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Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für die Turbine von Windkraftanlagen. Die Turbine dreht sich durch die Auftriebskraft, die der Wind an den Rotorblättern erzeugt. Die dichte Anordnung von zwei Profilen, genannt Tandemanordnung, ist unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung der sich an den Profilen einstellenden Strömung festgelegt.
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Aus der dichten Anordnung von zwei Profilen ergibt sich eine positive Grenzschichtbeeinflussung auf der Saugseite des Profils 1 und auf der Druckseite des Profils 2. Dies führt erfahrungsgemäß zu einer Erhöhung der Auftriebskraft insgesamt.
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Zur Beeinflussung der Grenzschicht an den Profilen der Rotorblätter von Windkraftanlagen sind verschieden Versuche unternommen worden. Sie dienten dazu, den vorzeitigen Strömungsabriss bei geänderten Anströmwinkeln zu beeinflussen.
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In der europäischen Patentschrift
EP 0954 7012 B1 wird der Einsatz eines Turbulenzerzeugers beschrieben, um die Vibration der Flügel, hervorgerufen durch das Abreißen der Strömung, zu verhindern. Die Turbulenzerzeuger sind an der Profilnase über der Länge des Rotorblattes von der Nabe bis zur Schaufelspitze an mehreren Stellen angeordnet.
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In der internationalen Patentanmeldung
WO 97/01709 ist eine Klappe dargestellt, die an der Hinterkante des Profils angebracht ist und über ein Hebelsystem betätigt wird. Eine entsprechende Betätigung soll zu einer Verringerung des Auftriebes führen und so einem Abriss der Strömung entgegenwirken.
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In der internationalen Patentanmeldung
WO 001/16482 A1 sind auf der Saug- und auf der Druckseite des Profils Turbulenzgeneratoren im Übergangsbereich der Strömung von der laminaren zur turbulenten Strömung angebracht.
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In der europäischen Patentschrift
EP 0947 693 A2 ist zur Schwingungsdämpfung in der Vorderkante des Rotorprofils eine Sekundärprofil angebracht, dass sich in Längsrichtung von der Nabe bis zur Blattspitze erstreckt.
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Bei den oben zitierten Patentanmeldungen handelt es sich um die Anordnung von Elementen, die mit dem Ziel der Beeinflussung der Grenzschichtströmung des umströmten Profils vorgesehen werden. Damit soll das Abreißverhalten der Strömung bei geändertem Anströmwinkel im Sinne der Stabilisierung der Strömung beeinflusst werden, um Vibrationen des Rotorblattes bei Teillast auf diese Weise zu vermeiden.
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In der internationalen Patentanmeldung
WO 2010/053450 ist die Tandemanordnung von jeweils zwei Rotorblättern dargestellt, die hintereinander auf der Rotornabe angeordnet sind. Die Rotorblätter haben eigene Antriebe und können unabhängig voneinander verschwenkt werden. Der Abstand der Rotorblätter voneinander ist so groß, dass eine gegenseitige Grenzschichtbeeinflussung nicht möglich und auch nicht beabsichtigt ist. Die hintereinander angeordneten Rotorblätter sind an den Schaufelspitzen in einem Verbindungselement drehbar gelagert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch die dichte Tandemordnung von Profilen für die Rotorblätter von Windkraftanlagen eine aerodynamische Auslegung zu realisieren, bei der größere Auftriebskräfte der Rotorblätter bei gleichzeitig erweitertem Arbeitsbereich aufgrund von Anströmwinkeländerungen bei Schwachwind und bei starkem Wind erzielt werden können.
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Das führt dazu, dass der Wirkungsgrad ebenso wie der Auslastungsgrad von Windkraftanlagen aufgrund eines breiteren Kennfeldes im Betrieb gegenüber der Anströmung von Einzelprofilen nennenswert erhöht werden kann.
