Mischerlaufrad mit hohem Wirkungsgrad
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Diese Erfindung betrifft ein Laufrad mit hohem Wirkungsgrad zum Mischen, Vermengen
und Rühren von Flüssigkeiten und Suspensionen von Feststoffen in Flüssigkeiten.
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Die Flüssigkeitsfortpflanzungsgeschwindigkeit und ein hoher Grad an Umwandlung der
Kraft in axialen Flüssigkeitsfluß sind Faktoren, die eine wirksame Laufradleistung anzeigen. Ein
wirksames Laufrad ist gewöhnlich ein solches, das einen hohen Grad an axialem Fluß (im
Vergleich mit Rotationsfluß und radialem Fluß) hat. Dies ist ein Fluß, der sich weniger
ausbreitet und der es erlaubt, das Laufrad in einem größeren Abstand vom Boden des
Mischbehälters anzuordnen und so die Kosten der Welle zu vermindern und
Instabilitätsprobleme zu reduzieren, die man bei größeren Wellenlängen findet. Ein leichteres Laufrad der
gleichen oder besseren Wirksamkeit erlaubt die Verwendung größerer Längen der Welle, da
die kritische Geschwindigkeit die Länge der Welle begrenzt und die kritische Geschwindigkeit
für ein Laufrad umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Laufradgewichtes ist.
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Die Möglichkeit der Konstruktion, im Maßstab vergrößert (oder verkleinert) zu werden,
während die Leistung beibehalten wird, und die Leichtigkeit der Maßstabveränderung sind
wichtig. Wichtig ist auch die Möglichkeit, alle Laufradteile, besonders die Flügel, ungeachtet
der Größe mit den gleichen Krümmungen, Abfasungen und Winkeln herzustellen.
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Eine erfolgreiche Laufradkonstruktion, die viele der obigen Parameter erfüllt, ist die als HE-3
von Chemineer, Inc. bekannte. Dieses Laufrad verwendet drei Flügel in gleichem Abstand
voneinander, die von etwa rechteckigen flachen Platten mit einer einzigen
wölbungseinleitenden Krümmung gebildet werden, welche sich in Spannweite von einem Punkt auf der
Vorderkante an einer Stelle bei etwa 50% der Spanne bis zu einem Punkt auf der Flügelspitze
etwas vor der Sehnenmitte erstreckt. Der Flügelabschnitt vor der Krümmung ist abwärts um
die Krümmungslinie um einen Winkel von etwa 20º gedreht. Der Flügel ist an der Wurzel mit
einem Steigungswinkel von etwa 30º an der Stütznabe stabilisiert.
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Die Flügelkonstruktion des Laufrades HE-3 erfordert die Verwendung von relativ dickem
oder schwerem Plattenmaterial, um eine ausreichende Balkenfestigkeit an der Wurzel oder dem
Nabenende zu bekommen und so die Biege- und Verdrillungsbelastungen des Flügels zu
unterstützen. Bei der handelsüblichen Ausführungsform ist die Nabe selbst an dem
Flügelansatz durch Riffelung verstärkt, um die Festigkeit der flügelkonformen
Befestigungsnabenwulst zu fördern.
