DE1942397A1

DE1942397A1 - Halterungsvorrichtung fuer einen Zentrifugalverdichter

Info

Publication number: DE1942397A1
Application number: DE19691942397
Authority: DE
Inventors: Jiro Nomura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1968-08-20
Filing date: 1969-08-20
Publication date: 1970-03-05
Also published as: FR2015947A1; US3612719A; JPS4815164B1; CH496173A; DE1942397B2; DK126517B; GB1228678A

Description

• Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha

gokio. Japan . ² °· ^Αϋδ·

Halterungsvorrichtung für einen Zentrifugalverdichter

Die Erfindung betrifft einen Radial- bzw. Zentrifugalverdichter mit einer Halterung für das Schaufelrad und einen vorderen Schaufelteil auf der Welle des Verdichters»

Bei umlaufenden Maschinen, wie Verdichtern o.dgl., sollte der Schwerpunkt des Drehkörpers ganz allgemein möglichst dicht an der Achse der Welle liegen. Wenn das Gewicht mit W, die Winkelgeschwindigkeit mit I und der Exzenterarm zwischen den Zentren der Welle und des Schwerpunkts mit S bezeichnet wird, so ist die Größe der durch die Exzentrizität hervorgerufenen Unwucht den Größen W, I² und S proportional. Wenn die Unwuchtkraft hierbei vergrößert wird, vermag der . Drehkörper nicht nur nicht ruhig umzulaufen, sondern tritt auch ein Heißlaufen der ihn tragenden lager auf.

Hieraus folgt, daß bei einem schnell umlaufenden Körper der auf Verformungen infolge von Fliehkraft und*Wärme beruhende Exzenterarm S nicht nur im.stillstehenden, .sondern auch im umlaufenden Zustand, nicht groß sein dar£ Bei einem herkömmlichen Zentrifugalverdichter, bei welchem die Schaufeln und das Schaufelrad einstückig miteinander ausgebildet sind, kann das Auftreten eines größeren Exzenterarms S in der '.tragvorrichtung vermieden werden, doch weisen nur kleine Zentrifugalkompressoren ein solcherart einstückig mit den

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Schaufeln ausgebildetes Schaufelrad auf. Bei allen/anderen Verdichtern als den kleineren Zentrifugalverdichtern bestehen die Schaufeln und das Schaufelrad aus..,getrennten Bauteilen,.wobei es sich als unmöglich erweisen kann, mit den herkömmlichen Einrichtungen zur Halterung des Schaufelrads a.uf der Welle das Auftreten eines größeren Exzenteraxms zu vermeiden.

In den Jig. 1, 2 und 3 ist beispielhaft eine herkömmliche Einrichtung zur Halterung des Schaufelrads-eines Zentrifugal Verdichters auf einer Welle in j?orm eines Bauteils dargestellt, der von einem .ebenfalls auf der Welle sitzenden vorderen Schaufelteil 04 getrennt ist. Q,enäß diesen Figuren wird die Y/eile 01 durch eine nicht dargestellte Antriebseinrichtung in Drehung versetzt* Das Schaufelrad 02 ist mit Hilfe einer Keilfeder 03 auf einem konischen Abschnitt · der Welle 01 befestigt. Die Einlauf- bzw. Front-■ schaufeln sind auf ähnliche Weise wie das Schaufelrad 02 ebenfalls mit dem konischen Abschnitt der Welle 01 verbun-' den und außerdem mittels eines Schlagstifts 05 drehfest mit den Schaufelrad 02 verbunden. Diese Schaufeln nehmen auf die durch einen Pfeil angedeutete V/eise das gasförmige Strömungsmittel von einem Einlauf auf und beschleunigen es unter Verdichtung in Radialrichtung zur tför-derung zu einem, -Auslaß. Diese Verdichtung .wird dadurch bewirkt, da.ß der vordere Schaufelteil 04 und das Schaufelrad 02 als Einheit zusammen mit' der Welle 01 in Drehung versetzt werden. .

