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    Dichtungsanordnung (32) und Verfahren für eine Turbine (10) mit einem drehenden Element (12) und einem das drehende Element (12) umgebenden stillstehenden Element (18). Die Dichtungsanordnung (32) umfasst eine auf dem drehenden Element (12) angeordnete ringförmige Plattform (42), die so angeordnet ist, dass sie sich an einem äußeren Umfangsbereich (40) des Elements befindet. Die Plattform (42) wird radial außerhalb des drehenden Elements (12) gestützt, so dass sie gegenüber axial benachbarten Bereichen (46) des drehenden Elements (12) vorspringt. Die Plattform (42) weist einen Berührungsbereich (54) auf, der in radialer Richtung von dem drehenden Element (12) durch einen Hohlraum (50) getrennt ist. Ein Dichtungselement (38) ist an einem radial innenliegenden Bereich (28) des stillstehenden Elements (18) angeordnet, wobei ein Bereich (56) des Dichtungselements (38) in reibender Berührung mit dem Berührungsbereich (54) steht.Sealing arrangement (32) and method for a turbine (10) with a rotating element (12) and a stationary element (18) surrounding the rotating element (12). The sealing arrangement (32) comprises an annular platform (42) arranged on the rotating element (12), which is arranged in such a way that it is located on an outer peripheral region (40) of the element. The platform (42) is supported radially outside of the rotating element (12) so that it projects over axially adjacent areas (46) of the rotating element (12). The platform (42) has a contact area (54) which is separated in the radial direction from the rotating element (12) by a cavity (50). A sealing element (38) is arranged on a radially inner area (28) of the stationary element (18), an area (56) of the sealing element (38) being in frictional contact with the contact area (54).
    公开号:DE102004026696A1
    申请号:DE200410026696
    申请日:2004-05-28
    公开日:2004-12-30
    发明作者:Bruce William Brisson；Mark Edward Burnett；David Alan Caruso；Robert Edward Deallenbach；James Harvey Vogan；Christopher Edward Wolfe
    申请人:General Electric Co；
    IPC主号:F01D11-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ganz allgemein dynamische Dichtungsanordnungender Bauart, wie sie in Turbinen verwendet werden. Insbesondere betrifft dieErfindung eine Dichtungsanordnung, zu der eine Dichtung und eineGegenfläche(Plattform) gehören, diejeweils an nicht rotierenden bzw. rotierenden Komponenten einerTurbine angebracht sind, wobei die Plattform so konstruiert ist,dass sie die Abfuhr von Wärmefördert,die durch reibende Berührung zwischender Dichtung und der Plattform entsteht.TheThe invention relates generally to dynamic sealing arrangementsthe type used in turbines. In particular, theInvention a seal assembly to which a seal and acounter surface(Platform) belong to thateach on non-rotating or rotating components of aTurbine are attached, the platform being constructedthat they're dissipating heatpromotes,the by rubbing contact betweenthe seal and the platform is created.
    [0002] Dichtungspackungender Labyrinthbauart und Bürstendichtungenwerden weithin in Dampfturbinen sowie in Flugzeugturbinen und industriellen Gasturbinenverwendet, um fürdynamisches Abdichten zwischen den rotierenden und statischen Turbinenteilen,z.B. dem inneren Rand des Rotors und der Zwischenwand einer Dampfturbinezu sorgen. Eine herkömmlicheLabyrinthdichtungspackung umfasst eine Reihe von Zähnen oder Rippen,die von dem Umfang einer statischen Komponente aus in Richtung derdrehenden Komponente, jedoch ohne mit dieser in Berührung zustehen, radial nach innen ragen und dabei eine Reihe von Teilbarrierendefinieren, die unmittelbar benachbart zu der Fläche des drehenden Teils einengewundenen axialen Strömungspfaderzeugen. Bürstendichtungenweisen gewöhnlichden Zähneneiner Labyrinthdichtungspackung ähnelndeMetallborsten auf, die von dem Umfang einer statischen Komponenteher in Richtung eines drehenden Teils oder einer drehenden Komponenteradial nach innen ragen. Im Gegensatz zu Labyrinthdichtungspackungenist bei Bürstendichtungennormalerweise beabsichtigt, dass diese mit der benachbarten Umfangsfläche derdrehenden Komponente in reibender Berührung stehen, um eine im Wesentlichenkontinuierliche Barriere fürden um den Umfang der drehenden Komponente verlaufenden Strom zubilden. Diesbezüglichstellen Bürstendichtungeneine effizientere Barriere gegen sekundäre Strömungsverluste dar, d.h. siesorgen im Vergleich zu Labyrinthdichtungspackungen für eine bessere Dichtleistungund sind daher in der Lage, die Leistung einer Stufe erheblich zuverbessern.packingsthe labyrinth type and brush sealsare widely used in steam turbines as well as in aircraft turbines and industrial gas turbinesused to fordynamic sealing between the rotating and static turbine parts,e.g. the inner edge of the rotor and the intermediate wall of a steam turbineto care. A conventional oneLabyrinth seal pack includes a series of teeth or ribs,which from the scope of a static component towards therotating component, but without touching itstanding, protruding radially inwards and a number of partial barriersdefine the one immediately adjacent to the surface of the rotating partwinding axial flow pathproduce. brush sealswise usuallyteethsimilar to a labyrinth seal packMetal bristles on the circumference of a static componentforth towards a rotating part or componentprotrude radially inwards. In contrast to labyrinth seal packsis with brush sealsnormally intends that this coincide with the adjacent peripheral surface of therotating component are in rubbing contact to one essentiallycontinuous barrier tothe current running around the circumference of the rotating componentform. In this regard,make brush sealsrepresents a more efficient barrier against secondary flow losses, i.e. sheprovide better sealing performance compared to labyrinth seal packsand are therefore able to significantly increase the performance of a stageimprove.
