DE1428170A1 - Multi-stage radial turbo work machine, in particular multi-stage centrifugal compressor - Google Patents
Multi-stage radial turbo work machine, in particular multi-stage centrifugal compressorInfo
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Description
Lioentia enterwältungnomob,H
Frankfurt/Main, Theodor-Stax-n-Kai 1Lioentia enterwältungnom o b, H
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Mehrstufige Hadialturboarbeitsmaschlne, insbesondere mehrstufiger RadialverdichterMulti-stage Hadial turbo work machine, in particular multi-stage centrifugal compressor
Die Erfindung besieht sich auf eine mehrstufige Badialturboarbeitsmäschine, insbesondere einen mahrstufigen Radiilverdiohter, mit mehreren hintereinander durohströmten Lauf rädern, die gemeinsam auf einer .eile Bitten und deren Außenradien in Duronströmriohtung der Maschine abnehmen, vorzugsweise mit Leitsohaufelkränzen, die die Austritte genannter Laufrüder umgeben, und/oder ZwleohenkUhlern, die zwischen genannten ( Laufrädern vorgesehen »ind.The invention relates to a multi-stage Badial turbo work machine, in particular a multi-stage radiator, with several successively thermally flowing impellers, which together on a .eil request and whose outer radii decrease in Duron flow direction of the machine, preferably with Leitsohaufelkrnen that surround the outlets of said impellers, and / or ZwleohenkUhlern between the named ( impellers provided »ind.
Die Weiterentwioklung solcher Maschinen hat sich inebeso erstens Bit der Verbesserung des Masohinengesamtwirkungsgrades Über einen möglichet weiten Arbeltsbereich, zweitens mit der Herabsetzung der Pumpgrenze und drittens mit der JSrhöhung der Stüfenförderhöhe im Interesse einer Verminderung des Leistung*- gewiohtes und damit der Herstellungskosten zu befassen,, Die gleichzeitige Erfüllung dieser drei Forderungen lot reoht schwierig und naoh geläufiger Auffassung gar nichirohne weiteres möglich, da wohl Mittel und »ege bekannt sind, einer dieser Forderungen zu entsprechen, deren Erfüllung aber auf Kosten -einer der anderen Forderungen geht. Die Erfindung gibt Mittel an, diese drei Forderungen gleichzeitig zu erfüllen, wobei die Wirkungsgrade von Stufen und/oder Stufengruppen, in Durohströmriohtung der Masohine gesehen, nicht eo stark wie bisher schlechter werden sollen oder sogar gleich groß bleiben sollen.Firstly, the further development of such machines has taken place Bit of improvement in overall masohinen efficiency as wide a working range as possible, secondly with the lowering of the surge limit and thirdly with the increase in the Step funding height in the interest of a reduction in performance * - to deal with the usual and thus the manufacturing costs ,, The simultaneous fulfillment of these three requirements lot reoht difficult and with a common understanding not at all without further information possible, since means and means are known, one of these To meet demands, the fulfillment of which is at the expense of one of the other demands. The invention gives means to meet these three requirements at the same time, with the Efficiency of stages and / or stage groups, seen in Durohströmriohtung the Masohine, not as strong as before should get worse or even stay the same size.
