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Die
Erfindung betrifft die Verwendung eines Metallschaumes hoher Eigenstabilität für die Herstellung
von Rotoren und Statoren in Strömungsmaschinen.
Die Erfindung ist bevorzugt anwendbar für Turbinen kleiner bis mittlerer
Leistung, die als Antriebsaggregat, beispielsweise zur Energieversorgung
in mobilen oder Blockheizkraftwerken und dergleichen, eingesetzt
werden.
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Für die Umsetzung
von Strömungsenergie
in nutzbare Rotationsenergie werden nach dem Stand der Technik üblicherweise
Turbinen vorwiegend als Antriebsmaschinen, beispielsweise zur Erzeugung von
Elektroenergie, eingesetzt, wobei die angetriebene Welle der Turbine über Kupplungsmittel
mit einem entsprechenden Generator verbunden ist.
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Der
Antrieb der Welle der Turbine erfolgt dabei überwiegend mit Wasserdampf,
der in entsprechenden Feuerungsanlagen erzeugt, überhitzt und unter entsprechend
hohem Druck über
Düsen beispielsweise
radial auf eine Anzahl von Laufschaufeln gerichtet wird, die innerhalb
eines teilbaren Gehäuses
am Umfang von jeweiligen Rotorscheiben eines Laufrades mit der Welle
drehbar angeordnet sind.
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Die
Laufschaufeln der Rotorscheiben korrespondieren dabei mit entsprechenden
Leitschaufeln an feststehenden Leitscheiben, die jeweils in den Zwischenraum
zwischen beispielsweise in einem Abstand zueinander auf der Welle
axial angeordneten Rotorscheiben eingreifend, am Gehäuse angeordnet sind.
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Die
Rotorscheiben und Leitscheiben und zugehörige Schaufeln weisen je nach
Leistungsaufnahme bzw. -abgabe der Turbine und abhängig vom Druck
sowie der Temperatur des Dampfes üblicherweise verschiedene Größen bzw.
Durchmesser auf.
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Ebenso
sind die jeweiligen Schaufeldimensionen sowohl der Laufschaufeln
als auch der Leitschaufeln den Betriebsbedingungen entsprechend angepasst,
wobei kleinere Schaufeln im hohen und die größeren Schaufeln im niedrigeren
Druck- und Tempe raturniveau eingesetzt sind. Außerdem entsprechen die Leitschaufeln
neben ihrer Größe und Anordnung
auch in der Schaufelgeometrie im Wesentlichen den jeweils zugeordneten
Laufschaufeln, wobei jedoch die Form der Leitschaufeln gegenüber den
jeweiligen Laufschaufeln entgegen gesetzt ausgebildet ist.
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Der
durch die entsprechende Zuleitung in die Düsen eingeleitete Dampfstrom
wird somit bei mehrstufigen Laufrädern mit entsprechenden Leitscheiben
vom Hochdruckteil der Turbine und von den Schaufeln der ersten Rotorscheibe
als erste Stufe ausgehend, in Richtung der letzten Rotorscheibe
im Niederdruckteil in den entsprechenden Schaufeln der jeweiligen
Stufen mehrfach umgelenkt, dabei entspannt und abgekühlt. Der
abgekühlte
Dampf wird beispielsweise nach Ableitung aus dem Gehäuse zu Heizzwecken
verwendet.
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Die
Turbinen der beispielhaft genannten Art weisen unter anderem Nachteile
dahingehend auf, dass hohe Kosten zu ihrer Herstellung, ihrem Betrieb und
ihrer Wartung erforderlich sind.
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Die
in derartigen Anlagen eingesetzten hochfesten Werkstoffe, die insbesondere
für die
jeweiligen Schaufeln, Guss- und Schmiedeteile eingesetzt werden,
erfordern dabei einen besonders hohen Aufwand sowohl bei der Herstellung
als auch entsprechender Bearbeitung und der erforderlichen Wartung.
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Wegen
der großen
Masse und darüber
hinaus hohen Fliehkräfte
an der Welle, sind für
die Aufstellung und Befestigung derartiger Turbinenanlagen außerdem vergleichsweise
große
Stellflächen
und besonders feste und schwingungsfreie Fundamente erforderlich.
