EP0837286A2 - Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt - Google Patents

Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt Download PDF

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EP0837286A2
EP0837286A2 EP97114340A EP97114340A EP0837286A2 EP 0837286 A2 EP0837286 A2 EP 0837286A2 EP 97114340 A EP97114340 A EP 97114340A EP 97114340 A EP97114340 A EP 97114340A EP 0837286 A2 EP0837286 A2 EP 0837286A2
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EP
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ring
head section
air inlet
combustion chamber
openings
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Achim Schmid
Manfred Schwithal
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
BMW Rolls Royce GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber of a gas turbine with an annular Head section, within which a front plate for receiving Burners are provided, which have annularly arranged air inlet openings be supplied with a primary air stream in the head section, and the front plate still being fixed by screw connections in the combustion chamber combustion chamber provided heat shields.
  • a combustion chamber of a gas turbine with an annular Head section, within which a front plate for receiving Burners are provided, which have annularly arranged air inlet openings be supplied with a primary air stream in the head section, and the front plate still being fixed by screw connections in the combustion chamber combustion chamber provided heat shields.
  • the center of this Ring usually coincides with the central axis or central longitudinal axis the ring combustion chamber together.
  • the solution to this problem is characterized in that mounting openings for the screw connections are provided in the head section, the mounting openings not being outside the ring described by the air inlet openings.
  • the stagnation points which form on the outside of the head section with respect to the flow against the assembly openings can describe a ring which is not outside the ring described by the stagnation points of the air inlet openings.
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section through a combustion chamber head section with the heat shield fitted
  • FIG. 2 shows the view X.
  • Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a combustion chamber head section with the heat shield fitted
  • FIG. 2 shows the view X.
  • Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a combustion chamber head section with the heat shield fitted
  • FIG. 2 shows the view X.
  • Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a combustion chamber head section with the heat shield fitted
  • FIG. 2 shows the view X.
  • Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a combustion chamber head section with the heat shield fitted
  • FIG. 2 shows the view X.
  • Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a combustion chamber head section with the heat shield fitted
  • FIG. 2 shows the view X.
  • Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a combustion chamber head section with the heat shield fitted
  • FIG. 2 shows the view X.
  • Fig. 1 shows a partial longitudinal section
  • Reference number 1 denotes the head section of an otherwise not shown usual annular, a central axis or central longitudinal axis Z having gas turbine combustor, within which how Usually a front panel 2 for receiving burners, not shown is provided.
  • the front panel 2 has a plurality of rings Passage openings 3, within each of which the expert known burner collar 4 is provided.
  • Flames are annular on the end face of this annular combustion chamber 5 arranged heat shields 6, which are carried by the front panel 2 will.
  • each heat shield 6 has, as usual, several (preferably four) threaded bolts 7, each of the front panel 2 in a push-through opening 8 penetrate so that on the back, d. H. in room 13 between the front panel 2 and the head section 1 on each threaded bolt 7 a bolt nut 9 can be screwed on.
  • FIG. 2 shows the air inlet openings 10 arranged in a ring for the burners, these air inlet openings 10 being coaxial with the through openings 3 are arranged, as Fig. 3a shows.
  • Fig. 2 are also the Center lines formed by the threaded bolt 7 and the bolt nut 9 Heat shield screw connections 11 represented by crosses.
  • Um now to be able to assemble these screw connections 11 in a simple manner, d. H. around the bolt nuts 9 simply put on the threaded bolts 7 and to be able to tighten are suitably placed, d. H. especially coaxial to the screw connections 11, i.e. Mounting openings lying coaxially to their center lines 12 provided in the head section 1.
  • Their training goes in particular also from Fig. 3b.
  • each screw connection 11 can now be opened via these assembly openings 12 assembled in a simple manner, i.e. each bolt nut 9 simply on the respective Threaded bolt 7 can be applied, however, could be through these mounting holes 12 part of the primary air flow for supplying the burners, which via the air inlet openings 10 in the space 13 between the Head section 1 and the front panel 2 came out again.
  • the mounting openings 12 are in accordance with the following Description arranged:
  • the combustion chamber head section 1 is flowed towards in the direction of arrow X by an air flow which is conveyed by a compressor upstream of the combustion chamber.
  • S the stagnation points denoted by S (see FIG. 3a)
  • the flow velocity of the air flow brought up has the value 0 ", while the static pressure has its maximum value.
  • the pressure and flow conditions which result from this in the direction of the arrow X (see FIG 1) brought in air flow ensures that no partial air flow from the room 13 can then pass through the mounting openings 12 against the direction of the arrow X to the outside. Rather, an additional air stream is guided into the space 13 via the mounting openings 12, which is basically desirable.
  • the definition of the rings 12 'and 10' can also be simplified, ie not via the stagnation points S, although this definition reproduces the physical conditions particularly well via the stagnation points S and in particular can also explain the desired effect based on the physical conditions.
  • the design according to the invention can also be described in a simplified manner in that the air inlet openings 10 themselves form a ring 10 ′′, inside or not outside of which the mounting openings 12 should lie. In other words, this means that all of the air inlet openings 10 describe a ring 10 ′′, on the ring surface of which the air inlet openings 10 are precisely adapted in the radial direction.
  • the outer radius R a of this ring 10 ′′ thus corresponds to the maximum extension R x of the air inlet openings 10 in the radial direction (with respect to the central axis Z), while the inner radius R i of the ring 10 ′′ corresponds to the minimum extension R y of the air inlet openings 10 in the radial direction corresponds.
  • the head section 1 has in the area of the air inlet openings 10 and in the area of the mounting openings 12 from the outside flow dynamically protruding into the inside (i.e. into space 13) trained opening edges 14, since this causes the flow conditions, d. H . especially the inflow of air flow is improved in the direction of arrow X in room 13.
  • this can as well as a variety of other details, especially of a constructive nature deviate from the embodiment shown, without to leave the content of the claims.

