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CN101813315A - 用于燃气轮机燃烧器的同轴式燃料和空气预混合器 - Google Patents

用于燃气轮机燃烧器的同轴式燃料和空气预混合器 Download PDF

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CN101813315A
CN101813315A CN200910265924A CN200910265924A CN101813315A CN 101813315 A CN101813315 A CN 101813315A CN 200910265924 A CN200910265924 A CN 200910265924A CN 200910265924 A CN200910265924 A CN 200910265924A CN 101813315 A CN101813315 A CN 101813315A
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CN
China
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fuel
air
annular wall
inert gas
premixer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN200910265924A
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English (en)
Inventor
W·D·约克
W·S·齐明斯基
B·P·莱西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机燃烧器的同轴式燃料和空气预混合器，具体而言，一种空气/燃料预混合器包括限定了混合室的周壁、喷嘴、至少一个空气入口和至少一个燃料入口，喷嘴至少部分地设置在周壁内，其包括外环形壁、内环形壁及至少一个位于外环形壁和内环形壁之间的燃料气体环带，外环形壁与周壁间隔开，以在周壁和外环形壁之间限定外空气通道，内环形壁至少部分地设置在外环形壁内并与之间隔开，以限定内空气通道，该至少一个燃料气体环带限定了至少一个燃料气体通道，该至少一个空气入口用于将空气经由内空气通道和外空气通道而引入到混合室中，并且该至少一个燃料入口用于将燃料经由燃料气体通道而喷射至混合室以形成空气/燃料混合物。

Description

用于燃气轮机燃烧器的同轴式燃料和空气预混合器
技术领域
本发明涉及燃气轮机(gas turbine)，且尤其地，涉及用于燃气轮机(其适合但不局限于供含氢燃料使用)的空气/燃料预混合器(premixer)。
背景技术
燃气涡轮发动机将压缩空气与燃料混合，以便在燃烧器中点燃，从而产生燃烧气体，从中产生能量和功率。燃烧传统的烃类燃料的燃气轮机所产生的典型的空气污染物是氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)和未燃烧的烃。在本领域中已经知晓NOX成形率按指数规律地依赖于温度，温度又与馈送至燃烧室(combustion chamber)中的混合物的燃料空气比相关联。为了减少污染物排放，在燃烧之前将燃料和空气预混合成贫混合物。
近年来，作为以带有比传统煤电厂更低的污染物排放的方式将煤转换成功率的一种措施，燃气轮机开始使用煤衍生合成气体(“合成气”)。某些合成气燃料，例如包含大量的氢的合成气燃料是高度活性的(highly reactive)，使得在预混合器中更可能发生火焰保持(flame holding)、自燃和逆燃等问题，从而使排放性能降低并由于过热而导致硬件损伤。
在现有技术中已经知道在预混合器中可能会出现再循环区。例如，至空气横流中的燃料喷射常会在燃料射流(jet)后面引起再循环区，在该处，燃料参与二次流动，导致与在该区域之外相比燃料在这个区域中驻留的时间长得多。对于高度活性的燃料，高的火焰速度和短的吹出时间(blow-off time)意味着火焰保持更可能发生在低速的再循环区中。对于高度活性的燃料，某些预混合器可减少关于火焰保持的倾向，但常常以遭受预混合器中的大的压力降为代价。因而，存在有对于可供高度活性的燃料使用而不损害涡轮的效率、功能性或寿命周期的空气/燃料预混合器的需求。
