CN106574574B - 涡轮喷气发动机的混成压缩机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双路双主体涡轮喷气发动机,包括定位在气体发生器的上游的风扇(S)并且界定出主要气流和次要气体,所述气体发生器被主要气流横穿并且包括低压压缩机(1)、高压压缩机(2)、燃烧室(3)、高压涡轮(4)和低压涡轮(5),所述低压涡轮通过低压旋转轴(10)联接到所述低压压缩机,并且所述高压涡轮通过高压旋转轴(20)联接到所述高压压缩机,其特征在于,所述涡轮喷气发动机包括:电动机,所述电动机形成用于将机械动力注入到所述旋转轴(10,20)中的至少一个上的装置(8);用于从所述旋转轴中的至少一个移出动力的装置(7),所述用于从所述旋转轴中的至少一个移出动力的装置的尺寸设定成提取相对于用于驱动所述涡轮喷气发动机的附件所需要的动力(w7)而言的剩余动力(w3,w5),并且将所述剩余动力转换成电能;以及电力存储装置(9),所述电力存储装置定位在用于移出动力的所述装置与所述电动机之间。
Description
技术领域
本发明涉及航空涡轮发动机领域,尤其涉及制造为具有高涵道比的双转子双路式涡轮喷气发动机的形式的航空器发动机。
背景技术
在现代涡轮喷气发动机的设计中,为了确定其压缩机的尺寸,需要针对被称为喘振的现象考度足够的裕度。由气流在压缩机中的一个的叶片上过大的入射角引起的该现象在所讨论的压缩机下游导致大且急剧的压力波动并且可能导致燃烧室的熄火。该现象还在压缩机的叶片上产生强烈振摇并且可能由此导致机械损坏。因此尤其必要的是避免该现象的出现。压缩机在使用中的运行一般由曲线图表示,曲线图表示随流经压缩机的空气流而变的在出口与入口之间获得的压力比;该曲线图还随压缩机的旋转速度而变被参数化。在该曲线图中,出现有喘振线,喘振线构成一定不能超过的压缩比的最大限度,以不产生喘振出现的风险。当发动机稳定运行时,所谓的运行线被限定出,运行线给出了随流速而变获得的压缩比。该运行线的定位留给涡轮发动机的设计者去评估,并且该运行线距离喘振线的距离表示喘振裕度。
应当指出的是,概括地来说(并且将在说明书的其余部分中更详细地说明),压缩机的效率(提供给空气的压缩功,与所提供的使压缩机旋转的功有关)越接近喘振线越好。另一方面,飞行员要求的从稳定运行开始的加速以获得增大的推力对压缩机而言导致运行点沿喘振线的方向发生偏移。这是由于燃烧室中的附加的燃料供入导致压缩比几乎瞬时的增大,而旋转速度由于承载压缩机的转子的惯性而没有时间增大。由附加的燃料的燃烧提供给流体的热函的变化随后导致由每个涡轮提供的功的增大并由此导致对应主体的旋转速度的增大。这在压缩机曲线图上导致运行线上的运行点在速度再一次稳定时复位到比之前的点对应的流速更高的流速所对应的点。
因此,涡轮发动机的设计者必须尝试通过将运行线定位得尽可能高来优化运行线的位置,以使他的压缩机受益于更好的效率,同时保持相对于喘振线的以允许安全加速的足够的距离。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种装置来克服这些缺点,该装置用于优化压缩机的喘振裕度,以减少对涡轮喷气发动机的设计者的限制。本发明的另一目的是改善涡轮喷气发动机在飞行中的空转阶段的运行。
为此,本发明的主题是双转子双路式涡轮喷气发动机,包括定位在气体发生器上游的风扇并且界定出主要气流和次要气流,所述气体发生器具有流经其的所述主要气流并且包括低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮,所述低压涡轮由低压旋转轴连接到所述低压压缩机,并且所述高压涡轮由高压旋转轴连接到所述高压压缩机,其特征在于,所述涡轮喷气发动机包括:电动机,所述电动机形成用于将机械动力施加到所述旋转轴中的至少一个上的装置;用于从所述旋转轴中的至少一个获取动力的装置,所述用于从所述旋转轴中的至少一个获取动力的装置的尺寸设定成提取相对于用于驱动所述涡轮喷气发动机的辅助系统所需要的动力而言的剩余动力,并且将所述剩余动力转换成电能;以及电力存储装置,所述电力存储装置定位在所述动力取出装置与所述电动机之间。