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Abstract

Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt, innerhalb dessen eine Frontplatte zur Aufnahme von Brennern vorgesehen ist, welche über ringförmig angeordnete Lufteintrittsöffnungen im Kopfabschnitt mit einem Primärluftstrom versorgt werden, wobei die sich bezüglich der Anströmung der Lufteintrittsöffnungen an der Außenseite des Kopfabschnittes bildenden Staupunkte einen Ring beschreiben, innerhalb dessen die Lufteintrittsöffnungen liegen,und wobei die Frontplatte weiterhin über Verschraubungen fixierte, im Brennkammer-Brennraum vorgesehene Hitzeschilder trägt,dadurch gekennzeichnet, daß im Kopfabschnitt Montageöffnungen für die Verschraubungen vorgesehen sind, wobei die sich bezüglich der Anströmung der Montageöffnungen an der Außenseite des Kopfabschnittes bildenden Staupunkte einen Ring beschreiben, der nicht außerhalb des von den Staupunkten der Lufteintrittsöffnungen beschriebenen Ringes liegt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt, innerhalb dessen eine Frontplatte zur Aufnahme von Brennern vorgesehen ist, welche über ringförmig angeordnete Lufteintrittsöffnungen im Kopfabschnitt mit einem Primärluftstrom versorgt werden, und wobei die Frontplatte weiterhin über Verschraubungen fixierte, im Brennkammer-Brennraum vorgesehene Hitzeschilder trägt. Insbesondere können dabei die sich bezüglich der Anströmung der Lufteintrittsöffnungen an der Außenseite des Kopfabschnittes bildenden Staupunkte einen Ring beschreiben, innerhalb dessen die Lufteintrittsöffnungen liegen. Das Zentrum dieses Ringes fällt dabei üblicherweise mit der Zentralachse bzw. Mittel-Längsachse der Ringbrennkammer zusammen.
In der US 5,419,115 ist eine Gasturbinen-Brennkammer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt. Nicht näher ersichtlich ist aus dieser Schrift, wie die Verschraubungen der Hitzeschilder montiert werden, es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die Bolzenmuttern, welche auf die die Frontplatte durchdringenden Gewindebolzen der Hitzeschilder im Raum zwischen der Frontplatte und dem Kopfabschnitt aufgeschraubt werden, über die Brenner-Lufteintrittsöffnungen des Kopfabschnittes eingebracht werden und ebenfalls über diese Lufteintrittsöffnungen mittels eines geeigneten Werkzeuges festgezogen werden. Da diese Vorgehensweise jedoch relativ aufwendig ist, hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine vereinfachte Montagemöglichkeit aufzuzeigen, ohne daß hierdurch Nachteile hinsichtlich der Luftströmungsverhältnisse in Kauf genommen werden müssen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß im Kopfabschnitt Montageöffnungen für die Verschraubungen vorgesehen sind, wobei die Montageöffnungen nicht außerhalb des von den Lufteintrittsöffnungen beschriebenen Ringes liegen. Insbesondere können die sich bezüglich der Anströmung der Montageöffnungen an der Außenseite des Kopfabschnittes bildenden Staupunkte einen Ring beschreiben, der nicht außerhalb des von den Staupunkten der Lufteintrittsöffnungen beschriebenen Ringes liegt.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles. Dabei zeigt Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch einen Brennkammer-Kopfabschnitt mit montiertem Hitzeschild, Fig. 2 die Ansicht X aus Fig. 1, Fig. 3a den Schnitt A-A aus Fig. 2 und Fig. 3b den Schnitt B-B aus Fig. 2.
