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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichterlaufrad mit Verbindungen der Schaufeln untereinander für einen Radialverdichter.
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Stand der Technik
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Für die Verdichtung von Gasen werden Verdichter verwendet. Neben Kolben-, Schrauben- und anderen Verdichterbauarten sind auch Turboverdichter bekannt, welche in einem Verdichtergehäuse ein drehbar gelagertes und antreibbares Verdichterlaufrad aufnehmen. In Abhängigkeit einer Strömungsumlenkung des verdichteten Gases wird zwischen Axial-, Radial- oder Halbaxialverdichtern unterschieden.
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Besonders für den Einsatz in Hubkolbenmaschinen werden Radialverdichter verwendet, welche meist in Kombination mit Abgasturbinen als Abgasturbolader zur Aufladung dienen. Diese Radialverdichter können aufgrund der Zentrifugalwirkung bei entsprechendem Durchsatz einen höheren Druck erreichen, als dies mit Axialverdichtern möglich wäre. Somit sind Radialverdichter für den Einsatz in Hubkolbenmaschinen besonders geeignet. Aber auch in Förderanlagen, Kühlanlagen oder Wärmeanlagen kommen Radialverdichter zum Einsatz.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Radialverdichtern wird ein besonderer Schwerpunkt in der Ausgestaltung der Schaufeln des als Schaufelrad ausgebildeten Verdichterlaufrades gelegt. Im Einzelnen wird versucht, die Pumpgrenze und die Stopfgrenze zu verschieben, so dass sich das Verdichterkennfeld vergrößert, aber auch den Wirkungsgrad im Bereich der Pumpgrenze und im Bereich der Stopfgrenze zu erhöhen, um somit ein breiter nutzbares Verdichterkennfeld zu erreichen. Um eine optimale Energieübertragung vom Verdichterlaufrad auf die Gasströmung zu erreichen, müssen Querströmungen sowohl innerhalb eines Schaufelzwischenraumes als auch zwischen den einzelnen Schaufelzwischenräumen vermieden werden.
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Je nach Einsatzgebiet des Radialverdichters ist auch die Reduzierung der akustischen Emissionen des Verdichterlaufrades ein Schwerpunkt bei der Gestaltung der Schaufeln des Verdichterlaufrades. Die Reduzierung der akustischen Emissionen kann hier zum Beispiel durch eine Reduzierung der Schwingungen der Schaufeln des Verdichterlaufrades erfolgen, welche beim Betrieb des Radialverdichters auftreten.
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Aus der Gebrauchsmusterschrift
CN 202370865 U ist ein Doppelluftkanal-Innenlüfter bekannt, bei welchem ein Laufrad mit mehreren Schaufeln vorgesehen ist. Die Schaufeln umfassen radial innenliegende Schaufeln, welche mittels eines Deckbandes miteinander verbunden sind, und radial außenliegende Schaufeln, welche auf dem Deckband der inneren Schaufeln angeordnet sind und weiter mittels eines separaten Deckbands miteinander verbunden sind. Dadurch werden parallele Strömungswege gebildet.
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Die Patentschrift
EP 3 073 123 B1 betrifft ein Zentrifugalgebläse, bei welchem mehrere entlang einer Umfangsrichtung angeordnete Schaufeln in einer radialen Richtung einer Nabe in zwei Reihen angeordnet sind und jeweils mittels eines separaten Deckbandes miteinander verbunden sind.
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Aus der Offenlegungsschrift
JP 2021-156266 A ist ein Turbinenlaufrad bekannt, bei welchem die einzelnen Schaufeln mittels eines als Band ausgeführten Verbindungselementes miteinander verbunden sind, wobei das Verbindungselement im Bereich der Schaufelflächen angeordnet ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2018 103 722 A1 ist ein Verdichterlaufrad bekannt, bei welchem die Strömungsablösung im Bereich geringen Durchsatzes verringert ist. Dazu weist das Verdichterlaufrad auf einer Nabe Hauptschaufeln und Splitterschaufeln auf, wobei sich die Hauptschaufeln ausgehend vom Verdichtereintritt nur teilweise entlang der Strömungspassagen und die Splitterschaufeln nur teilweise entlang der Strömungspassagen bis zum Verdichteraustritt erstrecken. Wenigstens eine der Hauptschaufeln und wenigstens eine der Splitterschaufeln überdecken sich in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades gesehen teilweise.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verdichterlaufrad mit Verbindungen der Schaufeln untereinander für einen Radialverdichter bereitzustellen, welcher hinsichtlich Wirkungsgrad und akustischer Emissionen verbessert ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch ein Verdichterlaufrad mit Verbindungen der Schaufeln untereinander für einen Radialverdichter nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein erfindungsgemäß vorteilhaftes Verdichterlaufrad mit Verbindungen der Schaufeln untereinander für einen Radialverdichter bereit, welcher hinsichtlich Wirkungsgrad und akustischer Emissionen verbessert ist.