Schließlich
weisen diese Turbinen, beispielsweise durch Leitungs-, Temperatur-
und Reibungsverluste sowie andere Einflüsse bedingt, einen relativ
geringen Wirkungsgrad auf.
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Neben
den erwähnten
Dampfturbinen sind beispielsweise Gasturbinen bekannt, bei denen
zwar die Masse niedriger und der Wirkungsgrad vergleichsweise höher liegen,
die jedoch ebenfalls hohe Kosten für die Herstellung der einzelnen
Bauteile erfordern. Insbesondere für die Anzahl von Rotor- und zugehörigen Leitscheiben
mit entsprechender Beschaufelung für die Umsetzung der Strömungsenergie
in die rotie rende Bewegung der Welle sowie die zugehörige Steuerung
usw., sind insgesamt hohe Aufwendungen erforderlich.
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Demgegenüber ist
bereits aus der US-PS 1,061,206 eine einfache Lösung bekannt, bei der in einem
Gehäuse
ein mit einer Welle verbundenes Laufrad mit mehreren abstandsweise
miteinander verbundenen, ebenen Scheiben vorgesehen ist, wobei tangential
in das Gehäuse
einströmendes
Medium durch das Gehäuse
in eine Kreisbahn gezwungen und das Laufrad in Abhängigkeit
von der Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums in Bewegung gesetzt wird.
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Der
Nachteil bei dieser Einrichtung liegt insbesondere darin, dass die
ebenen Scheibenflächen die
an der Welle abnehmbare Leistung stark beeinträchtigen.
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Ein
weiteres Problem konventioneller Laufleiträder, die neben dem Einsatz
in Turbinen auch Anwendung finden bei Ventilatoren bzw. Verdichtern,
ist der hohe Geräuschpegel
im Betrieb. Unter diesen Aspekten wurden in letzter Zeit Vorschläge gemacht, die
die Strömung
des Fluids, in vielen Fällen
einfach Luft, durch zielgerichtete Führung in ihrer Geräuschentwicklung
beschränken
sollen.
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So
ist aus
DE 103 02
773 B3 ein Lauf- und Leitrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für Verdichter
und Ventilatoren, bekannt, wobei das Lauf- und Leitrad aus einer
Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen besteht und die Feststoffmatrix
nicht isotrop aus zueinander beabstandeten Segmenten aufgebaut ist,
durch welche die Strömungskanäle für das Fluid
gebildet werden. Zudem soll das Lauf- und Leitrad zusätzlich als
Gleichrichter oder Sieb wirken. In einer bevorzugten Ausführung soll
die Feststoffmatrix mit der Vielzahl von Strömungskanälen aus isotropen porösen Materialien
bestehen. Diesbezüglich
ist angeregt, dass die porösen Materialien
aus Schäumen
und hier isotropen Schäumen
aus Metall oder Kunststoff ausgeführt sind.
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Abgesehen
davon, dass keinerlei Angaben zur konkreten Struktur der Schäume, namentlich
der Metallschäume,
gemacht werden und infolgedessen der Nachweis für die Nacharbeitbarkeit der
erfinderischen Lehre nicht gegeben ist, steht außer Zweifel, dass mit Metallschäumen nach
dem Stand der Technik die notwendige Formstabilität einer
solchen Laufschaufel angesichts der hohen Drehzahlen nicht möglich ist,
zumal die Stege (auch einer Metallstruktur) üblicherweise hohl sind. Selbstredend
ist erst recht eine Kunststoff-Schaumstruktur nicht für den Einsatz
in einer Turbine, aber auch in einem Lüfter oder in einer Pumpe, bei
denen regelmäßig die
Gefahr einer beachtlichen Kavitation besteht, geeignet.