Mit der Bezugsziffer 1 ist der Kopfabschnitt einer ansonsten nicht näher dargestellten, üblichen ringförmigen, eine Zentralachse bzw. Mittellängsachse Z aufweisenden Gasturbinen-Brennkammer bezeichnet, innerhalb dessen wie üblich eine Frontplatte 2 zur Aufnahme von nicht dargestellten Brennern vorgesehen ist. Hierzu weist die Frontplatte 2 mehrere ringförmig angeordnete Durchtrittsöffnungen 3 auf, innerhalb derer jeweils eine dem Fachmann bekannte Brennermanschette 4 vorgesehen ist. Zum Schutz dieser Anordnung und der Brenner vor der im Brennkammer-Brennraum 5 anzutreffenden Flamme sind an der Stirnseite dieses ringförmigen Brennraumes 5 ringförmig angeordnet Hitzeschilder 6 vorgesehen, die von der Frontplatte 2 getragen werden. Hierzu weist jedes Hitzeschild 6 wie üblich mehrere (bevorzugt vier) Gewindebolzen 7 auf, die die Frontplatte 2 jeweils in einer Durchstecköffnung 8 durchdringen, so daß auf deren Rückseite, d. h. im Raum 13 zwischen der Frontplatte 2 und dem Kopfabschnitt 1 auf jeden Gewindebolzen 7 eine Bolzenmutter 9 aufgeschraubt werden kann.
In Fig. 2 erkennt man die ringförmig angeordneten Lufteintrittsöffnungen 10 für die Brenner, wobei diese Lufteintrittsöffnungen 10 koaxial zu den Durchtrittsöffnungen 3 angeordnet sind, wie Fig. 3a zeigt. In Fig. 2 sind ferner die Mittellinien der durch die Gewindebolzen 7 sowie die Bolzenmutter 9 gebildeten Hitzeschild-Verschraubungen 11 durch Kreuze dargestellt. Um nun diese Verschraubungen 11 auf einfache Weise montieren zu können, d. h. um die Bolzenmuttern 9 einfach auf die Gewindebolzen 7 aufstecken und festziehen zu können, sind geeignet plazierte, d. h. insbesondere koaxial zu den Verschraubungen 11, d.h. koaxial zu deren Mittellinien liegende Montage-öffnungen 12 im Kopfabschnitt 1 vorgesehen. Deren Ausbildung geht insbesondere auch aus Fig. 3b hervor.
Zwar kann nun über diese Montageöffnungen 12 jede Verschraubung 11 auf einfache Weise montiert, d.h jede Bolzenmutter 9 einfach auf die jeweiligen Gewindebolzen 7 aufgebracht werden, jedoch könnte über diese Montageöffnungen 12 ein Teil des Primärluftstromes zur Versorgung der Brenner, welcher über die Lufteintrittsöffnungen 10 in den Raum 13 zwischen dem Kopfabschnitt 1 und der Frontplatte 2 gelangte, wieder entweichen. Um dies zu verhindern, sind die Montageöffnungen 12 entsprechend der nun folgenden Beschreibung angeordnet:
Wie bekannt wird der Brennkammer-Kopfabschnitt 1 gemäß Pfeilrichtung X von einem Luftstrom, der von einem der Brennkammer vorgeschalteten Verdichter gefördert wird, angeströmt. Ein Teil dieses gemäß Pfeilrichtung X herangeführten Luftstromes gelangt durch die Lufteintrittsöffnungen 10 zu den Brennern sowie zur Rückseite der Hitzeschilder 6, der größere Teil des Luftstromes wird jedoch um den Kopfabschnitt 1 außenseitig herumgeführt, um in einem stromabwärts liegenden Brennkammerbereich wie üblich über Zumischlöcher in der Brennkammeraußenwand in den Brennkammer-Brennraum 5 zu gelangen. In den mit S bezeichneten Staupunkten (vgl. Fig. 3a) hat die Strömungsgeschwindigkeit der herangeführten Luftströmung den Wert
Figure 00040001
0", während der statische Druck seinen Maximalwert besitzt. Bei der außenseitigen Umströmung des Kopfabschnittes, d. h. von den Staupunkten S zu den Punkten E hin, findet eine Beschleunigung der Luftströmung bei gleichzeitigem Abfall des statischen Druckes statt. Diese Strömungsverhältnisse sind dabei nicht nur im Bereich der Lufteintrittsöffnungen 10 zu beobachten (vgl. Fig. 3a), sondern ebenso auch im Bereich der Montageöffnungen 12, über welche grundsätzlich auch Luft gemäß Pfeilrichtung X aus Fig. 1 in den Raum 13 eindringen kann. In Fig. 3b sind dementsprechend die Staupunkte abermals mit dem Buchstaben S bezeichnet, in gleicher Weise sind die Punkte E dargestellt, zu welchen hin die Luftströmung entlang der Außenseite des Kopfabschnittes 1 geführt wird und wobei die besagte Strömungsbeschleunigung unter gleichzeitigem Druckabfall stattfindet.