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Dazu weist das Verdichterlaufrad auf einer Nabe über den Umfang verteilt mehrere Schaufeln auf, wobei sich wenigstens zwei erste Schaufeln mit jeweils durch eine erste Schaufelvorderkante, einen ersten Schaufelfuß, eine erste Schaufelaußenkante und eine erste Schaufelhinterkante abgegrenzten ersten Schaufeloberflächen von wenigstens zwei zweiten Schaufeln mit jeweils durch eine zweite Schaufelvorderkante, einen zweiten Schaufelfuß, eine zweite Schaufelaußenkante und eine zweite Schaufelhinterkante abgegrenzten zweiten Schaufeloberflächen voneinander unterscheiden. Durch die ersten Schaufelvorderkanten wird der Verdichtereintritt als Eintrittsebene und durch die zweiten Schaufelhinterkanten der Verdichteraustritt als Austrittsebene definiert. Als Vorderkante und Hinterkante sind jene Kanten der Schaufeln zu verstehen, welche die Schaufel in Strömungsrichtung begrenzen. Im Bereich der Vorderkante trifft die Strömung auf die Schaufel und im Bereich der Hinterkante verlässt die Strömung die Schaufel. Durch den Schaufelfuß und die Schaufelaußenkante wird eine Schaufelhöhe und durch die Schaufelvorderkante und die Schaufelhinterkante eine Schaufellänge definiert. Im Sinne eines Radialverdichters sind die Eintrittsebene und die Austrittebene zueinander geneigt. Demnach erfolgt eine Ablenkung der Strömung von einer Drehachse des Verdichterlaufrades nach radial außen. Mittels des Schaufelfußes sind die Schaufeln mit der Nabe des Verdichterrades verbunden.
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Die ersten Schaufeln und die zweiten Schaufeln sind insbesondere derart angeordnet, dass sich über den Umfang des Verdichterlaufrades eine periodisch wiederkehrende Anordnung von ersten Schaufeln und zweiten Schaufeln ergibt. Durch die ersten Schaufeln und die zweiten Schaufeln werden Strömungspassagen gebildet, welche sich vom Verdichtereintritt bis zum Verdichteraustritt erstrecken. In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise erstrecken sich die ersten Schaufeln und / oder die zweiten Schaufeln nur teilweise entlang der Strömungspassage. Die Schaufellängen der ersten Schaufeln und die Schaufellängen der zweiten Schaufeln sind dabei gleich oder unterscheiden sich. Die Schaufelhöhen der ersten Schaufeln und die Schaufelhöhen der zweiten Schaufeln sind dabei gleich oder unterscheiden sich. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise überdecken sich wenigstens zwei benachbarte Schaufeln in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades gesehen teilweise. Als Überdeckung ist dabei der Bereich zu verstehen, welcher sich bei einer Projektion der Schaufeln um die Drehachse des Verdichterlaufrades herum zueinander überlagert.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft weist das Verdichterlaufrad wenigstens zwei Schaufelbänder auf, mittels welcher die ersten Schaufeln und / oder zweiten Schaufeln miteinander verbunden sind. Als Schaufelbänder sind dabei flache, sich entlang der Strömungspassage erstreckende Verbindungselemente zwischen den Schaufeln zu verstehen, welche zudem längs der Strömungspassage gekrümmt sind. Demnach weisen die Schaufelbänder jeweils eine Form auf, welche als Kreiskegelmantelfläche mit konkav gekrümmter Mantellinie und geringer Dicke verstanden werden kann, wobei sich das über den Umfang des Verdichterlaufrades erstreckende Schaufelband aus mehreren einzelnen Segmenten zwischen jeweils zwei Schaufeln ergibt.
