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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System für die Verbindung
und Verriegelung der Laufschaufeln eines Axialverdichters.
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Genauer
gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein System für die Verbindung
und Verriegelung von Laufschaufeln, die entlang des Umfangs des Laufrads
befestigt sind und die in einer Anordnung am Laufrad eines Axialverdichters
einer Gasturbine befestigt sind.
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Der
Terminus "Gasturbine" bezeichnet die Gesamtheit
einer rotierenden Wärmekraftmaschine, die
die Enthalpie von Gas in nutzbare Arbeit umwandelt und dabei direkt
aus einem Verbrennungsprozess erhaltene Gase nutzt und mechanische
Energie an eine rotierende Welle liefert.
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Die
Turbine umfasst daher üblicherweise
einen oder mehrere Verdichter oder Turboverdichter, die von außen angesaugte
Luft verdichten.
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Verschiedene
Injektoren liefern den Treibstoff, der mit der Luft gemischt wird,
um ein zu entzündendes
Treibstoff-Luft-Gemisch
zu bilden.
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Der
Axialverdichter wird von einer richtigerweise so bezeichneten Turbine
oder von einem Turboexpander angetrieben, die/der einem Benutzer durch
Umwandlung der Enthalpie des in der Brennkammer verbrannten Gases
mechanische Energie liefert.
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Der
Turboexpander, der Turboverdichter, die Brennkammer (oder Heizapparat),
die Ausgangswelle für
die mechanische Energie, das Steuerungssystem und das Startsystem
bilden die wesentlichen Komponenten einer Gasturbine.
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Was
den Betrieb einer Gasturbine anbelangt, so ist bekannt, dass das
Fluid durch eine Reihe von Einlasskanälen in den Verdichter eintritt.
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In
diesen Kanälen
ist das Gas durch niedrigen Druck und niedrige Temperatur charakterisiert, aber
bei seiner Passage durch den Verdichter wird das Gas verdichtet
und seine Temperatur steigt.
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Es
tritt dann in die Brennkammer (oder den Heizapparat) ein, wo es
einem weiteren signifikanten Temperaturanstieg unterliegt.
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Die
Wärme,
die erforderlich ist, um die Temperatur des Gases zu erhöhen, wird
durch die Verbrennung von Flüssigtreibstoff
geliefert, der mittels Injektoren in die Brennkammer eingeführt wird.
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Die
Verbrennung wird beim Start der Maschine durch Zündkerzen initiiert.
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Am
Auslass der Brennkammer passiert das Gas mit hohem Druck und hoher
Temperatur geeignete Kanäle,
erreicht die Turbine, wo es einen Teil der im Verdichter und der
Brennkammer angesammelten Energie abgibt, und strömt durch
die Abgaskanäle nach
außen.
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Da
die vom Gas an die Turbine übermittelte Arbeit
größer als
die vom Gas im Verdichter aufgenommene Arbeit ist, verbleibt eine
gewisse Energiemenge in der Welle der Maschine, und es ist diese Arbeit,
die nach Abzug der von den Zubehörteilen und
dem passiven Widerstand der bewegten mechanischen Teile absorbierten
Arbeit die nutzbare Arbeit der Maschine darstellt.
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Was
den Verdichter anbelangt, so ist der maximale Verdichtungsdruck
beschränkt
durch die Stärke
der verwendeten Materialien.
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Unter
den gegebenen Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsbedingungen
der rotierenden Teile, bei denen der Verdichter betrieben wird,
ist ersichtlich, dass die verschiedenen Komponenten und insbesondere
die Schaufeln besonders belastet werden und rapider Abnutzung unterworfen
sind.
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Um
zu ermöglichen,
dass Wartung und Austausch durchgeführt werden können, werden
die Schaufeln und das Laufrad nicht als ein Teil gefertigt, sondern
die Schaufeln werden an ihren Fußvorsprüngen befestigt, die in geeignete,
auf dem Rand des Laufrads ausgebildete Sitze eingesetzt werden.
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In
den Verbindungen der Laufschaufeln sind bei Betrieb der Maschine
die Befestigungen hohen lotrechten, Biege- und möglicherweise Torsionsbelastungen
ausgesetzt.
