FR3095239A1 - Pièce de transition pour une turbine à gaz - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une pièce de transition (1) destinée à être utilisée dans un moteur à turbine à gaz. La pièce de transition (1) est définie autour d’un axe longitudinal (A) et, qu’elle comprend une pluralité de canaux (2) destinés à relier chacun un échappement d’une chambre de combustion à augmentation de pression du moteur à turbine à gaz, à une roue mobile (5), chaque canal (2) comprenant, une ouverture d’admission (21) destinée à être connectée à l’échappement d’une chambre de combustion, l’ouverture d’admission (21) présentant une section, dite section d’admission (Φ21), et, une ouverture de sortie (22) destinée à déboucher sur la roue mobile (5), l’ouverture de sortie (22) étant un secteur annulaire présentant une section, dite section de sortie (Φ22), géométriquement différente de la section d’admission (Φ21), chaque canal (2) présentant une variation progressive de section (Φx) entre la section d’admission (Φ21) et la section de sortie (Φ22) et présentant une variation progressive de position azimutale, selon l'axe longitudinal (A), d’un centre (Cx) de section (Φx) entre la section d’admission (Φ21) et la section de sortie (Φ22), la pièce de transition (1) comprenant une pluralité de canaux (2) joints de sortes que les ouvertures de sortie (22), de l’ensemble des canaux (2), forment un anneau définissant un volume annulaire unitaire. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne le domaine des pièces de transition pour turbines à gaz.
Dans le domaine des turbines à gaz, une piste d’augmentation du rendement thermique des turbines à gaz est d’utiliser un système de combustion à volume constant (CVC) en remplacement des chambres de combustion à pression constante (CPC) habituellement employées, pour augmenter le rendement thermique des turbines à gaz.
En effet, la CVC permet d’obtenir une augmentation de pression dans la chambre, ce qui entraîne une augmentation de la puissance mécanique ou de la poussée récupérables par le moteur. La CVC fait ainsi partie des concepts de chambres de combustion à augmentation de pression, d’autres concepts de ce type couramment rencontrés étant la combustion à détonation pulsée ou la combustion à détonation rotative.
Une technologie de chambre CVC développée par le demandeur consiste à disposer plusieurs chambres unitaires autour de l’axe machine. Chaque chambre unitaire dispose d’une lumière d’admission à l’interface avec l’aval du compresseur, et une lumière d’échappement à l’interface avec l’admission de la turbine. Une chambre suit trois phases successives :
• Combustion : les lumières d’admission et d’échappement se ferment, et une charge de carburant est brûlée. La combustion se produit à volume constant grâce à la fermeture des lumières, ce qui entraîne une hausse de pression et de température.
• Echappement : la lumière d’échappement s’ouvre alors que la lumière d’admission reste fermée. Les gaz brûlés à haute pression s’échappent de la chambre et alimentent la turbine. La pression et la température dans la chambre diminuent progressivement.
• Balayage : une fois que la pression dans la chambre est descendue en-dessous de la pression en aval du compresseur, la lumière d’admission s’ouvre tout en maintenant ouverte la lumière d’échappement. De l’air frais entre alors dans la chambre, et remplace progressivement les gaz brûlés. La turbine reste alimentée lors de cette phase.
Des disques d’obturation en rotation autour de l’axe machine peuvent permettre cette succession d’ouvertures et de fermetures de lumières. Les différentes chambres fonctionnent donc de manière déphasée, la valeur du déphasage dépendant de la périodicité de l’obturateur et des chambres.
Un arrangement classique du distributeur du premier étage de turbine en aval d’une chambre CVC est représenté en figure 1. Ce type de construction peut par exemple être retrouvé dans le document US2008155959.
