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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Triebwerksschaufel mit überhöhter
Vorderkantenbelastung.
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Die
aerodynamische Belastbarkeit und die Effizienz von Strömungsarbeitsmaschinen,
beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren,
wird insbesondere durch das Wachstum und die Ablösung von
Grenzschichten im Bereich von Rotor- und Statorradialspalten und
von festen Schaufelenden nahe der Ringkanalwände begrenzt.
Der Stand der Technik halt für dieses fundamentale Problem
nur bedingt Lösungen bereit. Der allgemeine Gedanke der
Randbeeinflussung durch Änderung des Skelettlinientyps
entlang der Schaufelhöhe ist im Stand der Technik enthalten,
doch sind die bekannten Lösungen, insbesondere für
die Strömungsverhältnisse an einem Schaufelende
mit Radialspalt, nicht genügend zielgerichtet.
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Im
Einzelnen betrifft die Erfindung mindestens eine Schaufel einer
Strömungsarbeitsmaschine. Die betreffende Beschaufelung
ist innerhalb eines Hauptströmungspfades vorgesehen, außen
begrenzt durch ein Gehäuse und innen begrenzt durch eine Nabe.
Während ein Rotor mehrere an einer rotierenden Welle befestigte
Rotorschaufeln umfasst und Energie an das Arbeitsmedium abgibt,
besteht ein Stator aus mehreren feststehenden, meist im Gehäuse befestigten
Statorschaufeln.
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Zum
einen betrifft die Erfindung einen Rotor mit fester Anbindung an
einer rotierenden Nabe und einem freien Schaufelende mit Spalt am
Gehäuse. In analoger Weise betrifft die Erfindung einen
Stator, der gehäuseseitig eine feste Verbindung zum Rand aufweist
und nabenseitig ein freies Schaufelende mit Spalt zur Nabe besitzt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaufeln von Strömungsarbeitsmaschinen
wie etwa Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren
in axialer, halbaxialer oder auch radialer Bauart. Das Arbeitsmedium
(Fluid) kann gasförmig oder flüssig sein.
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Aus
dem Stand der Technik ist folgendes bekannt:
Die 1 zeigt
auf der linken Seite in schematischer Darstellung zwei Schaufelkonfigurationen
nach dem Stand der Technik in der durch die Radialrichtung r und
die Axialrichtung x gebildeten Meridianebene. Es handelt sich dabei
um eine Rotorschaufelreihe 4 mit Spalt am Gehäuse 1 (oben),
wobei das Gehäuse 1 steht oder in Spezialfällen
auch rotiert und die Schaufelreihe um die Maschinenachse 3 rotiert.
Es handelt sich weiterhin um eine Statorschaufelreihe 5 mit Spalt
an der Nabe 2 (unten), wobei die Nabe 2 um die Maschinenachse 3 rotiert
oder in Spezialfällen auch ruht und die Schaufelreihe 5 steht.
Gemäß dem Stand der Technik ist der Schaufelprofilschnitt
direkt am Laufspalt eines Rotors 4 oder Stators 5 so
gestaltet, dass die Profilbelastung und somit die Profilwölbung
im Bereich der Vorderkante ein bestimmtes Maß nicht übersteigt,
weil konventionelle Entwurfsregeln, basierend auf Überlegungen
zur Natur zweidimensionaler Strömungen um Profile dies
empfehlen.
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Die
rechte Seite der
1 zeigt unterschiedliche, dem
Stand der Technik entsprechende Verteilungen der Skelettlinienwölbung
im Profilschnitt direkt am Laufspalt, dargestellt als relative Wölbung α* über
der bezogenen Lauflänge s* (Definitionen siehe
3).
Kennzeichnend für alle Wölbungsverteilungen ist,
dass bei einer bezogenen Lauflänge von s* = 0,1 bei Weitem
nicht Werte der relativen Wölbung von α* >= 0,35 oder gar α* >= 0,50 oder α* >= 0,65 vorgesehen werden.
Dadurch wird eine extreme Vorderkantenbelastung bewusst vermieden.
In diese Kategorie fallen die sogenannten CDA (controlled diffusion
aerofoils) gemäß
US 4431376 A . Aerodynamisch betrachtet wird
durch die CDA eine moderate Profilvorderlast angestrebt.
