DE102005044471A1 - Metal foam for use in flow machines where has a rotor and/or stator made completely of open-pore cast metal foam - Google Patents

Metal foam for use in flow machines where has a rotor and/or stator made completely of open-pore cast metal foam Download PDF

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Abstract

The metal foam is used for the rotor (1) and/or the stator (2.1) of the flow machine, which is entirely made of open-pore cast metal foam. This metal foam must be produced by the use of a reticulated structure, the webs of which are coated with an organic material. The metal foam may have the fluid passing over it from all sides or preferably, only from the inside to the outside.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Metallschaumes hoher Eigenstabilität für die Herstellung von Rotoren und Statoren in Strömungsmaschinen. Die Erfindung ist bevorzugt anwendbar für Turbinen kleiner bis mittlerer Leistung, die als Antriebsaggregat, beispielsweise zur Energieversorgung in mobilen oder Blockheizkraftwerken und dergleichen, eingesetzt werden.The The invention relates to the use of a metal foam of high intrinsic stability for the production of rotors and stators in turbomachinery. The invention is preferably applicable to small to medium turbines Power that as a drive unit, for example, for energy supply used in mobile or combined heat and power plants and the like become.

Für die Umsetzung von Strömungsenergie in nutzbare Rotationsenergie werden nach dem Stand der Technik üblicherweise Turbinen vorwiegend als Antriebsmaschinen, beispielsweise zur Erzeugung von Elektroenergie, eingesetzt, wobei die angetriebene Welle der Turbine über Kupplungsmittel mit einem entsprechenden Generator verbunden ist.For the implementation of flow energy useful rotational energy is commonly used in the art Turbines predominantly as prime movers, for example for the production of Electric power, used, with the driven shaft of the turbine via coupling means connected to a corresponding generator.

Der Antrieb der Welle der Turbine erfolgt dabei überwiegend mit Wasserdampf, der in entsprechenden Feuerungsanlagen erzeugt, überhitzt und unter entsprechend hohem Druck über Düsen beispielsweise radial auf eine Anzahl von Laufschaufeln gerichtet wird, die innerhalb eines teilbaren Gehäuses am Umfang von jeweiligen Rotorscheiben eines Laufrades mit der Welle drehbar angeordnet sind.Of the Drive of the shaft of the turbine is carried out predominantly with water vapor, which is generated in appropriate combustion plants, overheated and under accordingly high pressure over Nozzles, for example is directed radially to a number of blades within a divisible housing on the circumference of respective rotor disks of an impeller with the shaft are rotatably arranged.

Die Laufschaufeln der Rotorscheiben korrespondieren dabei mit entsprechenden Leitschaufeln an feststehenden Leitscheiben, die jeweils in den Zwischenraum zwischen beispielsweise in einem Abstand zueinander auf der Welle axial angeordneten Rotorscheiben eingreifend, am Gehäuse angeordnet sind.The Rotor blades of the rotor disks correspond with corresponding ones Vanes on fixed vanes, each in the interspace between, for example, at a distance from each other on the shaft axially arranged rotor disks engaging, are arranged on the housing.

Die Rotorscheiben und Leitscheiben und zugehörige Schaufeln weisen je nach Leistungsaufnahme bzw. -abgabe der Turbine und abhängig vom Druck sowie der Temperatur des Dampfes üblicherweise verschiedene Größen bzw. Durchmesser auf.The Rotor discs and vanes and associated blades are depending on Power input and output of the turbine and depending on the pressure and the temperature of the steam usually different sizes or Diameter up.

Ebenso sind die jeweiligen Schaufeldimensionen sowohl der Laufschaufeln als auch der Leitschaufeln den Betriebsbedingungen entsprechend angepasst, wobei kleinere Schaufeln im hohen und die größeren Schaufeln im niedrigeren Druck- und Tempe raturniveau eingesetzt sind. Außerdem entsprechen die Leitschaufeln neben ihrer Größe und Anordnung auch in der Schaufelgeometrie im Wesentlichen den jeweils zugeordneten Laufschaufeln, wobei jedoch die Form der Leitschaufeln gegenüber den jeweiligen Laufschaufeln entgegen gesetzt ausgebildet ist.As well are the respective blade dimensions of both the blades as well as the vanes adapted to the operating conditions, with smaller blades in the high and the larger blades in the lower Pressure and tempera ture level are used. In addition, correspond to the vanes next to her size and arrangement also in the blade geometry essentially the respectively associated Blades, however, the shape of the vanes compared to the is formed opposite to respective blades opposite.

