DE1528762A1 - Mehrstufige Zentrifugalpumpe bzw. -kompressor - Google Patents
Mehrstufige Zentrifugalpumpe bzw. -kompressorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Zentrifugalgebläse, -kompressoren,
-pumpen und dgl» und stellt eine Verbesserung hinsichtlich, der Vorrichtungen gemäß der USA-Patentschrift 2 868 440
dar«
üine bekannte Ausführungsform eines mehrstufigen Zentrifugalgebläses,
-!compressors, —pumpe und dgl. zum Handhaben von FLuiden weist eine Heihe von stufenweise auf einer
gemeinsamen Welle angeordneten Schaufelrädern auf, wobei
jede Stufe einen axialen Saugeinlauf bzw. Ansaugöffnung
und einen spiralförmigen Umfangsauslass aufweist, welcher
die in ihm gesammelten und durch ihn hindurchgepressten G-ase in Drehbewegung versetzt* Alle Stufen, mit Ausnahme
der letzten, sind mit Kanälen versehen, die vom Auslass der Spiralkammer einer Stufe zum axialen Saugeinlass bzw.
-öffnung der folgenden Stufe führen·
In der"USA-Patentschrift 2 868 440 wurde offenbart, daß,
zwei von der Auatritbsseite eines Schaufelrads einer
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-2-
009810/0616
-Z-
vorangehenden Stufe erzeugte iluidumstrahlen gleicher
Größe (d.h. Stahlgeschwindigkeitx Hasse) in entgegengesetzte
Richtungen radial einwärts und längs einer radialen
Mittelebene in Ausrichtung miteinander und in einer zentrierten Anordnung über der Achse der Öffnung in Ilichtung
auf die Saugöffnung geleitet werden, ein praktisch ausgeglichenes
Auftreffen der beiden Strahlen bewirkt wird,
vrenn sie in der IJähe der Saugöffnung aufeinanderstoßen,
und bei-ihrer Vereinigung zu einem einzigen Strahl eine
praktisch gleichrnäiSige Axialablenkung beider Strahlen in
die Saugöffnung hinein erreicht wird. Durch Erzeugung von von jedem Schaufelradaustritt ausgehenden, diametral entgegengerichteten
Strahlen gleicher Größe können die Umlaufgeschwindigkeits-Komponenten, Turbulenzen, unerwünschten
Beschleunigungen, Wirbelströmungen sowie Uhterdruckbe—
reiche im Strömungsfluß zwischen dem Auslaß einer Spiralkammer
einer Stufe und dem Einlaß bzw· -Einlauf einer folgenden
Stufe, welche zu sogenannten "Zwischenstufen-Verlusten" führen und folglich eine bedeutende Verminderung der Gesamtleistung
und des Wirkungsgrads der mehrstufigen Zentrifugalvorrichtung verursachen, wesentlich herabgesetzt werden.
Demgemäß beschäftigt sich, die Erfindung in erster Linie mit
der Schaffung einer neuen und verbesserten Mehrstufen-Zentrifugalvorrichtung
zum Pumpen von IPlüiden, die'· derart ausgebildet
ist, daß sie die Zwischenstuf-en—Ve-rluste weiter
BAD
0 0 9819/06 18
zu verringern und die Gesamtleistung sowie den Wirkungsrad
zu vergrößern vermag./
Erfindungs^emäß wurde festgestellt, daß die aus den Auslassen
der Spiralkammern austretenden Radialströme "bzw. strahlen
zwecks Unterdrückung der Drehbewegungs-Komponenten, der
!turbulenzen, der unerwünschten Beschleunigungen, der Yiirbelströmungen
und der in den Strahlen vorhandenen Unterdruckbereiche nicht diametral entgegengerichtet zu sein brauchen,
sondern daß diese den Wirkungsgrad der Zentrifugalvorrichtung
beeinträchtigenden Faktoren wesentlich herabgesetzt werden können, wenn die Größe der Radialstrahlen und der
Abstand zwischenihnen derart bemessen wird, daß die Resultierende
des Radialstrahl-Impulses (Strahlgeschwindigkeit
χ MasS^e) an einer Seite einer beliebig ausgewählten, durch
die Achse des Saugeinlaufs verlaufenden Radialebene praktisch
gleich der Resultierenden des Radiaistrahl-Impulses
an der anderen Seite der Ebene ist und in praktisch radialer Ausrichtung mit dieser steht. Gemäß diesem Grundgedanken gewährleistet selbst eine ungerade Zahl von auf richtige
Abstände verteilten Radialstrahlkanälen den gewünschten Strahlauseleich zwecks Herabsetzung von Zwischenstufen-Verlusten»
'Erfindungsgemäß wurde weiterhin festgestellt, daß, wenn ein Strahl von einer Umfangs-Spiralkammer einer Stufe radial einwärts durch einen herkömmlichen Krümmungsabschnitt
0 0 9819/0616 BADjpGlNAL
sowie durch einen Radiakanal in Richtung auf die Aahse des
Einlaufe der nächsten Stufe geleitet wird» dieser Strahl danach trachtet, sich an der äußeren Biegung des Krümmungsabschnitts und von der inneren Biegung hinweg anzusammeln,
so daß die Resultierende des Strahlimpulses von der richtungsmäßigen bzw. mechanischen Mittellinie des radialen
Strahlkanals in Richtung auf die äußere Biegung versetzt liegt und sich außerdem die Sichtung des Strahlstroms über
einen geringeren Winkel krümmt, als dies erforderlich ist, um den Strahl parallel zur mechanischen Mittellinie auszurichten, wodurch der Strahl beim Eintreten in den Einlauf
der nächsten Stuf.e eine in die Drehrichtung des Schaufelrads dieser nächsten Stufe gerichtete Srehbewegungskomponen«
te erhält«
Demgegenüber betrifft ein ancfees Srfindungsziel die Schaffung
einer neuen und verbesserten Zentrifugalvorrichtung
zum Komprimieren von Gasen oder Dämpfen bzw. anderweitigen
Pumpen von fluidenr welche die Tendenz des Strahls auszugleichen
vermag, sich an der äußeren Biegung des Krümmungsabschnitts und von der inneren Biegung hinweg anzusammeln,
wenn er von einer Umfarigs-Spiralkammer der einen Stufe durch
den Krümmungsabschnitt radial einwärts in Eiehtung auf die
Einlaufachse der nächsten Stufe geleitet bzw» umgelenkt wird· ■'--."■. - - - -
Zum Erreichen des letztgenannten Erfindungsziels besitzt
die äußere Biegung des KrümDjungsabschnitts zwischen dem
.-_"......■ . 009819/06 1S
Auslaß der Umfangs-Spiralkammer und dem radialen Strahlkanal
eine stärker abgewinkelte Biegung, als dies erforderlich wäre, um das Gas vom Hingkammerauslaß zum Radialkanal
umzulenken, wobei diese Biegung im folgenden als "übermäßig
gebogene1* bzw, als "überzogene Biegung" bezeichnet werden
wird.Durch diesen überzogenen Krümmungsabschnitt wird ein
einzelner Radialstrahl mit nahezu gleichförmiger Geschwindigkeit, Masse und Stromungsriichtung in diesem Abschnitt
hervorgebracht, dessen Impulsresultierende nahezu mit der mechanischen Mittellinie des Strahlkanals übereinstimmt»
Aus diesem Grund tritt der Sadialstrahl einer Stufe mit nur
geringer oder gar keiner Drehbewegungskomponente in den
Einlauf der nächsten Stufe ein*
Erfindungsgemäß hat es sich darüberhinaus gezeigt, daß in
einem Strahlkanal, der vom Auslaß einer Ümfangs-Spiralkammer
zu einem einwärts in Richtung auf den Mittelpunkt des
• Einlaufe umgelegten Strahlkanal führt, vorgesehene Begrenzungswände
Reibung verursachen und Wirbelströmungen wowie Turbulenzen erzeugen, welche zu leistungsverlusten führen.
Zur Beseitigung dieser Schwierigkeit befasst sich noch öin
anderes Erfindungsziel mit der Schaffung einer neuartigen und verbesserten Zentrifugalvorrichtung, bei welcher Grenzschicht-Wirbelströinungen
und Turbulenzen in den vom Auslaß
der Umfangs-Spiralkammer zum Einlauf dea Schaufelrade der
nächsten Stufe strömenden Strahlen weeentlioh vermindert
werden»
- 009119/0818 bad
- 009119/0818 bad
sind
Eu diesem Zweck/die in Uinfangsrichtung" im Abstand voneinander
enfernten Grenzflächen des Strahlkanals quer zu den axial gerichteten Grenzflächen frei von Begrenzungswänden.
Dieses Merkmal besitzt den Vorzug der fehlenden Wandreibung, einer Reduzierung der durch diese Wände verursachten Wirbelströmungen
sowie der Herabsetzung des ü-ewichts und der Herstellungskosten
für die Vorrichtung.
irotz des Fehlens von JBegrenzungswänden in den Strahlkanälen
einer Stufe weisen die Strahlen noch immer gewisse Wirbel strömungen und l'urbulenzen auf. Durch das V/eglassen
dieser Begrenzungswände an den in Umfangsrichtung voneinander entfernten Seiten jedes Strahlltanals und quer
zu den axial gerichteten Seiten des Kanals wird jedoch ein nicht durch Wände behindertes Zusammenwirken der
sich vereinigenden Strahlen bewirkt, wenn diese in den
Einlauf der nächsten Stufe einströmen, woraus sich ein praktisch gleichmäßiger, wirbelfreier Axialstrom der vereinigten Strahlen durch den Einlauf ergibt.