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Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Laufrad mit hohem Wirkungsgrad mit einer
Nabe und mehreren radialen Flügeln vom Plattentyp, wobei diese Flügel in der Weise einer
Kreissehne der Flügel gemessene Breiten haben, welche über die gesamten Längen der Flügel
von den Flügelwurzeln zu den Flügelspitzen im wesentlichen gleichmäßig sind, und die Flügel
zueinander gebogene Abschnitte haben, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel mit einer
ersten Biegung ausgebildet ist, die sich im wesentlichen parallel zu der Hinterkante des Flügels
von der Wurzel zu der Spitze des Flügels erstreckt und dabei den Flügel in einen
Vorderflügelabschnitt und einen Hinterflügelabschnitt teilt, dieser Vorderabschnitt mit einer zweiten
Biegung ausgebildet ist, die sich von dem Schnittpunkt der ersten Biegung und der Flügelspitze
diagonal bis zu einer Position auf der Vorderkante des Flügels erstreckt und dabei einen dritten
Flügelabschnitt bildet, der mit dem Vorderabschnitt entlang der zweiten Biegung verbunden
ist, wobei diese Position von der Wurzel um ein Fünftel bis ein Drittel der Spannweitenlänge
des Flügels Abstand hat und wobei die erste Biegung einen ersten Flügelkrümmungswinkel α
zwischen dem Vorderabschnitt und dem Hinterabschnitt definiert und die zweite Biegung einen
zweiten Flügelkrümmungswinkel β zwischen dem Vorderabschnitt und dem dritten Abschnitt
definiert, wobei die Summe der Winkel α und β etwa 30º nicht übersteigt und der Winkel β
zwischen 5º und 15º liegt.
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Das Laufrad dieser Erfindung hat vorzugsweise drei radiale und in gleichem Abstand
voneinander angeordnete Flügel, obwohl so wenige wie 2 und so viele wie 4 oder mehr Flügel
verwendet werden können.
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Allgemein werden flache Plattenmaterialabschnitte verwendet. Nichtsdestoweniger werden
die Flügel mit einer radialen Konkavität ausgebildet, die bei Befestigung auf einer vertikalen
Achse als eine abwärts gerichtete Tiefung der Flügel definiert ist. Diese Tiefung wird erzeugt,
wenn die Mittelpunkte des tangentialen Abschnittes der durch die mittlere Flügeloberfläche
erzeugten Fläche und die Kreissehne verbunden werden. Eine solche radiale Konkavität wirkt
der Zentrifugalkraft entgegen, die auf die Flüssigkeit infolge der Tatsache ausgeübt wird, daß
die Vorderflächen- wie auch die Hinterflächengeschwidigkeitsvektoren dazu neigen, nach innen
zu der Rotationsachse hin gerichtet zu sein. Die Zentrifugalkraft des zu vermischenden
Materials oder Fließmittels neigt jedoch dazu, diesem Effekt entgegenzuwirken und dabei mehr
nahezu axiale Geschwindigkeitsvektoren zu erzeugen.
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Es wurde gefunden, daß eine geeignete Menge einer solchen radialen Konkavität
gewährleistet, daß das Abgabegeschwindigkeitsprofil von dem Laufrad stark axial bleibt. Eine solche
Form vermeidet auch Flußüberlagerungen und erzeugt weniger Turbulenz und Reibungsverlust
in der Nachbarschaft des Laufrades.
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Die Konstruktionsziele der Erfindung werden erreicht, indem man flache dünne
Plattenmaterialabschnitte verwendet, die mit einem im wesentlichen rechteckigen Zuschnitt beginnen,
welche vor dem Biegen Vorder- und Hinterkanten hat, welche im wesentlichen parallel
zueinander sind. Bei dem fertigen Flügel ist die sehnenweise Breite im wesentlichen
gleichmäßig über die gesamte Flügelspanne. Jeder Flügel ist mit den ersten und zweiten
Biegungen ausgebildet, welche den Flügel in drei ebene Abschnitte teilt, die entlang gerader
Biegungslinien miteinander verbunden sind. Jeder Flügelabschnitt ist entlang einer
gemeinsamen
Biegung in einem Winkel von seinem Verbindungsabschnitt eingestellt. Jeder
Biegungswinkel liegt in der gleichen Richtung, um eine Wölbung zu ergeben.