Der durch die entsprechende Zuleitung in die Düsen eingeleitete Dampfstrom wird somit bei mehrstufigen Laufrädern mit entsprechenden Leitscheiben vom Hochdruckteil der Turbine und von den Schaufeln der ersten Rotorscheibe als erste Stufe ausgehend, in Richtung der letzten Rotorscheibe im Niederdruckteil in den entsprechenden Schaufeln der jeweiligen Stufen mehrfach umgelenkt, dabei entspannt und abgekühlt. Der abgekühlte Dampf wird beispielsweise nach Ableitung aus dem Gehäuse zu Heizzwecken verwendet.Of the vapor stream introduced into the nozzles through the appropriate supply line is thus used in multi-stage impellers with corresponding guide disks from the high pressure part of the turbine and from the vanes of the first rotor disk starting from the first stage, towards the last rotor disk in the low-pressure part in the corresponding blades of the respective Steps repeatedly deflected, while relaxed and cooled. Of the cooled Steam, for example, after discharge from the housing for heating purposes used.

Die Turbinen der beispielhaft genannten Art weisen unter anderem Nachteile dahingehend auf, dass hohe Kosten zu ihrer Herstellung, ihrem Betrieb und ihrer Wartung erforderlich sind.The Turbines of the type exemplified have, among other disadvantages in that high costs for their production, their operation and their maintenance is required.

Die in derartigen Anlagen eingesetzten hochfesten Werkstoffe, die insbesondere für die jeweiligen Schaufeln, Guss- und Schmiedeteile eingesetzt werden, erfordern dabei einen besonders hohen Aufwand sowohl bei der Herstellung als auch entsprechender Bearbeitung und der erforderlichen Wartung.The used in such systems high-strength materials, in particular for the respective blades, castings and forgings are used, require a particularly high cost both in the production as well as appropriate processing and the required maintenance.

Wegen der großen Masse und darüber hinaus hohen Fliehkräfte an der Welle, sind für die Aufstellung und Befestigung derartiger Turbinenanlagen außerdem vergleichsweise große Stellflächen und besonders feste und schwingungsfreie Fundamente erforderlich. Schließlich weisen diese Turbinen, beispielsweise durch Leitungs-, Temperatur- und Reibungsverluste sowie andere Einflüsse bedingt, einen relativ geringen Wirkungsgrad auf.Because of the big Mass and above In addition, high centrifugal forces on the wave, are for the installation and attachment of such turbine systems also comparatively size shelves and particularly solid and vibration-free foundations required. After all have these turbines, for example by conduction, temperature and friction losses as well as other influences caused a relative low efficiency.

Neben den erwähnten Dampfturbinen sind beispielsweise Gasturbinen bekannt, bei denen zwar die Masse niedriger und der Wirkungsgrad vergleichsweise höher liegen, die jedoch ebenfalls hohe Kosten für die Herstellung der einzelnen Bauteile erfordern. Insbesondere für die Anzahl von Rotor- und zugehörigen Leitscheiben mit entsprechender Beschaufelung für die Umsetzung der Strömungsenergie in die rotie rende Bewegung der Welle sowie die zugehörige Steuerung usw., sind insgesamt hohe Aufwendungen erforderlich.Next the mentioned Steam turbines, for example, gas turbines are known in which although the mass is lower and the efficiency is comparatively higher, but also high costs for the production of the individual Require components. In particular, for the number of rotor and associated Leitscheiben with appropriate blading for the implementation of the flow energy into the rotating movement of the shaft as well as the associated control etc., high overall costs are required.

Demgegenüber ist bereits aus der US-PS 1,061,206 eine einfache Lösung bekannt, bei der in einem Gehäuse ein mit einer Welle verbundenes Laufrad mit mehreren abstandsweise miteinander verbundenen, ebenen Scheiben vorgesehen ist, wobei tangential in das Gehäuse einströmendes Medium durch das Gehäuse in eine Kreisbahn gezwungen und das Laufrad in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in Bewegung gesetzt wird.In contrast, is already known from US-PS 1,061,206 a simple solution in which in one casing a connected to a shaft impeller with several distances interconnected, planar discs is provided, wherein tangential in the case inflowing Medium through the housing forced into a circular path and the impeller in dependence from the flow velocity of the medium is set in motion.

Der Nachteil bei dieser Einrichtung liegt insbesondere darin, dass die ebenen Scheibenflächen die an der Welle abnehmbare Leistung stark beeinträchtigen.Of the Disadvantage of this device is in particular that the flat disc surfaces the on the shaft severely affect removable power.

