轴向分级的燃料喷射器组件 |
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| 申请号 | CN201710157101.3 | 申请日 | 2017-03-16 | 公开(公告)号 | CN107202339A | 公开(公告)日 | 2017-09-26 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | 蔡骏; H.卡林; L.J.斯托亚; W.M.波谢尔; J.纳塔拉简; | ||||
| 摘要 | 一种 燃料 喷射器组件(102)，其包括限定其中的燃料 歧管 (122)的护罩(116)。燃料歧管(122) 流体 地联接于燃料管线(106)，以从其接收燃料。燃料喷射器组件(102)还包括中心本体(118)和多个导叶(120)，该多个导叶(120)将中心本体(118)操作性地联接于护罩(116)。多个导叶(120)中的各个导叶(120)与周向相邻的导叶(120)沿周向间隔，以限定其间的至少一个通路(124)，用于空气穿过其的发送。多个导叶(120)中的各个具有与燃料歧管(122)和至少一个通路(124)中的至少一个通路(124)流体连通的至少一个出口孔(128)，用于燃料到至少一个通路(124)中的放出，用于与空气混合。燃料喷射器出口(130)由燃料喷射器组件(102)的内壁(132)限定，并且 定位 成将燃料空气混合物引导出燃料喷射器组件(102)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种燃料喷射器组件(102)，其包括： |
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| 说明书全文 | 轴向分级的燃料喷射器组件技术领域背景技术[0002] 燃气涡轮通常焚烧碳氢化合物燃料，并且产生空气污染排放物，如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。燃气涡轮中的分子氮的氧化取决于位于燃烧器中的气体的温度，以及位于燃烧器内的最高温度区域中的反应物的停留时间。因此，由燃气涡轮产生的NOx的量可通过将燃烧器温度保持在产生NOx的温度以下，或通过限制反应物在燃烧器中的停留时间来减少。 [0003] 一种用于控制燃烧器的温度的途径涉及预先混合燃料和空气，以在燃烧之前产生燃料空气混合物。该途径可包括燃料喷射的轴向分级，其中第一燃料空气混合物在燃烧器的第一或初级燃烧区处喷射和点燃，以产生高能燃烧气体的主流，并且其中第二燃料空气混合物在初级燃烧区下游喷射到高能燃烧气体的主流中并且与其混合。具体而言，第二燃料空气混合物在以可被称为轴向分级喷射的途径点燃之前，变得携带有高能燃烧气体的主流。 [0004] 轴向分级喷射增大可用燃料的完全燃烧的可能性，这继而减少空气污染排放物。用于在轴向分级的喷射器中使用的、来自燃烧器的头端部分的旁通空气修改头端温度，以减少在部分负载操作期间的一氧化碳产生。为了实现与使燃料喷射轴向地分级相关联的以上描述的益处，第二空气和燃料混合物必须在喷射到燃烧器中之前充分地混合或掺合。关于充分混合的挑战持续。 发明内容 [0005] 方面和优点在以下描述中在下面阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过实践学习。 [0006] 本公开的一个实施例为一种燃料喷射器组件。燃料喷射器组件包括限定其中的燃料歧管的护罩。燃料歧管流体地联接于燃料管线，以从其接收燃料。燃料喷射器组件还包括中心本体和多个导叶，该多个导叶将中心本体操作性地联接于护罩。多个导叶与彼此沿周向间隔，以限定其间的至少一个通路，用于空气穿过其的发送。多个导叶中的各个具有与燃料歧管和至少一个通路中的至少一个通路流体连通的至少一个出口孔，用于燃料到至少一个通路中的放出，用于与空气混合。燃料喷射器出口由燃料喷射器组件的内壁限定，并且定位成将燃料空气混合物引导出燃料喷射器组件。 [0007] 本公开的另一实施例涉及一种轴向分级的燃料喷射系统。