ES2870018T3 - Elemento de revestimiento para una carcasa intermedia de turbina - Google Patents

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Alois Eichinger
Wolfgang Bickmeier
Manfred Feldmann
Daniel Kirchner
Johannes Geisler
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Abstract

Elemento de revestimiento de un conducto de gas caliente de una carcasa intermedia de turbina de gas, en particular de una turbina de gas de avión, que comprende una primera sección de unión axial delantera (12; 112) en relación con un eje del motor de la turbina de gas, una segunda sección de unión axial trasera (14; 114), una sección central (16; 116) que está unida a la primera sección de unión (12; 112) y a la segunda sección de unión (14; 114) y se dispone entre ellas en la dirección axial (AR), en donde la sección central (16; 116) tiene una superficie exterior (20; 120) orientada hacia fuera del conducto, y en donde la primera sección de unión (12; 112) se puede acoplar a los componentes axiales delanteros de la carcasa intermedia de turbina y de la turbina de gas, respectivamente, y la segunda sección de unión (14; 114) se puede acoplar a los componentes axiales traseros de la carcasa intermedia de turbina y de la turbina de gas, respectivamente, en donde la sección central (16; 116) tiene al menos una primera sección de refuerzo (24; 124), que se proyecta en una dirección que se aleja del conducto y que se extiende de forma sustancialmente rectilínea entre un extremo axial delantero (28) y un extremo axial trasero, en donde al menos uno de los dos extremos axiales se une a una segunda sección de refuerzo (26; 126), que se extiende inclinada o curvada en relación con la extensión rectilínea de la primera sección de refuerzo (24; 124), en donde la primera sección de refuerzo (24; 124) y la segunda sección de refuerzo (26; 126) forman de conjunto un elemento de refuerzo (22; 122), en donde el elemento de refuerzo (22; 122) está separado de la primera sección de unión (12; 112) y de la segunda sección de unión (14; 114), caracterizado porque el elemento de refuerzo (22; 122) está separado en la dirección circunferencial (UR) de las secciones de borde laterales (18; 118) del elemento de revestimiento (10; 110) que sobresale al menos en la dirección radial (RR) de la superficie exterior (20; 120) de la sección central (16; 116), de modo que todo el elemento de refuerzo (22; 122) se dispone dentro de la superficie exterior (20; 120) de la sección central (16; 116) y no está directamente unido a las secciones de unión y a las secciones de borde lateral del elemento de revestimiento.

Description

DESCRIPCIÓN
Elemento de revestimiento para una carcasa intermedia de turbina
La presente invención se refiere a un elemento de revestimiento de un conducto de gas caliente de una carcasa intermedia de turbina de una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1.
Las indicaciones direccionales "axial", "radial" y "circunferencial" se deben entender en principio con respecto al eje de la máquina de la carcasa intermedia de turbina o de la turbina de gas.
A los efectos de la presente invención, el término "carcasa intermedia de turbina" comprende las carcasas que están directamente adyacentes a la carcasa de una etapa de turbina en la dirección axial de la turbina de gas, preferentemente dispuestas entre dos etapas de turbina, en donde la turbina de gas puede tener dos o más etapas de turbina, dependiendo del diseño. En particular, el término "carcasa de la turbina" también incluye el llamado "bastidor intermedio de turbina". Se conoce la colocación de nervaduras de refuerzo en componentes, en particular elementos de revestimiento, de las carcasas intermedias de turbina o de las turbinas de gas. En este contexto, las nervaduras de refuerzo conocidos se extienden generalmente en la dirección axial o en la dirección circunferencial. Las nervaduras de refuerzo conocidos están acoplados a secciones de borde del componente correspondiente, de modo que las nervaduras de refuerzo se extienden generalmente en la dirección axial o en la dirección circunferencial a lo largo de todo el componente. Tales componentes de revestimiento son conocidos de las patentes núm. US 2005/0254939 A1 y CN 105756 726A.
Aunque estas nervaduras de refuerzo pueden lograr una alta rigidez de los componentes, se generan altas tensiones inducidas térmicamente en el componente debido a la unión de las nervaduras de refuerzo con las secciones de borde. Además, la necesidad de material para esas nervaduras de refuerzo conocidas es elevada.