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Es
ist daher ersichtlich, dass das Verfahren der Schaufelbefestigung
ein entscheidender Aspekt der Konstruktion jeden Rotors ist.
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In
Axialturbinen werden für
die üblichste
Art der Schaufelbefestigung im Laufrad ausgebildete Sitze verwendet,
deren Seitenprofile mit einem Einschubschlitz versehen sind, in
dem die Endabschnitte oder Füße der Schaufeln
eingerastet sind.
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Diese
Sitze können
in Form von peripheren Einschubschlitzen ausgebildet werden, sie
sich im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Laufrads erstrecken,
so dass die Schaufeln in einer im Wesentlichen axialen Richtung
eingesteckt werden.
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Eine
andere Art der Schaufelbefestigung ist bekannt als Umfangsbefestigung,
wobei auf dem äußeren Umfang des Laufrads ein umlaufender Einschubschlitz
ausgebildet wird, um zu ermöglichen, dass
die Schaufeln in radialer Richtung eingesteckt werden.
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GB-A-1 509 048 offenbart
eine Laufschaufelanordnung, bei der aufeinander folgende Schaufeln (
1)
in einen umlaufenden, unterschnittenen Einschubschlitz (
4)
im Rand (
6) eines Laufrads (
5) eingeführt werden
und ein Verriegelungsteil (
7) vor der letzten Schaufel
eingeführt
wird, umfassend einen oberen Abschnitt (
9) und einen Zylinderstiftabschnitt (
10),
der mit Bezug auf den oberen Abschnitt (
9) gegen eine Schraubenfeder
(
11) herunter drückbar
ist, um in einer Aussparung (
19) am Boden des Einschubschlitzes
einzurasten, um die Schaufeln gegen umlaufende Bewegung zu verriegeln.
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Ein
besonders signifikantes Problem auf dem Gebiet der Rotorschaufelkonstruktion
für Axialverdichter
ist das Problem, Verbindungen zur Verfügung zu stellen, die die Ausfallzeit
für Wartungs-
und Austauscharbeiten auf ein Minimum reduzieren.
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Eine
erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die schnelle
Montage und Demontage sowie den schnellen Austausch von Schaufeln des
Typs, der umlaufend am Rotor befestigt ist, zu ermöglichen,
indem ein Schaufelverbindungs- und Verriegelungssystem mit einer
reduzierten Anzahl von Teilen zur Verfügung gestellt wird, das das
Entfernen der Verriegelungsvorrichtungen und den Austausch der Schaufeln
ohne Demontage des Rotors ermöglicht.
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Ein
Nachteil, der sich bei den Schaufel-Laufradverbindungen nach dem
Stand der Technik herausgestellt hat, sind die Montagetoleranzen,
und zwar deshalb, weil übermäßige Abstände in der
Anordnung der Schaufeln gefährliche
Schwingungen bewirken können,
während
das Fehlen derartiger Abstände
zu Schwinden führen
kann, weil die thermische Ausdehnung verhindert wird, was zu zusätzlicher
Belastung führt.
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Eine
zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schaufelverbindungs-
und Verriegelungssystem zur Verfügung
zustellen, das korrekte Montagetoleranzen gewährleistet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungs-
und Verriegelungssystem für
die Laufschaufeln eines Axialverdichters zur Verfügung zustellen,
das während
des Betriebes der Maschine eine hohe Verlässlichkeit aufweist.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst, indem
ein Verbindungs- und Verriegelungssystem für die Laufschaufeln eines Axialverdichters,
wie in Anspruch 1 beschrieben, zur Verfügung gestellt wird.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden
Ansprüchen
näher beschrieben.
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Das
Verbindungs- und Verriegelungssystem für die umlaufend an einem Laufrad
befestigten Laufschaufeln eines erfindungsgemäßen Axialverdichters umfasst
die Befestigung einer Vielzahl von Schaufeln, positioniert in einer
Anordnung entlang dem Umfang eines Laufrads, durch die Einführung eines
geformten Fußes
jeder Laufschaufel und unter Anwendung eines Mittels zur Positionierung
und Verriegelung der Schaufeln in einem umlaufenden Sitz, der entlang
dem Umfang des Laufrads ausgebildet ist, und wobei dieser Sitz verschiebbar
in einer radialen Anordnung die Schaufelfüße und die Positionierungs-
und Verriegelungsmittel aufnehmen kann. Zumindest ein Einschubschlitz,
der den sich in Umfangsrichtung erstreckenden Sitz unterbricht,
um das Einsetzen der Schaufelfüße und der
Positionierungs- und Verriegelungsmittel zu ermöglichen, wird zur Verfügung gestellt.
