EP2815083B1 - Bauteil für eine thermische maschine, insbesondere eine gasturbine - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the field of thermal machines. It relates to a component for a thermal machine, in particular for a gas turbine, according to the preamble of claim 1.
- thermal machines in particular gas turbines
- components that on the one hand have design-related corners and edges and on the other hand are exposed at these points during operation of a high thermal load.
- An example of such a component is a composite of several parts blade of a gas turbine, as shown for example in the pamphlet EP 2 189 626 A1 is disclosed.
- the Figures 1 and 2 this document are as Fig. 1 reproduced in the present application.
- a platform member 10 and an airfoil member 20 are assembled into a blade and connected together.
- the platform element 10 has in the top 11 a passage opening 12 through which the airfoil element 20 can be inserted with the end in a blade tip 18 blade 17.
- To attach the composite blade serve legs 13, 14 with molded hooks 15, 16 on the underside of the platform element 10 and a blade root 21 on the airfoil element 20, which is connected to the blade 17 via a shaft 19.
- the inventive component which is provided for a thermal machine, in particular a gas turbine, and has a thermally highly loaded corner or edge, has for cooling the corner or edge in the immediate vicinity of the corner or edge at least one from the surface in the component sinks recessed cooling channel.
- the corner or edge extends along a predetermined line and the at least one cooling channel extends over a predetermined distance substantially parallel to the corner or edge.
- the cooling channel has an outlet on the side of the surface to be cooled and an inlet on the opposite side.
- the at least one cooling channel comprises a cooling tube introduced into a channel.
- the cooling tube is in each case embedded in a filler filling the channel and thereby thermally coupled to the surrounding material of the component.
- Another embodiment is characterized in that the channel is closed with the introduced cooling tube to the surface to be cooled.
- a welded cover layer is provided for closing the channel.
- a further embodiment of the invention is characterized in that the cooling channel has a distance of its central axis from the surface to be cooled in the range of 1 mm.
- the cooling channel has an inner diameter in the range of about 1 mm.
- the component is equipped with a thermal barrier coating. This is especially for highly thermally stressed components, such as those in a gas turbine, in question.
- the component is designed as a blade of a gas turbine.
- the blade is composed of separate components, wherein the corner or edge to be cooled is formed at a transition between the separate components.
- the corner or edge can be bounded on one side by a gap flooded by the hot gas.
- a technology of the surface near recessed cooling channels for cooling of thermally highly loaded corners or edges of gas turbine components, such as blades, vanes or heat shields used.
- a configuration according to Fig. 2 There is the problem that the edge 22 is exposed to hot gas from two abutting surfaces ago and thus is particularly highly thermally stressed in the corner region 24.
- a cooling channel 25 with a small inner diameter running parallel to the edge 22 is provided directly below the surface in order to cool the corner region 24 effectively and with a reduced use of coolant, generally cooling air.
- the inlet 30 and the outlet 29 of the cooling channel 25 are in Fig. 3 indicated by dashed lines.
- the cooling channel 25 starts (with the inlet 30) from a plenum filled with cooling air, then runs parallel to the edge 22 to be cooled and then discharges the heated air into the gap 23 via the outlet 29.
- the outlet 29 can also lead to the surface to discharge the heated air directly into the hot gas stream and to produce on the surface of a cooling air film in the sense of film cooling.
- Fig. 6 clarifies, where Fig. 6 (A) shows the longitudinal section through an exemplary arrangement, and Fig. 6 (B) the cross-section in the plane BB:
- a suitable method eg Senkerodieren
- a suitably shaped tool e.g Senkerodieren
- a groove 41 in the wall of the component which at one end with a bend 31 a obliquely upwards expires (outlet 29) and at the other end after a bend 31 b has a passage to the bottom (inlet 30).
- a correspondingly dimensioned and shaped cooling tube 31 is introduced into the channel thus formed and thermally intimately coupled to the surrounding material of the component 26 via a filling material 32 (eg brazing alloy or the like).
- the arrangement thus formed can then be closed by applying a cover layer 33 by welding. It forms a near-surface cooling channel 27, which is flowed through during operation by the cooling medium 28, for example cooling air.
- the cooling channel 27 produced in this way has a distance between the central axis surface in the range of 1 mm and an inner diameter in the region of approximately 1 mm. Its length is generally in a range of 10mm to 100mm, preferably 20mm to 40mm. With edge lengths beyond this, a plurality of cooling channels 27 are arranged in succession as shown in FIGS FIGS. 7 and 8 is shown by way of example. Successive cooling channels 27 may differ in length from each other, for example, to take into account different thermal stresses or design constraints. You can be traversed in the interest of optimal cooling effect in the same or in the opposite direction of the cooling medium. The same applies to parallel cooling channels.