Die Schwierigkeiten des B uee von Turboarbeitamajohinen mit gutem Wirkungsgrad und günstigem Pumpverhalten liegen insbesondere in den Vorgangen dor Ablösung der Grenzschicht begründet. Die Ablösungsgefahr und damit die Möglichkeit derThe difficulties of building turbo-powered majohines with Good efficiency and favorable pumping behavior are due in particular to the processes involved in detachment of the boundary layer. The risk of detachment and thus the possibility of
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Wirbelbildung mit ihren hohen Verlusten und damit auch das unstabile Arbeiten im Pumpberaich besteht stets in Strömungsgebieten mit Druckanstiege Der Beginn der Ablösung ist durch die Bedingung gegeben, daß der Geschwindigkeitsgradient senkrecht zur Wand gegen Null geht,, Von diesem Punkt auegehend erfolgt anschließend in Bezug auf die normale Strömungsrichtung eine Ruckströmung in Wandnahe und damit eine sehr starke Zunahme der Grenz schichtdicke,,Vortex formation with its high losses and thus unstable work in the pumping area always occurs in flow areas with increases in pressure The beginning of the detachment is given by the condition that the velocity gradient is perpendicular goes towards zero towards the wall, starting from this point then takes place in relation to the normal direction of flow a backflow close to the wall and therefore a very strong one Increase in boundary layer thickness,
Allgemein wird bei mehrstufigen Turboarbeitsmaschinen ent· sprechend dem Reaktionsgrad der einzelnen Stufen ein wesentlicher Teil dee Gesamtdruckes durch Umsetzung von Geechwindigkeitsenergie in statischen Druck in feststehenden« Laufrädern nachgeschalteten Leitvorrichtungen (Diffusoren) erzeugt. Es ist augenscheinlich« daß gerade auch auf den Wirkungsgrad dieser Umsetzung besonderer Wert gelegt werden mufi, wenn ein guter Stufengesamtwirkungagrad erreicht werden solloIn general, with multi-stage turbo machines, Depending on the degree of reaction of the individual stages, a substantial part of the total pressure is due to the conversion of velocity energy generated in static pressure in fixed «impellers downstream guide devices (diffusers). It is apparently «that particular value must be placed on the efficiency of this implementation, if a good one Step overall degree of effectiveness should be achieved
Eine Reihe von Messungen und Beobachtungen hat nun gezeigt* daß bei Radialturboarbeitsmasohinen der Radwirkungsgrad, der also die Umsetzung der kinetischen Energie in «tatIschen Druck hinter dem Laufradaustritt nicht umfaßt, bei richtiger Auelegung und Quersohnittsbemessung recht hoch ist und meist zwischen etwa 84 i° und etwa 88 cß> liegt t während der Stufen·» gesaintwirkungsgrad beachtlich unter diesen Warten liegt· Der Grund für diese Minderung ist der, daß der Wirkungsgrad d©r Umsetzung der kinetischen Austrittsenergie in statischen Druck schlechter ist als der RadwirkungsgradoA number of measurements and observations have now shown * that the wheel efficiency of radial turbo working machines, which does not include the conversion of the kinetic energy into the actual pressure behind the impeller outlet, is quite high when correctly laid out and measured by cross-sons, and is usually between about 84 ° and about 88 c ß> is t during the stages · »overall efficiency is considerably below these values · The reason for this reduction is that the efficiency of the conversion of the kinetic output energy into static pressure is worse than the wheel efficiency
Aus diesem Grunde erhöht man den im Laufrad zu erzeugendem etatischen Brück, und zwar durch Anwendung eines umlaufendem9. schaufellosen Diffus or es, der im Laufrad radial außerhalb der Laufradbeschaufelung vorgesehen und im allgemeinen durch nach auSen verlängerte Radeeitenwände gebildet ist. Der auf die den Laufrad nachgeschaltete Leitvorrichtung entfallende Anteil der in statischen Ds?uok umzusetzenden Förderhöhe ist nun verringert, und darüberhinaus ist die Strömung im Laufrad selbst weitgehend guegeglieti©a§ isisbeeonäere sind die sogenanntesiFor this reason, the static bridge to be created in the impeller is increased by using a revolving 9 . Blade-less diffuser, which is provided in the impeller radially outside the impeller blading and is generally formed by wheel sidewalls that are extended outward. The proportion of the delivery head to be converted into static Ds? Uok, which is attributable to the guide device downstream of the impeller, is now reduced, and moreover the flow in the impeller itself is largely guegeglieti © a§ isisbeeonäere are the so-calledesi
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Nachlaufdellen praktisch verschwundene Es ist also eine recht gleichmäßige und geordnete Strömung im Laufradaustritt vorhanden, die wiederum die unbedingte Voraussetzung für einen guten Wirkungsgrad der dem Laufrad nachgeschalteten Leitvorrichtung ist, so daß also durch die Anwendung des genannten anlaufenden, schaufelloaen Diffusorβ auch der Wirkungsgrad der dem Laufrad nachgeschalteten Leitvorrichtung erhöht wird0 Ba eine starke Erweiterung des umlaufenden Diffusors zulässig ist, ohne daß Gefahr der Ablösung der Strömung besteht» so erhält die dem Laufrad naohgeschaltete Leitvorrichtung gegenüber einer normalen Auslegung eine wesentlich größere axiale Eintritt sbreite, was den Wirkungsgrad dieser Leitvorrichtung noch weiter erhöhteThere is a fairly even and orderly flow in the impeller outlet, which in turn is the essential prerequisite for good efficiency of the guide device downstream of the impeller, so that the use of the above-mentioned starting, blade-free diffuser also increases the efficiency of the impeller downstream guide device is increased 0 Ba a strong expansion of the circulating diffuser is permissible without the risk of the flow becoming detached »the guide device connected to the impeller has a much larger axial inlet width compared to a normal design, which further increased the efficiency of this guide device
Die Anwendung eines umlaufenden, schaufellosen Diffusors bringt Erhöhungen sowohl des Stufenwirkungsgrades als auoh der Stufehförderhöhe und ferner gleichzeitig eine Herabsetzung der Pumpgrenze.The use of a revolving, vaneless diffuser brings Increases both in the stage efficiency and also in the stage head and furthermore at the same time a lowering of the surge limit.