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Weiterhin
ist durch
DE 693 27
474 T2 ein poröser
Rotor offenbart, der auf die Anwendung in Abluftfiltern (Badezimmer,
Konferenzräume
und ähnlichen),
Staubsaugern, Laubgebläsen,
Lüfter
für Computer,
Pumpen mit geringer Kavitation, leisen Turbinen und Haartrocknern
zielt, wobei auch hier die Senkung des Geräuschpegels beim Betreiben solcher
Geräte
im Vordergrund steht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Rotor
aus einer offenzelligen, porösen,
ringförmigen
Matrix herzustellen, wobei diese vom Fluid außen angeströmt und durchströmt wird. Der
Rotor ist vorzugsweise aus Kunstharz gefertigt und besitzt erfindungsgemäß einen
Trageaufbau.
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Obgleich
sich aus verschiedenen Vorteilen eine Minimierung des Störgeräusches,
namentlich durch die Eingangs- und Ausgangsbedingungen in Bezug
auf den Rotor, infolge veränderten
Anpralls und Turbulenzen ergibt, stehen dem die oben genannten Nachteile,
insbesondere das Problem, dass die Struktur höheren Belastungen nicht gewachsen ist,
gegenüber,
was auch durch die bevorzugten Anwendungen zum Ausdruck kommt.
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Zudem
sind in DE-A-19 00 940 und
US 4,795,319
A leise Fluiddurchgangsvorrichtungen angegeben, die einen
Fluiddurchgangsrotor mit einem sich entlang eines ringförmigen Weges
erstreckenden porösen
Aufbau umfassen. Der poröse
Aufbau wird durch ein ringfömiges
Element gestellt. Das Fluid strömt
unter Beschleunigung durch dieses Element, wenn sich der Rotor in
Drehung befindet. Durch diese Merkmale soll eine leise Fluidströmung erzielt
werden. Der Rotor selbst besteht also nicht aus porösem Material.
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Auch
aus
US 2,509,376 A ist
ein Fluidverdichter entnehmbar, der poröses Material verwendet. Der
Rotor dieses Verdichters umfasst Durchgänge, die durch mehrere Verbindungsöffnungen
zwischen Sinterteilen aus Metall oder zwischen den Packlagen aus
Draht, Geflecht oder Glasvlies oder dergleichen ausgebildet sind.
Die Erfin dung kommt also gleichfalls nicht mit einem Rotor, der
vollständig
aus einer offenporigen Metallschaumstruktur gebildet ist, aus.
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Schließlich ist
aus der Schrift
DE
199 59 598 A1 eine Schaufel einer Strömungsmaschine, die aus einer
metallischen Hüllstruktur
sowie einer innerhalb dieser vorgesehenen und mit der Hüllstruktur
geeignet verbundenen Tragstruktur aus einem Verbundwerkstoff besteht,
bekannt, die sich dadurch auszeichnet, dass auf ein die Hüllstruktur
bildendes Blech ein Metall-Filz-Gewebe aufgeschweißt oder aufgelötet ist.
Selbstredend ist die Herstellung dieser Schaufel sehr aufwändig und
kostenintensiv.
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Der
Erfindung liegt ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik
die Aufgabe zu Grunde, die Rotoren und Statoren in Strömungsmaschinen
der genannten Art in einfacher Weise und mit vergleichsweise geringen
Kosten herzustellen. Gleichzeitig sollen die Anforderungen hinsichtlich
geringer Stellfläche,
hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad erfüllt werden; zudem sollen sich
die Rotoren durch Schwingungsarmut und geringe Geräuschentwicklung
auszeichnen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können aus den Ansprüchen 2 bis
18 entnommen werden.
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Nach
Maßgabe
der Erfindung ist also vorgesehen, dass der Rotor und/oder der Stator
einer Strömungsmaschine
ausschließlich
aus offenporigem, gegossenem Metallschaum besteht. Wesentlich ist, dass
die Stege des verwendeten Metallschaums gegenüber den Schäumen, die aus dem Stand der Technik
bekannt sind, definiert verdickt sind. Nur so ist es möglich, insbesondere
Rotoren herzustellen, die hohe Belastungen dauerhaft aushalten.
