EP0004482B1 - Dispositif de protection des aubages d'une turbine à vapeur - Google Patents

Dispositif de protection des aubages d'une turbine à vapeur Download PDF

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EP0004482B1
EP0004482B1 EP19790400033 EP79400033A EP0004482B1 EP 0004482 B1 EP0004482 B1 EP 0004482B1 EP 19790400033 EP19790400033 EP 19790400033 EP 79400033 A EP79400033 A EP 79400033A EP 0004482 B1 EP0004482 B1 EP 0004482B1
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turbine
pressure
balance
tapping
flow
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EP0004482A2 (fr
EP0004482A3 (en
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Jean-Marc Pugnet
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Creusot Loire SA
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Creusot Loire SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/14—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to other specific conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure

Definitions

  • the present invention relates to a device for protecting the movable blades of steam turbines.
  • the moving blades of the steam turbines are subjected to various stresses coming from the centrifugal force due to the rotation of the rotor, from the driving force of the steam deflected by the blades, and from variations in the thrust of the steam on these blades. These stresses create a state of stress in the material constituting the fins which must be limited taking into account the mechanical characteristics of this material in its conditions of use.
  • the maximum performance of a blading is a function of the vapor flow rate passing through the corresponding stage and the enthalpy drop in this stage, that is to say the energy recoverable therein.
  • the simplest protection device usually used includes a pressure (or vacuum) switch installed at the exhaust, with one or more low thresholds, which then warns operators, in the event of a prohibitive drop in pressure or vacuum at '' by triggering alarms and possibly safety devices.
  • a pressure (or vacuum) switch installed at the exhaust, with one or more low thresholds, which then warns operators, in the event of a prohibitive drop in pressure or vacuum at '' by triggering alarms and possibly safety devices.
  • a pressure (or vacuum) switch installed at the exhaust, with one or more low thresholds, which then warns operators, in the event of a prohibitive drop in pressure or vacuum at '' by triggering alarms and possibly safety devices.
  • the low threshold defined above is fixed whatever the steam flow rate, and is therefore not suitable for the operation of the machine.
  • a little more sophisticated protection devices are also known, such as for example that described in the publication DD-A-97919, produced using a differential pressure comparator placed between the exhaust and one of the intermediate stages. of the turbine. Such devices provide protection necessarily defined by a straight line with a slope equal to 1, which again does not correspond in any way to the actual operation of the machine.
  • Publication DE-C-938425 for example describes a device making it possible to provide an indication relating to the fouling of a steam turbine, and capable of acting on the regulation of the machine by limiting the steam flow in the event of fouling.
  • Such a device operates by means of pressure taps carried out on various stages of the machine and directed, by means of bellows devices transforming each pressure into a force, on torque balance scales.
  • the invention relates to a protection device which makes it possible to adapt the intervention threshold to the running of the machine, thereby creating a much greater operating flexibility.
  • fig. 2 shows an identical diagram, but relating to the high power steps of the machine, the vertical line to the right of the curve corresponding to the maximum steam flow rate which can pass through the turbine.
  • Fig. 3 finally is another diagram of the same type, but relating to a turbine which can operate both for low flow rates and for high flow rates.
  • the portion located on the left corresponds to the protection of the first blades, and the portion located on the right to protect the last blades of the turbine.
  • Curve 5 represents the simple protection produced by the fixed threshold devices of the prior art
  • curve 6 the level of protection produced by the present invention: the area 7 delimited by the straight lines 5 and 6 therefore corresponds to the gain in possibility of safe operation obtained thanks to the invention.
  • a conventional counter-pressure turbine is recognized, provided, inter alia, with a steam inlet 8, an adjustment valve 9, injection sectors 10, distributors 11, a rotor 12 packed wheels 13 provided with blades 14.
  • the references 15 and 16 designate the rear and front bearings respectively, provided with their bearings 17 and 18. There are also the stop 19 and the exhaust flange 20.
