EP1458981B1 - Verdichter für gasturbinen - Google Patents

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EP1458981B1
EP1458981B1 EP02803485A EP02803485A EP1458981B1 EP 1458981 B1 EP1458981 B1 EP 1458981B1 EP 02803485 A EP02803485 A EP 02803485A EP 02803485 A EP02803485 A EP 02803485A EP 1458981 B1 EP1458981 B1 EP 1458981B1
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coating
layer
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General Electric Technology GmbH
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
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    • Y10T428/30—Self-sustaining carbon mass or layer with impregnant or other layer

Definitions

  • the invention relates to a compressor for gas turbines and in particular a Coating for protection against liquid drops and solid particles on the surfaces of components are applied in the inlet area of the compressor.
  • the components of compressors in turbines are during compressor operation exposed to various particles, which are the surfaces of the components sustainably damage.
  • particles include liquid drops, including water droplets and solid particles such as Dust particles that enter the compressor with the intake air.
  • ice particles to be mentioned which are due to desublimation due to the Cooling of the air by the acceleration of the air can form.
  • the Components in the inlet region of the compressor is in particular the blading affected by potential damage from these particles.
  • Liquids are injected with the gas or air stream. It becomes the Example for cleaning a mixture of water and a commercial concentrate by means of one or more atomizing nozzles in the compressor is injected as described for example in EP 0468024 is described.
  • drop impact erosion occurs even after the formation of closed liquid films, if the components of the injected Liquid have been wetted.
  • liquid separation from a surface Secondary big drops can form on the downstream side arranged components can cause drop impact erosion.
  • a compressor for a gas turbine according to the invention comprises components such as For example, the blading, which on their surfaces with a coating are provided, the at least two layers of an amorphous carbon or a plasma polymer.
  • the outermost layer of the coating has particular hydrophobic properties.
  • All layers or layer systems that are low in size are suitable Have interface energy, if it is less than the surface tension of water.
  • these layers also have the amorphous carbon or a Plasma polymer inherently high surface hardness, such as from 500 up to 3000 HV.
  • amorphous carbon or a plasma polymer particularly suitable.
  • the hydrophobic property of the outermost layer prevents the wetting of the Surfaces. Impacting drops of liquid go very low Interaction with the surface, since their interfacial energy is low. As a result, the liquid drops do not adhere to the surfaces, but rather roll over the surface while keeping its small size and without to unite with other drops or even a closed one Liquid film to form. The formation of large liquid drops through Tear off a closed film on an edge of a component is thereby prevented. The small drops can then also no significant To cause drop impact erosion.
  • Hydrophobic layers such as amorphous carbon also have dirt-repellent properties. Because of that Rolling liquid droplets immediately, will cause a chemical interaction of the Liquid or components that are dissolved in the liquid, with the Surface prevented. This then avoids a deposit of other foreign material, which has a positive effect on the gas turbine performance and the Life of the coated components affects.
  • the Components of the compressor on a protective coating which has a layer sequence a pair of layers or more pairs of layers, wherein the inner Layer of a layer pair compared to the outer layer of the layer pair has a higher hardness and the outer has a relatively low hardness.
  • the inner layer of the layer pair has a hardness of 1500 to 3000 HV and the outer layer has a hardness of 500 HV up to 1500 HV.
  • the individual layers of the Layer sequence thicknesses in the range of 0.1 to 2 microns.
  • the thicknesses behave the individual layers of the layer sequence in inverse proportion to their relative hardness.
  • the outer layer may have a thickness of 1.0 to 1.5 Micrometer and the inner layer has a thickness of 0.5 to 0.75 microns exhibit.
  • the surfaces the components of the compressor, an adhesive layer on which a pair of layers or several pairs of layers are applied are applied.
  • an adhesive layer is suitable for example a harder layer applied to titanium, which is the above-mentioned inner Layer corresponds.
  • the hydrophobic coating contains amorphous carbon.