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Die erste Biegung erstreckt sich in der Spannweitenrichtung über die Länge des Flügels von
der Wurzel bis zur Spitze und läuft allgemein parallel zu der Hinterkante. Sie kann allgemein
in der Mitte der Kreissehne verlaufen, ist aber vorzugsweise etwas näher der Hinterkante als
der Vorderkante und teilt den Flügel in den Vorder- und Hinterabschnitt. Außerdem kann sie
einen variablen Winkel haben, der an der Flügelwurzel größer als an der Flügelspitze ist. Der
vordere Flügelabschnitt ist außerdem entlang der zweiten Biegung geteilt, welche sich in einer
geraden Linie von dem Schnittpunkt der ersten Biegung an der Flügelspitze diagonal über den
vorderen Flügelabschnitt erstreckt. Diese zweite Biegung schneidet vorzugsweise die
Flügelvorderkante in einer Position in Spannweitenrichtung etwa ein Viertel entlang der Länge
des Flügels von der Nabe aus gesehen.
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Sowohl die Vorderkante als auch die Hinterkante können tief abgeschrägt sein, um den
Fluß dort zu verbessern und den Stirnwiderstand zu reduzieren. Der Flügel kann an der Nabe
mit einer kleinen Rückwärtsneigung (gekippt) befestigt sein, um die Reinigung der Vorderkante
zu unterstützen, sowie auch mit einem Flächenwinkel 0 in Bezug auf die Nabe. Eine
Abschrägung erfolgt an der oberen Oberfläche der Vorderkante und der Bodenoberfläche der
Hinterkante, um die Flächenform für den maximalen Angriffswinkel zu verbessern.
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Der Winkelversatz der ersten und zweiten Flügelabschnitte entlang der ersten, allgemein
radialen Biegung liefert einen starken Abschnittsmodul an der Nabe und gestattet daher eine
wesentliche Reduktion der Dicke des Plattenmaterials, die erforderlich ist, um die gleichen
Biegemomente an der Nabe und entlang der Flügellänge zu tragen, oder erlaubt entsprechend
größere Flügelbelastung. Die Flügelform hat auch eine größere Widerstandsfähigkeit gegen
Verdrillen im Vergleich mit einem einfachen rechteckigen Abschnitt und unterstützt daher
besser den Flügel bei allen angreifenden Flügelbelastungen. Nabenwülste zur Nabenbefestigung
in Übereinstimmung mit der Flügelform und zur Befestigung der Flügel an der Nabe gestatten
potentiell das Weglassen der Verstärkungsrippen und eine Gewichtsverminderung.
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Laufräder nach der Erfindung erwiesen sich als gleich wie oder besser als der bereits hohe
Wirkungsgrad der erfolgreichen Konstruktion HE-3. Vermindertes Gewicht und daher weniger
Material und Kosten bekommt man ohne 0pferung von Wirkungsgrad. Das dünnere
Flügelmaterial ist leichter zu biegen, und die resultierenden schärferen Flügelkanten vermindern
den Stirnwiderstand, erzeugte Wirbel und Turbulenz.
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Damit die Erfindung leichter verstanden werden kann, wird nun Bezug genommen auf die
beiliegende Zeichnung, in welcher
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Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Laufrad nach der Erfindung mit drei Flügeln ist,
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Fig. 2 eine Ansicht hiervon von unten ist, wobei Teile teilweise weggebrochen sind,
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Fig. 3 ein Schnitt durch einen der Flügel und den Nabenflansch entlang der Linien 3-3 in Fig.
1 ist,
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Fig. 4 eine ebene Darstellung eines der Flügelzuschnitte ist, die die Biegungslinien zeigt,
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Fig. 5 eine Endansicht des Flügelzuschnitts nach dem Biegen und Formen entlang der Linie
5-5 in Fig. 4 ist,
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Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung eines Flügels nach dem Biegen und Formen allgemein
entlang der Linie 6-6 in Fig. 4 ist und
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Fig. 7 eine weitere Schnittdarstellung durch den Flügel allgemein entlang der Linie 7-7 in Fig.
4 ist.
