EP0355312B1 - Axialdurchströmte Turbine mit radial-axialer erster Stufe - Google Patents

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EP0355312B1
EP0355312B1 EP89111439A EP89111439A EP0355312B1 EP 0355312 B1 EP0355312 B1 EP 0355312B1 EP 89111439 A EP89111439 A EP 89111439A EP 89111439 A EP89111439 A EP 89111439A EP 0355312 B1 EP0355312 B1 EP 0355312B1
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EP
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radial
axial
turbine
inflow
stage
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EP89111439A
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English (en)
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Hans-Peter Meer
Ueli Wieland
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/048—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector for radial admission

Definitions

  • the invention relates to an axially flow-through turbine, consisting essentially of an outer housing, an inner housing with integrated guide vane carrier and a rotor equipped with rotor blades, in which turbine the first stage is designed as a radial-axial stage, the radial guide row consisting of a toroidal or a spiral Inflow housing is acted upon, and the radial guide vanes are provided at their two ends with base plates with which they are vane-shaped in the vane carrier in annular recesses.
  • the inflow to axial blading, in particular of low-pressure parts of steam turbines, can take place via a toroidal annular space.
  • This has the task of feeding the amount of steam entering this annular space through one or more pipe sections as evenly as possible and avoiding major losses to the first blade ring. Due to the limited number and the often asymmetrical arrangement of the supply pipe sockets, this cannot be achieved sufficiently.
  • the large number of necessary deflections of the flow until the radial blade channel is reached leads to losses which can reach a multiple of the kinetic inflow energy in the pipe socket. For this reason, efforts are being made to keep the average speeds in the annulus as low as possible, which leads to large dimensions of the annulus leads.
  • a radial guide vane is therefore arranged in the radial inflow part, which generates the swirl required to generate power in the first impeller.
  • a turbine is known, for example from DE-A-2 358 160.
  • a spiral design of the inflow housing allows the average inflow speed to be increased by a multiple of the values customary for toroidal inlet ducts, without achieving their great losses. This is made possible by the fact that the flow direction, which takes place in the inlet connection and in the spiral predominantly in the tangential direction in the same direction as the turbine rotation direction, can be used directly for generating work. In contrast, the increased friction losses due to the higher speeds are less significant.
  • By suitably designing the cross sections of the spiral a uniform inflow to the radial blade channel can be achieved and a radial guide vane arranged there will only deflect the flow weakly and thus with little loss.
  • Such a turbine is known for example from DE-A-2 503 493.
  • the inflow housings are usually provided with reinforcing ribs to absorb force as a result of different expansions during operation, or else bars are provided in the radial channel upstream of the radial guide row, as can be seen in the aforementioned DE-A-2 358 160 . It goes without saying that such internals do not represent insignificant flow resistances.
  • the invention seeks to remedy this. It is based on the task of dispensing with the usual separate force-absorbing auxiliary constructions in a turbine of the type mentioned at the outset.
  • this object is achieved in that the free ends of the foot plates are spherical.
  • the arcuate circumferential surfaces of the base plates of the radial guide vanes are dimensioned in such a way that they have a play in relation to the annular recesses of the blade carrier.
