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QUERVERWEIS AUF DIE VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht nach der Pariser Verbandsübereinkunft Priorität bezüglich der
Japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-175092 , eingereicht am 26. September 2019, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Verweis als Teil dieser Anmeldung einbezogen ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(Gebiet der Erfindung)
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenflügel für eine Turbine einer Gasturbine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Struktur zum Kühlen eines Turbinenflügels.
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(Beschreibung des Stands der Technik)
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Eine Turbine, die eine Gasturbine bildet, ist einem Verbrenner nachgeschaltet und wird mit einem Hochtemperatur-Verbrennungsgas aus dem Verbrenner versorgt, so dass die Turbine bei Betrieb der Gasturbine einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Es ist daher notwendig, Turbinenflügel zu kühlen, d.h. Statorflügel und Rotorblätter. Bei einer bekannten Kühlstruktur zum Kühlen eines Turbinenflügels wird ein Teil von Druckluft aus einem Kompressor in einen Kühldurchgang, der in dem Flügel definiert ist, eingeleitet und wird die Druckluft als Kühlmittel zum Kühlen des Turbinenflügels verwendet (siehe zum Beispiel Patentschrift 1).
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Das Verwenden eines Teils der Druckluft zum Kühlen des Turbinenflügels ist dahingehend vorteilhaft, dass die Kühlstruktur vereinfacht werden kann, da es nicht nötig ist, ein Kühlmittel von außen einzuleiten. Andererseits kann dann, wenn eine große Menge an Druckluft aus dem Kompressor zum Kühlen verwendet wird, dies zu einer verringerten Effizienz der Brennkraftmaschine führen. Daher sollte die Kühlung auf effiziente Weise mit einer kleinsten Menge an Luft durchgeführt werden. Als Struktur zum hocheffizienten Kühlen eines Turbinenflügels ist eine sogenannte Gitterstruktur vorgeschlagen worden, die eine Vielzahl von in einem Gittermuster gestapelten Rippensätzen aufweist, wobei jeder Rippensatz sich parallel zueinander erstreckende Rippen aufweist (siehe zum Beispiel Patentschrift 2).
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Generell weist die Gitterstruktur gegenüberliegende Seitenrandabschnitte auf, die von Seitenwandflächen verschlossen sind. Ein in einem Strömungsdurchgang der Gitterstruktur strömendes Kühlmittel kollidiert mit einer Seitenwandfläche und wird umgekehrt, um in den anderen Strömungsdurchgang zu strömen. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kollidiert das in dem anderen Strömungsdurchgang der Gitterstruktur strömende Kühlmittel mit der anderen Seitenwandfläche und wird umgekehrt, um in den einen Strömungsdurchgang zu strömen. Auf diese Weise kollidiert das Kühlmittel mehrmals mit den Seitenwänden an den gegenüberliegenden Seitenrändern und wird umgekehrt, um ein Kühlen in der Gitterstruktur zu vereinfachen. Des Weiteren gerät dann, wenn sich das Kühlmittel über Kreuzungen der in der Gitterstruktur angeordneten Rippen bewegt, das Kühlmittel in Verwirbelung, so dass das Kühlen weiter vereinfacht wird.
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[Verwandtes Dokument]
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[Patenschrift]
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- [Patentschrift 1] US-Patentveröffentlichung Nr. 5603606
- [Patentschrift 2] JP-Patentveröffentlichung Nr. 4957131
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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In einem Fall, in dem das in der Gitterstruktur strömende Kühlmittel mit den die Seitenrandabschnitte verschließenden Seitenwandflächen kollidiert und von diesen umgekehrt wird, erhöht sich der Fluidwiderstand nahe den Seitenrandabschnitten beträchtlich. Da die Gitterstruktur Kreuzungen der Strömungsdurchgänge aufweist, an denen die Strömungsdurchgänge zusätzlich mit den Seitenrandabschnitten kommunizieren, tritt dann, wenn sich der Fluidwiderstand nahe den Seitenrandabschnitten erhöht, eine Abkürzungsströmung auf, die sich durch diese kommunizierenden Bereiche bewegt, um in den anderen Strömungsdurchgang zu gelangen, ohne die Seitenwandabschnitte zu erreichen. Wenn eine solche Abkürzungsströmung auftritt, wird das Kühlmittel nicht in ausreichendem Maß zu sämtlichen Kühldurchgängen geliefert, was zu einer verringerten Kühleffizienz führt. Ferner beeinträchtigt dies auch die Verwirbelungen, die erzeugt werden sollen, wenn sich die Strömung über die Kreuzungen bewegt, so dass auch aus diesem Grund keine ausreichenden Kühleffekte erzielt werden können.
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Zur Lösung des vorgenannten Problems liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Kühlen eines Turbinenflügels, der eine Gitterstruktur in dem Turbinenflügel aufweist, zu ermöglichen, während eine Erhöhung eines Fluidwiderstands an Seitenrandabschnitten der Gitterstruktur unterbunden wird.