Ein weiteres Problem konventioneller Laufleiträder, die neben dem Einsatz in Turbinen auch Anwendung finden bei Ventilatoren bzw. Verdichtern, ist der hohe Geräuschpegel im Betrieb. Unter diesen Aspekten wurden in letzter Zeit Vorschläge gemacht, die die Strömung des Fluids, in vielen Fällen einfach Luft, durch zielgerichtete Führung in ihrer Geräuschentwicklung beschränken sollen.Another problem of conventional Laufleiträder, in addition to the use in turbines also An In the case of fans or compressors, the high noise level is in operation. Among these aspects, proposals have recently been made to limit the flow of the fluid, in many cases simply air, by purposeful guidance in their noise.

So ist aus DE 103 02 773 B3 ein Lauf- und Leitrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren, bekannt, wobei das Lauf- und Leitrad aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen besteht und die Feststoffmatrix nicht isotrop aus zueinander beabstandeten Segmenten aufgebaut ist, durch welche die Strömungskanäle für das Fluid gebildet werden. Zudem soll das Lauf- und Leitrad zusätzlich als Gleichrichter oder Sieb wirken. In einer bevorzugten Ausführung soll die Feststoffmatrix mit der Vielzahl von Strömungskanälen aus isotropen porösen Materialien bestehen. Diesbezüglich ist angeregt, dass die porösen Materialien aus Schäumen und hier isotropen Schäumen aus Metall oder Kunststoff ausgeführt sind.That's how it is DE 103 02 773 B3 a rotor and stator for a turbomachine, in particular for compressors and fans, known, wherein the rotor and stator of a solid matrix having a plurality of flow channels and the solid matrix is not constructed isotropically from spaced segments, through which the flow channels for the Fluid are formed. In addition, the impeller and stator should also act as a rectifier or sieve. In a preferred embodiment, the solid matrix with the plurality of flow channels should consist of isotropic porous materials. In this regard, it is suggested that the porous materials are made of foams and here isotropic foams of metal or plastic.

Abgesehen davon, dass keinerlei Angaben zur konkreten Struktur der Schäume, namentlich der Metallschäume, gemacht werden und infolgedessen der Nachweis für die Nacharbeitbarkeit der erfinderischen Lehre nicht gegeben ist, steht außer Zweifel, dass mit Metallschäumen nach dem Stand der Technik die notwendige Formstabilität einer solchen Laufschaufel angesichts der hohen Drehzahlen nicht möglich ist, zumal die Stege (auch einer Metallstruktur) üblicherweise hohl sind. Selbstredend ist erst recht eine Kunststoff-Schaumstruktur nicht für den Einsatz in einer Turbine, aber auch in einem Lüfter oder in einer Pumpe, bei denen regelmäßig die Gefahr einer beachtlichen Kavitation besteht, geeignet.apart that no information on the specific structure of the foams, namely the metal foams, and, as a result, proof of the reworkability of the inventive teaching is not given, is beyond doubt that with metal foams after the prior art, the necessary dimensional stability of a such blade is not possible in view of the high speeds, especially since the webs (also a metal structure) are usually hollow. Needless to say, All the more reason a plastic foam structure is not for use in a turbine, but also in a fan or in a pump, at which regularly the Danger of considerable cavitation, suitable.

Weiterhin ist durch DE 693 27 474 T2 ein poröser Rotor offenbart, der auf die Anwendung in Abluftfiltern (Badezimmer, Konferenzräume und ähnlichen), Staubsaugern, Laubgebläsen, Lüfter für Computer, Pumpen mit geringer Kavitation, leisen Turbinen und Haartrocknern zielt, wobei auch hier die Senkung des Geräuschpegels beim Betreiben solcher Geräte im Vordergrund steht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Rotor aus einer offenzelligen, porösen, ringförmigen Matrix herzustellen, wobei diese vom Fluid außen angeströmt und durchströmt wird. Der Rotor ist vorzugsweise aus Kunstharz gefertigt und besitzt erfindungsgemäß einen Trageaufbau.Furthermore, by DE 693 27 474 T2 discloses a porous rotor, which is aimed at the application in exhaust air filters (bathrooms, conference rooms and the like), vacuum cleaners, leaf blowers, fans for computers, pumps with low cavitation, silent turbines and hair dryers, whereby also the reduction of the noise level when operating such devices in Foreground is. According to the invention, it is provided to produce the rotor from an open-cell, porous, annular matrix, wherein it is flowed on outside by the fluid and flows through it. The rotor is preferably made of synthetic resin and according to the invention has a supporting structure.