动力施加装置包括动力施加轴,动力施加轴通过任何适合的装置接合在所讨论的旋转轴上并且由驱动元件驱动以能够将附加动力提供给该轴。
将动力施加到尤其是HP(高压)轴,使得能够改善BP(低压)压缩机和HP(高压)压缩机的喘振裕度。在装置的使用期间能够影响到的该裕度允许涡轮喷气发动机以减小的裕度在稳定速度下运行,并因此受益于压缩机更好的效率。
有利地,涡轮喷气发动机包括用于从其旋转轴中的至少一个获取动力的装置,该装置的尺寸设定成提取与用于驱动涡轮喷气发动机的辅助系统所需要的动力相比的剩余动力。
该装置使得能够为前述动力施加装置提供动力。
动力施加装置和动力取出装置可以是分离的或由单个可逆装置形成。
更优选地,电动机被连接到所述动力取出装置并且接合在旋转轴上以提供所施加的动力。
有利地,所述电力存储装置定位成与所述动力取出装置和所述电动机并联。该装置用作电能生产和供应回路中的缓冲器。
在特定实施例中,动力被施加到高压轴。从运行性能的角度考虑,也就是说从发动机容许的加速的观点考虑,这是更适合的构型,因为这样提供了对BP压缩机和HP压缩机的喘振裕度的改善。
有利地,前述涡轮喷气发动机进一步包括用于从低压轴获取动力的装置,该装置的尺寸设定成提取相对于用于驱动涡轮喷气发动机的辅助系统所需要的动力而言的剩余动力。
在具体使用中,动力在高压体的大于或等于其油门全开时旋转速度的80%的旋转速度下被施加。发动机在高速下的运行,尤其是在巡航期间的运行,于是能够以减小的裕度进行,并且对于效率而言受益于运行线在压缩机域中的定位的最优化。施加动力的目的也可以是在压缩机具有低裕度的情况下的稳定的点,以设计若无动力施加具有更低裕度的压缩机,并由此受益于在没有连续施加动力的情况下运行点上更好的效率。
在另一用途中,动力在飞行中空转速度下被施加。这使得能够减少所供应的燃料的量,同时保持与发动机的常规使用相适合的旋转速度,同时保存发动机快速重新加速以及其在熄火的情况下重新点火的安全条件。
优选地,涡轮喷气发动机进一步包括用于使低压轴和驱动风扇的轴之间脱开的装置并且包括用于从驱动风扇的轴获取动力的装置,该装置连接到将动力施加到高压轴的所述动力施加装置。
在特定用途中,动力在脱开装置脱开的模式中被施加。动力通过如下装置从风扇被获取,该装置用于使叶片节距反转以将风扇设置为涡轮模式并且将该动力重新施加到HP体,以保持其正常运行模式。
在另一特定实施例中,动力被施加到低压轴。
附图说明
通过下面结合示意性附图对本发明的以单纯示例性且非限制性示例的方式给出的多个实施例的详细的说明性描述,本发明将被更好地理解,并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更清楚。
在这些图中:
图1是双转子双路式涡轮喷气发动机的普通视图;
图2是配备有根据本发明的用于改善喘振裕度的管理的装置的涡轮喷气发动机的普通视图;
图3是配备有使用在低压压缩机上的改善装置的涡轮喷气发动机的普通视图;
图4是配备有使用在高压压缩机上的改善装置的涡轮喷气发动机的普通视图;
图5是配备有用于改善在飞行中空转并且在自转模式中的管理的装置的涡轮喷气发动机的普通视图;
图6是涡轮喷气发动机的高压压缩机的运行曲线图的视图;
图7是在将动力施加到HP(高压)轴期间BP(低压)压缩机和HP(高压)压缩机的运行曲线图的视图。
具体实施方式