- the at least one cooling channel 37 must be tracked according to the invention of this curved curve.
- a number of consecutively arranged cooling channels 37 which may also be curved, follows the curve contour.
- the specific length of the individual channels 37 depends in particular on the thermal load of the platform element 34. It will usually be between 20mm and 40mm.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft ein Bauteil für eine thermische Maschine, insbesondere für eine Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Bei thermischen Maschinen, insbesondere Gasturbinen, gibt es verschiedene Bauteile, die einerseits konstruktionsbedingt Ecken und Kanten aufweisen und andererseits an diesen Stellen im Betrieb einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist eine aus mehreren Teilen zusammengesetzte Laufschaufel einer Gasturbine, wie sie beispielsweise in der Druckschrift
EP 2 189 626 A1 offenbart ist. DieFiguren 1 und 2 dieser Druckschrift sind alsFig. 1 in der vorliegenden Anmeldung wiedergegeben. - Die in
Fig. 1 gezeigten Teile, ein Plattform-Element 10 und ein Schaufelblatt-Element 20, werden zu einer Laufschaufel zusammengesetzt und miteinander verbunden. Das Plattform-Element 10 hat in der Oberseite 11 eine Durchgangsöffnung 12, durch die das Schaufelblatt-Element 20 mit dem in einer Schaufelspitze 18 endenden Schaufelblatt 17 gesteckt werden kann. Zur Befestigung der zusammengesetzten Schaufel dienen Beine 13, 14 mit angeformten Haken 15, 16 auf der Unterseite des Plattform-Elementes 10 sowie ein Schaufelfuss 21 am Schaufelblatt-Element 20, der mit dem Schaufelblatt 17 über einen Schaft 19 verbunden ist. - Im zusammengebauten Zustand ergibt sich ein Übergang zwischen Schaufelblatt 17 und Oberseite 11 des Plattform-Elements 10, der in
Fig. 2 im Schnitt vergrössert dargestellt ist. Durch einen zwischen den Teilen 17 und 11 gebildeten Spalt 23, der vom das Schaufelblatt 17 umströmenden Heissgas beaufschlagt ist, entsteht eine Kante 22 mit einem Eckbereich 24, der thermisch hoch belastet ist. - Bisher wurde diese (in
Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene verlaufende) Kante 22 dadurch gekühlt, dass parallel zur Kante 22 ein gegossener Kühlkanal vorgesehen wurde. Ein solcher Kühlkanal ist jedoch nicht sehr effizient, weil - a) bei einem gegossenen Kanal der Abstand zur Oberfläche vergleichsweise gross ist, was zu höheren Temperaturen im Eckbereich 24 führt; und
- b) bei einem gegossenen Kanal der Innendurchmesser vergleichsweise gross ist, was zu einem höheren Verbrauch an Kühlluft führt.
- Aus diesem Grunde kommt es wegen mangelnder Kühlung in nicht unerheblichem Maße zu einer Oxidation und Rissbildung an der Kante 22.
- Zur Lösung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden (siehe die Druckschrift
JP 2010144656 US 7,597,536 B1 ), die Beaufschlagung der Kante mit Heissgas zu vermindern, indem beispielsweise eine Spülung mit Kühlluft vorgesehen wird. Nachteilig ist dabei, dass eine erhebliche Menge an Spülluft benötigt wird, um die Temperatur des abgemischten Heissgases niedrig zu halten. Insbesondere bei grösseren Spalten nimmt die erforderliche Spülluftmenge deutlich zu. Wenn sich die Spaltbreite während des Betriebs in einer Weise ändert, die nicht der ausgelegten Spülluftmenge entspricht, verliert diese Kühlungsart ihre Wirkung. Im ungünstigsten Fall kann die Spülluft direkt in den Hauptstrom einfliessen, wenn sich die Strömungsbedingungen während des Betriebs ändern. Aus diesen Gründen ist der Spalt weitgehend ohne Kühlung, weil beide Lösungsvorschläge eine ausgewogene Mischung aus in den Spalt eindringendem Heissgas und durch Bohrungen herangeführter Spülluft voraussetzen. - In der Druckschrift
DE2754896 A1 ist eine Kühlung durch in eine Oberfläche eingelassene, eine Flüssigkeit führende Röhrchen offenbart. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil der eingangs genannten Art anzugeben, das die Nachteile bekannter Bauteile vermeidet und im Bereich thermisch hoch belasteter Ecken bzw. Kanten mit geringem Kühlmittelaufwand stets ausreichend gekühlt wird.
- Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemässe Bauteil, das für eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine, vorgesehen ist und eine thermisch hoch belastete Ecke bzw. Kante aufweist, weist zur Kühlung der Ecke bzw. Kante in unmittelbarer Nähe der Ecke bzw. Kante wenigstens einen von der Oberfläche her in das Bauteil versenkt eingelassenen Kühlkanal auf. Die Ecke bzw. Kante erstreckt sich entlang einer vorgegebenen Linie und der wenigstens eine Kühlkanal verläuft über eine vorbestimmte Strecke im Wesentlichen parallel zur Ecke bzw. Kante. Außerdem weist der Kühlkanal einen Auslass auf der Seite der zu kühlenden Oberfläche und einen Einlass auf der gegenüberliegenden Seite auf. Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass in unmittelbarer Nähe der Ecke bzw. Kante mehrere parallel verlaufende, versenkt eingelassene Kühlkanäle angeordnet sind. Erfindungsgemäss umfasst der wenigstens eine Kühlkanal ein in eine Rinne eingebrachtes Kühlrohr. Insbesondere ist das Kühlrohr jeweils in ein die Rinne ausfüllendes Füllmaterial eingebettet und dadurch thermisch an das umgebende Material des Bauteils angekoppelt.
- Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Rinne mit dem eingebrachten Kühlrohr zur zu kühlenden Oberfläche hin verschlossen ist. Insbesondere ist zum Verschliessen der Rinne eine aufgeschweisste Deckschicht vorgesehen.
- Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal einen Abstand seiner Mittelachse von der zu kühlenden Oberfläche im Bereich von 1 mm aufweist.
- Gemäss einer anderen Ausgestaltung weist der Kühlkanal einen Innendurchmesser im Bereich von etwa 1 mm auf.
- Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das Bauteil mit einer Wärmedämmschicht ausgerüstet. Dies kommt insbesondere für thermisch hoch belastete Bauteile, beispielsweise solche in einer Gasturbine, in Frage.
- Gemäss einer anderen Ausgestaltung ist das Bauteil als Schaufel einer Gasturbine ausgebildet.
- Insbesondere ist die Schaufel aus separaten Bauteilen zusammengesetzt, wobei die zu kühlende Ecke bzw. Kante an einem Übergang zwischen den separaten Bauteilen ausgebildet ist.
- Die Ecke bzw. Kante kann dabei an einer Seite durch einen vom Heissgas gefluteten Spalt begrenzt sein.
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- eine aus der Druckschrift
EP 2 189 626 A1 bekannte zusammengesetzte Laufschaufel einer Gasturbine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann; - Fig. 2
- im Schnitt eine thermisch hoch belastete Ecke bzw. Kante der Schaufel aus
Fig. 1 ; - Fig. 3-5
- verschiedene Ausführungsbeispiele für eine Kühlung der Ecke bzw. Kante aus
Fig. 2 gemäss der Erfindung; - Fig. 6
- im Längsschnitt (A) und Querschnitt (B) eine beispielhafte Kühlkanal-Konfiguration für die Eckenkühlung gemäss der Erfindung;
- Fig. 7
- in der Draufsicht von oben eine Plattform einer gebauten Schaufel mit einem umlaufenden Kühlkanal nach der Erfindung; und
- Fig. 8
- Ecken-Kühlkanäle nach der Erfindung an den äusseren Ecken bzw. Kanten des Plattform-Elements aus
Fig. 1 . - Gemäss der Erfindung wird eine Technologie der oberflächenah versenkten Kühlkanäle zur Kühlung von thermisch hoch belasteten Ecken beziehungsweise Kanten von Gasturbinen-Bauteilen, wie zum Beispiel Laufschaufeln, Leitschaufeln oder Hitzeschilden eingesetzt. Bei einer Konfiguration gemäss
Fig. 2 besteht das Problem, dass die Kante 22 Heissgas von zwei aneinander stossenden Flächen her ausgesetzt ist und damit im Eckbereich 24 thermisch besonders hoch belastet ist. - Gemäss
Fig. 3 wird nun im Kantenbereich ein parallel zur Kante 22 verlaufender Kühlkanal 25 mit kleinem Innendurchmesser direkt unterhalb der Oberfläche vorgesehen, um den Eckbereich 24 wirksam und mit einem verminderten Einsatz von Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, zu kühlen. Der Einlass 30 und der Auslass 29 des Kühlkanals 25 sind inFig. 3 gestrichelt angedeutet. - Der Kühlkanal 25 startet (mit dem Einlass 30) von einem mit Kühlluft gefüllten Plenum aus, verläuft dann parallel zur zu kühlenden Kante 22 und gibt dann über den Auslass 29 die erwärmte Luft in den Spalt 23 ab. Der Auslass 29 kann aber auch an die Oberfläche führen, um die erwärmte Luft direkt in den Heissgasstrom auszulassen und an der Oberfläche einen Kühlluft-Film im Sinne einer Filmkühlung zu erzeugen.