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Zum Lösen der vorgenannten Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung einen Turbinenflügel einer Turbine bereit, die von Hochtemperaturgas angetrieben wird, wobei der Turbinenflügel aufweist:
- einen Kühldurchgang, der zwischen einer ersten Innenwandfläche und einer zweiten Innenwandfläche des Turbinenflügels definiert ist, wobei die erste Innenwandfläche und die zweite Innenwandfläche einander zugewandt sind, der Kühldurchgang ermöglicht, dass sich ein Kühlmittel in einer Höhenrichtung der Turbine von einer Basisteilseite zu einer Vorderendteilseite bewegt;
- eine Gitterstruktur, die einen ersten Rippensatz und einen zweiten Rippensatz aufweist, die gestapelt und zu einem Gittermuster kombiniert sind, wobei der erste Rippensatz eine Vielzahl von Rippen aufweist, die auf der ersten Innenwandfläche des Kühldurchgangs angeordnet sind, um sich in einer Richtung zu erstrecken, die relativ zu der Höhenrichtung geneigt ist, der zweite Rippensatz eine Vielzahl von Rippen aufweist, die auf der zweiten Innenwandfläche angeordnet sind, um sich in einer Richtung zu erstrecken, die entgegengesetzt zu dem ersten Rippensatz relativ zu der Höhenrichtung geneigt ist;
- Umkehrabschnitte an gegenüberliegenden Seitenrandabschnitten der Gitterstruktur, wobei jeder der Umkehrabschnitte an einem Seitenrandabschnitt offen ist und ermöglicht, dass das Kühlmittel aus einem Gitterströmungsdurchgang, der zwischen Rippen eines des ersten Rippensatzes und des zweiten Rippensatzes definiert ist, zu einem Gitterströmungsdurchgang umgekehrt wird, der zwischen Rippen des anderen des ersten Rippensatzes und des zweiten Rippensatzes definiert ist; und
- einen ersten Kommunikationsströmungsdurchgang, der zwischen einem ersten Seitenrandabschnitt, der ein Seitenrandabschnitt der gegenüberliegenden Seitenrandabschnitte der Gitterstruktur ist, und einer ersten Seitenwandfläche des Kühldurchgangs, die dem ersten Seitenrandabschnitt zugewandt ist, definiert ist, wobei sich der erste Kommunikationsströmungsdurchgang in der Höhenrichtung erstreckt, um mit einer Vielzahl von Gitterströmungsdurchgängen an dem ersten Seitenrandabschnitt zu kommunizieren.
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Der Turbinenflügel kann ferner einen zweiten Kommunikationsströmungsdurchgang, der zwischen einem zweiten Seitenrandabschnitt, der ein anderer Seitenrandabschnitt der gegenüberliegenden Seitenrandabschnitte der Gitterstruktur ist, und einer zweiten Seitenwandfläche des Kühldurchgangs, die dem zweiten Seitenrandabschnitt zugewandt ist, definiert ist, wobei sich der zweite Kommunikationsströmungsdurchgang in der Höhenrichtung erstreckt, um mit einer Vielzahl von Gitterströmungsdurchgängen an dem zweiten Seitenrandabschnitt zu kommunizieren.
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Bei dieser Ausgestaltung wird das in der Gitterstruktur strömende Kühlmittel an den Umkehrabschnitten umgekehrt, die sich an den Seitenrandabschnitten der Gitterstruktur befinden und die Gitterströmungsdurchgänge nicht verschließen, und die Umkehrabschnitte kommunizieren mit dem (den) Kommunikationsströmungsdurchgang (-durchgängen), der/die außerhalb der Gitterstruktur definiert ist/sind. Somit wird eine Erhöhung des Fluidwiderstands an den Seitenrandabschnitten der Gitterstruktur unterbunden. Entsprechend wird eine Abkürzungsströmung des Kühlmittels in der Gitterstruktur unterbunden, um das Liefern des Kühlmittels durch die Gitterströmungsdurchgänge zu vereinfachen. Auf diese Weise kann der Turbinenflügel auf effektive Weise gekühlt werden. Ferner wird die Strömung des Kühlmittels von der Basisteilseite des Turbinenflügels, d.h. einem Bereich, in dem der Turbinenflügel verbunden ist und in dem der Einleitungsport zum Einleiten des Kühlmittels in den Turbinenflügel leicht angeordnet werden kann, wie z.B. einem Rotor (im Fall eines Rotorblatts) und einem Turbinengehäuse (im Fall eines Statorflügels) der Turbine, in Richtung der Vorderendteilseite geleitet, so dass die Struktur in dem Kühldurchgang vereinfacht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung umfasst jedwede Kombination aus mindestens zwei in den Ansprüchen und/oder der Beschreibung und/oder den Zeichnungen offenbarten Merkmalen. Insbesondere muss jede Kombination aus zwei oder mehr der beigefügten Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugen Ausführungsformen derselben in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Die Ausführungsformen und die Zeichnungen dienen jedoch nur zum Zweck der Veranschaulichung und Erläuterung und dürfen nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend verstanden werden, wobei der Umfang von den beiliegenden Ansprüchen festgelegt ist. In den beigefügten Zeichnungen werden durchgängig in sämtlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher oder entsprechender Teile verwendet. In den Figuren zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Beispiels eines Turbinenflügels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Längsschnittansicht zur schematischen Darstellung eines Kühldurchgangs des Turbinenflügels von 1;
- 3 eine Querschnittansicht des Turbinenflügels von 1;
- 4 eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung einer in dem Turbinenflügel von 1 verwendeten Gitterstruktur;
- 5 eine Längsschnittansicht zur vergrößerten Darstellung eines Teils von 2;
- 6 eine Längsschnittansicht zur Darstellung von Verbindungsteilen von 5; und
- 7 eine Längsschnittansicht zur Darstellung einer Variante der Verbindungsteile von 6.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt ein Rotorblatt einer Turbine, das ein Turbinenflügel einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Bei der vorliegenden Beschreibung umfasst der Ausdruck „Turbinenflügel“ ein Rotorblatt und einen Statorflügel einer Turbine (nachstehend einfach als „Rotorblatt“ beziehungsweise „Statorflügel“ bezeichnet). Die folgende Beschreibung erfolgt hauptsächlich mit Bezug auf ein Rotorblatt als Beispiel für den Turbinenflügel, während die vorliegende Erfindung auch auf einen Statorflügel anwendbar ist, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist. Das Rotorblatt 1 ist Teil einer Turbine, die von Hochtemperaturgas G angetrieben wird, das aus einem nicht dargestellten Verbrenner zugeführt wird und in einer von dem Pfeil angegebenen Richtung strömt. Das Turbinenrotorblatt 1 umfasst eine erste Flügelwand 3, die relativ zu einem Strömungsdurchgang GP des Hochtemperaturgases G konkav gekrümmt ist, und eine zweite Flügelwand 5, die relativ zu dem Strömungsdurchgang GP des Hochtemperaturgases konvex gekrümmt ist.
