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Die
Erfindung betrifft einen Axiallüfter
mit nachgeschaltetem Leitapparat. Axiallüfter werden in vielen industriellen
Anwendungen, wie beispielsweise der Ziegelindustrie und der Automobilindustrie,
erfolgreich eingesetzt. Um den Wirkungsgrad der Axiallüfter zu
verbessern, ist es bekannt in Strömungsrichtung gesehen hinter
dem Lüfterrad
einen Leitapparat anzuordnen. Der Leitapparat dient dazu, den vom
Lüfterrad
erzeugten Drall aus der geförderten
Luft zu nehmen.
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Herkömmliche
Leitapparate weisen einfach gekrümmte
Leitschaufeln auf, die häufig
aus einem aus einem rechteckigen oder trapezförmigen Blechzuschnitt geformt
werden. Trotz des nachgeschalteten Leitapparats sind der Wirkungsgrad
und die Geräuschentwicklung
bei diesen Axiallüftern
noch nicht optimal gestaltet.
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Des
Weiteren sind die herkömmlichen
Leitapparate auf Nabenverhältnisse
von größer 0,4
beschränkt. Bei
kleineren Nabenverhältnissen
steigt bei herkömmlichen
Leitapparaten die Zahl der erforderlichen Leitschaufeln stark an,
was die Baukosten erhöht
und den Wirkungsgrad des Leitapparats verringert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leitapparat, einen Axiallüfter mit
nachgeschaltetem Leitapparat und einen Drehlüfter, umfassend einen Axiallüfter und
ein drehbares Gehäuse,
bereitzustellen, deren Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Leitapparaten und
Lüftern
deutlich verbessert ist, deren Geräuschemission verringert ist
und die einen großen
Einsatzbereich haben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Leitapparat für
einen Axiallüfter,
wobei der Leitapparat mehrere im wesentlichen radial angeordnete
Leitschaufeln umfasst, wobei der Leitapparat in Strömungsrichtung
hinter einem Laufrad des Axiallüfters
angeordnet ist, und wobei die Leitschaufeln eine Eintrittskante und
eine Austrittskante aufweisen, dadurch gelöst, dass die Eintrittskanten
der Leitschaufeln gekrümmt
sind.
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Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gestaltung der Leitschaufeln
wird als Krümmung
der Verlauf der Eintrittskante und nicht die zusätzlich vorhandene Krümmung der
Leitschaufel in Richtung von der Eintrittskante zur Austrittskante
verstanden. Anders ausgedrückt:
Bei dem erfindungsgemäßen Axiallüfter wird eine
Leitschaufel nicht aus einem rechteckigen oder trapezförmigen Blechzuschnitt
hergestellt, sondern bei einem Blechzuschnitt für eine erfindungsgemäße Leitschaufel
ist die Eintrittskante des Blechzuschnitts auch vor dem Biegen bereits
gekrümmt.
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Es
hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Tiefe der
Leitschaufeln über
eine Länge
der Leitschaufeln stetig ändert.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn eine Tiefe der
Leitschaufeln in einem Bereich zwischen 50% und 80% der Länge der
Leitschaufeln, bevorzugt in einem Bereich zwischen 60% und 80%,
ein Minimum aufweist. Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn die Eintrittskante der Leitschaufeln konkav gekrümmt ist.
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Diese
Geometrien haben bei praktisch ausgeführten Prototypen zu einer Reduktion
der Antriebsleistung bei konstanter Förderleistung des Axiallüfters um
etwa ein Fünftel
geführt.
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Da
selbstverständlich
zwischen dem Axiallüfter
und dem Leitapparat eine Wechselwirkung besteht, ist es nicht möglich, im
Sinne einer einfachen Formel die Geometrie der Eintrittskante festzulegen.
Es hat sich daher bislang als notwendig erwiesen, die optimale Form
der Eintrittskante durch eine Kombination aus Simulationsrechnung
und einer örtlich
hoch aufgelösten
Messung der tatsächlichen
Strömungsverhältnisse
im Übergangsbereich
zwischen Axiallüfter
und Leitapparat zu ermitteln.