Obgleich sich aus verschiedenen Vorteilen eine Minimierung des Störgeräusches, namentlich durch die Eingangs- und Ausgangsbedingungen in Bezug auf den Rotor, infolge veränderten Anpralls und Turbulenzen ergibt, stehen dem die oben genannten Nachteile, insbesondere das Problem, dass die Struktur höheren Belastungen nicht gewachsen ist, gegenüber, was auch durch die bevorzugten Anwendungen zum Ausdruck kommt.Although for various reasons, a minimization of the noise, namely by the entry and exit conditions in relation on the rotor, as a result changed Impact and turbulence, the above-mentioned disadvantages, especially the problem that the structure can not cope with higher loads, across from, which is also expressed by the preferred applications.

Zudem sind in DE-A-19 00 940 und US 4,795,319 A leise Fluiddurchgangsvorrichtungen angegeben, die einen Fluiddurchgangsrotor mit einem sich entlang eines ringförmigen Weges erstreckenden porösen Aufbau umfassen. Der poröse Aufbau wird durch ein ringfömiges Element gestellt. Das Fluid strömt unter Beschleunigung durch dieses Element, wenn sich der Rotor in Drehung befindet. Durch diese Merkmale soll eine leise Fluidströmung erzielt werden. Der Rotor selbst besteht also nicht aus porösem Material.In addition, in DE-A-19 00 940 and US 4,795,319 A silent fluid passage devices comprising a fluid passage rotor having a porous structure extending along an annular path. The porous structure is provided by a ring-shaped element. The fluid flows under acceleration through this element when the rotor is in rotation. By these features, a quiet fluid flow is to be achieved. The rotor itself is therefore not made of porous material.

Auch aus US 2,509,376 A ist ein Fluidverdichter entnehmbar, der poröses Material verwendet. Der Rotor dieses Verdichters umfasst Durchgänge, die durch mehrere Verbindungsöffnungen zwischen Sinterteilen aus Metall oder zwischen den Packlagen aus Draht, Geflecht oder Glasvlies oder dergleichen ausgebildet sind. Die Erfin dung kommt also gleichfalls nicht mit einem Rotor, der vollständig aus einer offenporigen Metallschaumstruktur gebildet ist, aus.Also from US 2,509,376 A For example, a fluid compressor utilizing porous material is disclosed. The rotor of this compressor comprises passages which are formed by a plurality of connection openings between sintered parts made of metal or between the packing layers of wire, braid or glass fleece or the like. The inven tion also does not come with a rotor which is formed entirely from an open-cell metal foam structure, from.

Schließlich ist aus der Schrift DE 199 59 598 A1 eine Schaufel einer Strömungsmaschine, die aus einer metallischen Hüllstruktur sowie einer innerhalb dieser vorgesehenen und mit der Hüllstruktur geeignet verbundenen Tragstruktur aus einem Verbundwerkstoff besteht, bekannt, die sich dadurch auszeichnet, dass auf ein die Hüllstruktur bildendes Blech ein Metall-Filz-Gewebe aufgeschweißt oder aufgelötet ist. Selbstredend ist die Herstellung dieser Schaufel sehr aufwändig und kostenintensiv.Finally, from the Scriptures DE 199 59 598 A1 a blade of a turbomachine, which consists of a metallic sheath structure and a provided within this and the sheathing structure suitably connected supporting structure made of a composite material, which is characterized in that welded to a forming the sheath sheet a metal-felt fabric or brazed is. Of course, the production of this blade is very complex and costly.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, die Rotoren und Statoren in Strömungsmaschinen der genannten Art in einfacher Weise und mit vergleichsweise geringen Kosten herzustellen. Gleichzeitig sollen die Anforderungen hinsichtlich geringer Stellfläche, hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad erfüllt werden; zudem sollen sich die Rotoren durch Schwingungsarmut und geringe Geräuschentwicklung auszeichnen.Of the Invention is based on the aforementioned prior art the task underlying the rotors and stators in turbomachinery of the type mentioned in a simple manner and with comparatively low Cost. At the same time the requirements regarding small footprint, high performance and high efficiency are met; moreover, they should the rotors by low vibration and low noise distinguished.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können aus den Ansprüchen 2 bis 18 entnommen werden.These Task is performed according to the characteristics of Claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention can be claimed in claims 2 to 18 are taken.