Bei einer hochwertig ausgelegten mehrstufigen Turboarbeitsmesohine werden nun die Laufradaußendurohmesser von Stufe zu Stufe in allgemeinen kleiner. Das erste Laufrad hat den größten AuBendurchmesser und damit die größte Außenumfangsgesohwindigkeit u«» deren Grenzwert U0a„ vom verwendeten Werkstoff und der konstruktiven Gestaltung des Laufrades abhängt, aber mit Rucksloht auf die erzielbare Stufenförderhöhe so hoch wie möglich liegen sollte. Die Anwendung eines umlaufenden, schaufellosen Diffusors 1st fUr die erste Stufe also dann recht schwierig, wenn die Außenumfangsgesohwindigkeit u« den Laufrades dieser Stufe bereits die mögliche G-renzumfangsgeschwindigkeit ha to Andererseits ist aber eine Anwendung eines solchen Diffusors für die ersteIn a high-quality, multi-stage turbo work machine, the impeller outer diameter is now generally smaller from stage to stage. The first impeller has the largest outer diameter and thus the greatest outer circumferential velocity u «» whose limit value U 0 a «depends on the material used and the structural design of the impeller, but should be as high as possible with a backlash on the achievable step delivery head. The use of a revolving, blade-less diffuser is therefore very difficult for the first stage if the outer circumferential speed of the impeller of this stage already has the possible limit circumferential speed. On the other hand, however, such a diffuser is used for the first
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Stufe gar niöbt unbedingt notwendig, da der Wirkungegrad der ersten Stufe im allgemeinen recht gut ist; dort Bind nämlich die axiale Laufradaustrittsbreite und damit die axiale Eintrittebreite der naohgeschalteten Leitvorrichtung genügend groß» während für di© nachfolgenden Stufen trotz kleiner werdender Laufraddurehmesaer dieee Breiten von Stufe zu Stufe kleiner werden«, Hierin liegt der Hauptgrund für die von Stufe zu Stufe schlechter werdenden Wirkungegrade„ Bei geringen Verhältnissen Von Laufradaustrittsferelt© hg zu Laufradaußendurohmesser D« (^/-^ un^ au°k *>ei sehr ge« ringen absoluten Vierten von bg ($m Bereich von 5 Me 15 raa) ist der Anteil der Grenzsehichtdieken am Ggsamtströiauügsprofil Überaue groß,, so daß der Wirkungsgrad erheblichStage not absolutely necessary, since the degree of effectiveness of the first stage is generally quite good; There the axial impeller outlet width and thus the axial inlet width of the connected guide device are sufficiently large "while for the following stages, despite the smaller impeller length, the widths become smaller from stage to stage". This is the main reason for the degree of effectiveness deteriorating from stage to stage "at low ratios of Laufradaustrittsferelt © hg to Laufradaußendurohmesser D '(^ / - ^ un ^ au ° k *> ei very ge" wrestle absolute Fourth of bg ($ m range from 5 Me 15 raa), the proportion of Grenzsehichtdieken on Ggsamtströiauügsprofil Exceedingly large, so that the efficiency is considerable
Zur Lösung der anfange genannten Aufgab® wird nun gen, in Durchetrömriohtung de? Maschine in atelgsnfiem Maße vom Prinzip des umlaufenden; schauf®lloeen Siffueora Gebrauch zumachen. Die Erfindung besteht darin, das bei Anwendung von umlaufenden, schaufelloaen, in genannten Laufradern radial außerkalb der Laufradbesohäufelungen vorgesehenen Diffuseren in Durchströmrichtung der Maschine die Verhältnisee dea Laufradaußenradius sum Laufradbeachaufelungsaußenradius und/oder der axialen Laufradauetrittsbreite zur Laufsohaufelauetrittebreite zunehmen0 Dabei könnsn in Durchetrömrichtung der Maschine auch die radialen üratreckungen der Diffuaoren und/ oder die Diffueorerweiterungsv/inkel zunehmen» Im Grenzfall