EP0895028B1 - Keramische Auskleidung - Google Patents

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EP0895028B1
EP0895028B1 EP97810538A EP97810538A EP0895028B1 EP 0895028 B1 EP0895028 B1 EP 0895028B1 EP 97810538 A EP97810538 A EP 97810538A EP 97810538 A EP97810538 A EP 97810538A EP 0895028 B1 EP0895028 B1 EP 0895028B1
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EP
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head
opening
ceramic
metallic
wall
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EP97810538A
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Armin Dr. Heger
Stefan Dr. Reh
Andreas Dr. Pfeiffer
Axel Dr. Kranzmann
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Alstom SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/04—Supports for linings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05002—Means for accommodate thermal expansion of the wall liner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S411/00—Expanded, threaded, driven, headed, tool-deformed, or locked-threaded fastener
    • Y10S411/904—Fastener or fastener element composed of nonmetallic material

Definitions

  • the invention relates to a ceramic lining according to the preamble of Claim 1.
  • Such linings are used in particular as inner wall insulation of metallic combustion chambers.
  • a ceramic lining of the type mentioned is known from DE 195 02 730 A1.
  • the lining there aims at an uncooled removable lining a combustion chamber with ceramic elements, which the high mechanical and thermal stresses in a commercial withstands the highly loaded combustion chamber.
  • the lining consists of at least one wall plate made of high temperature resistant Structural ceramics with at least one through opening and one fastener per opening.
  • the fastener is with his foot in a metallic one attached to the metallic supporting wall Holding device attached. The head of the fastener rests in the opening the wall plate. Between the metallic wall and the ceramic An insulating layer is arranged on the wall plate.
  • the fastener consists of high temperature-resistant structural ceramics and is resilient tied the holding device.
  • the fastening element has a shape that is optimized from a thermal point of view, preferably one Arching in the middle of the head, a rounded head and rounded Cross-sectional transitions with large radii from the head to the shaft and from the shaft to the foot. This ensures that the mechanically and thermally conditioned Loads cause only low voltages.
  • the seat of the bolt on the tile is a ball / ball seat executed.
  • This, among other things a bending moment-free pendulum movement of the bolt to ensure, as a result of manufacturing and assembly inaccuracies and / or also due to operational displacements of the components can get into an imbalance.
  • the ball diameter of the Bolzens exactly corresponds to that of the tile, one is created on the contact surface negligible Hertzian pressure.
  • the advantage of the invention is particularly in the simplicity of the measure see. While maintaining the angular mobility of the bolt, the Solution through cost-effective manufacturing.
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section of the lining according to the invention for a gas turbine combustion chamber.
  • An insulation layer 2 is applied to the metallic support wall 1 of the combustion chamber.
  • This preferably consists of ceramic fiber material.
  • the wall plates 3 and the insulation layer 2 are fastened to the metallic supporting wall 1 with the aid of fastening elements 4, which are each arranged in a metallic holding device 5, which will be described in detail later.
  • these fastening elements 4 also consist of high-temperature-resistant structural ceramics.
  • the outer shape and the dimensions of the wall panels 3 can easily can be adapted to the geometry of the room to be lined and are in not predetermined in any way.
  • Fig. 2 shows a possible shape of the wall panels 3.
  • You have in this embodiment a hexagonal outer contour.
  • the Thickness d of the wall plate 3 results on the one hand from the required mechanical Stability and, on the other hand, from minimizing thermal stresses due to temperature gradients in the component. In the simplest case, too a square outline can be applied to flat or just light lining curved combustion chambers.
  • wall plates 3 with one rectangular outer contour can be used.
  • a fastener 4 which is a bolt here, the head, shaft and foot exists, arranged.
  • a plurality of openings 6 in each wall plate 3 be present.
  • the contact surface between the head 20 arranged in the opening 6 of the Fastening element 4 and the wall plate 3 is optimal according to the invention Executed in a manner even at low angular positions of the bolt ensure clear touch.