Ein weiteres Erfindungsziel besteht in der Schaffung neuer
und verbesserter Zentrifugal-'Stufeneinheiten, die mit nur
geringen Änderungen des Druckverhältnisses und des Wirkungsgrads über einen großen Durehsatzmengenbereioh zu arbeiten
vermögen, so daß eine größere Anzahl von identischenEinheiten
in Seih® angeordnet verwendet warden kannf/durch
BAD
§§ltS/Ö81 $ - .■■'■-■
der Verwendungsbereich der Vorrichtung erweitert» der
I»agerbestand von verschiedenen Größen und Einzelteilen
sowie die Kosten für die Herstellungswe%zeuge und. für- die
Herstellung selbst herabgesetzt werden*
Noch ein weiteres Erfindungsziel ist es, eine neue und verbesserte
Zentrifugal-Fluiduiapuaipenvorrichtung der vorstehend
genannten- allgemeinen Art zu schaffen» die so ausgebildet
ist, daß eine beliebige Anzahl derartiger Vorrichtungen
in Reihe miteinander verbunden werden können.
Um das letztgenannte Erfindungsziel verwirklichen zu können, weist das Auslassende der Umfangs-Spiralkammer der
letzten Stufe einen zu einem radialen Strahlkanal mit einem Axialauslaß führenden überzogenen Biegungsabschnitt auf.
Hierdurch können zwei oder mehr Vorrichtungen dieser Art in Reihe miteinander verbunden werden, so daß zwischen den
einzelnen Vorrichtungen dasselbe Kompressions schema fortgeführt
werden kann, wie es durch den Mehrstufenbetrieb einer einzigen Vorrichtung hervorgebracht wird·
Zahlreiche andere Zieler Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigexu-
1?ig. 1 eine aufgeschnittene Seitenansicht einer
form eines Mehrstufengebläsee mit den Merkmalen der
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der Erfindung, das für Jede Stufe fünf gleich große und
auf gleiche Abstände verteilte Radialstrahlen aufweist,
welche in den Krümmungsabschnitten an den Spiralkammerauslässen
jeder Stufe mit überzogenen Biegungen versehen sind,
Pig. 2 einen Querschnitt längs der ^inie 2-2 in Fig. 1.,
Pig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in fig. 1,
Fig. 4 einen in Umfangsrichtung verlaufenden Querschnitt
durch das Gebläse längs der Linie 4-4 in Fig. 3,
Fig* 5 einen !eil dee Querschnitts gemäß Fig. 3 in vergrößertem
Maßstab und in Verbindung mit Vektordiagrammen,
Pig. 6 einen Teilquerschnitt durch ein fünf Strömungsstrahlen
aufweisendes Mehrstufengebläse 9 wobei jedoch anstelle
der überzogenen Biegungen in den Krümmungsabschnitten
der Spiralkammer^auslässe jeder Stufe Schaufeln vorgesehen sind, um das Impulsmoment über den Krümmungsabschnitt
jeder Düse von der inneren zur äußeren Biegung'hin auszugleichen,
Fig. 7 eine aufgeschnittene Stirnseitenansiciit des Mehrstufengebläsea
gemäß fig. 1, auswelcher dasMerkmal
der überzogenen Biegungen an den Spiralkammeraus!aasen der letzten Gteblässstufe und der Axialauslaß des
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BAD
Gebläses ersichtlich sind, mit dessen Hilfe zwei derartige
Gebläse in Reihe hintereinander angeordnet werden können,.
Fig. 8 eine aufgeschnittene Seitenansicht, welche die Reihenverbindung
zwischen zwei Gebläsen der Art, gemäß Fig. 7 veranschaulicht,
Fig. 9 eine aufgeschnittene Seitenansicht einer anderen
Ausführungsform eines Mehrstufengebläses mit den
Merkmalen der Erfindung, aus der eine Konstruktion ersichtlich ist, bei welcher die radialen Strahlkanäle
an allen Seiten einsohließliöliihrer axialen
Grenzflächen wandlos ausgebildet sind,
Fig. 10 einen G?eil^uersehnitt durch ein vier Strömungsstrahlen
aufweisendes, erfindungsgemäßes Mehrstufengebläse mit an den Auslaß-Krünraungsenden der ITiafangB-Spiralkaiiimern
vorgesehenen überzogenen BiegUEtgen»
Pig. 11 einen !De il querschnitt durch ein. drei Strömungs strahlen aufweisendes Mehrstufengebläse mit den Merkmalen
der Erfindung, welches an den Aualaß-KrUmmungsenden
der Umfangs-Spiralkammern mit überzogenen Biegungen
versehen ist, wobei das Gebläse aufgrund des großen
Winkels zwischen den einzelnen Düsen nahe dem Einlauf
Jieitschaufeln zum Ableiten des Fluidumstroms aufweist,
Ö0Ü19/8B18
Fig. 12 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mehrstufengebläse
mit an den Auslaß-Krümmungsenden der Umfangs-Spiralkammern vorgesehenen überzogenen Biegungen,
bei welchem jede Stufe sechs auf ungleiche Abstände verteilte radiale Strahlkanäle mit unterschiedlichem
Querschnitt aufweist und wobei diese Querschnitte sowie die Abstände zwischen den Strahlkanälen
derart bemessen sind, daß die an einer Seite einer beliebig ausgewählten, durch die Achse des
Saugeinlaufs verlaufenden Radialebene vorhandene Resultierende des Radiälstrahlimpulses praktisch
genau so groß ist wie die Resultierende des Radialstrahlimpulses
an der anderen Seite der libene und praktisch in Radialrichtung auf diese Resultierende
ausgerichtet ist, und
Fig. 13 ein Vektordiagramm für die Konstruktion gemäß Fig.
Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Mehrstufen-Zentrifugalvorrichtung
10 dient insbesondere zur Kompression von Gasen oder Dämpfen und ist- als dreistufiges Gebläse ausgebildet,
obgleich die erfindungsgemäße Vorrichtung zwecks Gewährleistung eines beliebigen gewünschten Äbgabedrucks
jede beliebige Anzahl von Stufen aufweisen und auch zum Pumpen von Flüssigkeiten verwendet werden kann. ])as Gebläse
10 wird durch einen mit Hilfe von Stiftschrauben 17
befestigten Motor 11 angetrieben, der eine in Lagern 18
■ SAD ORIGINAL
, ' ' 0098-19/0.616 ' " ' "
gelagerte Welle 12 aufweist« Das Gebläse 10 weist ein Gehäuse
13 auf,-welches axial von der Motorwelle 12 durchsetzt
wird und in welchem drei Stufen von mit der Welle verkeilten bzw. anderweitig verbundenen Schaufelrädern
vorgesehen sind. Ein mit der kotorwelle 12 verbundenes Lüfterrad 1 5 .bläst zwecks Kühlung des Motors 11 Luft über
dessen Körper und insbesondere durch nicht dargestellte,
verrippte Durchgänge, welche daraufhin in einen offenen Zwischenraum 16 abgegeben wird, von wo aus sie zur Einlaßseite des Lüfters zurückgelangt.
Das Gebläse 10 besteht aus mehreren praktisch kreisförmigen,
scheibenartigen Gliedern, die jeweils an einem anderen derartigen Bauteil befestigt sind, und weist ein am
Einlaufende vorgesehenes Schaufelradgehäuseglied 20 für die erste Stufe, dazwischenliegende Schaufelradgehäuseglieder
21 , Zwischenstufenteile 22 zum Ableiten des Gases von der Auslaßseite des Schaufelrads einer Stufe zum *
axialen Saugeihlauf des Schaufelrads der nächsten Stufe, ein bis auf den mit Gewindebohrungen zur Aufnahme der Stiftschrauben
17 versehenen Ktotor-Stirndeckelflansch 19 und
geringfügige Änderungen der Spiralkammerauslässe zwecks Abänderung ihrer radialen Binwärtsriehtung in Axialrichtung
dem Glied 22 ähnliches Zwischenstuf en- 'JPrägerglied 22a sowie einen stirnseitigen Spiralkammer-Auslaßring 23 für
die letzte Stufe auf. Sämtliche öcheibenförmigen Bauteile
20, 21 und 22 sind mit Hilfe von Stiftschrauben 25mit ihren
9019/06 16 β""--12-
Stirnflächen aneinander liegend in einer Heine hintereinan-r
der am Glied 22a befestigt. Auf ähnliche Weise sind der
Stirnring 23 sowie eine kombinierte Gasauslaß- und Motor-Lüfter-Gehäuseanordnung
24 mit Hilfe von Stiftschrauben 25a miteinander verbunden und vervollständigen die mehrstufige
Zentrifugal-Gaskompressorvorrichtung 10.