kann unter bestimmten VorausSetzungen erreicht werden, daß die axialen Laufradaustrittsbreiten aller Stufen gleich groß bleiben oder aber in Durchetrömrichtung der Maschine nur wenig abnehmen,, Doch ist eine solche starke Steigerung der axialen Laufradaustrittebreiten gegenüber der Mormalauslegung im allgemeinen nicht erforderlicheTo solve the above-mentioned task, gen, in Durchetrömriohtung de? Machine in atelgsnfiem measure on the principle of the rotating; Schauf®lloeen Siffueora make use of it. The invention consists in the circumferential when applying, schaufelloaen radially in said running wheels of Laufradbesohäufelungen provided diffusers except calf in the flow direction of the machine, the Verhältnisee dea impeller outer radius sum Laufradbeachaufelungsaußenradius and / or the axial Laufradauetrittsbreite to Laufsohaufelauetrittebreite increase 0 Here, in Durchetrömrichtung könnsn the machine also radial uretentractions of the diffusers and / or the diffuser widening angles increase »In the borderline case, under certain conditions it can be achieved that the axial impeller outlet widths of all stages remain the same or only decrease slightly in the direction of flow through the machine, but such a strong increase in the axial Impeller outlet widths are generally not required compared to the normal design
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Die inebeeondere aus Gründen der Scheibenreibung erforderliohe Abnahme der Laufradauöenradien in Durchströmriohtung der Maechine gesehen kommt der genannten Zunahme der Diffusorerwelterungswinkel zugute, da die abnehmenden Umfangsgeschwindigkeiten U2 feetigkeitemaöig eine Zunahme dieser Winkel und sogar Erweiterungewinkel bis zu </ » 9oc gestatten0 So große Erweiterungewinkel werden insbesondere bei den letzten Stufen angewendet«Seen the inebeeondere reasons of disk friction erforderliohe decrease in Laufradauöenradien in Durchströmriohtung the Maechine the aforementioned increase in Diffusorerwelterungswinkel benefits because the decreasing peripheral speeds increasing in angle and even Erweiterungewinkel up to </ »9o c allow 0 to feetigkeitemaöig So great Erweiterungewinkel U 2 especially used in the last stages "
Ss hat sloh gezeigt, dafl duroh die Erfindung auch die Pumpgrenze stark herabgesetzt wird und in bestimmten Fällen sogar eine Pumpgrenze Überhaupt nicht vorhanden 1st, Dies 1st daduroh zu erklären, daß der umlaufende, aohaufellose Diffusor welteetgehend unempfindlich ist gegenüber Änderungen der An- ( strömriohtung. Bsi mehrstufigen Verdichtern tritt das Pumpen zuerst vorzugsweise in den letzttn Stufen des Verdichters auf. Oemkfl der Erfindung wird nun gerade zu den letzten Stufen hin da· Prinzip des umlaufenden Diffueors in verstärktem Mafia zur Anwendung gebracht und damit erreicht, daß bei den bisher am meisten gefährdeten Stufen die Pumpgrenz· außerordentlich stark herabgedruckt oder sogar beseitigt wird. Mn gutes Teillastverhalten, Insbesondere dieser Stufen b«w0 Räder, wird dadurch erzielt, daS die Laufschaufeln profiliert sind, wobei ihre Profilhöhe zum Xraufschaufelaustritt hin stetig abnimmt. Somit ist dl« Strömung in den Laufradaustritten der letzten Stufen gleiohmäßig und geordnet; die genannten Faohlaufrollen, doho die ungleichmäßige Verteilung der Austritts- " geschwindigkeit des Lsufradstromes, sind bzw. ist praktisch verschwunden. Im Grenzfalle können die Austrittekanten der Laufschaufeln messerscharf ausgebildet sein, soweit herstellungsteohnisohe oder auch betriebstechnische Belange dies zulassen»Ss has shown fled, DAFL duroh the invention is greatly reduced and the surge limit and even non-existent 1st a surge limit at all in certain