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In
einer Ansicht von vorne kann die Eintrittskante der Leitschaufel
in vielen Fällen
durch ein Polynom, Kurve zweiter Ordnung, insbesondere eine Parabel,
eine Hyperbel, eine Ellipse oder eine Kombination davon, beschrieben
werden. Bei vielen Anwendungen hat sich eine parabelförmige Eintrittskante
als geeignet erwiesen. Dabei verläuft die Scheiteltangente der
parabelförmigen
Eintrittskante unter einem Winkel β zu einem Radius R auf einen
Scheitel S der Parabel, wobei der Winkel β häufig in einem Bereich zwischen
0° und 10° liegt.
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Wenn
die Leitschaufel zylindrisch gebogen ist, dann ergibt sich der Verlauf
der Eintrittskante aus der Schnittlinie zwischen dem genannten Zylinder
und einer Fläche
zweiter Ordnung, die im Querschnitt beispielsweise die Form einer
Parabel, einer Hyperbel oder einer Ellipse hat.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Leitapparats ist die durch
seinen Einsatz reduzierte Geräuschemission
des Axiallüfters
erwiesen. Bei versuchsweise ausgeführten Anlagen konnte sogar
auf die am Luftauslass vorgesehenen Endschalldämpfer verzichtet werden, was
erstens den Gesamtwirkungsgrad der lufttechnischen Einrichtung verbessert
und naturgemäß die Investitionskosten
sowie den Bauraumbedarf verringert.
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Da
heutzutage Axiallüfter üblicherweise
aus Stahlblech und als Schweißkonstruktion
ausgeführt
werden, sind die Kosten für
das Herstellen der Blechzuschnitte für die erfindungsgemäßen Leitschaufeln
aufgrund der heutigen Fertigungsmöglichkeiten, insbesondere durch
Laserschneiden, nahezu identisch zu den Herstellungskosten einer
herkömmlichen
Leitschaufel.
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Selbstverständlich ist
ein erheblicher Entwicklungs- und Forschungsaufwand zur Ermittlung
des optimalen Verlaufs der Eintrittskante erforderlich. Dieser Aufwand
ist jedoch nur bei der Produktentwicklung erforderlich. Bei der
Serienfertigung können
diese Kosten naturgemäß auf die
produzierten Axiallüfter
bzw. die produzierten Leitapparate umgelegt werden.
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Wegen
des erheblichen Einsparpotentials von teilweise bis 20% bei der
Antriebsleistung und der hohen Nutzungsdauern der industriell eingesetzten
Axiallüfter
amortisieren sich die Kosten für
den erfindungsgemäßen Leitapparat
häufig
bereits nach kurzer Zeit. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Leitapparats ist
darin zu sehen, dass, verglichen mit herkömmlichen Leitapparaten, die
Zahl der Leitschaufeln verringert werden kann. Dadurch werden Produktionskosten
eingespart und der Strömungswiderstand
aufgrund der geringeren Zahl der Leitschaufeln reduziert.
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Auch
ist es mit dem erfindungsgemäßen Leitapparat
möglich,
Nabenverhältnisse
bis zu 0,3 abzudecken, was mit herkömmlichen nachgeschalteten Leitapparaten
nicht oder zumindest nicht mit vertretbarem wirtschaftlichem Aufwand
möglich
ist.
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Die
erfindungsgemäßen Vorteile
lassen sich auch realisieren durch einen Axiallüfter mit nachgeschaltetem Leitapparat,
wobei der Leitapparat Leitschaufeln mit der erfindungsgemäß beanspruchten
Geometrie aufweist.