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Als
nachteilig erweist sich beim Stand der Technik, dass die entsprechenden
Schaufelformen oft bewusst mit geringer Komplexität bezüglich
der Skelettlinienform entworfen werden. Für den Fall starker
Laufspaltleckageströmungen fehlt eine überhöhte
Profilwölbung im Vorderkantenbereich der Schaufelprofilschnitte
in der Nähe des Laufspaltes, um eine im Schaufelmittenbereich
günstige übliche Skelettlinienwölbungsverteilung
auf angemessene Weise mit einer für die Randbereiche günstigeren Skelettlinienwölbungsverteilung
zu kombinieren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotor- oder
Statorschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unter
Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine sehr wirkungsvolle
Beeinflussung der Randströmung durch eine überhöhte
Skelettlinienwölbung im Bereich der Vorderkante der nahe
des Laufspaltes befindlichen Schaufelprofilschnitte erreicht.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die
Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
somit eine Schaufel einer Strömungsarbeitsmaschine, welche
in einem von einer Nabe und einem Gehäuse berandeten Hauptströmungspfad
angeordnet ist, vorgesehen, wobei zwischen einem Ende der Schaufel
und der Hauptströmungspfadberandung, Nabe oder Gehäuse,
ein Spalt vorgesehen ist und somit ein freies Schaufelende ausgebildet
ist, wobei in mindestens einem Schaufelprofilstromlinienschnitt
im Bereich zwischen dem Spalt und einem Schaufelschnitt im Abstand
von 30% der Hauptströmungspfadweite W vom Spalt eine Skelettlinienwölbungsverteilung
vorgesehen ist, die bei einer bezogenen Lauflänge von s*
= 0,1 einen überhöhten Wert der relativen Skelettlinienwölbung von
mindestens α* = 0,35 aufweist, wobei s* die auf die Gesamtlauflänge
der Profilskelettlinie bezogene lokale Lauflänge darstellt
und α* als die von der Vorderkante bis zu einer bezogenen
Lauflänge s* erreichte Winkeländerung der Skelettlinie
bezogen auf die Gesamtwölbung der Skelettlinie gebildet
wird, wobei die Skelettlinienwölbungsverteilung in dieser Darstellung
im Vorderkantenpunkt V (s* = 0, α* = 0) beginnt und im
Hinterkantenpunkt H (s* = 1, α* = 1) endet.
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Wie
sich insbesondere aus der 4c (siehe
nachfolgende Beschreibung) ergibt, ist am vorderen Bereich der Schaufel
ein sehr hoher Anstieg der Strömungs-Umlenkung vorgesehen.
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Die
Erfindung lässt sich auch wie folgt darstellen:
Schaufel
einer Strömungsarbeitsmaschine, welche in einem von einer
Nabe und einem Gehäuse berandeten Hauptströmungspfad
angeordnet ist, wobei zwischen einem Ende der Schaufel und der Hauptströmungspfadberandung,
Nabe oder Gehäuse, ein Spalt vorgesehen ist und somit ein
freies Schaufelende ausgebildet ist, wobei in mindestens einem Schaufelprofilstromlinienschnitt
im Bereich zwischen dem Spalt und einem Schaufelschnitt im Abstand
von 30% der Hauptströmungspfadweite W vom Spalt eine Skelettlinienwölbungsverteilung
vorgesehen ist, die bei einer bezogenen Lauflänge von s*
= 0,1 einen überhöhten Wert der relativen Skelettlinienwölbung von
mindestens α* = 0,35 aufweist, wobei s* die auf die Gesamtlauflänge
der Profilskelettlinie bezogene lokale Lauflänge darstellt
und α* als die von der Vorderkante bis zu einer bezogenen
Lauflänge s* erreichte Winkeländerung der Skelettlinie
bezogen auf die Gesamtwölbung der Skelettlinie gebildet
wird, wobei die Skelettlinienwölbungsverteilung in dieser Darstellung
im Vorderkantenpunkt V (s* = 0, α* = 0) beginnt und im
Hinterkantenpunkt H (s* = 1, α* = 1) endet,
wobei
insbesondere mindestens direkt am Spalt eine Skelettlinienwölbungsverteilung
vorgesehen ist, die bei einer bezogenen Lauflänge von s*
= 0,1 einen überhöhten Wert der relativen Skelettlinienwölbung von
mindestens α* = 0,35 aufweist,
und/oder mindestens
