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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Axialgebläse, und
sieht insbesondere ein effektives Verfahren zum Verringern unbeständiger Strömungsabrißkennzeichen
für die
gesamte Spanne von Axialgebläsen
vor, einschließlich
Axialgebläse
mit Nabendurchmessern, die 50% bis 90% des Laufrad-Flügelspitzendurchmessers
betragen.
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Ein
Strömungsabriß ist dann
verursacht, wenn die Luft sich nicht an die Saugoberfläche eines Flügels anpassen
kann und die Luft sich vom Flügel trennt.
Es gibt mehrere Arten von Strömungsabriß, die bei
einem Axialgebläse
auftreten können.
Eine Art ist ein Flügelströmungsabriß, der an
der Naben- oder Flügelspitze
auftritt. Typischerweise tritt der Strömungsabriß zuerst an der Spitze auf.
Eine Strömungsabrißzelle wird
durch Verringern des Luftstroms durch ein Laufrad unter seine ursprünglichen Gestaltungsbedingungen
ausgelöst,
wodurch der Lufteinfallswinkel in den Flügel vergrößert wird. Eine Strömungsabrißzelle tritt
typischerweise auf, wenn der Flügeleinfallswinkel
etwa 8 bis 15 Grad überschreitet.
Zur Veranschaulichung und im Zusammenhang von drei Flügeln A,
B und C könnte
die Strömung
an Flügel
B abreißen.
Eine wesentliche Zellblockierung tritt zwischen Flügel B und
C auf. Aufgrund der Blockierung wird der Einlaßstrom weg vom Einlaß zu B und
zu C hin abgeleitet. Das Ergebnis ist ein vergrößerter Angriffswinkel auf C
und ein verringerter Angriffswinkel auf A. Da an C ein Strömungsabriß kurz bevorstand,
kommt es nun dazu, wobei A eine geringere Neigung zum Strömungsabriß aufweisen wird.
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Die
oben genannte Aufteilung des Stroms in Abschnitte oder Zellen mit
und ohne Strömungsabriß wird rotierender
Strömungsabriß genannt.
Die Zellen mit Strömungsabriß weisen
eine niedrige oder sogar negative Geschwindigkeit auf, während die
Zellen ohne Strömungsabriß auf einer
Axialgeschwindigkeitsebene arbeiten, die mit Strom ohne Strömungsabriß konsistent
ist. Die Strömungsabrißzelle wird sich
dann entlang der Flügelreihe
in der Rotationsrichtung verbreiten.
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Es
könnte
eine oder mehrere rotierende Strömungsabrißzellen
geben, die sich um den Umfang des Laufrads mit einer konstanten
Rotationsgeschwindigkeit verbreiten, gewöhnlich zwischen 20 und 70%
der Rotorgeschwindigkeit. In den Zellen reißt die Strömung an den Flügeln bedrohlich
ab. Typischerweise gibt es einen unerheblichen Gesamtdurchstrom
mit Bereichen mit örtlichem
Gegenstrom. Die Zelle kann vom teilweisen Abdecken eines Flügels zum
Abdecken von über
180 Grad des Kreisrings variieren. Das Einsetzen von rotierendem
Strömungsabreißen tritt
am Scheitelpunkt (Steigungsnullpunkt) der Druckkurve auf.
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In
einem Strömungsabrißfa bilden
sich, wenn sich der Lüfter
dem Strömungsabriß nähert, geringe
Impulsluft und Umkehrluftstrom an der Laufradspitze aus und lassen
die Strömung
an der Spitze abreißen.
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In
der Vergangenheit wurden viele Anstrengungen unternommen, den Strömungsabriß zu minimieren
oder zu beseitigen. Zum Beispiel offenbart US-Patent Nr.
5,551,841 ein
Axialgebläse
für einen Haartrockner,
das den Ableitwirbel an den äußeren peripheren
Spitzenkanten der Blätter
zu verringern sucht. Zum Gebläse
gehören
ein Außengehäuse und ein
koaxial ausfahrendes Innenwandglied, die zusammen einen ringförmigen Stromweg
zwischen sich ausbilden. Der ringförmige Stromweg steht mit einem
zweiten Einlaßkanal
in Verbindung, der von einem ersten Einlaßkanal getrennt ist, welcher
eine Hauptluft in das Gebläse
aufnimmt. Der ringförmige Stromweg
ist den Gebläseblättern vorgeschaltet
und vom Hauptluftweg getrennt. Die periphere Luft strömt durch
den ringförmigen
Stromweg und wird in Richtung auf die äußeren Peripherien der Blätter geleitet, um
Ableitwirbel an den Spitzen der Flügel zu verhindern. Zu den Nachteilen
gehört
jedoch die Tatsache, daß das
Verringern der Rückstromableitung
an der Flügelspitze
keinerlei Einfluß auf
rotierende Strömungsabrißzellen
hat. Dieses Gerät
funktioniert offensichtlich nur in Anwendungen, bei denen das Gebläse in ein
Rohr oder einen Sammelraum bläst.
