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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen radialen Turboverdichter. Das Laufrad weist eine Radvorderseite und eine Radrückseite auf, wobei die Radvorderseite zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist. Die Erfindung betrifft ferner einen radialen Turboverdichter, der das erfindungsgemäße Laufrad umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines radialen Turboverdichters mit einem erfindungsgemäßen Laufrad.
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Stand der Technik
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Um beispielsweise eine Brennstoffzelle im Fahrzeug betreiben zu können, muss einerseits Wasserstoff sowie auch Luft aus der Umgebung bereitgestellt werden. Dabei sind aus dem Stand der Technik elektrisch angetriebene radiale Turboverdichter bekannt, die zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle dienen.
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Ein radialer Turboverdichter, der auch als radialer Turbokompressor bezeichnet wird, fördert ein Medium wie z.B. Luft durch Übertragung kinetischer Energie in Form eines Drallimpulses.
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Auf einer rotierenden Welle, welche beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben wird, ist ein Laufrad eines radialen Turboverdichters angebracht, das das benötigte Medium fördert. Bei einem radialen Turboverdichter strömt das Medium axial in das Laufrad und wird dann im radialen Turboverdichter komprimiert und nach außen radial abgelenkt.
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Das Laufrad ist kreisförmig ausgestaltet und dreht sich um eine Drehachse. Auf der Radvorderseite ist das Laufrad mit einer Anzahl von Laufschaufeln zum Fördern des Mediums versehen. Die Radrückseite ist üblicherweise eben oder konkav ausgeführt.
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Durch die im radialen Turboverdichter stattfindende Druckerhöhung des Mediums stellt sich im Betrieb des radialen Turboverdichters auf der Radvorderseite des Laufrads eine ungleichmäßige Druckverteilung ein, welche derart ist, dass der Druck auf der Radvorderseite vom Zentrum des Laufrads nach außen zunimmt. Ein maximaler Druck auf der Radvorderseite entsteht dementsprechend am Rand der Radvorderseite des Laufrads. Dagegen entsteht eine quasi konstante Druckverteilung auf der eben oder konkav ausgeführten Radrückseite.
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Durch den radial vom Zentrum des Laufrads nach außen zunehmenden Druck auf der Radvorderseite des Laufrads und den konstant hohen Druck auf der Radrückseite des Laufrads zeigt eine resultierende Axialkraft in Richtung der Radvorderseite. Diese Axialkraft muss wiederum am Axiallager des radialen Turboverdichters gegengehalten werden und erzeugt dort entsprechend hohe Verlustleistungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Laufrad für einen radialen Turboverdichter vorgeschlagen. Das Laufrad umfasst eine Radvorderseite und eine Radrückseite, wobei die Radvorderseite des Laufrads zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist.
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Erfindungsgemäß weist die Radrückseite des Laufrads eine Anzahl von Schaufeln auf. Die Anzahl der Schaufeln auf der Radrückseite orientiert sich an der Anzahl der Laufschaufeln auf der Radvorderseite. Bevorzugt weist die Radrückseite 5 bis 10 Schaufeln auf.
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Vorzugsweise sind die Schaufeln auf der Radrückseite so geformt und angeordnet, dass im Betrieb eines radialen Turboverdichters durch die Schaufeln auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung erzeugt wird, die mit einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite identisch oder ähnlich ist.
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Die erste und zweite Druckverteilung werden als ähnlich angesehen, wenn die zweite Druckverteilung um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5% von der ersten Druckverteilung abweicht.
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Damit eine der ersten Druckverteilung ähnliche zweite Druckverteilung auf der Radrückseite erzeugt werden kann, sind die Schaufeln auf der Radrückseite des Laufrads in einer bevorzugten Ausführungsform gerade in radialer Richtung vom Zentrum des Laufrads nach außen ausgeführt.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Schaufeln auf der Radrückseite des Laufrads strömungsoptimiert gekrümmt ausgeführt. Dabei können die Schaufeln rückwärts gegen eine Drehrichtung des Laufrads gekrümmt werden. Unter „strömungsoptimiert“ ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die Schaufel auf der Radrückseite eine gewisse Axialkraft erzeugt und der dabei anfallende Energieaufwand minimal ist.
