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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine.
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Beschreibung zum Stand der Technik
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Eine Brennkammer für eine Gasturbine erhält Druckluft, die aus einem Kompressor ausgeblasen wird, verbrennt eine Brennstoffmischung mit der Druckluft zur Erzeugung eines Brenngases und liefert das erzeugte Brenngas an eine Turbine. Im Allgemeinen wird der Brennstoff aus einer Vielzahl von Brennstoffdüsen in eine Brennkammer eingespritzt. Daher weist das Strukturmaterial eines Brenners in einigen Fällen eine Kavität oder einen Verteiler für die Verteilung des Brennstoffs auf alle Brennstoffdüsen auf, siehe auch
JP-2008-025910-A und dergleichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das Strukturmaterial des Brenners kommt mit der vom Kompressor gelieferten Druckluft in Berührung. Die vom Kompressor zugeführte Druckluft hat eine hohe Temperatur von ca. 450 Grad. Derweil hat der Brennstoff, der der Kavität zugeführt wird, eine normale Temperatur von etwa zehn oder mehr Grad. Es gibt einen großen Temperaturunterschied zwischen dem Brennstoff und der Druckluft. Daher wird in der Nähe der Kavität das Strukturmaterial durch die thermische Beanspruchung durch den Temperaturunterschied zwischen Brennstoff und Druckluft beeinflusst. Die thermische Beanspruchung kann durch Vorwärmen des Brennstoffs und Zuführen der vorgewärmten Brennstoffmenge zur Kavität reduziert werden. Das Vorwärmen des Brennstoffs erfordert jedoch Anlagen und Energie.
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Die Kavität entsteht übrigens zum Beispiel durch die Schaffung einer Auskehlung im Strukturmaterial des Brenners und die Installation einer flachen Abdeckung über der Auskehlung. In diesem Fall, wenn die Schnittstelle zwischen dem Strukturmaterial und der Abdeckung eine Einlegestruktur aufweist, sind die Kontaktflächen zwischen dem Strukturmaterial und der Abdeckung im Querschnitt gesehen L-förmig. Die Abdeckung muss durch Verschweißen mit dem Strukturmaterial sicher befestigt werden. Sind jedoch die L-förmigen Kontaktflächen zwischen dem Strukturmaterial und der Abdeckung teilweise unverschweißt gelassen, sind die unverschweißten Kontaktflächen einer Ecke der Kavität zugewandt. Man kann sagen, dass die nicht zusammengefügten Kontaktflächen einen sogenannten Riss bilden. Bei einem Riss in der Wandfläche der Kavität, insbesondere an einer Ecke, an der sich die thermische Beanspruchung konzentriert, wird die Schweißzone durch den Riss erheblich belastet.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine vor, die in der Lage sind, die thermische Beanspruchung der Schweißzone einer im Strukturmaterial eines Brenners gebildeten Kavität zu reduzieren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbinenbrennkammer vorgesehen, die Druckluft aus einem Kompressor erhält, die Druckluft mit einem Brennstoff vermischt, ein Gemisch aus Druckluft und Brennstoff zur Erzeugung eines Brenngases verbrennt und das erzeugte Brenngas an eine Turbine liefert. Die Gasturbinenbrennkammer umfasst einen Innenzylinder, einen Außenzylinder und einen Brenner. Der Innenzylinder bildet im Inneren eine Brennkammer. Der Außenzylinder deckt den Innenzylinder ab und bildet einen zylindrischen äußeren Umfangsströmungspfad zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder, um die Druckluft strömen zu lassen. Der Brenner ist an einem Ende des Außenzylinders angebracht, wobei das Ende auf einer gegenüberliegenden Seite zu einer Seite, auf der sich die Turbine befindet, und der Brenner gegenüber der Brennkammer angeordnet ist. Der Brenner umfasst eine Vielzahl von Brennstoffdüsen, die zum Einspritzen des Brennstoffs konfiguriert sind, und eine Kavität, die zum Verteilen des Brennstoffs an die Brennstoffdüsen konfiguriert ist. Die Kavität wird durch eine Nut aus einem Strukturmaterial des Brenners zur Erzeugung einer Höhendifferenz an einer Öffnung und eine in die Höhendifferenz eingepasste Abdeckung zum Schließen der Nut begrenzt. Die Abdeckung wird durch einen Steg und einen Flansch so gebildet, dass sie einen L- oder U-förmigen Querschnitt aufweist. Der Steg ist auf eine Unterseite der Nut ausgerichtet und deckt die Öffnung in der Nut ab. Der Flansch erstreckt sich in Tiefenrichtung der Nut von der Kante des Stegs und wird in die Höhendifferenz eingepasst. Weiterhin wird die Abdeckung durch Schweißen mit dem Strukturmaterial verbunden. In einem Querschnitt orthogonal zur Nut betrachtet, ist eine abdeckungsseitige Innenfläche, also eine Innenfläche des Flansches, die eine Seitenfläche der Kavität bildet, bündig mit einer nutenseitigen Innenfläche, die eine Innenfläche der Nut ist, die eine Seitenfläche der Kavität bildet. Eine Grenze zwischen der abdeckungsseitigen Innenfläche und der nutenseitigen Innenfläche ist von einer ersten Ecke der Kavität fort gerichtet, die zwischen der abdeckungsseitigen Innenfläche und der Innenfläche des Stegs liegt, wobei die Innenfläche eine Deckenfläche der Kavität bildet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die thermische Beanspruchung, die auf die Schweißzone einer im Strukturmaterial eines Brenners gebildeten Kavität angewendet wird, zu reduzieren.
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Figurenliste
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- ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Konfiguration einer Gasturbinenanlage, auf die eine Gasturbinenbrennkammer nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
- ist eine schematische Darstellung, die eine Konfiguration der Gasturbinenbrennkammer gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- ist eine schematische Darstellung, die eine Konfiguration der wesentlichen Teile der in dargestellten Gasturbinenbrennkammer darstellt;
- ist eine schematische Darstellung der Konfiguration einer Abschlusskappe für die in dargestellte Gasturbinenbrennkammer;
- ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V in ;
- ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts VI in ;
- ist eine Teilschnittansicht durch einen Hauptbrenner der Gasturbinenbrennkammer, dargestellt in ;
- ist eine vergrößerte Ansicht von Abschnitt VIII in oder eine vergrößerte Ansicht der wesentlichen Teile; und
- ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX in .
