DE102014009735B4 - Impeller of a turbomachine - Google Patents

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Abstract

Laufrad (1) einer Strömungsmaschine, das einen Laufschaufelträger (11) mit einer Nabe (124) und zumindest einer Laufschaufel (12) aufweist, die an ihrer Oberfläche eine Mehrzahl Öffnungen (121) zur Grenzschichtbeeinflussung aufweist, wobei die Laufschaufel (12) nicht vollständig hohl ausgeführt ist und sich in der Laufschaufel (12) zu jeder der Öffnungen (121) ein zugeordneter Kanal (122) erstreckt, der mit einer Differenzdruckquelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass- die Kanäle (122) zumindest entlang eines Längenabschnitts parallel zu einer Längsachse der Laufschaufel (12) verlaufen, und- zumindest einige der Kanäle (122) an ihren den Öffnungen (121) abgewandten Enden in einen Sammelkanal (123) münden, der von der Längsachse der Laufschaufel (12) in eine radiale Richtung (r) abknickt und an einer inneren Nabenoberfläche (124') austritt und eine Druckverbindungsöffnung (126) bildet und der mit der Differenzdruckquelle verbindbar ist.Impeller (1) of a turbomachine, which has a rotor blade carrier (11) with a hub (124) and at least one rotor blade (12) which has a plurality of openings (121) on its surface for influencing the boundary layer, the rotor blade (12) not being complete is hollow and an associated channel (122) extends in the rotor blade (12) to each of the openings (121), which channel can be connected to a differential pressure source, characterized in that the channels (122) at least along a length section parallel to a The longitudinal axis of the rotor blade (12) run, and at least some of the channels (122) open at their ends facing away from the openings (121) into a collecting channel (123) which extends from the longitudinal axis of the rotor blade (12) in a radial direction (r) kinks and exits at an inner hub surface (124 ') and forms a pressure connection opening (126) and which can be connected to the differential pressure source.

Description

Die nachfolgende Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Strömungsmaschine.The following invention relates to an impeller for a turbomachine.

Das Laufrad ist das zentrale Bauteil einer Strömungsmaschine, egal ob Arbeitsmaschine oder Kraftmaschine, etwa Pumpe, Turbine, Ventilator usw., wobei dessen Design, insbesondere die Form der Laufschaufeln, den Wirkungsgrad und den optimalen Betriebspunkt bestimmt. Die Laufschaufelgeometrie wird daher unter Zuhilfenahme von numerischen Simulationsmethoden und/oder Strömungsmessungen an den entsprechenden Einsatzzweck angepasst. Soll eine Strömungsmaschine jedoch einen sehr weiten Betriebsbereich abdecken, muss stets ein Kompromiss gefunden werden; eine Optimierung kann nur für eine bestimmte Anströmsituation erfolgen; eine Strömungsmaschine, die für variable Drehzahlen geeignet sein soll, wird daher bei einer anderen Drehzahl als der Auslegungsdrehzahl stets ein strömungsmechanischer Kompromiss sein. Die mit der Anströmgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl zunehmende Turbulenz führt dabei zu einer immer dicker werdenden Grenzschicht, die anfangs noch mit vergleichsweise kleinen lokalen Wirbeln an der Laufschaufel anliegt, sich bei steigender Turbulenz jedoch von der Laufschaufel ablöst.The impeller is the central component of a turbomachine, regardless of whether it is a work machine or a prime mover, such as a pump, turbine, fan, etc., its design, in particular the shape of the blades, determining the efficiency and the optimal operating point. The rotor blade geometry is therefore adapted to the respective application with the aid of numerical simulation methods and / or flow measurements. However, if a turbomachine is to cover a very wide operating range, a compromise must always be found; an optimization can only take place for a certain inflow situation; a fluid flow machine that should be suitable for variable speeds will therefore always be a fluid mechanical compromise at a speed other than the design speed. The turbulence, which increases with the flow velocity or the rotational speed, leads to an increasingly thick boundary layer, which initially lies on the blade with comparatively small local eddies, but separates from the blade as the turbulence increases.

Um dies „hinauszuzögern“ ist bekannt, die turbulente Grenzschicht abzusaugen, um dadurch in einem breiteren Arbeitsbereich ein laminares Anliegen der Strömung an der Oberfläche der Laufschaufel zu ermöglichen. Hierzu werden an der Laufschaufeloberfläche Öffnungen vorgesehen, die mit einem Unterdruckerzeuger verbunden sind. Solche Maßnahmen sind bisher auf Großströmungsmaschinen beschränkt; so wird die Grenzschichtabsaugung etwa in Strahltriebwerken, Gas-/Dampfturbosätzen für Kraftwerksanwendungen und Windturbinen eingesetzt.In order to “delay this”, it is known to suck off the turbulent boundary layer in order to enable a laminar contact of the flow on the surface of the rotor blade in a broader working area. For this purpose, openings are provided on the blade surface, which are connected to a vacuum generator. Such measures have so far been limited to large flow machines; Boundary layer extraction is used, for example, in jet engines, gas / steam turbine sets for power plant applications and wind turbines.

Aus der Offenlegungsschrift DE 14 76 877 A ist eine Strömungsmaschine mit mindestens einer Stufe bekannt, bei der es sich insbesondere um den Niederdruckverdichter eines Gasturbinenstrahltriebwerks handeln kann. Es wird dort beschrieben, dass „Mittel“ zum Absaugen der Grenzschicht von den Laufschaufeln und/oder Leitschaufein vorgesehen sind, bei denen es sich um Bohrungen und/oder Schlitze handelt, die sich von der Laufschaufeloberfläche bis zu einer mit Unterdruck beaufschlagten Kammer im Laufschaufelkörper erstrecken.From the published patent application DE 14 76 877 A a turbo-machine with at least one stage is known, which can in particular be the low-pressure compressor of a gas turbine jet engine. It is described there that “means” are provided for sucking off the boundary layer from the blades and / or guide vanes, which are bores and / or slots that extend from the blade surface to a chamber in the blade body that is subjected to negative pressure .

Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 033 889 A1 offenbart ein „System zur Beeinflussung der Grenzschicht in Strömungsmaschinen“, bei dem vorgesehen ist, die Laufschaufeln hohl auszuführen, wobei die Außenhaut der Laufschaufeln zumindest eine Öffnung, etwa eine Perforation, einen Schlitz oder eine Bohrung, aufweist. Das hohle Innere der Laufschaufel ist dazu vorgesehen, das Strömungsmedium von der Oberfläche der Laufschaufel anzusaugen.The disclosure document DE 10 2010 033 889 A1 discloses a “system for influencing the boundary layer in turbomachines”, in which provision is made to design the rotor blades to be hollow, the outer skin of the rotor blades having at least one opening, for example a perforation, a slot or a bore. The hollow interior of the rotor blade is provided to suck in the flow medium from the surface of the rotor blade.

Darüber hinaus betrifft die Offenlegungsschrift DE 10 2010 032 676 A1 eine Windturbine, bei der an den Flügeln Luft abgesaugt oder ausgeblasen werden kann. Hierzu sind an dem Rotorblatt Öffnungen vorgesehen, die jeweils über eine Verbindungsleitung, die in den hohlen Rotorblättern verläuft, mit einer Unterdruck- oder Überdruckquelle verbunden sind. Die Öffnungen können einzeln, in Gruppen oder in ihrer Gesamtheit durch Ventile angesteuert werden, wobei von einer Ansteuerungsvorrichtung insbesondere Strömungsmessgrößen, die direkt an der Windkraftanlage erfasst werden, eingesetzt werden.In addition, the publication relates to DE 10 2010 032 676 A1 a wind turbine with which air can be sucked off or blown out of the blades. For this purpose, openings are provided on the rotor blade, each of which is connected to a negative or positive pressure source via a connecting line that runs in the hollow rotor blades. The openings can be controlled individually, in groups or in their entirety by valves, with a control device in particular using measured flow variables that are recorded directly on the wind turbine.

GB 2461415 A beschreibt ein Laufrad mit verbesserter Effizienz, dessen Laufschaufel unterschiedlich geformte Passagen aufweisen kann, um den Durchtritt von Fluid von einer Seite der Laufschaufel auf die gegenüber liegende Seite der Laufschaufel zur Verringerung von Sekundärströmungseffekten zu gestatten, wobei sich die meridionale Dimension der Passage durch zumindest 25 % der meridionalen Länge der Laufschaufel erstreckt. GB 2461415 A describes an impeller with improved efficiency, the blade of which can have differently shaped passages to allow the passage of fluid from one side of the blade to the opposite side of the blade to reduce secondary flow effects, the meridional dimension of the passage being at least 25% extends the meridional length of the blade.

US 2010/0098553 A1 offenbart einen Impeller mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite eine Vielzahl an Laufschaufeln aufweist. Der Impeller weist eine Passage zwischen der ersten und der zweiten Seite auf, wobei die Passage zum Durchfördern von Fluid vorgesehen ist, um den Impulsstrom auf der ersten Seite des Impellers zu ändern. Die Passage kann unterschiedliche Längen und Querschnitte sowie Biegungen oder Umkehrungen aufweisen, wenn diese erforderlich sind, um das Arbeitsfluid von der ersten Seite zur zweiten Seite zu befördern. US 2010/0098553 A1 discloses an impeller having first and second sides, the first side having a plurality of blades. The impeller has a passage between the first and the second side, the passage being provided for conveying fluid through in order to change the pulse flow on the first side of the impeller. The passage can have different lengths and cross-sections as well as bends or reversals, if these are necessary in order to convey the working fluid from the first side to the second side.

Aus DE 1 301 432 A ist eine Anordnung zur Vergrößerung des stabilen Arbeitsbereichs von Axialverdichtern, Gebläsen, Ventilatoren und Pumpen mittels Grenzschichtbeseitigung über in den Laufschaufeln vorgesehenen Kanälen und mit diesen verbundenen Öffnungen in den Laufschaufelwandungen bekannt. Die die Kanäle bildenden Bohrungen verlaufen von den Laufschaufelenden aus in radialer Richtung und sind am anderen Ende jeweils über senkrecht zu den Kanälen angeordnete Anbohrungen mit der Saugseite oder der Druckseite der Laufschaufeln verbunden. Dabei können die einzelnen Anbohrungen in verschiedenen radialen Entfernungen von der Laufradachse des Verdichters angeordnet sein, wobei die zugehörigen radialen Bohrungen jeweils entsprechend tief gebohrt sind.Out DE 1 301 432 A an arrangement for increasing the stable working area of axial compressors, blowers, fans and pumps by means of boundary layer removal via channels provided in the rotor blades and openings connected to them in the rotor blade walls is known. The bores forming the channels run from the rotor blade ends in the radial direction and are connected at the other end to the suction side or the pressure side of the rotor blades via tapping holes arranged perpendicular to the channels. The individual tapped holes can be arranged at different radial distances from the impeller axis of the compressor, the associated radial holes each being drilled correspondingly deep.

Als Verfahren zur Herstellung räumlicher Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Material wird ferner das selektive Lasersintern in der freien, online zugänglichen Enzyklopädie Wikipedia mit Datum vom 16.06.2014 beschrieben.As a process for the production of spatial structures by sintering from a powdery Material is also described the selective laser sintering in the free, online accessible encyclopedia Wikipedia with the date of June 16, 2014.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Laufrad für eine Strömungsmaschine zu schaffen, das eine Laufschaufel mit einer effizienzoptimierten Grenzschichtbeeinflussung aufweist, mit dem höhere Wirkungsgrade erreichbar sind und das ein verbessertes Ansprechverhalten im dynamischen Betrieb hat.Based on this prior art, the present invention is based on the object of creating an impeller for a turbomachine that has a rotor blade with an efficiency-optimized boundary layer influence, with which higher efficiencies can be achieved and which has an improved response behavior in dynamic operation.

Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad für eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an impeller for a turbomachine with the features of claim 1.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.Preferred embodiments of the devices are described by the subclaims.