Por lo tanto, el objetivo de la invención es proporcionar un elemento de revestimiento para un conducto anular de una carcasa intermedia de turbina, en el que se pueda conseguir una rigidez suficiente con un bajo aporte de material y se puedan reducir las tensiones inducidas térmicamente.
Para lograr este objetivo, se propone que la sección central comprenda al menos una primera sección de refuerzo que se proyecta en la dirección que se aleja del conducto y que se extiende de forma sustancialmente rectilínea entre un extremo axial delantero y un extremo axial trasero, en donde al menos uno de los dos extremos axiales está contiguo a una segunda sección de refuerzo que se proyecta en la dirección que se aleja del conducto y que se extiende de forma inclinada o curvada con respecto al curso rectilíneo de la primera sección de refuerzo, en donde la primera sección de refuerzo y la segunda sección de refuerzo forman de conjunto un elemento de refuerzo, en donde todo el elemento de refuerzo se dispone dentro de la superficie exterior de la sección central de tal manera que el elemento de refuerzo está espaciado de las secciones de borde lateral del elemento de revestimiento, la primera sección de unión y la segunda sección de unión y no está directamente unido a las secciones terminales y a las secciones de borde lateral del elemento de revestimiento.
La primera sección de refuerzo, que se extiende entre el extremo axial delantero y el extremo axial trasero en una línea sustancialmente recta, tiene así una dirección de extensión principal que tiene una componente de dirección axial, es decir, una componente de dirección orientada en la dirección axial del turbomotor. Preferentemente, la dirección de extensión principal de la primera sección de refuerzo no tiene componente de dirección circunferencial o solo tiene una componente de dirección circunferencial que es menor que la componente de dirección axial, es decir, una componente de dirección orientada en la dirección circunferencial del turbomotor.
La disposición de dos secciones de refuerzo que forman conjuntamente el elemento de refuerzo, en donde la segunda sección de refuerzo está inclinada o curvada con respecto a la primera sección de refuerzo rectilínea, permite un diseño que ahorra material. Además, la separación de las secciones de unión puede evitar las restricciones, de modo que se pueden evitar las altas tensiones inducidas térmicamente.
Un extremo libre de la primera sección de refuerzo que no está unido a una segunda sección de refuerzo puede ser cónico al menos en la dirección radial, de tal manera que la primera sección de refuerzo se solape sustancialmente continua con la superficie exterior de la sección central. El extremo libre de la primera sección de refuerzo forma así una especie de transición fluida o sin fisuras entre la primera sección de refuerzo y la superficie exterior de la sección central.
La segunda sección de refuerzo puede ser sustancialmente simétrica con respecto a la primera sección de refuerzo unida a ella, en particular de manera que la primera sección de refuerzo y la segunda sección de refuerzo formen un elemento de refuerzo en forma de Y. A este respecto, los extremos libres de la segunda sección de refuerzo pueden orientarse, en particular, de manera que apunten en la dirección de los puntos de apoyo del elemento de revestimiento en los que éste se conecta a otras estructuras de la carcasa intermedia de la turbina o de la turbina de gas. La configuración simétrica, en particular en forma de Y, también es especialmente adecuada para distribuir de forma óptima las fuerzas y tensiones que actúan.
La segunda sección de refuerzo puede tener dos extremos libres que se afinan al menos en la dirección radial, de manera que la segunda sección de refuerzo se solape de forma sustancialmente continua con la superficie exterior de la sección central. De este modo, todo el elemento de refuerzo, cuando está formado, por ejemplo, por una primera sección de refuerzo y por una segunda sección de refuerzo, tiene tres extremos libres que se solapan de forma sustancialmente perfecta o suave en la superficie exterior de la sección central.
La primera sección de refuerzo puede estar dispuesta sustancialmente en el centro de la sección central con respecto a la dirección circunferencial. En particular, el área central de la sección central está sometida a las mayores deformaciones, en particular a las tensiones de flexión, debido a las diferencias de presión entre el gas caliente que fluye en el conducto anular y el sistema de aire secundario situado fuera del conducto anular. Por lo tanto, esta área central se reforzará preferentemente para contrarrestar el abombamiento o la flexión radial de la sección central.