cases, this 1st to explain daduroh that the circumferential, aohaufellose diffuser is welteetgehend insensitive to changes in the presence (strömriohtung. Bsi multistage compressors enters the pump first, preferably in the letzttn stages of the compressor on. Oemkfl the invention is now just brought to the final stages to go there · principle of the revolving Diffueors in reinforced Mafia to apply and thus achieved that yet vulnerable at the most Steps the surge limit is extremely strongly reduced or even eliminated. Mn good part-load behavior, in particular of these steps b «w 0 wheels, is achieved in that the rotor blades are profiled, their profile height decreasing steadily towards the rotor blade outlet. Thus, the flow is in the impeller outlets of the last stages smoothly and g organizes; the above-mentioned fan rollers, that is , the uneven distribution of the exit speed of the airflow, have or has practically disappeared.
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In der Seicshnung sind als Ausftlhrungsfceispiel die drei zueret durotifloaaenen Stufsn sines mindestens vierstufigen Radialverdichters gemäß der Erfindtang im Längsschnitt darge stellt OThe following are the three as an illustrative example zueret durotifloaenen stages sines at least four stages Radial compressor according to the invention in longitudinal section Darge represents O
Diese drei Stufen Bind mit 119 12 und 13 "bezeichnet» die zugehörigen lauf räder mit 29 9 3o und 31 und iie Durohatrömrichtung der Maschine mit U» Die Laufrader 29»3o und 31 sitzen gemeinsam auf der Maschinenteil® Ioa Die Auß©2&radlen. der lauf räder 29»3o und 31 nehmen in. DurchetrSrario^tnMg 14 was durch tie ßtricfepunktiert© Linie 27 geke-msz al atmet iete Jedes der laufräder 291 bis 31 ist von ®i&9m feststehend©» Lsitsohaisfelkfamig (Diffmsor) isingeläeno Diese isitsohaiifelkränze sind mit 32 Isis 34 bezeichnet» Infclg® des' sbneiiaendem Volmmens ä&a Arbeitemittela werden die Kanelq^erschnitte 17 und 18 Ton Stufe zu Stufe enger,These three stages bind with 11 9 12 and 13 "denotes the associated running wheels with 29 9 3o and 31 and the durometer flow direction of the machine with U» The running wheels 29 »3o and 31 sit together on the machine part® Io a The outer © 2 & wheels . the running wheels 29 »3o and 31 take in. DurchetrSrario ^ tnMg 14 which is marked by deep tricfing © line 27 geke-msz al breathes iet e Each of the running wheels 291 to 31 is fixed from ®i & 9m ©» Lsitsohaisfelkfamig (Diffmsor) isingelypeno These isitsohaiifelkränze are marked with 32 Isis 34 »Infclg® des' sbneiiaendem Volmmens ä & a Arbeitsmittela the Kanelq ^ cuts 17 and 18 tone are narrower step by step,
Die Erfindung ist nur auf Sie Stufen 12S 13 ff angewendet9 Sa0 insbesondere bei ^renzleietungsverSichtexm« die erst· Btui't ohnehin einen guten Wirkungsgrad auf waists Sie· lauf rääer 5os 31 ff weisen jeweils einen sefaaufellosen Diffusorraum 199f8 ff auf. -Die radialen J&lrstreckungen 2os 21 ff der Diffuseren bzw. Diffusorräume 19*28 nehmen in Durchströariohtung '14s. mit fortschreitender Stufenzahl« bis zu einem Grenzwert sii V/eiterhin nehmen in DurohBtrömriohtung 14 die Diffuaorer-Weiterungswinkel 22» 23 ff bis zu einem örenswert von etwa 9p° zu. Das hat zur Polgefl daß die relatives, axialan Verbreiterungen der Leitschaufelkriinze 33 s 34 gegenüber dem Normalfall in Durchatrömriohtung 14 bedeutend vergrößert den kunnenjgemae diesem Ausfiihrungsbeiepiel sind die axialen Breiten 15 des Lauf radaustritt a und des Leitschaufelkranz«^ der Stufe 13 sogar etwa so groß wie die entsprechenden axialen Breiten der ersten Stufe 110. Damit werden die Verlust©The invention is applied only to you stages 