Das Schaufelradgehäuseglied 20 der ersten Stufe weist eine zentrale Einlauföffnung 26 auf, durch welche die zu verdichtende
Ansaugluft bzw. -gas dem mit einer Anzahl von in Ümfangsrichtung auf Abstände verteilten Schaufeln 28 versehenen
ersten Schaufelrad 14 zugeführt wird. Die Schaufeln
28 sind hinsichtlich ihrer Drehrichtung an den vorderen
Flächen konkav ausgebildet und am Außenumfang bzw, ihren
Auslaßenden im allgemeinen nach vorn gekrümmt, während ihre
Einlassabschnitte 29 nach außen und vorn geneigt sind, um
den Fluidumstrom von der Einlauföffnung 26 wirksam und ohne
Strömungsstörungen aufzunehmen. Um das Schaufelrad 14 herum
ist ein Radialdiffusor 30 für die erste Stufe vorgesehen,
der dazu dient, die Geschwindigkeit in Druck umzuwandeln, und um welchen herum eine Anzahl von einander ähnlichen,
am Umfang liegenden Evolventen-Auslaßspiralen 31 vorgesehen sind, von denen fünf auf gleiobsAbstände verteilte
Spiralen dargestellt sind. Diese Auslaßspiralen dienen
dazu, die vom Diffusor kommende Luft zu sammeln und sie
aufgrund ihrer Drehbewegung zwecks Abgabe an die nächste Kompressorstufe durch diesen Bereich hindurchzudrängen.
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G-emäß den Zeichnungen besitzt das Gehäuse 13 praktisch
kreisförmigen Querschnitt und folgen die Auslaßspiralen 31
gewissermaßen der Kreisform des Gehäuses und enden in an dessen Innenseite auf gleiche Abstände verteilten Auslas^
sen 32. Die Spiralen 31 besitzen jeweils eine sich in
Richtung auf ihren Auslaß 32 erweiternde Querschnittsform und dienen auf diese Weise nicht nur als Auslaßleitungen,
sondern auch als Diffusoren zur Umwandlung der Geschwindigkeit
des Fluidums in Druck.
Am Auslaß 32 jeder Spirale 31 einer Stufe ist ein Krümmungsabschnitt
33 vorgesehen, mit dessen Hilfe das Gas vom Auslaß in Porm eines Strahls radial einwärts durch
einen Kadialkanal 34 zum Saugeinlauf 35 der nächsten Stufe
geleitet wird.
Obgleich in den j?ig. 2» 3 und 5 Querschnitte fiuroh die
erste Kompressorstufe dargestellt sind, ist es zu beachten^ daß alle anderen Kompressorstufen ähnliche Konstruktion besitzen, soweit dies nicht anders vermerkt ist.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß ein Ausgleich des
Aufprallimpulsea der Hadlalstrahlen in einer Stufe eines
Zentrifugal-Gaakoiapresßors der allgemeinen beschriebenen
Art zwecks Herabsetzung von 2wischenstufenverlusten aufgrund der DrehgesohwindigkeitsScomponenten, der (Turbulenzen,
der unerwünschten Besclileunigungen, der V/
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und der Uhterdruckbereiche im Stromfluß zwischen dem Auslaß
einer Spirale der einen· Stufe und dem Einlauf der folgenden
Stufe erreicht werden kann, ohne daß eine paarweise Ausrichtung der Radialstrahlen erforderlich wäre, wobei die
Strahlen jedes Paars einander diametral gegenüberliegen, solange nur die. Resultierende des Hadialstrahlimpulses an
einer Seite einer beliebig ausgewählten, durch die Achse
des Saugeinlaufs verlaufenden Radialebene praktisch, der
Resultierenden des Radialstrahlimpulses an der anderen Seite der genannten Ebene entspricht und praktisch in radialer
Ausrichtung mit. dieser Resultierenden steht* Gemäß diesem
Grundprinzip kann für jede Stufe eine ungerade Anzahl von
Strahlen verwendet werden, die derart im Abstand voneinander
angeordnet und im Querschnitt derart bemessen sind, daß ein zur Verringerung von Zwischen&tufenverlusten führender
ausgeglichener Aufprallimpuls erzielt wird. Bei der speziellen Ausführungsform gemäß den Pig» 1 bis 5 weist
jede Stufe fünf auf gleiche Abstände verteilte und gleiche
Querschnittsfläche besitzende Radialstrahlkanäle 34 auf· Aufgrund dieser Anzahl von Radialkanälen 34 sowie deren
Abstand voneinander wird an beiden Seiten einer beliebig
gewählten, durch die Achse des Ansaugeinlaufs 35 verlaufenden Radialebene ein ausgeglichener Aufprallimpuls erreicht.
Hierdurch werden die Drehgesehwindigkeitskomponenten der
in den Einlauf eintretenden Ströme wesentlich verringert,
wird die Bildung von Wirbelströmungen und Unterdruckbev
in diesen Strömen unterdrückt und werden andere
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Stabilisierungsbedingungen hervorgebracht, so daß eine Stromlinienbewegung bzw» —strömung aufrechterhalten wird,
welche-ein gleichmäßiges Einströmen des Fluidums in den
axialen Ansaugeinlauf und demzufolge eine Verringerung der
Zwischenstufen—LeistungsVerluste zur Folge hat»
Bs wurde weiterhin ermittelt, daß der Strahl, wenn er von
einer Umfangespirale einer Stufe über einen Krümmungsabschnitt
radial einwärts in Richtung auf die Einlaufachse
der nächsten Stufe umgelenkt wird, sich aufgrund der Fliehkraftwirkung
an der äußeren Biegung des Krümmungsabschnitts und von der inneren Biegung hinweg anzusammeln bzw. zu konzentrieren
trachtet, so daß der resultierende Strahlimpuls,
d.h. Strahlgeschwindigkeit χ Masse, der richtungsmäßigen
Mittellinie des radialen Strahlkanals und der Achse des Einlauf
s gegenüber versetzt ist, wodurch der Strahl beim Eintreten in den Einlauf der nächsten Stufe eine Drehbewegung»
komponente erhält. Wenn die Resultierenden der Impulse aller Strahlen jeder- Stufe derart versetzt liegen bzw. verlagert
sind, wirbelt der in und durch den axialen Einlauf der
nächsten Stufe strömende, vereinigte Strahl unter dem Einfluß aller durch diese verlagerten Resultierenden erzeugten
Impulsmomente um die Einlauf achse herum, wodurch Zwischenstufen-Leistungsverluste
erzeugt werden. Bei der Konstruktion gemäß den Pig. 1 bis 5 wird dieser nachteilige Zustand
praktisch dadurch beseitigt, daß jeder Krtimmungsabschnitt
eine derartige Form erhält, daß der Impuls der Bestandteile
009819/0816 Jfog. ONGlNAt
bzw· Abschnitte jedes Strahl über den sich in den Radialkanal 34 hineinkrümmenden Krümmungsabschnitt von dessen
innerer zur dessen äußerer Biegung praktisch gleichmäßig
verläuft« Zu diesem Zweck verläuft die an der Stromaufseite
des Krümmungsabschnitts 33 gelegene innere Biegung 36, von welcher die Strömung beim Durchströmen des Krümmungsabschnitts
abzureißen trachtet, über einen Winkelbereich, der eben ausreicht, den Strahl in ausreichendem Maß von der
Spirale 31 radial einwärts in den Radialkanal 34 zu leiten.
Die an der Stromabseite des Krümmungsabschnitts gelegene äußere Biegung 37 weist jedoch eine überzogene Biegung auf,
d.h. sie verläuft über einen größeren Winkelbereich, als
dies erforderlich wäre, um den Strahl radial einwärts umzulenken. Beispielsweise verläuft bei der dargestellten,
speziellen Ausführungsform der Erfindung die Außenbiegung 37 über einen Winkelbereich von etwa 150°, während sich
die an der Stromaufseite des Krümmungsabschnitts 33 liejnde
innere Biegung 36 nur Über einen Winkel von etwa 9o° zu
erstrecken braucht, um den .Strahl in Radialrichtung einwärts
umzulenken. Aufgrund dieser überzogenen Biegung wird die
Tendenz des Strahl ausgeglichen, sich an der an der Stromauf sei te dee KrümmungBabechnitts 33 gelegenen äußeren
Biegung 37 anzusammeln bzw» zu konzentrieren, wodurch der resultierende Impuls des in den Kanal 34 eintretenden
Strahls nahezu mit der Mittellinie dieses Kanals übereinstimmt
und durch die Achse des Einlaufe 35 verläuft»
009819/0616
Es hat sich gezeigt, daß sich der genaue Austritts-
winkel der inneren Biegung 36 je nach der speziellen Konstruktion
und der Größe der QuerSchnittsverringerung im
Erummungsabschnitt 33 etwas ändern kann. Das Konstruktionskriterium liegt im maximalen Biegungswinkel, welchem der
Strahl zu folgen vermag, oder welcher den am gleichmäßigsten
verlaufenden. Strahl bei geringster Querschnittsflächen
reduzierung des Krümmungsabschnitts ergibt· Der Winkel sowie
das Ausmaß der Richtungsänderung der äußeren Biegung steuern den Winkel des resultierenden Impulses des Strahls
in Richtung auf die Achse. Zur weiteren Unterstützung der
■Verringerung der Tendenz des Strahls, sich an der äußeren
Biegung zu konzentrieren und von der inneren Biegung des
JECrümmungsabschnittB abzureißen, ist die Strftmungs-Quersehnittsflache
daher längs einer im rechten Winkel zum Innenumfang der Spirale 31 liegenden Ebene a* (Sig. 3) am
Eintritt zum Krümmungsabschnitt 33 und nahe der inneren
Biegung 36 gegenüber derjenigen am Einlassende des Radialkanals 34 wesentlich verkleinert· Eb wurde festgestellt,
daß diese Querschnittsverringerung für ^ede Art eines keine
Leitsehaufein aufweisenden Krümmungsabschnitts zur Erzielung
einer gleichmäßigen Geschwindigkeit an diesem Punkt mindestens 15# betragen muß· Außerdem ist diese verhältnismäßig geringe ELächenverringerung nur bei sdohen Krümmungsabsohnitten
möglioh, bei denen die Seitenbreite des parallel zur Sohaufelradaoh.se liegenden Zugangs bedeutend
größer ist als die Seitenbreite des Auslasskanals 34* Bei
BAD ORiGlNAL
-18-
009019/0616
der speziellen Ausführungsform der Erfindung beträgt diese
]?1 ächenverringerung etwa 26$, während die Zugä%sbreite
parallel zur Schaufelradachse etwa das 2,5-fache des Auslasskanals
34 beträgt·
Bin anderes Hilfsmittel zur Verhinderung eines Strömungsabrisses von der inneren Biegung 36 ist ein am stromauf
liegenden Abschnitt dieser Biegung vorgesehener Vorsprung
38» der durch eine geringfügige Vertiefung am Einlassende
dieser Biegung gebildet wird und dazu dient, den Strahl
im Zugangsbereich vom unmittelbaren Bereich der Biegung
hinweg abzulenken, wobei sich der Strahl um den Vorsprung
herum und über diesem sowie über die abgerundete Kanten
aufweisenden BinlaufSeiten 39 in die Seiten des Kanals 34
hinein ansammelt t wodurch der tatsächliche und der wirksame Hadius der inneren Biegung 36 vergrößert wird.
