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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verstellbare Drallerzeugungseinrichtung für Verdichter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Zur Beeinflussung des Kennfelds von Verdichtern werden Drallerzeuger eingesetzt, um die Pumpgrenze hin zu höheren Druckdifferenzen beziehungsweise geringeren Massenströmen zu verschieben und somit den Betrieb des Verdichters zu stabilisieren.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE2060271 A geht ein Leitapparat für einen Verdichter hervor. Der Leitapparat weist gekrümmte, flexible Schaufeln auf, welche sternförmig im Saugrohr des Verdichters über eine feststehende, radial ausgerichtete Eintrittskante positioniert sind. In Abhängigkeit der Durchflussmenge werden die federnden Schaufeln aus der Stellung mit ursprünglicher Krümmung in eine Stellung geringerer Krümmung gedrückt.
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Aus der Patentschrift
DE2416165B2 geht ein Leitschaufeldiffusor mit elastischen Leitschaufelwänden für Radialverdichter hervor, mittels welchen der Strömungswinkel und Strömungsquerschnitt veränderbar ist. Dazu sind die hohl ausgeführten elastischen Leitschaufelelemente zu deren Betätigung mit einer Zuführung für ein fluidisches oder gasförmiges Druckmittel und mit Rückholelementen versehen.
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Aus der Patentschrift
DE3707723C2 ist eine Drallerzeugungseinrichtung mit einem schwenkbaren Flügel bekannt, welcher vor einem Rotor einer Strömungsmaschine angeordnet ist. Der Flügel mit einer asymmetrischen, einseitig stromaufwärts gepfeilten Form ist dabei um eine senkrecht zur Strömungsrichtung liegende Achse schwenkbar und erzeugt einen einstellbaren Drall.
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Aus der Patentschrift
DE19955510C1 gehen Leitschaufeln für einen Radialverdichter eines Abgasturboladers hervor. Die im Eintrittsbereich vor dem Verdichterlaufrad des Radialverdichters um eine radial ausgerichtete Achse schwenkbar gelagerten Leitschaufeln werden durch die einströmende Luft entgegen der Kraft eines Drehfederelements verstellt. Dabei können die Leitschaufeln eine im Wesentlichen feste Schaufelgeometrie aufweisen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE102010026176A1 geht ein variabel verstellbarer Konus zur Kennfeldstabilisierung eines Verdichters hervor. Der Konus ist in einer dargestellten Ausführungsform aus mehreren, über den Innenumfang des Einströmbereichs angeordneten Lamellen gebildet, welche mittels eines elastischen Rings und eines verschiebbaren Rings gehalten werden. Über die axiale Verschiebung des Rings wird eine variable, verjüngende Trichterform gebildet.
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Aus der Patentschrift
DE102011121996B4 ist eine Vorrichtung zum Betrieb eines Verdichters bekannt, welcher am Verdichtereintritt ein variabel verengbares Element mit einem ersten Strömungsquerschnitt und einem in Strömungsrichtung beabstandeten zweiten, variablen Strömungsquerschnitt aufweist und der Strömung eine Drallbewegung aufgeprägt werden kann. Dazu sind zusätzliche Strömungsleitelemente am Innenumfang des Elements vorgesehen, welche einerseits im Bereich des ersten Strömungsquerschnitts mit dem Verdichtereintritt drehfest gekoppelt sind und sich mit zunehmender Verkleinerung des zweiten Strömungsquerschnitts gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt verdrehen oder verdrillen. In einer Ausführung sind die Strömungsleitelemente durch Lamellen gebildet und stehen mit Mitnehmern im Wirkkontakt, welche das Verdrehen oder Verdrillen bei einer zunächst nur geringen Verkleinerung des zweiten Strömungsquerschnittes bewirken.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE102012013047A1 geht ein Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Verstelleinrichtung hervor. Die Verstelleinrichtung weist wenigstens ein Verstellelement auf, mittels welchem der Strömungsquerschnitt einstellbar ist. Dazu sind die Verstellelemente beispielsweise als radial vergrößerbares Volumenelement aus einem elastischen Material ausgeführt, um den Strömungsquerschnitt durch Beaufschlagung mit einem Medium zu verändern.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen Einrichtungen zur Drallerzeugung auf, mittels welcher der gesamten Anströmung auf das Verdichterrad eine Drallbewegung aufgezwungen wird. Diese Einrichtungen stellen jedoch einen erhöhten Strömungswiderstand dar.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verstellbare Drallerzeugungseinrichtung für Verdichter zur Stabilisierung der Anströmung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch die verstellbare Drallerzeugungseinrichtung für Verdichter zur Stabilisierung der Anströmung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Erfindung
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Zur Stabilisierung der Anströmung kann es ausreichend sein, nur einem Teil der Anströmung eine Drallbewegung aufzuzwängen, um somit die Strömungsverluste durch die Einrichtungen zur Drallerzeugung nur im geringen Maße zu erhöhen.