Das erfindungsgemäße Laufrad einer Strömungsmaschine weist eine Nabe und einen Laufschaufelträger mit einer oder mehreren Laufschaufeln auf, etwa drei oder mehr. Die Laufschaufel weist in einer ersten Ausführungsform an ihrer Oberfläche eine Mehrzahl Öffnungen zur Grenzschichtbeeinflussung auf. Die Laufschaufel ist hierbei nicht vollständig hohl ausgeführt und in der Laufschaufel erstreckt sich zu jeder der Öffnungen ein zugeordneter Kanal, der zumindest entlang eines Längenabschnitts parallel zu einer Längsachse der Laufschaufel verläuft. Die Kanäle können jeweils mit einer Differenzdruckquelle verbunden werden.The impeller according to the invention of a turbomachine has a hub and a rotor blade carrier with one or more rotor blades, for example three or more. In a first embodiment, the rotor blade has a plurality of openings for influencing the boundary layer on its surface. In this case, the rotor blade is not designed to be completely hollow and an associated channel extends in the rotor blade to each of the openings, which channel runs at least along a length section parallel to a longitudinal axis of the rotor blade. The channels can each be connected to a differential pressure source.

Mit „Differenzdruckquelle“ ist eine Vorrichtung gemeint, die eine Druckdifferenz zwischen der dem Kanal zugeordneten Öffnung und einem anderen Ort an der Strömungsmaschine herstellen kann. So kann es sich entweder um eine Unterdruckquelle oder um eine Überdruckquelle handeln; ein Hilfsaggregat wie eine Pumpe oder ein Kompressor kann den Differenzdruck erzeugen. Erfindungsgemäß kann also die „Grenzschichtbeeinflussung“ Grenzschichtabsaugung oder Grenzschichtausblasung sein.“Differential pressure source” means a device that can produce a pressure difference between the opening assigned to the channel and another location on the turbomachine. So it can be either a negative pressure source or a positive pressure source; an auxiliary unit such as a pump or a compressor can generate the differential pressure. According to the invention, the “boundary layer influencing” can be boundary layer suction or boundary layer blowing.

Strömungsmaschinen im Sinne der Erfindung sind alle Kraft und/oder Arbeitsmaschinen bzw. kombinierte Maschinen, beispielsweise Turbolader. Die Laufschaufel kann in der mitbewegten Beschaufelung des Laufrads und in der ortsfesten Beschaufelung der Leiteinrichtung eingesetzt werden.Fluid flow machines in the context of the invention are all power and / or work machines or combined machines, for example turbochargers. The rotor blade can be used in the moving blades of the impeller and in the stationary blades of the guide device.

Eine „Öffnung“ im Sinne der Erfindung ist ein Durchbruch der Oberfläche der Laufschaufel, um eine fluidische Verbindung zu dem Kanal herzustellen; die Öffnung kann hierbei beispielsweise eine runde oder längliche Form haben. Eine Öffnung kann aber auch aus mehreren Teilöffnungen bestehen, so beispielsweise aus zwei bis vier Teilöffnungen; so dass ermöglicht wird, dass diese Teilöffnungen über einen gemeinsamen Kanal mit dem Differenzdruck beaufschlagt werden. „Nicht vollständig hohl“ meint hier, dass die Laufschaufel keine innere zusammenhängende Kammer hat und keinen internen Unterdruckspeicher vorsieht. Gerade durch den Verzicht auf eine solche Kammer wird eine besonders lange Lebensdauer der Laufschaufel erreicht; so führt eine Erosion der Oberfläche, beispielsweise aufgrund von Kavitation und/oder Korrosion nicht sofort zu Lochfraß, der einen Durchbruch zur Kammer bewirken kann, sondern lediglich einen Abtrag der Laufschaufeldicke erreicht; der - wie bekannt - noch durch gängige Materialauftragsverfahren ausgeglichen werden kann.An “opening” in the sense of the invention is a breakthrough in the surface of the rotor blade in order to establish a fluidic connection to the channel; the opening can have a round or elongated shape, for example. An opening can also consist of several partial openings, for example two to four partial openings; so that it is made possible that these partial openings are acted upon by the differential pressure via a common channel. “Not completely hollow” here means that the rotor blade does not have an internal, connected chamber and does not provide an internal vacuum reservoir. By dispensing with such a chamber, a particularly long service life of the rotor blade is achieved; erosion of the surface, for example due to cavitation and / or corrosion, does not immediately lead to pitting, which can cause a breakthrough to the chamber, but merely removes the blade thickness; which - as is known - can still be compensated for by common material application processes.

Dadurch, dass pro Öffnung jeweils ein eigener Kanal vorgesehen wird, lässt sich die Absaugrate bzw. Ausblasrate pro Öffnung sehr gut steuern; insbesondere ist die Durchsatzrate einer jeweiligen Öffnung unabhängig von den Durchsatzraten der anderen Öffnungen, was beispielsweise bei einer bekannten Ausführungsform mit innerer Kammer nicht der Fall ist.Because a separate channel is provided for each opening, the suction rate or blowout rate per opening can be controlled very well; in particular, the throughput rate of a respective opening is independent of the throughput rates of the other openings, which is not the case, for example, in a known embodiment with an inner chamber.

Erfindungsgemäß münden zumindest einige der Kanäle an ihren den Öffnungen abgewandten Enden in einem Sammelkanal, der mit der Differenzdruckquelle verbindbar ist, sodass die Kanäle quasi nur „indirekt“ mit der Differenzdruckquelle verbunden sind. D. h., es kann auch vorgesehen sein, dass nicht alle Kanäle in den Sammelkanal zusammengeführt werden, sondern nur einige wenige. Der Sammelkanal wird dabei zweckmäßiger Weise eine etwas größere Querschnittsfläche haben als die Kanäle. Zur Festlegung der Volumenstromverhältnisse durch die einzelnen Kanäle bzw. zum hydraulischen Abgleich können hierbei auch Drosselorgane an dem Übergang vom Sammelkanal in die jeweiligen Kanäle vorgesehen werden; der Übergangsbereich kann insbesondere durch eine sanfte Verrundung strömungsgünstig gestaltet werden.According to the invention, at least some of the channels open at their ends facing away from the openings in a collecting channel which can be connected to the differential pressure source, so that the channels are more or less only “indirectly” connected to the differential pressure source. That is, it can also be provided that not all channels are brought together in the collecting channel, but only a few. The collecting channel will expediently have a somewhat larger cross-sectional area than the channels. In order to determine the volume flow ratios through the individual channels or for hydraulic balancing, throttling devices can also be provided at the transition from the collecting channel to the respective channels; the transition area can be designed in a flow-favorable manner in particular by means of a gentle rounding.

