EP3921576B1 - Resonator, verfahren zur herstellung eines solchen sowie mit einem solchen versehene brenneranordnung - Google Patents

Resonator, verfahren zur herstellung eines solchen sowie mit einem solchen versehene brenneranordnung Download PDF

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EP3921576B1
EP3921576B1 EP20714906.3A EP20714906A EP3921576B1 EP 3921576 B1 EP3921576 B1 EP 3921576B1 EP 20714906 A EP20714906 A EP 20714906A EP 3921576 B1 EP3921576 B1 EP 3921576B1
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burner
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annular
shell structure
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to an annular resonator with a plurality of perforations for installation in a burner arrangement of a stationary gas turbine system.
  • the invention further relates to a method for producing a resonator according to the invention and a burner arrangement for a gas turbine system with a burner unit having a burner, a transition line which is arranged downstream of the burner unit and is designed to direct the hot gas generated by the burner to a turbine, and at least one such resonator.
  • An annular resonator according to the prior art is from DE 10 2006 026 969 A1 known.
  • Burner assemblies are used in gas turbine systems to generate hot gas and direct it to the turbine inlet.
  • they include a transition line designed as a pipeline, which is also referred to as a “transition” in specialist circles.
  • the transition line is under high thermal stress during operation of the gas turbine system. Accordingly, it is made of a high-temperature-resistant material, usually a thin-walled nickel-based material with internal cooling channels, and has an inner layer system for thermal insulation (TBC + MCrAlY).
  • TBC + MCrAlY inner layer system for thermal insulation
  • it is known to arrange at least one annular resonator made of metal behind the flame area in the so-called “basket” of the burner unit.
  • the resonator is technically a weak point in the burner arrangement, as it regularly shows cracks and limits the service life of the “basket”. Manufacturing and replacing a resonator is very complex and costly. Taking into account the fact that a further intensification of the diagnostic situation is to be expected due to the ever increasing demands on gas turbine systems, there is an object of the present invention is to make the maintenance of burner assemblies easier and cheaper.
  • the present invention creates a resonator of the type mentioned at the outset, which is made of refractory ceramic. This means that the resonator is significantly less prone to cracking at the temperatures prevailing during operation of a burner arrangement, which means that maintenance effort and costs are significantly reduced.
  • the resonator has an outer circumferential surface that tapers conically in the axial direction, so that it can be inserted into and attached to an annular metallic jacket structure with a jacket surface that also tapers conically.
  • a plurality of spring elements acting in the radial direction are arranged on the outer peripheral surface of the resonator.
  • Such spring elements enable radial and axial bracing of the resonator when it is inserted into a metallic jacket structure, while maintaining an annular gap between the resonator and jacket structure, so that differences in thermal expansion can be compensated for and the resonator can be fixed in a force-limited manner under all operating conditions.
  • the spring elements are leaf springs which extend in the axial direction and are bent radially outwards. In this way, a simple and inexpensive structure is achieved.
  • the spring elements are advantageously evenly spaced from one another in the circumferential direction, which enables the resonator to be centered within the jacket structure.
  • the resonator can be made in one piece or composed of several ring segments.
  • the present invention creates a method for producing a resonator according to the invention, in which additively manufactured mold inserts are preferably used to form the perforations as part of the original molding process of the annular resonator.
  • the perforations can be geometrically tuned to the desired damping frequencies during the manufacture of the resonator.
  • parameters can be varied, such as the hole area ratio, i.e. the ratio of all hole areas to the total area, the resonator thickness, the radius of the holes or the like.
  • the gap dimension between the resonator and a metallic jacket structure selected when assembling the resonator also has an influence on the damping frequency.
  • the present invention proposes a burner arrangement for a gas turbine system with a burner unit having a burner, a transition line which is arranged downstream of the burner unit and is designed to direct the hot gas generated by the burner to a turbine, and at least one resonator according to the invention.
  • the at least one resonator is accommodated in an annular metallic jacket structure with a cross-section that tapers conically in the downstream direction with radial and axial prestressing, with spring elements being arranged between the resonator and the jacket structure.
  • the radial and axial prestress is advantageously applied via a particularly annular pressure element, which is releasably attached to the front of the casing structure, in particular is screwed to it.
  • This pressure element therefore presses axially against the resonator(s) inserted into a jacket structure and tensions the spring elements with the desired pretension.
  • the jacket structure can be formed by the burner unit or by the transition line itself or can be provided as a separate component that is arranged between the burner unit and the transition line.
  • FIG. 1 shows an area of a known gas turbine system 1, in which a burner unit 2 is inserted into a housing 3 of the gas turbine system 1.