  • amorphous carbon are to be understood in the following hydrogen-containing carbon layers with 10 to 50 at -% hydrogen content and with a ratio of sp 3 to sp 2 bonds between 0.1 to 0.9.
  • all amorphous or dense carbon layers produced by means of carbon or hydro-carbon precursors as well as plasma polymer layers, polymer-like or dense carbon and hydrocarbon layers can be used, provided they have the hydrophobic and the following mechanical or chemical properties of the amorphous carbon for the production of individual layers or layer sequences.
  • Amorphous carbon, also called diamond like carbon, is well known for its exceptional hardness, chemical stability as well as for its elasticity.
  • amorphous carbon has a low surface energy compared to the surface tension of water, thus providing a hydrophobic or water repellent property.
  • the hardness of amorphous carbon is variable by varying the parameters for the production of a coating.
  • a layer of relatively lower hardness (within the hardness range of amorphous carbon) is considered to be less hard than a hard layer.
  • a less hard layer has a pronounced hydrophobic property.
  • the coating according to the invention can be realized by various, generally known production methods, such as, for example, deposition by means of glow discharge in a plasma from hydrocarbon-containing precursors, ion beam coating and sputtering of carbon in hydrogen-containing working gas.
  • the substrate is exposed to a stream of ions of several hundred eV.
  • the glow discharge the substrate is placed in a reactor chamber in contact with a cathode capacitively connected to a 13.56 MHz RF generator.
  • the grounded walls of the plasma chamber form a large counterelectrode.
  • any hydrocarbon vapor or hydrocarbon gas can be used as the first working gas for the coating.
  • various gases are added to the first working gas.
  • nitrogen fluorine or silicon-containing gases, for example, high or low surface energies are achieved.
  • the addition of nitrogen additionally leads to an increase in the hardness of the resulting layer.
  • the bias voltage across the electrodes between 100 and 1000 V, the resulting hardness of the layer is controllable, with high bias voltage resulting in a hard, amorphous carbon layer and low stress resulting in a relatively lower hardness amorphous carbon layer.
  • the compressor according to the invention are all components that with the sucked air or with injected liquids come into contact with the Layer sequence provided.
  • the components in the inlet area are like for example, the blading and the bearing for the adjustable Vorleit plinth to provide with it.
  • the invention is to compressors for gas turbines of power plants of all kinds and also of turbine jet engines and other components in aircraft and Ships, such as the leading edge of aircraft wings.
  • the components of the inventive compressor consist of materials such as For example, titanium, stainless steels, chrome steels, aluminum and carbide.
  • the layer sequence described with adhesive layer is quite suitable for a Application on these materials.

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Verdichter für Gasturbinen und insbesondere eine Beschichtung zum Schutz gegen Flüssigkeitstropfen und Feststoffpartikel, die auf die Oberflächen von Bauteilen im Einlassbereich des Verdichters aufgetragen ist.
Stand der Technik
Die Bauteile von Verdichtern in Turbinen, wie zum Beispiel von Kraftanlagen, Flugzeug- und Schiffsgetrieben, sind während des Verdichterbetriebs verschiedenen Partikeln ausgesetzt, welche die Oberflächen der Bauteile nachhaltig beschädigen können. Zu diesen Partikeln gehören Flüssigkeitstropfen, unter anderem Wassertropfen sowie Feststoffpartikel wie zum Beispiel Staubpartikel, die mit der angesaugten Luft in den Verdichter gelangen. Ferner sind auch Eispartikel zu nennen, die sich durch Desublimierung aufgrund der Erkaltung der Luft durch die Beschleunigung der Luft bilden können. Von den Bauteilen im Einlassbereich der Verdichter ist insbesondere die Beschaufelung von potentiellen Schäden durch diese Partikel betroffen.