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Die
charakteristischen Eigenschaften des Verbindungs- und Verriegelungssystems
für die
Laufschaufeln eines Axialverdichters gemäß der vorliegenden Erfindung
werden durch die nachfolgende Beschreibung und durch die angefügten Figuren
erklärt,
die sich auf eine Ausführungsform
beziehen, die als Beispiel und ohne einschränkende Absicht beschrieben
wird.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Verbindungs- und Verriegelungssystems;
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2 ist
eine Teil-Draufsicht auf ein für
das erfindungsgemäße Verbindungs-
und Verriegelungssystem konstruiertes Laufrad;
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3 ist
ein Schnitt entlang der Schnittlinie III-III in 2;
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4 ist
eine Explosionsansicht als Teilschnitt von Details des erfindungsgemäßen Systems;
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5 ist
ein Schemaschnitt, der das erfindungsgemäße Verbindungs- und Verriegelungssystem
darstellt;
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6 ist
eine Seitenansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Systems.
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Mit
Bezug auf die Figuren umfasst ein vielstufiger Axialverdichter ein
Laufrad 1 mit einer Vielzahl von Stufen 2, von
denen jede entlang ihrem Umfang eine Anordnung von umlaufend befestigten Laufschaufeln 10 umfasst.
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Die
Laufschaufeln 10 jeder Anordnung sind im Wesentlichen identisch,
da ihr aerodynamisches und konstruktives Verhalten identisch sein
muss.
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Die
Konstruktion einer Laufschaufel 10 umfasst im Wesentlichen
drei Hauptabschnitte: eine viereckige Plattform 11, vorzugsweise
trapezförmig, einen
Abschnitt mit einem aerodynamischen Profil 12, gestaltet,
um die Luft zu verdichten, das sich von der Oberseite der Plattform 11 erstreckt,
und einen Fuß 13,
der als Befestigung im Laufrad 1 fungiert, und sich von
der Unterseite der Plattform 11 erstreckt.
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Der
Fuß 13 ist
der Abschnitt, an dem die Laufschaufel 10 mit dem Laufrad 1 verbunden
ist, und verhindert das Auswerfen der Schaufel durch Zentrifugalkraft.
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Der
Fuß 13 ist
derart ausgebildet, dass er eine teilweise Befestigung in einem
entsprechend ausgebildeten Sitz 3 bildet, der entlang dem
Umfang des Laufrades 81 ausgebildet ist.
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In
diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass, obwohl
auf ein Laufrad 1 Bezug genommen wird, das die Laufschaufeln 10 trägt, in einigen
Verdichtern eine Vielzahl von Schaufelstufen direkt mit der Rotorwelle
verbunden sind, die für diesen
Zweck konstruiert ist und eine Anzahl von umlaufend angeordneten
Sitzen zur Verfügung
stellt, die gleich der Anzahl der anzubringenden Schaufelstufen
ist.
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Die
Befestigung des Fußes 13 in
dem umlaufenden Sitz 3 wird als teilweise Befestigung betrachtet,
weil sie der Schaufel 10 erlaubt, sich entlang dem Umfang
des Laufrads 1 zu verschieben, aber seine Bewegung in axialer
Richtung verhindert.
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Um
die teilweise Befestigung zwischen der Schaufel und dem Laufrad
auszubilden, verfügen
der Fuß 13 der
Schaufel 10 und der umlaufende Sitz 3 über zueinander
passende Profile, die in verschiedenen Formen gefertigt werden können, um
unterschiedliche Gestaltungs- und Konstruktionsanforderungen zu
erfüllen.