  • the burner unit 2 is connected via a flange 4 to a connection housing 5, which in turn is screwed to the housing 3.
  • the flange 4 can also be attached directly to the housing 3 and the connection housing 5 can be dispensed with.
  • the burner unit 2 comprises a burner 6 and a tubular combustion chamber 7 adjoining it downstream, which is often also referred to as a “basket”. becomes.
  • a metallic resonator 8 is provided, which is intended to reduce acoustic combustion vibrations.
  • the outlet end of the combustion chamber 7 is connected to an inlet end of a transition line 9, also referred to as a "transition”, which is held on the housing 3 via an adjusting and fixing device 10 and is designed to move the hot gas generated by the burner 6 to a position positioned downstream, turbine of the gas turbine arrangement 1, not shown here.
  • the burner unit 2 and the transition line 9 together form a burner arrangement.
  • the gas turbine system 1 includes several of these burner arrangements, which supply the turbine with hot gas.
  • the burner arrangements are subjected to high thermal stress during operation of the gas turbine system 1.
  • the high temperatures lead to the formation of cracks in the resonators 8, which is why the combustion chambers 7 have to be repaired or replaced regularly. This is very time-consuming and costly.
  • FIG. 2 shows an annular resonator 8 according to an embodiment not according to the invention, which is made of refractory ceramic.
  • the resonator 8 has an outer circumferential surface 11 which tapers conically in the axial direction A from an outer diameter D a1 to an outer diameter D a2 and an inner circumferential surface 12, which in the present case extends parallel to the outer circumferential surface 11 and thus also conically tapers in the axial direction from an inner diameter D i1 tapered to an inner diameter D i2 .
  • a plurality of perforations 13 are formed on the outer peripheral surface 11. The size, number, distribution and shape of the individual perforations 13 can be freely selected when producing the resonator 8 to achieve a desired damping frequency.
  • the perforations 13 are preferably produced as part of the original molding process of the resonator 8 using additively manufactured mold inserts, although in principle other or supplementary manufacturing techniques can of course also be used.
  • FIGS. 3 and 4 show resonators 8 according to an embodiment of the present invention, which are analogous to that in Figure 2 Resonator 8 shown is made of refractory ceramic and is provided with perforations 13.
  • the in Figure 3 Resonators 8 shown are not in one piece, but are composed of several ring segments 14.
  • a plurality of spring elements 15 acting in the radial direction are positioned on the outer peripheral surface 11, which in the present case are designed as leaf springs which extend in the axial direction and are bent radially outwards and are arranged evenly distributed over the outer peripheral surface 11.
  • depressions can be formed in the outer peripheral surface 11 of the resonator 8, although this is not absolutely necessary.
  • the size of the annular gap 19 can be adjusted within certain limits and also affects the damping frequency or frequencies of the resonators 8.
  • the jacket structure 16 can basically form part of the combustion chamber 7 of the burner unit 2 or part of the transition line 9 or as in the Figures 3 and 4 shown as a separate component, which is inserted between the burner unit 2 and the transition line 9 and attached to it.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen ringförmigen Resonator mit einer Vielzahl von Perforationen für den Einbau in eine Brenneranordnung einer stationären Gasturbinenanlage. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Resonators sowie eine Brenneranordnung für eine Gasturbinenanlage mit einer einen Brenner aufweisenden Brennereinheit, einer Übergangsleitung, die stromabwärts der Brennereinheit angeordnet und dazu ausgelegt ist, das durch den Brenner erzeugte Heißgas zu einer Turbine zu leiten, und zumindest einem solchen Resonator. Ein ringförmiger Resonator gemäß dem Stand der Technik ist aus der DE 10 2006 026 969 A1 bekannt.