innerhalb der an den Spalt angrenzenden 5% der Hauptströmungspfadweite
eine Skelettlinienwölbungsverteilung vorgesehen ist, die bei
einer bezogenen Lauflänge von s* = 0,1 einen überhöhten
Wert der relativen Skelettlinienwölbung von mindestens α*
= 0,35 aufweist,
wobei bevorzugt bei einer bezogenen Lauflänge
von s* = 0,1 ein überhöhter Wert der relativen
Skelettlinienwölbung von mindestens α* = 0,50
vorgesehen ist,
wobei bevorzugt die Skelettlinienwölbungsverteilung die
mit hohem Gradienten im Vorderkantenpunkt V beginnt und im weiteren
Verlauf sich der bezogenen Lauflänge s* = 0,1 mit abnehmendem
Gradienten nähert,
wobei bevorzugt die Skelettlinienwölbungsverteilung sich
von der bezogenen Lauflänge s* = 0,1 aus in Richtung des
Hinterkantenpunktes H gehend knickfrei und mit abnehmendem oder
konstanten Gradienten bis zum Hinterkantenpunkt H fortsetzt, wobei
die Stelle stärkster Krümmung der Skelettlinienwölbungsverteilung
im Bereich 0 <=
s* <= 0,2 vorgesehen
ist,
wobei vorteilhaft die Skelettlinienwölbungsverteilung sich
von der bezogenen Lauflänge s* = 0,1 aus in Richtung des
Hinterkantenpunktes H gehend knickfrei zunächst mit weiter geringer
werdenden Gradienten fortsetzt und ab einem Punkt T, in dem die
Krümmung ihr Vorzeichen wechselt, für wenigstens
einen Teil des Bereiches 0,1 <=
s* <= 1 wieder
ansteigende Gradienten aufweist,
wobei weiter bevorzugt die
Skelettlinienwölbungsverteilung nur einen einzigen Krümmungsvorzeichenwechsel
besitzt und somit einen S-förmigen Verlauf zeigt,
und/oder
dass der Punkt T des ersten Krümmungsvorzeichenwechsels
im Bereich 0,35 <=
s* <= 0,65 vorgesehen
ist,
wobei bevorzugt weiterhin die Skelettlinienwölbungsverteilung
wenigstens in einem Teil des Bereiches 0,1 <= s* <=
1 bei konstanten Werten der relativen Skelettlinienwölbung α*
verläuft,
und/oder die Skelettlinienwölbungsverteilung
bei einer bezogenen Lauflänge von s* = 0,9 einen Wert der relativen
Skelettlinienwölbung von α* < α*(s* = 0,1) + 0,75(1 – α*(s*
= 0,1)) aufweist,
und/oder die Skelettlinienwölbungsverteilung
gekrümmt, abschnittsweise gekrümmt oder abschnittsweise
geradlinig verläuft und auf diese Weise zwischen dem Vorderkantenpunkt
V und dem Hinterkantenpunkt H eine beliebige Anzahl von Knickstellen aufweist,
wobei
weiter bevorzugt bei einer bezogenen Lauflänge von s* =
0,1 ein überhöhter Wert der relativen Skelettlinienwölbung
von mindestens α* = 0,65 vorgesehen ist,
wobei weiter
bevorzugt bei einer bezogenen Lauflänge von s* = 0,1 ein überhöhter
Wert der relativen Skelettlinienwölbung von mindestens α*
= 1,0 vorgesehen ist,
und/oder in wenigstens einem Teil der
Lauflänge von 0,1 < s* < 1 Werte der relativen
Skelettlinienwölbung von α* > 1 vorgesehen sind.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung zum Stand der Technik,
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2:
die Definition von Meridianstromlinien und Stromlinienprofilschnitten,
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3:
die Definition der Skelettlinie eines Stromlinienprofilschnitts,
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4a:
erfindungsgemäße Lösungen,
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4b:
weitere erfindungsgemäße Lösungen,
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4c:
weitere erfindungsgemäße Lösungen.
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Die 2 gibt
eine genaue Definition der Meridianstromlinien und der Stromlinienprofilschnitte an.
Die mittlere Meridianstromlinie 7 wird durch die geometrische
Mitte eines Ringkanals 6 gebildet. Errichtet man an jedem
Ort der mittleren Stromlinie 7 eine Normale, so erhält
man zum einen den Verlauf der Ringkanalweite W entlang des Strömungspfades und
zum anderen eine Anzahl von Normalen, mit deren Hilfe sich bei gleicher
relativer Unterteilung in Richtung der Kanalhöhe weitere
Meridianstromlinien ergeben. Der Schnitt einer Meridianstromlinie
mit einer Schaufel ergibt einen Stromlinienprofilschnitt.