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Bei der vorliegenden Beschreibung wird zu Erläuterungszwecken eine Flügelwand, die die relativ zu einem Strömungsdurchgang GP des Hochtemperaturgases konkav gekrümmt ist, als „erste Flügelwand 3“ bezeichnet und wird eine Flügelwand, die die relativ zu einem Strömungsdurchgang GP des Hochtemperaturgases konvex gekrümmt ist, als „zweite Flügelwand 5“ bezeichnet, wie oben beschrieben. Sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist, sind die Konfiguration der ersten Flügelwand 3 und die Konfiguration der zweiten Flügelwand 5 jedoch austauschbar. Des Weiteren bedeutet in der vorliegenden Beschreibung eine „Vorder” seite eine stromaufwärtige Seite (d.h. die linke Seite in 1) und bedeutet eine „Rück” seite eine stromabwärtige Seite (d.h. die rechte Seite in 1) relativ zu einer Strömungsrichtung des Hochtemperaturgases G.
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Wie in 2 gezeigt, weist das Rotorblatt 1 eine Plattform 7 auf, die mit einem Außenumfangsteil einer Turbinenscheibe 9, die Teil des Turbinenrotors ist, verbunden ist, so dass das Rotorblatt 1 in den Turbinenrotor eingebettet ist. Viele Rotorblätter 1 sind in einer Umfangsrichtung des Turbinenrotors eingebettet, um die Turbine zu bilden. In dem Rotorblatt 1 (in einem Raum zwischen der ersten Flügelwand 3 und der zweiten Flügelwand 5 in 1) gibt es einen Kühldurchgang 11, der das Rotorblatt 1 von innen kühlt.
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Bei der folgenden Beschreibung bedeutet eine „Flügelhöhenrichtung H“ eine Höhenrichtung des Turbinenflügels (d.h. des Rotorblatts 1 bei diesem Beispiel) oder eine radiale Richtung der Turbine; bedeutet eine „Flügelbreitenrichtung W“ eine Richtung rechtwinklig zu der Flügelhöhenrichtung H und im Wesentlichen parallel zu der Sehnenlinie; und bedeutet eine „Flügeldickenrichtung D“ eine Richtung, in der die erste Flügelwand 3 und die zweite Flügelwand 5 einander zugewandt sind (d.h. eine Richtung rechtwinklig zu einer Ebene in 2).
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Wie in 2 gezeigt, durchläuft ein Kühlmittel CL, das Teil von Druckluft aus einem Kompressor ist, den Kühlmitteleinleitungsdurchgang 13, der in der Turbinenscheibe 9 an einer radial inneren Position definiert ist, und strömt radial nach außen, um durch den Kühlmitteleinleitungsport 15, der an einer Endfläche auf der Seite eines Basisteils 1a (einem mit der Turbinenscheibe 9 verbundenen Abschnitt) des Rotorblatts 1 definiert ist, in den Kühldurchgang 11 einzutreten. Bei der vorliegenden Ausführungsform strömt das Kühlmittel CL als Ganzes in einer Richtung von der Seite des Basisteils 1a in Richtung der Seite eines Vorderendteils 1b in der Flügelhöhenrichtung H in dem Kühldurchgang 11. Das dem Kühldurchgang 11 zugeführte Kühlmittel CL wird durch ein in dem Vorderendteil 1b des Rotorblatts 1 definiertes Kühlmittelabführloch 17 nach außen (zu dem Strömungsdurchgang GP des Hochtemperaturgases G) abgeführt. Bei dem dargestellten Beispiel gibt es ein einziges Kühlmittelabführloch 17. Alternativ kann es eine Vielzahl von Kühlmittelabführlöchern 17 geben.