系统包括燃料管线，其包括在燃料管线的出口上游的位置处设置在燃料管线内的预孔口。预孔口包括小于预孔口上游的燃料的主截面区域的孔口截面区域。系统还包括燃料喷射器组件。燃料喷射器组件包括限定其中的燃料歧管的护罩，其中燃料歧管与燃料管线流体连通，以从其接收燃料。燃料喷射器组件还包括中心本体，该中心本体限定沿着中心本体的整个长度沿轴向延伸的通道，用于将吹扫气流发送穿过其。多个导叶将中心本体操作性地联接于护罩。多个导叶中的各个导叶与周向相邻的导叶沿周向间隔，以限定其间的至少一个通路，用于空气穿过其的发送。多个导叶中的各个包括与燃料歧管和至少一个通路流体连通的至少一个出口孔。(多个)出口孔将燃料放出到至少一个通路中，用于与空气混合。燃料喷射器组件还包括燃料喷射器出口，其由燃料喷射器组件的内壁限定，并且定位成将燃料空气混合物引导出燃料喷射器组件，以及位于燃料喷射器出口近侧的内壁的会聚区域。 [0008] 另一实施例包括一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括压缩机、涡轮，以及燃烧器，其包括轴向分级的燃料喷射器组件。燃料喷射器组件包括限定其中的燃料歧管的护罩。燃料歧管流体地联接于燃料管线，以从其接收燃料。燃料喷射器组件还包括中心本体和多个导叶，该多个导叶将中心本体操作性地联接于护罩。多个导叶中的各个导叶与周向相邻的导叶沿周向间隔，以便限定其间的至少一个通路，用于空气穿过其的发送。多个导叶中的各个具有与燃料歧管流体连通的至少一个出口孔，用于燃料到至少一个通路中的放出，用于与空气混合。燃料喷射器组件还包括燃料喷射器出口，其由燃料喷射器组件的内壁限定，并且定位成将燃料空气混合物引导出燃料喷射器组件。 [0009] 技术方案1. 一种燃料喷射器组件，其包括：护罩，其限定其中的燃料歧管，其中所述燃料歧管流体地联接于燃料管线，以从其接收燃料； 中心本体； 多个导叶，其将所述中心本体操作性地联接于所述护罩，所述多个导叶与彼此沿周向间隔，以限定其间的至少一个通路，用于空气穿过其的发送，所述多个导叶中的各个具有与所述燃料歧管和所述至少一个通路中的至少一个通路流体连通的至少一个出口孔，用于所述燃料到所述至少一个通路中的放出，用于与所述空气混合；以及 燃料喷射器出口，其由所述燃料喷射器组件的内壁限定，并且定位成将燃料空气混合物引导出所述燃料喷射器组件。 [0010] 技术方案2. 根据技术方案1所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述燃料管线包括主截面区域和设置在其中的预孔口结构，所述预孔口结构具有小于所述主截面区域的孔口截面区域。 [0011] 技术方案3. 根据技术方案1所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述中心本体限定沿着其整个长度的通道，用于将吹扫空气朝向所述燃料喷射器出口发送。 [0012] 技术方案4. 根据技术方案1所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述燃料喷射器组件还包括位于所述燃料喷射器出口近侧的所述内壁的会聚区域。 [0013] 技术方案5. 根据技术方案4所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述喷射器的径向最内表面涂覆有热障涂层。 [0014] 技术方案6. 根据技术方案1所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述中心本体的出口端区域沿径向向内成角度。 [0015] 技术方案7. 根据技术方案1所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述护罩包括圆形几何形状。 [0016] 技术方案8. 根据技术方案7所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述燃料歧管在所述护罩内沿周向延伸。 [0017] 技术方案9. 