  • the reference 21 also designates the instrumentation organs used for the speed regulation of the machine, the reference 22 a safety device, and the reference 33 the coupling to the driven machine, such as an alternator for example.
  • the turbine is further provided with an exhaust pressure tap 23 and a pressure tap on the first stage 24.
  • the invention is in fact based on the fact that the pressure at the stage is substantially proportional to the vapor flow rate which passes through this stage. From the outlet 23, the exhaust pressure P E is therefore obtained and from the outlet 24 a pressure is obtained which is practically proportional to the flow rate, which will be designated by D.
  • the pressure outputs P E and D of FIG. 5 are sent, via bellows 25 and 26 of effective sections Si and S 2 , or by any other device making it possible to transform said pressures into forces; such as diaphragms, pistons, Bourdon tubes, spirals, etc ...., on the lever 27 of a balance with equilibrium of torques 28, articulated around an axis 34, at points dis tants of this axis of quantities A 1 and A 2 .
  • the straight line 6 representing the protection to be achieved.
  • the torque transmitted to the lever 27 by the pressures P E and D is equal to:
  • a reference spring 29 makes it possible to exert on the lever 27 an additional torque.
  • the cross sections S 1 and S 2 of the bellows 25 and 26, and the lever arms A 1 and A 2 are chosen so that the ratio: is equal to the slope of the straight line 6 of fig. 7 representing the protection for which the system is designed, after transposition into the coordinate system P E and D with the corresponding units.
  • Fig. 8 shows such a double sensor element, such as that which can be installed on the back pressure turbine of FIG. 5, the left part of the figure carrying out the protection of the last stage, and the right part thereof protecting the first stage thereof.
  • the invention finds its main use in the field of energy production by steam turbines.

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Description

  • La présente invention concerne un dispositif de protection des aubages mobiles des turbines à vapeur.
  • Les aubes mobiles des turbines à vapeur sont soumises à diverses sollicitations provenant de la force centrifuge due à la rotation du rotor, de l'effort moteur de la vapeur déviée par les aubages, et des variations de la poussée de la vapeur sur ces aubages. Ces sollicitations créent un état de contrainte dans le matériau constitutif des ailettes qui doit être limité compte tenu des caractéristiques mécaniques de ce matériau dans ses conditions d'utilistion.
  • Par ailleurs, les performances maximales d'un aubage sont fonction du débit de vapeur passant dans l'étage correspondant et de la chute enthal- pique dans cet étage, c'est-à-dire de l'énergie récupérable dans celui-ci.
  • Des limites d'utilisation du matériau constitutif des ailettes, dans leurs conditions de sollicitation, on déduit des plages limites de fonctionnement de l'ensemble de la turbine.
  • De manière connue en soi, on trouve que la plage d'utilisation d'une turbine s'arrête:
    • - soit à la limite d'utilisation des aubages du premier étage de la turbine pour les marches à faible puissance de la machine,
    • - soit à la limite d'utilisation des aubages du dernier étage de la turbine pour les marches à puissance importante de celle-ci.
    • - Soit à une combinaison de ces deux limites dans le cas où la machine est amenée à fonctionner aussi bien à des puissances faibles qu'à des puissances élevées.
  • Par ailleurs, il peut s'avérer indispensable de protéger la machine dans tous les cas où les conditions de pression (ou de vide) à l'échappement risquent de s'éloigner des conditions normales de fonctionnement dans le sens de la baisse.
  • Le dispositif de protection le plus simple utilisé habituellement comporte un contacteur de pression (ou de vide) installé à l'échappement, à un ou plusieurs seuils bas, qui avertit alors les opérateurs, en cas de baisse prohibitive de pression ou de vide à l'échappement, par le déclenchement d'alarmes et éventuellement de sécurités. Un tel dispositif ne permet toutefois pas d'utiliser la turbine dans toutes ses possibilités, du fait que le seuil bas ci-dessus défini est fixe quel que soit le débit de vapeur, et n'est donc pas adapté à la marche de la machine.