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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- Gasturbine -
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ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Konfiguration einer Gasturbinenanlage, auf die eine Gasturbinenbrennkammer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Die Gasturbine, dargestellt in ist ein Antriebsmotor, der Verbraucher antreibt, nicht dargestellt, und umfasst einen Kompressor 10, eine Gasturbinenbrennkammer, im Folgenden abgekürzt Brennkammer, 20, eine Turbine 30 und eine Abgaskammer 35. Ein Abschnitt des Kompressors 10 oder eines Kompressorabschnitts 11 wird von einer Stütze 12 getragen. Ein Abschnitt einer Turbine 30 oder eines Turbinenabschnitts 31 wird von einer Stütze 32 getragen. Die Abgaskammer 35 wird von einer Stütze 38 getragen. Der Verbraucher ist typischerweise ein Generator. In einigen Fällen ist jedoch eine Pumpe der Verbraucher. Im Allgemeinen kann die Gasturbine als „Gasturbinenmotor“ bezeichnet werden. In diesem Fall kann die Turbine als „Gasturbine“ bezeichnet werden.
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Der Kompressor 10 umfasst einen Lufteinlass 13 und eine Dralldrossel (IGV) 14. Der Lufteinlass 13 nimmt Luft auf. Die Dralldrossel 14 befindet sich im Kompressorabschnitt 11. Leitschaufeln 15 und Rotorschaufeln 16 sind abwechselnd in Längsrichtung oder in axialer Richtung eines Rotors 5 hinter der Dralldrossel 14 angeordnet. Eine Absaugkammer 17 ist radial nach außen aus einem absteigenden Abschnitt angeordnet, in dem die Leitschaufeln 15 und die Rotorschaufeln 16 abwechselnd angeordnet sind. Eine Vielzahl von Brennkammern 20 ist ringförmig am Außenumfang eines Gasturbinengehäuses oder des Turbinenabschnitts 31 zwischen dem Kompressor 10 und der Turbine 30 angeordnet. Die Turbine 30 umfasst eine Vielzahl von Leitschaufeln 33 und eine Vielzahl von Rotorschaufeln 34. Die Leitschaufeln 33 und die Rotorschaufeln 34 befinden sich im Turbinenabschnitt 31 und sind abwechselnd in Längsrichtung oder in Axialrichtung des nachfolgend beschriebenen Rotors 5 angeordnet. Die Abgaskammer 35 ist dem Turbinenabschnitt 31 über einen Abgasabschnitt 36 nachgeordnet. Die Abgaskammer 35 umfasst einen Abgasdiffusor 37, der an die Turbine 30 angrenzt.
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Der Rotor, oder die Radialwelle, 5 ist so angeordnet, dass er in die Zentren des Kompressors 10, der Brennkammer 20, der Turbine 30 und der Abgaskammer 35 hineinragt. Ein Ende des Rotors 5, das in Richtung Kompressor 10 angeordnet ist, ist über ein Lager 6 drehbar gelagert. Ein Ende des Rotors 5, das in Richtung Abgaskammer 35 angeordnet ist, ist über ein Lager 7 drehbar gelagert. Ein Teil des Rotors 5, der zum Kompressor 10 gehört, ist so konfiguriert, dass eine Vielzahl von Scheiben in axialer Richtung gestapelt ist, während eine Vielzahl von Rotorschaufeln 16 am Außenumfang jeder der Scheiben angebracht ist. Ein Teil des Rotors 5, der zur Turbine 30 gehört, ist so konfiguriert, dass eine Vielzahl von Scheiben in axialer Richtung gestapelt sind, während eine Vielzahl von Rotorschaufeln 34 am Außenumfang jeder der Scheiben angebracht ist. Im Beispiel von ist ein Ende des Rotors 5, das in Richtung der Abgaskammer 35 angeordnet ist, als Ausgangswelle mit einer Antriebswelle des Verbrauchers gekoppelt, nicht abgebildet.
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In der obigen Konfiguration strömt die Luft, die aus dem Lufteinlass 13 in den Kompressor 10 eingebracht wird, durch die Dralldrossel 14, eine Kaskade von Leitschaufeln 15 und eine Kaskade von Rotorschaufeln 16 und wird dann zur Erzeugung hoher Temperaturen zu Hochtemperatur-Hochdruckluft verdichtet. In die Brennkammer 20 wird der Brennstoff aus einem Brennstoffsystem gespeist, siehe , mit der vom Kompressor 10 gelieferten Druckluft vermischt und zu einem hochtemperaturfähigen Brenngas verbrannt. Das erzeugte Hochtemperatur-Brenngas wird dann der Turbine 30 zugeführt. Obwohl ein flüssiger Brennstoff als Brennstoff verwendet werden kann, wird davon ausgegangen, dass in der vorliegenden Ausführungsform ein gasförmiger Brennstoff als Brennstoff verwendet wird. Der Rotor 5 wird rotierend angetrieben, wenn das hochtemperaturfähige Hochdruck-Brenngas ein von der Brennkammer 20 erzeugtes Arbeitsmedium, eine Kaskade von Leitschaufeln 33 und eine Kaskade von Rotorschaufeln 34 in der Turbine 30 durchläuft. Die Ausgangsleistung der Turbine 30 wird teilweise als Antriebsleistung für den Kompressor 10 und die verbleibende Ausgangsleistung als Antriebsleistung für den Verbraucher 4 verwendet. Nach dem Antrieb der Turbine 30 wird das Brenngas als Abgas durch die Abgaskammer 35 abgegeben. Obwohl eine Einwellen-Gasturbine in Verbindung mit der vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist, gilt die vorliegende Erfindung auch für eine Zweiwellen-Gasturbine. Die Zweiwellen-Gasturbine umfasst eine Hochdruck- und eine Niederdruckturbine, und die Radialwellen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine sind voneinander getrennt. Die Hochdruckturbine ist koaxial mit dem Kompressor gekoppelt, und die Niederdruckturbine ist koaxial mit dem Verbraucher gekoppelt.