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Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte, verstellbare Drallerzeugungseinrichtung für Verdichter zur Stabilisierung der Anströmung bereit, wobei nur einem Teil der Anströmung eine Drallbewegung aufgezwungen wird. Die Verstellung der Drallerzeugungseinrichtung erfolgt dabei in Abhängigkeit der Anströmung auf das Verdichterrad. Die verstellbare Drallerzeugungseinrichtung ist für Axialverdichter, Radialverdichter als auch für Diagonalverdichter einsetzbar und befindet sich auf der Saugseite des Verdichters.
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Mit der verstellbaren Drallerzeugungseinrichtung wird die Anströmung in einen Hauptstrom und in einen zum Hauptstrom parallelen Nebenstrom aufgeteilt, wobei dem Hauptstrom und / oder dem Nebenstrom eine Drallbewegung aufgezwungen wird. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird nur dem Nebenstrom eine Drallbewegung aufgezwungen. Die verstellbare Drallerzeugungseinrichtung weist dazu mehrere Strömungsleitelemente auf, welche in einem Abstand zum Innenumfang eines Verdichtereintritts des Verdichters angeordnet sind, um somit einen Zwischenraum zwischen Innenumfang des Verdichtereintritts und Strömungsleitelementen zu bilden. Der Verdichtereintritt kann als gerades Rohr mit in Strömungsrichtung gleichbleibendem Durchmesser ausgeführt sein. Alternativ verkleinert sich der Durchmesser des Verdichtereintritts in Strömungsrichtung, so dass der Verdichtereintritt erfindungsgemäß vorteilhaft wenigstens eine Verjüngung zum Verdichterrad hin aufweist. Die Strömungsrichtung im Verdichtereintritt entspricht dabei der Längsrichtung des Verdichtereintritts.
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Die mehreren Strömungsleitelemente sind zueinander kreisförmig angeordnet, wobei mittels der Strömungsleitelemente ein Hauptkanal und ein Nebenkanal gebildet werden. Vorzugsweise sind die Strömungsleitelemente gleich ausgeführt und in einem gleichmäßigen Abstand zueinander und gegenüber dem Innenumfang des Verdichtereintritts positioniert. Der Hauptkanal wird dabei innerhalb der mehreren kreisförmig angeordneten Strömungsleitelemente und der Nebenkanal außerhalb der Strömungsleitelemente im Zwischenraum zwischen Strömungsleitelementen und Innenumfang des Verdichtereintritts gebildet. Es ergibt sich eine Anordnung von Hauptkanal und koaxial angeordnetem Nebenkanal, wobei der Nebenkanal den Hauptkanal räumlich ummantelt und mittels der mehreren Strömungsleitelemente vom Hauptkanal getrennt ist. Mittels der Strömungsleitelemente wird die Anströmung durch den Verdichtereintritt in Hauptstrom und Nebenstrom aufgeteilt und auf das Verdichterrad des Verdichters geleitet.