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Die wenigstens zwei Schaufelbänder sind dabei gegenüber einer Drehachse des Verdichterlaufrades und zueinander koaxial angeordnet, wobei ein erstes Schaufelband mit durch eine erste Schaufelbandvorderkante und eine erste Schaufelbandhinterkante abgegrenzten ersten Schaufelbandoberflächen gegenüber einem zweiten Schaufelband mit durch eine zweite Schaufelbandvorderkante und eine zweite Schaufelbandhinterkante abgegrenzten zweiten Schaufelbandoberflächen in Bezug auf die Drehachse des Verdichterlaufrades radial innenliegend angeordnet ist. Durch den mittleren Abstand der Schaufelbandvorderkante und der Schaufelbandhinterkante von der Drehachse des Verdichterlaufrades wird ein Schaufelbandabstand und durch den Abstand der Schaufelbandvorderkante und der Schaufelbandhinterkante zueinander entlang des jeweiligen Schaufelbandes wird eine Schaufelbandlänge definiert.
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Es ergibt sich ausgehend von der Drehachse des Verdichterlaufrades eine koaxiale Anordnung der wenigstens zwei Schaufelbänder, wobei ein erster Schaufelbandabstand des ersten Schaufelbandes kleiner als ein zweiter Schaufelbandabstand des zweiten Schaufelbandes ist. Demnach werden mehrere radial beabstandete und über den Umfang verteilt angeordnete Strömungspassagen gebildet, wobei mittels des ersten Schaufelbandes die ersten Schaufeln und / oder die zweiten Schaufeln sowie mittels des zweiten Schaufelbandes die ersten Schaufeln und / oder die zweiten Schaufeln miteinander verbunden sind.
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In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise erstrecken sich das erste Schaufelband und / oder das zweite Schaufelband nur teilweise entlang der Strömungspassage. Dabei kann eine erste Schaufelbandvorderkante des ersten Schaufelbandes in der Eintrittsfläche und eine zweite Schaufelbandhinterkante des zweiten Schaufelbandes in der Austrittsfläche liegen. Alternativ kann eine zweite Schaufelbandvorderkante des zweiten Schaufelbandes in der Eintrittsfläche und eine erste Schaufelbandhinterkante des ersten Schaufelbandes in der Austrittsfläche liegen. Demnach können sich das erste Schaufelband und / oder das zweite Schaufelband von einem Verdichtereintritt aus erstrecken. Weiter können sich das erste Schaufelband und / oder das zweite Schaufelband zu einem Verdichteraustritt hin erstrecken. Die erste Schaufelbandlänge und die zweite Schaufelbandlänge sind dabei gleich oder unterscheiden sich.
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In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise ist wenigstens eines der wenigstens zwei Schaufelbänder zumindest teilweise als Deckband ausgeführt. Als Deckband ist dabei ein Schaufelband zu verstehen, welches die Schaufeln im Bereich der Schaufelaußenkanten verbindet. Demnach bildet das als Deckband ausgebildete Schaufelband eine radial außenliegende Begrenzung des Verdichterlaufrades.
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In erfindungsgemäß außerordentlich vorteilhafter Weise ist die Schaufelbandlänge gegenüber der Schaufellänge der durch dieses Schaufelband jeweils verbundenen Schaufeln unterschiedlich, wobei die Schaufelbandlänge kleiner oder größer als die Schaufellänge der durch das Schaufelband jeweils verbundenen Schaufel ist.
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Durch die Anordnung der Schaufeln und der Schaufelbänder werden mehrere in radialer und Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades nebeneinander angeordnete Strömungspassagen gebildet.
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Ausführungsbeispiel 1
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Beispielhaft wird hier eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades mit Verbindungen der Schaufeln untereinander für einen Radialverdichter dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des Verdichterlaufrades 1 mit Verbindungen der Schaufeln 2, 3 untereinander für einen Radialverdichter.