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Ein Laufrad mit drei Flügeln zum Mischen, Konditionieren oder Rühren einer Flüssigkeit oder
einer Suspension in einem Behälter ist allgemein mit 10 in den Fig. 1 und 2 erläutert. Das
Laufrad dieser Erfindung enthält eine mittige Nabe 12, die so ausgebildet ist, daß sie auf einer
nichtgezeigten Antriebswelle befestigt werden kann. Die Nabe 12 ist mit Nabenwülsten oder
Flanschen 13 zur Flügelbefestigung versehen, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Flansche können
einstückig mit der Nabe 12 ausgebildet sein oder zweckmäßig an ihr angeschweißt oder
befestigt sein. Die Flansche 13 unterstützen jeweils einen Laufradflügel 20, und bei der
evorzugten Ausführungsform hat das Laufrad 10 drei Flügel 20, die in gleichen Abständen von
120º in bezug auf die Achse der Nabe 12 angeordnet sind.
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Jeder Flügel 20 ist aus einem identischen Zuschnitt 20a aus flachem Metall hergestellt, wie
in der ebenen Ansicht in Fig. 4 gezeigt ist. Die Flügel sind aus Zuschnitten von Plattenmaterial
gebildet und haben im wesentlichen rechteckige Form.
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Die Wurzel 22 des Flügels 20 ist mit geeigneten Einrichtungen für die Befestigung an einem
der Nabenflansche versehen, wie mit Schrauben aufnehmenden Öffnungen 23 des Zuschnitts
20a, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Das Plattenmaterial der Zuschnitte hat im wesentlichen
gleichmäßige Dicke über seine ganze Länge. Bei der Herstellung des Flügels 20 wird der Flügel
20a mit einer Biegung oder Biegelinie 30 in Spannweitenrichtung ausgebildet, welche etwa
parallel zu der Flügelhinterkante 32 angeordnet ist. Die Biegung 30 erstreckt sich in einer
geraden Linie von der Wurzel 22 zu der Flügelspitze 34 und schneidet die Spitze etwas hinter
der Mitte des Flügels, gemessen entlang dem Zuschnitt zwischen der Vorderkante 36 und der
Hinterkante 32. Die Biegelinie 30 teilt den Flügel 20 in einen flachen Vorderflügelabschnitt 40
und einen abgewinkelt versetzten flachen Hinterflügelabschnitt 42. Der an der Biegelinie 30
gebildete Winkel definiert einen ersten Krümmungswinkel α für den Flügel.
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Der flache Flügelabschnitt 40 ist durch eine zweite Biegung oder Biegelinie 44 geteilt. Die
Biegelinie 44 erstreckt sich in gerader Linie von dem Punkt 45 des Schnittpunktes der Biegung
30 mit der Spitze 34 diagonal zu dem Flügel bis zu der Vorderkante 36. Die Biegung 44
schneidet die Flügelvorderkante an einer Stelle 36, die von der Wurzel 22 etwa ein Drittel bis
zu einem Fünftel der effektiven Spannweite des Flügels 20 radial nach außen beabstandet ist.
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Die Biegelinie 44 bildet einen dritten flachen Flügelabschnitt 50, welcher in einem zweiten
Krümmungswinkel β zu dem Abschnitt 40 ausgebildet ist, an welchem er angefügt ist. Die
Abschnitte 40 und 42 bilden einen Winkel an der Biegelinie, der zu dem Winkel α hinzukommt,
welcher zwischen dem Abschnitt 40 und dem Abschnitt 50 an der Biegelinie 44 gebildet ist,
um die Gesamtflügelkrümmung zu definieren. Der Gesamtbiegungswinkel liegt in dem Bereich
von etwa 20º bis 30º und ist etwa gleich an den Biegelinien 30 und 44 durch die Winkel α
und β aufgeteilt.