Es ist bekannt, dass während des Verdichterbetriebs gezielt bestimmte Flüssigkeiten mit dem Gas- oder Luftstrom eingespritzt werden. Es wird zum Beispiel zwecks Reinigungszwecken ein Gemisch aus Wasser und einem handelsüblichen Konzentrat mittels einer oder mehrerer Zerstäubungsdüsen in den Verdichter eingespritzt wie es beispielsweise in der EP 0 468 024 beschrieben ist.
Während des Winterbetriebs ist die Bildung von Eis am Eintritt der Verdichterbeschaufelung und das Ansaugen von Eispartikeln (auch unter dem Begriff "ice ingestion" bekannt) äusserst gefährlich für die Integrität des Verdichters. Aus diesem Grund werden zur Verhinderung von Eisbildung am Verdichtereintritt Glykolmischungen eingespritzt.
Weiter wird zum Zweck der Verdunstungskühlung des angesaugten Gases oder der angesaugten Luft Wasser durch Einspritzung oder Zerstäubung in den Verdichter eingeführt. Diese Verdunstungskühlung dient der Erhöhung des Wirkungsgrads des Verdichters und letztendlich der Erhöhung der Gasturbinenleistung. Ein solches Verfahren ist beispielsweise US 5,463,873 offenbart.
Bei den Verdichtern von Turbinenstrahlantrieben, wie zum Beispiel in Flugzeugen und gasturbinenbetriebenen Schiffen tritt das Problem von Beschädigungen an den Verdichterbauteilen auf, die durch die Ansaugung von Regen, Nebel, Eis oder Salzwasser verursacht werden.
Bei Einspritzungen von verschiedenen Flüssigkeiten oder bei der Ansaugung von Flüssigkeitstropfen oder Feststoffpartikeln entsteht das Problem von Tropfenschlagerosion bzw. Erosion durch Feststoffpartikel an den Oberflächen der Bauteile, insbesondere der Beschaufelung und der Bauteile im Einlassbereich des Verdichters. Die Tropfenschlagerosion wird einerseits direkt durch die eingesprühten oder angesaugten Flüssigkeitstropfen auf den Oberflächen der Bauteile verursacht. Zu Beginn der Betriebszeit der Sprühdüsen für die Einspritzung von Flüssigkeiten sind die eingesprühten Tropfen zunächst klein, d.h. im Bereich von 10-20 Mikrometern Durchmesser. Nach einer gewissen Betriebszeit werden die Sprühdüsen jedoch derart abgenützt, dass die von ihnen versprühten Tropfen allmählich eine Grösse von bis zu 100 Mikrometern Durchmesser erreichen. Da die Masse und damit die kinetische Energie der Tropfen mit der dritten Potenz des Tropfendurchmessers anwächst, können grössere Tropfen weitaus mehr Erosionsschäden verursachen als kleine Tropfen. Deshalb können die von den Sprühdüsen versprühten Tropfen beträchtliche Tropfenschlagerosion verursachen.
Anderseits entsteht Tropfenschlagerosion auch nach der Bildung von geschlossenen Flüssigkeitsfilmen, falls die Bauteile von der eingespritzten Flüssigkeit benetzt worden sind. Durch Flüssigkeitsabriss von einer Oberfläche können sich sekundäre grosse Tropfen bilden, die auf stromabwärts angeordneten Bauteilen Tropfenschlagerosion verursachen können.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Schutzschichten bekannt, wie z.B. aus WO 00/75394A, DE 19 625 329 A, WO 99/43865 A und aus SU 572 576 A.
Schliesslich besteht auch allgemein das Problem der Verschmutzung durch Bestandteile, die dem eingespritzten Wasser zugesetzt worden sind und sich allmählich auf den Oberflächen ablagern. Ablagerungen dieser Bestandteile sowie von weiterem Fremdmaterial kann sich negativ auf die Lebensdauer der Bauteile sowie auch auf die Leistung der Gasturbine auswirken.
