DE2657529A1 - Brenner fuer eine gasturbine - Google Patents
Brenner fuer eine gasturbineInfo
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Description
Brenner für eine Gasturbine
Die Erfindung betrifft einen Brenner, der zum Beispiel in einer Gasturbine verwendet wird, sie bezieht sich insbesondere auf
die Anordnung des Mantels oder der Auskleidung für einen derartigen Brenner.
Brenner von Gasturbinen enthalten im allgemeinen einen Mantel oder eine Auskleidung (liner), in dem die Verbrennung durchgeführt
wird. Derartige Mantel besitzen normalerweise einen kreis- oder ringförmigen Querschnitt, mit einem "Dom" bezeichneten einströmseitigen
Ende und mit einer Auslaßöffnung am ausströmseitigen Ende, durch das die Verbrennungsprodukte in Flußverbindung
mit der Turbineneinlaßöffnung treten. Am Einströmende wird Brennstoff
eingeführt, wäßrend Luft sowohl am Einströmende als auch durch die Seitenwände des Mantels eintritt, um die Verbrennung
zu ermöglichen und die Verbrennungsprodukte auf eine geeignete Temperatur abzuschwächen.
Obwohl die Brennermäntel von Gasturbinen üblicherweise aus Metallegierungen
bestehen, die eine hohe Temperaturwiderstandsfähigkeit besitzen, sind Brenner bekannt, deren Wände aus
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verschiedenen Keramikmaterialien hergestellt sind, vergleiche 2.B.US-PS 1827246, US-PS 3594109, US-PS 3880574 und US-PS
3880575.
Obwohl verschiedene bekannte Keramikmaterialien gegenüber Hitze hoch beständig sind und sich mittels bekannter Verfahren
in Zylinder und andere Formen bringen lassen, sind derartige Materialien relativ schwach und brüchig. Außerdem besitzen
keramische Materialien relativ kleine thermische Ausdehnungskoeffizienten, wodurch sich Probleme ergeben, wenn derartige
Materialien in Verbindung mit Metallkomponenten in Brennern angeordnet sein müssen.
Siliziumnitrid und Siliziumcarbid stellen typische keramische
Materialien dar, die aus dem Stand der Technik für derartige Verwendungen bekannt sind, die Eigenschaften des Keramikmaterials
werden jedoch durch geeignete Auswahl bestimmt, vorausgesetzt, daß die erforderlichen physikalischen Hochtemperatureigenschaften
und die Korrosionsfestigkeit erhalten wird.
Bei Gasturbinenbrennern mit Mänteln aus hitj:beständigen Le gierungen
ist eine beträchtliche Luftkühlung erforderlich, um die geforderte Haltbarkeit und Lebensdauer bei üblichen Be triebsbedingungen
sicherzustellen. Es ist wünschenswert, die Zündtemperatur zu erhöhen. Sofern eine derartige Erhöhung
erfolgt, wird ein grösserer Anteil des Luftflußes zur Ver brennung benötigt, wobei sich ein vergrößerter Hitzetransfer
zur Verkleidung ergibt. Zur Bewältigung höherer Brenntemperaturen ist daher die Anwendung herkömmlicher Konstruktionen und Anordnungen
ausgeschlossen, insbesondere wenn brennstoffe mit kleinem Energiegehalt (z. B. energiearmes Kohlengas) verwendet wird, die fast die gesamte Luft zur tatsächlichen Verbrennung
benötigen. Ss besteht daher ein zunehmendes Bedürfnis zur Verwendung keramischer Materialien, um erhöhte Brenntemperaturen
zur erzielen. Die Berücksichtigung und Einbeziehung derartiger Materialien in ein Brennersystem muß Jedoch derart
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erfolgen, daß der Brüchigkeit derartiger Materialien Rechnung getragen wird.