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Der
Fuß 13 erscheint
von vorne betrachtet in Bezug auf die Richtung der Verschiebung
im umlaufenden Sitz 3 in Form eines Schwalbenschwanzes mit
gerundeten Ecken.
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In
seinem oberen Teil, in dem Abschnitt nahe der Plattform 11,
hat der Fuß 13 ein
Paar Aussparungen 13',
die sich mit entsprechenden Gegenstücken 3' verbinden können, die an den Wänden des
sich in Umfangsrichtung erstreckenden Sitzes 3 nahe dem Boden
ausgebildet sind.
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Vorzugsweise
sind die Aussparungen 13', die
Gegenstücke 3', die Vorsprünge 13'' und die Krümmungen 3'' als Paare der entsprechenden Elemente
gefertigt, aber andere Befestigungsformen, die genauso effektiv
sind, können
auch nur eine geformte Seite aufweisen.
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Der
Fuß 13 hat
eine Dicke s, gemessen in der Verschieberichtung der Schaufel 10 in
dem umlaufenden Sitz 3, und erstreckt sich zentral mit
Bezug auf die Plattform 11, die in derselben Richtung eine Seite
aufweist, deren Abmessung L exakt gleich 2 × die Dicke s ist.
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Die
Schaufeln 10 werden im Sitz 3 durch Positionierungs-
und Verriegelungsmittel verriegelt, die zumindest einen Anschlag 20 umfassen,
der auch in der Form eines Schwalbenschwanzes mit gerundeten Ecken
ausgebildet ist, und eine Dicke s hat, die im Wesentlichen gleich
der Dicke des Fußes 13 ist, abhängig von
den unterschiedlichen festgelegten Montagetoleranzen, und der ein
Profil hat, das im Wesentlichen das des Fußes 13 reproduziert,
so dass es in den umlaufenden Sitz 3 eingesetzt und in diesem
verschoben werden kann.
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Insbesondere
hat der Anschlag 20 in seinem oberen Teil Aussparungen 20', die die Profile
der entlang den Wänden
des umlaufenden Sitzes 3 ausgebildeten Gegenstücke 3' reproduzieren,
und an seiner Basis ein Paar Vorsprünge 20'',
die mit den Vorsprüngen 13'' der Füße 13 identisch sind,
und die in den Krümmungen 3'' der Wände des sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Sitzes 3 gehalten werden können.
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Der
Anschlag 20 hat auch eine Dicke s, gemessen in der Verschieberichtung
der Schaufel 10 und des Anschlags 20 in dem umlaufenden
Sitz 3, die im Wesentlichen gleich der Dicke s der Füße 13 ist, abhängig von
erforderlichen Montagetoleranzen.
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Um
eine effektive Verriegelung zu erreichen, werden zumindest zwei
Anschläge 20 zur
Verfügung gestellt
und nach den Verfahrensweisen, die im Rest der Beschreibung erklärt werden,
in einem gewissen Abstand positioniert.
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Jeder
Abschlag 20 hat ein mittiges Durchgangsloch 21 vertikal
durch den Anschlag, für
das Einführen
eines Zylinderstifts 22.
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Der
Zylinderstift 22 jeden Anschlags 20 umfasst einen
Körper 23 und
einen Kopf 24, der dafür konstruiert
ist, in einem am Boden des umlaufenden Sitzes 3 ausgebildeten,
entsprechenden Sackloch 5 einzurasten, um jeden Anschlag 20 am
Laufrad 1 zu befestigen.
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Um
den Anschlag 20 am Laufrad 1 zu befestigen, ist
das mittige Loch 21 in dem Bereich, der den Körper 23 des
Zylinderstifts aufnimmt, mit einem Gewinde versehen, und der Körper des
Zylinderstifts ist entsprechend mit einem Gewinde versehen.
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Wenn
daher der Zylinderstift 22 eingeschraubt wird, bewegt sich
der Kopf 24 zum Boden des Sacklochs 5 und verriegelt
so den entsprechenden Anschlag und folglich die gesamte Anordnung von
Schaufeln 10.
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Um
das radiale Einsetzen der Füße 13 und der
Anschläge 20 in
den umlaufenden Schlitz 3 zu ermöglichen, wird zumindest ein Einschubschlitz 4 zur Verfügung gestellt,
der den umlaufenden Schlitz 3 kreuzt.