In der Vektordiagramme ffilr die Strahlimpulse der einzelnen
Kompressorstufen dargestellenden Eig. 5» Bind die ßeaultierenden
der Badialstrahlimpulse in den jeweiligen Kanälen 34 durch die ausgezogenen Linien J^ - JV angedeutet. Jeder
durch die entepreohende Hesultantenlinie J1 J0 J^, J. bzw.
Je dargestellte Hadialstrahl besitzt eine Größe, die definidionsgemäß
gleich dem Empule (Strahlgeschwindigkeit χ Masse)
des aus der entsprechenden Jtuslaßspirale 31 austretenden
gesamten Pluidumstroms ist. Aus den Diagrammen gemäß ffig.
ist ee ersichtlich, daß der Terlauf der Resultierenden J1
BAD
nach dem Verlassen des Krünmungsabschnitts genau auf die
Aelise A der Vorrichtung ausgerichtet ist, jedoch um einen.
Winkel a, welcher bei der dargestellten Ausführungsform
der Erfindung etwa 2° beträgt, geringfügig gegenüber der
mechanischen Radial-Mittellinie B des Radialkanals 34 .verlagert
ist. Wie erwähnt, trachten sich die Größen der Strahl bestandteile j und jv von der Stromabseite zur Stromauf-
* if
seite des Krümmungsabschnitts 33 hin zu vergrößern. Die
überzogene Biegung 37 verhindert jedoch weitgehend diesen Effekt, so daß die Momente jedes Strahlteils j und j um
die Haupt-Strahlachse herum genau aufeinander abgeglichen sind. Dieses Verhältnis läßt sich mathematisch durclidie
Gleichung
ay
mit j_ = f(x) und j__ = f(y) ausdrücken. Dieser mathematische
Ausdruck gibt an, daß der Hauptstrahl beim Umlenken in Richtung auf die Ach.se A der Vorrichtung keinerlei Drehbewegungskomponente aufweist·
Ein weiteres Merkmal der in den Fig. 1 bis 5 dargestelltea
Ausführungsform der Erfindung liegt darin» daß die radialen
Strahlkanäle 34 jeder Stufe frei von BegrenzugswSnden an
QO 9 Ö 1 9/0 S 1 6
den in Umfangsrichtung im Abstand voneinander entfernten
Seiten 45 der Strahlen bis zum Einlauf 35 der nächsten
Stufe sind» Durch das Fehlen dieser Begrenzungswände werden Grenzschicht-Reibungswiderstände vermieden, wird die
Bildung von normalerweise durch derartige Wände eingeleiteten Wirbelströmungen verringert und werden das Gewicht und
die Herstellungskosten der Vorrichtung gesenkt. Das Fehlen von Begrenzungswänden an den Stellen, an welchen die sich
vereinigenden Radialstrahlen in der Hähe des Einlaufe 35 der nächsten Stufe zusammenströmen, dient außerdem auch
dazu, alle Wirbelströmungen, welche sich an den Grenzschichten der Strahlen gebildet haben können und von diesen getragen
wurden, aus dem Strahl herauszudrücken und zu beseitigen,
und gewährleistet, daß sich die zusammenlaufenden Strahlen derart vereinigen, daß ein praktisch wirbelfreier
Axialfluß zum und durch den Einlauf hervorgebracht wird.
In den Vektordiagrammen gemäß Fig. 5 ist die Wirkung der
durch Wände unbehinderten Vereinigung der zusammenlaufenden
Hadialstrahlen in der Nähe des Einlaufe 35 dargestellt»
Aus dieser Figur geht hervor, daß der als ein durch die
Resultierende J| seines Impulsmoments dargestellter Strahl
aus dem Krümmungeabschnitt 33 austretende Fluidumstrom aufgrund des Fehlens von Begrenzungswändea an seinen in
umfangsrichtung im Abstand voneinander entfernten Seiten
sich an jeder Seite
/geringfügig um den Winkel b verbreitert, welcher bei der
009819/0616
dargestellten Aus fiihrungs form der Erfindung etwa 3° be-• trägt, und dabei durch die Kreispfeile βχ und β angedeutete Grenzschicht- und Wandwirbel erzeugt* Diese Wirbelströmungen
werden durch das Hindurehströmen, dee Strahls
durch, die Auslaßspirale 31 und den Krümmungsabsclinitt 33
hervorgebracht· Der Strahl J.. schließt außerdem auch eine
geringe Fluidummenge aus den freien Ruhszonen 46 zwischen
den einzelnen Strahlen in sich ein».
Bevor der Strahl sein Segment des Schaufelradeinlaufs 35
erreicht, trifft ein an einer Seite des Strahls J- liegender
Grenzschichtabschnitt, dessen Impulsmoment durch den
Vektor 3 angedeutet ist, auf den an der angrenzenden
Seite des Strahls J^ vorhandenen Grenzschichtabschnitt des
Strahls Jp au^f dessen Impulsmoment durch den Vektor j
bezeichnet ist, wobei der Auftreffwinkel zwischen diesen Grenzschiehtabsehnitten kleiner ist als 90°· Gleichermassen trifft an der anderen Seite des Strahls J1 ein Grenzschichtabschnitt desselben mit einem durch den Vektor 1_
bezeichneten Impulsmoment an der benachbarten Seite des Strahls Jc auf einen Grenzschichtabschnitt mit einem dem
Vektor j ■- entsprechenden Vektor auf» Das elementare Strahl
impulsmoment j kann in eiae Hadialkomponente 3 r und
in eine Eangentiaikömponent® lyftf zerleg·^ stenso kann da»
elementare Strahlimpiilsmoment ^im in eine Radialkomponentft
tmd■-in eine 'fangentialkomponente J33n^ zerlegt werden.
Da das elementare Japulsmoiaant j ^. an einer Seite des
Strahls J. dem Moment J353n+ unmittelbar entgegengerichtet ist
und da das Moment 3 . etwas größer ist als das Impulsmoinent
sich die beiden Strahlen J. und J2 längs
der gekrümmten Bahn P. Ein ähnlicher Zustand ist auch an der anderen Seite des Strahls J... vorhanden. Das Zusammenwirkender
nicht durch Begrenzungswände behinderten Grenzschichten benachbarter Strahlen hat nicht nur zur Folge, daß der Grenzschichtstrom
radial einwärts geleitet wird, sondern verursacht außerdem aufgrund der einander entgegengerichteten
Kräfte an diesen Grenzschichten ein Gegeneinanderpressen der Wirbelströmungen- e und e . Da sich die Wirbel e entgegen
dem Uhrzeigersinn und die Wirbel e im Uhrzeigersinn
drehen, werden diese sich entgegengesetzt drehenden Wirbelströmungen
-unterdrückt und beseitigt, wodurch die Zwischenstufen-Leistungsverluste
vermindert werden. Ein anderes Erfordernis für die wirksame Unterdrückung der Wirbelströmungen ist eine weitere, fortlaufende zunehmende kleine Verringerung des Ströraungsquerschnitts jedes Strahls vom Auslass
des Krümmungeabschnitts 33 zu einem unmittelbar außerhalb
des Einlaufe 35 der nächsten Stufe längs eines sich über den Winkelbereich © gemäß. Fig. 3 erstreckenden Zylindersegments.
