧器110的侧视截面图。如图所示,外壳112大体上围绕燃烧器110,以容纳流到所述燃烧器110的工作流体114。外壳112可以包括位于一端的端盖116,以提供用于向燃烧器110供应燃料、稀释剂和/或其他添加剂的接口。端帽120经配置以在燃烧器110的至少一部分上径向延伸,并且所述端帽120和衬管122大体上限定了位于所述端帽120下游的燃烧室124。外壳112周向围绕端帽120和/或衬管122,从而限定了围绕所述端帽120和所述衬管122的环形通道126。通过这种方式,工作流体114可以沿着衬管122的外部流经环形通道126,以向所述衬管122提供对流冷却。当工作流体114到达端盖116时,所述工作流体114可以逆转方向,以流经端帽120并流入燃烧室124。
端帽120通常包括与下游表面130轴向隔开的上游表面128。帽罩132可以周向围绕上游表面128和下游表面130的至少一部分,从而在端帽120内上游表面128和下游表面130之间至少部分限定了一个或多个室。例如,在图3所示的特定实施例中,第一挡板134可以在端帽120和/或帽罩132内部径向延伸,以将第一燃料室136与第二燃料室138轴向隔开。此外,第二挡板140可以在端帽120和/或帽罩132内部径向延伸,以在所述端帽120和/或所述帽罩132内部将稀释剂室142与第一燃料室136及第二燃料室138隔开。
第一燃料管道144可以从端盖116处轴向延伸,以提供经过端盖116进入第一燃料室136的流体连通,而第二燃料管道146可以径向延伸经过外壳112、环形通道126,以及帽罩132,以提供经过外壳112、环形通道126,以及帽罩132进入第二燃料室138的流体连通。如图3所示,至少一个翼型148或叶片可以在环形通道126中围绕第二燃料管道146的至少一部分,以减小在所述环形通道126中流过第二燃料管道146的工作流体114的流动阻力。在特定的实施例中,翼型148或叶片可以形成一定角度,以使流经环形通道126的工作流体114旋动。
在图3所示的特定实施例中,防护罩150周向围绕第一燃料管道144,从而限定了防护罩150和第一燃料管道144之间的环形流体通道152。一个或多个旋流器叶片154可以定位在防护罩150与第一燃料管道144之间,以使流经环形流体通道152的工作流体114旋动。此外,第一燃料管道144可以在旋流器叶片154内部径向延伸并且在整个环形流体通道152上延伸。通过这种方式,第一燃料管道144可以提供经过旋流器叶片154到第一燃料室136和/或环形流体通道152的流体连通。
如同在先前的实施例中的,多个管160可以从上游表面128延伸经过下游表面130,以提供经过端帽120的流体连通。管160的特定的形状、尺寸、数目以及布置可以根据特定的实施例而改变。例如,通常将管160描绘为具有圆柱形状;然而,本发明范围内的替代实施例可以包括具有几乎任何几何横截面的管。第一组管162可以包括一个或多个燃料口164,所述燃料口提供从第一燃料室136进入第一组管162的流体连通,而第二组管166可以包括一个或多个燃料口164,所述燃料口提供从第二燃料室138到第二组管166中的流体连通。燃料口164可以径向、轴向成角和/或成方位角以喷射燃料以及/或者旋动燃料,该燃料流经所述燃料口164进入管160中。通过这种方式,工作流体114可以在端帽120的外部流动并经过环形通道126直到其到达端盖116,并且逆转方向以流经第一组管162和第二组管166。此外,来自第一燃料管道144的燃料可以环绕在第一燃料室136中第一组管162流动,从而在燃料流经燃料口164并进入第一组管162中与工作流体114混合之前,对管160进行对流冷却。类似地,来自第二燃料管道146的燃料可以环绕第二组管166流动,从而在燃料流经燃料口164并进入第二组管166与工作流体114混合之前,对第二组管166进行对流冷却。来自每一组管162、166的燃料-工作流体混合物随后可以流入燃烧室124。
如图3所示,一个或多个稀释剂口168可以提供从环形通道126经过帽罩132并进入稀释剂室142的流体连通。通过这种方式,至少一部分工作流体114可以从环形通道126流入稀释剂室142,以环绕第一组管162和/或第二组管166流动从而向管160提供对流冷却。然后,工作流体114可以流经下游表面130和管160之间的间隙(不可见)然后流入燃烧室124。
图4提供了根据本发明的第三项实施例的图3所示燃烧器110的放大截面图。如图所示,燃烧器110通常包括如同先前参考图3所示的实施例所描述的相同的部件。在此特定实施例中,同样,第一燃料管道144可以在旋流器叶片154内部径向延伸,以提供进入环形流体通道152的流体连通;然而,第一燃料管道144不一定延伸到第一燃料室136。相反,第三燃料管道180可以径向延伸经过外壳112、环形通道126以及帽罩132,以提供经过外壳112、环形通道126以及帽罩132进入第一燃料室136的流体连通。通过这种方式,第一燃料管道144可以向环形流体通道152供应燃料,第二燃料管道146可以向第二燃料室138供应相同的或不同的燃料,而第三燃料管道180可以向第一燃料室136供应另一种燃料或相同的燃料。
图1到图4所示的多种实施例提供了用于向燃烧器10、110供应燃料的方法的多种组合。例如,参考图4所示的实施例,可以经过第一组管162以及第二组管166和/或环形流体通道152来供应工作流体114。可以经过第一燃料管道144将第一燃料供应到环形流体通道152。替代地,或除此之外,如同参考图1和图2所示的实施例所描述的,可以经过第二燃料管道46将第二燃料供应到第二组管66,以及/或者直接供应到流经环形通道26的工作流体14中。另外,可以经过第三燃料管道180将第三燃料供应到第一组管162。因此每项实施例都提供了用于向跨过燃烧器10、110的多个位置分级供应燃料的非常灵活的方法,从而使得燃烧器10、110能够在较大运行条件范围内运行,同时不会超过与回火、火焰稳定和/或排放限制相关的设计余量。