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- Gasturbinenbrennkammer -
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ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration der Gasturbinenbrennkammer. ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration der wesentlichen Teile der in dargestellten Gasturbinenbrennkammer darstellt. Unter Bezugnahme auf und sind eine Vielzahl von Gasturbinenbrennkammern 20 oder Brennkammern 20 auf dem Gehäuse der Gasturbine in der Umfangsrichtung des Gehäuses angeordnet. Die Brennkammern 20 umfassen jeweils z.B. einen Innenzylinder oder eine Brennkammerauskleidung, 21, einen Außenzylinder, oder eine Durchlaufmuffe, 22, einen Brenner 23 und einen rückseitigen Zylinder oder ein Übergangsstück, 24, siehe .
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Der Innenzylinder 21 ist ein zylindrisches Element, das innen eine Brennkammer 21a bildet, siehe . Der Innenzylinder 21 trennt die Druckluft, die vom Kompressor 10 zugeführt wird und in einen äußeren Umfangsströmungspfad P1 strömt, von dem Brenngas, das in der Brennkammer 21a erzeugt wird. Ein Ende des Innenzylinders 21, das zur Turbine oder auf der rechten Seite in angeordnet ist, wird in den rückseitigen Zylinder 24 eingesetzt, siehe . Der rückseitige Zylinder 24 ist ein Element, das das Brenngas, das in der Brennkammer 21a erzeugt wird, in die Turbine 30 einleitet. Ein Ende des rückseitigen Zylinders 24, der zur Turbine hin angeordnet ist, ist in Richtung eines ringförmigen Arbeitsmediumströmungspfades offen, dem die Leitschaufeln 33 und Rotorschaufeln 34 in der Turbine 30 gegenüber liegen. Ein Umleitungsrohr 25, siehe , ist mit dem rückseitigen Zylinder 24 gekoppelt. Das Umleitungsrohr 25 ist mit einem Bypassventil 26 versehen, siehe .
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Der Außenzylinder 22 deckt den Außenumfang des Innenzylinders 21 ab und bildet den zylindrischen äußeren Umfangsströmungspfad P1, der die Druckluft zwischen dem Außenzylinder 22 und dem Innenzylinder 21 strömen lässt. Die gewählte Konfiguration ermöglicht es der Druckluft, den äußeren Umfangsströmungspfad P1 zur Konvektionskühlung des Innenzylinders 21 zu passieren. Weiterhin umfasst der Außenzylinder 22 einen Flansch 22a, siehe , der an einem Ende auf einer Turbinenseite des Außenzylinders 22 angeordnet und über den Flansch 22a am Gehäuse der Gasturbine befestigt ist. Ein Ende des Außenzylinders 22, das auf einer der Turbinenseite gegenüberliegenden Seite oder der linken Seite in angeordnet ist, wird beispielsweise durch den Brenner 23 mit einer Abschlusskappe 40 geschlossen. In der äußeren Umfangsfläche des Innenzylinders 21 sind viele, nicht abgebildete, Löcher ausgebildet. Die im äußeren Umfangsströmungspfad P1 strömende Druckluft wird teilweise durch die vielen im Innenzylinder 21 geformten Löcher in die Brennkammer 21a eingebracht und zur Kühlung des Films auf der inneren Umfangsfläche von Innenzylinder 21 verwendet. Die verbleibende Druckluft, mit Ausnahme der Druckluft zur Kühlung des Films des Innenzylinders 21, strömt in den äußeren Umfangsströmungspfad P1, wird von der Abschlusskappe 40 gestaut und umgekehrt und anschließend an den Brenner 23 geführt. Die in den Brenner 23 eingespeiste Druckluft wird zusammen mit dem Brennstoff in die Brennkammer 21a eingespeist und der mit der Druckluft eingespeiste Brennstoff wird dann verbrannt.
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- Brenner -
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Der Brenner 23 mit der Abschlusskappe 40, einem Hauptbrenner 50 und einem Pilotbrenner 60 ist am Ende auf der der Turbinenseite des Außenzylinders 22 gegenüberliegenden Seite angebracht und ist auf die Brennkammer 21a ausgerichtet, während er das Ende auf der der Turbinenseite des Außenzylinders 22 gegenüberliegenden Seite verschließt.
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• Abschlusskappe
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ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration der Abschlusskappe. ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V in . ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts VI in .
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Die Abschlusskappe 40 wird auch als Top-Hat bezeichnet. Die Abschlusskappe 40 umfasst einen Hauptabschnitt 41, einen Einschubabschnitt 42, eine Brennstoffdüse 44, siehe , und eine Kavität 45. Der Hauptabschnitt 41 ist wie ein Ringflansch mit einem Mittelloch 41a geformt. Der Einschubabschnitt 42 ist zylindrisch geformt, um einen kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt 41 zu haben und ragt in Richtung Brennkammer 21a aus dem Hauptabschnitt 41 heraus. Während der Einschubabschnitt 42 in die Öffnung im Außenzylinder 22 eingesetzt wird, wird der Hauptabschnitt 41 mit dem Außenzylinder 22 verschraubt oder anderweitig befestigt. Ein zylindrischer Raum zwischen dem Innenzylinder 21 und der inneren Umfangsfläche des Einschubabschnitts 42 bildet den am weitesten nachgelagert gelegenen Bereich des äußeren Umfangsströmungspfades P1. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Innenumfang des Außenzylinders 22 mit einer Höhendifferenz versehen, in die der Einschubabschnitt 42 passt und die innere Umfangsfläche des Einschubabschnitts 42 ist mit der inneren Umfangsfläche des Außenzylinders 22 bündig. Weiterhin ist ein Eckabschnitt der Innenfläche der Abschlusskappe 40, genauer gesagt, ein Eckabschnitt, der zwischen der inneren Umfangsfläche des Einschubabschnitts 42 und einer der Brennkammer 21a zugewandten Stirnseite des Hauptabschnitts 41 sandwichartig angeordnet ist, kreisförmig geformt, um die Änderung der Strömungsrichtung der Druckluft durch den äußeren Umfangsströmungspfad P1 zu erleichtern. Außerdem ist ein Brennstoffanschluss 43, siehe , mit der Abschlusskappe 40 verbunden. Der Brennstoffanschluss 43 umfasst ein Brennstoffrohr 43a, das sich von der äußeren Umfangsfläche der Abschlusskappe 40 erstreckt und einen Flansch 43b, der am Ende des Brennstoffrohrs 43a angeordnet ist. Die Brennstoffdüse 44, siehe , spritzt den Brennstoff im äußeren Umfangsströmungspfad P1 ein und wird auch als Top-Hat-Düse oder Zapfen bezeichnet. Aus dem Eckabschnitt der Innenfläche der Abschlusskappe 40 ragen eine Vielzahl von Brennstoffdüsen 44 gegenüber dem äußeren Umfangsströmungspfad P1 heraus und sind in vorgegebenen Abständen umlaufend angeordnet.