Nach Maßgabe der Erfindung ist also vorgesehen, dass der Rotor und/oder der Stator einer Strömungsmaschine ausschließlich aus offenporigem, gegossenem Metallschaum besteht. Wesentlich ist, dass die Stege des verwendeten Metallschaums gegenüber den Schäumen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, definiert verdickt sind. Nur so ist es möglich, insbesondere Rotoren herzustellen, die hohe Belastungen dauerhaft aushalten. Hierbei ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Schaumstruktur aus einer retikulierten Struktur, bevorzugt einer retikulierten Schaumstruktur, wobei die durch solche Strukturen gebildeten Gießkanäle vor dem Einfüllen des Metalls mittels organischer Materialien stabilisiert werden, hergestellt wird und die Stege der retikulierten Strukturen durch ein- oder mehrmaliges Beschichten verdickt werden. Das zur Beschichtung der Stege dienende organische Material kann flüssiges Wachs, Wachspulver, Polystyrol-Pulver oder Polyamid-Pulver sein, wobei das Polystyrol/Polyamid einen geringen, bevorzugt 5%igen, Anteil Kleber impliziert. Bei mehrfacher Beschichtung der Stege werden die einzelnen Beschichtungen bei unterschiedlichen Temperaturen im Bereich von 40°C bis 80°C aufgebracht. Die derartig gestaltete Struktur weist eine Porosität von 75% bis 94% auf.According to the invention, it is thus provided that the rotor and / or the stator of a turbomachine consists exclusively of open-pored, cast metal foam. It is essential that the webs of the metal foam ge compared with the foams known from the prior art, are thickened defined. Only in this way is it possible, in particular, to produce rotors which withstand high loads permanently. It is provided that the foam structure according to the invention of a reticulated structure, preferably a reticulated foam structure, wherein the Gießkanäle formed by such structures are stabilized before filling the metal by means of organic materials, and the webs of the reticulated structures by one or more times coating thickened. The organic material used to coat the webs may be liquid wax, wax powder, polystyrene powder or polyamide powder, the polystyrene / polyamide implying a low, preferably 5%, proportion of adhesive. For multiple coating of the webs, the individual coatings are applied at different temperatures in the range of 40 ° C to 80 ° C. The structure designed in this way has a porosity of 75% to 94%.

Dem Wesen der Erfindung folgend wird der Metallschaum allseitig, also nicht nur über die Außenfläche, sondern auch von der Stirnfläche und sogar von innen nach außen vom Fluid angeströmt. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die tangentiale Anströmung von innen nach außen für die Gestaltung des Wirkungsgrades besonders vorteilhaft ist.the Essence of the invention, the metal foam is on all sides, ie not just about the outer surface, but also from the face and even from the inside out streamed by the fluid. It's surprising proved that the tangential flow from the inside out for the design the efficiency is particularly advantageous.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Rotoren und/oder Statoren aus rostfreiem Stahl bestehen; je nach Anforderung können sie aber auch aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, einer Aluminium-Legierung oder aber auch aus Titan oder einer Titan-Legierung ausgeführt sein. Dabei ist vorgesehen – gleichfalls entsprechend dem konkreten Anwendungsfall – diese Materialien mittels Sputern zu beschichten; vorteilhafte Beschichtungsmaterialien sind insbesondere Nickel, Chrom und Titan oder ein Oxid dieser Werkstoffe.A preferred embodiment provides that the rotors and / or stators are made of stainless steel consist; depending on the requirement but also from a copper-nickel alloy, an aluminum alloy or else be made of titanium or a titanium alloy. It is provided - also according to the concrete application - these materials by means of Coat sputters; advantageous coating materials in particular nickel, chromium and titanium or an oxide of these materials.

Mit der Erfindung besteht ein Vorteil insbesondere darin, dass in einfacher Weise der Antrieb eines Rotors dadurch möglich wird, dass an Stelle der Lauf- und Leitschaufeln für das Fluid als Antriebselement die Struktur eines formstabilen Metallschaumes eingesetzt wird.With The invention has an advantage, in particular, that in simpler Way the drive of a rotor is made possible by that in place of Runners and guide vanes for the fluid as the drive element, the structure of a dimensionally stable metal foam is used.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaumstruktur bewirkt dabei insbesondere, dass die damit hergestellten Rotoren direkt und verwirbelungsfrei angetrieben werden und infolgedessen die Welle der Turbine erschütterungsfrei arbeitet, wodurch insgesamt eine hohe Laufruhe der gesamten Strömungsmaschine erzielt wird.The Use of the foam structure according to the invention causes in particular that the rotors produced therewith be driven directly and without turbulence and as a result the shaft of the turbine vibration-free works, resulting in a total smooth running of the entire turbomachine is achieved.