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Somit wird das Kühlmittel CL derart geleitet, dass es von der Seite des Basisteils 1a des Turbinenflügels, d.h. einem Bereich, in dem der Turbinenflügel verbunden ist und in dem der Einleitungsport (d.h. der Kühlmitteleinleitungsport 15 bei dem Beispiel von 2) zum Einleiten des Kühlmittels CL in den Turbinenflügel leicht angeordnet werden kann, wie z.B. einem Rotor (im Fall des Rotorblatts 1) und einem Gehäuse (im Fall eines Statorflügels) der Turbine, in Richtung der Seite des Vorderendteils 1c strömt, so dass die Struktur in dem Kühldurchgang 11 vereinfacht werden kann.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich der Kühldurchgang 11 in der Flügelbreitenrichtung W über das gesamte Rotorblatt 1. Der Kühldurchgang kann sich jedoch in der Flügelbreitenrichtung W auch nur über einen Teil des Rotorblatts 1, wie z.B. einen hinteren halben Bereich des Rotorblatts, erstrecken.
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In dem Kühldurchgang 11 gibt es eine Gitterstruktur 21 als Kühlstruktur zum Kühlen des Rotorblatts 1. Wie in 3 gezeigt, weist die Gitterstruktur 21 eine Vielzahl von Rippen auf, die aufrecht auf einer Wandfläche der ersten Flügelwand 3 und einer Wandfläche der zweiten Flügelwand 5 stehen, wobei die Wandflächen dem Kühldurchgang 11 zugewandt sind. Bei der folgenden Beschreibung wird die Wandfläche der ersten Flügelwand 3, die dem Kühldurchgang 11 zugewandt ist, als „erste Innenwandfläche 3a“ bezeichnet und wird die Wandfläche der zweiten Flügelwand 5, die dem Kühldurchgang 11 zugewandt ist, als „zweite Innenwandfläche 5a“ bezeichnet.
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Wie in 2 gezeigt, ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Gitterstruktur 21 nur in einem Teil des Kühldurchgangs 11 auf der Seite des Basisteils 1a in der Flügelhöhenrichtung H angeordnet. Der Kühldurchgang 11 weist in einem verbleibenden Teil auf der Seite des Vorderendteils 1b in der Flügelhöhenrichtung H (das heißt, in einem stromabwärtigen Teil in dem Kühldurchgang 11) einen Kühlmittelführungsteil 23 auf, der das aus der Gitterstruktur 21 abgeführte Kühlmittel CL zu dem Kühlmittelabführloch 17 führt. Der Kühlmittelführungsteil 23 befindet sich in einem Bereich von einem Auslass der Gitterstruktur 21 zu dem Kühlmittelabführloch 17 in dem Kühldurchgang 11. Die erste Innenwandfläche 3a und die zweite Innenwandfläche 5a (3) in dem Kühlmittelführungsteil 23 sind ebene Flächen mit Ausnahme von Bereichen, in denen sich Verbindungsstützsäulen 25 befinden, wie später beschrieben wird. Das heißt, dass diese Wandflächen keine anderweitigen Vorsprünge und Ausnehmungen aufweisen.
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Wie in 4 gezeigt, weist die Gitterstruktur 21 eine Vielzahl von Rippensätzen 33 auf, die auf beiden Wandflächen 3a, 5a, die dem Kühldurchgang 11 zugewandt sind, gestapelt und zu einem Gittermuster kombiniert sind, wobei jeder der Rippensätze eine Vielzahl von Rippen 31 aufweist, die in gleichmäßigen Abständen parallel zueinander angeordnet sind. Insbesondere umfasst bei der vorliegenden Ausführungsform die Gitterstruktur 21 einen ersten Rippensatz 33A (einen unteren Rippensatz in 4), der eine Vielzahl von Rippen 31 aufweist, die derart auf der ersten Innenwandfläche 3a angeordnet sind, dass sie sich in einer Richtung erstrecken, die relativ zu einer Flügelhöhenrichtung H geneigt ist, und einen zweiten Rippensatz 33B (einen oberen Rippensatz in 4), der eine Vielzahl von Rippen 31 aufweist, die derart auf der zweiten Innenwandfläche 5a angeordnet sind, dass sie sich in einer Richtung erstrecken, die entgegengesetzt zu dem ersten Rippensatz 33 relativ zu einer Flügelhöhenrichtung H geneigt ist, wobei der erste Rippensatz und der zweite Rippensatz in der Flügeldickenrichtung D in einem Gittermuster gestapelt und kombiniert sind.
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Bei der Gitterstruktur 21 dienen Spalte zwischen den aneinandergrenzenden Rippen 31, 31 der jeweiligen Rippensätze 33 als Strömungsdurchgänge (Gitterströmungsdurchgänge) 35 für das Kühlmittel CL. Jeder Gitterströmungsdurchgang 35 erstreckt sich relativ zu der Flügelhöhenrichtung H geneigt zwischen zwei Seitenrandabschnitten 21a, 21a der Gitterstruktur 21, die sich in der Flügelhöhenrichtung H erstreckt. Bei der vorliegenden Beschreibung bezeichnet ein „Seitenrandabschnitt 21a“ der Gitterstruktur 21 einen Randteil der Gitterstruktur 21 in der Flügeldickenrichtung W.
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Wie in 5 gezeigt, ist bei der vorliegenden Ausführungsform der erste Rippensatz 33A relativ zu der Höhenrichtung H in einem Neigungswinkel θ1 von 45° geneigt. Der zweite Rippensatz 33B ist entgegengesetzt zu dem ersten Rippensatz 33A relativ zu der Höhenrichtung H in einem Neigungswinkel θ2 von 45° geneigt. Somit bilden die Erstreckungsrichtung des ersten Rippensatzes 33A und die Erstreckungsrichtung des zweiten Rippensatzes 33B einen Winkel von ungefähr 90°. Die Neigungswinkel θ1, θ2 sind nicht auf 45° begrenzt.