Auf einen Gewindeabschnitt der Welle 01 ist eine Mutter .G7 aufgeschraubt, welche über eine Feder 08 den vorderen Schau- ~f elteil 04 und "da.s Schaufelrad 02 in Axialrichtung-- längs _

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des Konischen Abschnitts der Welle 01 drängt. Dicht am vorderen Sehaufelteil 04 und am Schaufelrad 02 ist eine innere WirbelKamei 06 angeordnet.

Bei der vorstehend beschriebenen he rlcü rural ich en Einrichtung aur Hal to rung des" Schaufelrads eines Zentrifügalver-; dichters auf der Verdichter-Welle ist es vom Standpunkt der Verarbeitung selbst im stillstehenden 'Sustand der Teile sehr schwierig^ sowohl das 'Schaufelrad 02 als auch den vorderen Sohauf ölteil 04 gleichaeitig: mit den konischen Abschnitten der Welle 01 in Eingriff zu bringen. Selbst wenn der" vordere Schauf el,u eil 04 und das Sehauf eli'ad 02 im stillstehenden Sustand feet rait dem konischen Abschnitt der Welle 01 in Eingriff gebracht werden lconnten, führt die bei der Drehung 'der Teile infolge Von Fliehkraft und Wärme auftretende iiängung in Radial richtung zu unterschiedlicher Ausdehnung der beiden Seile 02 und 041 so daß zwischen der Weile und den beiden Teilen in Hadialrichtung ein Spalt entsteht«

Fig. 2 veranschaulicht den Zustand _r in welchem der vordere Schaufelteil 04\iurch die duroh die Feder Oi ausgeübte Kraft Oi¹ nit den konischen. Aböcimitx dor V/elle 01 in Berührung gehalten wird» Die Kraft OP der Feder 00 wirkt jedoch nicht auf das Schaufelrad 02 ein, das sieh fdglich wegen seiner Verförr.iujig aufgrund von Flieiucraft^ und Wärmeeinwirkung" un den Betrag Ol in Sadiftlrichtüng' langt* Das Schaufelrad 02 gerät mithin in einen Sohwlngsustand gegenüber der V/elle ΰ1< so daß der maximale Radiaiapalt aii einer Seite gleich 2<O<5" vri.rd* Der maximale- Ejizentrizitätsarm des -gchwerpiuilita deö Söhauf elrads 02 beträgt somit OS « Darüber hinaus verschiebt sich das Schaufelrad 02 in diesem

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Fall um den Betrag. o| als maximaler Verschiebung infolge der Entstehung des Ha.diäl spalt s in Axial richtung. Bezüglich dieser Axialverschiebung läßt sich sagen, daß wenn der konische Abschnitt- ein Konusverhältnis von n:1 für die Länge η in Radialrichtung besitzt, 06 gleich dem Produkt aus länge η und Betrag der Längung, d.h. gleich ii⁹O<S ist und das Schaufelrad 02 in Schwingung kommt.

3 veranschaulicht einen Fall, in welchem während der Drehbewegung das Schaufelrad 02 infolge der durch die Feder 08 ausgeübten Kraft OF in fester Berührung mit dem konischen Abschnitt der Welle 01 steht* In diesem Fall Wird selbst bei erhöhter Kraft OF der auf den vorderen Schaufelteil 04 einwirkenden Feder 08 eine Axialverschiebung des vorderen Schaufelteils 04 längs des konischen Abschnitts der Welle 01 verhindert, so daß sich der vordere Schaufel- · teil 04 infolge von Wärme verformung und anderen Einflüssen in Radial richtung um den Betrag 0<i längt und in solchem Ausmaß schwingt, daß ein maximaler Radi al spalt 2* Ö<S an der einen Seite der Welle 01 erreicht wird. Der maximale Exzenterarm des Schwerpunkts des vorderen Schaufelteils 04 beträgt hierbei OJ. Selbstverständlich schwingt der vordere Schaufelteil 04 nicht so stark in Axialrichtung, da er durch die durch die Feder 08 ausgeübte Kraft in Axialrichtung gegen das Schaufelrad 02 gedrängt wird*

Wenn, wie erwähnt, der Schwerpunkt des vorderen Schaufelteils 04 bzw. der Schaufeln und des Schaufelrads 02 gegenüber der Achse der Welle 01 außermittig liegt, so daß während der Drehbewegung Schwingungserscheinungen und Unwucht-* kräfte auftreten, nimmt die Exzentrizität weiter zu und hau zur Folge, da.ß sie den Wirkungsgrad des Verdichters

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herabsetzt und gleichzeitig zu Schäden sowie zu einem Heißlaufen der lager und anderer Bauteile führt. Weiterhin wird hierdurch das Betriebsgeräusch verstärkt.