    [0003] DieRotoren von Flugzeugturbinen und industriellen Gasturbinen weiseneine verhältnismäßig große Steifigkeitauf, und deren dynamisches Verhalten wird daher im Allgemeinen nichtdurch eine reibende Berührungmit einer Bürstendichtungbeeinträchtigt.Im Gegensatz dazu umfasst der Rotor einer Dampfturbine gewöhnlich einekontinuierliche massive Welle, an der Schaufeln befestigt sind.Dampfturbinen der Impulsbauart arbeiten gewöhnlich oberhalb der erstenkritischen Scherfrequenz des Rotors, und häufig nahe an der zweiten kriti schenScherfrequenz. Es hat sich herausgestellt, dass die reibende Berührung zwischeneiner Bürstendichtungund dem Rotor einer Dampfturbine eine Rotorschwingung zwischen derersten und der zweiten kritischen Geschwindigkeit eines Rotors verstärken kann,was zu einer übermäßigen radialenBewegung des Rotors führt.Es wird angenommen, dass ein Auftreten dieses Effekts besondersgefördertwird, falls der Rotor aufgrund thermischer, dynamischer oder dieHerstellung betreffender Bedingungen verformt ist. Insbesondere wirddie Oberflächentemperaturdes Rotors aufgrund der durch die reibenden Berührung auftretenden Reibung örtlich begrenzterhöht,was zu ungleichmäßigen Oberflächentemperaturenentlang dem Umfang des Rotors führt.Da erhöhte(vorstehende) Stellen eines verformten Rotors wegen des dadurchgesteigerten Reibkontakts eher erhitzt werden, kann die durch dieBürstendichtungenhervorgerufene lokale Erwärmungaufgrund einer uneinheitlichen Wärmeausdehnungum den Rotorumfang zu einer weiteren Verformung des Rotors führen unddadurch die Probleme des Schwingungsverhaltens und der Dynamik desRotors noch verschlimmern.TheAircraft turbine and industrial gas turbine rotors featurea relatively high rigidityon, and their dynamic behavior is therefore generally notthrough a rubbing touchwith a brush sealimpaired.In contrast, the rotor of a steam turbine usually includes onecontinuous solid shaft to which blades are attached.Pulse type steam turbines usually operate above the firstcritical shear frequency of the rotor, and often close to the second criticalShear rate. It has been found that the rubbing touch betweena brush sealand the rotor of a steam turbine a rotor vibration between thecan amplify the first and the second critical speed of a rotor,resulting in excessive radialMovement of the rotor leads.An occurrence of this effect is believed to be specialpromotedwill, if the rotor due to thermal, dynamic or theManufacturing related conditions is deformed. In particularthe surface temperatureof the rotor due to the local friction caused by the frictional contactelevated,resulting in uneven surface temperaturesleads along the circumference of the rotor.Because increased(protruding) places of a deformed rotor because of the therebyincreased frictional contact can be heated by thebrush sealsinduced local warmingdue to inconsistent thermal expansionlead to further deformation of the rotor around the rotor circumference andthereby the problems of the vibration behavior and the dynamics of theAggravate rotors.
    [0004] Für das obenerwähnteProblem wurden vielfältigeLösungenvorgeschlagen. Beispielsweise wurden Bürstendichtungen in Dampfturbineneingebaut, die mit einer geeigneten Anfangstoleranz bemessen waren,um zu gewährleisten,dass deren Borsten währenddes Hochfahrens, wenn kein ausreichender Kühlstrom vorhanden ist, dersonst füreine graduelle Reduzierung der örtlichenErwärmungsorgen würde, denRotor nicht berühren.Ein derartiger Ansatz kann zwar die im Zusammenhang mit Bürstendichtungen auftretendenRotordynamikprobleme eliminie ren oder wenigstens erheblich reduzieren,nimmt allerdings eine Schwächungder Leistung der Dichtung in Kauf. In der gemeinsam erteilten US-Patentschrift6 168 377 gehörtzu einer Bürstendichtungsanordnung einringförmigerEinsatz, der in einer in der Rotoroberfläche ausgebildeten Umfangsnutangeordnet ist. Die Borsten der Bürstendichtung sind fluchtendausgerichtet, um mit dem Einsatzelement in reibender Berührung zustehen, so dass die durch die reibende Berührung mit den Borsten erzeugteWärme durch dasEinsatzelement besser verteilt und abgeführt wird. Eine durch die gemeinsamerteilte US-Patentschrift 6 517 314 vorgeschlagene weitere Lösung begründet sichdarauf, dass die Bürstendichtungenin reibender Berührungin mit Plattformen angeordnet sind, die an den Schaufelschwalbenschwänzen ausgebildetsind, um zu erreichen, dass die reibende Berührung an einer Stelle auftritt,die radial nach außen hinvon dem Außendurchmesserder Rotorwelle beabstandet ist, um auf diese Weise eine lokale Erwärmung ander Rotoroberflächezu eliminieren.Various solutions have been proposed for the above-mentioned problem. For example, brush seals have been installed in steam turbines that have been dimensioned with a suitable initial tolerance to ensure that their bristles do not touch the rotor during start-up if there is not sufficient cooling flow that would otherwise gradually reduce local heating. While such an approach can eliminate or at least significantly reduce the rotor dynamics problems associated with brush seals, it does accept a reduction in the performance of the seal. In commonly assigned US Pat. No. 6,168,377, a brush seal arrangement includes an annular insert which is arranged in a circumferential groove formed in the rotor surface. The bristles of the brush seal are aligned in order to be in rubbing contact with the insert element, so that the heat generated by the rubbing contact with the bristles is better distributed and dissipated by the insert element. Another solution proposed by commonly assigned US Pat. No. 6,517,314 is based on the brush seals being arranged in rubbing contact with platforms formed on the paddle dovetails to cause the rubbing contact to occur in one place. which is spaced radially outward from the outer diameter of the rotor shaft, in this way a local heating elimination on the rotor surface.