  • Brenneranordnungen werden in Gasturbinenanlagen dazu eingesetzt, Heißgas zu erzeugen und zum Turbineneintritt zu leiten. Hierzu umfassen sie neben einer Brennereinheit eine als Rohrleitung ausgebildete Übergangsleitung, die in Fachkreisen auch als "Transition" bezeichnet werden. Die Übergangsleitung ist während des Betriebs der Gasturbinenanlage thermisch hoch beansprucht. Entsprechend ist sie aus einem hochtemperaturbeständigen Material hergestellt, üblicherweise aus einem dünnwandigen Nickelbasiswerkstoff mit innenliegenden Kühlkanälen, und weist ein inneres Schichtsystem zur Wärmedämmung (TBC + MCrAlY) auf. Zur Reduzierung akustischer Verbrennungsschwingungen ist es bekannt, hinter dem Flammenbereich im so genannten "Basket" der Brennereinheit zumindest einen aus Metall hergestellten ringförmigen Resonator anzuordnen. Der Resonator stellt technisch eine Schwachstelle der Brenneranordnung dar, da er regelmäßig Rissbefunde aufweist und die Lebensdauer des "Basket" begrenzt. Die Neuherstellung und der Austausch eines Resonators sind sehr aufwändig und kostenintensiv. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass aufgrund der immer höher werdenden Anforderungen an Gasturbinenanlagen mit einer weiteren Intensivierung der Befundungssituation zu rechnen ist, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Instandhaltung von Brenneranordnungen einfacher und preiswerter zu gestalten.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen Resonator der eingangs genannter Art, der aus feuerfester Keramik hergestellt ist. Dies führt dazu, dass der Resonator bei den während des Betriebs einer Brenneranordnung vorherrschenden Temperaturen deutlich weniger zur Rissbildung neigt, wodurch der Wartungsaufwand und die Kosten deutlich reduziert werden.
  • Der Resonator weist eine sich in axialer Richtung konisch verjüngende Außenumfangsfläche auf, so dass er in eine ringförmige metallische Mantelstruktur mit sich ebenfalls konisch verjüngender Mantelfläche eingesetzt und an dieser befestigt werden kann.
  • An der Außenumfangsfläche des Resonators ist eine Vielzahl von in radialer Richtung wirkenden Federelementen angeordnet. Solche Federelemente ermöglichen ein radiales und axiales Verspannen des Resonators, wenn dieser in eine metallische Mantelstruktur eingesetzt wird, unter Beibehaltung eines Ringspaltes zwischen Resonator und Mantelstruktur, so dass Wärmedehnungsunterschiede kompensiert und der Resonator unter allen Betriebsbedingungen kraftbegrenzt fixiert werden kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den Federelementen um sich in axialer Richtung erstreckende, radial auswärts gebogene Blattfedern. Auf dieses Weise wird ein einfacher und preiswerter Aufbau erzielt. Die Federelemente weisen in Umfangsrichtung vorteilhaft gleichmäßige Abstände zueinander auf, was eine zentrierte Positionierung des Resonators innerhalb der Mantelstruktur ermöglicht.
  • Der Resonator kann einteilig ausgebildet oder aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt sein.
  • Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Resonators, bei dem im Rahmen des Urformprozesses des ringförmigen Resonators bevorzugt additiv hergestellte Formeinsätze zur Ausbildung der Perforationen eingesetzt werden. Die Perforationen können bei der Herstellung des Resonators geometrisch auf gewünschte Dämpfungsfrequenzen abgestimmt werden. Zu diesem Zweck können Parameter variiert werden, wie beispielsweise das Lochflächenverhältnis, also das Verhältnis aller Lochflächen zur Gesamtfläche, die Resonatordicke, der Radius der Lochungen oder dergleichen. Auch das bei der Montage des Resonators gewählte Spaltmaß zwischen dem Resonator und einer metallischen Mantelstruktur hat einen Einfluss auf die Dämpfungsfrequenz.
  • Zudem schlägt die vorliegende Erfindung eine Brenneranordnung für eine Gasturbinenanlage mit einer einen Brenner aufweisenden Brennereinheit, einer Übergangsleitung, die stromabwärts der Brennereinheit angeordnet und dazu ausgelegt ist, das durch den Brenner erzeugtes Heißgas zu einer Turbine zu leiten, und zumindest einem erfindungsgemäßen Resonator vor.
  • Bevorzugt ist der zumindest eine Resonator in einer ringförmigen metallischen Mantelstruktur mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Querschnitt mit radialer und axialer Vorspannung aufgenommen, wobei Federelemente zwischen dem Resonator und der Mantelstruktur angeordnet sind.
  • Vorteilhaft ist die radiale und axiale Vorspannung über ein insbesondere ringförmig ausgebildetes Druckelement aufgebracht, das stirnseitig an der Mantelstruktur lösbar befestigt ist, insbesondere mit dieser verschraubt ist. Dieses Druckelement drückt also axial gegen den oder die in eine Mantelstruktur eingesetzten Resonator(en) und spannt die Federelemente mit der gewünschten Vorspannung.