  • the foot plates should then be rotated relative to one another for the purpose of defining these arcuate peripheral surfaces in the indentations. In cooperation with the spherical end faces of the base plates, this measure creates a locally defined line of force that always runs within the blade profile.
  • both base plates are provided on their arcuate circumferential surfaces with ring grooves, in which spikes of the twists engage.
  • tensile forces can also be introduced into the guide vane carrier via the guide vanes.
  • the main components are the outer housing 1, the inner housing 2 and the rotor 3.
  • the outer housing consists of several parts, not specified, which are usually screwed or welded together only at the place of installation.
  • the cast inner housing consists of the inflow housing 4 in the form of a 360 ° spiral and the downstream guide vane carriers 5, which are equipped with the guide vanes 6.
  • the guide vane carriers are connected to the spiral housing by screwing.
  • the invention also provides the possibility of producing the inner housing in one piece.
  • the rotor 3 equipped with the rotor blades 7 is welded together from shaft washers and shaft ends with integrated coupling flanges. It is supported in the bearing housings 8 by means of slide bearings.
  • the path of the steam leads from an additional steam line 9 via the steam feedthrough in the outer housing 1 into the inner housing 2.
  • the spiral ensures that the steam reaches the two flows of the blading in a well-guided manner.
  • Optimal efficiency is achieved with the radially arranged first guide row 10.
  • FIG. 2 shows how the radial guide vanes 10 are suspended in the radial part of the inflow channel 4 in a double-flow turbine.
  • the airfoil is provided with a base plate at each end.
  • the left footplate 14a is in the axial direction of the turbomachine, i.e. dimensioned shorter in the longitudinal direction of the radial blade than the right foot plate 14b. Both footplates are in annular recesses 15a, respectively. 15b a.
  • the right foot plates 14b are provided with a groove 16 into which an annular prong 17 protruding in the recess 15b engages.
  • the peripheral surfaces 18a and. 18b on the inner and outer sides of the rhombus-shaped base plates are milled in an arc (FIGS. 4a, 5a), the respective radius of the arc corresponding to the radius of the associated indentation.
  • the free end faces 19 of the two base plates are designed to be spherical for bearing against the radial parts of the indentations.
  • the curvature is chosen so that the contact points are always on a line that lies within the blade profile.
  • a defined play 20 is provided between the arcuate peripheral surfaces 18 and the corresponding walls of the recess 15.
  • the radial parts of the indentations can roll over the spherical end faces of the base plates.
  • the pressure loads that occur are absorbed by the airfoil without it buckling. This is particularly important in the case of a 360 ° spiral according to FIG. 1, since such spirals stretch differently over the circumference.
  • the radial guide row could be overstressed, since in addition to the pressure load, the bending stress would also have to be absorbed.
  • the two base plates 14a and 14b are rotated relative to one another by a certain angular dimension, for example 0.5 °. When shoveling in, this leads to a clear contact of the circumferential surfaces in the recesses, as is clearly shown in FIGS. 4a and 5a.
  • Fig. 3 shows a variant of the guide vane attachment, which is suitable for absorbing both tensile and compressive forces.
  • the same base plates 14c are provided, which are shoveled in the manner of the hammer head known per se.
  • the arcuate peripheral surfaces 18c of both the inner and the outer plate sides are provided with grooves 16, in which correspondingly sized prongs 17 of the recess 15c engage.
  • FIG. 4 the arrangement of the radial guide row in an annular or. Toroidal installation sketched. Due to the prevailing flow conditions, according to FIG. 4a, a vane profile has been selected for the guide vanes, which is relatively insensitive to the inflow direction, which varies greatly over the circumference.
