DE3416087A1 - COOLED TURBINE BLADE - Google Patents
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Description
K'i'-kier-Humboldi-DeutzAG Ζίλ eVl"! far - - -■ - ■· ■ 9 Λ 1 R Π 8K'i'-kier-Humboldi-DeutzAG Ζίλ eVl "! Far - - - ■ - ■ · ■ 9 Λ 1 R Π 8
5000 Köln 80, den 25.04.1984 D 84/29 DE AE-ZPB P/B5000 Cologne 80, April 25, 1984 D 84/29 DE AE-ZPB P / B
Gekühlte TurbinenschaufelCooled turbine blade
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- und/oder Leitradschaufel einer Axial- und/oder Radialturbine für Gasturbinentriebwerke, die in ihren Schaufelblättern einen Durchströmraum, insbesondere einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, aufweist, wobei innerhalb des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle Elemente zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind.The invention relates to a turbine blade, in particular Runner and / or stator blade of an axial and / or radial turbine for gas turbine engines that are used in Their blades have a through-flow space, in particular one or more cooling channels for a cooling medium, preferably Cooling air, having elements to enlarge the inside of the flow-through space or the cooling channels Heat exchange surface are provided.
Moderne Gasturbinentriebwerke benötigen zur Verwirklichung optimaler Arbeitsprozeßwirkungsgrade relativ hohe Gastemperaturen (Turbineneintrittstemperaturen). Die mit den vorerwähnten heißen Gasen in Berührung kommenden Bauteile, z. B. die Leit- und Laufradschaufeln des Gasturbinentriebwerks, sind daher erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt. Im Hinblick auf die Standzeit der Schaufelblätter oder aber auch, um bei einer als gegeben angesehenen Lebensdauer der Turbinenschaufel die Turbineneintrittstemperatur im Hinblick auf die Verbesserung des Arbeitsprozeßwirkungsgrades zu erhöhen, ist es üblich, die Turbinenschaufeln in ihrem Inneren zu kühlen, wobei in den meisten Anwendungsfällen Luft als Kühlmittel herangezogen wird, die vorzugsweise an einer geeigneten Stelle des Verdichters des Gasturbinentriebwerks entnommen und durch innerhalb der Schaufelblätter der Turbinenschaufel vorgesehene Kühlkanäle geleitet wird (Konvektionskühlung).Modern gas turbine engines require relatively high gas temperatures to achieve optimal work process efficiencies (Turbine inlet temperatures). The components coming into contact with the aforementioned hot gases, z. B. the guide and impeller blades of the gas turbine engine are therefore exposed to considerable stress. With regard to the service life of the impeller blades or also to a service life that is regarded as given the turbine blade the turbine inlet temperature with a view to improving the working process efficiency To increase, it is customary to cool the turbine blades inside them, in most cases Applications air is used as the coolant, preferably at a suitable point on the compressor taken from the gas turbine engine and through provided within the blades of the turbine blade Cooling channels is conducted (convection cooling).
Klöckner-Hjmboldt-Deutz AG ΖλΛ L «■ >czv _ . Λ ~ _ _ „ Klöckner-Hjmboldt-Deutz AG ΖλΛ L «■> czv _. Λ ~ _ _ "
34 Ί 608 /34 Ί 608 /
- 5 - 25.04.1984- 5 - 04/25/1984
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Zur Realisierung einer verbesserten inneren Konvektionskühlung sind verschiedene Verfahren bekannt. So kann beispielsweise zur Intensivierung der Kühlung der Wärmeübergang bei gleichen Kühlluftkanalquerschnitten durch eine Erhöhung des Kühlluftmassenstromes verbessert werden. Eine Erhöhung des Kühlluftmassenstromes kann allerdings den Arbeitsprozeß des Gasturbinentriebwerks negativ beeinflussen, so daß von diesem Verfahren zur Absenkung der Bauteiltemperatur in den meisten Fällen abgesehen wird.Various methods are known for realizing improved internal convection cooling. For example to intensify the cooling of the heat transfer with the same cooling air duct cross-sections through a Increase in the cooling air mass flow can be improved. An increase in the cooling air mass flow can, however, cause the Negatively affect the working process of the gas turbine engine, so that from this method to lower the Component temperature is disregarded in most cases.