In der vorliegenden Erfindung sind Brenneranordnungen angege ben, die das genannte Bedürfnis befriedigen. Das Mantelstück
des Brenners, in dem der Verbrennungsprozeß durchgeführt wird, muß in der Lage sein, sich sowohl an Bereiche starker örtlicher
Beanspruchung und kalter Stellen, die dort entstehen, wo Luft in den Brenner einfließt, als auch an die gleichförmiger erwärmten
Oberflächenknzupassen, an denen ein Gemisch aus Luft und
teilweise verbranntem Brennstoff von einer einströmseitig liegenden Verbrennungszone auftreffen. Diese verschiedenen Anforderungen werden dadurch erfüllt, daß ein oder mehrere Langesüückf
der Verkleidung aus Metall mit einem oder mehreren Längsstücken aus Keramikmaterial verbunden angeordnet werden, wobei
in dem Längsstück aus Metall alle Lufteinlaßöffnungen untergebracht sind, und das Längsstück aus Keramikmaterial nur vor
gemischte Luft/Brennstoffmischungen zugeführt erhält, wodurch der
im Längsstück aus Keramikmaterial durchgeführte Verbrennungsprozeß die Keramikoberfläche relativ gleichförmig erhitzt. In
dem Maß, in dem die einzelnen Längsstücke aus Keramikmaterial eine Abstützung gegen nach innen gerichtete Druckbelastungen
und Schutz vor einströmender Verbrennungsluft benötigen, ist ein Metallgehäuse außen über dem Längsstück aus Keramikmaterial
vorgesehen, wobei eine thermische Isolation zwischen Metall und Keramikmasse vorgesehen ist. Stromaufwärts von den einzelnen
Längsstücken aus Keramikmaterial, denen einströmseitig unmittelbar
ein Längsstück aus Metall vorgesetzt ist, sind nach innen gerichtete Strömungsablenkeinrichtungen vorgesehen.
Die Längsstücke aus Keramikmaterial bestehen aus elastisch vorgespannten und keine Löcher enthaltenden Segmenten.
Die Anzahl und Anordnung der Längsstücke des Brenners hängt von der Art des Verbrennungsvorganges ab, der innerhalb des Brenners
durchgeführt wird.
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Bei Verwendung der erfindungsgemäßen integrierten Brenneranordnung
ist die zur Kühlung der verringerten Metallfläche erforderliche Luft verfügbar, daneben ist genügend zusätzliche
Luft zur Durchführung der Verbrennung bei erhöhten Zündtemperaturen vorhanden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1' einen Querschnitt, derachematisch den erfindungsgemäßen
Brenner für eine Gasturbine darstellt (die Darstellung ist kennzeichnend für einen Brenner vom
Dosentyp oder vom Ringtyp);
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1, wobei
Fig. 1 einen Brenner vom Dosentyp angeben soll; und
Fig. 3 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform
der nach innen gerichteten Flußablenkeinrichtung gemäß Fig. 2.
Fig. 1 zeigt einen Brenner 10 einer Gasturbine, der an einem geeigneten Ort innerhalb der an die Düsenplatte 11 angebrachte
Turbine angeordnet ist. Der zusammengesetzte (integrierte) Brennermantel 12 besteht aus Längsstücken 13 und 14aus Metall
und Längsstücken 16 und 17 des Brenners aus Keramikmaterial. Derartige Mantel besitzen im allgemeinen einen kreis- oder
ringförmigen Querschnitt, wobei das Einströmende die primäre Verbrennungszone umfaßt und die sekundäre Verbrennung stromabwärts
innerhalb des Brennermantels erfolgt.
Der Begriff "Längsstück des Brenners aus Keramikmaterial" beinhaltet
ein bestimmtes Stück einer keramischen Oberfläche, die einen Teil des Verbrennungsvolumens umfaßt und den Fluß
der heißen Gase festlegt, wobei dieses Längsstück entweder
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einstückig oder aus mehreren Segmenten aufgebaut ist.