Außerdem wird die Baugröße der Turbinen, die erfindungsgemäße Rotoren und Statoren verwenden, vergleichsweise deutlich kleiner, wodurch sich das Anwendungsgebiet solcher Turbinen erweitert.In addition, will the size of the turbines, the rotors according to the invention and stators use, comparatively much smaller, resulting in expanded the field of application of such turbines.

Die Erfindung weist ferner den Vorteil auf, dass die hohen Aufwendungen für die Herstellung und den Einbau der Lauf- und Leitschaufeln und die zugehörigen Träger entfallen und das Gehäuse für die Turbine hinsichtlich seines Aufbaus vereinfacht und der Wartungsaufwand bedeutend verringert wird.The Invention also has the advantage that the high cost for the Production and installation of the rotor and vanes and the associated carrier omitted and the case for the Turbine simplified in terms of its construction and the maintenance effort is significantly reduced.

Für die Anströmung der Schaumstruktur mit einem entsprechenden Medium sind außerdem keine aufwändig hergestellten Düsensysteme erforderlich, da die Anströmfläche der Öffnungen für den Austritt des Strömungsmediums aus den jeweiligen Zuführleitungen vergleichsweise groß ausgebildet ist.For the flow of the Foam structure with a corresponding medium are also no costly manufactured nozzle systems required because the inflow surface of the openings for the exit of the flow medium from the respective supply lines is formed comparatively large.

Die Schaumstruktur kann darüber hinaus in beliebiger Richtung angeströmt werden, wodurch beispielsweise eine Drehrichtungsänderung der Welle in einfacher Weise möglich ist.The Foam structure can over it Be flowed out in any direction, whereby, for example a change of direction the wave in a simple way possible is.

Je nach Anwendungsgebiet sind als Strömungsmedium bevorzugt Dampf, aber auch andere gasförmige sowie flüssige Medien für den Antrieb der mit den Rotorscheiben ausgestatteten Laufräder einsetzbar, wobei die Medien jeweils nach ihrer Abbremsung an der Schaumstruktur und damit verbundener Beschleunigung der Rotorscheibe, dieselbe durch dieselbe Schaumstruktur verlassen.ever according to the field of application, the preferred flow medium is steam, but also other gaseous as well as liquid Media for can be used to drive the wheels equipped with the rotor disks, the media each after their deceleration on the foam structure and related acceleration of the rotor disk, the same leave through the same foam structure.

Vorteilhafte Verwendungen von Rotoren und Statoren in Strömungsmaschinen, die ausschließlich aus sehr formstabilen Metallschaumstrukturen bestehen, werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.advantageous Uses of rotors and stators in turbomachines made exclusively from consist of very stable metal foam structures are below based on embodiments explained in more detail.

Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in schematischen QuerschnittsdarstellungenThe associated Drawings show schematic cross-sectional representations

1 eine Pumpe 1 a pump

2 eine Paarung Rotor/Stator (ähnlich einer Wasserwirbelstrombremse) 2 a pairing rotor / stator (similar to a water vortex brake)

3 eine Turbine in Form eines „Düsentopfes" 3 a turbine in the form of a "nozzle pot"

4 eine Turbine. 4 a turbine.

Aus 1 ist ersichtlich, dass ein Rotor 1 aus dem beschriebenen Metallschaum in einem Gehäuse 3 mittels Kleben oder Schweißen bzw. Gießen in einem Guss stoffschlüssig mit einer angetriebenen Welle verbunden ist; er weist hierbei die Form einer Scheibe mit hoher Eigenstabilität auf, so dass der Rotor keinen gesonderten Träger benötigt. Das Gehäuse 3 taucht mittels des Saugstutzen 4 in ein Fluid 6 ein; auf Grund des Unterdrucks wird der Rotor 1 auf der Fläche, die der Querschnitt des Saugstutzens bildet, angeströmt und zum Pumpenausgang hin durchströmt.Out 1 it can be seen that a rotor 1 from the described metal foam in a housing 3 is adhesively bonded by means of gluing or welding or casting in a cast with a driven shaft; it has the form of a disc with high intrinsic stability, so that the rotor does not require a separate carrier. The GE housing 3 dives by means of the suction nozzle 4 into a fluid 6 one; due to the negative pressure is the rotor 1 on the surface, which forms the cross section of the suction nozzle, flows and flows through to the pump outlet.

Das zentrale Ansaugen und tangentielle Austreiben des Mediums ist eine Funktion der differenzierten Umfangsgeschwindigkeit und stellt sich selbstständig ein.The central aspiration and tangential expulsion of the medium is one Function of the differentiated peripheral speed and adjusts itself automatically.