图1是风扇双转子双路式涡轮喷气发动机的普通视图。该发动机沿气体的流动方向从上游到下游通常包括风扇S、低压压缩机1、高压压缩机2、接收燃料流Qc的燃烧室3、高压涡轮4、低压涡轮5和主要排气管6。低压(或BP)压缩机1和低压涡轮5由低压轴10连接并且一起形成低压体。高压(或HP)压缩机2和高压涡轮4由高压轴20连接并且与燃烧室一起形成高压体。
由低压轴10直接驱动或通过减速器驱动的风扇S对来自进气管筒的空气进行压缩。该空气在风扇的下游被分开成次要气流和所谓的主要气流,次要气流被直接引导到次要喷嘴(未示出),次要气流通过次要喷嘴喷出以辅助发动机提供的推力,主要气流进入由低压体和高压体形成的气体发生器并且主要气流接着被喷射到主要喷嘴6中。本发明还覆盖主要气流和次要气流在喷射前混合的的情况。
图2描绘了根据本发明的双转子双路式涡轮喷气发动机,机械动力通过动力取出装置(未示出)从涡轮喷气发动机的一个轴或两个轴被获取。这些动力取出装置通常被安装在它们获取动力的轴上,并且被附接到减速器17以将它们的旋转速度降低到与它们驱动的设备的运行相适合的值。
图2中的示图试图示出所有想得到的从双转子双路式涡轮喷气发动机的轴获取动力的情况,但并不对应于任何特定的用途,实际情况随后结合后面的附图详细描述。
对于BP(低压)体,具有值w3的动力在图2中示出的涡轮处或在BP(低压)轴10上的任何其它点处通过动力取出装置被BP(低压)动力提取轴(未示出)取出。该BP动力提取轴终止于减速器17,减速器自身被连接到发电机7,发电机将接收到的能量w3转换成电能。所述电能可以如图2中所示被存储在电力存储装置9中,或如将在后面的附图中的使用情况中说明的通过电力注入电动机8直接传送到涡轮喷气发动机的轴中的一个轴。
电力存储装置9通常可以是超级电容器或燃料电池类型的锂离子电池。由发电机7产生并且供应到该电力存储装置9的能量用附图标记w4标示。
同样地,动力w5能够在如图中示出的涡轮处或在HP轴20上的任何其它点处从HP体被获取。在那里,该动力同样通过安装在高压动力提取轴上的动力取出装置被HP(高压)动力提取轴(未示出)提取。HP动力提取轴终止于减速器17,这里为了简化示出为与BP动力提取轴的减速器相同。如前所述,减速器17被连接到将接收到的机械能量w5转换成电能w4的发电机7。
此外,机械动力w7通常被取出以便通过被称为附件齿轮箱19的齿轮箱驱动发动机的附件并且为航空器提供机械动力。
根据本发明,从一个轴或两个轴获取的动力无论是否被存储都旨在通过以下装置被重新施加到一个轴或两个轴:
电动机8被发电机7直接地供应电流或被存储装置9供应电流,并且通过减速器18将机械动力供应到接合在涡轮喷气发动机的一个轴或两个轴上的动力施加轴(未示出)。输送到BP轴10的机械动力由附图标记w1标示,输送到HP轴20的机械动力由附图标记w2标示。
现在参照图3,可以看到本发明的动力被机械地施加到BP轴10的实施例。
这里,发电机7由HP轴20驱动,发电机从HP轴获取动力w5。运行中,该动力被传送到电动机8,电动机机械地联接到BP轴10。动力w5被分配为值w1和值w4,w1由涡轮喷气发动机的设计者选择以用于改善所讨论的运行点的性能,w4被传送到存储装置9。存储装置因此在将能量供应到所讨论的轴的回路中用作缓冲器。
类似地,图4示出了动力被机械地施加到HP轴20的实施例。
这里,发电机7被BP轴10驱动,发电机从BP轴获取动力w3。运行中,该动力被传送到电动机8,电动机机械地联接到HP轴20。动力w3被分配为值w2和剩余值w4,w2由涡轮喷气发动机的设计者选择以用于改善所讨论的运行点处的喘振裕度,w4在供应的动力大于HP轴的动力需求的情况下被传送到存储装置9。在相反的情况下,也就是说如果能够从BP轴获取的动力w3是不足够的,因为w3小于所寻求的w2,则从存储装置9释放一些能量w6并且将该能量输送到电动机8。