L’ensemble distributeurs 60 présente une pluralité de canaux 61 qui présentent chacun une ouverture d’admission circulaire 62. Chaque ouverture d’admission 62 est connectée à la lumière d’échappement d’une chambre unitaire. Les canaux 61 débouchent sur un distributeur 64 d’une turbine. Comme on peut le voir sur la figure 1 les canaux 61 s’évasent de l’ouverture d’admission 62 vers l’ouverture de sortie 63. Les canaux 61 entraînent des pertes de charge dans l’écoulement des gaz. De plus, des cloisons sont aménagées entre les différentes ouvertures de sortie 63 afin d’éviter des écoulements tangentiels parasites en amont du distributeur 64 qui pourraient entraîner des pertes supplémentaires dans les situations où deux canaux adjacents seraient alimentés par des pressions différentes, ce qui est le cas lorsque les chambres unitaires fonctionnent de manière déphasée.
Plus particulièrement, le document FR2829528 présente un distributeur formé par des canaux courbés en aval d’une chambre de combustion à volume constant. Selon cette solution les canaux sont espacés circonférentiellement et il n’y a pas de débit passant dans ces zones inter-canaux de distributeur, de sorte que la roue n’est donc pas alimentée sur les secteurs azimutaux correspondants. Ainsi, pour un débit donné, et à iso conditions aérodynamiques en entrée de roue, cette solution impose que les dimensions de la turbine soient importantes, ce qui pénalise l’encombrement et la masse. De plus, les zones non débitantes causent des pertes d’admission partielle non négligeables dans la roue.
On peut aussi citer le document US8413418 qui mentionne des aubes de distributeur de turbine adaptées à une chambre à augmentation de pression, pour lesquelles les portions amont des aubes comportent des bords d’attaque. Il s’agit donc d’aubes de topologie « classique » plutôt que de canaux, dont les passages inter-aubes adjacents sont jointifs à la fois sur la section de sortie au bord de fuite, et sur la section d’entrée au bord d’attaque.
Dans ce contexte, il est nécessaire de fournir une pièce de transition entre les chambres de combustion et une roue mobile, qui permette d’avoir un écoulement de gaz avec de faibles pertes de charge et qui permette d’alimenter une roue mobile avec un angle de giration adapté.
Selon un premier aspect, l’invention propose une pièce de transition destinée à être utilisée dans un moteur à turbine à gaz, la pièce de transition est définie autour d’un axe longitudinal et, comprend une pluralité de canaux destinés à relier chacun un échappement d’une chambre de combustion à augmentation de pression du moteur à turbine à gaz, à une roue mobile, chaque canal comprenant, une ouverture d’admission destinée à être connectée à l’échappement d’une chambre de combustion. L’ouverture d’admission présente une section, dite section d’admission, et, une ouverture de sortie destinée à déboucher sur la roue mobile. L’ouverture de sortie est un secteur annulaire présentant une section, dite section de sortie, géométriquement différente de la section d’admission. Chaque canal présente une variation progressive de section entre la section d’admission et la section de sortie et présente une variation progressive de position azimutale, selon l'axe longitudinal, d’un centre de section entre la section d’admission et la section de sortie. La pièce de transition comprend une pluralité de canaux joints de sortes que les ouvertures de sortie, de l’ensemble des canaux, forment un anneau définissant un volume annulaire unitaire.
D’une manière particulièrement avantageuse, la synergie de la variation de section et de la variation de position azimutale du centre de section, permet d’assurer une accélération régulière d’un écoulement de gaz dans le canal, en minimisant les pertes de charge. En outre, la variation de position azimutale du centre de section correspond à une courbure de chaque canal, ce qui permet d’alimenter une roue mobile avec un angle de giration adapté.
Chaque canal peut présenter une portion d’admission, comprenant l’ouverture d’admission, orientée selon un axe parallèle à l’axe longitudinal.
Le canal peut comprendre une portion de sortie, comprenant l’ouverture de sortie, orientée selon une direction présentant une composante tangentielle par rapport à l’axe longitudinal.
Une enveloppe de chaque canal, entre l’ouverture d’admission et l’ouverture de sortie varie d’une forme adaptée à l’ouverture d’admission à une surface sensiblement prismatique.
La surface prismatique peut présenter quatre faces distinctes : une première face dite face intrados, une deuxième face dite face extrados, une troisième face dite face intérieure et une quatrième face dite face extérieure.
Une section du canal, au droit de la face extrados et d’une extrémité de la face intrados, peut présenter une aire inférieure à une aire de la section d’admission.