  • the head 20 is spherical Provide bearing surface with its roundness 21 on a straight in cross section Contact surface 22 abuts. This straight section is the opening 6 adjoining wall of the wall plate 3. With this measure, the easily determine the area in which line contact occurs, as this is usually the case expected tolerances are known.
  • the Hertzian pressure in the against each other pressed surfaces - here convex surface against flat surface significantly lower than with the known ball / ball seats and can be easily determine analytically. Nevertheless, a good sealing effect is also achieved here, if this is desired at all.
  • the cavity is between the shaft of the fastener 4 and the insulation layer 2 by a divided sleeve 15 made of solidified preformed insulation material filled.
  • the metallic holding device 5 consists of a longitudinally divided Threaded sleeve 7, which includes the foot of the fastener.
  • a threaded nut 9 is arranged on the external thread of the threaded sleeve 7, which are used to set the clamping force, as explained below can.
  • the nut 9 holds the two halves of the threaded sleeve 7 together.
  • the mutual positioning of the two threaded sleeve halves can be replaced by additional construction elements, e.g. the bolts, ensured become.
  • a square 10 serves to split the sleeve when tightening the threaded nut 9 hold. Positions 7 and 10 are part of the split sleeve.
  • the metallic holding device 5 consists of one in the metallic Carrying wall 1 embedded guide ring 11, a one-piece guide sleeve 12 for the fastener 4 and from between the guide sleeve 12 and the Guide ring 11 arranged spring elements 13.
  • the spring 13 is, for example, as shown in Fig. 1, a plate spring. Due to the resilient Connection of the ceramic structure to the metallic holding device achieved that relative thermal expansions between the metallic and ceramic components or deformations of the insulation layer 2 ("setting") due to mechanical stresses, for example pulsations in the combustion chamber, be recorded without excessive voltages on the contact surfaces be induced in the ceramic component. Over a certain travel the clamping (via the screwed on the external thread of the sleeve 7 Threaded nut 9 adjustable) are almost constant clamping forces guaranteed.
  • the invention is not based on the embodiment described limited.
  • the head In deviation from the spherical shape of the head and the conical shape of the contact surface in the case of linearly extended seats (perpendicular to the plane of the drawing) the head also circular and the contact surface trapezoidal his. Otherwise, the proposed introduction of force can be advantageous Attachment of all possible brittle components should be mentioned, if force can be applied using a ball / cone seat.

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine keramische Auskleidung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Auskleidungen finden insbesondere Anwendung als innere Wandisolierung von metallischen Brennkammern.
Stand der Technik
Eine keramische Auskleidung der eingangs genannten Art ist bekannt aus der DE 195 02 730 A1. Die dortige Auskleidung bezweckt eine ungekühlte lösbare Auskleidung eines Brennraumes mit keramischen Elementen, welche den hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen in einer kommerziellen hochbelasteten Brennkammer Stand hält.
Die Auskleidung besteht hierzu aus mindestens einer Wandplatte aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung und aus einem Befestigungselement pro Öffnung. Das Befestigungselement ist mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand befestigten metallischen Haltevorrichtung befestigt. Der Kopf des Befestigungselementes ruht in der Öffnung der Wandplatte. Zwischen der metallischen Wand und der keramischen Wandplatte ist eine Isolationsschicht angeordnet. Das Befestigungselement besteht aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik und ist federelastisch an die Haltevorrichtung angebunden. Die Vorteile werden darin gesehen, dass die Auskleidung auf Grund ihrer Homogenität und des eingesetzten Materials sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen gewachsen ist, dass die Auskleidung zerstörungsfrei demontierbar ist und daher mehrfach verwendet werden kann. Femer können durch die federelastische Anbindung der keramischen Struktur an die metallische Haltekonstruktion die thermischen Dehnungen zwischen metallischen und keramischen Komponenten bzw. Verformungen der Isolationsschicht durch mechanische Beanspruchungen aufgenommen werden. Als besonders zweckmässig gilt, dass das Befestigungselement eine in wärmetechnischer Hinsicht optimierte Form aufweist, vorzugsweise eine Einwölbung in der Mitte des Kopfes, einen abgerundeten Kopf und abgerundete Querschnittsübergänge mit grossen Radien vom Kopf zum Schaft und vom Schaft zum Fuss. Dadurch wird erreicht, dass die mechanisch und thermisch bedingten Belastungen nur geringe Spannungen verursachen.