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Bevorzugt sind die Schaufeln sternförmig um eine Drehachse des Laufrads verteilt, wobei die Zentriwinkel zwischen den benachbarten Schaufeln gleich sind. Dadurch wird eine homogene Druckverteilung über den Umfang der Radrückseite gewährleistet. Die Zentriwinkel zwischen den benachbarten Schaufeln können aber auch ungleich sein.
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Bevorzugt sind die Schaufeln derart ausgestaltet, dass sie sich auf der Radrückseite vom Zentrum des Laufrads bis zum Rand des Laufrads erstrecken. Es ist auch denkbar, dass die Schaufeln nicht im Zentrum des Laufrads starten.
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Das Laufrad kann mit den auf der Radrückseite aufzubringenden Schaufeln einteilig als Gussbauteil gefertigt sein. Die auf der Radrückseite des Laufrads aufzubringenden Schaufeln können auch getrennt von dem Laufrad hergestellt werden. Diese separat hergestellten Schaufeln werden dann durch stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die Radrückseite des Laufrads aufgebracht. Bevorzugt werden das Laufrad und die Schaufeln aus Aluminium gefertigt.
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Es wird ferner ein radialer Turboverdichter vorgeschlagen, welcher ein erfindungsgemäßes Laufrad umfasst.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines radialen Turboverdichters unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Laufrads vorgeschlagen. Dabei wird die Drehgeschwindigkeit des Laufrads so eingestellt, dass ein gewünschter Massenstrom bei einem gewünschten Druck gefördert wird. Dabei stellt sich auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung ein, die mit einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite identisch ist oder um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5% von der ersten Druckverteilung abweicht.
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Vorteile der Erfindung
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Im Betrieb eines radialen Turboverdichters strömt ein Medium wie z.B. Luft an einer Radvorderseite eines beschaufelten Laufrads in den radialen Turboverdichter ein und wird dort komprimiert. Durch die im radialen Turboverdichter stattfindende Druckerhöhung des Mediums wie z.B. Luft stellt sich auf der Radvorderseite eine Druckverteilung ein welche derart ist, dass der Druck auf der Radvorderseite vom Zentrum des Laufrads nach außen zunimmt. Auf der Radrückseite entsteht dagegen eine konstante Druckverteilung. Durch die beiden unterschiedlichen Druckverteilungen auf der Radvorderseite und der Radrückseite entsteht eine resultierende Axialkraft in Richtung der Radvorderseite. Diese Axialkraft wird an einem Axiallager des radialen Turboverdichters gegengehalten und erzeugt dort eine hohe Verlustleistung.
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Durch das erfindungsgemäße Laufrad und das erfindungsgemäße Verfahren kann die resultierende Axialkraft in einem radialen Turboverdichter, die durch unterschiedliche Druckverteilungen auf der Radvorderseite und der Radrückseite verursacht wird, minimiert oder komplett neutralisiert werden.
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Folglich wird die durch die Axialkraft verursachte Verlustleistung am Axiallager des radialen Turboverdichters durch das erfindungsgemäße Laufrad und das erfindungsgemäße Verfahren effizient reduziert.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines radialen Turboverdichters gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Vorderansicht des radialen Turboverdichters gemäß dem Stand der Technik,
- 3 eine schematische Darstellung von Druckverteilungen einer Radvorderseite und einer Radrückseite eines Laufrads für den radialen Turboverdichter gemäß dem Stand der Technik,
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Laufrads für einen radialen Turboverdichter,
- 5 eine schematische Darstellung von Druckverteilungen einer Radvorderseite und einer Radrückseite eines erfindungsgemäßen Laufrads,
- 6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Radrückseite eines erfindungsgemäßen Laufrads und
- 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Radrückseite eines erfindungsgemäßen Laufrads.
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Ein aus dem Stand der Technik bekannter radialer Turboverdichter 100 ist in 1 dargestellt. Der radiale Turboverdichter 100 umfasst ein Gehäuse 110, welches einen Verdichtereintritt 120 aufweist, und ein Laufrad 10'. Das Laufrad 10' umfasst eine Radvorderseite 20', welche zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln 40' versehen ist, und eine Radrückseite 30', welche eben ausgeführt ist.
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Das Laufrad 10' weist ferner eine Bohrung 70' zur Aufnahmen eine Antriebswelle 72 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10' um eine Drehachse 60'.