  • FIG. 5 finally shows the inflow conditions in an inflow housing which consists of two 180 ° spirals. It can be seen here that, according to FIG. 5a, a grating with only weak deflection and therefore extremely low losses can be used.
  • the invention is not limited to the examples shown and described.
  • the invention can also be successfully used in the inflow housings of single-flow turbines, provided that they are provided with a radial first guide row.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine axialdurchströmte Turbine, im wesentlichen bestehend aus einem Aussengehäuse, einem Innengehäuse mit integriertem Leitschaufelträger und einem mit Laufschaufeln bestückten Läufer, bei welcher Turbine die erste Stufe als radial-axiale Stufe ausgeführt ist, wobei die radiale Leitreihe aus einem torusförmigen oder einem spiralförmigen Zuströmgehäuse beaufschlagt ist, und wobei die radialen Leitschaufeln an ihren beiden Enden mit Fussplatten versehen sind, mit denen sie in ringförmigen Eindrehungen im Schaufelträger eingeschaufelt sind.
  • Die Zuströmung zu axialen Beschauflungen, insbesondere von Niederdruckteilen von Dampfturbinen kann über einen torusförmigen Ringraum erfolgen. Dieser hat die Aufgabe, die durch ein oder mehrere Rohrstücke in diesen Ringraum eintretende Dampfmenge möglichst gleichmässig und unter Vermeidung grösserer Verluste dem ersten Schaufelkranz zuzuführen. Wegen der begrenzten Anzahl und der öfters asymmetrischen Anordnung der zuführenden Rohrstutzen ist dies nicht ausreichend zu erreichen. Die grosse Anzahl der notwendigen Umlenkungen der Strömung bis zum Erreichen des radialen Schaufelkanals führen zu Verlusten, die ein mehrfaches der kinetischen Zustromenergie im Rohrstutzen erreichen können. Aus diesem Grund ist man bestrebt, die mittleren Geschwindigkeiten im Ringraum möglichst klein zu halten, was zu grossen Abmessungen des Ringraumes führt. Wegen der zu erwartenden ungleichmässigen Zuströmung zur axialen Beschauflung ist deshalb im radialen Zuströmteil ein radiales Leitgitter angeordnet, welches den zur Leistungserzeugung im ersten Laufrad notwendigen Drall erzeugt. Eine derartige Turbine ist bekannt, beispielsweise aus der DE-A-2 358 160.
  • Eine spiralförmige Gestaltung des Zuströmgehäuses, wie es schon sehr früh bei Wasserturbinen bekannt war, erlaubt eine Erhöhung der mittleren Zuströmgeschwindigkeit um ein mehrfaches der für torusförmige Einlaufkanäle üblichen Werte, ohne deren grosse Verluste zu erreichen. Dies wird dadurch möglich, dass die Strömungsrichtung, welche im Eintrittsstutzen und in der Spirale vorwiegend in tangentialer Richtung gleichsinnig mit der Turbinendrehrichtung erfolgt, direkt zur Arbeitserzeugung benutzt werden kann. Die durch die höheren Geschwindigkeiten auch erhöhten Reibungsverluste fallen demgegenüber weniger ins Gewicht. Durch eine geeignete Gestaltung der Querschnitte der Spirale kann eine gleichmässige Zuströmung zum radialen Schaufelkanal erreicht werden und ein dort angeordnetes radiales Leitgitter wird die Strömung nurmehr schwach und damit verlustarm umlenken. Eine derartige Turbine ist beispielsweise bekannt aus der DE-A-2 503 493.
  • Zur Kraftaufnahme infolge unterschiedlichen Dehnungen anlässlich des Betriebes sind die Zuströmgehäuse in der Regel mit Verstärkungsrippen versehen oder aber es sind im radialen Kanal stromaufwärts der radialen Leitreihe über den Umfang verteilt Stangen vorgesehen, wie dies in der bereits genannten DE-A-2 358 160 erkennbar ist. Es versteht sich, dass derartige Einbauten nicht unbeträchtliche Strömungswiderstände darstellen.
  • Eine axialdurchströmte Turbine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der FR-A-2 016 189. Die dortigen Schaufelträger, in welchen die radialen Leitschaufeln an ihren beiden Enden mit Fussplatten in ringförmigen Eindrehungen eingeschaufelt sind, sind über die Dampfzuströmleitung mit dem Aussengehäuse zentriert. Mit dieser Massnahme soll unter der Wirkung der Temperatur des Arbeitsmediums die freie Wärmebeweglichkeit der Schaufelträger bei gleichzeitiger Zentrierung gewährleistet sein.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Turbine der eingangs genannten Art auf die üblichen separaten kraftaufnehmenden Hilfskonstruktionen zu verzichten.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die freien Stirnenden der Fussplatten ballig ausgebildet sind.