Brennstoff tritt aus einem Brennstoffvorratsbehälter (nicht dargestellt) durch die Brennstoff-Einspritzdüse 19 in die
Verbrennungskammer 18 ein. Durch die Rohrleitung 21 wird dem Verbrennungsprozeß Luft zugeführt, die durch einen ringförmigen
Raum 22 hindurchläuft. Die zur Verbrennung in der Primärzone
(der die Flamme haltende Bereich) erforderliche Luft tritt durch die Öffnungen 23 in das Kopfende des metallischen
Längsstückes 13 des Brennermantels 12 ein. Die Brennstoff- und die Lufteinspritzungen in die Primärzone erfolgen derart, daß
sich ein stark turbulenter Bereich ausbildet, in dem eine schnelle Vermischung zwischen Brennstoff und Luft stattfindet, und in
dem eine schnelle Verbrennung der gemischten Stoffe erfolgt.
Die von der primären Verbrennung herrührenden heißen, gasförmigen Produkte bewegen sich innerhalb des Brennermantels 12 in
stromabwärtiger Rieh tun g^die durch das Mantel-Längsstück 16
aus Keramikmaterial gebildete Zone, in der die in der Primärzone begonnene Verbrennung im wesentlichen zum Abschluß kommt. Das
Mantel-Längsstück 16 aus Keramikmaterial besteht bevorzugt aus
mehreren in Längsrichtung sich erstreckenden Segmenten, die mittels Ringfedern 24,26 federnd an ihrem Platz gehalten werden.
Das gesamte Mantel-Längsstück 16 aus Keramikmaterial ist frei
von Öffnungen, der erforderliche Luftzusatz wurde durch die Öffnungen 23 eingegeben. Die Öffnung 27 ist am Kopfende zur Auf nähme
einer Zündkerze (nicht dargestellt) vorgesehen. Dadurch, daß über dem gesamten Bereich des keramischen Mantel-Längsstücks
16 auf Kühlschlitze oder Luftzufuhröffnungen verzichtet wird, werden örtlich hoch beanspruchte Bereiche und Flächen vermieden.
Dies trägt besonders ausgeprägt zur strukturellen Beständigkeit und Güte des Keramikmaterials bei.
Durch Vermeidung auf eine Luftzufuhr in der Nachbarschaft des
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Längsstücks 16 werden außerdem kalte Stellen vermieden, die die
thermische Beanspruchung des Keramikmaterials erhöhen würden. Um vor derartigen kalten Stellen sicher zu gehen, die von der
stromaufwärts erfolgenden Zufuhr von Luft hervorgerufen werden könnten, ist eine nach innen gerichtete ringförmige Platte 28
vorhanden, die den einströmenden Luftfluß vom einströmseitigen Ende des keramischen Mantel-Längsstücks 16 ablenkt, bis die geforderte
Vermischung mit den Verbrennungsgasen erfolgt ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind in der Platte 28 Unterbrechung·!.
, '28a als Maßnahme gegen thermische Ausdehnung und Zusammenziehung
vorgesehen.
Am ausströinseitigen Ende des metallischen Mantel-Längsstücks
ist ein Flansch 29 angeschweißt und dient mittels der Befestigungsstange
31 und' der durch auf die Stangen 31 aufgeschraubte
Muttern gehaltenen Federn 32 zur elastischen Aneinanderfügung der verschiedenen Teile des zusammengesetzten Brenner mantels
12. Auf diese Weise wird die Ausdehnung und Zusammenziehung des Brennermantels 12 bewältigt. Ein auf dem Flansch
29 vorhandener Ansatz 34 ist an der Unterseite mit Federn 24 versehen und stellt gegenüber dem Metallgehäuse 36 eine Gleitpassung
dar, um eine aufgrund unterschiedlicher thermischer Expansion des Gehäuses 36 bewirkte Relativbewegung aufzunehmen.
Zwischen dem keramischen Mantel-Längsstück 16 und dem Metallgehäuse
36 befindet sich eine Isolationsschicht 37. Das Metallgehäuse 36 ist an seinem ausströmseitigen Ende befestigt und
z.B. an den Flansch 38 angeschweißt.