Entsprechend knicken einer oder mehrere der Kanäle und der Sammelkanal von der Längsachse der Laufschaufel in eine radiale Richtung ab, sodass sie an einer inneren Nabenoberfläche austreten und eine Druckverbindungsöffnung bilden.Correspondingly, one or more of the channels and the collecting channel bend from the longitudinal axis of the rotor blade in a radial direction, so that they exit at an inner hub surface and form a pressure connection opening.

Die Nabe ist dazu vorgesehen, mit einer Antriebs- oder Abtriebswelle drehfest verbunden zu werden; je nachdem ob es sich bei der Strömungsmaschine um eine Arbeits- oder um eine Kraftmaschine handelt. Die Antriebs- oder Abtriebswelle kann dabei einen umfänglichen Schlitz oder mit der Form der jeweiligen Druckverbindungsöffnung korrespondierende Auslässe haben, die über einen inneren Kanal in dem Wellenkörper mit der Differenzdruckquelle verbunden werden kann. Die vorgenannte Anordnung ist jedoch nur als Ausführungsbeispiel zu verstehen; es sind andere Arten der Verbindung der Differenzdruckquelle mit den Druckverbindungsöffnungen möglich.The hub is intended to be connected non-rotatably to a drive or output shaft; depending on whether the turbo machine is a work machine or a prime mover. The drive or output shaft can have a circumferential slot or outlets corresponding to the shape of the respective pressure connection opening, which can be connected to the differential pressure source via an inner channel in the shaft body. The aforementioned However, the arrangement is only to be understood as an exemplary embodiment; other types of connection between the differential pressure source and the pressure connection openings are possible.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Laufschaufel im inneren Hohlräume hat, die auch miteinander verbunden sein können, wenn etwa die Laufschaufel alternativ zur Ausführung als massives Bauteil einige hohle Teilbereiche hat, die durch eine innere Versteifungsstruktur wie etwa eine Skelettstruktur abgestützt werden, so dass eine Gewichtsreduktion erreicht wird. Eine Versteifungsstruktur kann beliebige Rippungen, Verstrebungen etc. umfassen, wobei bevorzugt die genaue Ausgestaltung der Versteifungsstruktur durch eine belastungsabhängige Strukturoptimierung bestimmt werden kann. Hierdurch kann eine sehr leichtgewichtige und dennoch im Hinblick auf die zu erwartenden Belastungen hochwiderstandsfähige Laufschaufel erhalten werden. Die reduzierte Masse hat unter anderem einen Vorteil beim dynamischen Betrieb der Strömungsmaschine; insbesondere, wenn die erfindungsgemäße Laufschaufel in der Laufbeschaufelung der Turbine und/oder des Kompressors eines Turboladers eingesetzt wird, der im Betrieb häufige Drehzahländerungen erfährt.Furthermore, it can be provided that the rotor blade has internal cavities which can also be connected to one another, for example if, as an alternative to being designed as a solid component, the rotor blade has some hollow partial areas that are supported by an internal stiffening structure such as a skeleton structure, so that a Weight reduction is achieved. A stiffening structure can include any ribs, struts, etc., wherein the precise design of the stiffening structure can preferably be determined by a load-dependent structure optimization. In this way, a very lightweight and yet highly resistant rotor blade with regard to the loads to be expected can be obtained. The reduced mass has, among other things, an advantage in dynamic operation of the turbomachine; in particular if the rotor blade according to the invention is used in the rotor blades of the turbine and / or of the compressor of a turbocharger which experiences frequent changes in speed during operation.

Die Laufschaufel kann in einer noch weiteren Ausführungsform gekrümmt sein, bevorzugt zumindest zweiachsig gekrümmt; die Krümmungsform und Laufschaufelgeometrie ergibt sich als Ergebnis einer strömungsmechanischen Optimierung; eine solche durchzuführen ist der Fachmann gewohnt. Die Längsachse der Laufschaufel verläuft in diesem Fall entlang der zweiachsigen Krümmung, wobei auch die Kanäle der Krümmung folgen. Solche Kanäle sind über konventionelle Bohrtechnik bzw. Gusstechnik nicht mehr herstellbar; jedoch durch ein generatives Herstellverfahren.In yet another embodiment, the rotor blade can be curved, preferably curved at least biaxially; the shape of the curvature and the blade geometry are the result of a fluid mechanical optimization; A person skilled in the art is used to doing this. In this case, the longitudinal axis of the rotor blade runs along the biaxial curvature, the channels also following the curvature. Such channels can no longer be produced using conventional drilling technology or casting technology; however, through a generative manufacturing process.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Öffnungen in einer Höhenrichtung und/oder einer Radialrichtung nach einem vorbestimmten Muster verteilt angeordnet sein und bevorzugt in voneinander beabstandeten Reihen vorliegen. Bei einem Diagonallaufrad kann beispielsweise ein „Stapeln“ der Öffnungen in Höhenrichtung übereinander vorgesehen werden, so dass die Reihen parallel zur Welle liegen, während die einzelnen Reihen in Radialrichtung beabstandet angeordnet werden. Bei der Auswahl des Abstands ist insbesondere auf die „Reichweite“ der Öffnungen abzustellen; bei großen Laufrädern kann über eine Öffnung natürlich nicht die ganze Grenzschicht abgesaugt/ausgeblasen werden, sondern nur in einem bestimmten Umkreis um die Öffnung.According to a further embodiment, the openings can be arranged distributed in a height direction and / or a radial direction according to a predetermined pattern and are preferably present in rows spaced apart from one another. In the case of a diagonal impeller, for example, the openings can be “stacked” one on top of the other in the vertical direction, so that the rows are parallel to the shaft, while the individual rows are arranged spaced apart in the radial direction. When selecting the distance, the "range" of the openings must be taken into account in particular; In the case of large impellers, of course, the entire boundary layer cannot be sucked off / blown out through an opening, but only in a certain area around the opening.

Alternativ oder zusätzlich kann/können der/die Kanäle oder der Sammelkanal einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Über einen nicht kreisförmigen Querschnitt, der beispielsweise flach sein kann, z. B. elliptisch, kann anhand der Ausrichtung der langen Achse eine im Vergleich zum runden Kanal vorteilhafte Beeinflussung der Steifigkeit der Laufschaufel vorgenommen werden. Zudem ist es möglich, einen vergleichsweise großen Kanalquerschnitt bei kleiner Höhe zu realisieren, was den Bau extrem dünner Laufschaufeln mit integrierten Kanälen ermöglicht.Alternatively or additionally, the channel (s) or the collecting channel can have a non-circular cross section. Over a non-circular cross-section, which may for example be flat, e.g. B. elliptical, the alignment of the long axis can be used to influence the rigidity of the rotor blade, which is advantageous compared to the round channel. In addition, it is possible to achieve a comparatively large channel cross-section with a small height, which enables extremely thin rotor blades with integrated channels to be built.