La primera sección de unión, la segunda sección de unión y la sección central pueden estar curvadas al menos en la dirección circunferencial. Por un lado, la curvatura sirve para adaptar el elemento de revestimiento con respecto al estado de montaje de una carcasa intermedia de turbina. Por lo general, varios elementos de revestimiento adyacentes forman el revestimiento del conducto anular, por lo que es ventajoso que los elementos de revestimiento individuales ya tengan una curvatura correspondiente.
El elemento de refuerzo tiene una separación circunferencial de las secciones de borde lateral del elemento de revestimiento, que se proyectan al menos en la dirección radial desde la superficie exterior de la sección central. Dichas secciones de borde generalmente forman la transición a un componente circunferencialmente adyacente, en particular un elemento de revestimiento adyacente. Si el elemento de refuerzo también está separado a estas secciones de borde, además de la distancia con respecto a la primera sección de unión y a la segunda sección de unión, todo el elemento de refuerzo se proporciona solo en el área de la superficie (exterior) de la sección central. Esto permite reforzar la sección central de la manera deseada sin transferir en gran medida las tensiones inducidas térmicamente a las secciones de borde o a las dos secciones de unión.
En cada extremo de la primera sección de refuerzo se puede disponer una segunda sección de refuerzo. El resultado es una especie de doble Y o una especie de monigote sin cabeza con las piernas abiertas y los brazos estirados hacia arriba. En este caso, la primera sección de refuerzo se dispone en el centro y cada una de las dos segundas secciones de refuerzo tienen dos brazos que se extienden desde la primera sección de refuerzo.
Todo el elemento de refuerzo puede integrado con la parte central del elemento de revestimiento. Esto puede lograrse, por ejemplo, utilizando un molde adecuado que incluya el elemento de refuerzo. Preferentemente, el elemento de revestimiento se produce mediante un proceso de fundición. Sin embargo, de manera alternativa, el componente se podría producir total o parcialmente por un proceso generativo. Por ejemplo, el elemento de refuerzo se puede aplicar a la superficie exterior de la sección central mediante un revestimiento láser.
La invención también se refiere a una carcasa intermedia de turbina para una turbina de gas, en particular una turbina de gas de avión, que tiene un conducto anular que transporta gas caliente, en donde el conducto anular tiene radial hacia afuera una pluralidad de elementos de revestimiento como los descritos anteriormente. A este respecto, los elementos de revestimiento pueden estar dispuestos de forma adyacente en la dirección circunferencial. Alternativamente, los elementos de revestimiento descritos anteriormente y los elementos de revestimiento de diferente configuración se pueden colocar alternando en la dirección circunferencial.
A continuación, se describe la invención a modo de ejemplo no limitante tomando como referencia las figuras que se adjuntan.
La figura 1 muestra una vista en perspectiva simplificada de un elemento de revestimiento con un elemento de refuerzo.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva ampliada del elemento de refuerzo de la figura 1.
La figura 3 muestra una vista en perspectiva simplificada de otro elemento de revestimiento con otro elemento de refuerzo.
La figura 4 muestra una vista en perspectiva ampliada del otro elemento de refuerzo de la figura 3.
En la figura 1, se muestra una vista en perspectiva simplificada y esquemática de un elemento de revestimiento 10 de una carcasa intermedia de turbina que no se muestra en más detalles. El ejemplo de la figura 1 muestra, por tanto, un llamado panel de conducto interior, es decir, un elemento de revestimiento que está diseñado para delimitar radialmente hacia adentro el conducto de gas caliente de la carcasa intermedia de turbina. La figura 1 muestra la superficie del elemento de revestimiento orientada hacia el exterior del conducto de gas caliente, que en el estado instalado apunta esencialmente de forma radial hacia el eje del motor de la turbina de gas. El elemento de revestimiento 10 tiene una primera sección de unión axial delantera 12 y una segunda sección de unión axial trasera 14. Estas dos secciones de unión 12, 14 sirven para conectar el elemento de revestimiento 10 a componentes axialmente contiguos de la carcasa intermedia de turbina o de una turbina de gas asociada. A lo largo de la dirección axial AR, se extiende una sección central 16 entre la primera sección de unión 12 y la segunda sección de unión 14. En la dirección circunferencial UR, la sección central 16 está delimitada por secciones de borde 18. La sección central 16 tiene una superficie exterior 20. En particular, la superficie exterior 20 está delimitada por las dos secciones de borde 18 que sobresalen radialmente de la superficie exterior 20 y por las dos secciones de unión 12, 14.