Bei dieser bekannten Auskleidung wurde ein Flächenkontakt gewählt zwischen dem zu befestigenden Bauteil und dem Bauteil, über das die Anpresskraft eingeleitet wird. Hierzu ist der Sitz des Bolzens auf der Kachel als Kugel/Kugel-Sitz ausgeführt. Dies, um u.a. eine biegemomentenfreie Pendelbewegung des Bolzens zu gewährleisten, da dieser infolge Fertigungs- und Montageungenauigkeiten und/oder auch durch betriebsbedingte Verschiebungen der Komponenten in eine Schieflage geraten kann. Im Idealfall, wenn der Kugeldurchmesser des Bolzens genau jenem der Kachel entspricht, entsteht an der Kontaktfläche eine venachlässigbare Hertz'sche Pressung. Weichen indes die beiden beteiligten Kugeldurchmesser voneinander ab, was die Folge von Fertigungstoleranzen und/oder von Wärmedehnungen sein kann, entsteht sofort eine blosse Linienberührung der beiden Bauteile an einem Rand des Kachel-Kugelsitzes. Der Kugelsitz läuft an seinen Enden über Radien aus. Dadurch stehen sich bei den erwähnten Durchmesserdifferenzen sofort zwei gegeneinander konvexe Flächen gegenüber. Dies führt zu sehr hohen unerwünschten Hertz'schen Pressungen.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von der Erkenntnis, dass ein Flächenkontakt sprungartig in einen unkontrollierten Linienkontakt oder gar einen blossen Punktkontakt übergeht, wenn sich Unterschiede in der Geometrie der beteiligten Elemente einstellen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Befestigung von spröden Bauteilen, deren Anpresskraft in der Angriffsrichtung ändern kann, eine Sitzgeometrie zu schaffen, die über alle Betriebszustände einen kontrollierbaren Linienkontakt gewährleistet.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der abgerundeten Kopf mit seiner Rundung auf einer im Querschnitt geraden Auflagefläche der Wandplattenöffnung angepresst ist.
Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere in der Einfachheit der Massnahme zu sehen. Bei Beibehaltung der Winkelbeweglichkeit des Bolzens zeichnet sich die Lösung durch kostengünstige Fertigung aus.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Teillängsschnitt der Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer;
Fig. 2
eine Draufsicht auf die Auskleidung bei Verwendung hexagonaler keramischer Wandplatten;
Fig. 3
einen vergrösserten Schnitt der Wandplatte mit Befestigungselement im Bereich der Öffnung entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt der erfindungsgemässen Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer. Auf der metallischen Tragwand 1 der Brennkammer ist eine Isolationsschicht 2 aufgebracht. Diese besteht vorzugsweise aus keramischem Fasermaterial. Auf der Isolationsschicht sind wiederum keramische Wandplatten 3 angeordnet, welche aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik, beispielsweise SiC oder Si3N4, bestehen. Die Wandplatten 3 und die Isolationsschicht 2 sind mit Hilfe von Befestigungselementen 4, welche jeweils in einer metallischen Haltevorrichtung 5, die später im Detail beschrieben wird, angeordnet sind, an der metallischen Tragwand 1 befestigt. Diese Befestigungselemente 4 bestehen ebenfalls wie die Wandplatten 3 aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik.