Darstellung der Erfindung
Es ist der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gestellt, Bauteile eines Verdichters für eine Gasturbine, wie zum Beispiel in einer Kraftanlage oder einem Flugzeug- oder Schiffstriebwerk zu schaffen, deren Oberflächen der Tropfenschlagerosion durch Flüssigkeitstropfen und der Erosion durch Feststoffpartikel wie Staubpartikel und Eis widerstehen. Weiter sollen die Oberflächen der Bauteile so beschaffen sein, dass sie den in Flüssigkeiten vorhandenen Zusätzen und Bestandteilen widerstehen und sich Verschmutzungen auf ihnen nicht ablagern können.
Diese Aufgabe ist durch einen Verdichter für eine Gasturbine gemäss Anspruch 1 gelöst. Weitere besondere und bevorzugte Lösungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Verdichter für eine Gasturbine gemäss der Erfindung weist Bauteile auf, wie zum Beispiel die Beschaufelung, die an ihren Oberflächen mit einer Beschichtung versehen sind, die mindestens zwei Schichten aus einem amorphen Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer enthält. Die äusserste Schicht der Beschichtung besitzt insbesondere hydrophobe Eigenschaften. Für die hydrophobe Schicht eignen sich alle Schichten oder Schichtsysteme, die eine geringe Grenzflächenenergie besitzen, sofern sie kleiner ist als die Oberflächenspannung von Wasser.
Weiter besitzen diese Schichten zudem die für amorphen Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer inhärent hohe Oberflächenhärte, wie zum Beispiel von 500 bis zu 3000 HV. Für Materialien mit hydrophoben Eigenschaften sowie auch Härten dieser Grösse ist der erwähnte amorphe Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer besonders geeignet.
Die hydrophobe Eigenschaft der äussersten Schicht verhindert die Benetzung der Oberflächen. Auftreffende Flüssigkeitstropfen gehen eine sehr geringe Wechselwirkung mit der Oberfläche ein, da deren Grenzflächenenergie gering ist. Dadurch haften die Flüssigkeitstropfen nicht an den Oberflächen, vielmehr rollen sie über die Oberfläche hinweg unter Beibehaltung ihrer kleinen Grösse und ohne sich mit anderen Tropfen zu vereinigen oder gar einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm zu bilden. Die Bildung von grossen Flüssigkeitstropfen durch Abriss eines geschlossenen Films an einer Kante eines Bauteils wird dadurch verhindert. Die klein bleibenden Tropfen vermögen sodann auch keine signifikante Tropfenschlagerosion zu verursachen.
Hydrophobe Schichten wie zum Beispiel solche aus amorphem Kohlenstoff besitzen ferner auch schmutzabweisende Eigenschaften. Dadurch, dass die Flüssigkeitstropfen sofort abrollen, wird eine chemische Wechselwirkung der Flüssigkeit oder von Bestandteilen, die in der Flüssigkeit gelöst sind, mit der Oberfläche verhindert. Dies vermeidet sodann auch eine Ablagerung von weiterem Fremdmaterial, was sich positiv auf die Gasturbinenleistung und die Lebensdauer der beschichteten Bauteile auswirkt.
In einer speziellen und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Bauteile des Verdichters eine Schutzbeschichtung auf, die eine Schichtenfolge mit einem Schichtpaar oder mehreren Schichtpaaren aufweist, wobei die innere Schicht eines Schichtpaares im Vergleich zur äusseren Schicht des Schichtpaares eine höhere Härte aufweist und die äussere eine relativ niedrige Härte aufweist. Insbesondere weist die innere Schicht des Schichtpaares eine Härte von 1500 bis 3000 HV und die äussere Schicht eine Härte von 500 HV bis zu 1500 HV auf.
Die alternierende Auftragung von Schichten mit einer hohen und einer im Vergleich niedrigeren Härte bewirkt beim Aufprall eines Flüssigkeitstropfens oder eines Feststoffpartikels einen Interferenzeffekt, bei dem sich die Druck- oder Kompressionswellen verschiedener, im Idealfall gegenläufiger Phasen weitgehend auslöschen. Dies führt zur Vernichtung der Druck- oder Kompressionswellen und letztendlich zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion durch Flüssigkeitstropfen oder Erosion durch feste Partikel wie Staub oder Eis.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weisen die einzelnen Schichten der Schichtenfolge Dicken im Bereich von jeweils 0.1 bis 2 Mikrometern auf.
In einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung verhalten sich die Dicken der einzelnen Schichten der Schichtenfolge im umgekehrten Verhältnis zu ihrer relativen Härte. Als Beispiel kann die äussere Schicht eine Dicke von 1.0 bis 1.5 Mikrometer und die innere Schicht eine Dicke von 0.5 bis 0.75 Mikrometern aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die Oberflächen der Bauteile des Verdichters eine Haftschicht auf, auf der ein Schichtpaar oder mehrere Schichtpaare aufgetragen sind. Als Haftschicht eignet sich zum Beispiel eine auf Titan aufgebrachte härtere Schicht, welche der oben genannten inneren Schicht entspricht.
Ausführung der Erfindung
Gemäss der Erfindung enthält die hydrophobe Beschichtung amorphen Kohlenstoff. Hierunter sollen im folgenden wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten mit 10 bis 50 at -% Wasserstoffgehalt und mit einem Verhältnis von sp3 zu sp2-Bindungen zwischen 0.1 bis 0.9 verstanden werden. Generell können alle mittels Carbon- oder Hydro-Carbon-Precursorn hergestellten amorphen oder dichten Kohlenstoffschichten sowie Plasmapolymerschichten, polymerähnliche oder dichte Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffschichten verwendet werden, sofern sie die hydrophoben und die im folgenden genannten mechanischen oder chemischen Eigenschaften des amorphen Kohlenstoffs zur Herstellung von Einzelschichten oder Schichtfolgen aufweisen. Amorpher Kohlenstoff, auch diamond like carbon genannt, ist allgemein bekannt für seine aussergewöhnliche Härte, chemische Stabilität sowie auch für seine Elastizität. Ferner besitzt amorpher Kohlenstoff unter bestimmten Bedingungen eine niedrige Oberflächenenergie im Vergleich zur Oberflächenspannung von Wasser, sodass eine hydrophobe oder wasserabweisende Eigenschaft herbeigeführt wird. Dabei ist die Härte von amorphem Kohlenstoff durch Variierung der Parameter für die Herstellung einer Beschichtung veränderbar. Eine Schicht von relativ niedrigerer Härte (innerhalb des Härtebereichs von amorphem Kohlenstoff) ist im Vergleich zu einer harten Schicht lediglich als weniger hart zu verstehen. Eine weniger harte Schicht weist insbesondere eine ausgeprägte hydrophobe Eigenschaft auf.
Die erfindungsgemässe Beschichtung kann nach verschiedenen, allgemein bekannten Herstellungsverfahren realisiert werden, wie zum Beispiel Abscheidung mittels Glimmentladung in einem Plasma aus kohlenwasserstoffhaltigen Precursorn, Ionenstrahlbeschichtung und Sputtern von Kohlenstoff in wasserstoffhaltigem Arbeitsgas.