La section de sortie peut présenter une aire supérieure à l’aire de la section d’admission.
L’ouverture d’admission peut être circulaire ou elliptique.
Les ouvertures de sortie peuvent déboucher directement sur une roue mobile.
La variation de position azimutale du centre de section peut être monotone entre la section d’admission et la section de sortie.
Selon un deuxième aspect l’invention concerne un étage de turbine comprenant une pièce de transition selon l’invention et une roue mobile positionnée directement en regard des ouvertures de sortie des canaux de la pièce de transition.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un ensemble de turbine pour un moteur à turbine à gaz, comprenant une pluralité de chambres de combustion à augmentation de pression du moteur à turbine à gaz présentant chacune un échappement relié à un canal d’une pièce de transition selon l’invention, une roue mobile étant positionnée directement en regard des ouvertures de sortie des canaux de la pièce de transition.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Pièce de transition
En références aux figures 3 à 12, selon un premier aspect, l’invention concerne une pièce de transition 1 destinée à être utilisée dans un ensemble de turbine 100 pour moteur à turbine à gaz tel que représenté sur la figure 13. L’ensemble de turbine 100 est définit autour d’un axe longitudinal A.
La pièce de transition 1 est définie autour de l’axe longitudinal A. Typiquement, la pièce de transition 1 peut être une pièce à symétrie cyclique autour de l’axe A.
La pièce de transition 1 comprend essentiellement une pluralité de canaux 2 destinés à relier chacun un échappement d’une chambre de combustion à augmentation de pression du moteur à turbine à gaz, à une roue mobile 5.
Géométrie des canaux
Chaque canal 2 comprend une ouverture d’admission 21 destinée à être connectée à l’échappement d’une chambre de combustion, et une ouverture de sortie 22 destinée à déboucher sur la roue mobile 5.
L’ouverture d’admission 21 présente une section, dite section d’admission Φ21. De même, l’ouverture de sortie 22 présente une section, dite section de sortie Φ22, géométriquement différente de la section d’admission Φ21.
D’une manière particulièrement avantageuse, chaque canal 2 présente une variation de section Φxprogressive entre la section d’admission Φ21et la section de sortie Φ22, et présente une variation de position azimutale d’un centre Cxde section Φxentre la section d’admission Φ21et la section de sortie Φ22. Φxcorrespondant ici à n’importe quelle section entre la section d’admission Φ21et la section de sortie Φ22.Tel que cela sera détaillé ultérieurement, la synergie de la variation de section Φxet de la variation de position azimutale, selon l'axe longitudinal A, du centre Cxde section Φx, permet d’assurer une accélération régulière et la mise en giration d’un écoulement de gaz dans le canal 2. De sorte, que la pièce de transition 1 peut être directement connectée à une roue mobile 5 (i.e. en s’affranchissant de l’usage d’un distributeur distinct du canal de transition.
Concernant l’orientation de la pièce de transition 1, il est précisé que selon les exemples ici proposés la pièce de transition permet de raccorder une chambre CVC à une turbine axiale. Dans ce contexte, il est nécessaire que la section de sortie soit orientée selon l’axe longitudinal A afin d’alimenter la roue mobile 5 (le canal 2 peut arriver avec une inclinaison non nulle sur le plan méridien, mais doit rester principalement orienté suivant une direction axiale). On pourrait envisager un canal 2 de raccord dont l’entrée serait radiale, mais même dans ce cas, la sortie devrait rester principalement axiale.
En outre, chaque canal 2 présente une portion d’admission, comprenant l’ouverture d’admission 21, orientée selon un axe A’ parallèle à l’axe longitudinal A. De plus, chaque canal 2 comprend une portion de sortie, comprenant l’ouverture de sortie 22, orientée selon un axe formant un angle avec l’axe A’. En d’autres termes, les canaux 2 sont coudés. C’est la courbure des canaux 2 qui permet d’avoir une variation progressive de la position azimutale d’un centre Cxde section Φxentre la section d’admission Φ21et la section de sortie Φ22.