本发明的目的和优点在以下描述中将部分地被陈述，或者可从描述中被明白，或者可通过本发明的实践而被学习到。除了另有限定的以外，本文所使用的所有技术和科学用语和缩略词具有与本发明所属领域中的普通技术人员通常所理解的相同的含义。虽然在本发明的实践中可使用与本文所述相似或等效的方法和构造，合适的方法和构造被描述而并不意图用任何这种方法和构造来限制本文的发明。
附图说明
图1a是同轴式环形空气/燃料预混合器的一实施例的轴向示意图，图1b是其横截面图，并且图1c是其等距视图。
图2是带有惰性气体流的空气/燃料预混合器的一实施例的轴向示意图。
图3是带有惰性气体流的空气/燃料预混合器的一实施例的横截面图。
图4是具有带有成弧形的(curved)端部的内环形壁和外环形壁的空气/燃料预混合器的一实施例的放大图。
图5和图6是具有带有尖的(sharp)端部的内环形壁和外环形壁的空气/燃料预混合器的实施例的放大图。
图7是空气/燃料预混合器的一实施例的放大图，其具有带有逐渐减小的壁厚的喷嘴的内环形壁和外环形壁。
图8a和图8b是分别在喷嘴的末端(tip)具有排出孔或连续的排出缝的空气/燃料预混合器的横截面图。
图9a是带有旋流叶片(swirl vane)的空气/燃料预混合器的一实施例的轴向示意图，而图9b是其横截面图。
图10是带有成形成(shaped)非圆形的喷嘴的空气/燃料预混合器的一实施例的横截面图。
图11是空气/燃料预混合器的一实施例的等距视图。
图12是空气/燃料预混合器的一实施例的等距视图。
图13是空气/燃料预混合器的一实施例的横截面图。部件列表：10空气/燃料预混合器12周壁(peripheral wall)14混合室(mixing chamber)15混合室的排出端16燃烧室20喷嘴22外环形壁23外空气通道24内环形壁25内空气通道26燃料气体环带(annulus)27燃料气体通道30第三环形壁32第四环形壁34外惰性环带35外惰性气体通道36内惰性环带37内惰性气体通道38漩涡装置(swirling means)40排出孔42末端44排出缝46支柱(struts)48入口空气通道50盖子52支柱燃料导向器54燃料入口(fuel inlet)
具体实施方式
本发明的实施例包含燃气轮机燃烧器，其包括适合但不局限于供高度活性的燃料使用的空气/燃料预混合器。本发明的空气/燃料预混合器可供包括但不局限于天然气、合成气、无碳合成气、以及高氢含量气体的任何气体燃料使用。
图1a，1b和1c显示了用于在燃气轮机的燃烧系统中使用的空气/燃料预混合器的一特殊的实施例。空气/燃料预混合器10包括限定了混合室14的周壁12、至少部分地设置在周壁12内的喷嘴20、和至少一个燃料入口(未显示)，其中，喷嘴20包括至少一个环形的燃料气体通道27，所述至少一个燃料入口用于将燃料经由燃料气体通道27喷射至混合室14。
在一特殊的实施例中，喷嘴20包括与周壁12间隔开的外环形壁22，从而在周壁12和外环形壁22之间限定了外环形空气通道23。在一更特殊的实施例中，燃料气体通道27限定在外环形壁22内。在另一实施例中，喷嘴20还包括内环形壁24，其至少部分地设置在外环形壁22内并与之间隔开，从而限定了内空气通道25，以及在外环形壁22和内环形壁24之间的至少一个燃料气体环带26，所述至少一个燃料气体环带26限定了该至少一个燃料气体通道27。在一更特殊的实施例中，空气/燃料预混合器10包括至少一个空气入口(未显示)，其用于将空气穿过内空气通道25和外空气通道23而引入至混合室14。
一旦空气通过该至少一个空气入口而进入空气/燃料预混合器10，则空气流穿过内空气通道25和/或外空气通道23而进入混合室14。燃料流通过至少一个燃料入口(未显示)而进入并穿过燃料气体通道27以便进入混合室14以形成空气/燃料混合物。在本文中使用时，用语“空气流”将用于指在内空气通道25和/或外空气通道23中流体流。在一特殊的实施例中，空气和燃料是同轴地被引入的。在另一实施例中，燃料流与在外空气通道23和/或内空气通道25中流动的空气流在基本上相同的方向上在燃料气体通道27中流动。在又一实施例中，燃料流在与空气流的流动基本上相同的方向上在空气流之间进入混合室14。增加燃料流和空气流之间的接触面积可促进混合室14中的混合。
在一个实施例中，在进入混合室14之前，空气流完全地被定向在轴向方向上且横过(across)外空气通道23和/或内空气通道25而均匀地分布。在另一实施例中，该至少一个空气入口定位成充分地在混合室14上游，以使空气流在进入混合室14之前完全地被定向在轴向方向上。在又一实施例中，喷嘴20足够长，以使空气流在进入混合室14之前实现横过外空气通道23和/或内空气通道25的基本上均匀的分布。本领域中的普通技术人员将基于以下因素容易地确定喷嘴20的长度，这些因素包括但不局限于空气流的速度、外空气通道23和内空气通道25的尺寸、以及空气入口的几何特性。在一更特殊的实施例中，喷嘴20至少为从空气入口至燃料/空气混合物出口15的预混合器的总长度的百分之五十。在另一实施例中，内空气通道25和外空气通道23的横截面积在彼此的百分之四十之内。这可以但不局限于通过调整外周壁12的直径和/或通过调整喷嘴20的内径和外径来实现。