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Entsprechendes
gilt für
einen Drehlüfter
umfassend einen Axiallüfter
und ein drehbar gelagertes Gehäuse,
wobei an dem Gehäuse
mindestens eine Luftaustrittsöffnung
vorgesehen ist, bei dem der Leitapparat die erfindungsgemäße Form
der Leitschaufeln aufweist.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale
können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Zeichnungen
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Ansicht von vorne auf ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leitapparats;
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2 das
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 in
verschiedenen Ansichten,
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3 einen
Drehlüfter
mit Axiallüfter
und erfindungsgemäßem Leitapparat
in einer Seitenansicht und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Axiallüfters.
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4 ein
Diagramm, welches die Druckerhöhung
in Abhängigkeit
der Durchflusszahl zeigt und
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5 ein
Diagramm, welches den Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Durchflusszahl
zeigt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine Ansicht von vorne auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitapparats 1.
Der Leitapparat 1 umfasst Befestigungsflansche 3,
von denen in 1 nur einer sichtbar ist, und
mehrere Leitschaufeln 5, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur eine mit dem Bezugszeichen 5 versehen wurde. Die Leitschaufeln 5 erstrecken
sich von einer Nabe 7 mit einem Durchmesser Di bis
zu den Flanschen 3 mit dem Durchmesser D. Die Nabe 7 ist
bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
als Rohrabschnitt ausgebildet. Ebenso ist, wie sich aus 2b und c ergibt, zwischen den Flanschen 3 ein äußerer Rohrabschnitt 9 vorgesehen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist
der Leitapparat 1 als Schweißkonstruktion ausgebildet. Dies
bedeutet, dass die Leitschaufeln 5 an ihrem ersten Ende
mit der Nabe 7 und an ihrem zweiten Ende mit dem Rohrabschnitt 9 verschweißt werden.
Selbstverständlich
ist die Erfindung nicht auf Schweißkonstruktionen oder bestimmte
Materialien beschränkt.
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Die
Leitschaufeln 5 weisen jede eine Eintrittskante 11 und
eine Austrittskante 13 auf. Eine Längenkoordinate L beginnt an
der Nabe 7 und endet am Rohrabschnitt 9. Die Längenkoordinate
L verläuft
in radialer Richtung und beginnt an einem Innendurchmesser Di. Eine Tiefe T der Leitschaufeln 5 verläuft in tangentialer Richtung.
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Bei
der erfindungsgemäßen Geometrie
der Leitschaufeln 5 ist die Eintrittskante 11 gekrümmt ausgeführt. Die
Austrittskante 13 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 gerade.
Dies bedeutet, dass eine Tiefe T (r) der Leitschaufeln 5 vom
Radius R abhängt.
Ausgehend von einer maximalen Tiefe an der Wurzel der Leitschaufel 5,
dort wo sie mit der Nabe 7 verschweißt ist, nimmt die Tiefe T der
Leitschaufel 5 stetig ab, bis eine minimale Tiefe Tmin erreicht ist. Anschließend steigt
die Tiefe T bis zur Spitze der Leitschaufel 5 wieder an,
wo sie mit dem äußeren Rohrabschnitt 9 verschweißt ist.
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Es
hat sich bei ausgeführten
Prototypen als vorteilhaft erwiesen, wenn die minimale Tiefe Tmin der Leitschaufeln in einem Bereich zwischen
50% und 85% der Länge
L der Leitschaufeln, besonders bevorzugt aber in einem Bereich zwischen
60% und 80%, der Länge
der Leitschaufeln liegt. Dabei ist die Gesamtlänge L der Leitschaufeln 5 nach
der Formel L = ½·(Da – Di)zu berechnen.
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Bei
ausgeführten
erfindungsgemäßen Nachleitapparaten
haben sich folgende Werte für
minimale Tiefe T
min der Leitschaufeln
5 als
optimal erwiesen:
| Nabenverhältnis Di/Da | Minimale
Leitschaufeltiefe Tmin in Prozent der Tiefe
T (Di) am Innendurchmesser Di |
| 0,315 | 75% |
| 0,35 | 70% |
| 0,45 | 75% |
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Die
konkrete Gestaltung der konkaven Krümmung der Eintrittskante 11 hängt naturgemäß von den
Abmessungen des Leitapparats, der Beschaufelung des nicht dargestellten
Axiallüfters
sowie der Lage des optimalen Wirkungsgrades in der Kennlinie ab.