Bei dem Laufrad kann es sich um ein Radial-, Axial- oder Hybridlaufrad handeln, das alternativ oder zusätzlich für eine Kleinströmungsmaschine vorgesehen sein kann. Als Laufrad für eine Kleinströmungsmaschine werden hierbei Laufräder bezeichnet, die einen Laufraddurchmesser in einen Bereich von 3 mm bis 300 mm haben. Insbesondere kann das Laufrad ein Impeller sein, der für eine Strömungsmaschine vorgesehen ist, bei der das Laufrad von einem ring- oder röhrenförmigen Gehäuse umgeben ist.The impeller can be a radial, axial or hybrid impeller, which can be provided as an alternative or in addition to a small flow machine. As an impeller for a small flow machine, impellers are referred to here which have an impeller diameter in a range from 3 mm to 300 mm. In particular, the impeller can be an impeller which is provided for a turbomachine in which the impeller is surrounded by an annular or tubular housing.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau und die Herstellung durch das nicht erfindungsgemäße Herstellverfahren, das unten stehend beschrieben wird, ist es erstmals möglich, auch kleine Strömungsmaschinen für den Privatanwender, etwa die Wasserpumpe im Auto, Turbolader für PKWs, das Hauswasserwerk oder die Sumpfpumpe mit einer Grenzschichtbeeinflussung auszustatten, was bisher großen Strömungsmaschinen im Industriesektor vorbehalten war.Due to the structure according to the invention and the production by the production method not according to the invention, which is described below, it is possible for the first time to equip small flow machines for private users, such as the water pump in the car, turbocharger for cars, the domestic waterworks or the sump pump with a boundary layer influence which was previously reserved for large flow machines in the industrial sector.

Schließlich kann der Laufschaufelträger einteilig mit der zumindest einen Laufschaufel ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann er aus einem Metall, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Prinzipiell ist aber der Einsatz jedes schweißbaren Metalls bzw. Metalllegierung möglich.Finally, the rotor blade carrier can be designed in one piece with the at least one rotor blade. Alternatively or additionally, it can consist of a metal, preferably aluminum or an aluminum alloy. In principle, however, any weldable metal or metal alloy can be used.

Der Laufschaufelträger ist als ein integrales Bauteil zusammen mit der/den Laufschaufeln vorgesehen, wodurch er ohne großen Montageaufwand hergestellt werden kann und seine Idealgeometrie nicht durch Schweißverbindungen und/oder sonstige Verbindungseinrichtungen mit den Laufschaufeln negativ beeinflusst wird.The rotor blade carrier is provided as an integral component together with the rotor blade (s), which means that it can be manufactured without great assembly effort and its ideal geometry is not adversely affected by welded connections and / or other connecting devices with the rotor blades.

Das Herstellverfahren (nicht erfindungsgemäß) für die erfindungsgemäße Laufschaufel umfasst zumindest die folgenden Schritte:

  1. a) in die generative Fertigungsvorrichtung Laden eines 3D-Volumen-Datensatzes, der die Laufschaufel beschreibt,
  2. b) Bereitstellen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials,
  3. c) schrittweise Herstellen eines Materialzusammenhalts des pulverförmigen Ausgangsmaterials, dabei schrittweise Herstellen der Laufschaufel, an deren Oberfläche die Mehrzahl Öffnungen vorliegt, wobei sich in der Laufschaufel zu jeder der Öffnungen ein zugeordneter Kanal erstreckt, der zumindest entlang eines Längenabschnitts parallel zu einer Längsachse der Laufschaufel verläuft.
The manufacturing method (not according to the invention) for the rotor blade according to the invention comprises at least the following steps:
  1. a) loading a 3D volume data set that describes the rotor blade into the additive manufacturing device,
  2. b) providing a powdery starting material,
  3. c) step-by-step production of a material cohesion of the powdered starting material, thereby step-by-step production of the A rotor blade, on the surface of which the plurality of openings are present, an associated channel extending in the rotor blade for each of the openings, which channel runs at least along a length section parallel to a longitudinal axis of the rotor blade.

Über generative Fertigungsverfahren, die in Abgrenzung zu den trennenden oder urformenden Fertigungsverfahren auch additive Fertigungsverfahren genannt werden, können selbst komplexeste Geometrien mit Hinterschnitten, verborgenen Innenteilen o. ä. hergestellt werden, die mittels Gießen und/oder spanender Bearbeitung nicht fertigbar wären.Using generative manufacturing processes, which are also called additive manufacturing processes to distinguish them from the separating or primary forming processes, even the most complex geometries with undercuts, hidden inner parts or the like can be produced that could not be produced by casting and / or machining.

Ein solches mit konventioneller Fertigungstechnik nur unter erhöhtem Aufwand oder gar nicht fertigbares Bauteil ist auch das erfindungsgemäße Laufrad: Eine Mehrzahl von Kanälen in einer ansonsten massiven Laufschaufel aus einem Vollmaterial herzustellen wäre mit herkömmlicher Bohrtechnik in den Durchmesserbereichen nicht herstellbar, da Laufschaufeln, im besonderen Laufschaufeln, in der Regel eine strömungsgünstige Formgebung im Sinne einer mehrachsigen Krümmung haben. Gerade bei Laufrädern für kleine Strömungsmaschinen mit Laufraddurchmessern unter 100 mm und Laufschaufeldicken unter 2 mm ist es nahezu unmöglich einen solchen Kanal zu bohren. Auch die zu bohrenden Längen, von der Öffnung an der Laufschaufeloberfläche zur Nabenfläche, übersteigen wirtschaftlich erreichbare Durchmesser/Längen-Verhältnisse bei weitem. Durch das Fertigungsverfahren (nicht erfindungsgemäß) kann nicht nur eine einzelne Laufschaufel erhalten werden, sondern das erfindungsgemäße Laufrad in einem Fertigungsschritt.Such a component that can only be manufactured with increased effort or not at all with conventional manufacturing technology is also the impeller according to the invention: It would not be possible to produce a plurality of channels in an otherwise solid rotor blade from a solid material with conventional drilling technology in the diameter ranges, since rotor blades, in particular rotor blades, usually have a streamlined shape in the sense of a multiaxial curvature. Particularly in the case of impellers for small flow machines with impeller diameters of less than 100 mm and blade thicknesses of less than 2 mm, it is almost impossible to drill such a channel. The lengths to be drilled, from the opening on the blade surface to the hub surface, by far exceed economically achievable diameter / length ratios. The manufacturing method (not according to the invention) enables not only a single rotor blade to be obtained, but the rotor according to the invention in one manufacturing step.