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Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 strömt das Medium in einer axialen Eintrittsrichtung 140 durch den Verdichtereintritt 120 in das Laufrad 10' ein und wird dann im radialen Turboverdichter 100 komprimiert und nach außen in einer radialen Laufrichtung 142 abgelenkt.
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2 zeigt eine schematische Vorderansicht des in 1 dargestellten radialen Turboverdichters 100 gemäß dem Stand der Technik.
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Das Gehäuse 110 des radialen Turboverdichters 100 weist weiterhin einen Verdichteraustritt 130 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10', welches zum Fördern des Mediums auf der Radvorderseite 20' mit einer Anzahl von Laufschaufeln 40' versehen ist, in einer Drehrichtung 80'. Das im radialen Turboverdichter 100 komprimierte Medium strömt dann durch den Verdichteraustritt 130 in einer Austrittsrichtung 150 aus.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Druckverteilung 160' der Radvorderseite 20' und einer zweiten Druckverteilung 170' der Radrückseite 30' des in 1 dargestellten Laufrads 10' für den radialen Turboverdichter 100 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist nur ein Teil des Laufrads 10' dargestellt, welcher einem Teil des in 1 dargestellten Laufrads 10' entspricht, der oberhalb der Drehachse 60' liegt.
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Wie in 3 dargestellt, weist das Laufrad 10' auf der Radvorderseite 20' eine Anzahl von Laufschaufeln 40' auf. Die Radrückseite 30' ist dabei eben ausgeführt.
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Durch die Beschaufelung des Laufrads 10' entsteht eine ungleichmäßige erste Druckverteilung 160' auf der Radvorderseite 20' im Betrieb des radialen Turboverdichters 100. Die erste Druckverteilung 160' auf der Radvorderseite 20' ist derart, dass der Druck P auf der Radvorderseite 20' sich in Abhängigkeit von einem Abstand S zur Drehachse 60' ändert und vom Zentrum des Laufrads 10' nach außen zunimmt. Am Rand des Laufrads 10' erreicht der Druck P auf der Radvorderseite 20' seinen maximalen Wert. Dagegen zeigt auf der eben ausgeführten Radrückseite 30' eine vom Abstand S zur Drehachse 60' unabhängige, gleichmäßige zweite Druckverteilung 170'.
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Durch die beiden unterschiedlichen Druckverteilungen 160' und 170' auf der Radvorderseite 20' und der Radrückseite 30' entsteht eine resultierende Axialkraft in Richtung der Radvorderseite 20'. Diese Axialkraft wird an einem Axiallager des radialen Turboverdichters 100 gegengehalten und erzeugt dort eine hohe Verlustleistung
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Laufrads 10 für einen radialen Turboverdichter 100.
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Das in 4 dargestellte erfindungsgemäße Laufrad 10 weist eine Radvorderseite 20 und eine Radrückseite 30. Dabei ist die Radvorderseite 20 zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln 40 versehen. Dabei erzeugen die Laufschaufeln 40 auf der Radvorderseite 20 eine erste Druckverteilung 160 (vgl. 5), die radial nach außen größer wird.
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Ein radialer Turboverdichter 100 mit dem Laufrad 10 kann von einem Elektromotor angetrieben werden. Dabei weist das Laufrad 10 eine Bohrung 70 zur Aufnahme einer Antriebswelle 72 auf.
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Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10 um eine Drehachse 60. Dabei strömt das Medium axial in das Laufrad 10 ein und wird dann im radialen Turboverdichter 100 komprimiert und nach außen radial abgelenkt.
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Damit eine der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnliche zweite Druckverteilung 170 (vgl. 5) auf der Radrückseite 30 erzeugt werden kann, ist die Radrückseite 30 des Laufrads 10 mit einer Anzahl von Schaufeln 50 versehen.
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Die Schaufeln 50 können dabei gradlinig ausgeführt werden. Sie können aber auch strömungsoptimiert gekrümmt ausgeführt werden. Bevorzugt sind die Schaufeln 50 rückwärts gegen die Drehrichtung 80 des Laufrads 10 gekrümmt.
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Bevorzugt sind die Schaufeln 50 sternförmig um die Drehachse 60 des Laufrads 10 verteilt, wobei die Zentriwinkel 90 (vgl. 6 und 7) zwischen den benachbarten Schaufeln 50 gleich sind.