Il est précisé que par variation de position azimutale, on entend une variation progressive, en particulier une variation monotone, de la coordonnée azimutale dans un système de coordonnées cylindrique centré sur l’axe longitudinal A. En d’autres termes, la position azimutale du centre de section est décalée de façon croissante par rapport à la position azimutale de centre de la section d’admission Φ21(décalage nul) en allant vers la section de sortie Φ22(décalage maximal). D’une manière préférentielle, ce décalage permet au canal de présenter une forme en spirale (tel que cela sera détaillé, la forme en spirale permet d’imprimer une giration au flux de gaz).
En sus, les canaux 2 présentent une variation de leur enveloppe extérieure. En effet, l’enveloppe de chaque canal 2 varie, entre l’ouverture d’admission 21 et l’ouverture de sortie 22, de la forme de la section d’admission à une surface sensiblement prismatique.
Selon le premier mode de réalisation présenté aux figures 3 et 4, les ouvertures d’admission 21 sont des disques. Selon un deuxième mode de réalisation présenté aux figures 5 et 6, les ouvertures d’admission 21 sont des ellipses. Selon un troisième mode de réalisation, les ouvertures d’admission 21 sont des ellipses de différents rayons, de sortes que les canaux 2 sont différents dont la position radiale par rapport à l’axe longitudinal A est différente de la position radiale de la section de sortie des canaux, de sorte que les sections Φxformant un canal 2 présentent une variation de la position radiale de leurs centres Cxentre l’ouverture d’admission 21 et l’ouverture de sortie 22. Cependant, tous les canaux 2 restent identiques.
Selon d’autres modes de réalisations, les ouvertures d’admission 21 pourraient présenter n’importe quelle forme.
La surface sensiblement prismatique peut présenter quatre faces distinctes : une première face dite face intrados 29a, une deuxième face dite face extrados 29b, une troisième face dite face intérieure 29c et une quatrième face dite face extérieure 29d.
La face intrados 29a présente une cote I selon une direction tangentielle inférieure à une cote II selon une direction tangentielle de la face extrados 29b (i. e. la face intrados 29a est plus courte que la face extrados 29b).
Il est remarquable que la section du canal Φ30, au droit de la face extrados 29b et d’une extrémité de la face intrados 29a (dite bord de fuite BF de la face intrados 29a), présente une aire inférieure à une aire de la section d’admission Φ21.
De plus, la section de sortie Φ22présente une aire supérieure à l’aire de la section d’admission Φ21.
En effet, tel que cela est représenté sur les figures 9 et 10, la section Φ30au droit de la face extrados 29a correspond à une section entre une extrémité de la face intrados 29a et une portion de la face extrados 29b. Alors que, la section de sortie Φ22correspond à une section entre l’extrémité de la face intrados 29a et l’extrémité de la face extrados 29b. Cette géométrie particulière des canaux permet notamment de reproduire les effets d’un distributeur (comme représenté sur la figure 2) et donc de s’en affranchir. En effet, selon une direction normale au sens du canal, le flux traverse la section Φ30,qui est plus petite que la section d’ouverture. Ainsi, le flux est accéléré. Le flux à travers la section de sortie Φ22conserve une direction proche de la normale à la section Φ30,qui forme un angle avec la normale de la section Φ22et ne présente donc pas de ralentissement important entre la section Φ30et Φ22malgré la grande différence d’aire entre ces deux sections.
Les quatre faces de la surface prismatique sont reliées par des arêtes qui peuvent être saillantes, arrondies (congés de raccordement) ou chanfreinées.
D’une manière particulièrement avantageuse chaque ouverture de sortie 22 est un secteur annulaire et les canaux 2 sont joints de sortes que les ouvertures de sortie 22, de l’ensemble des canaux 2, forment un anneau 31 définissant un seul volume annulaire. Tel que cela sera détaillé ci-après, cette disposition permet au gaz de circuler dans l’ensemble du volume annulaire, contrairement aux arrangements proposés dans l’art antérieur, tel que FR2829528.