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Die Kavität 45 ist ein Verteiler zur Verteilung des Brennstoffs an die Brennstoffdüsen 44 und wird durch eine in der Außenfläche des Hauptabschnitts 41 der Abschlusskappe 40, einem Strukturmaterial des Brenners 23, gebildete Nut 46 und durch eine die Nut 46 verschließende Abdeckung 47 begrenzt. Die Nut 46 ist ringförmig so ausgebildet, dass sie den Umfang der zentralen Bohrung 41a im Hauptabschnitt 41 der Abschlusskappe 40 umschließt und mit einer Höhendifferenz 46a, siehe , an der Öffnung in der Stirnseite des Hauptabschnitts 41 der Abschlusskappe 40 versehen, die sich auf einer gegenüberliegenden Seite zu einer Seite befindet, auf der sich die Brennkammer 21a befindet. Wenngleich die Struktur der Abdeckung 47 später näher beschrieben wird, ist die Abdeckung 47 ringförmig so geformt, dass sie der Nut 46 entspricht und in die Höhendifferenz 46a an der Öffnung in der Nut 46 eingesetzt ist, um die Öffnung in der Nut 46 zu schließen. Die Nut 46, d.h. die Kavität 45, ist mit dem Brennstoffanschluss 43 und jeder Brennstoffdüse 44 verbunden, sodass der vom Brennstoffanschluss 43 in die Kavität 45 strömende Brennstoff auf alle Brennstoffdüsen 44 verteilt wird. Ein Brennstoffeinspeisungssystem umfasst keine Brennstoffheizanlage. Daher ist die Kavität 45 direkt an einer Brennstoffeinspeisequelle F angeschlossen, siehe , und nicht über eine Brennstoffheizanlage. Somit wird der Kavität 45 der Brennstoff mit einer Normaltemperatur von etwa zehn oder mehr Grad zugeführt.
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Wie bereits erwähnt, wird für die Schnittstelle zwischen der Abdeckung 47 und dem Hauptabschnitt 41 der Abdeckung 40 eine Einschubstruktur mit der Höhendifferenz 46a verwendet. Daher sind die Kontaktflächen oder die Stirnflächen von Gegenstücken zwischen der Abdeckung 47 und dem Hauptabschnitt 41 aus der Sicht eines orthogonalen Querschnitts zur Hauptkörpernut 46 oder eines Querschnitts, der entlang einer Ebene durch die Mittellinie C geschnitten ist, L-förmig, siehe , der Abschlusskappe 40, wie bereits erwähnt, siehe . Die Abdeckung 47 ist durch Verschweißen mit dem Hauptabschnitt 41 sicher befestigt. Das Schweißen erfolgt entlang der inneren und äußeren Umfangsflächen der ringförmigen Abdeckung 47. In stellen geschwärzte Abschnitte Tiefschweißzonen dar, während weiße gestrichelte Linien die Kontaktflächen, die sich zwischen der Abdeckung 47 und dem Hauptabschnitt 41 im ungeschweißten Zustand befinden, darstellen. Daher erstrecken sich die Tiefschweißzonen in axialer Richtung der Abschlusskappe 40 oder in Links-Rechts-Richtung in , entlang der inneren oder äußeren Umfangsfläche von Abdeckung 47. Weiterhin wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Elektronenstrahlschweißverfahren gewählt, um den Hauptabschnitt 41 mit der Abdeckung 47 zu verbinden. Beachten Sie, dass alternativ ein Laserschweißverfahren eingesetzt werden kann. Die Anwendung des Elektronenstrahlschweißverfahrens ermöglicht es, den Schweißprozess des Hauptabschnitts 41 an die Abdeckung 47 zu mechanisieren. Weiterhin ist bei der Anwendung des Elektronenstrahlschweißverfahrens oder des Laserschweißverfahrens zum Verbinden des Hauptabschnitts 41 mit der Abdeckung 47 die durch das Schweißen erzielte Eindringtiefe L größer als eine Schweißraupenbreite W. Ein Abschnitt X, in dem die Kontaktflächen nicht zusammengefügt sind, kann teilweise die L-förmigen Kontaktflächen zwischen dem Hauptabschnitt 41 und der Abdeckung 47 anheben, d.h. ein Abschnitt, der der Kavität 45 zugewandt ist und in einem Abschnitt enthalten ist, der sich in radialer Richtung der Abschlusskappe 40 zur Kavität 45 von den inneren und äußeren Umfangsflächen der Abdeckung 47 erstreckt. In der vorliegenden Ausführungsform wird dieser Abschnitt X wahrscheinlich angehoben, da die Schweißraupenbreite W klein ist.