Als weitere Möglichkeit zur Verbesserung der inneren Konvektionskühlung bietet sich eine optimierte Gestaltung oder Anordnung der Kühlkanäle an, um durch eine verbesserte Ausnutzung der Kühlluft bei gleichen Kühlluftmassenströmen die Schaufeltemperatur wirksam zu verringern. So ist es beispielsweise bekannt, durch eine geeignete Querschnittsanpassung der Kühlkanäle hohe Strömungsgechwindigkeiten der Kühlluft zu realisieren oder aber durch Anbringung von zusätzlichen Wärmeaustauschflächen in Form von Kühlrippen, Stiften oder Noppen den Wärmeübergang und die Kühlwirkung neben einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Verwirbelung der Kühlluft an diesen Elementen zur Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen den Wärmeaustausch zu verbessern. Aus der DE-OS 25 26 277 ist eine innengekühlte Turbinenschaufel für Gasturbinenwerke bekannt, bei der innerhalb eines in der Turbinenschaufel vorgesehenen Hohlraumes mehrere treppenartig gestaltete und sich überlappende Einsätze als Kühlluftführungen vorgesehen sind, wobei die Kühlluft nacheinander durch mehrere Einsätze mit dazwischen liegenden Verwirbelungs- und Prallflächen geführt wird, ist durch diese Art der Gestaltung der Kühlluftkanäle zwar durchaus eine wesentlich intensivere Ausnutzung der zur Verfugung stehenden Kühl-Another possibility for improving the internal convection cooling is an optimized design or arrangement of the cooling channels in order to improve the utilization of the cooling air with the same cooling air mass flows effectively reducing the blade temperature. For example, it is known by a suitable Cross-section adaptation of the cooling channels to realize high flow rates of the cooling air or else heat transfer by attaching additional heat exchange surfaces in the form of cooling fins, pins or knobs and the cooling effect in addition to an increase in the flow rate and swirling the cooling air on these elements to enlarge the heat exchange surfaces Improve heat exchange. From DE-OS 25 26 277 an internally cooled turbine blade for gas turbine plants known, in which a plurality of stair-like designs within a cavity provided in the turbine blade and overlapping inserts are provided as cooling air ducts, the cooling air through one after the other Several inserts with intervening turbulence and baffle surfaces is made possible by this type of design the cooling air ducts a much more intensive use of the available cooling
K'--:kner-Hjmbo!dt-DeutzAG /Λ L - - -- . . . - ο/ΊΟΠΟΤK '-: kne r -Hjmbo! Dt-DeutzAG / Λ L - - -. . . - ο / ΊΟΠΟΤ
- 6 - 25.04.1984- 6 - April 25, 1984
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luft möglich, so erfordern jedoch die Vielzahl der treppenartig gestalteten Einsätze und deren verbindung einen erheblichen Fertigungs- und Bauaufwand, der in den meisten Anwendungsfällen das erreichbare Betriebsergebnis nicht rechtfertigt.air is possible, but the large number of stair-like inserts and their connections require a considerable manufacturing and construction effort, which in most applications the achievable operating result does not justify.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch eine verbesserte Gestaltung des Kuhlluftdurchströmraumes bzw. der Kühlkanäle die Kühlwirkung des zur Verfügung stehenden Kühlmediums mit möglichst einfachen Mitteln zu optimieren. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Turbinenschaufel der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche einander kreuzen und an ihren Kreuzungsstellen miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen sowie sich zu verschiedenen Wandbereichen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle erstrecken. Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle können auf engstem Raum erhebliche kühlluftseitige Wärmeaustauschflächen zur Verfügung gestellt werden, wobei durch die wärmeleitende verbindung der sich kreuzenden Elemente und durch die Erstreckung dieser Elemente zu verschiedenen Wandbereichen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle sowohl eine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung bei gleichen Kühlluftmassenströmen als auch eine wesentliche Vergleichmäßigung der Schaufelblattemperaturen im Gegensatz zu den bekannten Gestaltungen erreichbar sind. Daneben ist durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Gestaltung der Elemente die Kühlung der Turbinenschaufel aufgrund erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten und Verwirbelungen an den Kreuzungsstellen begünstigt.It is therefore the object of the present invention, through an improved design of the cooling air throughflow space or the cooling channels to the cooling effect of the available cooling medium with the simplest possible means optimize. To solve this problem, the turbine blade of the type mentioned is characterized in that that the elements to increase the heat exchange surface cross each other and at their crossing points with each other are in a thermally conductive connection and are connected to different wall areas of the through-flow space or the Extend cooling channels. This inventive design of the flow space or the cooling channels can Considerable heat exchange surfaces on the cooling air side in a confined space are made available, whereby through the thermally conductive connection of the intersecting elements and by the extension of these elements to different wall areas of the flow-through space or the cooling channels both a substantial improvement in the cooling effect with the same cooling air mass flows and a substantial one In contrast to the known designs, the airfoil temperatures can be made uniform. Besides is the cooling of the turbine blade due to the arrangement or design of the elements according to the invention favored due to increased flow velocities and turbulence at the crossing points.