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Die Aufgabe wird mit einer Anordnung der Profile 1 und 2 in Tandemanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass auf der Saugseite des Profils 1 durch die teilweise Überdeckung mit dem Profil 2 ein in Strömungsrichtung konvergenter Strömungskanal gebildet wird. Aufgrund der durch den konvergenten Strömungskanal beschleunigten Strömung wird der Grenzschicht auf der Saugseite des Profils 1 Energie zugeführt. Das vorzeitige Abreißen der Strömung auf der Saugseite des Profils 1 wird dadurch weitgehend verhindert bzw. wird stromabwärts verschoben. Durch das Profil 2 wird die Strömungsumlenkung vergrößert. Die Auftriebskräfte der Tandemanordnung werden dabei nennenswert um ca. 30% erhöht. Die Energieerzeugung wird dadurch entsprechend gesteigert.
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Aus der Vermeidung bzw. Reduzierung des Strömungsabrisses auf der Saugseite des Profils 1 über einen relativ großen Bereich der Anströmwinkeländerung ergibt sich ein verbesserter Regelbereich, der sich positiv auf die Leistungsregelung auch bei sich stark änderndem Anströmwinkel, wie er sich bei Teillast (Schwachwind) und bei Überlastung (Starkwind) auswirkt. Die größeren Auftriebskräfte führen dazu, dass die Windkraftanlagen schon bei relativ kleinen Windgeschwindigkeiten elektrische Energie erzeugen können. Der Auslastungsgrad von Windkraftanlagen, der z. Z. nur bei ca. 20% (2009) liegt, kann dadurch nennenswert erhöht werden, was zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen führt.
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Die Tandemausführung der Profile 1 und 2 schließt ferner ein, dass die mechanischen Biegebeanspruchungen, die aus dem Wirkdruck auf den Rotor resultieren, durch die kompakte Bauweise (Sandwich-Bauweise) der dicht angeordneten Profile 1 und 2 erheblich reduziert werden können. Dies wirkt sich positiv auf eine verlängerte Lebensdauer aus und erhöht die Wirtschaftlichkeit.
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Das Profil 2 ist aerodynamisch so ausgebildet, dass es mit seiner Druckseite im Bereich der Überdeckung beider Profile zusammen mit der Saugseite des Profils 1 in Strömungsrichtung einen konvergenten Strömungskanal bildet. Die Profilnase des Profils 2 ist so ausgebildet, dass bei großen Anströmwinkeländerungen, wie sie bei Schwachwind und bei Starkwind auftreten, aufgrund der Einlassgeometrie die Ablöseneigung auf der Saugseite des Profils 1 verringert bzw. ganz verhindert.
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Durch die Tandemanordnung der Profile 1 und 2 wird einer Selbsterregung von Schwingungen und einer damit verbundenen Lärmentwicklung entgegengewirkt.
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Die Erfindung schließt weiterhin den Gedanken ein, dass durch das reduzierte Ablöseverhalten der Strömung und der damit verbundenen Reduzierung der Rotorblattschwingungen auch daraus resultierende Geräuschentwicklungen verringert werden.
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Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Geräuschentwicklung durch instationär auftretende Strömungsablösungen, wie sie bei Teillast auftreten, hervorgerufen wird.
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Zur zweckmäßigen Ausführung der Erfindung gehört die Überlegung, dass das Rotorblattprofil 2 – aerodynamisch entsprechend ausgebildet – sich vorzugsweise von der Nabe bis zu der Länge des Rotorblattes erstreckt, bei der aufgrund der Kanalgeometrie zwischen der Druckseite des Profils 1 und der Saugseite des Profils 2 eine Machzahl von M = 0,8 auftritt.
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Alternativ zu der oben beschriebenen Anordnung der Profile 1 und 2 kann das Profil 2 auch in der Nähe der Profilnase des Profils 1 angeordnet werden. Hierbei ist dann eine Anordnung vorgesehen, bei der die Druckseite des Profils 2 mit der Saugseite des Profils 1 ebenfalls einen in Strömungsrichtung konvergenten Strömungskanal bildet. Diese Anordnung ist wegen des realisierbaren Einfangquerschnitts besonders gut für den Betrieb in Schwachwindgebieten geeignet.
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Generell kann festgestellt werden, dass die Anordnung der Tandemkonfiguration im nabennahen Bereich insbesondere auf der inneren Hälfte der Rotorblätter hinsichtlich seiner aerodynamischen Wirkung am effizientesten ist. Die Ablösegefahr von Strömungen, die im Nabenbereich relativ groß ist, wird durch die Tandemanordnung der Profile 1 und 2 weitgehend gemindert bzw. verhindert.