Zur Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten schafft die Erfindung eine Einrichtung zur Halterung des Schaufelrads eines Zentrifugalverdichters auf einer Welle und insbesondere eine verbesserte Halt e. rungs vorrichtung zur Befestigung des Schaufelrads und eines zugeordneten vorderen Schaufelteils, die als getrennte Bauteile ausgebildet sind, auf konischen Abschnitten einer Welle.

Die Erfindung beseitigt die vorgenannten IJachteile der herkömmlichen Halterungseinrichtung für das Schaufelrad- eines Zentrifugalverdichters der Art, bei welchem der vordere-Schaufelteil und das Schaufelrad getrennte Bauteile darstellen. Weiterhin schafft die Erfindung eine Halterungsvorrichtimg, durch welche der Schwerpunkt des vorderen Scha.ufelteils und des Schaufelrads daran gehindert werden, nicht nur im stillstehenden Zustand,, sondern auch bei der Drehbewegung die Exzentrizität zu vergrößern.

Erfindmigsgemäß ist bei einem Zentrifugalverdichter, bei weichem' das Schaufelrad und ein vorderer Schaufelteil bzw» die vorderen Schaufeln als getrennte Bauteile a.uf konischen Abschnitten einer Verdichter-Welle montiert sind, an der Einlaufseite des vorderen Schaufelteils ein Dämpferglied bzw. eine Feder angeordnet, während zwischen dem vorderen Schaufelteil und dem Schaufelrad ein zweites Dämpferglied vorgesehen ist. Diese beiden Dämpferglieder sind so abgestimmt, daß das erste Dämpferglied stärker ist als das zweite. Die beiden Dämpferglieder wirken gleichsinnig in

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Axialriehtung, go daß sie den vorderen Schaufelteil und das Schaufelrad längs der konischen Abschnitte der Welle verdrängen und auf diese Weise die Entstehung eines Spalts zwischen dem vorderen Schaufelteil und dem Schaufelrad einerseits -und den mit ihnen in Berührung stehenden Abschnitten der Welle andererseits verhindern.

Erfindungsgemäß werden der vordere Schaufelteil und das Schaufelrad ständig durch die Dämpferglieder verdrängt, und zwar unabhängig davon, ob die 'Teile stillstehen oder sich drehen, so da,ß sie mit den' konischen Abschnitten der "Welle in Berührung gehalten v/erden; hierdurch wird üb ermäßige Exzentrizität des Schwerpunkts verhindert und folglich eina ruhige Drehbewegung gewährleistet.'

Aufgabe -'"der. Erfindung ist ni thin in erster linie die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zur Halterung eines Schaufelrads und eines vorderen Schaufelteils bzw. der I^rontschaufeln, die als getrennte Bauteile gefertigt sind, a.uf den konischen Abschnitten der Welle"-einea Zentrifugalver- ; ■'dichters. Durch diese Vorrichtung soll insbesondere sowohl." der vordere Schaufelteil als auch das.Schaufelrad in fester Berührung mit den betreffenden konischen Abschnitten der Welle gehalten werden. _'.-.'.."

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in erster Linie dadurch gelöst, daß zwischen ein Halteglied und da.3 einlaufseitige Ende des vorderen Schaufelteils ein Dämpferglied und zwischen den vorderen--. Schaufelt eil und das Schaufelrad ein zweites Dämpferglied eingefügt sind. Dabei ist das erste Dämpferglied vorzugsweise stärker als das zweite.