Der natürliche
Ableitungsweg durch den Eintritt des ringförmigen Stromwegs verbietet
es, daß dieses
Gerät in
einem geschlossenen Ringsystem oder einem System verwendet wird,
bei dem das Gebläse
aus einem Rohr oder Sammelraum evakuiert.
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Bei
einem vergangenen Versuch zum Verringern von Strömungsabriß im Zusammenhang mit einem
Gasturbinen-Axialhochleistungsverdichter sieht US-Patent Nr.
5,607,284 eine
abriebfähige
Spitzenkragenbaugruppe vor, die zum Angehen des Problems verringerten
Axialimpulses an den Flügelspitzen,
jedoch mit verringerten Herstellungskosten bestimmt ist. Zu der
Baugruppe gehört
ein ringförmiger Kragen,
der sich umfänglich
um die Längsachse
erstreckt. Der ringförmige
Kragen umfaßt
mehrere Kragensegmente mit ersten und zweiten bogenförmigen Gliedern
mit einem Ablenkblech, das zwischen ihnen befestigt ist. Eine Schicht
eines abriebfähigen
Materials ist zwischen den bogenförmigen Gliedern und der Flügelspitze
angeordnet. Die bogenförmigen Glieder
bilden einen Durchgang, der sich von einer Position, die radial
zur Spitze eines Flügels
liegt, an dem Ablenkblech vorbei und dann zu einer Position vor
dem Flügel
erstreckt. Neben der Bereitstellung von Vorteilen gehört zu einigen
der Nachteile jedoch ein teures Strömungsabrißbehandlungsverfahren mit nur
minimaler Strömungsabrißverbesserung.
Dieses Patent konzentriert sich auf das Steuern der Flügelspitzenlücke als
Hauptmittel zum Steuern des Strömungsabrisses.
Der Ort des ringförmigen
Strömungsabrißhohlraums
und seine Größe in Bezug
auf die axiale Länge
der Flügelspitze
sind die Hauptgründe
dafür,
daß dieses
Gerät nur
minimale Rotationsströmungsabrißverbesserung
vorsieht. Das gerade Ablenkblech im Rückluftweg sieht nur bauliche
Unterstützung
vor. Das Ablenkblech gewinnt keinerlei Wirbelenergie aus der Luft
zurück,
die vom Flügel weg
und durch den Behandlungsbereich strömt.
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In
US-Patent Nr.
5,230,605 wurde ein Luftabscheider
des Stands der Technik mit einem Ring, der ein Richtblatt trägt, beschrieben,
die beide vor einem Rotorflügel
angeordnet waren. Ein Strömungsabrißbereich,
der an der Spitze des Rotorflügels
auftritt, wurde in eine Rotorflügelspitzenöffnung des
Gehäuses
eingesaugt. Die Flügelspitzenöffnung war
radial zum und dem Rotorflügel
vorgeschaltet angeordnet. Die Wirbelbewegung der eingesaugten Luft
wurde beseitigt, während
sie durch das Richtblatt strömte, das
in der Flügelspitzenöffnung angeordnet
war. Die Luft wurde dann an einer Position, die dem Rotorblatt vorgeschaltet
war, zur Hauptluft zurückgeleitet.
Zur Verbesserung an der Gestaltung des Stands der Technik gehörte das
Richtblatt an einem hinteren Bereich des Rings. Ein Einlaßführungsblatt
wurde am Ring und dem Rotorblatt vorgeschaltet hinzugefügt, wobei
das Führungsblatt
um eine Achse, die senkrecht zur Längsachse verlief, rotiert werden
konnte. Zu einigen der Nachteile dieser Gestaltung gehört die Erfordernis
eines zusätzlichen
Gebläseeinlaßführungsblatts.
Diese Behandlungsart scheint nur minimale Strömungsabrißverbesserung für Gebläse mit hohen
Naben-Spitzen-Verhältnissen
von etwa 50% oder weniger vorzusehen. Aufgrund von Strömungsabrißhohlraumblattort
und -form wird nur eine minimale Rückgewinnung (d. h. etwa 50%)
von Wirbelenergie in der Luft, die durch den Strömungsabrißhohlraum strömt, erzielt.