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Die vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 1 mit Verbindungen der Schaufeln 2, 3 untereinander für einen Radialverdichter, dargestellt in 1, weist auf einer Nabe 5 erste Schaufeln 2 mit jeweils von einer ersten Schaufelvorderkante 2a, einem ersten Schaufelfuß 2b, einer ersten Schaufelaußenkante 2c und einer ersten Schaufelhinterkante 2d abgegrenzten ersten Schaufeloberflächen 2e und zweite Schaufeln 3 mit jeweils von einer zweiten Schaufelvorderkante 3a, einem zweiten Schaufelfuß 3b, einer zweiten Schaufelaußenkante 3c und einer zweiten Schaufelhinterkante 3d abgegrenzten zweiten Schaufeloberflächen 3e auf. Durch die ersten Schaufelvorderkanten 2a wird ein Verdichtereintritt 1a als Eintrittsebene und durch die zweiten Schaufelhinterkanten 3d ein Verdichteraustritt 1b als Austrittsebene definiert.
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Die ersten Schaufeln 2 und die zweiten Schaufeln 3 sind über den Umfang des Verdichterlaufrades 1 nacheinander periodisch wiederkehrend angeordnet. Demnach werden durch die ersten Schaufeln 2 und zweiten Schaufeln 3 und durch die zweiten Schaufeln 3 und ersten Schaufeln 2 jeweils separate Strömungspassagen gebildet. Die ersten Schaufeln 2 überdecken sich mit den zweiten Schaufeln 3.
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Weiter sind ein erstes Schaufelband 5 und ein zweites Schaufelband 6 vorgesehen, wobei die Schaufelbänder 5, 6 zueinander koaxial angeordnet sind und das erste Schaufelband 5 radial innenliegend und das zweite Schaufelband 6 radial außenliegend angeordnet sind. Demnach weisen die Schaufelbänder 5, 6 unterschiedliche Schaufelbandabstände auf.
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Mittels des ersten Schaufelbandes 5 sind die ersten Schaufeln 2 miteinander verbunden, wobei sich das erste Schaufelband 5 von der ersten Schaufelvorderkante 2a bis zur ersten Schaufelhinterkante 2d erstreckt. Dabei ist das erste Schaufelband 5 mit den ersten Schaufeloberflächen 2e verbunden.
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Mittels des zweiten Schaufelbandes 6 sind die ersten Schaufeln 2 und die zweiten Schaufeln 3 miteinander verbunden, wobei sich das zweite Schaufelband 6 von der ersten Schaufelvorderkante 2a bis zur zweiten Schaufelhinterkante 3d erstreckt. Dabei ist das erste Schaufelband 5 als Deckband ausgeführt und mit den ersten Schaufelaußenkanten 2c und den zweiten Schaufelaußenkanten 3c verbunden.
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Durch die Anordnung der Schaufeln 2, 3 und der Schaufelbänder 5, 6 werden mehrere in radialer und Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 1 nebeneinander angeordnete Strömungspassagen gebildet.
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Ausführungsbeispiel 2
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Beispielhaft wird hier eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades mit Verbindungen der Schaufeln untereinander für einen Radialverdichter dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 2 eine schematische Darstellung des Verdichterlaufrades 1 mit Verbindungen der Schaufeln 2, 3, 4 untereinander für einen Radialverdichter.
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Die vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 1 mit Verbindungen der Schaufeln 2, 3, 4 untereinander für einen Radialverdichter, dargestellt in 2, weist auf einer Nabe 5 erste Schaufeln 2 mit jeweils von einer ersten Schaufelvorderkante 2a, einem ersten Schaufelfuß 2b, einer ersten Schaufelaußenkante 2c und einer ersten Schaufelhinterkante 2d abgegrenzten ersten Schaufeloberflächen 2e, zweite Schaufeln 3 mit jeweils von einer zweiten Schaufelvorderkante 3a, einem zweiten Schaufelfuß 3b, einer zweiten Schaufelaußenkante 3c und einer zweiten Schaufelhinterkante 3d abgegrenzten zweiten Schaufeloberflächen 3e und dritte Schaufeln 4 mit jeweils von einer dritten Schaufelvorderkante 4a, einem dritten Schaufelfuß 4b, einer dritten Schaufelaußenkante 4c und einer dritten Schaufelhinterkante 4d abgegrenzten dritten Schaufeloberflächen 4e auf. Durch die ersten Schaufelvorderkanten 2a wird ein Verdichtereintritt 1a als Eintrittsebene und durch die dritten Schaufelhinterkanten 4d ein Verdichteraustritt 1b als Austrittsebene definiert.