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Der bevorzugte Bereich für den Biegewinkel α zwischen den Abschnitten 40 und 42 ist
etwa 10º bis 25º, wobei ein variabler Winkel von 25º bis 12 1/2º typisch und bevorzugt ist.
Der Rest der Gesamtbiegung, der von etwa 5º bis 15º beträgt, wird an der Biegelinie 44
zwischen den Flügelabschnitten 40 und 50 gebildet, wobei der bevorzugte Winkel β etwa 12
1/2º ist. Der Flügelbefestigungsflansch 13, wie er in Figur 3 gezeigt ist, wird mit einem Winkel
entsprechend dem Winkel der Flügelabschnitte 40 und 42 um die Biegelinie 30 an dem
Wurzelende 22 gebildet, so daß der Flansch mit der Oberfläche des Flügels übereinstimmt.
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Wie oben festgestellt wurde, braucht der Biegewinkel α, der um die Linie 30 gebildet ist
und die Flügelabschnitte 40 und 42 teilt, nicht von konstantem Wert zu sein, sondern kann
variabel sein. So kann der um die Linie 30 definierte Winkel größer an der Wurzel 22 als an der
Flügelspitze 34 sein, und der Winkel kann von der Wurzel zur Spitze sich gleichmäßig
verjüngen. Die in Spannweiterichtung verlaufende Biegung an der Wurzel kann zwischen 10º
und 30º variieren und kann sich an der Spitze etwa 5º bis 15º verjüngen. Beispielsweise kann
der durch die Flügelabschnitte 40 und 42 an der Wurzel definierte Winkel in der
Größenordnung von 25º sein und sich bis zu einem kleineren Winkel in der Größenordnung von 12
1/2º an der Spitze verjüngen. Dies hat die Wirkung, daß man einen höheren Abschnittsmodul
an der Wurzel bekommt, um Biegebelastungen des Flügels zu widerstehen.
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Der Winkelversatz der ersten und zweiten Flügelabschnitte um die allgemein radial
gebogene Linie 30 liefert einen sehr starken Abschnittsmodul für den Flügel an der Wurzel 22
und an der Flügelnabe 12. Dies erlaubt demnach eine wesentliche Reduktion der Dicke des
Plattenmaterials, welches den Zuschnitt 20a bildet, gegenüber jener, die sonst erforderlich
wäre, um die Biegemomente und Belastungen von den Flügeln auf die Nabe zu übertragen. Der
Balken hat auch hohe Festigkeit und Verdrillungsbeständigkeit im Vergleich mit einem
einfachen flachen rechteckigen Abschnitt und liefert ausgezeichnete Unterstützung für die
Flügel.
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Vorzugsweise sind sowohl die obere Oberfläche der Vorderkante 36 als auch die
Bodenoberfläche der Hinterkante 32 mit einem relativ flachen Winkel von weniger als 45º zur Ebene
des betreffenden Abschnittes abgeschrägt. Wie vielleicht am besten in Figur 7 gezeigt ist,
bildet die obere Vorderkantenabfasung 55 einen Winkel von etwa 15º mit der oberen
Oberfläche 56 des Flügels, während die Abfasung 58 der unteren Hinterkante einen ähnlichen
Winkel von etwa 15º zur Bodenoberfläche 59 des Flügels bildet. Die Abschrägung verbessert
die Flügelplattenform für maximalen Angriffswinkel. Die tief abgeschrägten Vorder- und
Hinterkanten unterstützen auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades des in einem flüssigen
Medium arbeitenden Flügels und reduzieren den Stirnwiderstand, der sonst durch eingeleitete
Wirbelströme und resultierende Turbulenz gebildet würde.