Zur no Gh weiteren Unterdrückung von V/irbelströmungen ist
eine weitere, fortlaufend zunehmende Querschnittsverringerung
zwischen dem Strömungsbereich unmittelbar ausserhalb
des Einlaufs der nächsten Stufe längs eines vom Winkel θ
'Ubers-Jtennte.il Zyliiidersegments (Fig. 5) und dem gesamten
S'trömung8CLuersohnltt".deB Einlaufs 35 in der durch die
Strahlen imtart©Ht®n8 im rechten - - -
/<.?-^.-'■■■-'■ - ■"■ " .- ζ. . bad" ~ - 00S818/0i1- -
Winkel- zur Schaufelradachse liegenden Ebene von Vorteil.
Bei der dargestellten AusführungsfoMii der Erfindung beträgt
die kombinierte Keduzierung des Strömungsquersehnitts zwischen
dem Querschnitt des Krümmungsabschnitts 33 und dem
entsprechenden Teil der genannten Gesamt—Einlauffläche
etwa 25$.
Die beschriebene Giranz Schichtwirkung der Badialstrahlen
hat zur Folge, daß jeder Strahl das Einlaufsegment θ =
36Ö°/n ausfüllt, worin η die Anzahl der Badialstrahlen
Jeder Kompressorstufe bedeutet. Im Fall der Ausführungsform der Erfindung gemäß den Fig. 1 bia 5 erstreckt sich
somit das von Jedem Strahl eingenommene Einlaufsegment θ
über einen Winkel von 7'2°e
Neben den bereits erwähnten Hauptmerkmalen besitzt die Vorrichtung
gemäß den Fig* 1 bis 5 noch andere, zusätzliche Merkmale, die dazu beitragen, einen mehrstufigen Gaskompressor
leichter, billiger und gedrängter Konstruktion mit hoher spezifischer Leistung und Wirksamkeit herstellen zu können·
Eines dieser zusätzlichen Merkmale liegt in der fortlaufenden Zunahme der Axialbreite der Auslaßspiralen 31 vom Auslaß
des Radialdiffusors 30 zum Beginn der überzogenen äusseren
Biegungen 37 gemäß den Fig. 1 und 4. Ungeachtet der Tatsache, daß sich die Axialbreite des ^rümmungsäbsöhnitts
33 von seinem Zugang bzw. Einlassende bis zu seinem Auslassende
am Eintritt in den Radialkanal 34 fortlaufend ver-
^24 9819/0616 BAD original
-24- iS28762
ringert, und ztvär bei der dargestellten Ausführungsform
der Erfindung etwa im Verhältnis 1:2,5 ist die Axialbreite
des ^rümmungsabschnitts 33 an seinem Auslassende nahe dem
/als Einlaß zunKanal 34 wesentlich größer/die Axialbreite des
Radialdiffusors 30, und zwar in diesem Pail etwa im Verhältnis
von 2,5 s 1·
Bei der speziell dargestellten. Ausführungsform der Erfindung
beträgt diese Vergrößerung der Axialbreite der Auslaßspiralen
31 vom Auslaßende des Radialdiffusors 30 bis zum Beginn der überzogenen äußeren Biegungen 37 etwa 1;6,
wodurch eine große axiale Zugangsbreite zum Krümmungsabschnitt 33 gewährleistet und somit der Wirkungsgrad und
die Wirksamkeit der überzogenen äußeren Biegung 37 bei der
Verringerung der KLuidumstrahlansammlung an der äußeren
Biegung erhöht werden und ein gleichmäßigerer Austritt des
Strahls über seinen Strömungsquerschnitt in den Kanal 34 ermöglicht wird. Außerdem gestattet diese Vergrößerung der
Axialbreite der Auslaßspir-alen 31 eine Verringerung des
Gesamtdurchmessera des Kompressors«.
Darüberhinaus ist zu beachten, daß die Spiralen 31 der
aufeinander folgenden Stufen durch einfache Druckbegrenzungswände voneinander getrennt sind, wodurch die Konstruktion
vereinfacht und Gewicht sowie Herstellungskosten herabgesetzt werden*
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Ein-weiteres Konstruktionsmerkmal stellt der Eadialdiffusor
zwischen dem Schaufelradaustritt und dem Einlaß zu den
Spiralen 31 dar»,
In fig*- 6 ist eine der Konstruktion gemäß den, Fig· 1 bis
ähnliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die jedoch am Austrittsende der Spiralkammer keinen Krümmuiigsabschnitt
mit einer an deren Stromabende liegenden überzogenen Biegung aufweist, welche dazu dient, das Ansammeln
des durch den Krümmungsabschnitt strömenden.Strahls an. der
an der Stromabseite dieses Abschnitts liegenden äußeren
Biegung zu verringern und hierdurch das Impulsmoment der
Strahlbestandteile über den Krümmungsabschnitt in ausreichendem
Ausmaß auszugleichen, um die Resultierende des Impulsmoments des Eadialstrahls nahezu in Übereinstimmung mit
dessen mechanischer Mittellinie zu bringen. Statt dessen
ist die Konstruktion, gemäß Sig* 6 im Krümmungsabschnitt
mit Le it schaufeln versehen, die einem ähnlichen Zweck
dienen, wenn auch nicht gleicl&iaßen wirkungsvoll·
Bei der ISonstruktioii gemäß Mg* 6 geht die Auslaßapirale
31a in einen Krtmmungsabschnitt 33a über f der das von der
Spirale kommende Gas über einen Badialkanal 34a radial einwärts in liohtung auf den Ansauge inlauf 35a der nächsten
Stufe leitet. Der Krümmungsabschnitt 33a weist an der
Stromaufseite eine inner· Biegung 36a und wi der Stromabseite
eine äußere Biegung 37a auf* äie "beide nur so weit
00SH9/0S1S
herumgebogen sind, wie dies zum radial einwärts erfolgenden Umlenken des StrÖmungsStrahls von der Äuslaßspirale 31a
durch den radialen Stra'hlkanai.-34a erforderlich ist. Zwischen den Biegungen 36a und 37a sind jedoch im Krümmungsabschftitt
33a zwei im gleichen Abstand von diesen Biegungen und voneinander entfernte LeItschaufeln 50 vorgesehen,
welche den IPluidumstrom aufgrund ihrer Krümmung gletchmässig
von der Auslaßspirale 31a zum radialen Strahlkanal 34a umzulenken vermögen. Diese Leitschaufeln 50 dienen dazu,
den Strahl über seine Breite in einzelne Segmente aufzuteilen und auf diese Weise ein Ansammeln des Strahls mit
seiner Gesamtbreite an der äußeren Biegung 37a zu verhindern. Hierdurch wird die Resultierende des Eadialstrahl-Iinpulsmoments
besser in Übereinstimmung mit der mechanischen
Mittellinie des radialen Strahlkanals.gebracht, so daß auf
diese Weise die Bildung einer Drehbewegungskomponente im Strahl herabgesetzt wird, aufgrund welcher der Strahl anderenfalls danach trachten würde, beim Eintritt und Durchströmen des Einlaufe 35a· um dessen Achse herum zu wirbeln.
Die Leitsohaufelkonstruktion gemäß Pig. 6 kann zwar in
vorteilhafter Weise angewandt werden, ist jedoch nicht so günstig wie die überzogene Biegung im Spiralauslaß-Krümmungsabschnitt gemäß den fig. 1 bis 5, da sie teuerer ist.
Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß für die
Leitschaufeln besondere Gießverfahren und/oder maschinelle
Endbearbeitungen erforderlich sind, der Kompressor hierdurch
000811/0816
schwerer wird, Leistungsverluste aufgrund von Reibung und
der Mldimg von Wirbelströmungen und Turbulenzen, welche
von der Wirkung der über die Schaufeln 50 hinwegstreichen-*
den Strömung herrühren, erzeugt werden und diese Anordnung
die [Resultierende des Strahlimpulsmoments nicht gleichermaßen
wirksam dem radialen Strahlkanal gegenüber zu zentrieren vermag.
Bis auf die beschriebenen Unterschiede entspricht die -Konstruktion-gemäß Pig. 6 vollständig derjenigen gemäß
den Pig. 1 bis 5.
In den Fig. 7 mid 8 ist eine Mehrstufen-Kompressoreinheit
dargestellt, bei welcher das Auslassende so ausgebildet ist, daß zwei derartige Einheiten an ihren Stirnseiten in
einer Reihe miteinander verbunden werden können. Die Kompressoreinheiten
gemäß den Fig. 7 und 8 entsprechen der
Ausführungsform gemäß den Mg. 1 bis 5, Fig. 7 zeigt eine
Stirnseitenandicht der letzten Stufe der Kompressoreinheit
gemäß Fig. 1, während Fig. 8 zwei zusammengeschlossene Einheiten veranschaulicht.