- Sollte ein einzelner Kühlkanal 25 gemäss
Fig. 3 nicht ausreichen, um die Kante 22 zu kühlen, können gemässFig. 4 zwei parallel verlaufende Kühlkanäle 25a und 25b vorgesehen werden, die entsprechend an das Plenum und den Heissgaskanal angeschlossen sind. Sollte auch dies nicht ausreichen, können gemässFig. 5 mehr als zwei Kühlkanäle 25a, 25c und 25d zur Kante 22 parallel verlaufen. - Das prinzipielle Verfahren, mittels welchem dünne Kühlkanäle von der Oberfläche her nachträglich in ein vorgeformtes Bauteil sehr nahe an der zu kühlenden Oberfläche eingebracht werden können, ist anhand der
Fig. 6 verdeutlicht, wobeiFig. 6 (A) den Längschnitt durch eine beispielhafte Anordnung zeigt, undFig. 6 (B) den Querschnitt in der Ebene B-B: In ein Bauteil 26 wird von der Oberseite her durch ein geeignetes Verfahren (z.B. Senkerodieren) mit einem geeignet geformten Werkzeug eine Rinne 41 in die Wand des Bauteils eingebracht, die an dem einen Ende mit einer Biegung 31 a schräg nach oben ausläuft (Auslass 29) und am anderen Ende nach einer Biegung 31 b einen Durchgang zur Unterseite aufweist (Einlass 30). In die so gebildete Rinne wird ein entsprechend dimensioniertes und geformtes Kühlrohr 31 eingebracht und über ein Füllmaterial 32 (z.B. Hartlot oder dgl.) thermisch eng an das umgebende Material des Bauteils 26 angekoppelt. Die so gebildete Anordnung kann dann verschlossen werden, indem durch Schweissen eine Deckschicht 33 aufgebracht wird. Sie bildet einen oberflächennahen Kühlkanal 27, der im Betrieb von dem Kühlmedium 28, zum Beispiel Kühlluft, durchströmt wird. - Der auf diese Weise hergestellte Kühlkanal 27 hat beispielsweise einen Abstand Mittelachse-Oberfläche im Bereich von 1 mm bei einem Innendurchmesser im Bereich von etwa 1 mm. Seine Länge liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 10mm bis 100mm, vorzugsweise 20mm bis 40mm. Bei darüber hinausgehenden Kantenlängen wird eine Mehrzahl von Kühlkanälen 27 in Folge angeordnet, wie dies in den
Figuren 7 und 8 beispielhaft gezeigt ist. Aufeinander folgende Kühlkanäle 27 können in ihrer Länge voneinander abweichen, um beispielsweise unterschiedlichen thermischen Beanspruchungen oder konstruktiven Zwängen Rechnung zu tragen. Sie können im Interesse einer optimalen Kühlwirkung in gleicher oder in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmedium durchströmt werden. Das Gleiche gilt auch für parallel angeordnete Kühlkanäle. - Bei einem Plattform-Element 34 gemäss
Fig. 7 , welches auf der Oberseite 35 eine Durchgangsöffnung 36 hat, das von einer gekrümmten Kurve berandet ist, die einem Schaufelprofil gleicht, muss der wenigstens eine Kühlkanal 37 gemäss der Erfindung dieser gekrümmten Kurve nachgeführt sein. Eine Anzahl hintereinander angeordneter Kühlkanäle 37, die auch gekrümmt ausgebildet sein können, folgt der Kurvenkontur. Die konkrete Länge der einzelnen Kanäle 37 hängt insbesondere von der thermischen Belastung des Plattform-Elements 34 ab. Sie wird in der Regel zwischen 20mm und 40mm betragen. - Bei einem Plattform-Element gemäss
Fig. 1 können aber auch an den äusseren Kanten Kühlluftkanäle nach der Erfindung eingesetzt werden, wie dies inFig. 8 für die Kühlkanäle 38 und 39 angedeutet ist. - Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- a) durch einen reduzierten Kühlluftverbrauch verbessert sich der Wirkungsgrad der Maschine;
- b) die Kühlung erfolgt so nahe an dem zu kühlenden Ort wie möglich;
- c) die thermisch hoch belasteten Ecken beziehungsweise Kanten, die an aneinander anstoßenden Ringflächen gebildet werden und dadurch besonders hoch belastet sind, werden effektiv gekühlt; und
- d) die Lebensdauer des so gekühlten Bauteils verlängert sich deutlich.