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Eine Konfiguration von Abdeckung 47 wird nun ausführlich beschrieben. Abdeckung 47 wird durch einen Steg 47a und einen Flansch 47b so gebildet, dass sie einen L- oder U-förmigen Querschnitt orthogonal zur Nut 46 bildet, einen L-förmigen Querschnitt in der vorliegenden Ausführungsform. Der Steg 47a ist ein Abschnitt, der die Öffnung in der Nut 46 abdeckt und sich in einer Richtung orthogonal zur Mittellinie C der Abschlusskappe 40 erstreckt, sodass er der Unterseite der Nut 46 zugewandt ist, d.h. einer Fläche, die der Öffnung in der Nut 46 zugewandt ist und in und auf der rechten Seite angeordnet ist. Der Flansch 47b ist ein Einschubabschnitt, der in die Höhendifferenz 46a der Nut 46 eingepasst wird, sich in Tiefenrichtung der Nut 46 vom Rand der Stege 47a, im vorliegenden Beispiel von der inneren Umfangskante, erstreckt und wie bereits erwähnt durch Schweißen mit dem Hauptabschnitt 41 verbunden ist. In einem Querschnitt orthogonal zur Nut 46 betrachtet, ist eine abdeckungsseitige Innenfläche 47c, die die Innenfläche des Flansches 47b ist, der eine Seitenfläche der Kavität 45 bildet, oder eine Fläche, die im vorliegenden Beispiel in radialer Richtung der Abschlusskappe 40 nach außen gerichtet ist, bündig mit einer nutenseitigen Innenfläche 46b, die die Innenfläche der Nut 46 ist, die eine Seitenfläche der Kavität 45 bildet, weil der Flansch 47b in die Höhendifferenz 46a eingepasst ist. Daher wird die Grenzfläche 45a zwischen der abdeckungsseitigen Innenfläche 47c und der nutenseitigen Innenfläche 46b in Richtung der Mittellinie C von einer ersten Ecke 47e der Kavität 45 weg angeordnet oder verschoben, die zwischen der abdeckungsseitigen Innenfläche 47c und einer durch den Steg 47a gebildeten Deckenfläche 47d der Kavität 45 sandwichartig liegt. Die erste Ecke 47e ist kreisförmig geformt und dies gilt auch für eine später beschriebene zweite Ecke 47i und andere Eckabschnitte.
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Weiterhin weist die Deckenfläche 47d des Stegs 47a der Abdeckung 47 eine Auskehlung 47f auf. Durch die Schaffung der Auskehlung 47f zum Aushöhlen der Abdeckung 47 wird ein dünner Abschnitt 47g gebildet. Die Dicke t1 des dünnen Abschnitts 47g ist kleiner als die Dicke t2 eines benachbarten Abschnitts, der an den dünnen Abschnitt 47g des Stegs 47a angrenzt. Hier ist der „angrenzende Abschnitt“ an den dünnen Abschnitt 47g angrenzend, und eine Stirnfläche des „angrenzenden Abschnitts“, dessen Stirnfläche auf einer gegenüberliegenden Seite zu einer Seite, auf der sich die Brennkammer 21a befindet, angeordnet ist, ist bündig mit einer Stirnfläche des dünnen Abschnitts 47g, dessen Stirnfläche auf der gegenüberliegenden Seite zu der Seite, auf der sich die Brennkammer 21a befindet, ähnlich angeordnet ist. Die Auskehlung 47f ist nach außen in radialer Richtung der Abschlusskappe 40 innerhalb der Kavität 45 angeordnet und in die Höhendifferenz 46a eingepasst. Dementsprechend ist eine radial nach außen gerichtete Innenfläche 47h der Auskehlung 47f bündig mit einer radial nach außen gerichteten Innenfläche 46c der Nut 46. Die Grenze 45b zwischen der Innenfläche 46h der Auskehlung 47f und der Innenfläche 46c der Nut 46 ist in Richtung der Mittellinie C von der zweiten Ecke 47i der Kavität 45 weg angeordnet oder verschoben, die sandwichartig zwischen der von der Auskehlung 47f gebildeten Innenfläche 47h und der Deckenfläche 47d liegt.
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• Hauptbrenner
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ist eine Teilschnittsansicht des Hauptbrenners. ist eine vergrößerte Ansicht von Abschnitt VIII in , oder eine vergrößerte Ansicht der wesentlichen Teile. ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX in . Die Linie IX-IX stellt die äußere Umfangsfläche eines Zylinders dar, der um eine Brennkammer-Zentralachse zentriert ist und entspricht einer Zeichnung mit einem zweidimensional erweiterten zylindrischen Querschnitt. Außerdem stellt eine externe Sicht auf die Umgebung einer später beschriebenen Gleichrichterplatte 54 anstelle ihrer Querschnittsansicht dar. Der Hauptbrenner 50 umfasst einen Grundrahmen 51, eine Brennstoffdüse 52 und die Gleichrichterplatte 54.
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Der Grundrahmen 51 ist wie ein Zylinder mit einem Mittelloch 51a geformt. Der Grundrahmen 51 umfasst einen Flansch 51A, einen Düsenschaft 51B und eine Kavität 51D. Der Flansch 51A hat die Form einer Scheibe mit dem Mittelloch 51a. Der Düsenfuß 51B ist kleiner im Durchmesser als der Flansch 51A und hat die Form eines Zylinders, der ein Mittelloch 51a hat. Der Düsenfuß 51B ragt in Richtung der Brennkammer 21a aus einer Stirnseite des Flansches 51A heraus, dessen Stirnseite in Richtung der Brennkammer 21a oder der rechten Seite in angeordnet ist. Der Grundrahmen 51 ist so konfiguriert, dass der Flansch 51A an der Abschlusskappe 40 verschraubt oder anderweitig befestigt ist, während der Düsenfuß 51B von einer Seite gegenüber einer Seite, auf der sich die Brennkammer 21a befindet, in das Mittelloch 41a in der Abschlusskappe 40 eingesetzt wird. Weiterhin ist der Flansch 51A mit einem Brennstoffanschluss 51C verbunden, siehe . Der Brennstoffanschluss 51C umfasst ein Brennstoffrohr 51Ca, das sich von der äußeren Umfangsfläche des Flansches 51A erstreckt und einen Flansch 51Cb, der am Ende des Brennstoffrohres 51Ca angeordnet ist. Die Kavität 51D ist ein Verteiler zur Verteilung des Brennstoffes an eine Vielzahl von Brennstoffdüsen 52 und ist ringförmig im Flansch 51A, einem Strukturmaterial des Brenners 23, so ausgebildet, dass er das Mittelloch 51a umschließt. Die Kavität 51D ist mit dem Brennstoffanschluss 51C und jeder Brennstoffdüse 52 verbunden, sodass der vom Brennstoffanschluss 51C in die Kavität 51D strömende Brennstoff an alle Brennstoffdüsen 52 verteilt wird. Wie bereits erwähnt, umfasst das Brennstoffeinspeisungssystem keine Brennstoffheizanlage. Weiterhin wird die Kavität 51D direkt an die Brennstoffeinspeisungsquelle F angeschlossen, siehe , und nicht über eine Brennstoffheizanlage. Somit wird der Kavität 51D der Brennstoff mit einer Normaltemperatur von etwa zehn oder mehr Grad zugeführt. Obwohl nicht im Detail dargestellt, kann eine in einigen Fällen angewandte Konfiguration so sein, dass die Brennstoffdüsen 52 in eine Vielzahl von Gruppen unterteilt sind, dass Brennstoffeinspeisungspfade für die Gruppen separat bereitgestellt werden und dass Brennstoffeinspritzung und -abschaltung gruppenweise ventilgesteuert werden. In solchen Fällen können für die einzelnen Gruppen eine Vielzahl von ringförmigen Kavitäten gebildet werden oder eine ringförmige Kavität kann in eine Vielzahl von Kavitäten für die einzelnen Gruppen unterteilt werden.