Para evitar que la sección central 16 se deforme fuertemente, en particular que se abombe o desvíe, por las diferencias de presión entre el gas caliente que fluye en el conducto anular y el sistema de aire secundario situado fuera del conducto anular, se proporciona un elemento de refuerzo 22. El elemento de refuerzo 22 comprende una primera sección de refuerzo 24 y una segunda sección de refuerzo 26. Como se puede observar en la figura 1, el elemento de refuerzo 22 se dispone en un área central del elemento de revestimiento 10 o de la sección central 16 con respecto a la dirección circunferencial. De este modo, el elemento de refuerzo 22 está separado de la primera sección de unión 12, así como de la segunda sección de unión 14. Además, el elemento de revestimiento 22 también se dispone a una distancia de las secciones de borde 18. En otras palabras, también se puede decir que el elemento de refuerzo 22 se dispone completamente dentro de la superficie exterior 20 de la sección central 16. Así, el elemento de refuerzo 22 no está en contacto directo con las secciones de unión 12, 14 o las secciones de borde 18.
En la figura 2, el elemento de refuerzo 22 se muestra ampliado. La primera sección de refuerzo 24 se extiende en dirección axial a lo largo de la superficie exterior 20 de la sección central 16. La primera sección de refuerzo 24 tiene un extremo libre 28. Este extremo libre 28 es cónico al menos en la dirección radial RR. En otras palabras, el extremo libre 28 de la primera sección de refuerzo 24 tiene forma de cuña. Esto permite una transición fluida o sin fisuras desde el primer elemento de refuerzo 24 a la superficie exterior 20 de la sección central 16.
La segunda sección de refuerzo 26 comprende dos brazos 30a y 30b, que se disponen inclinados con respecto a la primera sección de refuerzo 24. En la presente modalidad, el elemento de refuerzo 22 tiene una especie de forma de Y. La segunda sección de refuerzo 26 tiene dos extremos libres 32a, 32b. Estos extremos libres 32a, 32b, son también cónicos en la dirección radial. Esto también proporciona una transición fluida o sin fisuras a la superficie exterior 20 de la sección central 16. El elemento de refuerzo 22 o sus secciones de refuerzo 24, 26 sobresalen en dirección radial de la sección central 16 o de la superficie exterior 20. Las secciones de refuerzo 24, 26 forman una especie de nervaduras que refuerzan la sección central 16 con respecto a los esfuerzos de flexión. Todas las secciones de refuerzo 24, 26 tienen una correspondiente superficie superior 34 y superficies laterales 36 que se extienden desde la superficie superior inclinada o curvada hacia la superficie exterior 20 de la sección central 16. La superficie 34 tiene un ancho máximo B en los correspondientes extremos libres 28, 32a, 32b. En este caso, el ancho máximo se proporciona en particular en el área de la transición de la correspondiente sección de refuerzo 24, 26 a la superficie exterior 20.
La transición continua de la superficie exterior a las secciones de refuerzo 24, 26 permite fabricar fácilmente la sección central 16 o el elemento de revestimiento 10 mediante un proceso de fundición. Debido a la transición continua en el área de los extremos libres 28, 32a, 32b, el elemento de refuerzo 22 se forma solo dentro de la superficie exterior 22 sin contacto directo con otros componentes, en particular de soporte estructural, como las secciones de unión 12, 14 o las secciones de borde 18.