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Wie in 4 gezeigt, weist die Gitterstruktur 21 Umkehrabschnitte 37 an den beiden Seitenrandabschnitten 21a, 21a auf, wobei jeder der Umkehrabschnitte an einem jeweiligen Seitenrandabschnitt 21a offen ist und ermöglicht, dass das Kühlmittel CL von einem in einem der Rippensätze 33 definierten Gitterströmungsdurchgang 35 in einen in dem anderen der Rippensätze 33 definierten Gitterströmungsdurchgang 35 umgekehrt wird.
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Wie in 6 gezeigt, umfasst insbesondere jeder Umkehrabschnitt 37 der Gitterstruktur 21 an dem Seitenrandabschnitt 21a einen Umlenkabschnitt mindestens einer Rippe 31 auf der stromabwärtigen Seite (oder auf der Seite des Vorderendteils 1b in der Flügelhöhenrichtung H; auf der oberen Seite in 6) zwischen zwei Rippen 31, 31, die einen entsprechenden Gitterströmungsdurchgang 35 definieren, wobei der Umlenkabschnitt in Richtung einer Innenseite dieses Gitterströmungsdurchgangs 35 relativ zu der Neigungsrichtung dieser Rippe 31 umgelenkt ist. Bei dem dargestellten Beispiel weist jeder Umkehrabschnitt 37 an einem Seitenrandabschnitt 21 der Gitterstruktur einen Umlenkabschnitt einer Rippe 31 auf der stromabwärtigen Seite relativ zu einem entsprechenden Gitterströmungsdurchgang 35 auf, wobei der Umlenkabschnitt an einem Biegeteil 37a gebogen ist, um sich in der Flügelbreitenrichtung W zu erstrecken. Bei dem dargestellten Beispiel wird zwecks einfacher Ausbildung der Umkehrabschnitte 37 jede Rippe 31, die sich auf der stromaufwärtigen Seite relativ zu einem entsprechenden Gitterströmungsdurchgang 35 befindet, ebenfalls an einem Seitenrandabschnitt 21a umgelenkt, um sich in der Flügeldickenrichtung W zu erstrecken.
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Die Form jedes Umkehrabschnitts 37 der Gitterstruktur 21 ist nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt, solange jede Rippe 31, die sich auf der stromabwärtigen Seite relativ zu einem entsprechenden Gitterströmungsdurchgang 35 befindet, an dem Seitenrandabschnitt 21 in Richtung der Innenseite dieses Gitterströmungsdurchgangs 35 relativ zu der Neigungsrichtung dieser Rippe 31 umgelenkt ist. Wie in 7 gezeigt, kann zum Beispiel jede Rippe 31, die sich auf der stromabwärtigen Seite relativ zu einem Gitterströmungsdurchgang 35 befindet, an dem Seitenrandabschnitt 21 in Richtung der Innenseite dieses Gitterströmungsdurchgangs 35 relativ zu der Neigungsrichtung dieser Rippe 31 gekrümmt sein. Es muss nicht unbedingt jede Rippe 31, die sich auf der stromaufwärtigen Seite relativ zu einem entsprechenden Gitterströmungsdurchgang 35 befindet, umgelenkt werden, wie in 7 gezeigt.
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Wie in 5 gezeigt, weist bei der vorliegenden Ausführungsform der Turbinenflügel ferner Kommunikationsströmungsdurchgänge 41 auf, die sich in der Flügelhöhenrichtung H erstrecken und zwischen gegenüberliegenden Seitenrandabschnitten 21a der Gitterstruktur 21 und jeweiligen Seitenwandflächen 39, 39 des Kühldurchgangs 11, die den entsprechenden Seitenrandabschnitten 21a zugewandt sind, definiert sind. Mit anderen Worten hat die Gitterstruktur 21 eine kleinere Abmessung Lx in der Flügelbreitenrichtung als eine Abmessung Cx des Kühldurchgangs 11 in der Flügelbreitenrichtung und befindet sich in gleichmäßigen Abständen von den gegenüberliegenden Seitenwandflächen 39, 39 des Kühldurchgangs 11 entfernt. Die jeweiligen Spalte zwischen den gegenüberliegenden Seitenrandabschnitten 21a, 21a der so angeordneten Gitterstruktur 21 und den gegenüberliegenden Seitenwandflächen 39, 39 des Kühldurchgangs 11 dienen als Kommunikationsströmungsdurchgänge 41. Wie oben beschrieben, sind die Umkehrabschnitte 37 an den gegenüberliegenden Seitenrandabschnitten 21a der Gitterstruktur 21 an den jeweiligen Seitenrandabschnitten 21a offen, so dass die Vielzahl von Gitterströmungsdurchgängen 35 (Umkehrabschnitten 37) an den jeweiligen Seitenrandabschnitten 21a über die Kommunikationsströmungsdurchgänge 41 miteinander kommunizieren.