Erfindungsgemäß sind also mehrere Maßnahmen getroffen, um dem
verschiedenartigen Auftreten von Beanspruchungen zu begegnen. Ringbeanspruchung des keramischen Materials wird durch eine Unterteilung
des Längsstücks in axialer Richtung klein gehalten (so lassen sich z.B. für eine Bauform mit ringförmigem Quer schnitt
3 Bogensegmente von je 120° verwenden). Eine derartige Unterteilung beseitigt Ringbeanspruchungen, in^dem die Trag-
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fähigkeit des Keramikkörpers in Umfangsrichtung eliminiert
wird. Die zusammengesetzten undurchlöcherten Segmente sind vonf
Metallgehäuse 36 in oben geschilderter Weise thermisch isoliert, um die Wärmeübertragung an das Metallgehäuse zu steuern,
damit das Gehäuse 36 der radial nach innen gerichteten differentiellen Druckbeanspruchung wirksamer begegnen kann.
Der Durchlauf einströmender Verbrennungsluft durch den Raum 22 kühlt das Gehäuse 36 (und benachbarte Elemente) und begünstigt
damit weiterhin die Fähigkeit des Gehäuses, einer auf das Gehäuse wirkenden differentiellen Druckbeanspruchung
zu widerstehen. Die Isolierschicht 37 verringert die radiale thermische Beanspruchung in den Keramikwänden dadurch auf ein
Minimum, daß der radiale thermische Gradient in der kerami sehen Wand reduziert wird. Dies steht im Gegensatz zu der jenigen
Situation, die herrschen würde, wenn das keramische Längsstück 16 an seiner äußeren Oberfläche der einströmenden
Verbrennungsluft ausgesetzt wäre und dabei gekühlt würde, während das keramische Längsstück 16 auf der Gasseite durch
die vorhandene Verbrennung erhitzt würde. Die zuletzt genannte Situation ist in den genannten US-PS 3594109, US-PS 3880574
und US-PS 3 880 575 dargestellt. Das keramische Mantel-Längsstück
16 durch die erfindungsgemäße Anordnung sowohl axial als
auch radial in elastischer, federnder Weise mechanisch gehalten, um die thermische Ausdehnung aufzunehmen.
Obwohl sich für die zur Ausführung der Erfindung erforderlichen
Bauelemente herkömmliche Materialien verwenden lassen, wird Silizium/Siliziumcarbid (Si/SiC) aufgrund der physikalischen
Eigenschaften und der bequemen Herstellungsmöglichkeiten bevorzugt, dies gilt insbesondere für die hohe thermische
Leitfähigkeit, die mit derjenigen des Eisens vergleichbar ist, dies gilt ferner für die hohe Zug-Bruch-Festigkeit.
Die hohe thermische Leitfähigkeit vermeidet thermische Gradienten, und die hohe Zug-Bruch-Festigkeit gestattet es, unvermeidlichen
thermischen Beanspruchungen zu widerstehen.
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Die maximale Arbeitstemperatur des Si/SiC-Keramikmaterials
liegt bei 1400° C (2500° F). Durch eine Steuerung der Wärmeverluste durch die Isolierschicht 37 (z.B. durch Veränderung
der Dicke der Isolierschicht längs des Verbrennungspfades (in Axialrichtung des Brenners))läßt sich die Kühlung des Keramikmaterials
steuern, wodurch der Betrieb bei noch höheren Gastemperaturen erleichtert wird.
Bei der dargestellten Anordung ist die innere Fläche des Flansches 38 den Verbrennungsgasen ausgesetzt und muß daher
gekühlt werden. Diese Kühlung wird dadurch bewirkt, daß Kühlmitte ldurchgänge 39 in dem Flansch 38 vorgesehen sind, durch
die für die notwendige Kühlung eingeführte Luft hindurchführbar ist.