Klöckner-Humboldt-Deutz AG tjm m -ma »itw _ . >i ρ π O TKlöckner-Humboldt-Deutz AG tjm m -ma »itw_. > i ρ π OT
o4 IbUo/o4 IbUo /
- 7 - 25.04.1984- 7 - April 25, 1984
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Die Elemente können innerhalb des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle als z. B. mehrere sich in Strömungsrichtung der Kühlluft hintereinander angeordnete Wärmeaustauschgitter dargestellt sein, wobei sich jeweils einzelne Elemente zu sich gegenüberliegenden Wandbereichen von Kühlkanälen erstrecken. Diese Wärmeaustauschgitter können daneben oder zusätzlich auch noch durch sich in Strömungsrichtung der Kühlluft, d. h. im wesentlichen in Längserstreckung des bzw. der Kühlkanäle, miteinander verbunden sein und z. B. in analoger Weise wie bekannte Kühlluftkanäle mit an einzelnen Wandbereichen vorgesehenen Noppen oder stiften hergestellt sein, so daß auch eine Vergleichmäßigung mit dem im wesentlichen gleichen Fertigungsaufwand über verschiedene Kühlkanalabschnitte erreicht wird.The elements can be used as z. B. several in the direction of flow the cooling air one behind the other arranged heat exchange grids be shown, each individual Elements extend to opposing wall areas of cooling channels. These heat exchange grids can alongside or in addition also through in the flow direction of the cooling air, d. H. essentially in the longitudinal direction the or the cooling channels, be connected to each other and z. B. in an analogous manner to known cooling air ducts be made with knobs or pins provided on individual wall areas, so that an equalization is achieved with essentially the same manufacturing effort over different cooling channel sections.
Als besonders vorteilhaft sind die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 2 bis 9 hervorzuheben, insbesondere im Hinblick auf einen weit verminderten Fertigungsaufwand für eine wesentlich intensivierte Kühlung. So sind die sich kreuzenden Elemente nach der Weiterbildung nach Anspruch 2 als eine oder mehrere in den Durchströmraum bzw. die Kühlkanäle einsetzbare Drahtgewebematte bzw. Drahtgewebematten ausgebildet. Derartige Drahtgewebematten können z. B. durch serienmäßig vorhandene Drahtgewebe dargestellt werden, die sowohl im Drahtdurchmesser als auch in der Maschenweite im Gegensatz zu den Querschnittsabmessungen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle sehr geringe Abmessungen aufweisen, wie sie z. B. bei üblichen Filtersieben anzutreffen sind.The developments of the invention according to claims 2 to 9 are to be emphasized as particularly advantageous, in particular in view of a much reduced production effort for a significantly intensified cooling. So are the intersecting elements according to the development according to claim 2 as one or more in the flow-through space or the cooling channels insertable wire mesh mat or wire mesh mats formed. Such wire mesh mats can e.g. B. be represented by standard wire mesh, both in wire diameter and in the mesh size in contrast to the cross-sectional dimensions of the flow space or the cooling channels have small dimensions, as z. B. are found in conventional filter screens.
Vorzugsweise sind dabei die einzelnen Drähte der Drahtgewebematte mit den jeweiligen Bereichen der Begrenzungswand des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle und auch Vorzugs-The individual wires of the wire mesh mat are preferably connected to the respective areas of the boundary wall of the flow-through space or the cooling channels and also preferred
Kockner-Hümboldt-Deutz AG ΖλΛ »m^i mmW - - -· ■ ■ - Q / 1 R Π βKockner-Hümboldt-Deutz AG ΖλΛ »m ^ i mmW - - - · ■ ■ - Q / 1 R Π β
- 8 - 25.04.1984- 8 - April 25, 1984
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weise an den Kreuzungsstellen miteinander verlötet oder verschweißt. Als wärmeleitende Lötverbindung eignet sich hierzu beispielsweise ein Hartlot (z. B. Degussa-Nickelhartlot 8100 mit einer Löttemperatur von 1420 bis 147O0K).wisely soldered or welded together at the crossing points. As the heat-conductive solder joint is suitable for this purpose, for example, a brazing filler metal (eg. B. Degussa Nickelhartlot 8100 with a brazing temperature of 1420 to 147O 0 K).