Hierbei ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Schaumstruktur aus einer
retikulierten Struktur, bevorzugt einer retikulierten Schaumstruktur,
wobei die durch solche Strukturen gebildeten Gießkanäle vor dem Einfüllen des
Metalls mittels organischer Materialien stabilisiert werden, hergestellt
wird und die Stege der retikulierten Strukturen durch ein- oder
mehrmaliges Beschichten verdickt werden. Das zur Beschichtung der
Stege dienende organische Material kann flüssiges Wachs, Wachspulver,
Polystyrol-Pulver oder Polyamid-Pulver sein, wobei das Polystyrol/Polyamid
einen geringen, bevorzugt 5%igen, Anteil Kleber impliziert. Bei
mehrfacher Beschichtung der Stege werden die einzelnen Beschichtungen
bei unterschiedlichen Temperaturen im Bereich von 40°C bis 80°C aufgebracht.
Die derartig gestaltete Struktur weist eine Porosität von 75%
bis 94% auf.
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Dem
Wesen der Erfindung folgend wird der Metallschaum allseitig, also
nicht nur über
die Außenfläche, sondern
auch von der Stirnfläche
und sogar von innen nach außen
vom Fluid angeströmt.
Es hat sich überraschend
herausgestellt, dass die tangentiale Anströmung von innen nach außen für die Gestaltung
des Wirkungsgrades besonders vorteilhaft ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsvariante
sieht vor, dass die Rotoren und/oder Statoren aus rostfreiem Stahl
bestehen; je nach Anforderung können
sie aber auch aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, einer Aluminium-Legierung
oder aber auch aus Titan oder einer Titan-Legierung ausgeführt sein.
Dabei ist vorgesehen – gleichfalls
entsprechend dem konkreten Anwendungsfall – diese Materialien mittels
Sputern zu beschichten; vorteilhafte Beschichtungsmaterialien sind
insbesondere Nickel, Chrom und Titan oder ein Oxid dieser Werkstoffe.
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Mit
der Erfindung besteht ein Vorteil insbesondere darin, dass in einfacher
Weise der Antrieb eines Rotors dadurch möglich wird, dass an Stelle der
Lauf- und Leitschaufeln für
das Fluid als Antriebselement die Struktur eines formstabilen Metallschaumes
eingesetzt wird.
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Die
Verwendung der erfindungsgemäßen Schaumstruktur
bewirkt dabei insbesondere, dass die damit hergestellten Rotoren
direkt und verwirbelungsfrei angetrieben werden und infolgedessen
die Welle der Turbine erschütterungsfrei
arbeitet, wodurch insgesamt eine hohe Laufruhe der gesamten Strömungsmaschine
erzielt wird.
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Außerdem wird
die Baugröße der Turbinen, die
erfindungsgemäße Rotoren
und Statoren verwenden, vergleichsweise deutlich kleiner, wodurch sich
das Anwendungsgebiet solcher Turbinen erweitert.
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Die
Erfindung weist ferner den Vorteil auf, dass die hohen Aufwendungen
für die
Herstellung und den Einbau der Lauf- und Leitschaufeln und die zugehörigen Träger entfallen
und das Gehäuse
für die
Turbine hinsichtlich seines Aufbaus vereinfacht und der Wartungsaufwand
bedeutend verringert wird.
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Für die Anströmung der
Schaumstruktur mit einem entsprechenden Medium sind außerdem keine
aufwändig
hergestellten Düsensysteme
erforderlich, da die Anströmfläche der Öffnungen
für den Austritt
des Strömungsmediums
aus den jeweiligen Zuführleitungen
vergleichsweise groß ausgebildet ist.
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Die
Schaumstruktur kann darüber
hinaus in beliebiger Richtung angeströmt werden, wodurch beispielsweise
eine Drehrichtungsänderung
der Welle in einfacher Weise möglich
ist.
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Je
nach Anwendungsgebiet sind als Strömungsmedium bevorzugt Dampf,
aber auch andere gasförmige
sowie flüssige
Medien für
den Antrieb der mit den Rotorscheiben ausgestatteten Laufräder einsetzbar,
wobei die Medien jeweils nach ihrer Abbremsung an der Schaumstruktur
und damit verbundener Beschleunigung der Rotorscheibe, dieselbe
durch dieselbe Schaumstruktur verlassen.