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Wie in 4 gezeigt, strömt das in die Gitterstruktur 21 eingeleitete Kühlmittel CL zuerst in die Gitterströmungsdurchgänge 35 des einen Rippensatzes 33 (bei dem dargestellten Beispiel des ersten Rippensatzes 33A auf der unteren Ebene), wie von einem gestrichelten Pfeil 4 angegeben, und es bewegt sich über den anderen Rippensatz 33 (bei dem dargestellten Beispiel des zweiten Rippensatzes 33B auf der oberen Ebene), um mit den Umkehrabschnitten 37 an den Seitenrandabschnitten 21a zu kollidieren. Das Kühlmittel CL, das mit den Umkehrabschnitten 37 kollidiert ist, wird dann umgekehrt, um in die Gitterströmungsdurchgänge 35 des anderen Rippensatzes 33 (bei dem dargestellten Beispiel des zweiten Rippensatzes 33B auf der oberen Ebene) zu strömen, wie durch einen durchgehenden Pfeil in 4 angegeben. Beim Umkehren wird bewirkt, dass das Kühlmittel CL in starke Verwirbelung gerät. Danach wird, da sich das Kühlmittel CL über den anderen Rippensatz 33 bewegt, eine Verwirbelungskraft periodisch auf die Verwirbelungen aufgebracht, so dass die Verwirbelungen aufrechterhalten werden. Somit erleichtern die erzeugten und aufrechterhaltenen Verwirbelungen des Kühlmittels CL das Kühlen der Wandflächen 3a, 5a. 4 zeigt nur die Umkehrabschnitte 37 an gegenüberliegenden Enden eines Gitterströmungsdurchgangs 35, wobei andere Umkehrabschnitte in der Figur weggelassen sind.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform haben an den jeweiligen Auslassteilen der Gitterströmungsdurchgänge 35 die jeweiligen Rippen 31 des ersten Rippensatzes 33A und des zweiten Rippensatzes 33B eine gleiche Höhe, d.h. eine gleiche Gitterströmungsdurchgangshöhe h1, h2 in der Flügeldickenrichtung. Des Weiteren sind die Rippen 31 des ersten Rippensatzes 33A und die Rippen 31 des zweiten Rippensatzes 33B in einem gleichen Abstand angeordnet. Das heißt, dass eine Gitterströmungsdurchgangsbreite P1 des ersten Rippensatzes 33A gleich einer Gitterströmungsdurchgangsbreite P2 des zweiten Rippensatzes 33B ist. Ein Verhältnis der Gitterströmungsdurchgangshöhe h1, h2 zu der Gitterströmungsdurchgangsbreite P1, P2 jedes Gitterströmungsdurchgangs 35 (d.h. ein Aspektverhältnis jedes Gitterströmungsdurchgangs 35) ist nicht auf einen spezifischen Wert begrenzt und kann vorzugsweise in einen Bereich von ungefähr 0,5 bis 1,5 hinsichtlich des Vermeidens von Verformung der wie oben beschrieben in der Gitterstruktur 21 erzeugten Verwirbelungen und Lösen von den Wandflächen fallen. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat jeder Gitterströmungsdurchgang 35 ein Aspektverhältnis von 1.
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Wie in 5 gezeigt, sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Umkehrabschnitte 37, an denen das Kühlmittel CL umgekehrt wird, an den jeweiligen Seitenrandabschnitten 21a offen. Das heißt, dass die Umkehrabschnitte die jeweiligen Gitterströmungsdurchgänge 35 nicht verschließen. Ferner kommunizieren die jeweiligen Umkehrabschnitte 37 mit den Kommunikationsströmungsdurchgängen 41, die auf den Außenseiten relativ zu den Umkehrabschnitten definiert sind. Somit wird eine Erhöhung des Fluidwiderstands des Kühlmittels CL nahe den Umkehrabschnitten 37 unterbunden. Folglich erreicht das Kühlmittel CL sicher die Seitenrandabschnitte 21a der Gitterstruktur 21 ohne Abkürzung in der Mitte der Gitterströmungsdurchgänge 35, und es wird an den Umkehrabschnitten 37 umgekehrt.
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Eine Strömungsdurchgangsbreite Px jedes Kommunikationsströmungsdurchgangs 41 ist nicht auf einen speziellen Wert begrenzt. Wenn jedoch die Strömungsdurchgangsbreite Px zu groß ist, neigt das Kühlmittel CL dazu, von den Umkehrabschnitten 37 in die Kommunikationsströmungsdurchgänge 41 zu strömen, so dass das Kühlmittel CL an den Umkehrabschnitten 37 nicht in ausreichendem Maß umgekehrt wird. Wenn andererseits die Strömungsdurchgangsbreite Px zu klein ist, kann ein ausreichender Effekt hinsichtlich des Unterbindens einer Erhöhung des Fluidwiderstands des Kühlmittels CL an den Umkehrabschnitten 37 nicht erzielt werden. Unter Berücksichtigung dieser Punkte kann die Strömungsdurchgangsbreite Px jedes Kommunikationsströmungsdurchgangs 41 vorzugsweise in einen Bereich von ungefähr 1 bis 3 Mal die Gitterströmungsdurchgangshöhe h1, h2 oder mit anderen Worten ungefähr 0,5 bis 1,5 Mal eine Kühldurchgangshöhe Cz (eine Abmessung des Kühldurchgangs 11 in der Flügeldickenrichtung D) fallen. In 5 sind der Einfachheit der Darstellung halber die Kommunikationsströmungsdurchgänge 41 so dargestellt, als ob sie eine konstante Strömungsdurchgangsbreite Px über ihre gesamte Länge hätten. Generell hat das Rotorblatt 1 jedoch eine variierende Sehnenlinienabmessung in der Flügelhöhenrichtung H, so dass es auch eine variierende Abmessung geben kann, die den Kommunikationsströmungsdurchgängen 41 in Zusammenhang damit zugeordnet werden kann. Des Weiteren hat das Rotorblatt 1 auch eine variierende Flügelbreitenabmessung in der Flügelhöhenrichtung H, so dass der Kühldurchgang 11 auch eine variierende Durchgangshöhe Cz (= h1 + h2) in Zusammenhang damit haben kann. Entsprechend kann die Strömungsdurchgangsbreite Px jedes Kommunikationsströmungsdurchgangs 41 auch in der Flügelhöhenrichtung H variieren.