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Die Tandemanordnung der Profile 1 und 2 an der Blattspitze erlaubt es, konstruktiv am Ende der Rotorblätter ein Begrenzungselement vorzusehen, das die Umströmung von der Druck- zur Saugseite des Profils 1 bzw. an den Profilen 1 und 2 zu verhindert. Dadurch wird die Entstehung von freien Randwirbeln verhindert, die den Auftrieb mindern. Daraus ergibt sich, dass die durch Umströmung der Profile bzw. des Profils bedingten Strömungsverluste verringert werden. Der Strömungswirkungsgrad des Rotors wird daraus resultierend durch die Festlegung eines Begrenzungselementes nennenswert vergrößert.
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Andere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden anhand der 1 bis 6 näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Schnitt durch ein Rotorblatt mit der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Profilen in der Nähe der Hinterkante des Anströmprofils mit der Darstellung der Geschwindigkeits- und Richtungsbeziehungen der Anströmung des Anströmprofils
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2 einen Schnitt durch ein Rotorblatt mit der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Profilen in der Nähe der Profilnase des Anströmprofils
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3 eine schematische Darstellung von 5 Schnitten durch das Rotorblatt über seine Länge von der Nabe bis zur Rotorblattspitze
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4a und 4b zeigt eine perspektivische Draufsicht auf die Schaufelspitze eines Rotors mit der Festlegung eines Begrenzungselementes.
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5 den schematischen Verlauf des Auftriebsbeiwertes Ca als Funktion des Anstellwinkels alpha für die Tandemanordnung und für das Anströmprofil
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6 den schematischen Verlauf des Verlustbeiwertes Cw als Funktion des Anstellwinkels alpha für die Tandemanordnung und für das Anströmprofil
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1 zeigt den schematischen Querschnitt einer Tandemanordnung von zwei Strömungsprofilen eines Rotorblattes einer Windkraftanlage vom Horizontaltyp mit dem Profil 1 auf der Anströmseite und mit dem Profil 2 auf der Saugseite des Profils 1 angeordnet im Bereich der Hinterkante des Profils 1. In der 1 sind als Winddreieck die Windgeschwindigkeiten W, die Umfangsgeschwindigkeit U und die relative Anströmgeschwindigkeit Wrel zum Anströmprofil 1 dargestellt. Der Anstellwinkel alpha des Anströmprofils 1 für die relative Antrömgeschwindigkeit Wrel wird gebildet gegenüber der Profilsehne 3 des Anströmprofils 1.
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Das Profil 2 bildet mit seiner Druckseite zusammen mit der Saugseite des Profils 1 einen in Strömungsrichtung konvergenten Strömungskanal 4. Die Eintrittshöhe 5 des Strömungskanals ist stets größer als die Austrittshöhe des Strömungskanals 4. Das Profil 2 ist über die Rippe 7 mechanisch mit dem Profil 1 verbunden. Durch die Rippe 7, die über der Rotorblattlänge mehrfach angeordnet ist, wird ein stabiler Verbund zwischen dem Rotorblatt Profil 1 und dem Rotorblatt Profil 2 gebildet, der mechanisch eine kompakte Ausführung des Rotorblattes mit entsprechend reduzierten Biegebeanspruchungen festlegt. Die Rippe 7 ist nach den Erfordernissen der Festigkeit mehrfach über der Rotorblattlänge angeordnet.
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Die Schwenkbewegung des kompletten Rotorblattes, wie sie für die Leistungsregelung durch die Pitchregelung hervorgerufen wird, umfasst damit die Schwenkbewegung für die insgesamt fixe Tandemanordnung der Profile 1 und 2 zueinander.