La variation de la forme de l’enveloppe des canaux 2 peut être obtenue selon un processus basé sur la modification des sections Φxnormales à l’extrados 29b. Tout d’abord, des sections utilisées pour générer l’intrados 29a sont empilées. Puis, le lieu du centre Cxde chacune de ces sections est calculé. Ensuite, deux paramètres de tension d’une courbe sont utilisés pour générés les sections Φxmodifiées. Il est procédé à un décalage radial de la ligne des centres Cxpour se raccorder au rayon de la section de sortie Φ22. Le décalage radial est fonction d’une abscisse curviligne calculée à partir d’une courbe de Bezier cubique à tangente nulle aux extrémités. Puis, Chaque section peut être corrigée à partir d’un « paramètre de circularité » valant 1 en entrée et 0 en sortie, dont la loi en fonction de l’abscisse curviligne est pilotée par une courbe de Bezier cubique à tangente nulle aux extrémités.
En d’autres termes, une manière de générer l’enveloppe des canaux 2 est de générer des canaux présentant 4 faces, et d’en modifier les sections Φxde manière continue et progressive entre l’entrée et le col, de manière à ce que la section à l’entrée corresponde à la section de sortie des chambres et que la section au col soit inchangée. Les sections intermédiaires sont modifiées comme illustré sur la figure 13, par une fonction réalisant une interpolation entre la section courante et la section d’entrée.
En référence à la figure 13, pour circulariser la géométrie de chaque section on peut suivre le processus suivant :
Calcul d’un système de coordonnées local centré sur le centre Cxde la section O, avec la base de vecteurs unitaires
avectangent à la ligne des centres de gravité,
Calcul de la surface projetée sur le plan
Cette section « de passage » sera conservée par la procédure de circularisation.
Calcul d’une section circulaire sur le plan
de surface identique, dont le périmètre est découpé en quatre parties correspondant aux faces intrados 29a, extrados 29b, intérieur 29c et extérieur 29d.
Génération d’un contour intermédiaire par interpolation linéaire entre le périmètre de la section O d’origine et celui de la section circulaire, avec le « paramètre de circularité »
Calcul de la surface générée par la projection du contour intermédiaire sur le plan
Application d’une homothétie au contour intermédiaire pour atteindre la surface projetée de la section de départ.
Calcul du système de coordonnées local de la section courante sur la ligne des centres Cxdécalée en rayon.
Positionnement du contour intermédiaire, correspondant à une section Φx,sur ce système de coordonnées local.
En d’autres termes, on circularise la géométrie de section avec une fonction d’interpolation entre la section d’origine et la section d’entrée pour obtenir la section modifiée.
Etage de turbine
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un étage de turbine 10 comprenant une pièce de transition 1 et une roue mobile 5 positionnée directement en regard des ouvertures de sortie 22 des canaux 2 de la pièce de transition 1.
Ensemble de turbine
Selon un troisième aspect, l’invention propose un ensemble de turbine 100 pour un moteur à turbine à gaz (représenté sur les figures 14 à 17), comprenant une pluralité de chambres de combustion 101 à augmentation de pression du moteur à turbine à gaz présentant chacune un échappement relié à un canal 2 d’une pièce de transition 1, une roue mobile 5 étant positionnée directement en regard des ouvertures de sortie 22 des canaux 2 de la pièce de transition 1.
Fonctionnement
D’une manière particulièrement avantageuse, la variation de section des canaux 2 permet une accélération (détente) progressive du flux. Ainsi, contrairement aux dispositifs de l’art antérieurs, tels que représentés sur la figure 1, dans lesquels le gaz subit une compression dans la pièce de transition 61 (augmentation de la section) puis une détente dans le distributeur 64, la pièce de transition 1 selon l’invention permet de détendre progressivement les gaz, ce qui permet de limiter les pertes de charge subies par le flux. En outre, la courbure des canaux 2 permet d’imprimer un mouvement de giration au flux. Cette disposition permet de s’affranchir de l’utilisation d’un distributeur. De plus, la communication de l’ensemble des ouvertures de sortie 22 au sein d’un même volume annulaire permet d’éviter la présence de zones non débitantes entre deux canaux adjacents. La giration du flux permet d’alimenter la roue mobile 5 avec un écoulement adapté à son bon fonctionnement.