Unter Verwendung einer generativen Fertigungstechnik können beliebig viele Kanäle mit nahezu beliebig vielen Öffnungen ohne Zusatzkosten hergestellt werden; hierbei ist es sogar möglich, die innere Kanalverzweigung bzw. den Übergang zum Sammelkanal strömungsmechanisch optimal zu gestalten; insbesondere können Totwassergebiete vermieden werden. Auch die Kanallänge ist nicht mehr begrenzt; so können beliebige Durchmesser/Längen-Verhältnisse erreicht werden, die selbst bei Einsatz extrem teurer Tiefbohrtechnik kaum, und aufgrund der Krümmung gar nicht zu erreichen wären.Using a generative manufacturing technique, any number of channels with almost any number of openings can be produced without additional costs; in this case it is even possible to design the inner channel branching or the transition to the collecting channel to be optimal in terms of flow mechanics; in particular, dead water areas can be avoided. The channel length is also no longer limited; in this way, any diameter / length ratios can be achieved which, even with the use of extremely expensive deep drilling technology, would hardly be achievable and, due to the curvature, not at all.

Es ist sogar denkbar, einen nicht runden Kanalquerschnitt zu realisieren, etwa quadratisch oder flach quaderförmig; dadurch kann eine vergleichsweise große durchströmte Querschnittsfläche auch in extrem dünnen Laufschaufeln erreicht werden.It is even conceivable to realize a non-round channel cross-section, for example square or flat cuboid; as a result, a comparatively large cross-sectional area through which the flow passes can be achieved even in extremely thin rotor blades.

Mit „3D-Volumendatensatz“ ist hierein ein CAD-Volumenmodell der Laufschaufel gemeint, das nicht nur die Hüllflächen beschreibt, sondern quasi als „Volumenpixel“ (Voxel) das Volumen. Die Volumendaten können auch erst in der generativen Fertigungsvorrichtung erzeugt werden, wobei die 3D-Daten etwa als Flächenmodell im STL-Format zur Verfügung gestellt werden und vollständig umschlossene Flächenzüge von der generativen Fertigungsvorrichtung als Volumen interpretiert werden. Um einen Volumenkörper zu erhalten wird zunächst in einer Ebene der Materialzusammenhalt vorgegebener Punkte hergestellt und dann Ebene für Ebene fortgefahren.A “3D volume data set” here means a CAD volume model of the rotor blade that not only describes the envelope surfaces, but also the volume as a “volume pixel” (voxel). The volume data can also only be generated in the generative manufacturing device, the 3D data being made available, for example, as a surface model in STL format and completely enclosed surface structures being interpreted as volumes by the generative manufacturing device. In order to obtain a solid body, the material cohesion of given points is first established in a plane and then continued plane by plane.

Hierdurch kann das Bauteil quasi in einem Schritt, mit geringem Nacharbeitsaufwand oder sogar nacharbeitsfrei und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.As a result, the component can be manufactured in one step, as it were, with little reworking effort or even without reworking and with a high degree of accuracy.

Zum Herstellen des Materialzusammenhalts kann das pulverförmige Ausgangsmaterial aufgeschmolzen werden oder aber der Materialzusammenhalt wird durch Sintern erzeugt, wobei kein Aufschmelzen stattfindet.To produce the material cohesion, the powdery starting material can be melted, or the material cohesion is produced by sintering, with no melting taking place.

Bei dem pulverförmigen Ausgangsmaterial kann es sich insbesondere um ein Metallpulver handeln. Die generative Fertigungsvorrichtung kann eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen, selektiven Lasersintern oder Laseraustragsschweißen sein. Die genannten Fertigungsvorrichtungen sind jedoch nur Beispiele; das Herstellverfahren (nicht erfindungsgemäß) kann auch unter Verwendung anderer generativer Fertigungsvorrichtungen durchgeführt werden, die beispielsweise Elektronenstrahlen oder andere hochenergetische Strahlung als Energiequelle verwenden.The powdery starting material can in particular be a metal powder. The generative manufacturing device can be a device for selective laser melting, selective laser sintering or laser discharge welding. However, the manufacturing devices mentioned are only examples; the manufacturing process (not according to the invention) can also be carried out using other generative manufacturing devices which, for example, use electron beams or other high-energy radiation as an energy source.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.These and other advantages are illustrated by the following description with reference to the accompanying figure. The reference to the figure in the description serves to support the description and facilitate understanding of the object. The figure is only a schematic representation of an embodiment of the invention.

Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laufrads.The single figure shows a perspective view of an impeller according to the invention.

Bei dem in der Figur gezeigten Laufrad 1 handelt es sich um ein Diagonallaufrad, wobei über einen Umfang des Laufschaufelträgers 11 Laufschaufeln 12 in gleichmäßigen Winkelabständen verteilt vorliegen. Die Laufschaufeln 12 sind einteilig mit dem Laufschaufelträger 11 ausgebildet und sind innen massiv, oder jedenfalls nicht vollständig hohl ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass Verschleiß, der beispielsweise bei Pumpen/Propellern aufgrund von Kavitation auftritt, anders als bei bekannten Laufschaufeln mit Grenzschichtabsaugung nicht zum Lochfraß der „Hülle“ führt, sondern repariert werden kann, etwa durch Auftragsschweißen.With the impeller shown in the figure 1 it is a diagonal impeller, with one circumference of the blade carrier 11 Blades 12th are distributed at even angular intervals. The blades 12th are integral with the blade carrier 11 and are solid inside, or at least not completely hollow. This has the advantage that wear, which occurs, for example, in pumps / propellers due to cavitation, unlike known rotor blades with boundary layer suction, does not lead to pitting of the "shell", but can be repaired, for example by build-up welding.