  • On connaît par ailleurs des dispositifs de protection un peu plus perfectionnés, tels que par exemple celui décrit dans la publication DD-A-97919, réalisés à l'aide d'un comparateur différentiel de pressions placé entre l'échappement et un des étages intermédiaires de la turbine. De tels dispositifs réalisent une protection définie nécessairement par une droite de pente égale à 1, ce qui ne correspond là encore nullement à la marche réelle de la machine.
  • En ce qui concerne sur un plan plus général la technique de protection des turbines à vapeur, on connaît des dispositifs utilisant dans ce but des balances à équilibre de couples. La publication DE-C-938425 par exemple décrit un dispositif permettant de fournir une indication relative à l'encrassement d'une turbine à vapeur, et susceptible d'agir sur la régulation de la machine en limitant le débit de vapeur en cas d'encrassement. Un tel dispositif fonctionne à l'aide de prises de pression effectuées sur divers étages de la machine et dirigées, par l'intermédiaire de dispositifs à soufflets transformant chaque pression en une force, sur des balances à équilibre de couples.
  • L'application éventuelle de ce dispositif connu au problème concerné plus spécialement par l'invention conduirait encore à une protection définie par une droite de pente égale à 1.
  • L'invention se rapporte à un dispositif de protection qui permet d'adapter le seuil d'intervention à la marche de la machine, créant ainsi une souplesse d'exploitation beaucoup plus grande.
  • Le dispositif de protection de l'invention est du type comportant:
    • - au moins une prise de pression (PE) effectuée à l'échappement de la turbine,
    • - au moins une prise de mesure de débit effectuée dans un étage qui n'est pas le dernier et qui passe le débit traversant les aubages à protéger,
    • - au moins un premier dispositif relié à la prise de pression d'échappement (PE), et permettant de transformer, avec un coefficient de transfert (Sl), ladite pression d'échappement en une force (PE-Sl),
    • - au moins un second dispositif relié à la prise de mesure de débit (D), et permettant de transformer, avec un coefficient de transfert (S2), ladite mesure de débit en une force (D.S2),
    • - au moins une balance à équilibre de couples sur laquelle viennent agir lesdites forces, et il est caractérisé en ce que lesdits premier et second dispositifs ont des coefficients de transfert (respectivement Si et S2) tels, et en ce que lesdites forces sont appliquées sur ladite balance respectivement en des points définissant des bras de leviers respectifs (A1) et (A2) et suivant des directions tels, que la pente
      Figure imgb0001
      de la droite obtenue en écrivant l'équation d'équilibre de ladite balance, corresponde à celle de la droite constituant l'approximation de la courbe donnant la limite d'utilisation de la turbine en fonction du débit de vapeur qui la traverse et de la pression à l'échappement, ladite balance comportant en outre:
    • - soit un dispositif de transmission analogique, relié à un ou plusieurs systèmes d'asservissement, d'alarme ou de sécurité,
    • - soit une consigne correspondant à l'ordonnée à l'origine de ladite droite, ainsi qu'une butée et un ou plusieurs contacteurs tout-ou-rien reliés chacun à au moins un dispositif d'alarme ou de sécurité.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de quelques exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
    • - la fig. 1 représente la courbe donnant la limite d'utilisation de la turbine, pour les marches à faible puissance de celle-ci, en fonction du débit de vapeur qui la traverse et de la pression à l'échappement,
    • - la fig. 2 est de même la courbe donnant la limite d'utilisation de la turbine, pour les marches à forte puissance de celle-ci, en fonction du débit de vapeur qui la traverse et de la pression à l'échappement,
    • - la fig. 3, qui est une combinaison des deux figures précédentes, représente la courbe donnant la limite d'utilisation de la turbine, pour les marches à faible et forte puissances de celle-ci, en fonction du débit de vapeur qui la traverse et de la pression à l'échappement,
    • - la fig. 4 représente, dans le cas d'une turbine fonctionnant à forte puissance, la courbe limite de sécurité de la fig. 2, sur laquelle on a également représenté le niveau de protection simple réalisé à l'aide des dispositifs à seuil simple connus actuellement, et le niveau de protection réalisé par l'invention,
    • - la fig. 5 représente schématiquement, à titre d'exemple, une turbine à contre-pression équipée de prises de pression à l'échappement et au premier étage conformément à l'invention,
    • - la fig. 6 montre une réalisation de la protection selon l'invention à l'aide d'un dispositif par tout-ou-rien et à l'aide d'un dispositif de la fig. 6,
    • - la fig. 8 représente schématiquement une protection combinée selon l'invention permettant de réaliser, sur une turbine à contre-pression, la protection du dernier et premier étage, conformément à la courbe de la fig. 3.