图5示出了将动力施加到HP轴的特例,发电机7在BP压缩机1与风扇S之间被插入在BP轴10上。接合和脱开装置11被安装在BP压缩机10与风扇S之间以允许风扇的自转运行,并且发电机通过与风扇的轴位于同一侧的动力取出装置被驱动。这种构型被用在例如涡轮喷气发动机在飞行中空转运行或被切断的情况下,风扇于是通过其自转提供电能的生产。
在该构型中,发电机7由与BP轴10脱开的风扇轴驱动。发电机从风扇轴获取的动力w3被传送到电动机8,电动机机械地联接到HP轴20。如在之前的情况中,动力w3被分配为值w2和剩余值w4,w2被施加到HP轴20以提供其旋转并且可选地使得燃烧室被重新点燃,w4被传送到存储装置9。根据需要,如果动力w3是不足够的,一些能量w6从存储装置9被释放并且该能量被输送到电动机8以将补充动力施加到HP轴。
图6示出了配备有根据本发明的用于将动力施加到HP轴的装置的双转子双路式涡轮喷气发动机的HP压缩机的曲线图。
该曲线图常规地给出了压缩机产生的压缩比的变化,压缩比随流经压缩机的流速而变并且根据压缩机的旋转速度被参数化,旋转速度表示为起飞时的旋转速度的百分比。根据发动机的运行参数,表示压缩机的运行的点在该曲线图中移动同时保持在喘振线A下方,喘振线本身是压缩机的特性。
常规地,在该曲线图上注意到,压缩机的等效曲线呈椭圆形,椭圆的长轴大致定位成与喘振线平行。连接最佳效率点的线B于是构成了运行线的最佳定位。另一方面,这样的定位获得了通常不足够的喘振裕度并且在现有技术中通常将这条线向下移位以便以可接受的裕度运行,从而不利于压缩机的效率并因此不利于涡轮喷气发动机的消耗率。
因此,本发明提出优选地针对压缩机的效率定位该运行线,也就是说,喘振裕度肯定减小,但在需要时使喘振裕度与动力施加装置的使用相关联,以便在必要的时候产生增大的喘振裕度,如将结合图7说明的。贯穿该装置的使用时间,运行线被向下移位到适当位置,使得运行线位置具有增大的裕度C。
图7示出了在高速下(也就是说实际上在大于或等于油门全开的旋转速度的80%的旋转速度下)将动力施加到HP轴在BP和HP压缩机域中的影响,以及在这些域中的每个中对发动机的运行线的定位产生的影响。
在高速下,气体发生器中的气体的流动通过两个声喉(cols soniques)来表征,这两个声喉在一种情况下被定位在HP涡轮喷嘴处并且在另一种情况下被定位在主要喷嘴的横截面中。这在空气动力学上导致了气流在这两个点处的阻塞并因此导致两个涡轮的负载的保存,无论在这些点上游的环路中产生怎样的变化,只要相同的总压缩比(HP压缩机的出口处的压力与BP压缩机的入口处的压力之间的比值)并且在燃烧室的出口处相同的温度被保持即可。
与BP喷嘴的横截面S6的开口具有相同的实际效果的将压力施加到HP轴接着实际上导致BP涡轮的负载的降低。
随着低压涡轮的负载的降低,这在其压缩机域中导致在恒定速度下BP压缩比的降低并由此导致运行线BBP远离喘振线ABP移动(参考左图)。这种远离的移动在恒定旋转速度下发生并因此大致垂直于喘振线。将动力施加到HP轴因此使改善BP压缩机的喘振裕度受益。
对于HP压缩机,其负载增大,但HP喷嘴的横截面在下游被阻塞,运行线在大致恒定的压缩比下向右移动。由于运行线上涨的趋势,这种向右的移动导致运行点BHP远离喘振线AHP的移动并因此导致HP压缩机的相应裕度增大(参见右图)。
最后,对于不受流动阻塞现象影响的风扇的运行,其运行线基本上不移动并且在没有施加动力的情况下有相同的速度。
对于在高速下将500马力的动力施加到HP轴,在高速下由本发明提供的增益被评估并且如下:
在起飞速度下在BP压缩机的喘振裕度上的1.7%的增益,
在HP压缩机的喘振裕度上的1.4%的增益,以及
在风扇的喘振裕度上的0.07%的最小增益。