Besonders vorteilhaft im Rahmen der Erfindung ist es, wenn eine Drahtgewebematte sich ganz in Längsrichtung eines Kühlkanals bzw. in längeren Abschnitten eines Kühlkanals im wesentlichen wellenförmig erstreckt, indem diese mehrmais gefaltet durch eine wärmeleitende Lot- oder Schweißverbindung der Faltungsbereiche mit der Begrenzungswand verbunden innerhalb der Kühlkanäle vorgesehen ist. Die Lötverbindung der Faltungsbereiche mit der Begrenzungswand ist dabei vorzugsweise so gestaltet, daß auch die sich in Längsrichtung des Kühlkanals erstreckenden Drähte von der wärmeleitenden Lötverbindung des Faltungsbereiches erfaßt sind, um auch die Längsdrähte zur Kühlung und Vergleichmäßigung an diesen Stellen heranzuziehen.It is particularly advantageous within the scope of the invention if a wire mesh mat extends completely in the longitudinal direction of a Cooling channel or in longer sections of a cooling channel extends essentially in a wave-like manner, in that these multiple corns folded by a thermally conductive soldered or welded connection of the fold areas with the boundary wall connected is provided within the cooling channels. The soldered connection of the folding areas with the boundary wall is preferably designed so that the wires extending in the longitudinal direction of the cooling channel from the thermally conductive soldered connection of the fold area are detected to also the longitudinal wires for cooling and equalization to be used at these points.
Durch die im wesentlichen handelsübliche und separat herzustellende Drahtgewebematte ist der Fertigungsaufwand trotz der wesentlich intensiveren Ausnutzung der zur Verfugung stehenden Kühlluft weit vereinfacht, indem die gießtechnischen Anforderungen bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel (z. B. Entfall von besonderen Kernen für die Elemente) erheblich verringert sind. Bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel kann die Drahtgewebematte in eine sich vom Durchströmraum bis zu einer Außenfläche erstreckende öffnung geführt werden und danach durch Lötung oder Schweißung mit der Begrenzungswand der Kühlkanäle verbunden werden. Vor der Faltung der Drahtgewebematte ist diese vorzugsweise in den Faltungsbereichen mit Lot- oder Schweißpunkten zu versehen, wodurch einerseits die FaltungDue to the essentially commercially available and separately manufactured Wire mesh mat is the manufacturing effort despite the much more intensive use of the available standing cooling air far simplified by the casting requirements in the invention Turbine blades (e.g. omission of special cores for the elements) are considerably reduced. In the inventive Turbine blades can convert the wire mesh mat into a space extending from the flow-through space to an outer surface Opening are performed and then by soldering or welding to the boundary wall of the cooling channels get connected. Before the wire mesh mat is folded, it is preferably in the fold areas with solder or To provide welding points, which on the one hand the folding
Klückner-HLimboldt-Deutz AG AIVIlU "Klückner-HLimboldt-Deutz AG AIVILU "
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vereinfacht wird und andererseits auch sichergestellt ist, daß die in Strömungsrichtung längs verlaufenden Drähte zur Wärmeübertragung mit herangezogen werden können.is simplified and on the other hand it is also ensured that the wires running longitudinally in the direction of flow to Heat transfer can also be used.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel verwiesen. In den Zeichnungen sind nur die zum unmittelbaren Verständnis dargestellten Ausschnitte der innen gekühlten Turbinenschaufel dargestellt. Es zeigen:To further explain the invention, reference is made to the exemplary embodiments shown schematically in the drawings referenced the turbine blade according to the invention. In the The drawings are only the sections of the internally cooled turbine blade shown for direct understanding shown. Show it:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer innen gekühlten Turbinenschaufel mit axialer Kühlluftführung;1 shows a first exemplary embodiment of an internally cooled turbine blade with an axial cooling air duct;
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt A der Drahtgewebematte nach dem Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel der Fig. 1;2 shows an enlarged section A of the wire mesh mat according to the exemplary embodiment of the turbine blade of Fig. 1;
Fig. 3 ausschnittsweise die Drahtgewebematte in Strömungsrichtung
der Kühlluft entsprechend der Schnittlinien III-III in Fig. 1;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen3 shows a detail of the wire mesh mat in the flow direction of the cooling air according to the section lines III-III in FIG. 1;
Fig. 4 shows an embodiment of the invention
Turbinenschaufel mit radialer Kühlluftführung in einer schematischen Querschnittsdarstellung.Turbine blade with radial cooling air duct in a schematic cross-sectional view.