一种轴向分级的燃料喷射系统，其包括：燃料管线，其包括在所述燃料管线的出口上游的位置处设置在所述燃料管线内的预孔口，所述预孔口具有小于所述预孔口上游的所述燃料的主截面区域的孔口截面区域； 燃料喷射器组件，其包括： 护罩，其限定其中的燃料歧管，其中所述燃料歧管与所述燃料管线流体连通，以从其接收燃料； 中心本体，所述中心本体限定沿着所述中心本体的整个长度沿轴向延伸的通道，用于将吹扫气流发送穿过其； 多个导叶，其将所述中心本体操作性地联接于所述护罩，所述多个导叶与彼此沿周向间隔，以限定其间的至少一个通路，用于空气穿过其的发送，所述多个导叶中的各个具有与所述燃料歧管和所述至少一个通路流体连通的至少一个出口孔，用于所述燃料到所述至少一个通路中的放出，用于与所述空气混合； 燃料喷射器出口，其由所述燃料喷射器组件的内壁限定，并且定位成将燃料空气混合物引导出所述燃料喷射器组件；以及 所述内壁的会聚区域，其位于所述燃料喷射器出口近侧。 [0018] 技术方案10. 根据技术方案9所述的轴向分级的燃料喷射器系统，其特征在于，所述燃料喷射器组件的径向最内表面涂覆有热障涂层。 [0019] 技术方案11. 根据技术方案9所述的轴向分级的燃料喷射器系统，其特征在于，所述中心本体的出口端沿径向向内成角度。 [0020] 技术方案12. 根据技术方案9所述的轴向分级的燃料喷射器系统，其特征在于，所述护罩包括圆形几何形状。 [0021] 技术方案13. 根据技术方案12所述的轴向分级的燃料喷射器系统，其特征在于，所述燃料歧管在所述护罩内沿周向延伸。 [0022] 技术方案14. 一种燃气涡轮发动机，其包括：压缩机； 涡轮；以及 燃烧器，其包括轴向分级的燃料喷射器组件，所述燃料喷射器组件包括： 护罩，其限定其中的燃料歧管，其中所述燃料歧管流体地联接于燃料管线，以从其接收燃料； 中心本体； 多个导叶，其将所述中心本体操作性地联接于所述护罩，所述多个导叶与彼此沿周向间隔，以限定其间的至少一个通路，用于空气穿过其的发送，所述多个导叶中的各个具有与所述燃料歧管流体连通的至少一个出口孔，用于所述燃料到所述至少一个通路中的放出，用于与所述空气混合；以及 燃料喷射器出口，其由所述燃料喷射器组件的内壁限定，并且定位成将燃料空气混合物引导出所述燃料喷射器组件。 [0023] 技术方案15. 根据技术方案14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃料管线包括主截面区域和设置在其中的预孔口结构，所述预孔口结构具有小于所述主截面区域的孔口截面区域。 [0024] 技术方案16. 根据技术方案14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述中心本体限定沿着其整个长度的通道，用于将吹扫空气流朝向所述燃料喷射器出口发送。 [0025] 技术方案17. 根据技术方案14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机还包括位于所述燃料喷射器出口近侧的所述燃料喷射器组件的所述内壁的会聚区域。 [0026] 技术方案18. 根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述喷射器的径向最内表面涂覆有热障涂层。 [0027] 技术方案19. 根据技术方案14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃料喷射器组件的所述护罩包括圆形几何形状。 [0028] 技术方案20. 根据技术方案19所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃料歧管在所述护罩内沿周向完全地延伸。 [0030] 包括针对本领域技术人员的其最佳模式的各种实施例的完整且开放的公开在包括参照附图的说明书的其余部分中更具体地阐述，在该附图中：图1为可并入本公开的各种实施例的示例性燃气涡轮的功能框图； 图2为如可并入本公开的各种实施例的示例性燃烧器的简化截面侧视图； 图3为根据本公开的至少一个方面的如图2中示出的燃烧器的燃料喷射器组件的截面视图； 图4为图3的燃料喷射器组件的俯视透视图； 图5为图3的燃料喷射器组件的截面视图；以及 图6为安装在燃烧器中的图3的燃料喷射器组件的截面端视图。 [0031] 部件列表10燃气涡轮 12入口区段 14压缩机 16燃烧器 18涡轮 20排气区段 22轴 24空气 26压缩空气 28燃料 30燃烧气体 32外壳 34高压仓室 36端盖 38头端部分 40初级燃料喷嘴 42管道/衬套 44第一燃烧区 46第二燃烧区 48中心线 50热气体路径 52入口-涡轮 54流动/冲击套管 56环形流动通路 58初级燃烧气流/主流 100轴向分级的燃料喷射系统 102燃料喷射器组件 104燃料喷射器 106燃料管线 108入口端口-燃料喷射器组件 110预孔口结构 112预孔口 114空气罩 116护罩 118中心本体 120导叶 122燃料歧管 124通路 126腔 128出口孔 130燃料喷射器出口 132内壁 134径向会聚区域 136径向最内表面 138 TBC 140出口端区域 142通道 144入口-通道 146吹扫孔 148冷却孔 150凸起。 具体实施方式[0032] 现在将详细参照本公开的本实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标号用于表示本公开的相似或类似的部分。 [0033] 如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，并且不旨在表示独立构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”是指相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，而“下游”是指流体流至的方向。用语“径向地”是指大致垂直于特定构件的轴向中心线的相对方向，并且用语“轴向地”是指大致平行于和/或同轴地对准于特定构件的轴向中心线的相对方向。 [0034] 本文中使用的用语出于仅描述特定实施例的目的，并且不旨在限制。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包含(comprising)"在用于本说明书中时表示叙述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组。 [0035] 各个实例经由阐释提供，而不限制。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可作出改型和变型，而不脱离其范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可用于另一个实施例上以产生又一个实施例。因此，意图是，本公开覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。尽管本公开的示例性实施例将出于图示目的大体上在用于陆基发电燃气涡轮的燃烧器的背景下描述，但本领域技术人员将容易认识到，本公开的实施例可应用于用于涡轮机的任何类型或种类的燃烧器，并且不限于用于陆基发电燃气涡轮的燃烧器或燃烧系统，除非权利要求中明确叙述。 [0036] 现在参照附图，图1示出示例性燃气涡轮10的示意图。燃气涡轮10大体上包括入口区段12、设置在入口区段12下游的压缩机14、设置在压缩机14下游的至少一个燃烧器16、设置在燃烧器16下游的涡轮18，以及设置在涡轮18下游的排气区段20。此外，燃气涡轮10可包括一个或更多个轴22，其将压缩机14联接于涡轮18。 [0037] 在操作期间，空气24流动穿过入口区段12并且到压缩机14中，其中空气24被逐渐地压缩，因此将压缩空气26提供至燃烧器16。压缩空气26的至少一部分在燃烧器16内与燃料28混合并且焚烧，以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧器16流动到涡轮18中，其中能量(动能和/或热能)从燃烧气体30传递至转子叶片(未示出)，因此引起轴22旋转。