最后,可以看到将动力施加到HP轴上在HP压缩机上和BP压缩机上产生了裕度的改善。涡轮喷气发动机设计者因此可以通过提供动力施加装置将发动机的两个压缩机的运行线定位成比在现有技术中更靠近于喘振线,并由此受益于其最佳效率。与其相关的喘振裕度的减小通过根据要求(例如当飞行员要求推力增大时)启动将动力施加到HP轴而得到补偿。
也可以设想在涡轮喷气发动机的其它运行速度下,尤其是当风扇在下降或在飞行中的空转速度期间自转操作时,将动力施加到HP轴。
通过借助结合图5所描述的接合/脱开装置11使风扇与BP体脱开的风扇自转状态使得能够回收与航空器的速度相关联的能量,并且将该能量用于为电力存储装置9充电,以着眼于随后用于改善喘振裕度或辅助飞行中空转。该构型也可以使得能够为可能在航空器上的任何其它电力存储装置重新充电。
对于辅助飞行中空转,应当指出的是,航空器的该巡航阶段消耗燃料,因为尽管寻找最低的推力可能,但有必要在HP体和BP体处提供最小旋转速度。不这样的话燃烧室会有熄火的风险。所有这些要求保持相对高的飞行中空转速度,并因此在现有技术中为此会消耗燃料。希望的是减少这种消耗,只要与其相关联的残留推力的减少不会导致需要过度地延长巡航。经过对飞行期间消耗的总增益的评估,增加施加到HP轴的动力可以构成在飞行中空转时用于减少燃料需求以及试图改善航空器的燃料消耗的有利解决方案。
在下降时,在飞行中空转时,由航空器的发动机提供的一定的功能必须保留,即:
保持燃料消耗的最小丰度,以避免由于燃料与流经其的空气流相比的不足导致的所谓的“贫乏”熄火,
保持最小速度以允许发动机在飞行员有请求的情况下重新加速,以及
为航空器输送充压,并因此保持HP轴和BP轴的旋转速度,以在HP压缩机的出口处(或至少在空气取出开口所位于的压缩级处)提供最小静压力等级。
借助电动机8,比如安装成在高速下改善喘振裕度的电动机,对HP轴施加动力,通过提供对于完成上述三个功能必要的一些动力,使得能够减少由燃料的燃烧提供的动力并因此减少在飞行中空转期间供应的燃料的量。最后,两个BP体和HP体以与现有技术中的旋转速度类似的旋转速度转动,但具有减少的燃料消耗。
燃烧在空转速度下的能量效率与其在高速下(也就是说电力存储装置9通常被再充电的情况下)的效率相比是相对低的,由电动机8供电与由气体发生器提供动力的减少结合对于总的能量平衡是有利的。由此,本发明使得能够在不必引入附加装置的情况下改善航空器在飞行期间的消耗,这些装置已经为改善压缩机的喘振裕度而安装。
因此,本发明涉及一种用于将一定量的动力施加到涡轮喷气发动机的轴中的一个上的装置,该动力能够被从一个轴或两个轴直接获取,或从电力存储装置被复原,电力存储装置从由所述轴中的至少一个驱动的发电机接收该能量。
从各个轴获取动力以及将动力施加到各个轴的影响可以总结如下:
将动力提供给HP轴的情况:
改善了HP压缩机和BP压缩机的裕度并由此使得能够在压缩机域中将发动机的运行线定位得比之前更靠近于喘振线并且受益于更好的效率,
使得能够减小在飞行中空转的推力并由此减少飞行中总的燃料消耗。
将动力提供给BP轴的情况:
退化了BP压缩机的喘振裕度,
但实现了在恒定推力下燃料消耗的减少,因为推力部分地由用于将动力施加到轴的系统产生。
从HP轴获取动力的情况(除了正常获取动力w7以用于辅助系统以外):
允许存储能量以便随后使用,该存储在距喘振线足够距离的运行点处实现,
另一方面,在HP压缩机被使用时退化了HP压缩机的喘振裕度。
从BP轴获取动力的情况:
允许存储能量以便随后使用,不损害HP压缩机和BP压缩机的喘振裕度,
增大了BP压缩机的喘振裕度但损害了推力或发动机的单位消耗,
依靠风扇自转作用,允许在下降期间在BP轴上回收能量。
从一个轴获取动力并同时将该动力提供给另一轴的情况:
允许在下降时使两个轴电耦合(从BP轴获取并且添加到HP轴以避免燃烧室熄火),