    [0005] Während sichdie obigen Ansätzezum Vermindern einer lokalen Rotorerwärmung als effizient erwiesen,lassen sich Bürstendichtungenin Dampfturbinen aufgrund von Beschränkungen, die durch die Rotordynamikim Zusammenhang mit einer lokalen Erwärmung des Rotors gegeben sind,weiterhin nur begrenzt einsetzen. Folglich bestand für Bürstendichtungenin dem Zwischenwanddichtungsbereich einer Dampfturbine eine Beschränkung durchdie Anzahl von Stufen, in die sie sich einbauen lassen, ohne eine übermäßige radialeRotorbewegung zu induzieren. Daraus ergibt sich aufgrund der erhöhten sekundären Strömungsverluste,die im Zusammenhang mit den anstelle von Bürstendichtungen verwendeten Labyrinthdichtungspackungenauftreten, eine Verringerung des Wirkungsgrades einer Stufe.Whilethe approaches aboveproven to be effective in reducing local rotor heating,can be brush sealsin steam turbines due to restrictions imposed by the rotor dynamicsin connection with local heating of the rotor,continue to use only limited. Consequently, there existed for brush sealsa restriction in the intermediate wall sealing area of a steam turbinethe number of stages in which they can be installed without an excessive radialTo induce rotor motion. Because of the increased secondary flow losses,those in connection with the labyrinth seal packs used instead of brush sealsoccur, a reduction in the efficiency of a stage.
    [0006] MitBlick auf das oben erwähntebesteht ein Bedarf nach alternativen Ansätzen zum Reduzieren der Schwingungs-und Rotordynamikprobleme, die auf die durch Bürstendichtungen verursachtelokale Erwärmungzurückzuführen sind,um einen Einsatz von Bürstendichtungenin dem Zwischenwanddichtungsbereich in praktisch sämtlichenStufen einer Dampfturbine zu ermöglichen.WithLook at the abovethere is a need for alternative approaches to reduce vibrationand rotor dynamics problems that are caused by brush sealslocal warmingare attributableabout the use of brush sealsin the partition wall area in practically allTo allow stages of a steam turbine.
    [0007] Dievorliegende Erfindung schafft eine Dichtungsanordnung und ein zugehöriges Verfahren,das in der Lage ist, Schwingungs- und Rotordynamikprobleme erheblichzu vermindern, die sich bei Turbinen, z.B. Dampfturbinen, aufgrundeiner örtlichenErwärmungauftauchen, die durch Dichtungen hervorgerufen wird, die in reibenderBerührungmit einem drehenden Element einer Turbine stehen. Die Erfindung ermöglicht es,derartige Dichtungen, einschließlich Bürstendichtungen,in praktisch sämtlichenStufen innerhalb des Zwischenwanddichtungsbereichs einer Dampfturbineeinzubauen.TheThe present invention provides a sealing arrangement and an associated method,that is capable of significant vibration and rotor dynamics problemsto reduce that which occurs in turbines, e.g. Steam turbines, duea localwarmingsurface that is caused by seals that rub incontactstand with a rotating element of a turbine. The invention enablessuch seals, including brush seals,in practically allSteps within the bulkhead sealing area of a steam turbineinstall.
    [0008] MitBlick auf das oben erwähntewird die vorliegende Erfindung an einer Turbine verwendet, die eindrehbar um eine Achse gelagertes drehendes Element und ein das drehendeElement umgebendes stillstehendes Element aufweist. Das drehendeElement weist einen äußeren Umfangsbereichauf, der in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu der Achsedes Elements steht, und das stillstehende Element, weist einen Abschnittauf, der sich radial in Richtung des drehenden Elements erstreckt,so dass das stillstehende Element einen radial innenliegenden Flächenbereichaufweist, der dem äußeren Umfangsbereichdes drehenden Elements zugewandt ist. Aus der Dichtungskonstruktiondieser Erfindung ergibt sich eine Dichtungsanordnung, die eine ringförmige Plattformauf dem drehenden Element aufweist, die so angeordnet ist, dasssie sich an dem äußeren Umfangsbereichdieses Elements befindet. Die Plattform wird radial außerhalbdes drehenden Elements getragen, so dass sie über axial benachbarte äußere Flächenbereichedes drehenden Elements hinaus radial nach außen ragt. Außerdem weistdie Plattform einen Berührungsbereichauf, der von dem drehenden Element durch einen dazwischen angeordnetenHohlraum radial getrennt ist. In dem radial innenliegenden Flächenbereichdes stillstehenden Elements ist ein Dichtungselement angeordnet,wobei ein Bereich des Dichtungselements in reibender Berührung mitdem Berührungsbereichder Gegenflächesteht. Dadurch dass die Plattform von dem drehenden Element beabstandetist, wobei ein Hohlraum den Berührungsbereichder Plattform von dem drehenden Element in axialer Richtung trennt, istsie in der Lage die durch reibende Berührung mit dem Dichtungselementerzeugte Wärmezu verteilen und abzuführen.WithLook at the abovethe present invention is used on a turbine that aa rotating element mounted rotatably about an axis and a rotating elementElement surrounding stationary element. The spinningElement has an outer peripheral regionon, which is arranged in a plane that is perpendicular to the axisof the element stands, and the stationary element, has a sectionwhich extends radially in the direction of the rotating element,so that the stationary element has a radially inner surface areawhich has the outer peripheral regionfacing the rotating element. From the seal constructionThis invention results in a seal assembly that is an annular platformon the rotating member which is arranged so thatthey on the outer peripheral areaof this element. The platform becomes radially outsideof the rotating element so that it extends over axially adjacent outer surface areasof the rotating element protrudes radially outwards. Also pointsthe platform has a touch areaon that of the rotating member through an intermediate oneThe cavity is separated radially. In the radially inner surface areaa sealing element of the stationary element is arranged,with a portion of the sealing element in frictional contact withthe touch areathe counter surfacestands. In that the platform is spaced from the rotating elementis, a cavity being the touch areaseparates the platform from the rotating element in the axial directionthey are able to do so by rubbing against the sealing elementgenerated heatto distribute and discharge.