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Ferner kann in diesem Fall die Gitterstruktur 21 vorzugsweise eine Abmessung Ly in der Flügelhöhenrichtung relativ zu der Abmessung Lx in der Flügelbreitenrichtung haben, so dass sämtliche Gitterströmungsdurchgänge 35 mindestens einen der Seitenrandabschnitte 21a erreichen. Unter Berücksichtigung dieser Punkte kann die Abmessung Lx vorzugsweise 1,5 bis 2 Mal der Wert von Ly/tanθ1 sein.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Gitterstruktur 21 die Kommunikationsströmungsdurchgänge 41, 41 an den jeweiligen Seitenrandabschnitten 21a, 21a auf gegenüberliegenden Seiten auf. Es kann jedoch auch einen Kommunikationsströmungsdurchgang 41 nur an einem der Seitenrandabschnitte 21a geben.
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Ferner sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Auslässe der jeweiligen Kommunikationsströmungsdurchgänge 41 an dem oben genannten Kühlmittelführungsteil 23 offen, und das Kühlmittelabführloch 17 befindet sich stromabwärts des Kühlmittelführungsteils 23. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht, dass das in den Kommunikationsströmungsdurchgängen 41 strömende Kühlmittel CL sanft durch die Auslässe abgeführt wird, so dass eine Erhöhung des Fluidwiderstands an den Seitenrandabschnitten 21a der Gitterstruktur 21 auf effektive Weise weiter unterbunden wird. Ferner wird bevorzugt, eine Gewichtserhöhung aufgrund der in dem Rotorblatt 1 angeordneten Gitterstruktur 21 auf das erforderliche Minimum zu verringern. Daher ist die Gitterstruktur 21 nur auf der Seite des Basisteils 1a angeordnet, auf der im Vergleich zu dem Vorderendteil 1b eine Kühlung unbedingt notwendig ist, da der Basisteil ein Bereich ist, in dem eine große Belastung in dem Rotorblatt 1 wirksam ist, so dass eine effektive Kühlung erzielt wird, während eine Gewichtserhöhung unterbunden wird. Es sei darauf hingewiesen, dass das Rotorblatt nicht unbedingt den Kühlmittelführungsteil 23 aufweisen muss und sich die Gitterstruktur 21 zu dem Vorderendteil 1b des Rotorblatts 1 erstrecken kann.
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Wenn es den Kühlmittelführungsteil 23 gibt, ist eine Länge Fy des Kühlmittelführungsteils in der Flügelhöhenrichtung H nicht auf einen speziellen Wert begrenzt. Die Länge Fy kann jedoch vorteilhafterweise ungefähr 3 bis 7 Mal die Kühldurchgangshöhe Cz (4) am Auslass der Gitterstruktur 21 sein.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der Kühlmittelführungsteil 23 eine Verbindungsstützsäule 25 auf, die die erste Innenwandfläche 3a und die zweite Innenwandfläche 5a verbindet. Bei dem dargestellten Beispiel werden Stabelemente jeweils mit einer zylindrischen Form als Verbindungsstützsäulen 25 verwendet. Wenn der Kühlmittelführungsteil 23 die Verbindungsstützsäule 25 aufweist, kann eine Verformung der Flügelwände 3, 5 verhindert werden und kann die Durchgangshöhe des Kühldurchgangs 11 sichergestellt werden.
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Bei dem dargestellten Beispiel ist eine Vielzahl von (8 bei diesem Beispiel) Verbindungsstützsäulen 25 gestapelt angeordnet. Die Form, Abmessung, Anzahl und Anordnung der Verbindungsstützsäule(n) 25 können auf geeignete Weise gewählt werden, um eine Verformung der Flügelwände 3, 5 in ausreichendem Maß zu verhindern und die Strömung des Kühlmittels CL zu dem Kühlmittelabführloch 17 nicht übermäßig zu beeinträchtigen. Unter Berücksichtigung dieser Punkte kann insbesondere ein Durchmesser d jeder Verbindungsstützsäule 25 vorzugsweise ungefähr 0,5 bis 1,5 Mal die Gitterströmungsdurchgangsbreite P1, P2 sein und kann ein Anordnungsabstand S zwischen den Verbindungsstützsäulen 25 vorzugsweise in einen Bereich von 0,5 Mal die Strömungsdurchgangssteigung Pc am Auslass jedes Gitterströmungsdurchgangs 35 (d.h. eine Einheitsabmessung jedes Gitterströmungsdurchgangs 35 in der Flügelbreitenrichtung W) bis 0,5 Mal die Abmessung Lx der Gitterstruktur 21 in der Flügelbreitenrichtung fallen. Die Form, Anzahl und Anordnung der Verbindungsstützsäule(n) 25 können auf geeignete Weise in Abhängigkeit von dem Bereich des Kühlmittelführungsteil 23 und/oder der Distanz zwischen den Flügelwänden, d.h. der Durchgangshöhe des Kühldurchgangs 11 etc., gewählt werden. Selbst wenn es den Kühlmittelführungsteil 23 gibt, kann (können) die Verbindungsstützsäule(n) 25 wegfallen.