Die Flügelexpositionsmenge und
das Fehlen einer Laufradspitzendichtung sind zusätzliche Gründe dafür, daß dieses Gerät bei Gebläsen mit
hohem Naben-Spitzen-Verhältnis unwirksam
ist.
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Das
Axialgebläse
in US-Patent Nr.
4871294 ist der Gestaltung des
Stands der Technik, das in US-Patent Nr.
5230605 genannt
ist, einigermaßen ähnlich.
Das Gehäuse
bildet eine ringförmige
Kammer, die den Rotorflügeln
vorgeschaltet ist, und dies gestattet es einem abgerissenen Luftstrom,
von den Rotorflügelspitzen
weg und in eine Hauptluft zu strömen,
die den Flügeln
vorgeschaltet ist. Außerdem
ist den Rotorflügeln
ein Ring vorgeschaltet, der an seinem vorgeschalteten Abschnitt
Führungsflügel mit der
ringförmigen
Kammer trägt.
Zu den Nachteilen bei dieser Gestaltung gehört eine minimale Rotationsströmungsbrißverbesserung
für Gebläse mit hohen
Naben-Spitzen-Verhältnissen.
Strömungsabrisshohlraumflügelort und
-form sehen nur minimale Rückgewinnung
(d. h. etwa 50%) von Wirbelenergie in der Luft, die durch den Strömungsabrißhohlraum strömt, vor.
Die Flügelexpositionsmenge,
das Fehlen einer Laufradspitzendichtung und das Fehlen eines Ableitblechs
sind zusätzliche
Gründe
dafür,
daß dieses
Gerät bei
Gebläsen
mit hohem Naben-Spitzen-Verhältnis
unwirksam ist.
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Andere
verwandte Technik ist in US-Patent Nr.
4673331 ,
4630993 ,
4602410 und
3189260 sowie M.
Ziabasharhagh et al., Presentation at the International Gas Turbine
and Aeroengine Congress and Exposition, Deutschland (1992) zu finden.
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Wie
zu sehen ist, besteht ein Bedarf an einem verbesserten Axialgebläse. Ein
weiterer Bedarf besteht an einem Axialgebläse und einem Verfahren, das
Luftströmungsabrißkennzeichen
minimiert. Des weiteren besteht ein Bedarf an einem Axialgebläse und einem
Verfahren, das einen Luftströmungsabrißstrom zurück in einen
Hauptluftstrom führt.
Außerdem
werden ein Axialgebläse
und ein Verfahren benötigt,
das Luftströmungsabrißzellenbereiche
auf einfache, aber wirksame Art und Weise verringert.
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Axialgebläse vorgesehen,
umfassend:
ein Gehäuse;
eine
Nabe in dem Gehäuse;
einen
Flügel
auf der Nabe;
einen Luftabscheiderring;
ein Blatt, das
zwischen dem Ring und dem Gehäuse angeordnet
ist; und
einen Hohlraum, der zwischen dem Gehäuse und dem
Ring ausgebildet ist, so daß der
Hohlraum einen Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom
von einer Außenkante
des Flügels
weg und zu einer Vorderkante des Flügels kanalisiert; dadurch gekennzeichnet, daß:
der
Luftabscheiderring radial um den Flügel angeordnet ist.
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, Beschreibung
und Ansprüche
besser verständlich.
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Es
zeigen:
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1 eine teilweise beschnittene
Perspektivansicht eines Gebläses
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine teilweise beschnittene
Seitenansicht des Gebläses
in 1;
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3 ein Schema eines Abschnitts
des Gebläses
in 2, das die Bewegung
eines Strömungsabriß-Übersprungsluftstroms gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ein graphisches Schaubild
von Druck gegen Volumen eines Gebläses gemäß der vorliegenden Erfindung
und eines anderen Gebläses
mit einer Gestaltung des Stands der Technik.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 stellt ein Axialgebläse 10 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Das Gebläse 10 sieht ein passives
Verfahren zum Druckaufbau an den Spitzen 25 von Flügeln 17 vor, das
durch Blockierungsaufbau von Rotationsströmungsabrißzellen bewirkt wird. Zum Gebläse 10 gehören ein
Einlaß 10,
der einen Hauptluftstrom 22 aufnimmt, und ein Auslaß 12,
der den Hauptluftstrom 22 ausstößt. Ein Heckkonus 20 ist
am Auslaß 12 angeordnet
und umschließt
einen Motor (nicht gezeigt), der das Gebläse 10 antreibt.