En la figura 3 se muestra un elemento de revestimiento 110 de forma ligeramente diferente, a saber, un denominado panel de conducto exterior, es decir, un elemento de revestimiento que está diseñado para delimitar radialmente el conducto de gas caliente de la carcasa intermedia de turbina. La figura 3 muestra la superficie del elemento de revestimiento orientada hacia el exterior del conducto de gas caliente, que en el estado instalado se orienta sustancialmente radial hacia el eje del motor de la turbina de gas. El elemento de revestimiento 110 también incluye una primera sección de unión axial delantera 112 y una segunda sección de unión axial trasera 114. También se pueden apreciar la sección central 116 y las secciones de borde 118. Un elemento de refuerzo 122 se dispone en la sección central 116. Este elemento de refuerzo incluye una primera sección de refuerzo 124 y dos segundas secciones de refuerzo 126. Este elemento de refuerzo 122 también se dispone dentro de la superficie exterior 120 de la sección central 116. Por lo tanto, tiene una distancia correspondiente con respecto a las secciones de unión 112 y 114, y a las secciones de borde 118.
El elemento de refuerzo 122 se muestra ampliado en la figura 4. En esta modalidad, la primera sección de refuerzo 124 no tiene un extremo libre, sino que está unida por ambos lados a una segunda sección de refuerzo 126. La sección de refuerzo axial delantera 126 de la figura 4 tiene dos brazos 130a y 130b sustancialmente rectos con sus correspondientes extremos libres 132a y 132b. Ambos brazos 130a y 130b se extienden con una inclinación con respecto a la primera sección de refuerzo rectilínea 124.
La (segunda) sección de refuerzo axial trasera 126 de la figura 4 tiene dos brazos curvos 130c y 130d. Estos brazos 130c y 130d también tienen extremos libres 132c y 132d. Lo expresado anteriormente con referencia a las figuras 1 y 2 con respecto a las configuraciones cónicas de los extremos libres (forma de cuña) también se aplica de manera análoga a los extremos libres 132a, 132b, 132c, 132c. El elemento de refuerzo 122 también tiene una superficie superior 134 y superficies laterales 136 inclinadas o curvadas con respecto a esta, que se solapan con la superficie exterior 120 de la sección central.
Las segundas secciones de refuerzo 126 mostradas en las figuras 3 y 4, una con brazos rectos 130a, 130b, y la otra con brazos curvos 130c, 130d, también podrían intercambiarse. Además, dos segundas secciones de refuerzo similares 126 también podrían conectarse a la primera sección de refuerzo 124. Por último, también es concebible que en lugar de la segunda sección de refuerzo 26 con brazos rectos 30a, 30b de la figura 1, se forme una segunda sección de refuerzo con brazos curvos (Figura 4). Con respecto al diseño del elemento de refuerzo 22, 122 con sus secciones de refuerzo 24, 124, 26, 126, también se pueden considerar otras posibilidades no descritas en este documento. Por ejemplo, también es concebible una combinación de curvatura y curso rectilíneo de un brazo. En todas las modalidades, incluidas las que no se muestran en el presente documento, es ventajoso que los extremos libres de las secciones de refuerzo sean cónicos y se solapen sin problemas o suavemente con la superficie exterior de la sección central. Además, otras modalidades de un elemento de refuerzo también deben estar provistas de una distancia correspondiente de las secciones de unión y las secciones de borde del elemento de revestimiento.
Mediante el elemento de revestimiento con elemento de rigidez presentado aquí, se puede conseguir una rigidez suficiente de la sección central o del elemento de revestimiento con una pequeña cantidad de material. Además, la tensión inducida térmicamente en el elemento de revestimiento y, en particular, en las secciones de unión o en las secciones de borde, se puede mantener baja porque el elemento de refuerzo no está directamente unido a ellas.