12 S 13 ff 9 0 Sa ^ especially in renzleietungsverSichtexm "the only · Btui't anyway good efficiency on waists You · race rääer 5os 31 ff each have a sefaaufellosen diffuser space 19 9 f8 ff on. The radial extensions 2o s 21 ff of the diffusers or diffuser spaces 19 * 28 take 14 s in flow direction. as the number of stages progresses "up to a limit value sii V / furthermore, the diffuser widening angles 22" 23 ff increase in DurohBtrömriohtung 14 up to a worthy of about 9p °. As a Polge fl that the relative, axialan spacers of Leitschaufelkriinze 33 s 34 compared to the normal case in Durchatrömriohtung 14 significantly increases the kunnenjgemae this Ausfiihrungsbeiepiel, the axial width 15 of the impeller outlet A and the vane ring "^ the step 13 even about as large as the corresponding axial widths of the first step 11 0 . This eliminates the loss ©
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durch die Grenzschichtreibung wesentlich herabgesetzt und somit die Stufenwirkungsgrade erheblich -verbessert« Mit dieser Verbesserung der StufenwirkungBgrade wird gleichzeitig der ßesämtwirkungsgrad der Maechine wesentlich angehoben. Gleichzeitig werden die anderen genannten Teilaufgaben gelöst«Significantly reduced by the boundary layer friction and thus the stage efficiencies significantly improved «With This improvement in the step efficiency at the same time significantly increases the overall efficiency of the machine. At the same time the other mentioned subtasks are solved «
An die beschaufelten Leitsohaufelkränze 32 bis 34 schließen sich Übliche Sammelkanäle bzw. -Spiralen 24 bis 26 an„ Es kann sich dabei jeweils um zwei sich jeweils über 18o° erstreckende Spiralen handeln. Daran kann sich ein Zwischenkühler anschließen , aus dem das arbeitsmittel dann der nächsten Stufe zuströmt. Gerade flir mehrstufige !Radialverdichter mit Zwischenkühlung ist die Erfindung von wesentlicher Bedeutung«, Bei solchen Verdichtern werden die Kanalquerschnitte Infolge des wegen der Zwischenkühlung in Strömungsrichtung 14 noch stärker abnehmenden Volumens des Arbeitsmittels noch stärker enger; speziell in den letzten Stufen des Verdichters wird der Grenzschichteinfluß dann sehr stark. Z.B. durch große Diffusorerweiterungewinkel wird dieser Einfluß weitgehend gemindert.Conventional collecting ducts or spirals 24 to 26 adjoin the bladed guide vane rings 32 to 34. “It can be two spirals each extending over 180 °. This can be followed by an intercooler, from which the working fluid then flows to the next stage. The invention is of essential importance especially for multistage radial compressors with intercooling. In such compressors, the duct cross-sections become even more narrower as a result of the working fluid volume, which decreases even more strongly in the direction of flow 14 because of the intercooling; The boundary layer influence then becomes very strong, especially in the last stages of the compressor. This influence is largely reduced by large diffuser expansion angles, for example.
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1963
- 1963-04-16 DE DE19631428170 patent/DE1428170B2/en active Pending
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1964
- 1964-04-16 GB GB1583364A patent/GB992788A/en not_active Expired
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6174131B1 (en) | 1996-12-07 | 2001-01-16 | Ghh Borsig Turbomaschinen Gmbh | Compressor for gases containing hydrogen sulfide |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB992788A (en) | 1965-05-19 |
| DE1428170B2 (en) | 1972-01-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| SH | Request for examination between 03.10.1968 and 22.04.1971 |