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Die ersten Schaufeln 2, die zweiten Schaufeln 3 und die dritten Schaufeln 4 sind über den Umfang des Verdichterlaufrades 1 nacheinander periodisch wiederkehrend angeordnet. Demnach werden durch die ersten Schaufeln 2 und zweiten Schaufeln 3, durch die zweiten Schaufeln 3 und dritten Schaufeln 4, und durch die dritten Schaufeln 4 und ersten Schaufeln 2 jeweils separate Strömungspassagen gebildet. Die ersten Schaufeln 2 überdecken sich nicht mit den zweiten Schaufeln 3 oder dritten Schaufeln 4. Die zweiten Schaufeln 3 und die dritten Schaufeln 4 überdecken sich.
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Weiter sind ein erstes Schaufelband 5, ein zweites Schaufelband 6 und ein drittes Schaufelband 7 vorgesehen, wobei die Schaufelbänder 5, 6, 7 zueinander koaxial angeordnet sind und das erste Schaufelband 5 radial innenliegend, das dritte Schaufelband 7 radial außenliegend und das zweite Schaufelband 6 zwischen erstem Schaufelband 5 und drittem Schaufelband 7 angeordnet ist. Demnach weisen die Schaufelbänder 5, 6, 7 unterschiedliche Schaufelbandabstände auf.
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Mittels des ersten Schaufelbandes 5 sind die ersten Schaufeln 2 und die zweiten Schaufeln 3 miteinander verbunden, wobei sich das erste Schaufelband 5 von der ersten Schaufelvorderkante 2a bis zur zweiten Schaufelhinterkante 3d erstreckt. Dabei ist das erste Schaufelband 5 mit den ersten Schaufeloberflächen 2e und den zweiten Schaufeloberflächen 3e verbunden.
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Mittels des zweiten Schaufelbandes 6 sind die zweiten Schaufeln 3 und die dritten Schaufeln 4 miteinander verbunden, wobei sich das zweite Schaufelband 6 von der zweiten Schaufelvorderkante 3a bis mittig zur dritten Schaufeloberfläche 4e erstreckt. Dabei ist das zweite Schaufelband 6 im Bereich der zweiten Schaufeln 3 als Deckband ausgeführt und mit den zweiten Schaufelaußenkanten 3c und den dritten Schaufeloberflächen 4e verbunden.
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Mittels des dritten Schaufelbandes 7 sind die dritten Schaufeln 4 miteinander verbunden, wobei sich das dritte Schaufelband 7 teilweise über den Bereich der zweiten Schaufeln 3 bis zur dritten Schaufelhinterkante 4d erstreckt. Dabei ist das dritte Schaufelband 7 im Bereich der dritten Schaufeln 4 als Deckband ausgeführt und mit den dritten Schaufelaußenkanten 4c verbunden.
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Durch die Anordnung der Schaufeln 2, 3, 4 und der Schaufelbänder 5, 6, 7 werden mehrere in radialer und Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 1 nebeneinander angeordnete Strömungspassagen gebildet.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
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- 1
- Verdichterlaufrad
- 1a
- Verdichtereintritt
- 1b
- Verdichteraustritt
- 2
- erste Schaufeln
- 2a
- erste Schaufelvorderkante
- 2b
- erster Schaufelfuß
- 2c
- erste Schaufelaußenkante
- 2d
- erste Schaufelhinterkante
- 2e
- erste Schaufeloberflächen
- 3
- zweite Schaufeln
- 3a
- zweite Schaufelvorderkante
- 3b
- zweiter Schaufelfuß
- 3c
- zweite Schaufelaußenkante
- 3d
- zweite Schaufelhinterkante
- 3e
- zweite Schaufeloberflächen
- 4
- dritte Schaufeln
- 4a
- dritte Schaufelvorderkante
- 4b
- dritter Schaufelfuß
- 4c
- dritte Schaufelaußenkante
- 4d
- dritte Schaufelhinterkante
- 4e
- dritte Schaufeloberflächen
- 5
- erstes Schaufelband
- 6
- zweites Schaufelband
- 7
- drittes Schaufelband
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 202370865 U [0006]
- EP 3073123 B1 [0007]
- JP 2021156266 A [0008]
- DE 102018103722 A1 [0009]