Verbindet man nun alle in radialer Richtung (bezogen auf die in Fig.2 nicht dargestellte Zentralachse Z der Ring-Brennkammer) innenliegenden Staupunkte S der Lufteintrittsöffnungen 10 miteinander und in gleicher Weise auch die in radialer Richtung außenliegenden Staupunkte S der Lufteintrittsöffnungen 10 miteinander, so wird hierdurch ein Ring gebildet, der mit der Bezugsziffer 10' bezeichnet ist (vgl. Fig.2).
In gleicher Weise bilden die Staupunkte S der Montageöffnungen 12, wenn alle innenliegenden Staupunkte und alle außenliegenden Staupunkte über jeweils einen Kreis, dessen Zentrum die Zentralachse Z ist, miteinander verbunden werden, einen mit der Bezugsziffer 12' bezeichneten Ring.
Wird nun durch geeignete Anordnung und Ausbildung der Montageöffnungen 12 im Hinblick auf die Lufteintrittsöffnungen 10 sichergestellt, daß der Ring 12' nicht außerhalb des Ringes 10' liegt, so ist durch die sich damit einstellenden Druck- und Strömungsverhältnisse der gemäß Pfeilrichtung X (vgl. Fig. 1) herangeführten Luftströmung sichergestellt, daß kein Teilluftstrom aus dem Raum 13 über die Montageöffnungen 12 dann gegen Pfeilrichtung X nach außen gelangen kann. Vielmehr wird über die Montageöffnungen 12 auf diese Weise ein zusätzlicher Luftstrom in den Raum 13 geführt, was grundsätzlich erwünscht ist.
Die Bedeutung der Formulierung, daß der Ring 12' nicht außerhalb des Ringes 10' liegt, wird aus Fig. 2 besonders deutlich ersichtlich, nachdem der auf die Zentralachse Z bezogene Innenradius Ri des Ringes 12' größer ist als derjenige des Ringes 10' und der (selbstverständlich ebenso auf die Zentralachse Z bezogene) Außenradius Ra des Ringes 12' kleiner ist als derjenige des Ringes 10'. Der Ring 12' wird somit vom Ring 10' quasi vollflächig überdeckt.
Die Definition der Ringe 12' und 10' kann jedoch auch vereinfacht erfolgen, d. h. nicht über die Staupunkte S, wenngleich diese Definition über die Staupunkte S die physikalischen Verhältnisse besonders gut wiedergibt und insbesondere den gewünschten Effekt anhand der physikalischen Verhältnisse auch erklären kann. Die erfindungsgemäße Gestaltung läßt sich jedoch vereinfacht auch dadurch beschreiben, daß die Lufteintrittsöffnungen 10 selbst einen Ring 10'' bilden, innerhalb bzw. nicht außerhalb dessen die Montageöffnungen 12 liegen sollen.
In anderen Worten bedeutet dies, daß sämtliche Lufteintrittsöffnungen 10 einen Ring 10'' beschreiben, auf dessen Ringfläche in radialer Richtung exakt angepaßt die Lufteintrittsöffnungen 10 liegen. Der Außenradius Ra dieses Ringes 10'' entspricht damit der in radialer Richtung (bezüglich der Zentralachse Z) maximalen Erstreckung Rx der Lufteintrittsöffnungen 10, während der Innenradius Ri des Ringes 10'' der in radialer Richtung minimaler Erstreckung Ry der Lufteintrittsöffnungen 10 entspricht.
Liegt nun keine Montageöffnung 12 - auch nicht teilweise - außerhalb des Ringes 10'', so stellen sich wieder die oben geschilderten Strömungsverhältnisse ein, so daß mit Sicherheit kein Teilluftstrom aus dem Raum 13 über die Montageöffnungen 12 entgegen Pfeilrichtung X nach außen dringen kann.
Wie die Fig. 3a, 3b zeigen, weist der Kopfabschnitt 1 im Bereich der Lufteintrittsöffnungen 10 und im Bereich der Montageöffnungen 12 von der Außenseite in die Innenseite (d. h. in den Raum 13) hineinragende, strömungsdynamisch ausgebildete Öffnungsränder 14 auf, da hierdurch die Strömungsverhältnisse, d. h . insbesondere die Einströmung der Luftströmung gemäß Pfeilrichtung X in den Raum 13 verbessert wird. Jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details, insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (3)