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Aus Sicht der Brennkammer 21a werden auf dem Düsenfuß 51B des Grundrahmens 51 mehrere radial verlängerte Schlitze 51Ba ausgebildet. Die Schlitze 51Ba sind radial und in vorgegebenen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet. Wie in dargestellt, sind die Brennstoffdüsen 52 und die Schlitze 51Ba abwechselnd in der Umfangsrichtung so angeordnet, dass die Schlitze 51Ba jeweils die umlaufenden benachbarten Brennstoffdüsen 52 voneinander trennen. Weiterhin sind auf dem Düsenfuß 51B des Grundrahmens 51 in vorgegebenen Abständen eine Vielzahl von radial verlaufenden Durchbohrungen 51Bb in Umfangsrichtung angeordnet. Der Querschnitt der Durchbohrungen 51Bb ist wie ein Oval mit einer umlaufend verlängerten Längsachse geformt. Der Querschnitt der Durchbohrungen 51Bb kann jedoch beliebig geformt sein, sofern er glatt, ohne Winkel, kreisförmig oder oval mit einer umlaufend verlängerten Längsachse ist. Die Schlitze 51Ba erstrecken sich jeweils zum Flansch 51A von einer Stirnseite des Düsenfußes 51B, der sich zur Brennkammer 21a hin erstreckt und mit den Durchbohrungen 51Bb verbunden ist. Die Durchbohrungen 51Bb und die Schlitze 51Ba entsprechen einander eins zu eins. Wie vorstehend beschrieben, ist ein Abschnitt des Düsenfußes 51B, der sich nicht in die Durchbohrungen 51Bb, sondern in Richtung Flansch 51A erstreckt, integral ausgebildet, während ein Abschnitt des Düsenfußes 51B, der sich in Richtung Brennkammer 21a und nicht in Richtung der Durchbohrungen 51Bb erstreckt, durch die Schlitze 51Ba in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist.
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Weiterhin wird an der Außenumfangsfläche von Düsenfuß 51B ein umlaufend erweiterter Hohlraum 51Bc gebildet. Der Hohlraum 51Bc, der ringförmig ausgebildet ist, um das Mittelloch 51a im Grundrahmen 51 zu umgeben, verjüngt einen radial äußeren Abschnitt einer Brennstoffpassage 52a, wie später beschrieben, des Düsenfußes 51B und verkürzt den Abstand zwischen der Brennstoffpassage 52a und der äußeren Umfangsfläche des Düsenfußes 51B. Die Querschnittsform des Hohlraums 51Bc ist so gewählt, dass seine Wandfläche zur Brennkammer 21a hin radial nach außen zur Brennkammer 21a geneigt ist, während die gegenüberliegende Wandfläche entlang einer Ebene orthogonal zur Mittellinie C des Grundrahmens 51 angeordnet ist.
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Die Brennstoffdüsen 52 spritzen den Brennstoff in die Brennkammer 21a über die zugehörigen Brennerleitungen 55 ein, siehe . Die Brennstoffdüsen 52 werden auch als Hauptdüsen bezeichnet. Die Brennstoffdüsen 52 sind so konfiguriert, dass das Fußende in den Düsenfuß 51B eingesetzt wird, während das Spitzenende aus einer Stirnseite des Düsenfußes 51B, die der Brennkammer 21a zugewandt ist, in Richtung Brennkammer 21a ragt. Die Brennstoffdüsen 52 werden durch Schweißen an der Stirnseite des Düsenfußes 51B befestigt, die der Brennkammer 21a zugewandt ist. Weiterhin werden die mittleren Abschnitte der Brennstoffdüsen 52 durch die Gleichrichterplatte 54, die die Brennstoffdüsen 52 umgibt, miteinander gekoppelt. Die Gleichrichterplatte 54 wird ebenfalls durch Schweißen mit den Brennstoffdüsen 52 verbunden.
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Wie bereits erwähnt, sind die Brennstoffdüsen 52 so angeordnet, dass eine Brennstoffdüse 52 zwischen den umlaufenden benachbarten Schlitzen 51Ba angeordnet ist. Aus Sicht der Brennkammer 21a sind die Brennstoffdüsen 52 kreisförmig angeordnet. Die Brennstoffdüsen 52 umfassen im Inneren jeweils eine Brennstoffpassage 52a. Der Einlass der Brennstoffpassage 52a ist zur Kavität 51D hin offen und der Auslass ist zum Spitzenende der Brennstoffdüse 52 hin offen. In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Brennstoffdüsen 52 jeweils eine Doppelrohrstruktur für mindestens einen Abschnitt auf, der durch den Düsenfuß 51B verläuft und umfassen eine Außenleitung 52c, die außerhalb einer als Brennstoffpassage 52a dienenden Innenleitung 52b angeordnet ist. Die Außenleitung 52c bildet eine zylindrische Luftwärmedämmschicht zwischen der Innenleitung 52b und der Außenleitung 52c.