Die äussere Form und die Abmessungen der Wandplatten 3 können problemlos an die Geometrie des auszukleidenden Raumes angepasst werden und sind in keiner Weise vorbestimmt.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Form der Wandplatten 3. Sie haben in dieser Ausführungsvariante eine sechseckige Aussenkontur. Aus Gründen einer einfachen Herstellung und einer gleichmässigen Spannungsverteilung bei thermischer und mechanischer Beanspruchung sind symmetrische Formen zu bevorzugen. Die Dicke d der Wandplatte 3 ergibt sich einerseits aus der geforderten mechanischen Stabilität und andererseits aus einer Minimierung der thermischen Spannungen auf Grund von Temperaturgradienten im Bauteil. Im einfachsten Fall kann auch eine quadratische Kontur zur Anwendung gelangen, um ebene oder nur leicht gekrümmte Brennräume auszukleiden. Ebenso sind auch Wandplatten 3 mit einer rechteckigen Aussenkontur einsetzbar.
Im Zentrum der Wandplatte 3 ist eine durchgehende Öffnung 6 zur Aufnahme eines Befestigungselementes 4, welches hier ein Bolzen ist, der aus Kopf, Schaft und Fuss besteht, angeordnet. Selbstverständlich können in anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen auch mehrere Öffnungen 6 in jeder Wandplatte 3 vorhanden sein.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, welche einen vergrösserten Schnitt der Wandplatte 3 gemäss Fig. 2 im Bereich der Öffnung 6 entlang der Linie IV-IV zeigt, ist die Öffnung 6 in Richtung der metallischen Tragwand 1 eingezogen. Dadurch wird einerseits die Kontaktfläche zwischen dem Befestigungselement 4 und der Wandplatte 3 vergrössert, andererseits werden die Wärmeflüsse bei stationären und instationären Beanspruchungsgefällen so beeinflusst, dass nur minimale thermische Spannungen entstehen. Die geometrische Gestaltung dieser Zone resultiert aus einer Abstimmung zwischen den Wärmespeicher- und Wärmeleitungseigenschaften der verwendeten Materialien. Als vorteilhaft hat sich ein Verhältnis der Dicke d der Wandplatte 3 zur Tiefe t des eingezogenen Teils der Wandplatte 3 im Bereich der Öffnung 6 von ca. 5 zu 3 erwiesen.
Die Kontaktfläche zwischen dem in der Öffnung 6 angeordnetem Kopf 20 des Befestigungselementes 4 und der Wandplatte 3 ist gemäss der Erfindung in optimaler Weise ausgeführt, um auch bei geringen Winkellagen des Bolzens eine eindeutige Berührung sicherzustellen. Hierzu ist der Kopf 20 mit einer spärischen Auflagefläche versehen, die mit ihrer Rundung 21 auf einer im Querschnitt geraden Auflagefläche 22 anliegt. Dieser gerade Abschnitt ist die die Öffnung 6 begenzende Wandung der Wandplatte 3. Mit dieser Massnahme lässt sich der Bereich, in dem Linienkontakt auftritt, leicht bestimmen, da in der Regel die zu erwartenden Toleranzen bekannt sind. Die Hertz'sche Pressung bei den gegeneinander gepressten Flächen - hier konvexe Fläche gegen ebene Fläche - ist deutlich geringer als bei den bekannten Kugel/Kugel-Sitzen und lässt sich leicht analytisch bestimmen. Dennoch wird auch hier eine gute Dichtwirkung erzielt, sofern diese überhaupt gewünscht ist.
Im Beispielsfall ist der Hohlraum zwischen dem Schaft des Befestigungselementes 4 und der Isolationsschicht 2 durch eine geteilte Hülse 15 aus verfestigtem, vorgeformten Isolationsmaterial ausgefüllt.
Es ist eine dehnungstolerante elastische Einspannung des keramischen Befestigungselementes 4 auf der Aussenseite der metallischen Tragwand 1 vorgesehen. Gemäss Fig. 1 besteht die metallische Haltevorrichtung 5 aus einer längsgeteilten Gewindehülse 7, welche den Fuss des Befestigungselementes umfasst. Auf dem Aussengewinde der Gewindehülse 7 ist eine Gewindemutter 9 angeordnet, über welche, wie weiter unten erklärt wird, die Einspannkraft eingestellt werden kann. Gleichzeitig hält die Mutter 9 die beiden Hälften der Gewindehülse 7 zusammen. Die gegenseitige Positionierung der beiden Gewindehülsehälften kann durch zusätzliche Konstruktionselemente, z.B. die Bolzen, sichergestellt werden. Ein Vierkant 10 dient dazu, die geteilte Hülse beim Anziehen der Gewindemutter 9 zu halten. Die Positionen 7 und 10 sind ein Teil der geteilten Hülse.