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Vorzugsweise
wird ein einziger Einschubschlitz 4 zur Verfügung gestellt,
um die Verlässlichkeit des
Systems zu erhöhen,
aber das Zur-Verfügung-Stellen
von zwei Einschubschlitzen 4 in genau entgegengesetzten
Positionen bezogen auf die Laufschaufel, ermöglicht ein besseres Ausbalancieren während der
Rotation.
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In
diesem Fall werden die Komponenten des gesamten Verbindungs- und
Verriegelungssystems verdoppelt.
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Der
Einschubschlitz 4 ist in der Praxis eine Öffnung mit
im Wesentlichen viereckiger Form, und seine Abmessungen sind geringfügig größer als
die Abmessungen der Füße 13 und
der Anschläge 20,
da ein ausreichender Montageabstand eingehalten wird, um das radiale
Einsetzen der Füße 13 und
der Anschläge 20 in
den umlaufenden Sitz 3 zu ermöglichen.
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Neben
jedem Anschlag 20 angeordnete Paare von Sicherungsschaufeln 10' werden für die Montage
des Systems nach der Erfindung ebenfalls zur Verfügung gestellt.
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Diese
Sicherungsschaufeln 10' sind
im Wesentlichen identisch mit den Schaufeln 10, aber jede von
ihnen verfügt über eine Öffnung 14,
die gewöhnlich
halbrund ist, oder auch viereckig, wenn besondere konstruktive Anforderungen
zu erfüllen
sind.
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Diese Öffnung 14 ist
an der Kante der Plattform 11 ausgebildet, neben der entsprechenden
Kante der anderen zu dem Paar gehörenden Sicherungsschaufel,
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Diese Öffnungen
werden in mittigen Positionen ausgebildet, um Zugang zum Zylinderstift 22 zu ermöglichen.
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Auf
eine entsprechende Weise erstreckt sich ein kleiner Anschlag oder
eine Buchse 20a von der Oberseite des Anschlags 20a,
wobei diese Buchse auch in einer mittigen Position ausgebildet ist
und das mittige Loch 21 durch sie hindurchgeht.
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Die
Buchse 20a ist konstruiert für das Einsetzen in die halbrunden
oder viereckigen Öffnungen 14,
die in den Plattformen 11 der Sicherungsschaufeln 10' ausgebildet
sind.
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Wenn
die Öffnungen 14 viereckig
ausgebildet werden, um konstruktiven Erfordernissen gerecht zu werden,
wird die Buchse ebenfalls viereckig ausgebildet.
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Um
die Vorteile des erfindungsgemäßen Verbindungs-
und Verriegelungssystems besser zu verstehen, sollte auf dessen
Montage am Laufrad 1 Bezug genommen werden.
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Zuerst
werden die Laufschaufeln 10 in den Einschubschlitz 4 eingesetzt
und in umlaufender Richtung im umlaufenden Sitz 3 weiter
geschoben, wonach eine Sicherungsschaufel 10' eingesetzt wird, gefolgt von einem
Anschlag 20 und danach einer weiteren Sicherungsschaufel 10', derart, dass
die beiden halbrunden Öffnungen 14 so
verbunden werden, dass sie eine Öffnung
bilden, die den hohlen zylindrischen Körper 20a aufnehmen
kann.
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Danach
werden zwei weitere Laufschaufeln 10 eingesetzt, und schließlich werden
zwei weitere Sicherungsschaufeln 10', mit dem zweiten Anschlag 20 dazwischen,
auf dieselbe Weise eingesetzt wie zuvor.
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Schließlich wird
die gesamte Anordnung in dem umlaufenden Sitz 3 verschoben,
bis die zwei Anschläge 20,
oder genauer gesagt, ihre mittigen Löcher 21 mit den Sacklöchern 5 übereinstimmen,
so dass die Zylinderstifte 22 eingeschraubt werden können, bis
ihre Köpfe 24 in
die Sacklöcher 5 eintreten.