Bei der Konstruktion gemäß den Fig. 1,4, 7 und 8 weist
die letzte Kompressorstufe den Auslaßspiralen 31 der anderen Stufen ähnliche Auslaßspiralen 31b sowie einen an
jedem Auslaßende dieser Spiralen vorgesehenen Krümmungsabschnitt 33fc auf, welcher dem KrümmungsabsGhnitt 33 der
00981970616
vorangehenden Stufen ähnlich ist, nur mit der Ausnahme, daß der Krümmungsabschnitt 53*>
derart umgelenkt ist» daß er den aus der Spiralkammer 31b austretenden Strahl in
eine praktisch parallel zur Achse der Kompressoreinheit liegende Richtung ablenkt. Aus diesem Grund weist jeder
Krümmungsabschnitt 33b an seiner Stromaufseite eine nur so stark gekrümmte innere Biegung 36b auf, daß der Fluidumstrom
in eine praktisch parallel zur Achse des Kompressors 10 liegende Richtung abgelenkt wird, und ist
gemäß Pig. 4 mit einem einem ähnlichen Zweck wie der Vorsprung 38 dienenden Vorsprung 38b sowie einer an der
Stromabseite vorgesehenen äußeren Biegung 37b versehen,
welche ebenso wie die Biegung 37 so weit über einen verlängerten
Winkelbereieh herumgezogen ist, daß die Resultierende des Moments des aus dem Krümmungsabschnitt Austretenden Strahls praktisch in Übereinstimmung mit der
mechanischen Mittellinie des hinter dem Krüramungsabschnitt liegenden Strahlkanals gebracht wird. Ähnlich wie der
Krümmungs ab schnitt 33 weiset auch der Abschnitt 33b über
seine länge eine Verringerung des Strömungsquerschnitts
auf, während die Zugangsbreite der Spiralkammer 31b in dieser parallel zur Achse des Kompressors 10 liegenden
Richtung am Einlaß des Krümmungsabschnitts 33b etwas
größer ist als die Breite einer am Auslaß des Krümmungsabschnitts 33b vorgesehenen Leitung 51 in einer im rechten
Winkel zu der genannten Achse stehenden Ebene.
• - -. - . - - - — - J
sad
^' 4Ö9819/0616
Am Auslaßende jedes Krümmungsabschnitts 33b der letzten
Kompressorstufe besitzt die Leitung 51 praktisch länglichen,: rechteckigen Innenq.uer schnitt, der praktisch dem
Querschnitt derBadialkanäle 34 der vorangehenden Stufen
entspricht^ Die Leitung 51 weist außerdem einen sich praktisch
parallel zur Achse des Kompressors und längs des Motpr-Lüfter-G-ehäuses 24 erstreckenden Abschnitt 52 sowie
einen in Radialrichtung einwärts in einen ringförmigen
Axialauslaß 54 auslaufenden Abschnitt 53 auf. Zwischen den
Leitungsabschnitten 52 und 53 liegt ein verhältnismäßig
flacher Krümmmgs ab schnitt 55 mit großem Krümmungsradius.
Bekanntlich besitzt ein derartiger Krümmungsabschnitt bzw-. Kniestück nur ein Mindestmaß an Leistungsverlusten und
kann'ersichtlicherweise eine Tendenz der Strömung, sich an
der Stromabseite bzw. äußeren Biegung des Knies anzusammeln, den Impulsmomentausgleich der sich im Auslaß 54 vereinigenden
Strahlen nicht beeinträchtigen· Daher vereinigen sich die duroh die Leitungen 51 strömenden Strahlen
im Auslaß 54 mit nur einem Mindestmaß an Wirbeln, Turbulenzen
und Drehbewegungskomponenten, so daß Wirksamkeitsund
Leistungsverluste beim Ableiten des komprimierten
Gases von der letzten Stufe einer Kompressoreinheit zur
ersten Stufe einer anderen Einheit wesentlich verringert werden.
Am Motor-Lüfter-Gehäuse 24 einer Kompreesoreinheit sind
mehrere in ümfangerichtung auf Abstände verteilte und
■■■". BAD ORIGINAL ·
001111/0618 "30~
materialeinheitlich mit dem Rahmen dieses Gehäuses ausgebilkste
Ansätze 57 vorgesehen, während das Einlaßende des Schaufelradgehäuses 20 des anderen Kompressors nicht dargestellte
Mittel zur abnehmbaren Anbringung von Stiftschrauben 58 aufweist, welche diese Ansätze sowie einen zum endweisen
Verbinden der Einheiten verwendeten Zwischenring durchsetzen. Das Lüftergehäuse 24 ist mit Hilfe der vorher
im Zusammenhang mit der Konstruktion gemäß den lig. t bis
beschriebenen Stiftschrauben 25a sowie mit Hilfe der Stiftschrauben 60 gemäß den Fig* 1, 7 und 8, welche die Enden
der Leitungen 51 mit dem Ende der Spiralauslaßkammer 25
der letzten Stufe verbinden* mit den übirigen Bauteilen der
Kompressoreinheit einschließlich! den scheibenar/fcigen Gliedern
20, 21, 22, 22a, und 23 verbunden.
Wenn die beiden Kbmpressoreinheiteii gemäß Fig. 8 miteinander
verbunden sind, wird der komprimierte Gasstrom vom Auslaß 54 äes einen Kompressors unmittelbar in die axiale
EinlaufÖffnung 26 des anderen Kompressors eingeleitet, um
in letzterem auf die nrorbesehriebene Weise durch die aufeinanderfolgenden
Stufen weiter komprimiert zu werden.
Wie erwähnt, eind die radialem Strahlkanäle 34 an den in
Umf anger ichtirag im Abstand voneinander entf ernten. Seitin
45 dieser Kanäle frei von Begrenzungswänden» Im Fell der
Kbnetruktion gemäß Hg^, 9 sind nicht nur die in ümfangs-
BAD omGMÄl
001119/0610
richtung im Abstand voneinander entfernten Seiten 45c der
radialen Strahlkanäle 34c nicht mit Begrenzungewänden versehen,
sondern weisen aüoh die axial gerichteten Seiten·*
wände 63 und 64» welche eich quer zur Kompressorachse erstrecken
und die Diffusoren 30a von den radialen Strahlkanälen 34c trennen, Vertiefungen 65 bzw· 66 auf, welche
eine wandlose Ausbildung jedes Kanals 34c an seinen axial
gerichteten Seiten 67 und 68 gestatten, wodurch eine Senkung
des Gewichts und der Herstellungskosten des Kompressors ermöglicht wird» Die Vertiefungen 65 und 66 bilden
an ihren Unterseiten lippen 71 bzw. 72 mit scharf abgewinkelten
Kanten 73 und 74, von welchen sich bildende Wirbelströmungen abgefangen, auf die durchschnittliche
Strahlgeschwindigkeit verlangsamt und vom Strahl getrennt werden. Ba die Vertiefungen 65 und 66 Wirbelkammern bilden,
baut sich der in diesen Vertiefungen und in den verbindenden
Ruhezonen vorhandene statische Druck selbsttätig auf einen Wert auf, wie er eur Beschleunigung gegebenenfalls vorhandenen Ruhefluidume auf Strahlgeschwindigkeit
erforderlich ist» .
In Fig. 10 1st eine der Ausführungsform der Erfindung gemäß
den fig» 1 bis 5 ähnliche Konstruktion dargestellt,
die jedoch anstelle von fünf auf gleiche Abstände verteilten Radialkanälen gleicher Größe für jede Stufe nur vier
ftir jede !Compress orstufe vorgesehene, auf gleiche Abstände
..:..'■■- BAD ORIGINAL
009819/0618 -32-
verteilte Badial*StxahlkanäIi 34d aufweist. Aufgrund dieser Anordnung liegen die Strahlen jeweils paarweise einander
diametrftl gegenüber, um einen Ausgleich der resultierenden Impulsmomente an beiden Seiten einer durch den Durchmesser
verlaufenden Axialebene des Kompressors zu erreichen.
In jeder anderen Hi&eicht ist die Konstruktion gemäß Fig·
derjenigen geüfcfl den Fig. 1 bis 5 gleich und weist ebenfalls
in den JCirtimmungsabschnltten 33d die überzogenen äusseren
Biegungen 37d am Auslaßende der Spiralkammern 31 d sowie die wandfreien Grenzflächen an den in Umfangsrichtung
im Abstand voneinander entfernten Seiten 45d der Strahlkanäle
34d auf.
-..'■". en ■■■'.-■"■ -
Die Konstruktion/gemäß den Fig. 1 bis 5 bzw. gemäß Fig.
sollen erläutern, daß die Merkmale der Erfindung auf einen
Kompressor mit jeder beliebigen, geraden oder ungeraden
Anzahl von Strahlen innerhalb praktischer Begrenzungen,
welche durch die Größe, die Eigenschaften und die Erfordernisse des Kompressors festgelegt werden, angewandt werden
können.
Bei den Konstruktionen gemäß den Fig. 1 bis 10 wirken die
Hmdialstrahlen jeder Stufe nahe dem Bereich des Einlaufe
zur nächsten Schaufelradstufe ohne das Vorhandensein von Wänden zusammen und gewährleisten hierbei eine praktisch
gleichmäßig· und wirbelfreie glatte Strömung der sich
009819/0616
vereinigenden Strahlen in den Einlauf. ITm ein glattes Zusammenströmen-der
Strahlen an den Bereichen,· an welchen
die Strahlen anfänglich aufeinander treffen, zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, daß der Winkel zwischen den aneinanderstoßenden Grenzschichten "benachbarter Strahlen,
welcher dem Aufprallwinkel der Strahlen, entspricht, nicht
größer ist als 90°» Aus diesem Grund sollte das Merkmal
des wandfreien Zusammenwirkensder Radialstrahlen nahe dem
Einlaufbereieh vorzugsweise nicht bei einer Kompressorstufe
mit weniger als vier radialen Strahlkanälen angewandt werden* Falls weniger als vier radiale Strahlkanäle in einer
Stufe verwendet werden, ist es vorteilhaft, zwecks Verringerung des Strahl—Beaufschlagungswinkels an den Schnittpunkten der benachbarten Radialkanäle dieser Stufe an
diesen P unkten Leitschaufeln vorzusehen.