  1. Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt (1), innerhalb dessen eine Frontplatte (2) zur Aufnahme von Brennern vorgesehen ist, welche über ringförmig angeordnete Lufteintrittsöffnungen (10) im Kopfabschnitt (1) mit einem Primärluftstrom versorgt werden, und wobei die Frontplatte (2) weiterhin über Verschraubungen (11) fixierte, im Brennkammer-Brennraum (5) vorgesehene Hitzeschilder (6) trägt,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Kopfabschnitt (1) Montageöffnungen (12) für die Verschraubungen (11) vorgesehen sind, wobei die Montageöffnungen (12) nicht außerhalb des von den Lufteintrittsöffnungen (10) gebildeten Ringes (10'') liegen.
  2. Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt, (1) innerhalb dessen eine Frontplatte (2) zur Aufnahme von Brennern vorgesehen ist, welche über ringförmig angeordnete Lufteintrittsöffnungen (10) im Kopfabschnitt (1) mit einem Primärluftstrom versorgt werden, wobei die sich bezüglich der Anströmung der Lufteintrittsöffnungen (10) an der Außenseite des Kopfabschnittes (1) bildenden Staupunkte (S) einen Ring (10') beschreiben, innerhalb dessen die Lufteintrittsöffnungen (10) liegen,
    und wobei die Frontplatte (2) weiterhin über Verschraubungen (11) fixierte, im Brennkammer-Brennraum (5) vorgesehene Hitzeschilder (6) trägt,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Kopfabschnitt (1) Montageöffnungen (12) für die Verschraubungen (11) vorgesehen sind, wobei die sich bezüglich der Anströmung der Montageöffnungen (12) an der Außenseite des Kopfabschnittes (1) bildenden Staupunkte (S) einen Ring (12') beschreiben, der nicht außerhalb des von den Staupunkten (S) der Lufteintrittsöffnungen (10) gebildeten Ringes (10') liegt.
  3. Brennkammer einer Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfabschnitt (1) im Bereich der Lufteintrittsöffnungen (10) und/oder der Montageöffnungen (12) von der Außenseite in die Innenseite hineinragende, strömungsdynamisch ausgebildete Öffnungsränder (14) aufweist.
EP97114340A 1996-10-18 1997-08-20 Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt Expired - Lifetime EP0837286B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE19643028 1996-10-18
DE19643028A DE19643028A1 (de) 1996-10-18 1996-10-18 Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP0837286A2 true EP0837286A2 (de) 1998-04-22
EP0837286A3 EP0837286A3 (de) 2000-07-05
EP0837286B1 EP0837286B1 (de) 2002-10-02

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ID=7809106

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EP97114340A Expired - Lifetime EP0837286B1 (de) 1996-10-18 1997-08-20 Brennkammer einer Gasturbine mit einem ringförmigen Kopfabschnitt

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US (1) US5934066A (de)
EP (1) EP0837286B1 (de)
CA (1) CA2218520C (de)
DE (2) DE19643028A1 (de)

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