空气/燃料混合物离开混合室14的排出端15以进入燃烧室16。在一个实施例中，混合室14足够长，以使得在离开进入更大的燃烧室16之前燃料/空气混合物中的燃料浓度达到大体上的均匀。考虑到以下因素，本领域中的普通技术人员将容易地而确定混合室14的长度，这些因素包括但不局限于燃料类型、预混合器的成本、穿过预混合器的压力降、涡轮效率、和关于NOX、CO以及其它污染物的所期望的排放水平。在又一实施例中，燃烧室16的横截面积比混合室14的横截面积大至少百分之五十，以容许燃烧室16中的火焰稳定(flame stabilization)。在一个实施例中，空气流和燃料流以比局部火焰速度更大的速度来行进，以使得只有在空气/燃料混合物到达与混合室14相连的燃烧室16时燃烧发生。
材料和构造方法可能在预混合器中在火焰保持在其处更可能发生的区域中造成微小的尾流区(wake zone)或再循环区。例如，小的再循环区可能发生在基本上紧接在具有有限的厚度的燃料环带壁的端部之后的尾流区域中。这种尾流区域附近的点火事件更可能在预混合器内部引起火焰保持，其为非所期望的事件。
参看图2和图3，在本发明的一个实施例中，喷嘴20包括第三环形壁30，其至少部分地设置在外环形壁22和内环形壁24之间并与它们间隔开，从而限定了至少一个惰性环带，该至少一个惰性环带限定了至少一个与燃料气体通道27相邻的惰性气体通道。在一个更特殊的实施例中，惰性环带终止于燃料气体环带26的端部处或其紧邻的上游处。在还一个更特殊的实施例中，空气/燃料预混合器10包括至少一个惰性气体入口(未显示)，用于将惰性气体喷射穿过惰性气体通道。惰性气体流可帮助减少或消除尾流区中的燃料流和空气流的混合，从而最大限度地减小预混合器中的火焰保持。合适的惰性气体包括但不局限于氮气、蒸汽、以及二氧化碳。本领域中的普通技术人员应该知道，依赖于包括但不局限于涡轮效率和成本的因素，在不同的布置中可能需要多个惰性气体通道和燃料气体通道。
在一个特殊的实施例中，喷嘴20还包括第三环形壁30和第四环形壁32，该第三环形壁30至少部分地设置在外环形壁22和内环形壁24之间并与它们间隔开，从而限定了外惰性环带34，外惰性环带34限定了位于燃料气体通道27和外空气通道23之间的外惰性气体通道35，第四环形壁32至少部分地设置在第三环形壁30和内环形壁24之间并与它们间隔开，从而限定了内惰性环带36，内惰性环带36限定了位于燃料气体通道27和内空气通道25之间的内惰性气体通道37。在一个更特殊的实施例中，空气/燃料预混合器10包括至少一个惰性气体入口(未显示)，用于将惰性气体喷射穿过外惰性通道35和内惰性通道37。
预混合器构件的、尤其是端部和边缘的物理结构可被成形成用于最大限度地减小尾流区以及其它低速再循环区域的出现和尺寸。在一个实施例中，如在图4中所示的，喷嘴20的端部可以空气动力学方式成弧形。在图5和图6中所示的另一实施例中，喷嘴20的端部可变尖成狭窄的边缘。在图7中所示的又一实施例中，外环形壁22包括带有在轴向方向上逐渐减小的厚度的壁。在图8a和图8b中所示的另一些实施例中，喷嘴20的下游端部可包括多个位于喷嘴20的末端42处的排出孔40或围绕喷嘴20的末端42而周向地延伸的连续的排出缝44。
不同的特征可供本发明使用或被添加到本发明上以改善离开混合室14的空气/燃料混合物的均匀性。在一个实施例中，空气/燃料预混合器10可包括引起湍流的屏障或金属丝网，其位于该至少一个空气入口的下游和燃料被喷射入混合室14的位置的上游。在另一实施例中，空气/燃料预混合器10可包括位于空气流中的一个或多个中漩涡装置，其位于该至少一个空气入口的下游和燃料被喷射入混合室14的位置的上游。非限制性的漩涡装置的示例包括叶片或旋流器。漩涡装置可用于提供下游的更稳定的火焰和/或增强预混合器中的燃料流和空气流的混合。在图9中所示的一个实施例中，在外空气流23和内空气流25中均提供了旋流叶片38。在这种实施例中，对于内空气流和外空气流两者而言旋流方向可为相同的。备选地，赋予内空气流25的旋流处于与赋予外空气流23的旋流相反的方向上。