In I?ig. 11 ist eine Kompressoreinheit mit drei an jeder
Stufe vorgesehenen, in Umfangsrichtung auf gleiche. Abstände
verteilten radialen Strahlkanälen gleicher Größe dargestellt.
Die Konstruktion gemäß Fig. 11 entspricht mit Ausnahme der Anzahl der radialen Strahlkanäle und des Yorhandenseins
von Leitschaufeln 80 an den Schnittpunkten der
Grenzschichten der Strahlkanäle 34e, wo die benachbarten
Strahlen zusammenlaufen, derjenigen der Konstruktion; gemäß
den Fig. 1 bis 5» Die Leitschaufeln 80 sind jeweils am
Schnittpunkt der Grenzflächen benachbarter Radialstrahlen
... 34
BAD ORIQINAL
0 09819/061e
bzw. Kanäle 54β angeordnet und weisen je zwei konkave Ablenkflächen 81 auf, die stromlinienförmig und fortschreitend
von der Übereinstimmung"-mit den benachbarten Grenzflächen
der aneinander angrenzenden Strahlkanäle 3>4e in Richtung auf eine radiale und axiale Ebene des Einlaufs
konvergieren»
In fig. 12 ist eine der Konstruktion gemäß den Big. 1 bis
ähnliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kompressoreinheit
dargestellt, die jedoch eine gerade Anzahl von beispielsweise seehs Strahlkanälen 3>4f mit unterschiedlichen
Größen aufweist, welche in Umfangsrichtung auf ungleichmäßige Abstande verteilt sind, so daß an keiner
Stelle zwei durch diese Kanäle strömende Strahlen einander diametral gegenüberliegen· Ungeachtet dieser Ausbildung
sind die Resultierenden der Impulsmomente aller Radialstrahlen einer Stufe bei der Konstruktion gemäß Mg, 12
an einer Seite einer beliebig ausgewählten, durch die Achse des Ansaugeinlaufs verlaufenden Ebene praktisch gleicl
der Resultierenden des Impulsmoments der Radialstrahlen
an der anderen Seite dieser Ebene und stehen praktisch in
radialer Ausrichtung mit dieser Resultierenden. Um jedoch eine» derartigen Ausgleich der Strahl-Impulsmomente bei
einer Kompressoreinheit mit gerader Anzahl von auf die erwähnte Weise angeordneten Strahlen zu erreichen, ist ds
erforderlich, daß die Strahlen in zwei Gruppen aufgeteilt werden, wobei die Strahlen jeder Gruppe den Ausgleich des
■ : , BAD
0038 19/OS 18 .-55-
-35- 1S528762
2Ja|»ulstt0men1;s an beiden Seiten einer durch dl« Äöhif dta
AnaaügeinlaufB verlaufenden JSfeen· aufrec
13 ist ein Vektordiagrama für die
te der seGhs Strahlen aufweisenden Konstruktion gemäß
12. In diesem Diagramm gemäß fig« 13 sind die Resultierenden
der Impuismomente der verschiedenen Strahlen durch die
Radialvektoren J1,S^t****** Jg angedeutet, während die
Strahlen in Jig· 12 durch entsprechende an die Mitte der
Impulsmomente der Strahlen darstellenden linien vorgesehene
Kennzeichnungen bezeichnet Bind. Bei dieser Konstruktion wurde gemäß I*ig. 13 eine im rechten Winkel zum Vektor J»
liegende Radialebene D ausgewählt.
Die kombinierten Impulsmomentkräfte an beiden Seiten der
Ebene D ergeben sich durch Summierung der Komponenten des
Normalvektoren auf dieser Ebene. Zur Erzielung eines vollkommenen Ausgleichs der Strahlen muß die Summe aller im
rechten Viinkel zur EbenejD liegenden Strahlenkräfte an jeder
Seite dieser Ebene und für jede Winkelstellung derselben gleich groß sein. Außerdem muß die Summe aller Tangentialkräfte
zur Ebene D unter Berücksichtigung ihrer Richtung in allen Winkellagen dieser Ebene gleich Null sein.
IHir die dargestellte Lage der Ebene gelten daher die Bedingungen
'
J2n +J3 +J4n + J6n +J1n
und
009819/0616 bad
TJm gemäß dieser Formel einen Ausgleich der Strahl-Impulsmomente
au erreichen, müssen J.., J, und J1- bzw. J2» ^
und Jg jeweils gleich groß sein und gleichen Abstand voneinander
besitzen. Zwecks Ausgleichs kann die Winkel vertei
lung zwischen den einzelnen Strahlen wie folgt vorgenommen
werden«
S1 = 48°
O2 =72°
- 48°
== 72°
O6 =72°
Von den beschriebenen, unterschiedlichen Konstruktionen
können allgemeine Regeln für die Erzielung eines Ausgleichs
der Impulemomente der Strahlen jeder Stufe abgeleitet werden,
nämlich
a) Strahlen gleicher Größe müssen auch gleiche Abstände
voneinander besitzen,
b) Es kann jede beliebige Anzahl von Strahlen (zwei oder mehr) gleicher Größe angewandt werden,
c) Eineungerade Anzahl von Strahlen muß gleiche Größen
und Abstände aufweisen.
d) Strahlen ungleicher Größe müssen in Gruppen angeordnet sein, wobei jede Gruppe aus Strahlen gleicher
Größe und mit gleichen Abständen besteht.
-37-
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Bei allen beschriebenen Ausfülirungsformen der Erfindung
ist der zwischen dem Auslaß des Schaufelrads und den
Einlassen der Auslaß-Spiralkammern, vorgesehene Diffusor,
der in Fig. 1 bei 30 angedeutet ist, ohne Leitsohaufeln dargestellt, doeh kann dieser Diffusor^ soweit sich dies
auf gewisse Merkmale der Erfindung bezieht, auch mit Leitsehauf
ein versehen werden.
Obgleich alle Kompressorstufen jeweils gleich ausgebildet
dargestellt wurden und sich ein Erfindungsziel mit der Schaffung einer verbesserten mehrstufigen Vorrichtung beschäftigt,
welche in der angegebenen Weise ausgebildet sein kann, ist es zu beachten, daß sich der erweiterte
Grundgedanke der Erfindung gleichermaßen auf Mehrstufenvorrichtungen mit hoher Leistung und hohem Druckverhältnis, wie sie beispielsweise bei modernen G-asturbinen-Triebwerken
verwendet werden, bzw. mit niedriger Leistung und hohem Druckverhältnis anwenden läßt, wie d.ies beispielsweise
für Kompressoren von Kühlgeräten erforderlich ist. Bei der dargestellten, speziellen Ausführungsform der Erfindung
vermag jede Stufe der Vorrichtung in einem Duroh:-
satzbereieh von etwa 2:1 und mit Druckverhältnissen im Bereich von etwa 1,1 ft bzw. 1*2*1- pro Stufe zu arbeiten, wobei
sich geringe Abweichungen in Druck und Wirkungsgrad ergeben. Bei Verwendung des Boohgesehwindigkeit-Kompressors
gemäß der ITSA-^atentedhrift 2 453 524 bzw» der Sotorkonetruktion
gemäß dear UBA-?atentsehrift 2 392 858 und bei
t«St1§/t§t*
Durchführung gewisser Einstellungen zur Berücksichtigung
der Kompressibilität kann eine erfindungsgemäße Kompressor-Stufeneinheit derart ausgebildet werden, daß sie bei Druckverhältnissen
von mehr als 3*1 pro Stufe ebenso gut zu
arbeiten vermag» In diesem Fall müßte jedoch jede folgende
Stufe notwendigerweise eine andere Größe und eine andere
Leistung besitzen, lalls zwei derartige Vorrichtungen in
Reihe hintereinandergeschaltet werden sollen, wäre ebenfalls
ein ähnlicher Größenausgleich erforderlich. Aus diesem Grund kann die Kompressorvorrichtung hinsichtlich
gewisser Merkmale der Erfindung von der ersten bis zur
letzten Stufe eine Größenreduzierung erfahren, um einen
Ausgleich für die Kompressibilität von Gasen bei erhöhten
Druckverhältnissen zu gewährleisten.