Die in 2 gezeigte Verwendung einer Kombination Rotor 1/Stator 2 gemäß einer Wasserwirbelstrombremse ist gleichfalls dadurch charakterisiert, dass diese Elemente ausschließlich aus Metallschaum der beschriebenen Art, also klar definiert nach Material, Porengröße, Stegdicke und Beschichtung, bestehen. Hierzu sind beispielhaft der Rotor 1 und der Stator 2 raumfüllend in einem Gehäuse 3 gegenüberliegend, nur durch einen Spalt 5, in dem das Fluid 6 strömt, getrennt eingebracht.In the 2 shown use of a combination rotor 1 /Stator 2 according to a water vortex brake is also characterized by the fact that these elements consist exclusively of metal foam of the type described, so clearly defined by material, pore size, web thickness and coating. These are exemplified by the rotor 1 and the stator 2 room-filling in a housing 3 opposite, only through a gap 5 in which the fluid 6 flows, introduced separately.

Gemäß 3 ist der Rotor 1 für eine Turbine ringförmig oder hohlzylinderförmig gestaltet. Er umschließt einen konventionellen, also nicht aus Metallschaum gebildeteten, Stator 2.1, an dem mittels einer Welle 7 in ihren Öffnungen verstellbare Düsen 8 so angeordnet sind, dass das Fluid den erfindungsgemäßen Rotor 1 tangentiell anströmt und von innen nach außen durchströmt.According to 3 is the rotor 1 designed for a turbine annular or hollow cylindrical. It encloses a conventional, so not formed of metal foam, stator 2.1 in which by means of a wave 7 in their openings adjustable nozzles 8th are arranged so that the fluid rotor of the invention 1 flows tangentially and flows through from the inside to the outside.

Aus 3 kann gleichzeitig die Ermittlung von Strömungswinkel und Strömungsfläche und damit die Basis von Drehmoment und Drehzahl und letztlich die Leistung der Turbine entnommen werden.Out 3 At the same time, the determination of flow angle and flow area and thus the basis of torque and speed and ultimately the performance of the turbine can be taken.

In 4 ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen Stators 2 für eine Turbine dargestellt; er ist beispielgebend ring- oder hohlzylinderförmig gestaltet.In 4 is the use of a stator according to the invention 2 represented for a turbine; he is exemplary designed ring or hollow cylindrical.

Der Stator 2 umschließt konzentrisch einen impulsgetriebenen (konventionellen) Rotor 1.1, der – hier s-förmig ausgebildet – zwei Düsen aufweist, über die er tangentiell angeströmt und von innen nach außen durchströmt wird. Die Düsen des Stators 2 werden hierbei über eine Hohlwelle 9 mit Dampf beaufschlagt. Durch die Strömungsrichtung von innen nach außen wird jegliche Reibung oder Zwangsführung durch das Gehäuse 3 vermieden.The stator 2 concentrically encloses a pulse-driven (conventional) rotor 1.1 , which - here formed S-shaped - has two nozzles, through which it flows tangentially and flows through from the inside to the outside. The nozzles of the stator 2 are here via a hollow shaft 9 steamed. Due to the flow direction from the inside to the outside, any friction or forced guidance through the housing 3 avoided.

Aus der 4 kann auch entnommen werden, dass es vorteilhaft möglich ist, die Wirkung der Turbine durch den Einsatz eines Zwischenrades 10, an dem die Energie abgenommen werden kann, zu verstärken.From the 4 can also be seen that it is advantageously possible, the effect of the turbine by the use of an intermediate gear 10 where the energy can be taken off.

11
Rotor aus Metallschaumrotor made of metal foam
1.11.1
Rotor (nicht aus Metallschaum) mit Düsenrotor (not made of metal foam) with nozzles
22
Stator aus Metallschaumstator made of metal foam
2.12.1
Stator (nicht aus Metallschaum)stator (not made of metal foam)
33
Gehäusecasing
44
Saugstutzensuction
55
Spaltgap
66
Fluidfluid
77
Stellwelleactuating shaft
88th
Düsenöffnungnozzle opening
99
Hohlwellehollow shaft
1010
Zwischenradidler

Claims (18)