Weiter stromabwärts wird in einer zweiten Stufe durch die Öffnungen
41 (die grosser als die Öffnungen 23 sind) Luft züge führt
und in dem Mantel-Längsstück 14 aus Metall mit den primären
gasförmigen heißen Produkten vermischt. Der Eintritt dieser Luft wird dergestalt bewirkt, daß eine schnelle Vermischung
mit den primären gasförmigen Produkten stattfindet, wobei diese heißen gasförmigen Produkte verbrannt werden. Das keramische
Mantel-Längsstück 17 arbeitet in derselben Weise wie das keramische Mantel-Längsstück 16 und begrenzt die Fortsetzung des
Verbrennungsprozeßes, der durch die über die öffnungen 41 eingeführte
Luft hervorgerufen wird. Der Schutz des Mantel-Längs Stücks
17 und die mechanische Anbringung des Längsstückes ist in der schon beschriebenen Weise ausgeführt, wobei ein Ring 42
(der funktionsmäßig dem Element28 entspricht), ringförmige Keramikhaltefedern 43 und 44, eine Isolierschicht 46 und ein Metallgehäuse
47 verwendet sind.
Obwohl das an der Ausströmseite des Brennermantels 12 angeschlossene
Übergangsstück 48 als ein Teil und aus Keramikmaterial bestehend dargestellt ist, stellt eine derartige Ausbildung des
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Übergangsstückes keinen Bestandteil der Erfindung dar; es
lassen sich daher Übergangsstücke herkömmlicher Bauweise verwenden. In dem Fall, daß das Übergangsstück 48 aus Keramikmaterial
besteht, sollte jedoch die äußere Oberfläche mit einer Isolierschicht 49 und einem Metallgehäuse 51 versehen sein, um
den different!eilen Druckbeanspruchungen zu begegnen.
Die Haltestangen 31 geben über den Flansch 52 einen zusätzlichen Halt für den Mantel 12. Eine Brennstoffdüse 19 ist locker
in das Mantel-Längsstück 13 eingesetzt, um dadurch der Relativbewegung des Mantels 12 aufgrund Ausdehnung und Zusammenziehung
zu begegnen.
Eine weitere Ausbildungsform des Flußablenkelements 28, das demjenigen
nach Fig. 2 vergleichbar ist, ist in Fig. 3 dargestellt. Die durch Öffnungen 61 in die Verteilerleitung 62 einströmende
Luft tritt aus den Öffnungen 63 aus und kühlt auf diese Weise das Flußablenkelement 64.
Die Länge des kopfseitigen Mantel-Längsstücks 13 aus Metall beträgt
bevorzugt zwischen 0,5 bis 2,0 h (bei einem Brenner vom Dosentyp stellt h den inneren Durchmesser dar, bei ringförmigen
Brennern gibt h die interne Domhöhe an).
Wie ausgeführt, bestimmt der im Brenner der Gasturbine durchgeführte
spezielle Verbrennungsprozeß die Anzahl und die Anordnung der Mantel-Längsstücke aus Metall und Keramikmaterial. Die in
Fig. 1 dargestellte Anordnung und die zugehörige Beschreibung geben einen Brenner wieder, der insbesondere zur Verbrennung energiearmer
Produkt-Gase geeignet ist, die bei der Vergasung von Kohle erhalten werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist ferner insbesondere vorteilhaft bei der Durchführung des allgemeinen Verbrennungsprozeßes,
der in der DT-Patentanmeldung ρ ζβ kj H63.5 zur Verringerung
der Erzeugung vonStickstoffoxilm offenbart ist, die
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von brennstoffgebundenem Stickstoff abgeleitet werden.
energie-Sofern reiche Brennstoffe (z.E.Hydrokohlenwasserstoffe wie
z.B. öl) verwendet werden, ist es vorteilhaft, die Anordnung nach Fig. 1 zu verändern. Bevorzugt werden dann das Mantel-Längsstück
17 aus Keramikmaterial und die hierzu erforderliche mechanische Halterung und die Schutzanordnungen nicht verwendet.