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Das jeweilige Strömungsleitelement ist hauptsächlich in Längsrichtung des Verdichtereintritts ausgerichtet und kann relativ zur Längsrichtung geschwenkt werden. Das Strömungsleitelement ist dafür schwenkbar gelagert, wobei das jeweilige Strömungsleitelement relativ zur Längsrichtung geschwenkt werden kann. Das jeweilige Strömungsleitelement ist dazu mittels einer im Verdichtereintritt ortsfest aufgenommenen Drehachse gelagert. Die Drehachse des jeweiligen Strömungsleitelementes ist quer zur Längsrichtung des Verdichtereintritts ausgerichtet. In vorteilhafter Weise können die Drehachsen der jeweiligen Strömungsleitelemente zu einem im Verdichtereintritt ortsfest aufgenommenen Ring verbunden sein, auf welchem dann die Strömungsleitelemente gemeinsam schwenkbar gelagert sind. Alternativ kann das jeweilige Strömungsleitelement als elastisches Strömungsleitelement hauptsächlich in Längsrichtung des Verdichtereintritts ausgerichtet sein. Das elastische Strömungsleitelement ist dann einseitig im Verdichtereintritt ortsfest gehalten und kann relativ zur Längsrichtung geschwenkt werden. Dadurch kommt es zu einer Verformung des elastischen Strömungsleitelementes.
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Das jeweilige Strömungsleitelement ist dann mittels einer Verstellung entweder parallel oder geneigt zur Längsrichtung des Verdichtereintritts ausgerichtet. Das Strömungsleitelement ist parallel zur Längsrichtung ausgerichtet, wenn sich dadurch der Hauptkanal mit gleichbleibendem Strömungsquerschnitt bildet. Das Strömungsleitelement ist geneigt zur Längsrichtung ausgerichtet, wenn sich dadurch der Hauptkanal mit sich in Strömungsrichtung verringerndem Strömungsquerschnitt bildet.
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Über eine gemeinsame Verstellung sind die Strömungsleitelemente gleichzeitig und gleichmäßig verstellbar, wobei die Strömungsleitelemente zueinander und zur Längsrichtung entweder parallel oder geneigt ausgerichtet sind. Mittels der Verstellung werden die Strömungsleitelemente zwischen einer ersten Stellung mit paralleler Ausrichtung der Strömungsleitelemente und einer zweiten Stellung mit geneigter Ausrichtung der Strömungsleitelemente überführt, wobei eine kontinuierlich variable Verstellung erfolgt. Die erste Stellung und die zweite Stellung stellen dabei jeweils eine Endlage der Strömungsleitelemente dar, wobei das jeweilige Strömungsleitelement zwischen den beiden Endlagen schwenkbar ist. Der Verlauf des jeweiligen Strömungsquerschnitts von Hauptkanal und Nebenkanal in Längsrichtung wird durch die Neigung in Folge der Verstellung der Strömungsleitelemente verändert.
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Die Strömungsleitelemente sind an deren Innenseite, also der dem Hauptkanal zugewandten Seite in Längsrichtung gerade ausgeführt. Demnach ergibt sich bei der parallelen Ausrichtung der Strömungsleitelemente ein in Längsrichtung gleichbleibender Strömungsquerschnitt des Hauptkanals. Bei der geneigten Ausrichtung der Strömungsleitelemente ergibt sich ein in Längsrichtung veränderlicher Strömungsquerschnitt des Hauptkanals, wobei sich der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung verkleinert.
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Die Strömungsleitelemente sind an deren Außenseite, also der dem Nebenkanal zugewandten Seite in Längsrichtung gerade ausgeführt. Durch die Neigung der Strömungsleitelemente mit gerader Außenseite wird der Verlauf des Strömungsquerschnitts des Nebenkanals verändert, wobei sich der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung vergrößert.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft sind die Strömungsleitelemente an deren Außenseite gekrümmt ausgeführt. Es ergibt sich ein in Längsrichtung der Krümmung entsprechender veränderlicher Strömungsquerschnitt des Nebenkanals, wobei sich der Strömungsquerschnitt in Längsrichtung zunächst bis zu einem Minimum verkleinert und anschließend bis zu einem Maximum vergrößert. Durch die Neigung der Strömungsleitelemente mit gekrümmter Außenseite wird der Verlauf des Strömungsquerschnitts des Nebenkanals verändert, wobei mit zunehmender Neigung das Maximum vergrößert wird.