    [0009] Dievorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstelleneiner Dichtungsanordnung füreine Turbine der oben beschriebenen Bauart. Zu dem Verfahren gehören dieSchritte zum Erzeugen der ringförmigenPlattform auf dem dre henden Element, in der Weise dass diese andem äußeren Umfangsbereichdes Elements angeordnet ist, dergestalt dass die Plattform radialaußerhalbdes drehenden Elements getragen wird, über axial benachbarte äußere Flächenbereichedes drehenden Elements hinaus radial nach außen vorragt und einen Berührungsbereichaufweist, der von dem drehenden Element durch einen dazwischenliegendenHohlraum in radialer Richtung getrennt ist. Das Dichtungselement istan dem radial innenliegenden Flächenbereichdes stillstehenden Elements vorgesehen, so dass ein Bereich desDichtungsmittels in reibender Berührung mit dem Berührungsbereichder Plattform steht. Auch hier fördertdie Plattform, dadurch dass sie von dem drehenden Element mit einemdazwischen angeordneten Hohlraum beabstandet ist, die Verteilungund Abfuhr von Wärme,die währendder Rotation des drehenden Elements um seine Achse aufgrund der reibendenBerührungmit dem Dichtungselement erzeugt wird.TheThe present invention also provides a method of manufacturinga sealing arrangement fora turbine of the type described above. The process includes theSteps to Create the AnnularPlatform on the rotating element, in such a way that this onethe outer peripheral areaof the element is arranged such that the platform is radialoutsideof the rotating element is carried over axially adjacent outer surface areasof the rotating element protrudes radially outward and a contact areawhich is separated from the rotating member by an intermediate oneCavity is separated in the radial direction. The sealing element ison the radially inner surface areaof the stationary element is provided so that an area of theSealant in rubbing contact with the area of contactthe platform stands. Promotes here toothe platform by separating it from the rotating element with aspaced cavity is spaced, the distributionand dissipation of heat,the whilethe rotation of the rotating element about its axis due to the rubbingcontactis generated with the sealing element.
    [0010] MitBlick auf das oben erwähnteist ersichtlich, dass ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung darinbesteht, dass die Plattform so konfiguriert ist, dass sie die Verteilungund Abfuhr von Wärmefördert,die aufgrund reibender Berührungmit einer Dichtung erzeugt wird. Insbesondere ist die Plattform inder Lage, Wärmevon der Berührungsfläche axial inRichtung der Rippen abzuführen,wodurch die Reibungswärmebesser verteilt wird, die andernfalls ein örtliches Ansteigen der Temperaturin einem verhältnismäßig begrenztenFlächenbereicheines drehenden Elements bewirken würde, was in diesem Falle zuungleichmäßigen Oberflächentemperaturenund zu einem Verformen des drehenden Elements führen könnte. Schwingungs- und Dynamikproblemeeines Rotors lassen sich durch die vorliegende Erfindung in einemMaße ausreichendreduzieren, dass es ermöglichtwird, Bürstendichtungen,denen lediglich durch deren spezielle Konstruktion Grenzen gesetzt sind,in jeder Stufe innerhalb des Zwischenwanddichtungsbereichs einerDampfturbine zu verwenden. Die Plattform wird vorzugsweise symmetrischum die Achse des drehenden Elements hergestellt, um die Schwingungscharakteristiknicht zu beeinflussen. Die Plattform kann außerdem konfiguriert sein, umsowohl füreinen Einbau vor Ort als auch währendder Herstellung im Werk zu ermöglichen.In view of the above, it can be seen that a significant advantage of this invention is that the platform is configured to promote the distribution and dissipation of heat generated due to frictional contact with a seal. In particular, the platform is able to dissipate heat axially from the contact surface towards the ribs, thereby better distributing the frictional heat that would otherwise cause the temperature to rise locally in a relatively limited area of a rotating element, which in this case results in uneven Surface temperatures and deform the rotating element could. Vibration and dynamic problems of a rotor can be reduced sufficiently by the present invention that it is possible to use brush seals, which are limited only by their special design, at every stage within the intermediate wall sealing area of a steam turbine. The platform is preferably made symmetrical about the axis of the rotating element in order not to influence the vibration characteristics. The platform can also be configured to allow for on-site installation as well as during manufacturing at the factory.
    [0011] WeitereAufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden nach dem Lesen derfolgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden.FurtherObjects and advantages of this invention will become apparent after reading thebetter understood the following detailed description.
    [0012] 1 zeigt eine fragmentarischein Längsrichtunggeschnittene Ansicht eines Zwischenwanddichtungsbereichs einer Dampfturbinenach dem Stand der Technik. 1 shows a fragmentary longitudinal sectional view of an intermediate wall sealing area of a steam turbine according to the prior art.
    [0013] 2 veranschaulicht in einerfragmentarischen in Längsrichtunggeschnittenen Ansicht einen Zwischenwanddichtungsbereich einer Dampfturbine, diemit einer Dichtungsanordnung gemäß einemspeziellen Ausführungsbeispieldieser Erfindung ausgerüstetist. 2 Figure 12 illustrates in a fragmentary longitudinal sectional view an intermediate wall seal area of a steam turbine equipped with a seal assembly according to a particular embodiment of this invention.
    [0014] 3 zeigt eine detailliertereDarstellung einer Plattform, die als Teil der Dichtungsanordnung nach 2 gezeigt ist. 3 shows a more detailed representation of a platform as part of the seal assembly 2 is shown.