-
- 10,34
- Plattform-Element
- 11,35
- Oberseite
- 12,36
- Durchgangsöffnung
- 13,14
- Bein
- 15,16
- Haken
- 17
- Schaufelblatt
- 18
- Schaufelspitze
- 19
- Schaft
- 20
- Schaufelblatt-Element
- 21
- Schaufelfuss
- 22
- Ecke, Kante
- 23
- Spalt
- 24
- Eckbereich
- 25,25a-d
- Kühlkanal
- 26
- Bauteil
- 27,37
- Kühlkanal
- 28
- Kühlmedium, z.B. Luft
- 29
- Auslass
- 30
- Einlass
- 31
- Kühlrohr
- 31 a,b
- Biegung
- 32
- Füllmaterial (z.B. Lot)
- 33
- Deckschicht (geschweisst)
- 38,39
- Kühlkanal
- 40a,b
- Ecke, Kante
- 41
- Rinne
Claims (13)
- Bauteil (10, 20; 26; 34) für eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine, welches Bauteil (10, 20; 26; 34) eine thermisch hoch belastete Ecke bzw. Kante (22; 40a,b) aufweist, wobei zur Kühlung der Ecke bzw. Kante (22; 40a,b) in unmittelbarer Nähe der Ecke bzw. Kante (22; 40a,b) wenigstens ein von der Oberfläche her in das Bauteil (10, 20; 26; 34) versenkt eingelassener Kühlkanal (25,25a-d; 27; 37; 38, 39) angeordnet ist, wobei der Kühlkanal (25,25a-d; 27; 37; 38, 39) einen Auslass (29) auf der Seite der zu kühlenden Oberfläche und einen Einlass (30) auf der gegenüberliegenden Seite aufweist, wobei sich die Ecke bzw. Kante (22; 40a,b) entlang einer vorgegebenen Linie erstreckt, wobei der wenigstens eine Kühlkanal (25, 25a-d; 27; 37; 38, 39) über eine vorbestimmte Strecke im Wesentlichen parallel zu der Ecke bzw. Kante (22; 40a,b) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (25,25a-d; 27; 37; 38, 39) ein in eine Rinne (41) eingebrachtes Kühlrohr (31) umfasst.
- Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in unmittelbarer Nähe der Ecke bzw. Kante (22; 40a,b) mehrere Kühlkanäle (25, 27, 37, 38, 39) in Reihe angeordnet sind .
- Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in unmittelbarer Nähe der Ecke bzw. Kante (22, 40a,b) mehrere parallel verlaufende, versenkt eingelassene Kühlkanäle (25a-d) angeordnet sind.
- Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel verlaufenden Kühlkanäle (25, 27) versetzt zueinander angeordnet sind.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (31) jeweils in ein die Rinne (41) ausfüllendes Füllmaterial (32) eingebettet und dadurch thermisch an das umgebende Material des Bauteils (10, 20; 26; 34) angekoppelt ist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (41) mit dem eingebrachten Kühlrohr (31) zur zu kühlenden Oberfläche hin verschlossen ist.
- Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschliessen der Rinne (41) eine aufgeschweisste Deckschicht (33) vorgesehen ist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (25,25a-d; 27; 37; 38, 39) einen Abstand seiner Mittelachse von der zu kühlenden Oberfläche im Bereich von 1 mm aufweist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (25,25a-d; 27; 37; 38, 39) einen Innendurchmesser im Bereich von etwa 1 mm aufweist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche des Bauteils eine Wärmedämmschicht aufgebracht ist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als Schaufel (10, 20) einer Gasturbine ausgebildet ist.
- Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel aus separaten Bauteilen (10, 20) zusammengesetzt ist, und die zu kühlende Ecke bzw. Kante (22, 40a,b) an einem Übergang zwischen den separaten Bauteilen (10, 20) ausgebildet ist.
- Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecke bzw. Kante (22, 40a,b) an einer Seite durch einen von Heissgas beaufschlagten Spalt (23) begrenzt ist.
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---|---|
EP2815083A1 EP2815083A1 (de) | 2014-12-24 |
EP2815083B1 true EP2815083B1 (de) | 2017-06-28 |
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ID=47714135
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EP13704137.2A Active EP2815083B1 (de) | 2012-02-17 | 2013-02-15 | Bauteil für eine thermische maschine, insbesondere eine gasturbine |
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