Weiterhin besteht die metallische Haltevorrichtung 5 aus einem in die metallische Tragwand 1 eingelassenen Führungsring 11, einer einteiligen Führungshülse 12 für das Befestigungselement 4 und aus zwischen der Führungshülse 12 und dem Führungsring 11 angeordneten Federelementen 13. Die Feder 13 ist beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Tellerfeder. Durch die federelastische Anbindung der keramischen Struktur an die metallische Haltevorrichtung wird erreicht, dass thermische Relativdehnungen zwischen den metallischen und keramischen Komponenten oder Verformungen der Isolationsschicht 2 ("Setzen") durch mechanische Beanspruchungen, beispielsweise Pulsationen im Brennraum, aufgenommen werden, ohne dass an den Kontaktflächen unzulässig hohe Spannungen im keramischen Bauteil induziert werden. Über einen bestimmten Federweg der Einspannung (über die auf dem Aussengewinde der Hülse 7 aufgeschraubte Gewindemutter 9 einstellbar) werden nahezu konstante Einspannungskräfte gewährleistet.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführung beschränkt. In Abweichung zur Kugelform des Kopfes und zur Konusform der Auflagefläche könnte im Fall von linear ausgedehnten Sitzen (senkrecht zur Zeichnungsebene) der Kopf auch kreisförmig und die Auflagefläche trapezförmig ausgebildet sein. Im übrigen kann die vorgeschlagene Krafteinleitung mit Vorteil zur Befestigung aller möglicher spröder Bauteile in Erwähnug gezogen werden, sofern die Krafteinleitung mittels eines Kugel/Konus-Sitzes möglich ist.
Es sei noch erwähnt, dass eine kinematische Umkehr des Prinzips nicht zur Lösung der Aufgabe führt. Ein konusförmiger Kopf in Zusammenwirkung mit einer dann torusförmigen Auflagefläche gewährleistet nämlich nicht die Erhaltung des Linienkontaktes bei einer Winkelauslenkung des Bolzens.
Bezugszeichenliste
1
metallische Tragwand
2
Isolationsschicht
3
keramische Wandplatte
4
Befestigungselement
5
Haltevorrichtung
6
Öffnung
7
Gewindehülse
8
Einwölbung
9
Gewindemutter
10
Vierkant
11
Führungsring
12
Führungshülse
13
Feder
15
Hülse aus Isolationsmaterial
20
Kopf des Befestigungselementes 4
21
Auflagefläche des Kopfes 20
22
Auflagefläche der Wandplatte
d
Dicke der Wandplatte 6
t
Tiefe des eingezogenen Teils der Wandplatte

Claims (2)

  1. Keramische Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einer Wandplatte (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (6) und aus einem Befestigungselement (4) je Öffnung (6), wobei das Befestigungselement (4) mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten metallischen Haltevorrichtung (5) angeordnet ist und der Kopf (20) des Befestigungselementes (4) in der Öffnung (6) der Wandplatte (3) ruht, wobei das Befestigungselement (4) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik besteht, federelastisch an die Haltevorrichtung (5) angebunden ist und mit einem im Querschnitt abgerundeten Kopf (20) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der abgerundete Kopf (20) mit seiner Rundung (21) auf einer im Querschnitt geraden Auflagefläche (22) der Wandplattenöffnung (6) angepresst ist.
  2. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abgerundete Kopf Kugelform oder Kreisform besitzt und dass die gerade Auflagefläche Konusform resp. Trapezform besitzt.
EP97810538A 1997-07-28 1997-07-28 Keramische Auskleidung Expired - Lifetime EP0895028B1 (de)

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