  • Der Umstand, dass gemäss der Erfindung die radialen Leitschaufeln neben ihrer Umlenkfunktion auch noch eine statische Funktion wahrnehmen, führt zum Vorteil, dass
    • zum einen in radialer Richtung ein Raumgewinn dadurch zu erzielen ist, dass der radial durchströmte Teil des Leitschaufelträgers in seiner Erstreckung kürzer gestaltet werden kann, und
    • zum andern, dass bei Gehäusen mit einer 360°-Zuströmspirale durch den Wegfall der üblichen Bolzen die Möglichkeit geschaffen ist, vollständig einteilige Innengehäuse zu konzipieren.
  • Damit die Leitschaufeln bei Druckbelastungen, die bei Dehnungen des Zuströmgehäuses auftreten, nicht einknicken, ist es zweckmässig, wenn die bogenförmigen Umfangsflächen der Fussplatten der radialen Leitschaufeln so bemessen sind, dass sie ein Spiel gegenüber den ringförmigen Eindrehungen des Schaufelträgers aufweisen. Zweckes definierter Anlage dieser bogenförmigen Umfangsflächen in den Eindrehungen sollten dann die Fussplatten gegeneinander verdreht sein. In Zusammenwirkung mit den balligen Endflächen der Fussplatten bewirkt diese Massnahme eine örtlich definierte Kraftlinie, die immer innerhalb des Schaufelprofils verläuft.
  • Besonders günstig ist es, wenn beide Fussplatten an ihren bogenförmigen Umfangsflächen mit Ringnuten versehen sind, in welche Zacken der Eindrehungen eingreifen. Neben der eindeutigen Führung der Leitschaufeln können dadurch auch Zugkräfte über die Leitschaufeln in den Leitschaufelträger eingeleitet werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine doppelflutige Niederdruck-Teilturbine im Axialschnitt mit einer 360°-Zuströmspirale;
    Fig. 2
    einen teilweisen Axialschnitt einer ersten Stufe mit Ausbildung der radialen Schaufeln für Druckbelastungen;
    Fig. 3
    einen teilweisen Axialschnitt einer ersten Stufe mit Ausbildung der radialen Schaufeln für Druck- und Zugbelastung.
    Fig. 4 u. Fig. 4a
    eine Prinzipskizze in Vorderansicht eines torusförmigen Zuströmkanals mit entsprechender Teilansicht der radialen Leitbeschaufelung;
    Fig. 5 u. Fig. 5a
    eine Prinzipskizze in Vorderansicht eines Zuströmgehäuses mit zwei 180°-Spiralen mit entsprechender Teilansicht der radialen Leitbeschaufelung;
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung ist jeweils mit Pfeilen bezeichnet.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In der in Fig. 1 gezeigten Dampfturbine sind nur die für das Verständnis der Wirkungsweise wesentlichen Elemente mit Bezugszeichen versehen. Die Hauptkomponenten sind das Aussengehäuse 1, das Innengehäuse 2 und der Läufer 3. Das Aussengehäuse besteht aus mehreren, nicht näher bezeichneten Teilen, die in der Regel erst am Errichtungsort miteinander verschraubt bzw. verschweisst werden. Das gegossene Innengehäuse besteht aus dem Zuströmgehäuse 4 in Form einer 360°-Spirale und den nachgeschalteten Leitschaufelträgern 5, die mit den Leitschaufeln 6 bestückt sind. Im gezeigten Fall sind die Leitschaufelträger durch Verschraubung mit dem Spiralgehäuse verbunden. Wie bereits erwähnt, gewährt die Erfindung jedoch auch die Möglichkeit, das Innengehäuse einteilig herzustellen. Einteilig ist hier relativ zu verstehen, denn selbstverständlich sind Spiralgehäuse und Schaufelträger horizontal geteilt und an den nicht gezeigten Trennflanschen miteinander verschraubt. In der Ebene dieser Trennflansche ist das Innengehäuse mittels Tragarmen im Aussengehäuse abgestützt.
  • Der mit den Laufschaufeln 7 bestückte Läufer 3 ist aus Wellenscheiben und Wellenenden mit integrierten Kupplungsflanschen zusammengeschweisst. Er ist mittels Gleitlager in den Lagergehäusen 8 abgestützt.