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Im Hauptkanal und / oder im Nebenkanal sind zur Drallerzeugung Drallerzeuger angeordnet, um dem Hauptstrom und / oder dem Nebenstrom eine Drallbewegung aufzuzwingen. Die Drallerzeuger sind dazu am Strömungsleitelement und / oder am Innenumfang des Verdichtereintritts befestigt.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft sind im Nebenkanal Drallerzeuger angeordnet, welche am Innenumfang des Verdichtereintritts und / oder an der Außenseite der Strömungsleitelemente befestigt sind. In vorteilhafter Weise ist jeweils einem Strömungsleitelement ein Drallerzeuger zugeordnet. Mittels der Drallerzeuger wird dem Nebenstrom eine Drallbewegung aufgezwungen, wobei durch die variable Neigung der Strömungsleitelemente die Aufteilung der Anströmung auf Hauptstrom und Nebenstrom und demnach die Drallerzeugung variabel einstellbar ist. In vorteilhafter Weise sind die Drallerzeuger als Leitbleche ausgeführt. Sind die Drallerzeuger an der Außenseite des Strömungsleitelementes angeordnet, können am Innenumfang des Verdichtereintritts Taschen vorgesehen sein, in welche die Drallerzeuger des jeweiligen Strömungsleitelementes beim Verstellen einfahren und ausfahren können. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Drallerzeuger unabhängig von der Neigung der Strömungsleitelemente in radialer Richtung über den gesamten Querschnitt des Nebenkanals wirken.
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Die Verstellung der Strömungsleitelemente kann einzeln, für jedes Strömungsleitelement separat oder gemeinsam, für alle Strömungsleitelemente gleichzeitig erfolgen. Die Verstellung der Strömungsleitelemente kann mittels von außen betätigbarer Steuereinrichtungen gesteuert werden oder in Abhängigkeit der Anströmung automatisch erfolgen.
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Weiter ist das jeweilige Strömungsleitelement mit einem Federelement verbunden, so dass das jeweilige Strömungsleitelement in einer der beiden Endlagen, also in der ersten Stellung oder in der zweiten Stellung, gehalten wird. In vorteilhafter Weise wird das jeweilige Strömungsleitelement mittels des Federelementes in der zweiten Stellung mit geneigter Ausrichtung gehalten, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Hauptkanals in Strömungsrichtung verkleinert. In vorteilhafter Weise ist das Federelement als zugelastisches Spannelement ausgeführt, welches die Strömungsleitelemente auf deren Außenseite umgreift und durch die Federkraft die Strömungsleitelemente zueinander spannt und in der zweiten Stellung hält. Ist das Strömungsleitelement als elastisches Strömungsleitelement ausgeführt, kann das Federelement durch das elastische Strömungsleitelement selbst gebildet werden. Mittels des Federelementes kann eine automatische Verstellung der Strömungsleitelemente in Abhängigkeit der Anströmung erfolgen.
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Bei einer automatischen Verstellung der Strömungsleitelemente in Abhängigkeit der Anströmung erfolgt die Ausrichtung der Strömungsleitelemente gemäß dem Gleichgewicht zwischen Druckverhältnis von Hauptstrom und Nebenstrom und der Federkraft des Federelementes. Bei gleichbleibender Anströmung stellt sich somit ein Gleichgewichtszustand zwischen einer aus dem Druckverhältnis resultierenden Verstellkraft und der entgegenwirkenden Federkraft des Federelementes ein, so dass die Strömungsleitelemente in einer bestimmten Ausrichtung gehalten werden.
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Bei zunehmender Anströmung und dementsprechend zunehmendem Hauptstrom und zunehmendem Nebenstrom wird der Staudruck im Hauptkanal und die Sogwirkung im Nebenkanal gegenüber der Strömungsleitelemente erhöht, woraus sich eine erhöhte Verstellkraft der Strömungsleitelemente gegen die Federkraft des Federelementes ergibt. Mit zunehmender Anströmung werden somit die Strömungsleitelemente ausgerichtet, wobei sich die Neigung der Strömungsleitelemente gegenüber der Längsrichtung verringert.