    [0015] 4 und 5 zeigen in zwei Ansichten eine Zwischenstufeder Herstellung der Plattform nach 2 und 3. 4 and 5 show an intermediate stage of the production of the platform in two views 2 and 3 ,
    [0016] 1 repräsentiert den Zwischenwanddichtungsbereicheiner Dampfturbine 10, die mit Labyrinthdichtungspackungen 24 und 26 gemäß herkömmlicherPraxis ausgerüstetist. Die Dampfturbine 10, die von der Impulsbauart seinkann, weist einen Rotor 12 auf, auf dem axial beabstandeteLaufräder 14 ausgebildetoder angebracht sind, und an denen Schaufeln 16 in einerherkömmlichenWeise befestigt sind. Der Rotor 12 ist im Gegensatz zueinem typischen Gasturbinenrotor, der aus aneinandergeschraubtenLaufrädernund Scheiben aufgebaut ist, als ein kontinuierliches und einstückiges Bauteildargestellt. Der Rotor 12, die Laufräder 14 und die Schaufeln 16 rotierenum eine (nicht gezeigte) Achse des Rotors 12 und bildendabei einen Bestandteil eines drehenden Abschnitts der Turbine 10.Eine Zwischenwandinnenbahn 18 erstreckt sich zwischen denLaufrädern 14 radialnach innen, die getrennte Turbinenstufen 10 definiert.Ein Gehäuse 22 umgibt denRotor 12 und trägtgemeinsam mit der Bahn 18 eine Düsentrennwand 20. DieBahn 18, die Trennwand 20 und das Gehäuse 22 bildenzusammen einen Bestandteil eines feststehenden Bereichs der Turbine 10 undumgeben einen in einer senkrecht zu der Rotorachse verlaufendenEbene angeordneten äußeren Umfangsbereichdes Rotors 12. Dampf strömt, wie durch einen Pfeil angezeigt, über die Schaufeln 16 unddie Trennwand 20. 1 represents the bulkhead sealing area of a steam turbine 10 made with labyrinth seal packs 24 and 26 is equipped according to conventional practice. The steam turbine 10 which may be of the pulse type has a rotor 12 on, on the axially spaced impellers 14 are formed or attached, and on which blades 16 are attached in a conventional manner. The rotor 12 In contrast to a typical gas turbine rotor, which is composed of impellers and disks screwed together, is shown as a continuous and one-piece component. The rotor 12 who have favourited Impellers 14 and the shovels 16 rotate about an axis (not shown) of the rotor 12 and thereby form part of a rotating section of the turbine 10 , An interior partition 18 extends between the impellers 14 radially inward, the separate turbine stages 10 Are defined. A housing 22 surrounds the rotor 12 and carries along with the train 18 a nozzle partition 20 , The train 18 who have favourited Partition Wall 20 and the housing 22 together form part of a fixed area of the turbine 10 and surround an outer circumferential region of the rotor arranged in a plane running perpendicular to the rotor axis 12 , Steam flows over the blades as indicated by an arrow 16 and the partition 20 ,
    [0017] DieTurbine 10 ist in 1 mitLabyrinthdichtungspackungen 24 und 26 ausgerüstet dargestellt, diejeweils an einem Packungsringsegment 28 befestigt sind.Wie herkömmlichstellt jedes Packungsringsegment 28 eines von mehrerenbogen förmigen Segmentedar, die um den Umfang herum an dem Rotor 12 oder dem Gehäuse 22 montiertsind. Die Labyrinthdichtungspackungen 24 und 26 reduzierensekundäreStrömungsverlustezwischen den drehenden und den feststehenden Komponenten, insbesonderezwischen dem Rotor 12 und der Bahn 18 und zwischenden Schaufeln 16 und dem Gehäuse 22. Die Labyrinthdichtungspackungen 24 und 26 sind zwareffizient und werden weitverbreitet eingesetzt, sind jedoch aufgrundder Lückezwischen den Zähnen 30 derLabyrinthdichtungspackungen 24 und 26 und dengegenüberliegendenFlächen,mit denen sie die Dichtung bilden, nicht in der Lage, sekundäre Strömungsverlustein dem Ausmaß zureduzieren, wie es mit Bürstendichtungenmöglichist.The turbine 10 is in 1 with labyrinth seal packs 24 and 26 shown equipped, each on a packing ring segment 28 are attached. As usual, each packing ring segment represents 28 one of several arcuate segments that surround the rotor 12 or the housing 22 are mounted. The labyrinth seal packs 24 and 26 reduce secondary flow losses between the rotating and fixed components, especially between the rotor 12 and the train 18 and between the blades 16 and the housing 22 , The labyrinth seal packs 24 and 26 Although efficient and widely used, they are due to the gap between the teeth 30 of the labyrinth seal packs 24 and 26 and the opposing surfaces with which they form the seal are unable to reduce secondary flow losses to the extent that is possible with brush seals.
    [0018] 2 veranschaulicht die gleicheTurbine 10, wie sie in 1 gezeigtist, jedoch in der Weise modifiziert, dass das an der Bahn 18 befestigtePackungsringsegment 28 den feststehenden Bereich einerDichtungsanordnung 32 trägt, die gemäß einem Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung eine axial zwischen den Sätzen vonLabyrinthdichtungspackungen 34 und 36 angeordneteBürstendichtung 38 enthält. DieLabyrinthdichtungspackungen 34 und 36 dienen alsZusatzdichtungen fürdie Bürstendichtung 38 undsind in dieser Erfindung daher zwar bevorzugt, jedoch optional zuverwenden. Im Gegensatz zu den Packungen 34 und 36 istdie Bürstendichtung 38 sokonfiguriert, dass sie die Fläche,mit der sie abdichten soll, kontinuierlich berührt, wodurch sie ein besseresAbdichtung bewirkt, als dies mit der Labyrinthdichtungspackung 24 möglich ist,an deren Stelle sie getreten ist. Wie herkömmlich sind die Bürstendichtung 38 unddie Labyrinthdich tungspackungen 34 und 36 alsmit Borsten 56 bzw. Zähnen 58 ausgerüstet dargestellt,die in Richtung des Rotors 12 radial vorspringen. Wie ausdem Stand der Technik bekannt, könnendie Borsten 56 und Zähne 58 ausvielfältigenMaterialien gefertigt sein. 2 illustrates the same turbine 10 as in 1 is shown, however, modified in such a way that on the web 18 attached packing ring segment 28 the fixed area of a seal assembly 32 which, according to one embodiment of the present invention, carries an axially between the sets of labyrinth seal packs 34 and 36 arranged brush seal 38 contains. The labyrinth seal packs 34 and 36 serve as additional seals for the brush seal 38 and are therefore preferred in this invention, but can be used optionally. In contrast to the packs 34 and 36 is the brush seal 38 Configured to continuously contact the surface it is designed to seal, providing a better seal than the labyrinth seal package 24 is possible in the place of which she has stepped in. The brush seal is as conventional 38 and the labyrinth seal packs 34 and 36 than with bristles 56 or teeth 58 shown equipped towards the rotor 12 project radially. As known from the prior art, the bristles can 56 and teeth 58 be made from a variety of materials.