Claims (12)
- Pièce de transition (1) destinée à être utilisée dans un moteur à turbine à gaz, la pièce de transition (1) étant caractérisée en ce qu’elle est définie autour d’un axe longitudinal (A) et, qu’elle comprend une pluralité de canaux (2) destinés à relier chacun un échappement d’une chambre de combustion à augmentation de pression du moteur à turbine à gaz, à une roue mobile (5), chaque canal (2) comprenant, une ouverture d’admission (21) destinée à être connectée à l’échappement d’une chambre de combustion, l’ouverture d’admission (21) présentant une section, dite section d’admission (Φ21), et, une ouverture de sortie (22) destinée à déboucher sur la roue mobile (5), l’ouverture de sortie (22) étant un secteur annulaire présentant une section, dite section de sortie (Φ22), géométriquement différente de la section d’admission (Φ21), chaque canal (2) présentant une variation progressive de section (Φx) entre la section d’admission (Φ21) et la section de sortie (Φ22) et présentant une variation progressive de position azimutale, selon l'axe longitudinal (A), d’un centre (Cx) de section (Φx) entre la section d’admission (Φ21) et la section de sortie (Φ22), la pièce de transition (1) comprenant une pluralité de canaux (2) joints de sortes que les ouvertures de sortie (22), de l’ensemble des canaux (2), forment un anneau définissant un volume annulaire unitaire.
- Pièce de transition (1) selon la revendication 1 dans laquelle, chaque canal (2) présente une portion d’admission, comprenant l’ouverture d’admission (21), orientée selon un axe (A’) parallèle à l’axe longitudinal (A).
- Pièce de transition (1) selon la revendication 2 dans laquelle, le canal (2) comprend une portion de sortie, comprenant l’ouverture de sortie (22), orientée selon une direction présentant une composante tangentielle par rapport à l’axe longitudinal A.
- Pièce de transition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, une enveloppe de chaque canal (2), entre l’ouverture d’admission (21) et l’ouverture de sortie (22) varie d’une forme adaptée à l’ouverture d’admission (21)à une surface sensiblement prismatique.
- Pièce de transition (1) selon la revendication 4, dans laquelle la surface prismatique présente quatre faces distinctes : une première face dite face intrados (29a), une deuxième face dite face extrados (29b), une troisième face dite face intérieure (29c) et une quatrième face dite face extérieure (29d).
- Pièce de transition (1) selon la revendication 5, dans laquelle une section (Φ30) du canal (2), au droit de la face extrados (29b) et d’une extrémité de la face intrados (29a), présente une aire inférieure à une aire de la section d’admission (Φ21)
- Pièce de transition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle, la section de sortie (Φ22) présente une aire supérieure à l’aire de la section d’admission (Φ21).
- Pièce de transition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, l’ouverture d’admission (21) est circulaire ou elliptique.
- Pièce de transition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les ouvertures de sortie (22) débouchent directement sur une roue mobile (5).
- Pièce de transition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la variation de position azimutale du centre de section est monotone entre la section d’admission et la section de sortie.
- Etage de turbine (10) comprenant une pièce de transition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et une roue mobile (5) positionnée directement en regard des ouvertures de sortie (22) des canaux (22) de la pièce de transition (1).
- Ensemble de turbine pour un moteur à turbine à gaz, comprenant une pluralité de chambres de combustion à augmentation de pression du moteur à turbine à gaz présentant chacune un échappement relié à un canal (2) d’une pièce de transition (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, une roue mobile (5) étant positionnée directement en regard des ouvertures de sortie (22) des canaux (2) de la pièce de transition (1).
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| FR (1) | FR3095239B1 (fr) |
Citations (6)
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| FR2829528A1 (fr) | 2001-09-07 | 2003-03-14 | Bernard Gilbert Macarez | Pulsomoteur-turbomoteur a impulsion-turbine a gaz a chambre de combustion impulsionnelle et a detente de bouffees |
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| EP3222819A1 (fr) * | 2016-03-24 | 2017-09-27 | General Electric Company | Ensemble de conduit de transition |
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2019
- 2019-04-18 FR FR1904157A patent/FR3095239B1/fr active Active
Patent Citations (6)
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|---|---|
| FR3095239B1 (fr) | 2021-05-07 |
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