机械旋转能可接着用于各种目的，如向压缩机14供能和/或生成电。离开涡轮18的燃烧气体30可接着经由排气区段20从燃气涡轮10排出。 [0038] 如图2中示出的，燃烧器16可由外壳32(如压缩机排放壳)至少部分地包绕。外壳32可至少部分地限定高压仓室34，其至少部分地包绕燃烧器16的各种构件。高压仓室34可与压缩机14(图1)流体连通，以便从其接收压缩空气26。端盖36可联接于外壳32。在特定实施例中，外壳32的前部分和端盖36可至少部分地限定燃烧器16的头端容积或部分38。在特定实施例中，头端部分38与高压仓室34和/或压缩机14流体连通。 [0039] 一个或更多个初级燃料喷嘴40从端盖36沿轴向向下游延伸。一个或更多个衬套或管道42可至少部分地限定用于燃烧第一燃料空气混合物的初级或第一燃烧或反应区44，并且/或者可至少部分地限定第二燃烧或反应区46，其关于燃烧器16的轴向中心线48从第一燃烧区44沿轴向向下游形成。(多个)衬套42大体上限定从(多个)初级燃料喷嘴40至涡轮18(图1)的入口52的热气体路径50。(多个)衬套42可形成为以便包括渐缩或过渡部分。 [0040] 在至少一个实施例中，燃烧器16包括轴向分级的燃料喷射系统100。轴向分级的燃料喷射系统100包括至少一个燃料喷射器组件102，其关于轴向中心线48与(多个)初级燃料喷嘴40沿轴向分级或间隔。燃料喷射器组件102设置在(多个)初级燃料喷嘴40下游以及在涡轮18的入口52上游。 [0041] 燃料喷射器组件102延伸穿过(多个)衬套42，并且与热气体路径50流体连通。燃料喷射器组件102可具有与(多个)衬套42表面(如图3中示出)齐平的开口，或者作为备选，燃料喷射器组件102可朝向第二燃烧区46突出穿过(多个)衬套42。将理解的是，燃料喷射器组件102还可延伸穿过流动或冲击套管54，其至少部分地包绕(多个)衬套42。在该构造中，流动套管54和(多个)衬套42可限定其间的环形流动通路56。环形流动通路56可提供或限定高压仓室34与燃烧器16的头端部分38之间的流动路径。 [0042] 设想的是，大量燃料喷射器组件102(包括两个、三个、四个、五个，或更多个燃料喷射器组件102)可用于单个燃烧器16中。燃料喷射器组件102可绕着(多个)衬套42的周边相等地间隔，或者可以以一些其它间距间隔，以容纳支柱或其它壳构件。 [0043] 为了简单，轴向分级的燃料喷射系统100被称为并且在本文中示为具有燃料喷射器组件102，其在初级燃烧区44下游的单级或轴向平面中。然而，设想的是，轴向分级的燃料喷射系统100可包括燃料喷射器组件102的两个轴向间隔的级。例如，第一组燃料喷射器组件102和第二组燃料喷射器组件102可沿着(多个)衬套42与彼此沿轴向间隔。 [0044] 在操作中，燃烧气体30的初级燃烧气流或主流58(其由空气和来自初级燃料喷嘴40的燃料的燃烧产生)行进穿过初级燃烧区44至热气体路径50内的区域，其在燃料喷射器组件102径向内侧并且在涡轮18的入口52上游。第二燃料空气混合物由一个或更多个燃料喷射器组件102喷射，并且穿透来临的主流58。供应至燃料喷射器组件102的燃料在进入涡轮18之前在第二燃烧区46中燃烧。 [0045] 图3更详细地示出根据本公开的至少一个实施例的燃料喷射器组件102。燃料喷射器组件102包括流体地联接于燃料管线或导管106的燃料喷射器104。燃料喷射器104经由燃料喷射器组件102的入口端口108经由燃料管线106接收燃料。燃料管线106的截面区域可沿着其长度改变，其中最小截面区域为预孔口结构110的部分，其具有位于入口端口108上游的至少一个燃料预孔口112(见图5)。预孔口112可形成为确保，燃料管线106内的流动动力对上游压力脉冲或流动变化不敏感。在至少一个实施例中，燃料喷射器组件102还可包括保护空气罩114，其设置在燃料管线106和燃料喷射器104径向外侧，如在下面进一步论述的。 [0046] 图4和图5更详细地示出燃料喷射器104。如图4和图5中示出的，护罩116包绕中心本体118和大量导叶120，大量导叶120在护罩116与中心本体118之间延伸并且操作性地联接它们。