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2 zeigt den schematischen Querschnitt für die Tandemanordnung von zwei Schaufelprofilen eines Rotorblattes einer Windkraftanlage mit den Profilen 1 und 8. Das Profil 8 ist beispielhaft in der Nähe der Profilnase des Profils 1 auf der Saugseite des Profils 1 angeordnet. Das Profil 8 bildet mit seiner Druckseite und mit der Saugseite des Profils 1 einen in Strömungsrichtung konvergenten Strömungskanal 9. Die Eintrittshöhe 10 ist stets größer als die Austrittshöhe 11 des Strömungskanals 9. Die Profile 1 und 8 sind über die Rippe 12 miteinander verbunden. Die Rippe 12 ist nach den Erfordernissen der Festigkeit mehrfach über der Rotorblattlänge angeordnet.
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In 3 sind ausgehend von der Drehachse 13 des Rotors schematisch und beispielhaft sechs Schnitte für die Radienverhältnisse R = 0,5, R = 1,0, R = 1,25, R = 1,5, R = 2,0 und R = 2,5 durch das Rotorblatt für die Tandemanordnung der Profile 1 und 2 dargestellt. 3 zeigt für die Schnitte R = 0,5 bis R = 2,0 eine Tandemanordnung der Profile 1 und 2. Beispielhaft ist für den obersten Schnitt aus aerodynamischen Gründen keine Tandemanordnung vorgesehen. Diese Ausbildung ist aus aerodynamischen Gründen immer dann zu wählen, wenn aus aerodynamischen Gründen im Strömungskanal 4 Übergeschwindigkeiten auftreten, die zu einer Blockierung der Durchströmung des Strömungskanals 4 führen können. Maßgeblich hierfür ist das Einhalten von Machzahlgrenzen für die Umströmung der Profile bei der Auslegung der Rotorblätter für Windkraftanlagen.
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Die Tandemanordnung der Profile 1 und 2 ist so festgelegt, dass die Schwerpunkte der Profilschnitte für die Profile 1 und 2 jeweils auf den Radialen 14 und 15 liegen, um zusätzlich durch die Fliehkraft auftretende Biegebeanspruchungen im Rotorblatt zu vermeiden.
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Die mechanische Verbindung zwischen den Profilen 1 und 2 ist durch mehrfach über der Rotorlänge angeordnete Rippen 7 und 12 festgelegt. Die Anzahl der Rippen 7 und 12 bzw. der Abstand der Rippen voneinander wird unter Einhaltung zulässiger Festigkeitskriterien festgelegt.
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4a und 4b ist schematisch die Anordnung eines Begrenzungselementes 16 und 17 und an der Blattspitze eines Rotors gezeigt. Das Begrenzungselement ist jeweils aerodynamisch widerstandsarm ausgebildet.
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4a zeigt an der Schaufelspitze des Rotors die Tandemanordnung der Profile 1 und 2. Es ist ein Begrenzungselement 16 festgelegt, das die Endquerschnitte der Profile 1 und 2, die bis zur Schaufelspitze sich erstrecken, jeweils überstehend von der Druck- zur Saugseite überdeckt.
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In 4b ist die Anordnung eines entsprechend ausgeformten Begrenzungselements 17 für das Profil 1 gezeigt.
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In 5 ist die Abhängigkeit des aerodynamischen Auftriebsbeiwertes Ca als Funktion des Anströmwinkels alpha als Folge der Änderung der Windgeschwindigkeiten für das Einzelprofil und für eine Tandemanordnung bestehend aus den Profilen 1 und 2 darggestellt. Negative Auftriebsbeiwert Ca wie sie bei Schwachwind mit der bisherigen Auslegung mit Einzelprofilen auftreten können, werden durch die Tandemanordnung der Profile 1 und 2 vermieden. Auch die damit einhergehende Fluktuation der Strömung und den dadurch entstehenden Schwingungen an den Rotorblättern wird durch die Tandemanordnung vermieden.
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Beim Betrieb unter Schwachwindbedingungen, was negativen bzw. kleinen positiven Anströmwinkeln entspricht, ergeben sich gegenüber dem Einzelprofil deutlich höhere Auftriebsbeiwerte Ca mit der Tandemanordnung der Profile 1 und 2. Das bedeutet, dass mit der Tandemanordnung der Profile 1 und 2 bei Schwachwind bereits positive Auftriebskräfte erzeugt werden können. Das führt dazu, dass mit der Tandemanordnung der Profile 1 und 2 die Energieausbeute erhöht und die Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen mit Rotorblättern in Tandemanordnung verbessert wird.