Auch können
die stromabwärts
gelegenen Bauteile, wie ein Diffusor oder ein Gehäuse eines
Drehlüfters,
Einfluss auf das Strömungsverhalten
des erfindungsgemäßen Leitapparats 1 haben.
Daher ist es nicht möglich,
im Sinne einer einfachen Formel die Geometrie die Krümmung der Eintrittskante 11 der
erfindungsgemäßen Leitschaufeln 5 anzugeben.
Es ist vielmehr eine Kombination aus Messungen und Simulationsrechnungen
erforderlich, um für
konkrete Axiallüfter
die optimale Gestaltung der Eintrittskante 11 zu ermitteln.
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In
guter Näherung
kann der Verlauf des gekrümmten
Teils der Eintrittskante 11 in der Ansicht von vorne (1)
durch eine Parabel angenähert
werden. Dabei liegt ein Scheitelpunkt S an dem Ort an dem die Tiefe T
der Leitschaufel 5 minimal ist (TR =
Tmin). Eine Scheiteltangente ST der Parabel
schließt
mit einem Radius R des Scheitelpunkts S einen Winkel β ein. Dieser
Winkel β kann
von null verschieden sein. In manchen Anwendungen hat sich ein Winkel β zwischen
0° und 10°, besonders
bevorzugt zwischen 4° und
7°, als
vorteilhaft erwiesen. Ein Brennpunkt der Parabel ist mit dem Bezugszeichen
F versehen worden.
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In 2a ist die Ansicht gemäß 1 etwas
verkleinert dargestellt. Auch wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle
Bezugszeichen übernommen.
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2b zeigt eine Schnittansicht entlang der
Linie A-A durch den erfindungsgemäßen Leitapparat, während in
der 2c eine isometrische Darstellung
des Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Leitapparats
gezeigt ist. Die Strömungsrichtung
ist durch mehrere Pfeile 15 angedeutet.
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Aus
der 2b ist gut zu erkennen, dass die
Leitschaufeln 5 im Bereich der Eintrittskante 11 einfach gekrümmt sind,
wobei die Leitschaufeln 5 im Bereich der Austrittskante 5 parallel
zur Längsachse
des Leitapparats 1 verlaufen und somit die durch den Leitapparat
strömende
Luft oder das durch den Leitapparat 1 strömende gasförmige Medium
nahezu drallfrei aus dem Leitapparat 1 ausströmt. Es hat
sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Leitschaufeln 5 im
Bereich der Eintrittskante 11 in Form eines Zylinders gekrümmt sind.
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In 3 ist
eine Seitenansicht eines mit einem erfindungsgemäßen Leitapparat 1 ausgerüsteten Drehlüfters 17 dargestellt.
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Die
Strömungsrichtung
der Luft ist wiederum durch Pfeile 15 angedeutet. Der Drehlüfter 17 umfasst einen
Axiallüfter 19,
einen erfindungsgemäßen Leitapparat 1 und
ein Gehäuse 21.
In dem Axiallüfter 19 ist
ein Laufrad 23 angeordnet, das durch eine Antriebswelle 25 in
Drehung versetzt wird. Der Axiallüfter 19 kann ein herkömmlicher
Axiallüfter
sein. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein erfindungsgemäßer Leitapparat 1 mit
Leitschaufeln 5 in dem Gehäuse 21 angeordnet
und an ihm befestigt.
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Das
Gehäuse 21 des
Drehlüfters
ist kegelstumpfförmig
ausgebildet und weist mehrere Leitbleche 27 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind nicht alle Leitbleche mit Bezugszeichen versehen.