在一个实施例中，护罩116成圆形延伸。如图5中示出的，护罩116限定被称为燃料歧管122的中空内区域。燃料歧管122流体地联接于燃料管线106，使得燃料歧管122从其接收燃料。在一个实施例中，燃料歧管122围绕护罩116完全地延伸，以形成360度燃料歧管122。燃料从歧管122发送至导叶120。如图4中示出的，导叶120与彼此沿周向间隔，以限定其间的大量通路124。此外，燃料歧管122可包括导叶120之间的一个或更多个开口152(图6)，燃料还可输送穿过一个或更多个开口152。通路124允许压缩的空气发送穿过其，用于与来自导叶120以及可选地来自歧管开口152的燃料混合，如将在本文中从描述认识到的。 [0047] 在如图5中示出的至少一个实施例中，导叶120中的至少一个限定其中的腔126，其以均匀分布的方式接收来自燃料歧管122的燃料，特别是在其中燃料歧管122围绕护罩116延伸360度的实施例中。燃料从腔126流动穿过各个相应的导叶120的一个或更多个出口孔128，用于发送至通路124。在通路124内，燃料与引导穿过其的压缩空气混合。导叶120具有几何形状，其促进压缩空气的旋涡并且促进流动穿过通路124的燃料空气混合物的混合。旋涡流朝向燃料喷射器出口130引导，并且最终引导出燃料喷射器出口130，燃料喷射器出口 130由燃料喷射器组件102的内壁132限定。燃料喷射器出口130将燃料空气混合物引导出燃料喷射器104并且引导到第二燃烧区46中。 [0048] 内壁132(其可与护罩116集成)具有在燃料喷射器出口130近侧的径向会聚区域134，以防止逆燃，和通过至少部分地形成文丘里管以便加速燃料空气混合物离开燃料喷射器出口130来促进燃料空气混合物到第二燃烧区46中的更好喷射穿透。在一些实施例中，内壁132的径向最内表面136可涂覆有热障涂层138。中心本体118可在中心本体118的出口端区域140处沿径向向内渐缩，以至少部分地限定关于燃料喷射器组件102的内壁132的燃料空气混合物路径。 [0049] 在至少一个实施例中，通道142沿着中心本体118的中心轴线或轴向中心线以及沿着中心本体118的整个长度延伸，以便限定穿过其的通路。在操作中，来自高压仓室34的空气可引导到空气罩114(图3)中以及到喷射器104的径向外端中。在一个实施例中，空气经由入口144沿径向向内方向流动穿过通道142，入口144由中心本体118限定并且设置在燃料喷射器104的径向外表面处或在其近侧。通道142将压缩空气从入口144朝向燃料喷射器出口130发送，以吹扫出口区域(即，以将燃料空气混合物推向出口130)，由此减小通过燃料喷射器组件102逆燃的可能。 [0050] 在一些实施例中，通道142的入口144可设有横向于通道142的吹扫孔或入口146。通道142可在入口144处开启或闭合。如以上关于通道142描述的，空气可流动穿过横向吹扫孔146，其可绕着中心本体118的入口144限定和/或沿周向间隔。 [0051] 图6示出如定位在示例性衬套142的一部分与示例性流动或冲击套管54的一部分之间的燃料喷射器104。如图6中示出的，燃料喷射器104可安装于衬套42和/或冲击套管54中的一个或两者。在特定实施例中，冷却孔或通路148设在喷射器安装凸台150中，以将冷却空气朝向燃料喷射器104引导，用于冷却其。例如，冷却空气可从环形通路56(图2)转向。 [0052] 本文中描述的燃料喷射器组件102的实施例提供与减少的NOx生产以及降低CO性能相关联的许多优点。这通过用于与压缩空气混合的由燃料歧管122的均匀燃料分配来实现。混合在通路中执行，并且导叶结构在喷射到燃烧器中之前引起燃料空气混合物的旋涡流。旋涡增强了燃料喷射器104内的混合以及与主或初级燃烧气体流48的交叉流混合，以迅速地降低火焰温度，由此减少NOx。 [0053] 该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。 |
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