Die Laufschaufeln 12 haben jeweils eine zweiachsige Krümmung, wobei die eine Krümmungsachse K1 eine Tangente an die Oberfläche des Laufschaufelträgers 11 ist und die andere Krümmungsachse K2 eine Normale des Laufschaufelträgers 11. An der Laufschaufel 12 liegen mehrere in Reihen 121' zusammengefasste Öffnungen 121 vor, die jeweils über Kanäle 122, die im Laufschaufelinneren vorliegen, zur Grenzschichtabsaugung mit einer Unterdruckquelle verbunden werden können. Die Reihen 121' sind hierbei parallel zur Längsachse der Nabe 124 angeordnet, wobei benachbarte Reihen 121' in Radialrichtung r angrenzen. Die Kanäle 122 verlaufen entlang der gekrümmten Längsachse der jeweiligen Laufschaufel 12 und vereinen sich in einem der Drehachse D nahen Abschnitt der Laufschaufel 12 in einem Sammelkanal 123, der nach radial innen in die Nabe 124 geführt ist, wo die fluidische und druckdichte Anbindung an die Unterdruckquelle erfolgt. Hierzu tritt der Sammelkanal 123 aus der Nabenoberfläche 124', die eine innere Mantelfläche ist, aus und bildet eine Druckanbindungsöffnung 126. Die Unterdruckquelle kann eine Pumpe sein; es kann jedoch auch einfach ein anderer Ort innerhalb der Strömungsmaschine, an dem ein niedrigerer statischer Druck herrscht, „angezapft“ werden. Die Druckanbindungsöffnung 126 kann insbesondere in druckdichten Kontakt mit einem Schlitz oder einer formkorrespondierenden Öffnung der Antriebs- bzw. Abtriebswelle gebracht werden, die wiederum zu der Unterdruckquelle führt/führen. Die Antriebswelle wird in Richtung h in die Nabe 124 eingeführt und kann bspw. über eine Presspassung mit dem Laufrad 1 verbunden werden.The blades 12th each have a biaxial curvature, one axis of curvature K1 a tangent to the surface of the blade carrier 11 is and the other axis of curvature K2 a normal of the blade carrier 11 . On the blade 12th there are several in rows 121 ' combined openings 121 before, each via channels 122 , which are present in the interior of the rotor blade, can be connected to a vacuum source for boundary layer suction. The rows 121 ' are here parallel to the longitudinal axis of the hub 124 arranged, with adjacent rows 121 ' adjoin in radial direction r. The channels 122 run along the curved longitudinal axis of the respective rotor blade 12th and unite in a section of the rotor blade that is close to the axis of rotation D. 12th in a collecting channel 123 that goes radially inward into the hub 124 is performed, where the fluidic and pressure-tight connection to the vacuum source takes place. The collecting duct is used for this purpose 123 from the hub surface 124 ' , which is an inner lateral surface, and forms a pressure connection opening 126 . The vacuum source can be a pump; However, it is also possible to simply “tap” another location within the turbomachine at which there is a lower static pressure. The pressure connection opening 126 can in particular be brought into pressure-tight contact with a slot or a shape-corresponding opening of the drive or output shaft, which in turn leads to the vacuum source. The drive shaft is in direction h in the hub 124 introduced and can, for example, via a press fit with the impeller 1 get connected.

Mit herkömmlicher Fertigungstechnik lässt sich das erfindungsgemäße Laufrad 1 nicht herstellen; Bohr-, auch Tiefbohrverfahren, sind wegen der starken Krümmung und der Umlenkung der Kanäle nicht einsetzbar; Gussverfahren sind nicht einsetzbar, so das das Entkernen der langen und mitunter kapillarartigen Kanäle 122 unmöglich ist. Daher wird vorgeschlagen, das erfindungsgemäße Laufrad 1 mit generativer Fertigungstechnik herzustellen; damit sind auch die gezeigten Kanalgeometrien problemlos und kostengünstig herstellbar. Ferner wird hierdurch die Herstellung mit vergleichsweise wenig Nacharbeit oder sogar quasi nacharbeitsfrei ermöglicht, was die Kosten der Herstellung senkt und das Laufrad 1 dadurch auch für Kleinströmungsmaschinen im Massenmarkt wirtschaftlich interessant macht. Effizienzsteigerungen, die zu einem geringeren Primärenergieeinsatz zum Betrieb der Strömungsmaschinen nötig sind, sind die vorteilhafte Folge.The impeller according to the invention can be 1 not manufacture; Drilling, including deep drilling, cannot be used because of the pronounced curvature and deflection of the channels; Casting processes cannot be used, so the coring of the long and sometimes capillary-like channels 122 is impossible. It is therefore proposed that the impeller according to the invention 1 to manufacture with generative manufacturing technology; this means that the channel geometries shown can also be produced without problems and at low cost. Furthermore, this enables production with comparatively little reworking or even virtually without reworking, which lowers the costs of production and the impeller 1 thereby also making it economically interesting for small flow machines in the mass market. Increases in efficiency, which are necessary in order to use less primary energy to operate the turbomachines, are the advantageous consequence.

Claims (9)