在一个实施例中，如在图10中所示的，喷嘴20可成形成非圆形的。在一个更特殊的实施例中，喷嘴20包括至少一个非圆形地成形的环带。一些非圆形的形状包括但不局限于椭圆形、雏菊形或其它形状。在另一实施例中，喷嘴20可成形成为不带有尖的边缘。增大喷嘴的周长可增大燃料流和空气流之间的接触面积，由此在燃料流进入混合室14时在混合室14的横截面上实现更好的初始燃料分布。在又一更特殊的实施例中，外惰性环带34和内惰性环带32可与燃料气体环带26的形状相对应地被成形。前述实施例可利用本领域技术人员所已知的任何合适的设计特征来完成。在本受让人的题为“Annular Fuel and Air Co-Flow Premixer(环形燃料和空气同向流动式预混合器)”的共同待决的美国专利申请No.12/360,449中更详细地描述了具体的结构支撑，其公开通过引用而完整地结合在本文中。简要来说、且如图11中所示的，多个支柱46可从周壁12向内延伸以支撑燃料气体环带26。各支柱可以是空心的或者可包括至少一个穿过其而延伸的入口空气通道48。入口空气通道48可从周壁12外部延伸至内空气通道25，从而提供便于空气进入内空气通道25的入口。盖子50可设置在内空气通道25的上游端，将进入内空气通道25的空气向下游地导引向混合室14。该多个支柱46以这样的方式而定位，即，使得，它们允许空气穿过外空气通道20向下游地经过该多个支柱46朝向混合室14而流动。
在实施例中，支柱46设置成使得其以足够的距离而位于混合室14上游，从而使得由支柱46所造成的任何流动干扰在空气流到达混合室14之前已被减弱。在某些实施例中，支柱46可具有以空气动力学的方式呈流线型的形状，以便最大限度地减小空气流中的流动干扰。
在图12中所示的一实施例中，该多个支柱46包括一个或多个燃料入口54，用于将燃料提供给燃料气体通道27。在这个实施例中，空气流在预混合器10内向上游和向下游都是敞开的，容许空气基本上轴向地流过预混合器10，从而减少流动干扰。
在图13中所示的又一实施例中，一个或多个空气入口48设置在周壁12处。在某些实施例中，该一个或多个空气入口48定位成使得空气流沿大致径向的方向进入外空气通道23。外空气通道23可从径向方向弯曲至轴向方向，从而在混合室14上游将空气流从径向地指向的流而重新定向成轴向地指向的流。类似地，多个燃料通道入口54设置在至外空气通道23的该一个或多个空气入口48的上游。燃料通道入口54将燃料向下游地导引向混合室14。在这个实施例中不需要支柱，因为燃料气体通道27不横过外空气通道23。这种实施例减轻了由支柱造成的可能的流动干扰，改善了预混合器和燃烧器的可操作性。
本发明的实施例还包含一种在用于燃气轮机的燃烧系统的空气/燃料预混合器中使燃料和空气预混合的方法，该方法包括：将空气引入到外空气通道23中以形成外空气流，将空气引入到内空气通道25中以形成内空气流，将燃料引入到燃料气体通道27中以形成燃料流，使进入的空气与进入的燃料同轴地流动，使外空气流和内空气流与燃料流同轴地流动，且之后，在混合室14中使燃料流、外空气流、以及内空气流混合以形成用于喷射入燃烧室16的空气/燃料混合物。
在另一实施例中，该方法还包括将惰性气体引入到外惰性气体通道35中以形成外惰性气体流，将惰性气体引入到内惰性气体通道37中以形成内惰性气体流，使进入的惰性气体与进入的燃料同轴地流动，使外惰性气体流和内惰性气体流与燃料流同轴地流动，并且，在燃料流进入混合室14的位置处或在该位置的紧邻的上游处将该内惰性气体流和外惰性气体流喷射至混合室14。
在每个燃气轮机燃烧器中可使用多个本发明的空气/燃料预混合器。本领域中的普通技术人员将能够基于以下因素而确定燃烧器和预混合器的数量和尺寸，这些因素包括但不局限于目标速度、压力降、涡轮性能和涡轮尺寸。
应该懂得，前文涉及本发明的特殊的实施例，并且，可作出大量的改变而不会脱离如由所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种空气/燃料预混合器(10)，包括：
限定了混合室(14)的周壁(12)；
至少部分地设置在所述周壁(12)内的喷嘴(20)，其包括：外环形壁(22)，所述外环形壁(22)与所述周壁(12)间隔开，从而在所述周壁(12)和所述外环形壁(22)之间限定了外空气通道(23)；内环形壁(24)，所述内环形壁(24)至少部分地设置在所述外环形壁(22)内并与所述外环形壁(22)间隔开，从而限定了内空气通道(25)；以及至少一个在所述外环形壁(22)和所述内环形壁(24)之间的燃料气体环带(26)，所述至少一个燃料气体环带(26)限定了至少一个燃料气体通道(27)；
至少一个空气入口，其用于将空气经由所述内空气通道(25)及所述外空气通道(23)引入至所述混合室(14)；和
至少一个燃料入口，其用于将燃料经由所述燃料气体通道(27)喷射至所述混合室(14)以形成空气/燃料混合物。