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Die
Leitbleche 27 bewirken, dass die von dem Axiallüfter 19 bzw.
dessen Laufrad 23 geförderte
Luft horizontal ausgeblasen wird. Das Gehäuse 21 ist in seinem
in 3 unteren Bereich drehbar gelagert und rotiert
während
des Betriebs langsam um seine Längsachse
oder wird während
des Betriebs langsam um seine Längsachse
geschwenkt. Zusammen mit dem Gehäuse 21 drehen
sich der Nachleitapparat 5 und das Gehäuse des Axiallüfters 19.
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Das
Lager ist in 3 mit dem Bezugszeichen 29 versehen.
Durch die Drehung des Gehäuses 21 ändert sich
die Austrittsrichtung der Luft, fortwährend, so dass der gesamte
Umgebungsbereich des Drehlüfters
mit Trockenluft, wie sie beispielsweise bei der Ziegelherstellung
erforderlich ist, versorgt wird.
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Auch
bei dem in 3 dargestellten Anwendungsfall,
bei dem der erfindungsgemäße Leitapparat 1 in einen
Drehlüfter 17 integriert
wird, lassen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Leitapparats 1 erzielen,
da die Luft nahezu drallfrei in das Gehäuse 21 einströmt. Infolgedessen
werden alle Leitbleche 27 mit nahezu drallfreier Trockenluft
angeströmt
und es stellt sich über
die gesamte Länge
des Gehäuses 21 eine
nahezu konstante Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus den Austrittsöffnungen 27 ein.
Dadurch wird ein sehr gleichmäßiges Trockenergebnis
erzielt und außerdem
kann die Leistung des Axiallüfters 19 deutlich
reduziert werden. Wegen des verbesserten Trocknungsergebnisses aufgrund
des erfindungsgemäßen Leitapparats 1 kann auch
der Durchsatz durch die Trockeneinrichtung, in der die erfindungsgemäßen Drehlüfter 17 angeordnet sind,
erhöht
werden oder es kann mit geringerem Energieeinsatz die gleiche Trocknungsleistung
erzielt werden.
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In 4 ist
die Druckzahl ψ über der
Durchflusszahl φ aufgetragen.
Dabei bedeuten:
- ψtot:
- Druckzahl total
- ψfa:
- Druckzahl frei ausblasend/statisch
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Dabei
ist die Kennlinie eines mit einem erfindungsgemäßen Nachleitapparat 1 ausgerüsteten Axiallüfters als
durchgezogene Linie dargestellt, während die Kennlinie eines mit
einem herkömmlichen
Nachleitapparat 1 ausgerüsteten Axiallüfters als
gestrichelt Linie dargestellt ist.
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In 5 ist
der Wirkungsgrad η über der
Durchflusszahl φ aufgetragen.
Dabei bedeuten:
- ηtot:
- Wirkungsgrad total
- ηfa:
- Wirkungsgrad frei
ausblasend/statisch
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Auch
in 5 ist die Kennlinie eines mit einem erfindungsgemäßen Nachleitapparat 1 ausgerüsteten Axiallüfters als
durchgezogene Linie dargestellt, während die Kennlinie eines mit
einem herkömmlichen
Nachleitapparat 1 ausgerüsteten Axiallüfters als
gestrichelt Linie dargestellt ist.
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Die
Druckzahl ψtot und der Wirkungsgrad ηtot sind
auf die gesamte Rohraustrittsfläche
bezogen und wurden mit einem druckseitigen Ausgleichsrohr mit einer
Länge von
2 × Rohrdurchmesser
ermittelt.
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Die
Durchflusszahl φ wurde
nach folgender Gleichung bestimmt: φ = 4·V°/(D3·Π2·n)
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Die
Druckzahl ψ wurde
nach folgender Gleichung bestimmt: ψ = 2·Δp/(ρ·D2·Π2·n2)Mit:
- V°:
- Volumenstrom [m3/s]
- Δp:
- Druckerhöhung [Pa]
- ρ:
- Dichte [kg/m3]
- D:
- Schaufelraddurchmesser
[m]
- n:
- Drehzahl [1/s]
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Aus
dem Vergleich der in 4 und 5 dargestellten
Kennlinien werden die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Nachleitapparats 1 deutlich.