Laufrad (1) einer Strömungsmaschine, das einen Laufschaufelträger (11) mit einer Nabe (124) und zumindest einer Laufschaufel (12) aufweist, die an ihrer Oberfläche eine Mehrzahl Öffnungen (121) zur Grenzschichtbeeinflussung aufweist, wobei die Laufschaufel (12) nicht vollständig hohl ausgeführt ist und sich in der Laufschaufel (12) zu jeder der Öffnungen (121) ein zugeordneter Kanal (122) erstreckt, der mit einer Differenzdruckquelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kanäle (122) zumindest entlang eines Längenabschnitts parallel zu einer Längsachse der Laufschaufel (12) verlaufen, und - zumindest einige der Kanäle (122) an ihren den Öffnungen (121) abgewandten Enden in einen Sammelkanal (123) münden, der von der Längsachse der Laufschaufel (12) in eine radiale Richtung (r) abknickt und an einer inneren Nabenoberfläche (124') austritt und eine Druckverbindungsöffnung (126) bildet und der mit der Differenzdruckquelle verbindbar ist.Impeller (1) of a turbomachine, which has a rotor blade carrier (11) with a hub (124) and at least one rotor blade (12) which has a plurality of openings (121) on its surface for influencing the boundary layer, the rotor blade (12) not being complete is hollow and an associated channel (122) which can be connected to a differential pressure source extends in the rotor blade (12) to each of the openings (121), characterized in that the channels (122) at least along a length section parallel to a The longitudinal axis of the rotor blade (12) run, and - at least some of the channels (122) open at their ends facing away from the openings (121) into a collecting channel (123) which extends from the longitudinal axis of the rotor blade (12) in a radial direction (r) kinks and exits at an inner hub surface (124 ') and forms a pressure connection opening (126) and which can be connected to the differential pressure source. Laufrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (12) gekrümmt ist.Impeller (1) Claim 1 , characterized in that the blade (12) is curved. Laufrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (12) - massiv ausgeführt ist oder - eine innere Versteifungsstruktur aufweist.Impeller (1) Claim 1 or 2 , characterized in that the rotor blade (12) - is solid or - has an inner stiffening structure. Laufrad (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Kanäle (122) von der Längsachse der Laufschaufel (12) in eine radiale Richtung (r) abknickt, an der Nabenoberfläche (124') austritt und dort eine Druckverbindungsöffnung (126) bildet.Impeller (1) according to at least one of the Claims 1 to 3 , characterized in that at least one of the channels (122) bends from the longitudinal axis of the rotor blade (12) in a radial direction (r), emerges at the hub surface (124 ') and there forms a pressure connection opening (126). Laufrad (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (121) in einer Höhenrichtung (h) und/oder einer Radialrichtung (r) nach einem vorbestimmten Muster verteilt sind.Impeller (1) according to at least one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the openings (121) are distributed in a height direction (h) and / or a radial direction (r) according to a predetermined pattern. Laufrad (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (121) in voneinander beabstandeten Reihen (121') vorliegen.Impeller (1) Claim 5 , characterized in that the openings (121) are in spaced apart rows (121 '). Laufrad (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Kanäle (122) und/oder der Sammelkanal (123) einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweist/aufweisen.Impeller (1) according to at least one of the Claims 1 to 6th , characterized in that at least one of the channels (122) and / or the collecting channel (123) has / have a non-circular cross-section. Laufrad (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) - ein Radial-, Axial oder Hybridlaufrad ist, - ein Laufrad (1) einer Kleinströmungsmaschine ist.Impeller (1) according to at least one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the impeller (1) - is a radial, axial or hybrid impeller, - is an impeller (1) of a small flow machine. Laufrad (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufschaufelträger (11) - einteilig mit der zumindest einen daran vorliegenden Laufschaufel (12) ausgebildet ist und/oder - aus einem Metall besteht.Impeller (1) according to at least one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the rotor blade carrier (11) - is formed in one piece with the at least one rotor blade (12) present thereon and / or - consists of a metal.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016203785A1 (en) * 2016-03-08 2017-09-14 MTU Aero Engines AG Method for producing a blade for a turbomachine
FR3058190B1 (en) * 2016-10-27 2021-01-29 Airbus Safran Launchers Sas IMPELLER FOR CENTRIFUGAL PUMP, CENTRIFUGAL PUMP AND MANUFACTURING PROCESS
CN107524628A (en) * 2017-09-20 2017-12-29 四川宇康供水设备有限公司 Cloverleaf impeller for sewage pump
WO2019138497A1 (en) * 2018-01-11 2019-07-18 三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社 Turbine rotor blade, turbo charger, and turbine rotor blade manufacturing method
CN110792635B (en) * 2018-08-02 2021-07-23 宁波方太厨具有限公司 Cooling fan and kitchen air conditioning system provided with same
DE102019201085A1 (en) 2019-01-29 2020-07-30 Siemens Aktiengesellschaft Manufacturing process for a component with integrated channels
CN109779969B (en) * 2019-02-27 2024-03-15 华帝股份有限公司 Impeller with supercharging device, fan and range hood
CN109763996B (en) * 2019-02-27 2024-03-26 华帝股份有限公司 Impeller, fan and range hood
US11802482B2 (en) * 2022-01-28 2023-10-31 Hamilton Sundstrand Corporation Rotor with inlets to channels

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1301432B (en) 1965-12-16 1969-08-21 Bbc Brown Boveri & Cie Arrangement to enlarge the stable working area of single and multi-stage axial compressors, blowers, fans and pumps by means of boundary layer removal
DE1476877A1 (en) 1965-03-31 1970-02-12 Rolls Royce Flow machine
GB2461415A (en) 2007-02-20 2010-01-06 Schlumberger Holdings Centrifugal pump impeller
US20100098553A1 (en) 2008-10-16 2010-04-22 Rolls-Royce Corporation Aspirated impeller
DE102010032676A1 (en) 2010-07-28 2012-02-02 Fev Motorentechnik Gmbh Wind turbine comprises rotor blade, and rotor hub bearing rotor blade, where rotor hub is connected directly or indirectly with generator through drive shaft
DE102010033889A1 (en) 2010-08-10 2012-02-16 Hanno Fischer System for influencing barrier layer in rotor blades of e.g. bypassing engines of helicopter, has set of apertures formed in location at outer skin of rotor blade, where flow medium is pumped in radial direction by hollow channel

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1476877A1 (en) 1965-03-31 1970-02-12 Rolls Royce Flow machine
DE1301432B (en) 1965-12-16 1969-08-21 Bbc Brown Boveri & Cie Arrangement to enlarge the stable working area of single and multi-stage axial compressors, blowers, fans and pumps by means of boundary layer removal
GB2461415A (en) 2007-02-20 2010-01-06 Schlumberger Holdings Centrifugal pump impeller
US20100098553A1 (en) 2008-10-16 2010-04-22 Rolls-Royce Corporation Aspirated impeller
DE102010032676A1 (en) 2010-07-28 2012-02-02 Fev Motorentechnik Gmbh Wind turbine comprises rotor blade, and rotor hub bearing rotor blade, where rotor hub is connected directly or indirectly with generator through drive shaft
DE102010033889A1 (en) 2010-08-10 2012-02-16 Hanno Fischer System for influencing barrier layer in rotor blades of e.g. bypassing engines of helicopter, has set of apertures formed in location at outer skin of rotor blade, where flow medium is pumped in radial direction by hollow channel

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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