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Im folgenden ist die Erfindung in einem bevorzugten Ausitihrungnbeispiel anhand der Zeichnungen, näher' erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen diametralen Schnitt durch einen Zentrifugalverdichter zur Veranschaulichung einer herkömmlichen Halterungsvorriehtuiig,

Fig. 2 und 3 in vergrößertem Maßstab gehaltene radiale i'eilschnitte durch den Zentrifugalverdichter gemäß Fig. 1 zur Veränschaulichung bestimmter, im Betrieb aiifcre tender Effekte,

Pig. 4 einen diametralen Schnitt durch einen Zentrifugalverdichter mit einer Haltorungsvorriehtung mit den Lierkmaleri der Erfindung und

Fig. i? und 6 radiale iCeilochnitte ^ur Veranschauliehung bestimmter, im Betrieb dec Verdichtern in Erscheinung tretender Effekte.

Die izi den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte herkömmliche Anord^ nung ist bereits eingangs erläutert worden.

Gemäß Fig. 4 ist auf der Welle 1 eines ZentrifugalVerdichters ein Schaufelrad 2 montiert, das über eine Keilfeder 3 drehfest tit der Welle ί verbunden ist. Das Schaufelrad 2 steht ni~ oinen zylindrischen Abschnitt 1a sowie mit einem konische-i Abschnitt 1b der Welle 1 in Berührung. Ein für gewöhnlich mehrere Schaufeln" tra.ge>id or vorderer Schaufelteil 4 ist ebenfalls a.uf der Welle 1 nontiert luid über eine Keilfoder 5 drehfest mit ihr verbunden. Der Schaufelteil 4

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sitzt auf einem konischen Abschnitt 1c der Welle 1. Das Schaufelrad 2 und der Schaufelteil 4 drehen sich mithin als Einheit mit der Welle 1 innerhalb einer inneren Wirbelkammer 6, wie einer Verdichtereintrittsspirale,'so daß gasförmiges Fluidum an einem Einlauf der Wirbelkammer 6 angesaugt und unter Verdichtung radial auswärts, über einen Auslaß ausgestoßen wird.

Auf einen mit Gewinde Versehenen Abschnitt 1d der Welle ist eine Mutter 7 aufgeschraubt, und zwischen der Mutter und .dem vorderen Schaufelteil 4 ist eine Feder 8 angeordnet, welche den Schaufelteil 4 und das Schaufelrad 2 in Axialrichtung nach rechts drängt. Zwischen dem vorderen Schaufelteil 4 und dem Schaufelrad 2, die mit den konischen Abschnitten Ic bzw. 1b der Vfelle 1 in Berührung stehen, ist eine zweite Fede,r 9 vorgesehen.

3ci der vorstehend beschriebenen Anordnung wird zwischen den einander benachbarten Flächen von Schaufelteil 4 und Schaufelrad 2 ein Spalt c festgelegt, der etwas .größer ist als bei einem herkömmlichen Verdichter dieser Art mit.getrenntem Schaufelrad 2 und Schaufelteil 4. Die Dämpf erwirlcung der zweiten Feder 9, d.h. die Größe ihrer Wirkung während Verdichtung und'Entspannung, ist kleiner als bei der Feder Obgleich das Schaufelrad 2 bei der dargestellten Ausführungsform sowohl mit dem zylindrischen Abschnitt 1a als auch mit dem konischen Abschnitt 1b der Welle 1 in Beruh- ■ rung steht, kann es selbstverstäalich auch nur mit einem konischen Abschnitt zusammengepaßt sein.