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Vorteilhafte
Verwendungen von Rotoren und Statoren in Strömungsmaschinen, die ausschließlich aus
sehr formstabilen Metallschaumstrukturen bestehen, werden nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die
dazugehörigen
Zeichnungen zeigen in schematischen Querschnittsdarstellungen
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1 eine
Pumpe
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2 eine
Paarung Rotor/Stator (ähnlich
einer Wasserwirbelstrombremse)
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3 eine
Turbine in Form eines „Düsentopfes"
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4 eine
Turbine.
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Aus 1 ist
ersichtlich, dass ein Rotor 1 aus dem beschriebenen Metallschaum
in einem Gehäuse 3 mittels
Kleben oder Schweißen
bzw. Gießen in
einem Guss stoffschlüssig
mit einer angetriebenen Welle verbunden ist; er weist hierbei die
Form einer Scheibe mit hoher Eigenstabilität auf, so dass der Rotor keinen
gesonderten Träger
benötigt.
Das Gehäuse 3 taucht
mittels des Saugstutzen 4 in ein Fluid 6 ein; auf
Grund des Unterdrucks wird der Rotor 1 auf der Fläche, die
der Querschnitt des Saugstutzens bildet, angeströmt und zum Pumpenausgang hin
durchströmt.
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Das
zentrale Ansaugen und tangentielle Austreiben des Mediums ist eine
Funktion der differenzierten Umfangsgeschwindigkeit und stellt sich selbstständig ein.
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Die
in 2 gezeigte Verwendung einer Kombination Rotor 1/Stator 2 gemäß einer
Wasserwirbelstrombremse ist gleichfalls dadurch charakterisiert,
dass diese Elemente ausschließlich
aus Metallschaum der beschriebenen Art, also klar definiert nach
Material, Porengröße, Stegdicke
und Beschichtung, bestehen. Hierzu sind beispielhaft der Rotor 1 und
der Stator 2 raumfüllend
in einem Gehäuse 3 gegenüberliegend,
nur durch einen Spalt 5, in dem das Fluid 6 strömt, getrennt
eingebracht.
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Gemäß 3 ist
der Rotor 1 für
eine Turbine ringförmig
oder hohlzylinderförmig
gestaltet. Er umschließt
einen konventionellen, also nicht aus Metallschaum gebildeteten,
Stator 2.1, an dem mittels einer Welle 7 in ihren Öffnungen
verstellbare Düsen 8 so angeordnet
sind, dass das Fluid den erfindungsgemäßen Rotor 1 tangentiell
anströmt
und von innen nach außen
durchströmt.
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Aus 3 kann
gleichzeitig die Ermittlung von Strömungswinkel und Strömungsfläche und
damit die Basis von Drehmoment und Drehzahl und letztlich die Leistung
der Turbine entnommen werden.
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In 4 ist
der Einsatz eines erfindungsgemäßen Stators 2 für eine Turbine
dargestellt; er ist beispielgebend ring- oder hohlzylinderförmig gestaltet.
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Der
Stator 2 umschließt
konzentrisch einen impulsgetriebenen (konventionellen) Rotor 1.1,
der – hier
s-förmig
ausgebildet – zwei
Düsen aufweist, über die
er tangentiell angeströmt
und von innen nach außen
durchströmt
wird. Die Düsen
des Stators 2 werden hierbei über eine Hohlwelle 9 mit
Dampf beaufschlagt. Durch die Strömungsrichtung von innen nach
außen
wird jegliche Reibung oder Zwangsführung durch das Gehäuse 3 vermieden.
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Aus
der 4 kann auch entnommen werden, dass es vorteilhaft
möglich
ist, die Wirkung der Turbine durch den Einsatz eines Zwischenrades 10, an
dem die Energie abgenommen werden kann, zu verstärken.
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- 1
- Rotor
aus Metallschaum
- 1.1
- Rotor
(nicht aus Metallschaum) mit Düsen
- 2
- Stator
aus Metallschaum
- 2.1
- Stator
(nicht aus Metallschaum)
- 3
- Gehäuse
- 4
- Saugstutzen
- 5
- Spalt
- 6
- Fluid
- 7
- Stellwelle
- 8
- Düsenöffnung
- 9
- Hohlwelle
- 10
- Zwischenrad