  • Die Mantelstruktur kann durch die Brennereinheit oder durch die Übergangsleitung selbst gebildet oder als separate Komponente vorgesehen sein, die zwischen der Brennereinheit und der Übergangsleitung angeordnet ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
    • Figur 1
    eine Schnittansicht eines Bereiches einer bekannten Gasturbinenanlage;
    Figur 2
    eine perspektivische Ansicht eines Resonators gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
    Figur 3
    eine perspektivische Explosionsansicht eines Teilbereiches einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung, die Resonatoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist; und
    Figur 4
    eine Schnittansicht der in Figur 2 dargestellten Anordnung im montierten Zustand.
  • Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleichartige Bauteile oder Bauteilabschnitte.
  • Figur 1 zeigt einen Bereich einer bekannten Gasturbinenanlage 1, in dem eine Brennereinheit 2 in ein Gehäuse 3 der Gasturbinenanlage 1 eingesetzt ist. Die Brennereinheit 2 ist über einen Flansch 4 mit einem Verbindungsgehäuse 5 verbunden, das wiederum mit dem Gehäuse 3 verschraubt ist. Grundsätzlich kann der Flansch 4 aber auch direkt an dem Gehäuse 3 befestigt sein und entsprechend auf das Verbindungsgehäuse 5 verzichtet werden. Die Brennereinheit 2 umfasst einen Brenner 6 und eine sich stromabwärts an diesen anschließende rohrförmige Brennkammer 7, die häufig auch als "Basket" bezeichnet wird. Im Bereich der Brennkammer 7 ist hinter dem Flammbereich des Brenners 6 ein metallischer Resonator 8 vorgesehen, der zur Reduzierung akustischer Verbrennungsschwingungen vorgesehen ist. Das Auslassende der Brennkammer 7 ist mit einem Einlassende einer auch als "Transition" bezeichneten Übergangsleitung 9 verbunden, die über eine Justier- und Fixiereinrichtung 10 an dem Gehäuse 3 gehalten und dazu ausgelegt ist, das durch den Brenner 6 erzeugte Heißgas zu einer stromabwärts positionierten, vorliegend nicht dargestellten Turbine der Gasturbinenanordnung 1 zu leiten. Die Brennereinheit 2 und die Übergangsleitung 9 bilden gemeinsam eine Brenneranordnung. Die Gasturbinenanlage 1 umfasst mehrere dieser Brenneranordnungen, welche die Turbine mit Heißgas versorgen.
  • Die Brenneranordnungen sind während des Betriebs der Gasturbinenanlage 1 thermisch hoch beansprucht. Die hohen Temperaturen führen bei den Resonatoren 8 zu Rissbildungen, weshalb die Brennkammern 7 regelmäßig repariert oder ausgetauscht werden müssen. Dies ist sehr zeit- und kostenintensiv.
  • Figur 2 zeigt einen ringförmigen Resonator 8 gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, der aus feuerfester Keramik hergestellt ist. Der Resonator 8 weist eine sich in axialer Richtung A von einem Außendurchmesser Da1 zu einem Außendurchmesser Da2 konisch verjüngende Außenumfangsfläche 11 und eine Innenumfangsfläche 12 auf, die sich vorliegend parallel zur Außenumfangsfläche 11 erstreckt und somit ebenfalls in axialer Richtung konisch von einem Innendurchmesser Di1 zu einem Innendurchmesser Di2 verjüngt. An der Außenumfangsfläche 11 ist eine Vielzahl von Perforationen 13 ausgebildet. Die Größe, Anzahl, Verteilung und Form der einzelnen Perforationen 13 können bei der Herstellung des Resonators 8 zur Erzielung einer gewünschten Dämpfungsfrequenz frei gewählt werden. Die Perforationen 13 werden bevorzugt im Rahmen des Urformprozesses des Resonators 8 unter Einsatz additiv hergestellter Formeinsätze hergestellt, wobei grundsätzlich natürlich auch andere oder ergänzende Fertigungstechniken eingesetzt werden können.