  • Sur la fig. 1, on a porté en abscisses le débit de vapeur passant dans une turbine fonctionnant à faible puissance, et en ordonnées la pression à l'échappement (ou pression résiduelle dans le cas d'une turbine à contre-pression). La courbe représentée est la courbe qui donne la limite inférieure admissible sans risque pour les aubages de pression d'échappement ou de pression résiduelle pour les différents débits de vapeur susceptibles de traverser la turbine. Cette courbe est tracée point par point, en procédant de la façon suivante:
    • - en admettant un certain niveau de contrainte dans les aubages, on calcule, à partir de celui-ci, la pression limite à l'échappement en fonction des différents débits qui peuvent passer dans la machine et en reliant les différents points, on obtient la courbe représentée qui délimite, en dessous d'elle, une zone de fonctionnement interdit, hachurée sur la figure.
  • De même la fig. 2 représente un diagramme identique, mais relatif aux marches à forte puissance de la machine, le trait vertical à droite de la courbe correspondant au débit de vapeur maximal qui peut passer dans la turbine.
  • La fig. 3 enfin est un autre diagramme de même type, mais relatif à une turbine pouvant fonctionner aussi bien pour des débits faibles que pour des débits élevés. Dans ce cas, on remarquera que la portion située à gauche correspond à la protection des premiers aubages, et la portion située à droite à la protection des derniers aubages de la turbine.
  • Sur la fig. 4, représentant également un réseau de courbes ayant en abscisses le débit et en ordonnées la pression d'échappement, la droite verticale 1 représente à nouveau le débit maximal admissible dans la turbine, la courbe 2 la limite de protection des aubages, très proche d'une droite en réalité, délimitant avec la droite 1 une zone 3 de fonctionnement interdit. A titre indicatif, on a en outre tracé la caractéristique 4 de marche normale de la machine qui serait dans ce cas à condensation et à débit constant d'eau de refroidissement.
  • La courbe 5 représente la protection simple réalisée par les dispositifs à seuil fixe de l'art antérieur, et la courbe 6 le niveau de protection réalisé par la présente invention: la zone 7 délimitée par les droites 5 et 6 correspond par suite au gain de possibilité de fonctionnement sans danger obtenu grâce à l'invention.
  • Sur la fig. 5, on reconnaît une turbine à contre- pression classique, munie, entre autres, d'une admission de vapeur 8, d'une soupape de réglage 9, de secteurs d'injection 10, de distributeurs 11, d'un rotor 12 garnis de roues 13 munies d'aubages 14.
  • Les références 15 et 16 désignent respectivement les paliers arrière et avant, munis de leurs coussinets 17 et 18. On distingue par ailleurs la butée 19 et la bride d'échappement 20. La référence 21 désigne en outre les organes d'instrumentation utilisés pour la régulation de vitesse de la machine, la référence 22 un organe de sécurité, et la référence 33 l'accouplement à la machine entraînée, tel qu'un alternateur par exemple.
  • Conformément à l'invention, la turbine est en outre munie d'une prise de pression à l'échappement 23 et d'une prise de pression sur le premier étage 24. L'invention se base en effet sur le fait que la pression à l'étage est sensiblement proportionnelle au débit de vapeur qui traverse cet étage. De la prise 23, on obtient donc la pression à l'échappement PE et de la prise 24 on obtient une pression pratiquement proportionnelle au débit, que l'on désignera par D.