允许两个轴的耦合以更好地控制两个主体的加速并更好地管理其旋转速度。
最后,可以看到最有利的构型包括从BP轴获取动力并且将动力施加到HP轴,其它构型没有脱离本发明的范围。该构型首先使得能够改善两个压缩机在高速下的喘振裕度,这允许将运行线定位到更接近于最佳效率,该构型其次使得能够减少在飞行中空转时必要的燃料的量,这有利于飞行期间的总消耗。
对于更电力化的航空器,由于辅助系统的需求产生的航空器的机载系统的电力的变化导致能够检测到的电流冲击,并且电流冲击的信号相对于限定的阀值的值可以用来通过改变FADEC(全权数字发动机控制)系统的控制规则来调节气体发生器和电动机之间的平衡。该系统可以包括处理电动机的速度的控制的电力电子管理部分和处理发动机的热部件(气体发生器)的控制规则的热管理部分。该系统可以包括装置的模式组合的混合控制规则,混合控制规则被系统的前述管理部分转换成相应指令。根据混成气体发生器的历史或设计成从开始被混成的涡轮螺旋桨发动机的历史,系统也可以是同一个集成所有规则的箱体。
Claims (10)
1.一种双转子双路式涡轮喷气发动机,包括定位在气体发生器上游的风扇并且界定出主要气流和次要气流,所述气体发生器具有流经其的所述主要气流并且包括低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮,所述低压涡轮由低压旋转轴连接到所述低压压缩机,并且所述高压涡轮由高压旋转轴连接到所述高压压缩机,其中,所述涡轮喷气发动机包括:电动机,所述电动机形成用于将机械动力施加到所述低压旋转轴和所述高压旋转轴中的至少一个上的动力施加装置;以及用于从所述低压旋转轴和所述高压旋转轴中的至少一个获取动力的动力取出装置,所述用于从所述低压旋转轴和所述高压旋转轴中的至少一个获取动力的动力取出装置的尺寸设定成提取相对于用于驱动所述涡轮喷气发动机的辅助系统所需要的动力而言的剩余动力,并且将所述剩余动力转换成电能;以及电力存储装置,所述电力存储装置定位在所述动力取出装置与所述电动机之间,动力从所述低压旋转轴被获取并且动力被施加到所述高压旋转轴。
2.根据权利要求1所述的涡轮喷气发动机,其中,所述动力施加装置和所述动力取出装置形成单个可逆装置。
3.根据权利要求1所述的涡轮喷气发动机,其中,所述电动机被连接到所述动力取出装置并且接合在所述低压旋转轴和所述高压旋转轴中的至少一个上以提供所施加的动力。
4.根据权利要求3所述的涡轮喷气发动机,其中,所述电力存储装置定位成与所述动力取出装置和所述电动机并联。
5.根据权利要求1所述的涡轮喷气发动机,进一步包括用于从所述低压旋转轴获取动力的装置,所述用于从所述低压旋转轴获取动力的装置的尺寸设定成提取与用于驱动所述涡轮喷气发动机的辅助系统所需要的动力相比的剩余动力。
6.根据权利要求5所述的涡轮喷气发动机,其中,动力在高压体的旋转速度大于或等于其油门全开时的旋转速度的80%时被施加。
7.根据权利要求5所述的涡轮喷气发动机,其中,动力在飞行中的空转速度下被施加。
8.根据权利要求5所述的涡轮喷气发动机,进一步包括所述低压旋转轴与驱动所述风扇的轴之间的脱开装置,并且包括用于从所述风扇的驱动轴获取动力的装置,所述用于从所述风扇的驱动轴获取动力的装置连接到用于将动力施加到所述高压旋转轴的装置。
9.根据权利要求8所述的涡轮喷气发动机,其中,动力在所述脱开装置的脱开模式期间被施加。
10.根据权利要求1所述的涡轮喷气发动机,其中,动力被施加到所述低压旋转轴。
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GR01 | Patent grant | ||
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