  • Die Figuren 3 und 4 zeigen Resonatoren 8 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die analog zu dem in Figur 2 dargestellten Resonator 8 aus feuerfester Keramik hergestellt und mit Perforationen 13 versehen sind. Ein Unterschied besteht darin, dass die in Figur 3 dargestellten Resonatoren 8 nicht einteilig, sondern aus mehreren Ringsegmenten 14 zusammengesetzt sind. An der Außenumfangsfläche 11 ist eine Vielzahl von in radialer Richtung wirkenden Federelementen 15 positioniert, die vorliegend als sich in axialer Richtung erstreckende, radial auswärts gebogene Blattfedern ausgebildet und gleichmäßig über die Außenumfangsfläche 11 verteilt angeordnet sind. Zur Aufnahme der Federelemente 15 können in der Außenumfangsfläche 11 des Resonators 8 Vertiefungen ausgebildet sein, wobei dies nicht zwingend erforderlich ist. Die beiden in Figur 3 dargestellten Resonatoren 8 werden bei ihrer Montage axial hintereinander mit dem jeweils kleineren Außendurchmesser Da2 voran in eine metallische Mantelstruktur 16 eingesetzt, so dass die Federelemente 15 mit der Innenwand der Mantelstruktur 16 in Eingriff kommen. Dann werden die Resonatoren 8 über ein vorliegend ringförmig ausgebildetes Druckelement 17 entgegen der Federkraft der Federelemente 15 weiter in die Mantelstruktur 16 eingeschoben, woraufhin das Druckelement 17 unter Verwendung von Befestigungsschrauben 18 stirnseitig an der Mantelstruktur 16 befestigt wird. Auf diese Weise werden die Resonatoren 8 unter Beibehaltung eines Ringspaltes 19 zwischen den Resonatoren 8 der Mantelstruktur 16 unter Ausübung einer radialen und axialen Vorspannung fixiert. Das Maß des Ringspaltes 19 ist dabei in gewissen Grenzen einstellbar und wirkt sich ebenfalls auf die Dämpfungsfrequenz bzw. Dämpfungsfrequenzen der Resonatoren 8 aus. Die Mantelstruktur 16 kann grundsätzlich einen Teil der Brennkammer 7 der Brennereinheit 2 oder einen Teil der Übergangsleitung 9 bilden oder wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt als separate Komponente vorgesehen sein, die zwischen der Brennereinheit 2 und der Übergangsleitung 9 eingesetzt und daran befestigt wird.
  • Es sollte klar sein, dass der in Figur 2 dargestellte Resonator 8 ebenso wie die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Resonatoren 8 unter Verwendung einer Mantelstruktur 16, von Federelementen 15 und eines Druckelementes 17 montiert werden kann.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (9)

  1. Ringförmiger Resonator (8) mit einer Vielzahl von Perforationen (13) für den Einbau in eine Brenneranordnung einer stationären Gasturbinenanlage (1),
    wobei der Resonator (8) aus feuerfester Keramik hergestellt ist, dieser eine sich in axialer Richtung konisch verjüngende Außenumfangsfläche (11) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an der Außenumfangsfläche (11) eine Vielzahl von in radialer Richtung wirkenden Federelementen (15) angeordnet ist.
  2. Resonator (8) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei den Federelementen (15) um sich in axialer Richtung erstreckende, radial auswärts gebogene Blattfedern handelt.
  3. Resonator (8) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Federelemente (15) in Umfangsrichtung gleichmäßige Abstände zueinander aufweisen.
  4. Resonator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dieser aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Resonators nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Rahmen des Urformprozesses des ringförmigen Resonators (8) bevorzugt additiv hergestellte Formeinsätze zur Ausbildung der Perforationen (13) eingesetzt werden.
  6. Brenneranordnung für eine Gasturbinenanlage (1)
    mit einer einen Brenner (6) aufweisenden Brennereinheit (2),
    einer Übergangsleitung (9), die stromabwärts der Brennereinheit (2) angeordnet und dazu ausgelegt ist, dass durch den Brenner (6) erzeugtes Heißgas zu einer Turbine zu leiten, und
    zumindest einem Resonator (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  7. Brenneranordnung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zumindest eine Resonator (8) in einer ringförmigen metallischen Mantelstruktur (16) mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Querschnitt mit radialer und axialer Vorspannung aufgenommen ist,
    wobei Federelemente (15) zwischen dem Resonator (8) und der Mantelstruktur (16) angeordnet sind.
  8. Brenneranordnung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die radiale und axiale Vorspannung über ein insbesondere ringförmig ausgebildetes Druckelement (17) aufgebracht ist, das stirnseitig an der Mantelstruktur (16) lösbar befestigt ist,
    insbesondere mit dieser verschraubt ist.
  9. Brenneranordnung nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mantelstruktur (16) durch die Brennereinheit (2) oder durch die Übergangsleitung (9) ausgebildet oder als separate Komponente vorgesehen ist, die zwischen der Brennereinheit (2) und der Übergangsleitung (9) angeordnet ist.
EP20714906.3A 2019-04-17 2020-03-16 Resonator, verfahren zur herstellung eines solchen sowie mit einem solchen versehene brenneranordnung Active EP3921576B1 (de)

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EP (1) EP3921576B1 (de)
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DE (1) DE102019205540A1 (de)
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WO (1) WO2020212039A1 (de)

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