  • En se reportant maintenant à la fig. 6, on voit que les sorties de pression PE et D de la fig. 5 sont envoyées, par l'intermédiaire de soufflets 25 et 26 de sections efficaces Si et S2, ou par tout autre dispositif permettant de transformer lesdites pressions en forces; tels que diaphragmes, pistons, tubes de Bourdon, spirales, etc...., sur le levier 27 d'une balance à équilibre de couples 28, articulée autour d'un axe 34, en des points distants de cet axe de quantités A1 et A2. Sur la fig. 7, on a figuré à nouveau, dans le système de coordonnées (PE; D), la droite 6 représentant la protection à réaliser. Le couple transmis au levier 27 par les pressions PE et D est égal à:
    Figure imgb0002
  • Sur la partie supérieur droite de la fig. 6, qui représente le cas de la détection par tout-ou-rien, un ressort de consigne 29 permet d'exercer sur le levier 27 un couple supplémentaire.
  • Conformément à l'invention, les sections efficaces S1 et S2 des soufflets 25 et 26, et les bras de levier A1 et A2 sont choisis de façon à ce que le rapport:
    Figure imgb0003
    soit égal à la pente de la droite 6 de la fig. 7 représentant la protection pour laquelle le système est conçu, après transposition dans le système de coordonnées PE et D avec les unités correspondantes.
  • Si C (fig. 7) représente la valeur arithmétique de l'ordonnée à l'origine de la droite 6, en choisissant le ressort 29 et la position de celui-ci de façon à ce qu'il transmette au levier 27 un couple égal à C, on voit que l'équation de l'équilibre de la balance 28: PE.S1.A1 - D-S2.A2 - C = 0 correspond à l'équation de la droite 6 de la fig. 7. Par suite si, pour une certaine valeur du débit, la pression à l'échappement PE descend au-dessous de la valeur correspondant à l'équilibre de la balance, c'est-à-dire au point correspondant de la droite 6 sur la fig. 7, le bras 27, jusqu'alors en appui sur une butée 31, bascule et vient actionner le commutateur 30 qui peut déclencher selon le cas une alarme, une pré-alarme, une sécurité, etc.
  • Lorsque, au contraire, on est dans la zone permise, située au-dessus de la courbe 6, le bras 27 reste en appui sur la butée 31.
  • De la même façon, il est possible d'effectuer une transmission analogique, tel que figuré sur la partie inférieure droite de la fig. 6, où le bras 27 est relié à un transmetteur de force 32. Un tel dispositif permet de donner en continu la position relative du point de fonctionement par rapport à la courbe de protection. Il permet d'exercer une action automatique sur des dispositifs de sécurité ayant une action tout-ou-rien, ou régulée, sur la pression (ou vide) à l'échappement de la turbine. Dans le cas où le transmetteur de force transmet son signal à un régulateur permettant de limiter le débit de vapeur à la valeur correspondante de la courbe de protection pour les conditions de fonctionnement, le dispositif de l'invention permet d'exercer une action automatique sur la régulation de la machine, et il s'intègre alors au système général de régulation de cette dernière.
  • Par ailleurs, dans le cas de vides condenseurs, il est possible, tel que connu en soi dans la technique des pressostats et des transmetteurs de pression différentielle, de se rendre indépendant des variations de pression atmosphérique en introduisant, face au soufflet 25, un autre soufflet de même efficacité dans lequel le vide absolu aura été réalisé en laboratoire. La pression PE intervient dans ce cas par sa valeur absolue et non pas par sa différence par rapport à la pression atmosphérique.