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• Pilotbrenner
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Der Pilotbrenner 60, siehe , umfasst einen Grundrahmen 61 und eine Brennstoffdüse 62. Der Grundrahmen 61 umfasst einen Flansch 63, einen Düsenfuß 64 und einen Brennstoffanschluss 65. Der Grundrahmen 61 ist so konfiguriert, dass der Flansch 63 am Grundrahmen 51 verschraubt oder anderweitig befestigt ist, während der Düsenfuß 64 von einer Seite gegenüber der Seite, auf der sich die Brennkammer 21a befindet, in das Mittelloch 51a im Grundrahmen 51 des Hauptbrenners 50 eingesetzt wird. Die auch als Pilotdüse bezeichnete Brennstoffdüse 62 ragt aus dem Düsenschaft 64 in Richtung der Brennkammer 21a heraus und befindet sich in der Mitte des Hauptbrenners 50 mit ringförmig angeordneten Brennstoffdüsen 62. Der Brennstoffanschluss 65 erstreckt sich vom Flansch 63 und ist mit der Brennstoffdüse 62 verbunden. Der aus dem Brennstoffanschluss 65 zugeführte Brennstoff wird aus der Brennstoffdüse 62 über einen Pilotkegel 66 in die Brennkammer 21a eingespritzt. Wie bereits erwähnt, umfasst das Brennstoffeinspeisungssystem keine Brennstoffheizanlage, sodass der Brennstoff mit einer Normaltemperatur von ca. zehn oder mehr Grad an die Brennstoffdüse 62 geliefert wird.
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- Betrieb -
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Während des Betriebs der Gasturbine wird Luft in den Kompressor 10 geleitet und komprimiert. Die entstehende Hochdruck-Druckluft wird dann aus dem Kompressor 10 abgeführt. Die aus dem Kompressor 10 abgeführte Druckluft wird der Brennkammer 20 zugeführt und der aus dem Brennstoffsystem zugeführte und mit der Druckluft vermischte Brennstoff wird verbrannt, siehe . Das daraus resultierende Hochtemperatur-Brenngas treibt die Turbine 30 an. Die Rotationsausgangsleistung der Turbine 30 treibt dann den Verbraucher an.
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- Vorteile -
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- (1) Die in der vorliegenden Ausführungsform übernommene Struktur ist so beschaffen, dass die Abdeckung 47 der Kavität 45 durch den Steg 47a und den Flansch 47b mit einem L-förmigen Querschnitt gebildet wird, während die Grenze 45a zwischen der abdeckungsseitigen Innenfläche 47c und der nutenseitigen Innenfläche 46b der Kavität 45 aus der ersten Ecke 47e der Kavität 45 verschoben wird. Die Grenze 45a könnte von einer Tiefschweißzone entfernt sein und sich als gerissener ungeschweißter Abschnitt X erweisen. Die auf die Schweißzone durch den Abschnitt X ausgeübte Spannung kann jedoch reduziert werden, indem der Abschnitt X aus einer Ecke oder der ersten Ecke 47e der Wandoberfläche der Kavität 45 verschoben wird, wo sich die thermische Beanspruchung besonders konzentriert. Wie vorstehend beschrieben, kann die thermische Beanspruchung der Schweißzone der Kavität 45 des Brenner 23 reduziert werden, um die Zuverlässigkeit des Brenner 23 zu verbessern.
- (2) Der Steg 47a der Abdeckung 47 umfasst den dünnen Abschnitt 47g. Wenn also Spannung in der Nähe der Kavität 45 auftritt, verformt sich der dünne Abschnitt 47g vor der Verformung der anderen Abschnitte, um die Spannung am ungeschweißten Abschnitt X zu reduzieren. Dies trägt auch dazu bei, die Zuverlässigkeit von Brenner 23 zu verbessern. Weiterhin ist die Auskehlung 47f, die den dünnen Abschnitt 47g bildet, in Richtung der Kavität 45 des Stegs 47a angeordnet, d.h. auf einer Seite, die sich in der Nähe des Strömungspfades der Druckluft befindet und einer erheblichen Verformung ausgesetzt ist. Dadurch kann ein höherer Spannungsabsorptionseffekt erreicht werden als bei einer Anordnung der Auskehlung 47f auf einer gegenüberliegenden Seite zu einer Seite, auf der sich die Kavität 45 befindet. Sofern jedoch der oben beschriebene grundlegende Vorteil (1) erzielt wird, ist der dünne Abschnitt 47g nicht immer erforderlich. Es ist möglich, eine Konfiguration zu übernehmen, bei der z.B. die Dicke des Steges 47a konstant ist.
- (3) Obwohl der Steg 47a in der vorliegenden Ausführungsform L-förmig ist, ist die Auskehlung 47f, die den dünnen Abschnitt 47g bildet, in der Kavität 45 so nahe an einer Ecke positioniert, dass die Innenfläche 47h der Auskehlung 47f bündig mit der Innenfläche 46c der Nut 46 ist. Wenn, wie vorstehend beschrieben, die Grenze 45b zwischen den Innenflächen 47h und 46c weg von der zweiten Ecke 47i der durch die Auskehlung 47f gebildeten Kavität 45 angeordnet ist, ist es möglich, die auf die Schweißzone der Kavität 45 des Brenners 23 angewandte thermische Beanspruchung zu reduzieren, wie es im obigen Vorteil (1) der Fall ist.
- (4) In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Brennstoffsystem keine Brennstoffheizanlage und der Brennstoff wird der Kavität 45 mit einer normalen Temperatur zugeführt. Derweil hat die vom Kompressor 10 zugeführte Druckluft eine Temperatur von mehr als 400 °C. Somit neigt die am Umfang der Kavität 45 angewandte thermische Beanspruchung aufgrund einer deutlichen Temperaturdifferenz zwischen Brennstoff und Druckluft zu einer Steigerung. Daher ist es besonders sinnvoll, eine thermische Beanspruchungsreduktionsstruktur einzusetzen, die in Verbindung mit dem oben genannten Vorteil (1) beschrieben ist.