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Der
jeweilige Skelettlinientyp für einen Stromlinienprofilschnitt
wird in relativer Darstellung mit Hilfe der relativen Wölbung α*
und der bezogenen Lauflänge s* festgelegt, siehe 3.
Die Figur zeigt einen Stromlinienprofilschnitt der Schaufel auf
einer Meridianstromfläche (u-m-Ebene).
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Dazu
werden in allen Punkten der Skelettlinie der Neigungswinkel α
P und die bis dorthin zurückgelegte
Lauflänge s
P bestimmt. Als Bezugsgrößen werden
die Neigungswinkel an Vorder- und Hinterkante α
1 und α
2 sowie
die Gesamtlauflänge der Skelettlinie S verwendet. Es gilt:
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Die 4a zeigt
eine Schar erfindungsgemäßer spaltnaher Verteilungen
der Profilskelettlinienwölbung. Sie sind dadurch gekennzeichnet,
dass die relative Skelettlinienwölbung α* bei
bezogenen Lauflängen von s* > 0,1 stets Werte größer
oder gleich 0,35 aufweist.
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Erfindungsgemäß ist
es weiter vorteilhaft, wenn die relative Skelettlinienwölbung α*
bei bezogenen Lauflängen von s* > 0,1 stets Werte gleich oder größer
0,50 aufweist. In besonderen Fällen kann es erfindungsgemäß sogar
günstig sein, wenn die relative Skelettlinienwölbung α*
ab einer bezogenen Lauflänge von s* = 0,1 den Wert 0,65
oder gar 1,0 annimmt.
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Die
oberste in 4a dargestellte Verteilung zeigt
den erfindungsgemäßen Spezialfall eines Wechsels
des Skelettlinienkrümmungsvorzeichens. In diesem dargestellten
Fall ist die Skelettlinie zur Profilsaugseite hin in einem Teil
der Lauflänge s* konvex und in einem unteren Teil der Lauflänge
s* konkav gekrümmt, wie es sich ergibt, wenn wenigstens
in einem Teil der Lauflänge s* Werte von α* > 1 vorgesehen sind.
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Der
bei s* = 0,1 vorliegende Wert von α* wird im weiteren mit α*B bezeichnet, d. h. α*B = α*(s*
= 0,1). In analoger Weise wird der bei s* = 0,9 vorliegende Wert
von α* im weiteren mit α*C bezeichnet,
d. h. α*C = α*(s* = 0,9).
Die entsprechenden Punkt auf der Skelettlinienwölbungsverteilung
heißen B und C, siehe 4c.
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Erfindungsgemäß wird
somit bewusst von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsprinzipien
abgewichen. Erfindungsgemäß werden durch eine überhöhte
Belastung der Profilvorderkantenregion in der Nähe des
Laufspaltes die am Laufspalt auftretenden Leckageströmungen
günstig beeinflusst. Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch Werte
der relativen Skelettlinienwölbung α* von größer
gleich 0,35 oder sogar größer gleich 0,5 oder
in besonderen Fällen größer gleich 0,65
oder in Extremfällen größer gleich 1,0
bereits bei einer relativen Lauflänge von s* = 0,1.
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Erfindungsgemäße
Skelettlinienwölbungsverteilungen können gekrümmt,
abschnittsweise gekrümmt oder abschnittsweise geradlinig
verlaufen und dabei zwischen ihrem Startpunkt V (s* = 0, α*
= 0) an der Vorderkante und ihrem Endpunkt H (s* = 1, α*
= 1) an der Hinterkante eine beliebige Anzahl von Knickstellen aufweisen,
solange sie das erfindungsgemäße Grundkriterium α*B = α*(s* = 0,1) >= 0,35 oder α*B >=
0,5 oder α*B >= 0,65 oder α*B >= 1,0 erfüllen.
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Erfindungsgemäß günstig
ist, wie die 4a zeigt, eine Wölbungsverteilung α*
= f(s*), die mit hohem Gradienten im Startpunkt A beginnend im weiteren
Verlauf sich dem Punkt B mit abnehmendem Gradienten nähert.