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Auch zeigt 5, dass das aerodynamische Verhalten der Tandemanordnung der Profile 1 und 2 bei mittleren bis stärkeren Windstärken einen um bis zu 35% größeren Auftriebsbeiwert Ca ergibt. Durch die Tandemanordnung und den dadurch gebildeten Strömungskanal 4 wird der Grenzschicht auf der Saugseite des Profils 1 durch die Beschleunigung der Strömung Energie zugeführt, die der Strömungsablösung auf der Saugseite des Profils 1 entgegenwirkt. Der Ablösepunkt der Strömung wird bei mittlerem Wind und bei Starkwind in den Bereich größerer Anströmwinkel verschoben. Der nutzbare Bereich für die Energieerzeugung von Windkraftanlagen mit Rotorblättern in Tandemanordnung wird dadurch nennenswert vergrößert. Der Nutzungsgrad von Windkraftanlagen wird durch die Ausdehnung des nutzbaren Bereiches von Windgeschwindigkeiten im Schwachwind- wie im Starkwindbereich um mindestens 20% erhöht. Die Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlagen steigt durch den Einsatz von Rotorblättern mit Tandemanordnung der Profile 1 und 2 in gleichem Maße ebenfalls um mindesten 25%.
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In 6 ist die Abhängigkeit des aerodynamischen Widerstandbeiwertes Cw als Funktion des Anströmwinkels alpha als Folge der sich ändernden Windgeschwindigkeit W für das Einzelprofil 1 und für die Tandemanordnung bestehend aus den Profilen 1 und 2 dargestellt. Über den Betriebsbereich von schwachen Winden bis zum Betrieb bei stärkeren Winden ergeben sich bei Teillasten, also bei größeren Abweichungen vom aerodynamischen Auslegungspunkt des Profils 1, Anströmwinkel alpha ist dann Null, kleinere Widerstandsbeiwerte bei der Tandemanordnung der Profile 1 und 2 gegenüber den Einzelprofil 1 und 2. Dies führt dazu, dass der ebene Profilverlust über einen weiten Bereich bei der Tandemanordnung kleiner als bei der bisherigen konventionellen Auslegung mit nur einem Profil ist. Die verringerten ebenen Profilverluste verbessern den Wirkungsgrad der Windkraftanlage.
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Die aerodynamische Auslegung der Tandemanordnung der Profile 1 und 2 wird für den Normalbetrieb vorgenommen. Hierfür wird die Tandemanordnung der Profile 1 und 2, sowie der von ihnen gebildeten konvergenten Strömungskanals 4 festgelegt. Die Parameter des konvergenten Strömungskanals werden so festgelegt, dass die Stallgrenze gegenüber der konventionellen Rotorblattauslegung mit nur einem Profil um mindestens 15 Grad zu höheren positiven Anströmwinkeln alpha verschoben wird. Der erweiterte Normabetrieb für die Tandemanordnung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass sich bei negativen Anströmwinkeln alpha bis zu – 15 Grad noch positive Auftriebsbeiwerte Ca ergeben.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere sind beliebige Anordnungen der Profile 1 und 2 zu einer Tandemanordnung von Rotorblättern möglich, welche von der dargestellten Lösung auch in anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Profil 1
- 2
- Profil 2
- 3
- Sehne Profil 1
- 4
- Strömungskanal
- 5
- Eintrittshöhe Strömungskanal
- 6
- Austrittshöhe Strömungskanal
- 7
- Befestigungsrippe
- 8
- Profil 8
- 9
- Strömungskanal
- 10
- Eintrittshöhe Strömungskanal
- 11
- Austrittshöhe Strömungskanal
- 12
- Befestigungsrippe
- 13
- Rotorachse
- 14
- Radiale Profil 1
- 15
- Radiale Profil 2
- 16
- Begrenzungselement
- 17
- Begrenzungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 09547012 B1 [0004]
- WO 97/01709 [0005]
- WO 001/16482 A1 [0006]
- EP 0947693 A2 [0007]
- WO 2010/053450 [0009]