    [0019] Diemit der Bürstendichtung 38 auftretende reibendeBerührungerzeugt inhärentReibungswärme,die falls sie nicht beachtet wird, zu einer uneinheitlichen Erwärmung entlangdem Umfang des Rotors 12 führen kann, mit der Gefahr einerVerstärkung derSchwingungen des Rotors 12. Eine bessere Verteilung undAbfuhr dieser Wärmewerden mit der vorliegenden Erfindung erreicht, indem der Rotor 12 in derWeise modifiziert wird, dass er einen erhabenen Abschnitt 40 aufweist,der in 2 und eingehender in 3 gezeigt ist. Der erhabeneAbschnitt 40, der tatsächlichden drehenden Abschnitt der Dichtungsanordnung 32 bildet,ragt überaxial benachbarte Flächenbereiche 46 desRotors 12 radial nach außen vor. Wie dargestellt, weistder erhabene Abschnitt 40 eine Plattform 42 auf,die oberhalb eines Flächenbereichs 48 desRotors 12 durch ein Paar Stützrippen 44 getragenwird. In der Darstellung ist zwar an jedem axialen Ende der Plattform 42 nureine Rippe 44 angeordnet, jedoch sind andere Konfigurationen,einschließlichder Einbeziehung zusätzlicherRippen 44 möglich.Die Plattform 43 und die Rippen 44 sind vorzugsweisekontinuierlich entlang dem gesamten Umfang des Rotors 12 ausgebildet,so dass der erhabene Abschnitt 40 symmetrisch um die Achsedes Rotors 12 angeordnet ist und dessen Schwingungscharakteristiknicht beeinflusst. Die Plattform 42 und die Stützrippen 44 definierengemeinsam mit dem Flächenbereich 48 desRotors einen Hohlraum 50, der vorzugsweise vollständig umschlossenist, so dass der Hohlraum 50 lediglich Luft enthält, diewährend derFertigung des erhabenen Abschnitts 40 eingeschlossen wurde.The one with the brush seal 38 occurring frictional contact inherently generates frictional heat me, which, if ignored, leads to non-uniform heating along the circumference of the rotor 12 can lead to the risk of an increase in the vibrations of the rotor 12 , A better distribution and dissipation of this heat are achieved with the present invention by the rotor 12 is modified in such a way that it has a raised section 40 having the in 2 and more in depth 3 is shown. The sublime section 40 which is actually the rotating section of the seal assembly 32 forms, protrudes beyond axially adjacent surface areas 46 of the rotor 12 radially outwards. As shown, the raised portion faces 40 a platform 42 on that above a surface area 48 of the rotor 12 through a pair of support ribs 44 will be carried. In the illustration, the platform is at each axial end 42 just a rib 44 arranged, however, other configurations, including the inclusion of additional ribs 44 possible. The platform 43 and the ribs 44 are preferably continuous along the entire circumference of the rotor 12 trained so that the raised portion 40 symmetrical about the axis of the rotor 12 is arranged and does not affect its vibration characteristics. The platform 42 and the support ribs 44 define together with the area 48 of the rotor a cavity 50 , which is preferably completely enclosed, so that the cavity 50 only contains air during the manufacture of the raised section 40 was trapped.
    [0020] DiePlattform 42 ist mit auf deren äußerer radialen Fläche ausgebildetenRippen 52 dargestellt, die mit auf den Labyrinthdichtungspackungen 34 und 36 angeordnetenZähnen 58 eine "Hoch-Tief"-Dichtungseinrichtungbilden. Wie aus 2 und 3 ersichtlich, stellt diePlattform 42 ferner eine Berührungsfläche 54 bereit, diefortlaufend in reibender Berührung mitden Borsten 56 der Bürstendichtung 38 steht.Mit der Konfiguration des in den 2 und 3 gezeigten erhabenen Abschnitts 40 istdie Berührungsfläche 54 etwain der Mitte zwischen den Rippen 44 angeordnet, so dassdie durch reibende Berührungmit der Bürstendichtung 38 erzeugteWärme vonder Berührungsfläche 54 sowohlnach vorne als auch nach hinten in axialer Richtung abgeleitet wird,bevor sie radial nach innen zu dem Rotor 12 vordringenkann. Der Hohlraum 50 wirkt als eine thermische Barriere,so dass die Wärmenicht durch unmittelbare Wärmeleitungzu dem Flächenbereich 48 desRotors 12 unterhalb der Plattform 42 übertragenwird, sondern die Übertragungvielmehr auf Wärmestrahlungbeschränktist. Dementsprechend ist die durch die Bürstendichtung 38 erzeugtewärme nicht örtlich aufeinen Umfangsflächenbereichdes Rotors 12 beschränkt, wodurchProbleme einer dynamischen Instabilität des Rotors, die sich aufgrundeiner lokalen Rotorerwärmungergeben oder verschlimmern, wenn der Dampfturbinenrotor 12 inder Näheeiner seiner kritischen Scherfrequenzen betrieben wird, drastischreduziert, wenn nicht sogar ausgeschlossen werden.The platform 42 is with ribs formed on the outer radial surface thereof 52 shown with on the labyrinth seal packs 34 and 36 arranged teeth 58 form a "high-low" sealing device. How out 2 and 3 visible, represents the platform 42 also a contact area 54 ready to be in continuous contact with the bristles 56 the brush seal 38 stands. With the configuration of the in the 2 and 3 shown raised section 40 is the contact area 54 about halfway between the ribs 44 arranged so that by rubbing against the brush seal 38 generated heat from the interface 54 both forward and backward in the axial direction before being radially inward to the rotor 12 can penetrate. The cavity 50 acts as a thermal barrier so that the heat is not by direct conduction to the area 48 of the rotor 12 below the platform 42 is transferred, but the transfer is rather limited to heat radiation. Accordingly, that is through the brush seal 38 generated heat not locally on a peripheral surface area of the rotor 12 limited, causing problems of dynamic instability of the rotor that result from or worsen due to local rotor heating when the steam turbine rotor 12 operating near one of its critical shear frequencies is drastically reduced, if not excluded.