  • Der Weg des Dampfes führt von einer Zudampfleitung 9 über die Dampfdurchführung im Aussengehäuse 1 in das Innengehäuse 2. Die Spirale sorgt dafür, dass der Dampf gut geführt zu den beiden Fluten der Beschaufelung gelangt. Optimaler Wirkungsgrad wird mit der radial angeordneten ersten Leitreihe 10 erreicht. Nach Abgabe der Energie an den Läufer 3 gelangt der Dampf über einen ringförmigen Diffusor 11 in den Abdampfraum 12 des Aussengehäuses 1, bevor er nach unten (in der Zeichnung) zum Kondensator abströmt. Axial durchströmte Wellendichtungen 13 an der Läuferdurchführung im Aussengehäuse verhindern das Austreten des Dampfes.
  • Fig. 2 zeigt, wie bei einer doppelflutigen Turbine die radialen Leitschaufeln 10 im radialen Teil des Zuströmkanals 4 eingehängt sind. Das Schaufelblatt ist an beiden Enden mit je einer Fussplatte versehen. Die linke Fussplatte 14a ist in Axialrichtung der Turbomaschine, d.h. in Längsrichtung der radialen Schaufel kürzer bemessen als die rechte Fussplatte 14b. Beide Fussplatten liegen in ringförmigen Eindrehungen 15a resp. 15b ein. Zwecks definierter Führung sind die rechten Fussplatten 14b mit einer Nut 16 versehen, in die ein in der Eindrehung 15b hervorstehender, ringförmiger Zacken 17 eingreift. Die Umfangsflächen 18a resp. 18b an den Innen- und Aussenseiten der rhombusförmigen Fussplatten sind im Bogen gefräst (Fig. 4a,5a), wobei der jeweilige Bogenradius dem Radius der zugehörigen Eindrehung entspricht.
  • Die freien Stirnseiten 19 der beiden Fussplatten sind zur Anlage an den radialen Teilen der Eindrehungen ballig ausgeführt.
  • Die Wölbung ist dabei so gewählt, dass die Anlagepunkte stets auf einer Linie liegen, welche innerhalb des Schaufelprofils liegt. Um dies bei allen Betriebszuständen zu gewährleisten, ist ein definiertes Spiel 20 zwischen den bogenförmigen Umfangsflächen 18 und den entsprechenden Wandungen der Eindrehung 15 vorgesehen. Bei temperaturbedingten Dehnungen des Zuströmgehäuses und der daran fixierten Schaufelträger 5 können somit die radialen Teile der Eindrehungen über die balligen Stirnseiten der Fussplatten abrollen. Die auftretenden Druckbelastungen werden vom Schaufelblatt aufgenommen, ohne dass dieses ausknickt. Dies ist insbesondere wichtig bei einer 360°-Spirale gemäss Fig. 1, da derartige Spiralen über den Umfang unterschiedlich dehnen. Würde man eine derartige Dehnung nicht ungehindert zulassen, beispielsweise durch zu festes, spielfreies Einspannen der Fussplatten in den Eindrehungen, so könnte die radiale Leitreihe überbeansprucht werden, da zusätzlich zur Druckbelastung auch die Biegebeanspruchung aufgenommen werden müsste.
  • Um nun zu vermeiden, dass die Schaufeln infolge des Spiels 20 in den Eindrehungen lose einliegen, sind die beiden Fussplatten 14a und 14b um ein bestimmtes Winkelmass, beispielsweise 0,5°, gegeneinander verdreht. Beim Einschaufeln führt dies zu einer eindeutigen Anlage der Umfangsflächen in den Eindrehungen, wie dies in den Figuren 4a und 5a überdeutlich dargestellt ist.
  • Fig. 3 zeigt eine Variante der Leitschaufelbefestigung, die für die Aufnahme sowohl von Zugkräften als auch von Druckkräften geeignet ist. An beiden Seiten des Schaufelblattes sind hier jeweils gleiche Fussplatten 14c vorgesehen, welche auf die an sich bekannte Hammerkopfart eingeschaufelt sind. Die bogenförmigen Umfangsflächen 18c sowohl der inneren als auch der äusseren Plattenseiten sind dabei mit Nuten 16 versehen, in die entsprechend bemessene Zacken 17 der Eindrehung 15c eingreifen.
  • In der Fig. 4 ist die Anordnung der radialen Leitreihe bei einem ringförmigen resp. torusförmigen Einbau skizzenhaft dargestellt. Auf Grund der vorherrschenden Strömungsverhältnisse ist dort gemäss Fig. 4a für die Leitschaufeln ein Schaufelprofil gewählt, welches relativ unempfindlich auf die über den Umfang stark variierende Zuströmrichtung ist.
  • Die Fig. 5 schliesslich zeigt die Einströmverhältnisse bei einem Zuströmgehäuse, welches aus zwei 180°-Spiralen besteht. Es ist hier zu erkennen, dass gemäss Fig. 5a ein Gitter mit nur schwacher Umlenkung und somit äusserst geringen Verlusten zur Anwendung gelangen kann.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Beispiele beschränkt. In Abweichung zu den in Fig. 1 bis 3 dargestellten doppelflutigen Turbinen, kann die Erfindung mit Erfolg auch in den Zuströmgehäusen von einflutigen Turbinen angewendet werden, sofern diese mit einer radialen ersten Leitreihe versehen sind.