Die Mutter 7 ist so fest auf die Welle 1 aufgeschraubt, daß sie der Vorbelastungswirkung in jedem Zustand der beiden

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Federn 8 und 9 zu widerstehen -vermag. Wenn die Yorbelastungs- "bzw. Dämpferkraft 4F der ersten Feder 8 das Doppelte der Kraft 2F der zweiten Feder 9 beträgt, werden der vordere Scha.ufelteil 4 und das Schaufelrad 2 durch die beiden Federn 8 und 9 in Berührung mit der Welle 1 längs der konischen Abschnitte 1c und 1b nach rechts gedrängt, so daß sie nicht nur im Stillstand, sondern auch während der Drehung in fester Anlage an diesen Abschnitten verbleibeni,

In den Fig. 5 und 6 ist der Halterungszustand des Schaufelteils 4 und des Schaufelrads 2jwährend der Drehung dargestellt, wobei Fig. 5 den Fall zeigt, bei welchem unabhängig von der Berührung des vorderen Schaufelteils 4.mit dem leonischen Abschnitt 1c der Welle 1 während der Drehbewegung infolge der Fliehkraft "in. Radialrichtung ein Spalte hervorgerufen wird, und zwar zwischen dem Schaufelrad 2 und der Welle 1. Außerdem tritt infolge des Sp_alts <? eine Axialverschiebung des Schaufelrads 2 über eine Strecke ncT auf, wobei η eine Strecke in Axialrichtung bedeutet, wenn der Konus bzw. die Verjüngung des konischen Abschnitts Ib ein-Verhältnis von nil besitzt. In diesem Fall wirkt die zweite Feder 9 als Ausgangspunkt für die Feder-Berührungsstellung des mit dieser Feder in Berührung stehenden vorderen Schaufelteils 4 und wird das Schaufelrad 2 zwangsläufig in Berührung mit der Welle 1 gehalten, so daß es von dieser mit fester Anlage getragen wird. Das Schaufelrad 2 wird mithin durch eine Dämpferkraft 2F in die durch den Pfeil angedeutete Richtung und gegen den konischen Abschnitt 1b der Welle 1 gedrängt.

Fig. 6 veranschaulicht das Gegenteil' des Zustande gemäß Fig. 5, wobei, unabhängig davon, daß das Schaufelrad 2

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fest an der "Welle 1 anliegt, während der Drehbewegung ein durch Wäinae verformung und dgl. hervorgerufener. SpaltS in Radialrichtung sowie eine Verschiebung n'i¹ in Axialrichtung auftreten, wenn n^! eine Strecke in Axialrichtung bedeutet und die Verjüngung des konischen Abschnitts 1c ein Verhältnis von n^f: 1. besitzt. Da die Vorbeiastungs- bsw* Dämpferkraft 4F der ersten Feder 8 das Doppelte der Kraft 21? der zweiten Feder 9 beträgt, wirkt in diesem Fall die - -erste Feder 8 in der Weise auf den vorderen Schaufelteil 4 ein, daß dieser in fester Anlage am konischen Abschnitt To der Welle 1 gehalten wird, während die zweite Feder 9 zusammengedrückt wird. Die beiden Federn 8 und 9 vermögen mithin in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung die ;. anfängliche Berührung des Schaufelrads und des vorderen Schaufelteils mit den betreffenden konischen Abschnitten .· ' der Welle 1 aufrechtzuerhalten. . ,

Obgleich der vordere Schaufelteil· 4 und das Schaufelrad 2 in zwei getrennte Bauteile unterteilt sind, wird folglich dio Unwuchtkraft während der Drehbewegung dadurch beseitigt, daß der Schwerpunkt des vorderen Schaufelteils 4 und des Schaum felrads 2 mit der Achse der Welle 1 zusammenfällt, weil beide Teile nicht nur im Stillstand, sondern auch v/ährend der Drehbewegung stets in fester Berührung mit den jeweiligen konischen Abschnitten der Welle 1 gehalten werden. Demzufolge arbeitet der Zentrifugalverdichter mit ruhigem Lauf des vorderen Sehauf elteils 4 und des Schaufelrads 2, so daß keine schädlichen Auswirkungen auf die Lager- oder ein Heißlauf en der Lager oder anderer !eile auftreten und mithin eine lange Betriebslebensdauer der 'feile gewährleistet wird. Aus der vorangehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfülirungsform der Erfindung ist somit ersichtlich, daß