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Das Laufrad 10 kann mit den auf der Radrückseite 30 aufzubringenden Schaufeln 50 einteilig als Gussbauteil gefertigt sein. Die auf der Radrückseite 30 des Laufrads 10 aufzubringenden Schaufeln 50 können auch getrennt von dem Laufrad 10 hergestellt werden. Diese separat hergestellten Schaufeln 50 werden dann durch stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die Radrückseite 30 des Laufrads 10 aufgebracht.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Druckverteilung 160 auf einer Radvorderseite 20 und einer zweiten Druckverteilung 170 auf einer Radrückseite 30 eines erfindungsgemäßen Laufrads 10. Hierbei ist nur ein Teil des erfindungsgemäßen Laufrads 10 dargestellt, welcher einem Teil des in 4 dargestellten erfindungsgemäßen Laufrads 10 entspricht, der oberhalb der Drehachse 60 liegt.
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Wie in 5 dargestellt, weist das Laufrad 10 auf der Radvorderseite 20 eine Anzahl von Laufschaufeln 40 auf. Die Radrückseite 30 ist dabei mit Schaufeln 50 versehen.
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Durch die Laufschaufeln 40 des Laufrads 10 entsteht eine ungleichmäßige erste Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 im Betrieb des radialen Turboverdichters 100. Die erste Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ist derart, dass der Druck P auf der Radvorderseite 20 sich in Abhängigkeit von einem Abstand S zur Drehachse 60 ändert und vom Zentrum des Laufrads 10 nach außen zunimmt. Am Rand des Laufrads 10 erreicht der Druck P auf der Radvorderseite 20 seinen maximalen Wert.
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Durch die Schaufeln 50 entsteht auf der Radrückseite 30 im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 ebenfalls eine ungleichmäßige zweite Druckverteilung 170, welche der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnlich ist. Durch die zweite Druckverteilung 170 wird die oben genannte resultierende Axialkraft im radialen Turboverdichter 100 minimiert oder komplett neutralisiert.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Radrückseite 30 des erfindungsgemäßen Laufrads 10.
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Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist eine Anzahl von Schaufeln 50 zur Erzeugung einer zweiten Druckverteilung 170 auf der Radrückseite 30, die der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnlich ist, auf, wobei in 6 nur ein Teil der Schaufeln 50 dargestellt sind.
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Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist ferner eine Bohrung 70 zur Aufnahme eine Antriebswelle 72 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10 um eine Drehachse 60.
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Die Schaufeln 50 sind gradlinig ausgeführt und sternförmig um die Drehachse 60 verteilt, wobei die Zentriwinkel 90 zwischen den benachbarten Schaufeln 50 gleich sind. Die Schaufeln 50 erstrecken sich auf der Radrückseite 30 vom Zentrum des Laufrads 10 bis zum Rand des Laufrads 10.
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Das Laufrad 10 kann zusammen mit den Schaufeln 50 auf der Radrückseite 30 als Gussbauteil einteilig gefertigt sein. Die Schaufeln 50 können auch getrennt von dem Laufrad 10 hergestellt werden und dann durch stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die Radrückseite 30 aufgebracht werden.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Radrückseite 30 des erfindungsgemäßen Laufrads 10.
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Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist eine Anzahl von Schaufeln 50 zur Erzeugung einer zweiten Druckverteilung 170 auf der Radrückseite 30 auf, die der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnlich ist wobei in 7 nur ein Teil der Schaufeln 50 dargestellt sind.
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Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist ferner eine Bohrung 70 zur Aufnahme eine Antriebswelle 72 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10 um eine Drehachse 60.
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Die Schaufeln 50 sind strömungsoptimiert gekrümmt ausgeführt und sternförmig um die Drehachse 60 verteilt, wobei die Zentriwinkel 90 zwischen den benachbarten Schaufeln 50 gleich sind. Dabei sind die Schaufeln 50 rückwärts gegen eine Drehrichtung 80 des Laufrads 10 gekrümmt und die Schaufeln 50 erstrecken sich vom Zentrum des Laufrads 10 bis zum Rand des Laufrads 10.
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Das Laufrad 10 kann zusammen mit den Schaufeln 50 auf der Radrückseite 30 als Gussbauteil einteilig gefertigt sein. Die Schaufeln 50 können auch getrennt von dem Laufrad 10 hergestellt werden und dann durch stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die Radrückseite 30 aufgebracht werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