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Ein
Gehäuse 13 umschließt einen
ortsgebundenen Mittelkörper 18,
der koaxial zum und vor oder dem Heckkonus 20 vorgeschaltet
angeordnet ist. Der Mittelkörper 18 trägt eine
Vielzahl von zweiten oder Entwirbelungsblättern 19. Eine rotierende Nabe 16 ist
koaxial zu und vor dem Mittelkörper 18 angeordnet.
Die Nabe 16 trägt
um ihren Umfang eine Vielzahl von Flügeln 17. Wie besser
in 2 zu sehen, gehört zu den
Flügeln 17 eine
Außenkante
oder Spitze 25, die von der Nabe 16 weggerichtet
angeordnet sind, und eine Innenkante oder Ferse 26, die der
Nabe 16 benachbart angeordnet ist. Zu jedem Flügel 17 gehören ferner
eine vordere oder vorgeschaltete Kante 29, die dem Einlaß 11 zugekehrt
ist, und eine hintere oder nachgeschaltete Kante 30, die dem
Auslaß 12 zugekehrt
ist.
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Längs an den
Flügeln 17 ausgerichtet
befindet sich ein nicht rotierender Stromabscheiderring 14,
der die vordere Kante 29 der Flügel 17 teilweise überlappt
und sich der vorderen Kante 29 der Flügel 17 vorgeschaltet
erstreckt. Genauer gesagt ist der Ring 14 radial um die
Flügel 17 angeordnet.
So angeordnet ist eine vordere oder vorgeschaltete Kante 33 des
Rings 14 der vorderen Kante 29 der Flügel 17 benachbart,
ihr aber vorgeschaltet. Der Ring 14 trägt an seiner hinteren oder
nachgeschalteten Kante 34 eine Vielzahl von ersten oder
Strömungsabriß-Übersprungsblättern 15.
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Zu
den Strömungsabriß-Übersprungsblättern 15 gehören eine
Außenkante
oder Spitze 23, die vom Ring 14 weggekehrt ist,
und eine Innenkante oder Ferse 24, die am Ring 14 befestigt
ist. Zu den Strömungsabriß-Übersprungsblättern 15 gehören ferner
eine vordere oder vorgeschaltete Kante 31, die dem Einlaß 11 zugekehrt
ist, und eine hintere oder nachgeschaltete Kante 32, die
dem Auslaß 12 zugekehrt
ist. Da die Strömungsabriß-Übersprungsblätter 15 an
dem Ring 14 befestigt sind, sind sie radial um oder die
Flügel 17 überlappend
sowie längs
an den Flügeln 17 ausgerichtet
angeordnet. Dadurch ist die vorgeschaltete Kante 31 der
Blätter 15 betriebsfähig der
vorgeschalteten Kante 29 der Flügel 17 benachbart.
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Die
Strömungsabriß-Übersprungsblätter 15 sind
in einem oder von einem Hohlraum 28 umgeben angeordnet,
der zwischen dem Gehäuse 13 und
dem Ring 14 ausgebildet ist. Dementsprechend ist der Hohlraum 28 radial
um den Ring 14, die Strömungsabriß-Übersprungsblätter 15 und
die Flügel 17 angeordnet.
Vorzugsweise sind 50 bis 80% der axialen Längen der Flügel 17 dem Hohlraum 28 ausgesetzt. Zum
Hohlraum 28 gehören
ein Bereich 28a ohne Blätter,
der den Blättern 15 vorgeschaltet
angeordnet ist, und ein Bereich 28b mit Blättern, in dem
die Blätter 15 angeordnet
sind. Wie in 3 ersichtlich,
kanalisiert der Hohlraum 28 daher einen Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 von
der Spitze 25 der Flügel 17 in
den Bereich 28b mit Blättern,
an der vorgeschalteten Kante 31 der Blätter 15 vorbei und durch
den Bereich 28a ohne Blätter.
Der Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 strömt darauf
um den Ring 14, tritt an einem Hohlraumauslaß 28c aus
dem Hohlraum 28 aus und bewegt sich dann in Richtung auf
die vorgeschaltete Kante 29 der Flügel 17. Während sich
der Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 in
Richtung auf die Flügel 17 bewegt,
vermischt er sich mit dem Hauptluftstrom 22.
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Ein
Ableitblech 21 ist in Form eines Rands oder Grats vorgesehen,
der vor oder dem Hohlraumauslaß 28c vorgeschaltet
angeordnet ist. Das Ableitblech 21 leitet den Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 in
Richtung auf die Flügel 17 ab,
dem Mittelpunkt der Nabe 16 gegenüber, von der sich die Flügel 17 erstrecken.