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die erfiiidungsgemäßG Halterungsanordnung einen Drehkörper zwangsläufig und olmo exzentrische Bewegung seines Schwerpunkts zu haltern vermag, und zwar selbst während der Drehung eines Rotors eines Zentrifugalverdichters, bei welchen das Schaufelrad und ein vorderer Schaufelteil getrennte Bauteile darstellen. Die erfiiidungsgemäße Halterungsanordnung weist ein an der Einlaufseite des vorderen Schaufelteils angeordnetes Dämpferglied in Form einer Feder und ein zwischen den Schaufelteil und dem Schaufelrad vorge s eh one s r.woites Dämpferglied In Form einer Feder auf. Das erste Dämpferglied ist inbezug a.uf seine Yorbelastungsizraft wesentlich stärker als das "zweite, und beide Dämpferglied er wirken gleichsinnig- in Axialrichtung,, so dal3 sie den vorderen Schaufelt eil und das Schaufelrad in feste Anlage aii die züge oz-diie ten koiiische.i Abschnitte der "felle des Centrifugalvci'dichxers hex-anarüngen. Auf diese Weise verhindern aiecG Ditepfarglieder die Entstehung eines Spalt3 awischen der "»Teile einerseits "und deu vorderen Schaufelteil und de::· Schaufelrad andererseits.

Cusc'xiaeiLLEißisc-u .schafft die Erfi:idung mithin eine HalxerungsanordrAui_c; i'Iir einen Zentrifugal verdichter, dessen drehbn.ro Welle koniaol.o Absciuii^te aufv/eis'j und bei welchem ein Schaufelrad und ein vorderer Schaufel^eil als getrennte Bauteile auf cic-i konischen \7elle:-.aüschnit"üen montiert sind. Zwischen oi:; Hr-i^e^liea und das einlauf seidige Ende des vorderen Schaufelt oils ist ein erstes Dämpf erglied in Forri einer Feder eiiifcfügt. Ein_ swcites Dämpferglied■■ in Form einer Feder ±sx ^vfischen den Schaufelteil und das Schaufelrad eingece\,i:t. Die Dänpierglieder können die Gestalt von konische^ czvr. üeilerfederii besitzen. Das erste Dämpferglied ist wesentlich stärker als das zweite, und beide Dämpfer-

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glieder wirken in dieselbe Richtung und bewirken hierbei eine Vorbelastung des Schaufelteils und des Schaufelrads gegen die betreifenden leonischen Abschnitte der Welle, um die Entstehung eines radialen Spalts zwischen dem Schaufelteil und dem Schaufelrad einerseits sowie der Welle andererseits au verhindern#

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Claims

Pat ent an s ρ r ü c h e

Vorrichtung zur Halterung des Schaufelrads und eines vorderen Schaufelteils auf der Welle eines Zentrifugalverdichters, die als getrennte Bauteile auf konischen Abschnitten der Welle montiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem einlaufseitigen Ende des vorderen SchaufeTteils (4) ein Halteglied (7) an der Welle (1) befestigt ist und daß zwischen dem Halteglied und dem vorderen Schaufelteil und zwischen dem vorderen Sclrnufelteil und dem Schaufelrad (2) zwei die felle umschließende Dämpferglieder (8 bzw. 9) vorgesehen sind, die gleichsinnig-in Axialrichtung'wirksam sind und den vorderen Scha.ufelteil sowie das Schaufelrad a.uf die zugehörigen konischen Abschnitte ("Ic; 1b) der Welle hin drängen;
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dämpferglieder (8, 9) die Welle (I)-

umgreifende Federn sind. ■ . .
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Effektivkraft des ersten Dämpferglieds (B) _t in der gleichen Axialrichtung betrachtet, größer ist als die Effektivkraft des zweiten Dämpferglieds (9).
4. Vorrichtung, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Effektivkraft des ersten Dämpf er glieds (8), in der gleichen Axialrichtung betrachtet, praktisch doppelt so groß ist wie die Effektivkraft des zweiten Dämpferglieds (9).

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Vorrichtung nach. Anspruch 4-> dadurch gekennzeichnet, da,ß das Schaufelrad" (2) und der vordere Schaufelteil (4) mit- einem anfänglichen schmalen. AxLalspa.lt (c) zwischen beiden Teilen auf der Welle (T) montiert sind.

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