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Wie oben beschrieben, wird bei dem Turbinenflügel gemäß der vorliegenden einen Ausführungsform das in der Gitterstruktur 21 strömende Kühlmittel CL an den Umkehrabschnitten 37 umgekehrt, die sich an den Seitenrandabschnitten 21a der Gitterstruktur 21 befinden und die Gitterströmungsdurchgänge 35 nicht verschließen, und kommunizieren die Umkehrabschnitte 37 mit den Kommunikationsströmungsdurchgängen 41, die sich außerhalb der Gitterstruktur 21 befinden. Somit wird eine Erhöhung des Fluidwiderstands an den Seitenrandabschnitten 21a der Gitterstruktur 21 unterbunden. Entsprechend wird eine Abkürzungsströmung des Kühlmittels CL in der Gitterstruktur 21 unterbunden, um das Liefern des Kühlmittels durch die Gitterströmungsdurchgänge 35 zu vereinfachen. Auf diese Weise kann das Kühlmittel CL zuverlässig umgekehrt werden, und es kann bewirkt werden, dass es an den Seitenrandabschnitten 21a der Gitterstruktur 21 in Verwirbelung gerät, so dass der Turbinenflügel auf effektive Weise gekühlt werden kann. Ferner wird die Strömung des Kühlmediums CL von der Basisteilseite des Turbinenflügels, d.h. einem Bereich, in dem der Turbinenflügel verbunden ist und in dem der Einleitungsport zum Einleiten des Kühlmittels CL in den Turbinenflügel leicht angeordnet werden kann, wie z.B. einem Rotor (im Fall des Rotorblatts 1) und einem Gehäuse (im Fall eines Statorflügels) der Turbine in Richtung der Vorderendteilseite geleitet, so dass die Struktur in dem Kühldurchgang 11 vereinfacht werden kann.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jeder der Umkehrabschnitte 37 an einem Seitenrandabschnitt 21a der Gitterstruktur einen Umlenkabschnitt mindestens einer Rippe aufweisen, die sich auf der stromabwärtigen Seite zwischen zwei Rippen 31, 31 befindet, die einen entsprechenden Gitterströmungsdurchgang 35 definieren, wobei der Umlenkabschnitt in Richtung einer Innenseite dieses Gitterströmungsdurchgangs 35 relativ zu einer Neigungsrichtung dieser Rippe 31 umgelenkt ist. Bei dieser Ausgestaltung kann das Kühlmittel CL, das die Seitenrandabschnitte 21a der Gitterstruktur 21 erreicht hat, an den Umkehrabschnitten mit einer einfachen Konfiguration umgekehrt werden.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Turbinenflügel ein Kühlmittelabführloch 17 aufweisen, das sich an dem Vorderendteil 1b befindet und das Kühlmittel CL in dem Kühldurchgang 11 zur Außenseite des Turbinenflügels abführt, und kann der Kühldurchgang 11 einen Kühlmittelführungsteil 23 aufweisen, der sich in einem Bereich auf der Seite des Vorderendteils 1b befindet und das Kühlmittel CL in Richtung des Kühlmittelabführlochs 17 führt. Bei dieser Ausgestaltung ermöglicht der Kühlmittelführungsteil 23, dass das in den Kommunikationsströmungsdurchgängen 41 strömende Kühlmittel CL sanft aus dem Bereich, in dem sich die Gitterstruktur 21 befindet, in Richtung des Vorderendteils 1b des Turbinenflügels 1 abgeführt wird. Somit kann eine Erhöhung des statischen Drucks an den Seitenrandabschnitten 21a der Gitterstruktur 21 auf effektivere Weise unterbunden werden.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Kühlmittelführungsteil eine Verbindungsstützsäule 25 aufweisen, die die erste Innenwandfläche 3a und die zweite Innenwandfläche 5a verbindet. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, eine Verformung der Flügelwände 3, 5 in dem Kühlmittelführungsteil 23 zu verhindern und die Höhe des Kühldurchgangs 11 sicherzustellen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden ist, können verschiedene Hinzufügungen, Modifikationen oder Streichungen durchgeführt werden, ohne dass vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. Entsprechend sind solche Varianten im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorblatt (Turbinenflügel)
- 1a
- Basisteil des Rotorblatts
- 1b
- Vorderendteil des Rotorblatts
- 11
- Kühldurchgang
- 10
- Kühlstruktur
- 17
- Kühlmittelabführloch
- 21
- Gitterstruktur
- 21a
- Seitenrandabschnitt der Gitterstruktur
- 23
- Kühlmittelführungsteil
- 25
- Verbindungsstützsäule
- 31
- Rippe der Gitterstruktur
- 33
- Rippensatz der Gitterstruktur
- 37
- Umkehrabschnitt
- 39
- Seitenwandfläche des Kühldurchgangs
- 41
- Kommunikationsströmungsdurchgang
- CL
- Kühlmittel
- G
- Hochtemperaturgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2019175092 [0001]
- US 5603606 [0005]
- JP 4957131 [0005]