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Wenn
die Anordnung vollständig
ist, sind die Laufschaufeln 10 und die Sicherungsschaufeln 10' entlang der
Kanten ihrer Plattformen 11, rechtwinklig zur Verschieberichtung
der Schaufeln, in Kontakt miteinander, und ein Abstand wird zwischen
den Füßen 13 der
beiden Paare von benachbarten Sicherungsschaufeln 10' für die Aufnahme
der Anschläge 20 zur Verfügung gestellt.
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Die
Entscheidung, die Anschläge
in einem Abstand zu positionieren und zu fixieren, der es ermöglicht,
dass vier Schaufeln, und zwar zwei Laufschaufeln 10 und
zwei Sicherungsschaufeln 10',
zwischen ihnen angeordnet werden, wurde getroffen, um eine optimale
Lösung
für das
Problem der für
die Ausführung
der Anordnung erforderlichen Toleranzen und Abstände zur Verfügung zu
stellen.
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Es
sollte jedoch betont werden, dass diese Entscheidung auch von den
Abmessungen der Schaufeln einer Stufe abhing, und dass sie deshalb durch
Einsetzen einer anderen Anzahl von Schaufeln 10 zwischen
den Anschlägen
modifiziert werden könnte.
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Insbesondere
ermöglicht
diese Entscheidung, die Schaufeln in der Nähe des Einschubschlitzes 4 in
ihren vorher festgelegten Positionen zu belassen, und vermeidet
eine Situation, in der das Einsetzen einer größeren Anzahl von Schaufeln
zwischen den beiden Anschlägen
als Ergebnis einer unvorhergesehenen Summe von Toleranzen bewirken könnte, dass
die Position von einer der Schaufeln zu sehr mit der Position des
Einschubschlitzes übereinstimmt,
wodurch das Auswerfen dieser Schaufel riskiert würde.
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Vorteilhafterweise
reduziert das Zur-Verfügung-Stellen
von nur einem Einschubschlitz für
die gesamte Schaufelanordnung jeder Stufe des Laufrads die Möglichkeit
des Auftretens derartiger Probleme noch mehr.
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In
diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, dass in der Anordnung
nach der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bei Fertigstellung der Anordnung zwei benachbarte
Schaufeln symmetrisch positioniert sind, wobei ihre Plattformen 11 den Einschubschlitz 4 abdecken
und diese Plattformen die Funktion haben, den Strömungskanal
in den Bereichen oberhalb des die Füße aufnehmenden Schlitzes neu
auszubilden.
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Mit
den Werten der Dicke s des Fußes 13, der
Breite L der Plattform 11, die gleich zweimal die Dicke
s ist, und der Breite des Einschubschlitzes 4, die geringfügig größer als
die Dicke s ist, sind die Füße der beiden
Schaufeln im Einschubschlitz 4 im Wesentlichen gleich ausgerichtet,
und von daher ist es leicht vorstellbar, dass eine minimale Verschiebung
der Schaufel ihren Fuß in
eine Position übermäßigen Ausragens
in den Einschubschlitz 4 bringen und so die Verriegelung
instabil machen könnte
oder während
der Rotation des Laufrads das Auswerfen der Schaufel aus dem umlaufenden
Sitz bewirken könnte.
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Schließlich ermöglicht es
die erfindungsgemäße Anordnung,
eine übermäßige Nähe der Anschläge zu vermeiden,
die durch Her vorrufen von Unregelmäßigkeiten in der kreisförmigen Symmetrie
der Schaufelanordnung die Rotation des Laufrads stört.
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Die
oben stehende Beschreibung zeigt klar die charakteristischen Eigenschaften
der Verbindung und Verriegelung von Schaufeln auf einem Laufrad eines
Axialverdichters einer Gasturbine, was Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist, und macht auch die weiteren Vorteile klar, die zusätzlich zu
den vorher erwähnten
umfassen:
- – eine
verlängerte
durchschnittliche Betriebsdauer der Komponenten;
- – eine
höhere
Rotationsgeschwindigkeit der Maschine oder eine Erhöhung der
Fluidtemperatur oder eine geeignete Kombination beider Faktoren.
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In
der Praxis können
die verwendeten Materialien, wie auch die Formen und Abmessungen, nach
Wunsch technischen Anforderungen entsprechend variiert werden.