Ebenfalls erfindungsgemäß günstig ist
eine knickfreie Fortsetzung der Wölbungsverteilung vom
Punkt B aus mit weiterhin abnehmendem oder konstantem Gradienten
bis zum Hinterkantenpunkt H, wobei die stärkste Krümmung
der Wölbungsverteilung im Bereich 0 <= s* <=
0,2 vorgesehen ist, entsprechend der in 4a dargestellten Schar
von erfindungsgemäßen Wölbungsverteilungen,
die insbesondere für geringe und moderate aerodynamische
Profilbelastungen geeignet sind.
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Die 4b zeigt
eine ebenfalls erfindungsgemäße Schar von Skelettlinienwölbungsverteilungen,
die auch für aerodynamisch hoch belastete Profile geeignet
ist. In diesem Fall ist es erfindungsgemäß günstig,
die Skelettlinienwölbungsverteilung ausgehend von großen
Gradienten im Bereich 0 <= s* <= 0,1 auch im weiteren
Verlauf zunächst mit weiter geringer werdenden Gradienten
zu versehen und ab einem Punkt T im Bereich 0,1 <= s* <=
1 den Gradienten wieder ansteigen zu lassen. Entsprechend wechselt
die Krümmung im Punkt T ihr Vorzeichen.
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Für
den Spezialfall, dass vom Punkt T an der Gradient kontinuierlich
steigt, ergibt sich eine erfindungsgemäß S-förmige
Skelettlinienwölbungsverteilung, entsprechend der in 4b dargestellten Schar.
Erfindungsgemäß besonders günstig ist
eine Position des Punktes T im Bereich 0,35 <= s* <= 0,65.
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Ebenfalls
erfindungsgemäß günstig kann es sein,
wenn die Skelettlinienwölbungsverteilung wenigstens in
einem Teil des Bereiches 0,1 <=
s* <= 1 bei konstanten
Werten von α* verläuft, siehe die unterste Skelettlinienwölbungsverteilung
in 4b.
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Die 4c zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Skelettlinienwölbungsverteilung,
die den im Bereich 0,1 <=
s* <= 1 erreichten
Zuwachs der Wölbung in bestimmter Weise aufteilt. Dazu
wird der bei s* = 0,9 vorgesehene Wert α*C und
damit die Lage des Punktes C eingeschränkt. So ergeben
sich erfindungsgemäß besonders günstige
Lösungen, wenn gilt: α*C < α*B + 0,75 (1 – α*B).
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Die
erfindungsgemäße Skelettlinienwölbungsverteilung
ist in wenigstens einem Schaufelstromlinienschnitt im Bereich zwischen
dem Spalt und einem Schaufelschnitt bei 30% der Hauptströmungspfadweite
(0,3 W) vorzusehen.
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Besonders
günstig ist eine Vorsehung der erfindungsgemäßen
Skelettlinienwölbungsverteilung wenigstens direkt am Spalt
und über mindestens weitere an den Spalt angrenzende 5%
der Hauptströmungspfadweite W.
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Sehr
günstig ist eine Anwendung der erfindungsgemäßen
Skelettlinienwölbungsverteilung wenigstens direkt am Spalt.
Bei der erfindungsgemäßen Schaufel für
Strömungsarbeitsmaschinen wie Bläser, Verdichter,
Pumpen und Ventilatoren wird eine Randströmungsbeeinflussung
erzielt, die bei gleicher Stabilität den Wirkungsgrad einer
jeden Stufe um etwa 0,3% erhöhen kann. Zudem ist eine Reduzierung
der Schaufelzahlen von bis zu 20% möglich. Das erfindungsgemäße
Konzept ist bei unterschiedlichen Arten von Strömungsarbeitsmaschinen
anwendbar und führt je nach Ausnutzungsgrad des Konzeptes
zu Reduktionen der Kosten und des Gewichts für die Strömungsarbeitsmaschine
von 2% bis 10%. Hinzu kommt eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades
der Strömungsarbeitsmaschine, je nach Anwendungsfall, von
bis zu 1,5%.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Nabe
- 3
- Maschinenachse
(Drehachse)
- 4
- Rotor
(Rotorschaufelreihe)
- 5
- Stator
(Statorschaufelreihe)
- 6
- Ringkanal
(Hauptströmungspfad)
- 7
- Mittlere
Meridianstromlinie
- 8
- Profilskelettlinie
- 9
- Stromlinienquerschnitt
- 10
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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