2.根据权利要求1所述的空气/燃料预混合器(10)，其特征在于，所述外环形壁(22)和所述内环形壁(24)具有成弧形的出口端。
3.根据权利要求1所述的空气/燃料预混合器(10)，其特征在于，所述外环形壁(22)和所述内环形壁(24)具有变尖成狭窄边缘的出口端。
4.根据权利要求1所述的空气/燃料预混合器(10)，其特征在于，所述喷嘴(20)还包括第三环形壁(30)，其至少部分地设置在所述外环形壁(22)和所述内环形壁(24)之间并与它们间隔开，从而限定了至少一个惰性环带(36)，所述至少一个惰性环带(36)限定了至少一个与所述至少一个燃料气体通道(37)相邻的惰性气体通道(37)，其中，所述至少一个惰性环带(36)于所述至少一个燃料气体环带(27)的端部的紧邻的上游处或于所述端部处终止。
5.根据权利要求1所述的空气/燃料预混合器(10)，其特征在于，所述喷嘴(20)和/或所述至少一个燃料气体环带(27)成形成非圆形的。
6.一种燃气轮机燃烧器，包括根据权利要求1所述的空气/燃料预混合器(10)。
7.根据权利要求6所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述预混合器还包括位于该至少一个空气入口下游的漩涡装置(38)。
8.根据权利要求6所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，还包括位于该至少一个空气入口下游的引起湍流的屏障或网。
9.一种在用于燃气轮机的燃烧系统的预混合器中使燃料和空气预混合的方法，预混合器(10)包括：限定了混合室(14)的周壁(12)；喷嘴(20)，所述喷嘴至少部分地设置在所述周壁(12)内，其包括外环形壁(22)、内环形壁(24)以及至少一个位于所述外环形壁(22)和所述内环形壁(24)之间的燃料气体环带(26)，所述外环形壁(22)与所述周壁(12)间隔开，从而在所述周壁(12)和所述外环形壁(22)之间限定了外空气通道(23)，所述内环形壁(24)至少部分地设置在所述外环形壁(22)内并与之间隔开，从而限定了内空气通道(25)，所述至少一个燃料气体环带(26)限定了至少一个燃料气体通道(27)；至少一个空气入口；以及至少一个燃料入口；所述方法包括：
将空气引入到所述外空气通道(23)中以形成外空气流；
将空气引入到所述内空气通道(25)中以形成内空气流；
将燃料引入到所述燃料气体通道(27)中以形成燃料流；
使进入的空气与进入的燃料同轴地流动；
使所述外空气流和所述内空气流与所述燃料流同轴地流动；且
之后在所述混合室(14)中使所述燃料流、所述外空气流和所述内空气流混合以形成空气/燃料混合物，用于喷射到与所述混合室(14)相连的燃烧室(16)中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预混合器(10)还包括至少一个惰性气体入口，并且所述喷嘴(20)还包括第三环形壁(30)和第四环形壁(32)，所述第三环形壁(30)至少部分地设置在所述外环形壁(22)和所述内环形壁(24)之间并与它们间隔开，从而限定了外惰性环带(34)，所述外惰性环带(34)限定了位于所述至少一个燃料气体通道(27)和所述外空气通道(23)之间的外惰性气体通道(35)，所述第四环形壁(32)至少部分地设置在所述第三环形壁(30)和所述内环形壁(24)之间并与它们间隔开，从而限定了内惰性环带(36)，所述内惰性环带(36)限定了位于所述至少一个燃料气体通道(27)和所述内空气通道(25)之间的内惰性气体通道(37)，所述方法还包括：
将惰性气体引入到所述外惰性气体通道(35)中以形成外惰性气体流；
将惰性气体引入到所述内惰性气体通道(37)中以形成内惰性气体流；
使进入的惰性气体与所述进入的燃料同轴地流动；
使所述外惰性气体流和所述内惰性气体流与所述燃料流同轴地流动；且
在所述燃料流被喷射入所述混合室(14)的位置的紧邻的上游处或在所述位置处将所述内惰性气体流和所述外惰性气体流喷射至所述混合室(14)。
CN200910265924A 2009-02-20 2009-12-18 用于燃气轮机燃烧器的同轴式燃料和空气预混合器 Pending CN101813315A (zh)

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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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