    [0021] Gemäß einemAspekt der Erfindung können dieStützrippen 44 unmittelbarin dem Ausgangsschmiedestückdes Rotors spanabhebend ausgebildet werden, wobei an jedem Packungsbereichdes Rotors 12 ein Paar Rippen 44 angeordnet sind.Mehrere bogenförmigeEinsatzelemente 62 werden anschließend, wie in 4 und 5 veranschaulicht,aneinandergeschweißtund an jeden Satz von Rippen 44 geschweißt, gefolgtvon einer spanabhebenden Bearbeitung der Einsatzelemente 62,um die Plattform 42 und deren Rippen 52 auszubilden.Ein derartiger Arbeitsschritt kann während der Herstellung des Rotors 12 imWerk oder als eine vor Ort vorgenommene Modifizierung eines vorhandenenRotors 12 ausgeführtwerden. Abhängigvon den zu verschweißenden Werkstoffenkönnenvielfältigebekannte Schweißtechnikeneingesetzt werden, um den erhabenen Abschnitt 40 herzustellen.Für diePlattform 42 (und damit für die Einsatzelemente 62,aus denen die Plattform 42 gefertigt wird) eignen sindbeliebige Werkstoffe, die sich zuverlässig an den Rotor 12 schweißen lassenund ähnlicheWärmeausdehnungseigenschaftenaufweisen wie der Rotor 12, wobei durch letzteres hohethermische Spannungen und ein Verformen der Plattform vermiedenwerden. Hinsichtlich dieser Überlegungen,würde für einenaus einer Chrom-Molybdän-Vanadium-Legierungengefertigten Rotor 12 dieselbe oder eine ähnlicheChrom-Molybdän-Vanadium-Legierungein geeignetes Material für dieHerstellung der Plattform 42 darstellen.According to one aspect of the invention, the support ribs can 44 be machined directly in the output forging of the rotor, with each packing area of the rotor 12 a pair of ribs 44 are arranged. Several arch-shaped insert elements 62 are then, as in 4 and 5 illustrated, welded together and on each set of ribs 44 welded, followed by machining of the insert elements 62 to the platform 42 and their ribs 52 train. Such a step can take place during the manufacture of the rotor 12 in the factory or as an on-site modification of an existing rotor 12 be carried out. Depending on the materials to be welded, a variety of known welding techniques can be used around the raised section 40 manufacture. For the platform 42 (and thus for the insert elements 62 that make up the platform 42 Any materials that reliably adhere to the rotor are suitable 12 let weld and have similar thermal expansion properties as the rotor 12 , the latter avoiding high thermal stresses and deformation of the platform. With regard to these considerations, a rotor made from a chrome-molybdenum-vanadium alloy would 12 the same or a similar chrome-molybdenum-vanadium alloy a suitable material for the manufacture of the platform 42 represent.
    [0022] Dichtungsanordnung 32 undVerfahren für eineTurbine 10 mit einem drehenden Element 12 undeinem das drehende Element 12 umgebenden stillstehendenElement 18. Die Dichtungsanordnung 32 umfassteine auf dem drehenden Element 12 angeordnete ringförmige Plattform 42,die so angeordnet ist, dass sie sich an einem äußeren Umfangsbereich 40 desElements befindet. Die Plattform 42 wird radial außerhalbdes drehenden Elements 12 gestützt, so dass sie gegenüber axialbenachbarten Bereichen 46 des drehenden Elements 12 vorspringt. DiePlattform 42 weist einen Berührungsbereich 54 auf,der in radialer Richtung von dem drehenden Element 12 durcheinen Hohlraum 50 getrennt ist. Ein Dichtungselement 38 istan einem radial innenliegenden Bereich 28 des stillstehendenElements 18 angeordnet, wobei ein Bereich 56 desDichtungselements 38 in reibender Berührung mit dem Berührungsbereich 54 steht.sealing arrangement 32 and method for a turbine 10 with a rotating element 12 and the rotating element 12 surrounding stationary element 18 , The sealing arrangement 32 includes one on the rotating element 12 arranged annular platform 42 which is arranged so that it is located on an outer peripheral region 40 of the element. The platform 42 becomes radially outside of the rotating element 12 supported so that it faces axially adjacent areas 46 of the rotating element 12 projects. The platform 42 has a touch area 54 on that in the radial direction from the rotating element 12 through a cavity 50 is separated. A sealing element 38 is on a radially inner area 28 of the stationary element 18 arranged with an area 56 of the sealing element 38 in rubbing contact with the area of contact 54 stands.
    [0023] Während dieErfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels beschriebenwurde, ist es offensichtlich, dass andere Ausführungsformen von einen Fachmannerdacht werden könnten.Beispielsweise kann die Erfindung, obwohl hier mit Bezug auf eineDampfturbine beschrieben, in anderen Arten von Turbinen verwendetwerden. Der Schutzumfang der Erfindung ist daher lediglich durchdie nachfolgenden Ansprüchebeschränkt.While the invention has been described with reference to a specific embodiment, it is obvious that other embodiments could be devised by a person skilled in the art. For example, although described herein with reference to a steam turbine, the invention can be of other types used by turbines. The scope of the invention is therefore limited only by the claims that follow.