Claims (3)

  1. Axialdurchströmte Turbine, im wesentlichen bestehend aus einem Aussengehäuse (1) , einem Innengehäuse (2) mit integriertem Leitschaufelträger (5) und einem mit Laufschaufeln (6) bestückten Läufer (3) , bei welcher Turbine die erste Stufe als radial-axiale Stufe ausgeführt ist, wobei die radiale Leitreihe (10) aus einem torusförmigen oder einem spiralförmigen Zuströmgehäuse (4) beaufschlagt ist, und wobei die radialen Leitschaufeln (10) an ihren beiden Enden mit Fussplatten (14) versehen sind, mit denen sie in ringförmigen Eindrehungen (15) im Schaufelträger (5) eingeschaufelt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass die freien Stirnseiten (19) der Fussplatten (14) ballig ausgebildet sind.
  2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Umfangsflächen (18) der Fussplatten (14) der radialen Leitschaufeln (10) so bemessen sind, dass sie ein Spiel (20) gegenüber den ringförmigen Eindrehungen (15) im Schaufelträger aufweisen, und dass zwecks definierter Anlage dieser bogenförmigen Umfangsflächen in den Eindrehungen die Fussplatten gegeneinander verdreht sind.
  3. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fussplatten (14) einer Leitschaufel (10) an ihren bogenförmigen Umfangsflächen (18) mit Nuten (16) versehen sind, in welche Zacken (17) der Eindrehungen (15) eingreifen.
EP89111439A 1988-08-03 1989-06-23 Axialdurchströmte Turbine mit radial-axialer erster Stufe Expired - Lifetime EP0355312B1 (de)

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CH2938/88 1988-08-03
CH2938/88A CH676735A5 (de) 1988-08-03 1988-08-03

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EP0355312A1 EP0355312A1 (de) 1990-02-28
EP0355312B1 true EP0355312B1 (de) 1993-02-10

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ID=4245010

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EP89111439A Expired - Lifetime EP0355312B1 (de) 1988-08-03 1989-06-23 Axialdurchströmte Turbine mit radial-axialer erster Stufe

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EP (1) EP0355312B1 (de)
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DE (1) DE58903508D1 (de)

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