本说明书使用了多个实例来揭示本发明,包括最佳模式,同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明,包括制造并使用任何装置或系统,以及实施任何所涵盖的方法。本发明的保护范围由权利要求书限定,并且可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同,或者如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别,那么此类实例也属于权利要求书的范围。
Claims (20)
1.一种燃烧器,包括:
a.第一燃料室;
b.与所述第一燃料室轴向隔开的第二燃料室;
c.周向围绕所述第一燃料室和第二燃料室的帽罩;
d.外壳,其周向围绕所述帽罩的至少一部分,从而限定所述帽罩与所述外壳之间的环形通道;
e.将第一燃料供应到所述第一燃料室的第一燃料管道;以及
f.延伸穿过所述环形通道以将第二燃料供应到所述第二燃料室的第二燃料管道。
2.根据权利要求1所述的燃烧器,其中所述第一燃料管道延伸穿过所述环形通道到达所述第一燃料室。
3.根据权利要求1所述的燃烧器,其进一步包括轴向延伸经过所述第一燃料室和第二燃料室的多个管。
4.根据权利要求3所述的燃烧器,其进一步包括通过第一组所述多个管中的每一个管的第一燃料口,其中所述第一燃料口提供从所述第一燃料室通过所述第一组所述多个管中的每一个管的流体连通。
5.根据权利要求4所述的燃烧器,其进一步包括经过第二组所述多个管中的每一个管的第二燃料口,其中所述第二燃料口提供从所述第二燃料室通过所述第二组所述多个管中的每一个管的流体连通。
6.根据权利要求1所述的燃烧器,其进一步包括在所述环形通道中围绕所述第二燃料管道的至少一部分的至少一个翼型或叶片。
7.根据权利要求1所述的燃烧器,其进一步包括在位于所述第一燃料室和第二燃料室下游的所述帽罩中径向延伸的挡板,其中所述挡板至少部分限定所述帽罩中的稀释剂室。
8.根据权利要求7所述的燃烧器,其进一步包括通过所述帽罩的稀释剂口,其中所述稀释剂口提供从所述环形通道经过所述帽罩从而进入所述稀释剂室的流体连通。
9.根据权利要求1所述的燃烧器,其进一步包括防护罩,所述防护罩周向围绕所述第一燃料管道以限定所述防护罩和所述第一燃料管道之间的环形流体通道。
10.根据权利要求9所述的燃烧器,其进一步包括位于所述防护罩与所述第一燃料管道之间的旋流器叶片。
11.一种燃烧器,包括:
a.第一燃料室;
b.与所述第一燃料室轴向隔开的第二燃料室;
c.与所述第一燃料室流体连通的第一组管;
d.与所述第二燃料室流体连通的第二组管;
e.周向围绕所述第一组管和第二组管的帽罩;
f.外壳,其周向围绕所述帽罩的至少一部分,以限定所述帽罩与所述外壳之间的环形通道;
g.将第一燃料供应到所述第一燃料室的第一燃料管道;以及
h.延伸穿过所述环形通道以将第二燃料供应到所述第二燃料室的第二燃料管道。
12.根据权利要求11所述的燃烧器,其中所述第一燃料管道延伸穿过所述环形通道到达所述第一燃料室。
13.根据权利要求11所述的燃烧器,其进一步包括在所述环形通道中围绕所述第二燃料管道的至少一部分的至少一个翼型或叶片。
14.根据权利要求11所述的燃烧器,其进一步包括在位于所述第一燃料室和第二燃料室下游的所述帽罩中径向延伸的挡板,其中所述挡板至少部分限定所述帽罩中的稀释剂室。
15.根据权利要求14所述的燃烧器,其进一步包括经过所述帽罩的稀释剂口,其中所述稀释剂口提供从所述环形通道经过所述帽罩从而进入所述稀释剂室的流体连通。
16.根据权利要求11所述的燃烧器,其进一步包括防护罩,所述防护罩周向围绕所述第一燃料管道以限定所述防护罩和所述第一燃料管道之间的环形流体通道。
17.根据权利要求16所述的燃烧器,其进一步包括位于所述防护罩与所述第一燃料管道之间的旋流器叶片。
18.一种用于向燃烧器供应燃料的方法,包括:
a.使工作流体流动经过由帽罩周向围绕的多个管;
b.使第一燃料经过第一燃料室流入第一组多个管;
c.使第二燃料流动经过围绕所述帽罩的环形通道;以及
d.使所述第二燃料经过第二燃料室流入第二组多个管,其中所述第二燃料室与所述第一燃料室轴向隔开。
19.根据权利要求18所述的方法,其进一步包括使所述第一燃料流动经过围绕所述端帽的所述环形通道。
20.根据权利要求18所述的方法,其进一步包括使稀释剂流动经过所述帽罩并进入位于所述第一燃料室和第二燃料室下游的稀释剂室。
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Legal Events
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20240111 Address after: Swiss Baden Patentee after: GENERAL ELECTRIC CO. LTD. Address before: New York State, USA Patentee before: General Electric Co. |
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