    1010 Turbineturbine 1212 Rotorrotor 1414 Laufräderimpellers 1616 Schaufelnshovel 1818 InnereBahnInnertrain 2020 Düsentrennwandnozzle separation wall 2222 Gehäusecasing 2424 LabyrinthdichtungspackungLabyrinth packing 2626 LabyrinthdichtungspackungLabyrinth packing 2828 Ringsegmentring segment 3030 Zähneteeth 3232 Dichtungsanordnungsealing arrangement 3434 Packungpack 3636 Packungpack 3838 Bürstendichtungbrush seal 4040 ErhabenerAbschnittsublimesection 4242 Plattformplatform 4444 Rippenribs 4646 Flächenbereicharea 4848 Flächenbereicharea 5050 Hohlraumcavity 5252 Rippenribs 5454 BerührungsflächeTouchpad 5656 Borstenbristles 5858 Zähneteeth 6262 Einsatzelementeinsert elements
    权利要求:
    Claims (10)
    [1]
    Dichtungsanordnung (32) für eine Turbine(10) mit einem um eine Achse drehbaren drehenden Element(12) und einem stillstehenden Element (18, 20, 22),das das drehende Element (12) umgibt, wobei das drehendeElement (12) einen äußeren Umfangsbereich(40) aufweist, der in einer Ebene senkrecht zu deren Achseverlaufenden angeordnet ist, und das stillstehende Element (18, 20, 22)einen Abschnitt (18) aufweist, der sich radial in Richtungdes drehenden Elements (12) erstreckt, so dass das stillstehendeElement (18, 20, 22) einen radial innenliegenden Bereich(28) aufweist, der dem äußeren Umfangsbereich(40) des drehenden Elements (12) zugewandt ist,wobei zu der Dichtungsanordnung (32) gehören: eineringförmigePlattform (42) auf dem drehenden Element (12),die so angeordnet ist, dass sie sich an dessen äußeren Umfangsbereich (40)befindet, wobei die Plattform (42) radial außerhalbdes drehenden Elements (12) getragen wird, so dass sie über axial benachbarte äußere Flächenbereiche(46) des drehenden Elements (12) radial nach außen ragt,wobei die Plattform (42) einen Berührungsbereich (54)aufweist, der von dem drehenden Element (12) durch einendazwischen befindlichen Hohlraum (50) radial getrennt ist;und Dichtungsmittel (38), die an dem radial innenliegendenBereich (28) des stillstehenden Elements (18, 20, 22)angeordnet sind und einen Abschnitt (56) aufweisen, derin reibender Berührungmit dem Berührungsbereich(54) der Plattform (42) steht, wobei die Plattform(42) dazu dient, durch reibende Berührung mit dem Dichtungsmittel(38) erzeugte Wärmezu verteilen und abzuführen.Sealing arrangement ( 32 ) for a turbine ( 10 ) with a rotating element rotatable about an axis ( 12 ) and a stationary element ( 18 . 20 . 22 ) which is the rotating element ( 12 ) surrounds, the rotating element ( 12 ) an outer peripheral area ( 40 ), which is arranged in a plane perpendicular to its axis, and the stationary element ( 18 . 20 . 22 ) a section ( 18 ) which extends radially in the direction of the rotating element ( 12 ) extends so that the stationary element ( 18 . 20 . 22 ) a radially inner area ( 28 ) which corresponds to the outer peripheral region ( 40 ) of the rotating element ( 12 ) is facing, with the sealing arrangement ( 32 ) include: an annular platform ( 42 ) on the rotating element ( 12 ), which is arranged so that it is on its outer peripheral region ( 40 ), the platform ( 42 ) radially outside of the rotating element ( 12 ) is worn so that it extends over axially adjacent outer surface areas ( 46 ) of the rotating element ( 12 ) protrudes radially outwards, the platform ( 42 ) a contact area ( 54 ) which is formed by the rotating element ( 12 ) through a cavity in between ( 50 ) is separated radially; and sealants ( 38 ) on the radially inner area ( 28 ) of the stationary element ( 18 . 20 . 22 ) are arranged and a section ( 56 ) which is in frictional contact with the contact area ( 54 ) the platform ( 42 ) stands, whereby the platform ( 42 ) serves by rubbing against the sealant ( 38 ) distribute and dissipate heat generated.
    [2]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobeizu dem Dichtungsmittel (38) eine Bürstendichtung (38)gehört.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 1, wherein to the sealing means ( 38 ) a brush seal ( 38 ) heard.
    [3]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobeidie Plattform (42) radial außerhalb des drehende Element(12) durch wenigstens eine erste Rippe (44), diein einer ersten axialen Richtung von dem Berührungsbereich (54)beabstandet ist, und durch wenigstens eine zweite Rippe (44)gestütztwird, die in einer entgegengesetzten zweiten axialen Richtung vondem Berührungsbereich(54) beabstandet ist.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 1, wherein the platform ( 42 ) radially outside of the rotating element ( 12 ) by at least one first rib ( 44 ) that are in a first axial direction from the contact area ( 54 ) and by at least one second rib ( 44 ) supported in an opposite second axial direction from the contact area ( 54 ) is spaced.
    [4]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 3, beider die Plattform (42) an die erste und zweite Rippe (44)geschweißtist.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 3, wherein the platform ( 42 ) to the first and second rib ( 44 ) is welded.
    [5]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 3, beider jede der ersten und zweiten Rippen (44) entlang dem äußeren Umfangsbereich(40) des drehenden Elements (12) kontinuierlichausgebildet sind.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 3, wherein each of the first and second ribs ( 44 ) along the outer peripheral area ( 40 ) of the rotating element ( 12 ) are continuously trained.
    [6]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 3, beider der Hohlraum (50) durch die Plattform (42), dasdrehende Element (12) und die erste und zweite Rippe (44)definiert ist.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 3, wherein the cavity ( 50 ) through the platform ( 42 ), the rotating element ( 12 ) and the first and second rib ( 44 ) is defined.
    [7]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobeider Hohlraum (50) vollkommen umschlossen ist.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 1, wherein the cavity ( 50 ) is completely enclosed.
    [8]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobeider Hohlraum (50) lediglich Luft enthält.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 1, wherein the cavity ( 50 ) contains only air.
    [9]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1,zu der ferner eine Labyrinthdichtungspackung (34, 36) gehört, diean dem radial innenliegenden Bereich (28) des stillstehendenElements (18, 20, 22) angeordnet istund in axialer Richtung von dem Bereich (56) des Dichtungsmittels(38) beabstandet ist.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 1, further comprising a labyrinth seal pack ( 34 . 36 ) belongs to the radially inner area ( 28 ) of the stationary element ( 18 . 20 . 22 ) is arranged and in the axial direction of the area ( 56 ) of the sealant ( 38 ) is spaced.
    [10]
    Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 9, zuder ferner erhabene Flächenbereiche(52) auf einer radial außen angeordneten Fläche derPlattform (42) gehören,die Labyrinthdichtungspackung (34, 36) Zähne (58)aufweist, die in Richtung der erhabenen Flächenbereiche (52)radial nach innen ragen.Sealing arrangement ( 32 ) according to claim 9, further to the raised surface areas ( 52 ) on a radially outer surface of the platform ( 42 ) include the labyrinth seal pack ( 34 . 36 ) Teeth ( 58 ) in the direction of the raised surface areas ( 52 ) protrude radially inwards.
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    US6821086B1|2004-11-23|
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    GB2402449B|2006-12-06|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2007-08-23| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2011-03-02| R002| Refusal decision in examination/registration proceedings|
    2011-06-30| R003| Refusal decision now final|Effective date: 20110404 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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