DE102014009735B4

DE102014009735B4 - Laufrad einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102014009735B4
Application number: DE102014009735.8A
Authority: DE
Inventors: Sven Donisi; Gregor Graf
Original assignee: ROSSWAG GmbH
Current assignee: ROSSWAG GmbH
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: DE102014009735A1

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.

Description

Die nachfolgende Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Strömungsmaschine.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad für eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Das Herstellverfahren (nicht erfindungsgemäß) für die erfindungsgemäße Laufschaufel umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a) in die generative Fertigungsvorrichtung Laden eines 3D-Volumen-Datensatzes, der die Laufschaufel beschreibt,
b) Bereitstellen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials,
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.

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.
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.
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.
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.
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.
Hierdurch kann das Bauteil quasi in einem Schritt, mit geringem Nacharbeitsaufwand oder sogar nacharbeitsfrei und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
Zum Herstellen des Materialzusammenhalts kann das pulverförmige Ausgangsmaterial aufgeschmolzen werden oder aber der Materialzusammenhalt wird durch Sintern erzeugt, wobei kein Aufschmelzen stattfindet.
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.
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.
Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laufrads.
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.
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.
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.

Claims

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.
Laufrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (12) gekrümmt ist.
Laufrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (12) - massiv ausgeführt ist oder - eine innere Versteifungsstruktur aufweist.
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.
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.
Laufrad (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (121) in voneinander beabstandeten Reihen (121') vorliegen.
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.
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.
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.