Dadurch ist die Effizienz des Gebläses 10 gesteigert.
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Dem
Fachmann ist verständlich,
daß die
vorliegende Erfindung außerdem
ein Verfahren zum Minimieren unbeständiger Strömungsabrißkennzeichen eines Axialgebläses vorsieht.
Der Hohlraum 28 gestattet, daß der Strömungsabriß-Übersprungsluftsstrom 27 von
den Flügeln 17 freigegeben
wird. Die Strömungsabriß-Übersprungsblätter 15 kanalisieren oder
leiten den Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 von
der Spitze 25 der Flügel 17 weg.
Gleichzeitig sind die Blätter 15 aerodynamisch
auf die Flügel 17 abgestimmt.
Eine derartige Abstimmung wird durch sachgemäße Ausrichtung von Flügelaustrittsauf
Blatteintrittsflußwinkel
erzielt, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Auf diese Weise abgestimmt
können die
Blätter 15 etwa
85 bis 90% der Wirbelenergie in der Luft, die die Flügel 17 verläßt, zurückgewinnen. Wirbelenergie
ist die kinetische Energie, die durch die hohe Tangentialgeschwindigkeit
der Flügel 17 und
den Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27, der
von der Außenkante 25 der
Flügel 17 kommt,
erzeugt ist. Der Ring 14 trennt den Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 vom
Hauptluftstrom 22, und der Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 bewegt
sich durch den Bereich 28a ohne Blätter des Hohlraums 28,
der den Flügeln 17 vorgeschaltet
ist. Auf die Bewegung des Strömungsabriß-Übersprungsluftstroms 27 durch
den Hohlraum 28 und um den Ring 14 hin wird der
Strom 27 in Richtung auf die vordere Kante 29 der
Flügel 17 zurückgeleitet.
Wenn der Strömungsabriß-Übersprungsluftstrom 27 sich
in Richtung auf die Flügel 17 bewegt,
vereinigt sich der Strom 27 mit dem Hauptluftstrom 22.
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Die
Energierückgewinnung,
die durch die vorliegende Erfindung vorgesehen ist, ist ein erheblicher
Vorteil über
die Gestaltungen des Stands der Technik. Außerdem sieht das Anordnen der
Blätter
15 radial
zu den Flügeln
17 größere Effizienz
im Vergleich zu den Gestaltungen des Stands der Technik vor, insbesondere
für Gebläse mit einem
Naben-Spitzen-Verhältnis,
das größer als
etwa 60% ist. Ein Beispiel der größeren Effizienz ist in
4 dargestellt, worin drei
Gebläsearten über Gebläsedruck
gegen volumetrischen Luftstrom graphisch miteinander verglichen
sind. Zu den drei Gebläsen
gehört
ein bekanntes Grundlinienaxialgebläse ohne Behandlung gegen Strömungsabriß. Ein anderes
Gebläse
ist eine Gestaltung des gegenwärtigen
Stands der Technik wie diejenige, die in US-Patent Nr.
4,871,294 gezeigt ist.
Das dritte Gebläse
beinhaltet die Strömungsabriß-Übersprungsluftstrombehandlung
der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt,
wie die vorliegende Erfindung den Luftstrom durch die Flügel mit
erheblichen Steigerungen im Strombereich, aber ohne nennenswerten
Verlust bei Druckanstieg oder Leistungssteigerung (Effizienz) stabilisiert.
Das bekannte Grundliniengebläse
weist außerdem
eine ausgeprägte
Hystereseschleife auf, die bei der vorliegenden Erfindung nicht
zu sehen ist. Das Gebläse
des Stands der Technik zeigt im Vergleich zur vorliegenden Erfindung eine
geringere Leistung.
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Wie
für den
Fachmann ersichtlich, sieht die vorliegende Erfindung ein verbessertes
Axialgebläse vor.
Ein Axialgebläse
und ein Verfahren, das Luftströmungsabrißkennzeichen
minimiert, sind außerdem vorgesehen.
Es ist ferner ein Axialgebläse
und ein Verfahren vorgesehen, das Strömungsabriß-Übersprungsluftstromwirbelenergie,
die von den Flügeln kommt,
zurückgewinnt.
Die vorliegende Erfindung sieht außerdem ein Axialgebläse und ein
Verfahren vor, das Luftströmungsabrißbereiche
auf einfache, aber effektive Art und Weise verringert.