- (5) In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schweißraupenbreite W klein, da die Abdeckung 47 im Elektronenstrahl- oder Laserschweißverfahren verschweißt wird. Daher ist es wahrscheinlich, dass sich der ungeschweißte Abschnitt X an L-förmigen gegenüberliegenden Abschnitten zwischen der Abdeckung 47 und dem Hauptabschnitt 41 der Abschlusskappe 40 anhebt. Auch hier ist es besonders sinnvoll, die beschriebene thermische Beanspruchungsreduktionsstruktur in Verbindung mit dem oben genannten Vorteil (1) zu übernehmen. Weiterhin ist die Schweißraupenbreite W klein, wenn der dünne Abschnitt 47g auf der Abdeckung 47 gebildet wird. Dadurch ist es möglich, die Schweißwärmezufuhr auf den dünnen Abschnitt 47g zu reduzieren. Das heißt, der Freiheitsgrad bei der Gestaltung der Abdeckung 47 kann erhöht werden. Somit kann der dünne Abschnitt 47g auf der Abdeckung 47 sinnvoll gebildet werden.
- (6) Darüber hinaus werden in der vorliegenden Ausführungsform im Düsenfuß 51B des Hauptbrenners 50 eine Vielzahl von Schlitzen 51Ba gebildet, sodass jeweils die in Umfangsrichtung benachbarten Brennstoffdüsen 52 voneinander getrennt sind. In einigen Fällen kann die thermischen Beanspruchung unausgewogen sein, wenn der Brennstoff ungleichmäßig auf bestimmte Brennstoffdüsen 52 verteilt wird, z.B. während eines Teillastbetriebs. Auch in solchen Fällen, wenn der Düsenfuß 51B am Fuß der Brennstoffdüsen 52 teilweise geteilt ist, verformen und neigen sich die geteilten Abschnitte des Düsenfußes 51B in Umfangsrichtung, wodurch ein Teil der Neigungskraft der Brennstoffdüsen 52 gegenüber dem Düsenfuß 51B absorbiert wird. Zusätzlich kann die Übertragung der Verformung zwischen den benachbarten Brennstoffdüsen 52 durch die Schlitze 51Ba unterbrochen werden. Somit kann die auf den Düsenfuß 51B und die Schweißzone zum Verschweißen der Gleichrichterplatte 54 mit den Brennstoffdüsen 52 ausgeübte Spannung verteilt werden, um die Konzentration der thermischen Beanspruchung am Brenner 23 zu reduzieren. Die Schlitze 51Ba im Düsenfuß 51B sind jedoch nicht immer erforderlich, sofern der obige Vorteil (1) erreicht wird.
- (7) Die Enden der Schlitze 51Ba, deren Enden auf einer gegenüberliegenden Seite zu einer Seite, auf der sich die Brennkammer 21a befindet, angeordnet sind, sind mit den Durchbohrungen 51Bb verbunden. Daher sind die Enden der Schlitze 51Ba kreisförmig durch die inneren Umfangsflächen der Durchbohrungen 51Bb geformt. Bei thermischer Verformung konzentriert sich die Spannung auf die Enden der Schlitze 51Ba. Die kreisförmig geformten Enden der Schlitze 51Ba reduzieren daher die Spannungskonzentration effektiver. Insbesondere, wenn die Durchbohrungen 51Bb wie ein umlaufend langes Oval geformt sind, wie in dargestellt, wird ein hoher Spannungsverteilungseffekt erreicht. Die Durchbohrungen 51Bb im Düsenfuß 51B sind jedoch nicht immer erforderlich, sofern der obige Vorteil (1) erreicht wird.
- (8) Der Hohlraum 51Bc wird an der Außenumfangsfläche des Düsenfußes 51B gebildet. Dabei wird ein Abschnitt zwischen einem bestehenden Druckluftbereich des Düsenfußes 51B und der Brennstoffpassage 52a oder ein äußerer Umfangsabschnitt in Bezug auf die Brennstoffpassage 52a verjüngt. Dadurch kann die thermische Kapazität des Profils reduziert werden. Dadurch ist es möglich, den Temperaturunterschied im Strukturmaterial des Düsenfußes 51B in der Nähe der Brennstoffpassage 52a zu reduzieren. Dadurch kann die Spannungskonzentration effektiver reduziert werden. Der Hohlraum 51Bc im Düsenfuß 51B ist jedoch nicht immer erforderlich, sofern der obige Vorteil (1) erreicht wird.
- (9) Die zylindrische Luftwärmedämmschicht ist für die Brennstoffdüsen 52 vorgesehen. Dies reduziert den Wärmeaustausch zwischen dem über die Brennstoffdüsen 52 verteilten Brennstoff und dem Material des Düsenfußes 51B. Dies ermöglicht es, die thermische Beanspruchung des Düsenfußes 51B durch den Temperaturunterschied zwischen Druckluft und Brennstoff zu reduzieren. Dieser Vorteil trägt auch dazu bei, die Spannungskonzentration zu reduzieren. Die Luftwärmedämmschicht der Brennstoffdüsen 52 ist jedoch nicht immer erforderlich, sofern der obige Vorteil (1) erreicht wird.
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- Exemplarische Modifikationen -
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Die oben beschriebenen Beispiele gehen davon aus, dass der Flansch 47b oder der dünne Abschnitt 47g für die Abdeckung 47 der Kavität 45 in der Abschlusskappe 40 vorgesehen ist. Eine solche Struktur ist aber auch auf eine Kavität anwendbar, die in anderen Strukturmaterialien des Brenners 23 gebildet wurde, z.B. die Kavität 51D im Hauptbrenner 50. Ein Fall, in dem die Abdeckung 47 im Querschnitt gesehen L-förmig ist, wurde exemplarisch dargestellt. Die Abdeckung 47 kann jedoch alternativ auch U-förmig im Querschnitt betrachtet werden und so konfiguriert sein, dass der Flansch 47b am Innen- und Außenumfang befestigt ist, die durch den Steg 47a verbunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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