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Bei abnehmender Anströmung und dementsprechend abnehmendem Hauptstrom und abnehmendem Nebenstrom wird der Staudruck im Hauptkanal und die Sogwirkung im Nebenkanal gegenüber der Strömungsleitelemente verringert, woraus sich eine verringerte Verstellkraft der Strömungsleitelemente gegen die Federkraft des Federelementes ergibt. Mit abnehmender Anströmung werden somit die Strömungsleitelemente ausgerichtet, wobei sich die Neigung der Strömungsleitelemente gegenüber der Längsrichtung vergrößert.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen verstellbaren Drallerzeugungseinrichtung (1) für Verdichter (2) dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch den Verdichter 2 mit verstellbarer Drallerzeugungseinrichtung 1 in einer ersten Stellung, und
- 2: eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch den Verdichter 2 mit verstellbarer Drallerzeugungseinrichtung 1 in einer zweiten Stellung.
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Die auf der Saugseite des Verdichters 2 angeordnete, verstellbare Drallerzeugungseinrichtung 1, dargestellt in 1 und 2, weist mehrere Strömungsleitelemente 3 auf, welche kreisförmig zueinander und in einem Abstand zu einem Innenumfang 4 eines Verdichtereintritts 5 angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Strömungsleitelemente 3 werden ein Hauptkanal 6 für einen Hauptstrom und ein Nebenkanal 7 für einen Nebenstrom gebildet, wobei sich der Hauptkanal 6 innerhalb der mehreren kreisförmig angeordneten Strömungsleitelemente 3 und sich der Nebenkanal 7 außerhalb der Strömungsleitelemente 3 im Zwischenraum zwischen Strömungsleitelementen 3 und Innenumfang 4 des Verdichtereintritts 5 ergibt. Mittels der Strömungsleitelemente 3 wird eine Anströmung durch den Verdichtereintritt 5 in Hauptstrom und Nebenstrom aufgeteilt und auf ein Verdichterrad 8 des Verdichters 2 geleitet.
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Das jeweilige Strömungsleitelement 3 ist hauptsächlich in Längsrichtung des Verdichtereintritts 5 ausgerichtet und mittels einer dem jeweiligen Strömungsleitelement 3 zugeordneten Drehachse 9 schwenkbar gelagert. Die Drehachse 9 des jeweiligen Strömungsleitelementes 3 ist quer zur Längsrichtung ausgerichtet, wobei das jeweilige Strömungsleitelement 3 dadurch relativ zur Längsrichtung kontinuierlich variabel geneigt werden kann. Durch die verstellbare Neigung der Strömungsleitelemente 3 wird der Verlauf des Strömungsquerschnitts von Hauptkanal 6 und Nebenkanal 7 in Längsrichtung verändert.
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Die Strömungsleitelemente 3 sind an der dem Hauptkanal 6 zugewandten Seite in Längsrichtung gerade ausgeführt. Weiter sind die Strömungsleitelemente an der dem Nebenkanal 7 zugewandten Seite in Längsrichtung gekrümmt ausgeführt.
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Im Nebenkanal 7 sind mehrere Drallerzeuger 10 angeordnet, wobei jeweils ein Drallerzeuger 10 an einem Strömungsleitelement 3 befestigt ist. Mittels der Drallerzeuger 10 wird dem durch den Nebenkanal 7 strömenden Nebenstrom eine Drallbewegung aufgezwungen.
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Das jeweilige Strömungsleitelement 3 ist weiter mit einem als zugelastisches Spannelement ausgeführten Federelement 11 verbunden, so dass das jeweilige Strömungsleitelement 3 in einer geneigten Stellung gehalten wird. Das Federelement 11 umgreift dabei die kreisförmig angeordneten Strömungsleitelemente 3, wobei die Strömungsleitelemente 3 zueinander gespannt werden und sich ein in Strömungsrichtung verringernder Strömungsquerschnitt für den Hauptkanal 6 ergibt. Mittels des Federelementes 11 kann eine automatische Verstellung der Strömungsleitelemente 3 in Abhängigkeit der Anströmung erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drallerzeugungseinrichtung
- 2
- Verdichter
- 3
- Strömungsleitelement
- 4
- Innenumfang
- 5
- Verdichtereintritt
- 6
- Hauptkanal
- 7
- Nebenkanal
- 8
- Verdichterrad
- 9
- Drehachse
- 10
- Drallerzeuger
- 11
- Federelement