Bei diesen Verfahren wird das Substrat einem Strom von Ionen von mehreren 100 eV ausgesetzt. Bei der Glimmentladung wird das Substrat in einer Reaktorkammer in Kontakt mit einer Kathode, die kapazitiv mit einem 13.56 MHz RF Generator verbunden ist, angeordnet. Die geerdeten Wände der Plasmakammer bilden dabei eine grosse Gegenelektrode. In dieser Anordnung lässt sich jeder Kohlenwasserstoffdampf oder jedes Kohlenwasserstoffgas als erstes Arbeitsgas für die Beschichtung verwenden. Um besondere Schichteigenschaften zu erzielen, beispielsweise verschiedene Oberflächenenergien, Härten, optische Eigenschaften usw. werden verschiedene Gase zum ersten Arbeitsgas dazugegeben. Unter Zugabe von Stickstoff, fluor- oder silizium-haltigen Gasen werden beispielsweise hohe oder niedrige Oberflächenenergien erreicht. Die Zugabe von Stickstoff führt zusätzlich zu einer Erhöhung der Härte der resultierenden Schicht. Ferner ist mittels der Veränderung der Bias-Spannung über den Elektroden zwischen 100 und 1000 V die resultierende Härte der Schicht steuerbar, wobei eine hohe Bias-Spannung zu einer harten, amorphen Kohlenstoffschicht und eine tiefe Spannung zu einer amorphen Kohlenstoffschicht mit relativ niedrigerer Härte führt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter sind sämtliche Bauteile, die mit der angesaugten Luft oder mit eingespritzten Flüssigkeiten in Kontakt kommen mit der Schichtenfolge versehen. Insbesondere sind die Bauteile im Einlassbereich wie zum Beispiel die Beschaufelung und das Lager für die verstellbare Vorleitreihe damit zu versehen.
Die Erfindung ist auf Verdichter für Gasturbinen von Kraftanlagen jeder Art sowie auch von Turbinenstrahlantrieben und anderen Bauteilen in Flugzeugen und Schiffen anwendbar, wie etwa die Vorderkante der Tragflächen von Flugzeugen.
Die Bauteile des erfindungsgemässen Verdichters bestehen aus Materialien wie zum Beispiel Titan, rostfreie Stähle, Chromstähle, Aluminium sowie Karbidbildner. Die beschriebene Schichtenfolge mit Haftschicht eignet sich durchaus für eine Auftragung auf diesen Materialien.

Claims (7)

  1. Verdichter für eine Gasturbine, wobei
    die Bauteile des Verdichters auf ihren Oberflächen eine Beschichtung zum Schutz gegen Erosion durch Flüssigkeitstropfen und/oder Feststoffpartikel aufweisen, die mindestens zwei Schichten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schichten amorphen Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer enthalten, wobei die äusserste Schicht der Beschichtung hydrophobe Eigenschaften aufweist.
  2. Verdichter nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Beschichtung eine Schichtpaar oder eine Folge von mehreren Schichtpaaren aufweist, wobei die Härte der inneren Schicht eines Schichtpaares höher ist als die Härte der äusseren Schicht jenes Schichtpaares.
  3. Verdichter nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die innere Schicht eines Schichtpaares eine Härte im Bereich von 1500 bis 3000 HV und die äussere Schicht eines Schichtpaares eine Härte im Bereich von 500 bis 1500 HV aufweist.
  4. Verdichter nach einem der Ansprüche 2 oder 3
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dicken der Schichten der Schichtenpaare sich in umgekehrtem Verhältnis zu ihrer Härte verhalten.
  5. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dicken der inneren und äusseren Schichten der Schichtpaare im Bereich von 0.1 bis 2 Mikrometern liegen.
  6. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Oberflächen der Verdichterbauteile zunächst eine Haftschicht aufweisen, auf denen die Beschichtung aufgetragen ist.
  7. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Beschichtung auf den Oberflächen von Bauteilen im Einlassbereich des Verdichters, der Beschaufelung des Verdichters und/oder der Lagerstellen der verstellbaren Vorleitreihe aufgetragen ist.
EP02803485A 2001-11-19 2002-11-12 Verdichter für gasturbinen Expired - Lifetime EP1458981B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH212501 2001-11-19
CH21252001 2001-11-19
PCT/IB2002/004745 WO2003044374A1 (de) 2001-11-19 2002-11-12 Verdichter für gasturbinen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1458981A1 EP1458981A1 (de) 2004-09-22
EP1458981B1 true EP1458981B1 (de) 2005-07-20

Family

ID=4567609

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02803485A Expired - Lifetime EP1458981B1 (de) 2001-11-19 2002-11-12 Verdichter für gasturbinen

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7083389B2 (de)
EP (1) EP1458981B1 (de)
JP (1) JP2005518490A (de)
AU (1) AU2002366009A1 (de)
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