  • Pour réaliser la protection combinée correspondant au cas de la fig. 3, il est nécessaire d'installer deux dispositifs, l'un pour le premeir étage de la turbine, l'autre pour le dernier étage, et de faire ensuite éventuellement une combinaison logique ou analogique des signaux obtenus. La fig. 8 représente un tel élément capteur double, tel qu'installable sur la turbine à contre-pression de la fig. 5, la partie gauche de la figure réalisant la protection du dernier étage, et la partie droite de celle-ci la protection du premier étage de celle-ci.
  • L'invention trouve son utilisation principale dans le domaine de la production d'énergie par turbines à vapeur.

Claims (5)

1. Dispositif de protection des aubages mobiles d'une turbine à vapeur, en particulier d'une turbine à condensation ou à contrepression, ledit dispositif de protection comportant:
- au moins une prise (23) de pression (PE) effectuée à l'échappement de la turbine,
- au moins une prise (24) de mesure de débit (D) effectuée dans un étage qui n'est pas le dernier et qui passe le débit traversant les aubages à protéger,
- au moins un premier dispositif (25), relié à la prise de pression d'échappement (PE), et permettant de transformer, avec un coefficient de transfert (Sl), ladite pression d'échappement en une force (PE-Sl),
- au moins un second dispositif (26), relié à la prise de mesure de débit (D), et permettant de transformer, avec un coefficient de transfert (S2), ladite mesure de débit en une force (D.S2),
- au moins une balance à équilibre de couples (28) sur laquelle viennent agir lesdites forces, caractérisé en ce que lesdits premier et second dispositifs (respectivement 25 et 26), ont des coefficients de transfert (respectivement S1 et S2) tels, et en ce que lesdites forces sont appliquées sur ladite balance respectivement en des points définissant des bras de leviers respectifs (A1) et (A2) et suivant des directions tels, que la pente
Figure imgb0004
de la droite obtenue en écrivant l'équation d'équilibre de ladite balance, corresponde à celle de la droite (6) constituant l'approximation de la courbe (2) donnant la limite d'utilisation de la turbine en fonction du débit de vapeur qui la traverse et de la pression à l'échappement, ladite balance comportant en outre:
- soit un dispositif (32) de transmission analogique, relié à un ou plusieurs systèmes d'asservissement, d'alarme, ou de sécurité,
- soit une consigne (29) correspondant à l'ordonnée à l'origine (C) de ladite droite, ainsi qu'une butée (31) et un ou plusieurs contacteurs tout-ou-rien reliés chacun à au moins un dispositif d'alarme ou de sécurité (30).
2. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la prise (24) de mesure de débit est une prise de pression.
3. Dispositif de protection selon la revendication 1 ou la revendication 2, appliqué au cas des turbines à condensation, caractérisé, en ce que ledit premier dispositif (25) permet de transformer la pression d'échappement (PE) en une force indépendante de la pression atmosphérique.
4. Dispositif de protection selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les dispositifs (25, 26) permettant de transformer en forces lesdites pressions sont constitués par des soufflets et en ce que, face au soufflet (25) relié à la prise d'échappement (PE) se trouve un autre soufflet de même efficacité que celui-ci, mais dans lequel a été réalisé le vide absolu.
5. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, du type selon lequel on désire protéger la turbine aussi bien pour les marches à faibles puissances qu'à fortes puissances de celle-ci, caractérisé en ce qu'il comporte une première balance assurant la protection du premier étage de ladite turbine, et une seconde balance assurant la protection du dernier étage de celle-ci (fig. 8).
EP19790400033 1978-03-17 1979-01-16 Dispositif de protection des aubages d'une turbine à vapeur Expired EP0004482B1 (fr)

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FR7807732A FR2420028A1 (fr) 1978-03-17 1978-03-17 Dispositif de protection des aubages d'une turbine a vapeur

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EP0004482A2 EP0004482A2 (fr) 1979-10-03
EP0004482A3 EP0004482A3 (en) 1979-10-17
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DE (1) DE2960387D1 (fr)
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FR2420028B1 (fr) 1982-09-03
FR2420028A1 (fr) 1979-10-12
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