In den Fig. 1 bis 4 sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Allgemein mit 1 ist das Schaufelblatt einer nicht im einzelnen dargestellten Turbinenschaufel einer Radial- oder Axialturbine für Gasturbienentriebwerke bezeichnet. Das Schaufelblatt 1 der Turbinenschaufel weist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Kühlkanäle 2 auf, die von an geeigneter Stelle des nicht gezeigten Verdichters des Gasturbinentriebwerks entnommener Kühlluft in axialer Richtung der Radial- bzw. Axialturbine durchströmt werden (Pfeile 2a). Innerhalb der1 to 4 are basically equivalent Parts are given the same reference numbers. Generally with 1, the airfoil is one not shown in detail Turbine blades of a radial or axial turbine for gas turbine engines. The blade 1 In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the turbine blade has cooling channels 2, which are connected to a suitable point of the Cooling air removed from the compressor of the gas turbine engine, not shown, in the axial direction of the radial or Flow through the axial turbine (arrows 2a). Within the
K-_:«ner-Humbo!dt-DeutzAG ΑΛΜίϊϊ· - O / Λ Ω Γι Q1 K -_: «ner-Humbo! Dt-DeutzAG ΑΛΜίϊϊ · - O / Λ Ω Γι Q1
- 10 - 25.04.1984- 10 - 04/25/1984
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Kühlkanäle 2 sind die erfindungsgemäß gestalteten sich kreuzenden Elemente 3 zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche angeordnet. Die sich kreuzenden Elemente 3 bestehen aus einzelnen Drähten einer in der Gesamtheit mit 4 bezeichneten Drahtgewebematte, die mit mehreren Faltungsbereichen 5 sich im wesentlichen wellenartig in Strömungsrichtung 2a der Kühlluft erstreckt. Cooling channels 2 are designed according to the invention intersecting elements 3 arranged to increase the heat exchange surface. The intersecting elements 3 exist of individual wires of a wire mesh mat, designated in its entirety by 4, which has several folding areas 5 extends essentially in a wave-like manner in the flow direction 2a of the cooling air.
Der vergrößerte Ausschnitt A der Drahtgewebematte 4 des Ausführungsbeispiels der Turbinenschaufel nach Fig. 1 (Fig. 2) und die Ansicht in Strömungsrichtung entsprechend der Schnittlinie III-III der Fig. 1 (Fig. 3) verdeutlichen die Gestaltung und Anordnung der Drahtgewebematte 4 innerhalb der Kühlluftkanäle 2. Die Drahtgewebematte 4 erstreckt sich einstückig im wesentlichen wellenartig innerhalb der Kühlkanäle 2 und durchsetzt quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft vollständig die Kühlkanäle 2. Die quer zur Strömungsrichtung 2a der Kühlluft verlaufenden Drähte 3 sind jeweils zur besseren Wärmeleitung mit den wellenartig in Längsrichtung der Kühlkanäle 2 verlaufenden Längsdrähten verbunden. Die Drahtgewebematte 4 ist mit gegenüberliegenden Begrenzungswänden 6 durch eine wärmeleitende Lötverbindung 9 verbunden.The enlarged section A of the wire mesh mat 4 of the exemplary embodiment of the turbine blade according to FIG. 1 (Fig. 2) and the view in the flow direction according to the section line III-III of Fig. 1 (Fig. 3) the design and arrangement of the wire mesh mat 4 within the cooling air ducts 2. The wire mesh mat 4 extends is in one piece essentially wave-like within the cooling channels 2 and completely penetrates the cooling channels 2 transversely to the direction of flow of the cooling air Wires 3 running transversely to the direction of flow 2a of the cooling air are each connected to the for better heat conduction Wave-like connected in the longitudinal direction of the cooling channels 2 extending longitudinal wires. The wire mesh mat 4 is with opposing boundary walls 6 connected by a heat-conductive soldered connection 9.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Drahtgewebematte in analoger Weise gestaltet wie in den Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit in Strömungsrichtung der Kühlluft sich wellenartig erstreckenden Verlauf, in diesem Ausführungsbeispiel die Drahtgewebematte 4, über die gesamte Länge des im wesentlichen radial gerichteten Kühlluftkanals der Turbinenschaufel (Durchströmraum 10) erstreckt. In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the wire mesh mat is designed in a manner analogous to that in the exemplary embodiment according to Fig. 1 with a wave-like extending in the flow direction of the cooling air, in this Exemplary embodiment, the wire mesh mat 4, over the entire length of the essentially radially directed cooling air duct the turbine blade (through-flow space 10) extends.
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20-mats are formed.
20th
20extends undulating.
20th
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1985
- 1985-04-28 EP EP85105185A patent/EP0160291B1/en not_active Expired
- 1985-04-28 DE DE8585105185T patent/DE3562939D1/en not_active Expired
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| EP0160291A1 (en) | 1985-11-06 |
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