Bei einer derartigen Ausbildungsform wird das Übergangsstück mit dem speziellen Mantel-Längsstück verbunden, das ausströmseitig-an
dem Mantel-Längsstück 16 aus Keramikmaterial an schließt.
enerrie-Darüberhinaus wird bei Verwendung reicher Brennstoffe in
Hochtemperaturmaschinen, wie z.B. der in der US-PS 3446481 beschriebenen flüssigkeitsgekühlten Turbine, das Mantel Längsstück
14 aus Metall nicht eingesetzt.
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Claims (11)
1. Brenner für eine Gasturbine, der im Innern eine Schicht
aus keramischem Material als Mantel enthält, die die aneinander anschließenden Verbrennungszonen festlegt,
,die in stromabwärts-Richtung von Einrichtungen zur
Brennstoffzufuhr angeordnet sind, mit Einrichtungen für die Luftversorgung, die in Flußverbindung mit
dem Außenraum des Brenners stehen, mit durch den Brennermantel verlaufenden öffnungen, die in Flußverbin dung
mit den Einrichtungen für die Luftversorgung stehen und Luft durch den Brennermantel in den Brenner
führen, und mit Einrichtungen am ausströmseitigen Ende des Brenners, die die Verbrennungsprodukte von
dem Brennermantel in eine Turbinenanordnung leiten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Längsstück (13,14) de Brennerausklei-
. . einer,
dung (12) aus Metall und inVReihe hierzu ein Längsstück
(16,17) aus Keramikmaterial vorgesehen ist, und daß die öffnungen (23,41), die eine Flußverbindung mit den
Einrichtungen (21,22) zur Luftversorgung bilden, je weils
in den Längsstücken (13,14) aus Metall und nicht in den Längsstücken (16,17) aus Keramikmaterial ent halten
sind.
2. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß nach innen gerichtete Ablenkeinrichtungen (28,42)
zur Ablenkung des Luftkühlfilmes stromaufwärts""/und
benachbart zu jedem Mantel-Längsstück (16,17) aus Keramikmaterial vorgesehen sind.
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3. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flußablenkeinrichtungen (28,42) als gekerbte
Ringplatte ausgebildet ist.
4. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftstrom durch die Ablenkeinrichtungen (28,42,64)
hindurchführbar ist.
5. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Mantel-Längsstück (16,17) aus Keramik
mehrere undurchlöcherte Segmente enthält.
6. Brenner nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterteilung in Segmente im wesentlichen in
Längsrichtung erfolgt.
7. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichn e„„t ,
-,aus Metall,
daß mehrere Mantel-Längsstücke (13,14)·/in abwechselnder Reihenfolge mit mehreren Mantel-Längsstücken (16,
17) aus Keramikmaterial vorgesehen, sind.
8. Brenner nach Ansprch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Mantel-Längsstück (16,17) aus Keramik
innerhalb eines druckbeständigen Metallgehäuses (36,47) untergebracht ist, und daß das Metall
gehäuse (36,47) von dem Mantel-Längsstück (i6,17)fT aus
IJveramik
thermisch isoliert ist.
9. Brenner nach Anspruch 8,
dadurch. gekennzeichnet,
709825/0343
2 6 b 7 5 2
.3*
daß der Wert des thermischen Widerstandes längs des Mantel-Längsstücks (16,17) aus Keramikmaterial
in Strömungsrichtung der Verbrennungsprodukte längs des Brenner-Mantelstücks merklich veränderbar
ist.
10. Brenner nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Oberfläche des druckbestän- , digen Metallgehäuses (36,37) dem Luftfluß
in den Einrichtungen (22) für die Luftversorgung ausgesetzt ist.
11. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mantel-Längs stücke (16,17) aus Keramikmaterial
federnd und elastisch gehaltert sind, um eine thermische Ausdehnung der Mantel-Längsstücke aus Keramikmaterial
zu ermöglichen.
7 09825/U3 43
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