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Die obere Abschrägung 55 schneidet nicht die Vorderkante an der Bodenoberfläche des
Flügels, sondern unterbricht eher die Vorderkante etwas oberhalb der Bodenoberfläche unter
Bildung einer etwas abgestumpften oder flachen Vorderkante 36, primär um unbeabsichtigte
Verletzung von Personal zu verhindern, das den Flügel handhabt. Ähnlich unterbricht die
Hinterkantenabschrägung 59 nicht die obere Oberfläche direkt an der Hinterkante 33, sondern
eher etwas im Abstand von dem Boden, um so eine etwas abgestumpfte Hinterkante zu
ergeben.
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Der Flügel, wie er durch die Position der Biegelinie 30 definiert ist, erstreckt sich nicht
wirklich radial von der Nabe 12 aus, sondern ist eher um einen Winkel von etwa 5º zu einem
Radius nach hinten ausgebogen. Diese negative Krümmung trägt dazu bei, die Flügelkante
sauber zu halten, und man fand, daß dies einen Leistungsgewinn ergibt.
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Der Steigungswinkel des Flügels, gemessen an der Wurzel entlang einer geraden
Kreissehnenlinie, die sich von der Vorderkante zu der Hinterkante erstreckt, in Bezug auf die
Rotationsebene kann variiert werden, wenn es erforderlich ist, speziellen Bedingungen zu
genügen, doch liegt er typischerweise bei etwa 15º bis 30º.
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Ein besonderer Vorteil des Laufrades dieser Erfindung besteht darin, daß die Konstruktion
frei von kritischen Krümmungen ist, deren Radius sich bei einer Maßstabsveränderung des
Flügels von einer Größe zur anderen verändern würde. Da der Flügel primär aus flachen
Abschnitten besteht, die entlang geraden Biegelinien miteinander verbunden sind, wird eine
Maßstabsveränderung wesentlich vereinfacht im Vergleich mit Flügelkonstruktionen, die
gekrümmt sind, und die Beziehung zwischen den Flügelabschnitten und den Flügelwinkeln
selbst kann von Größe zu Größe im wesentlichen gleichmäßig gehalten werden. Die Biegungen
30 und 40, die jeweils die Flügelabschnitte 40 und 42 und den Vorderflügelabschnitt 50 von
dem Abschnitt 40 trennen, vereinigen sich, um eine wirksame Abwärtstiefung zu liefern, die
auch als Radialkonkavität in Bezug auf die Nabe bekannt ist. Dies erfolgt sogar, obwohl der
echte Flächenwinkel entlang der Biegelinie 30 gesehen neutral oder null sein kann, um
geringere Herstellungskosten zu verursachen. Diese radiale Konkavität hat Anteil an dem
Wirkungsgrad des Flügels, indem sie der Zentrifugalkraft entgegenwirkt, die dazu neigt, die
axialen Geschwindigkeitsvektoren von dem Flügel zu unterbrechen, und daher bleibt das
Abgabeprofil von dem Laufrad dieser Erfindung stark axial. Der Axialflußgrad wird oftmals als
guter Maßstab für den Wirkungsgrad des Laufrades angesehen.
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Die Flügel- und Laufradkonstruktion dieser Anmeldung ergibt ziemlich wesentliche und
überraschende Verbesserungen gegenüber derzeitigen Konstruktionen mit hohem
Wirkungsgrad, wie gegenüber dem obengenannten Laufrad HE-3. Typischerweise wird ein Laufrad mit
drei Flügeln nach der vorliegenden Anmeldung den gleichen Pumpwirkungsgrad bei etwa 89%
der Drehkraft liefern, die für eine entsprechende Konstruktion HE-3 erforderlich ist. Außerdem
erwies sich ein solches Laufrad als etwa 20% leichter im Gewicht und erlaubt somit entweder
längere Wellenerstreckungen für den gleichen Wellendurchmesser oder Wellen mit kleinerem
Durchmesser für die gleiche Erstreckungslänge. Die Gewichtsersparnis bei dem Laufrad
erlaubte maximale Wellenerstreckungen, die etwa 8% länger als jene sind, die derzeit mit dem
Laufrad HE-3 in Verwendung sind.