Sämtliche Ausführungsformen de» Erfindung wurden im Zusammenhang
mit einer mehrstufigen Zentrifugalvorrichtung beschrieben.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung,
soweit sich dies auf bestimmte Merkmale derselben bezieht, auch auf eine einstufige Vorrichtung angewandt
werden kann, welche als Einstufenvorrichtung Verwendung finden soll» Bine derartige einstufige Vorrichtung weist
vorteilhafterweise Mittel zum Anschließen an eine ähnliche
Einstufenvorrlchtung oder eine Mehrstufenvorrichtung auf,
einigt mit der sie zu einem mehrstufigen Kompressor verlüKgMX
werden kann, um deesen Stufenanzahl zu vergrößern· Bei«
spieleweiee könne» die beiden soheibenartigen Zwischen«
BAD ORIGINAL
. 00 9819/0616 "*39"
-39- 1628762
Sehaufelradgehäuseglieder21 sowie, die'.beiden scheibenartigen
Zwischenstufenglieder 22 der Konstruktion gemäß Eig.1
entfernt und kann das stirnseitige Sohaufelradgehäuaeglied
20 in Flächenberührung mit dem Zwischenstufen-Trägerglied
22a verbunden werden, so daß eine einstufige Gebläseeinheit
mit einem Antriebsmotor gebildet wird. Eine derartige Vorrichtung kann als Einstufenvorrichtung betrieben oder
gemäß Eig. 8 mit einer oder mehreren dieser einstufigen
Vorrichtungen bzw. mit einer !lehretufenvorrichtung verbunden
werden, so daß eine mehrstufige Vorrichtung mit einer größeren Anzahl von Stufen gebildet wird, als dies bei
einer einzigen derartigen Vorrichtung möglich ist. Wahlweise können auch gemäß Fig. 1 ein oder mehrere scheibenartige
Schaufelradgehäuseglieder 21 sowie ein oder mehrere Zwisehenstufenglieder 22 zwischen die Glieder 20 und 22a
eingefügt werden, um die Zahl der Stufen der Vorrichtung zu erhöhen. Ersichtlicherweise besitzt der erfindungsgemäße
Kompressor somit eine große Verwendungsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit, wodurch ein großer Anwendungsbereich
der Erfindung sichergestellt wird.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen
beschrieben wurde, soll sie ersichtlicherweise nicht auf diese beschränkt sein, sondern alle innerhalb
des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen mit einschließen·.
BAD ORIGINAL 009819/0616
Claims (1)
- Patentansprüche.1·} Zentrifugalpumpe mit einem Schaufelrad, einem längs ihrer Achse verlaufenden Einlauf für das Schaufelrad und einem längs der Pumpenachse verlaufenden Auslaß sowie mit Mitteln zur Unterteilung des Schaufelradaustrags in eine Anzahl von Strahlen und zur Ableitung der Strahlen in Hichtung auf den Auslaß, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel eine Anzahl von an der Auslaßseite des Schaufelrads vorgesehenen Spiralkammern sind, an den Auslaßenden der Spiralkammern Krümmungsabschnitte und zwischen diesen sowie dem Auslaß Kanäle vorgesehen sind, jeder Erümmungsabschnitt eine innere und eine äußere Biegung aufweist und die äußere Biegung über einen größeren Winkelbereich herumgezogen ist, ale dies erforderlich wäre, um den Strahl von der enspreehenden Spiralkammer längs des entsprechenden Kanals umzulenken, wodurch ein Ansammeln des Strahls von der inneren Biegung hinweg an der äußeren Biegung herabgesetzt wird, während der Strahl den Krümmungsafcsehnitt durchströmt, so daß die Drehbewegungskomponente des Strahls verringert wird.-41-009819/06 162» Pumpe nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet.,, daß Jede innere Biegung nahe ihrem Anfangsende mit einem Vorsprung versehen ist» der sich in eine quer zur Strömungsrichtung durch den jeweiligen Krüimungsabschnitt verlaufende Sichtung erstreckt»3· Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrstufenpumpe mit zwei aufeinanderfolgenden Einheiten ist, das Schaufelrad der vorangehenden Stufe zugeordnet ist, der Auslaß dieser Stufe den Einlauf der folgenden Stufe darstellt und die Mittel zur Unterteilung des Schaufelradaustrags der vorangehenden Stufe in eine Anzahl von Strahlen diese Strahlen radial einwärts in Sichtung .auf den Einlauf der folgenden Stufe umlenken,4. Pumpe nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Radialstrahlen und der Abstand zwischen diesen derart bemessen sini t daß die Resultierende des Radialstrahl-Impulsmomente arjeiner Seite einer beliebig ausgewählten» durch die Achse der Vorrichtung verlaufenden Ebene praktisch der Resultierenden des Radialstrahl-Impulsmoments an der anderen Seite dieser Ebene entspricht und praktisch in radialer Ausrichtung mit dieser Resultierenden steht«ßAD ORIGINAL9/ 0616 ■5» Zentrifugalpumpe mit einem Schaufelrad, einem axialen Einlauf für dieses, einem axialen Auslaß und Mitteln zur Unterteilung des Schaufelradäustfags in mehr als zwei in ümfaijg srichtung im Abstand voneinander entfernte Strahlaiifc sowie zur umlenkung dieser Strahlen radial einwärts in Richtung auf den Auslaß, dadurch gekennzeichnet, daß "-Mittel zur Steuerung der Impulsmoment.verteilung jedes Strahls vorgesehen sind, welche die Resultierende des Strahl-Impulsmoments praktisch durch die Achse des Auslaßes und nahe der mechanischen Radial-Mittellinie des Strahlft verlaufen lassen, mindestens ein Strahl außerhalb radialer Ausrichtung auf einen der anderen Strahlen steht und die Größen derStrahlen sowie der .Abstand zwischen ihnen derart bemessen sind, daß die Resultierende des Radialstrahl—Impulsmoments an einer Seite einer beliebig ausgewählten, durch die Achse der Torrichtung verlaufenden Ebene praktisch der Resultierenden des Radiais trahl-Impulsmoments an der anderen Seite dieser Ebene entspricht und praktisch in radialer Ausrichtung mit dieser Resultierenden, steht.6» Mehrstufige Zentrifugalpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß Bie zwei aufeinanderfolgend*Stufeneinheiten mit zwei aufeinanderfolgenden, koaxialen Schaufelrädern, einen Einlauf für die vorangehende Stufe, einen axialerBAD ORIGINAL009119/0616Saugeinlauf für die folgende Stufe, eine Auslaßeinrichtung für den Austrag von der zweiten Stufe sowie Mittel zur Unterteilung des Schaufelradauetrage der ersten Stufe in eine Anzahl von Strahlen und mir Umlenkung der Strahlen radial einwärts in Richtung auf den Ansaugeinlauf aufweist, die ünterteilungB- und Umlenkmittel eine Anzahl von Spiralkammern, eine der Spiralkammeranzahl ensprechende Anzahl von Radialkanälen und die Ausläßenden der Spiralkammern mit den Einlaßenden der Badialkanäle verbindende KrÜmmungsal)-schnitt« aufweisen und jeder Radialkanal zwischen dem Krümmungsabschnitt und einem nahe dem Ansaugeinlauf gelegenen Bereich im Abstand voneinander entfernte, .wandfreie G-renzf lachen aufweist.Zentrifugalpumpe mit einem Schaufelrad, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen axialen Einlauf für das Schaufelrad und einen axialen Auslaß aufweist, Mittel zur Unterteilung des Sohaufelradaustrags in eine Anzahl von Strahlen und zur Umlenkung dieser Strahlen radial einwärts in Richtung auf den Auslaß sowie Mittel zur Verbindung der Vorrichtung mit einer ähnlichen Zentrifugalpumpe vorgesehen sind und der Auslaß der ersten Vorrichtung den axialen Einlauf der zweitgenannten Pumpenvorrichtung speist und mit letzterer zusammen eine Mehrstufenputapenanordnuigbildet.009819/0618 BAD ORIGINAL8* Ivfehrstufige Zentrifugalpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei aufeinanderfolgende Stufeneinheiten mit zwei aufeinanderfolgenden, koaxialen Schaufelrädern, einen Einlauf für die vorangehende Stufe, einen axialen Saugeinlauf für die folgende Stufe, eine Auslasseinrichtung für den Austrag von der zweiten Stufe sowie Mittel zur Unterteilung des Schaufelradaustrags der ersten Stufe in mehrere, in Umfangsrichtung im Abstand voneinander entfernte Strahlen und zur Umlenkung der Strahlen radial einwärts in Richtung auf den Einlauf aufweist, diese Mittel eine Anzahl von Spiralkammern und deren Auslassenden mit den Einlassenden der Radialkanäle verbindende Krümmungsabschnitte aufweisen und die jedem Strahl zugeordneten Strömungsquerschnitte sich zwecks Unterdrückung von in den Strahlen erzeugten Wirbelströmungen fortlaufend vom Querschnitt am Auslassende des entsprechenden Krümmungsabschnitte bis zu dem unmittelbar außerhalb des Einlauf s liegenden Strahlende verringern,9* Mehrstufige Zentrifugalpumpe, dadurch gekannzeichnet, daß sie zwei aufeinanderfolgende Stufeneinheiten mit zwei aufeinanderfolgenden, koaxialen Schaufelrädern, einen Einlauf für die vorangehende Stufe, einen axialen Saugeinlauf für die folgende Stufe, eine Auslasseinrichtung für den Austrag von der zweiten Stufe sowie Mittel zur Unterteilung des SchaufelradaustragsBAD 009819/0616der ersten Stufe in mehrere* in Umfangsrichtung im Abstand voneinander entfernte Strahlen und zur Umlenkung der Strahlen radial einwärts in Richtung auf den Einlauf aufweist, diese Mittel eine Anzahl von Spiralkammern, eine deren Anzahl entsprechende Anzahl von auf den Einlauf gerichteten Radialkanälen sowie die Auslassenden der Spiralkammern mit den Einlassenden der Radialkanäle verbindende Krümmungsabschnitte aufweisen,, die zweitgenannte Stufeneinheit an der Auslaßseite ihres Schaufelrads Spiralkammern aufweist und die Spiralkammern der aufeinanderfolgenden Stufen durch einfache Druckbegrenzungswände voneinander getrennt sind.8AD ORIGINAL1Q8f§11/0616Lee rs e ι te
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