Lista de referencia de los dibujos
10, 110 elemento de revestimiento
12, 112 primera sección de unión axial delantera
14, 114 segunda sección de unión axial trasera
16, 116 sección central
18, 118 sección de borde
20, 120 Superficie exterior
22, 122 elemento de refuerzo
24, 124 primera sección de refuerzo
26, 126 segunda parte de refuerzo
28 extremo libre de la primera sección de refuerzo
30a 30b, 130a, 130b, 130c, 130d brazos de la segunda sección de refuerzo
32a, 32b, 132a, 132b, 132c, 132d extremos libres de la segunda sección de refuerzo
34, 134 superficie superior
36, 136 superficie lateral
B Ancho
AR Dirección axial
RR Dirección radial
UR Dirección circunferencial

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Elemento de revestimiento de un conducto de gas caliente de una carcasa intermedia de turbina de gas, en particular de una turbina de gas de avión, que comprende
una primera sección de unión axial delantera (12; 112) en relación con un eje del motor de la turbina de gas, una segunda sección de unión axial trasera (14; 114),
una sección central (16; 116) que está unida a la primera sección de unión (12; 112) y a la segunda sección de unión (14; 114) y se dispone entre ellas en la dirección axial (AR), en donde la sección central (16; 116) tiene una superficie exterior (20; 120) orientada hacia fuera del conducto, y
en donde la primera sección de unión (12; 112) se puede acoplar a los componentes axiales delanteros de la carcasa intermedia de turbina y de la turbina de gas, respectivamente, y la segunda sección de unión (14; 114) se puede acoplar a los componentes axiales traseros de la carcasa intermedia de turbina y de la turbina de gas, respectivamente,
en donde la sección central (16; 116) tiene al menos una primera sección de refuerzo (24; 124), que se proyecta en una dirección que se aleja del conducto y que se extiende de forma sustancialmente rectilínea entre un extremo axial delantero (28) y un extremo axial trasero, en donde al menos uno de los dos extremos axiales se une a una segunda sección de refuerzo (26; 126), que se extiende inclinada o curvada en relación con la extensión rectilínea de la primera sección de refuerzo (24; 124), en donde la primera sección de refuerzo (24; 124) y la segunda sección de refuerzo (26; 126) forman de conjunto un elemento de refuerzo (22; 122), en donde
el elemento de refuerzo (22; 122) está separado de la primera sección de unión (12; 112) y de la segunda sección de unión (14; 114), caracterizado porque el elemento de refuerzo (22; 122) está separado en la dirección circunferencial (UR) de las secciones de borde laterales (18; 118) del elemento de revestimiento (10; 110) que sobresale al menos en la dirección radial (RR) de la superficie exterior (20; 120) de la sección central (16; 116), de modo que todo el elemento de refuerzo (22; 122) se dispone dentro de la superficie exterior (20; 120) de la sección central (16; 116) y no está directamente unido a las secciones de unión y a las secciones de borde lateral del elemento de revestimiento.
2. Elemento de revestimiento de la reivindicación 1, caracterizado porque un extremo libre (28) de la primera sección de refuerzo (24) que no está unida a una segunda sección de refuerzo (26) es cónico al menos en la dirección radial (RR), de tal manera que la primera sección de refuerzo (24) se solape de forma sustancialmente continua con la superficie exterior (20) de la sección central (16).
3. Elemento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la segunda sección de refuerzo (26; 126) tiene forma sustancialmente simétrica con respecto a la primera sección de refuerzo (24; 124) unida a ella, en particular de manera que la primera sección de refuerzo (24; 124) y la segunda sección de refuerzo (26; 126) forman un elemento de refuerzo en forma de Y (22; 122).
4. Elemento de revestimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la segunda sección de refuerzo (26; 126) tiene dos extremos libres (32a, 32b; 132a, 132b, 132c, 132d) que se estrechan al menos en la dirección radial (RR), de manera que la segunda sección de refuerzo (26; 126) se solape de forma sustancialmente continua con la superficie exterior (20; 120) de la sección central (16; 116).
5. Elemento de revestimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera sección de refuerzo (24; 124) se dispone sustancialmente en el centro de la sección central (16; 116) con respecto a la dirección circunferencial (UR).
6. Elemento de revestimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha primera sección de unión (12; 112), dicha segunda sección de unión (14; 114) y dicha sección central (16; 116) están curvadas al menos en la dirección circunferencial (UR).
7. Elemento de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque una segunda sección de refuerzo (126) correspondiente se dispone en cada extremo de la primera sección de refuerzo (124).
8. Elemento de revestimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque todo el elemento de refuerzo (22; 122) está integrado con la sección central (16; 116) del elemento de revestimiento (10; 110).
9. Carcasa intermedia de turbina para una turbina de gas, en particular una turbina de gas de avión que tiene un conducto anular de gas caliente, caracterizado porque el conducto anular comprende una pluralidad de elementos de revestimiento (10; 110) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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