Verwendung eines Metallschaumes in Strömungsmaschinen, insbesondere in Turbinen, Lüftern und Pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) und/oder Stator (2) der Maschine vollständig aus offenporigem, gegossenem Metallschaum, der eine Porosität von 75% bis 94% aufweist und hergestellt ist unter Verwendung einer retikulierten Struktur, bevorzugt einer retikulierten Schaumstruktur, deren Stege durch ein- oder mehrmaliges Beschichten mittels eines organischen Materials oder verschiedener, dann bevorzugt zweier organischer Materialien, definiert verdickt wurden, besteht und dieser vom Fluid von allen Seiten oder nur von innen nach außen angeströmt wird.Use of a metal foam in turbomachines, in particular in turbines, fans and pumps, characterized in that the rotor ( 1 ) and / or stator ( 2 ) of the machine made entirely of open-pored, poured metal foam, which has a porosity of 75% to 94% and is prepared using a reticulated structure, preferably a reticulated foam structure, the webs by one or more coating by means of an organic material or different, then preferably two organic materials, have been defined thickened, and this is the fluid flows from all sides or only from the inside out. Rotor/Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Metallschaumes graduiert derart ausgeführt ist, dass die Porengröße des Schaumes von innen nach außen stetig größer oder kleiner wird.Rotor / stator according to claim 1, characterized in that that the structure of the metal foam is graduated in such a way, that the pore size of the foam from the inside to the outside steadily bigger or gets smaller. Rotor/Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum aus rostfreiem Stahl besteht.Rotor / stator according to claim 1 or 2, characterized that the metal foam is made of stainless steel. Rotor/Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum aus einer Kupfer-Nickel-Legierung besteht.Rotor / stator according to claim 1 or 2, characterized that the metal foam consists of a copper-nickel alloy. Rotor/Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum aus einer Aluminium-Legierung besteht.Rotor / stator according to claim 1 or 2, characterized that the metal foam consists of an aluminum alloy. Rotor/Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum aus Titan oder einer Titan-Legierung besteht.Rotor / stator according to claim 1 or 2, characterized that the metal foam consists of titanium or a titanium alloy. Rotor/Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum eine Beschichtung aufweist.Rotor / stator according to one of claims 1 to 6, characterized that the metal foam has a coating. Rotor/Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung allseitig aufgebracht ist und aus Nickel, Chrom, Titan oder einem Oxid dieser Werkstoffe besteht.Rotor / stator according to claim 7, characterized in that the coating on all sides is made of nickel, chromium, titanium or an oxide of these materials. Rotor/Stator nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Sputern hergestellt ist.Rotor / stator according to claim 7 and 8, characterized that the coating is made by sputtering. Rotor/Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum eine Porendichte von 8 bis 30 ppi aufweist.Rotor / stator according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the metal foam has a pore density of 8 to 30 ppi. Rotor/Stator für einen Lüfter oder eine Pumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels Kleben oder Schweißen bzw. Gießen in einem Guss mit einer angetriebenen Welle stoffschlüssig verbunden ist.Rotor / stator for a fan or a pump according to one of the preceding claims, characterized in that that it by gluing or welding or pouring in one Casting is materially connected to a driven shaft. Rotor/Stator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er die Form einer Scheibe oder eines Zylinders aufweist.Rotor / stator according to claim 11, characterized in that that it has the shape of a disc or a cylinder. Rotor/Stator nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass er raumfüllend in einem Gehäuse (3) eingebracht ist, das einen Saugstutzen (4) aufweist, der in ein Fluid (6) eintaucht.Rotor / stator according to claim 11 and 12, characterized in that it is space-filling in a housing ( 3 ) is introduced, which has a suction nozzle ( 4 ), which is in a fluid ( 6 immersed). Rotor/Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide raumfüllend in einem Gehäuse (3) gegenüberliegend, nur durch einen Spalt (5), in dem ein Fluid (6) strömt, getrennt eingebracht sind und hierdurch ein System ähnlich einer Wasserwirbelbremse bilden.Rotor / stator according to one of claims 1 to 12, characterized in that both space filling in a housing ( 3 ) opposite, only through a gap ( 5 ), in which a fluid ( 6 ), are introduced separately and thereby form a system similar to a water vortex brake. Rotor für eine Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er ringförmig oder hohlzylinderförmig gestaltet ist.Rotor for A turbine according to any one of claims 1 to 11, characterized that he is ring-shaped or hollow cylindrical is designed. Rotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass er einen konventionellen Stator (2.1) umschließt, an dem mittels einer Welle (7) in ihren Öffnungen verstellbare Düsen (8) angeordnet sind, über die er tangentiell angeströmt und von innen nach außen durchströmt wird.Rotor according to claim 15, characterized in that it comprises a conventional stator ( 2.1 ), on which by means of a shaft ( 7 ) in their openings adjustable nozzles ( 8th ) are arranged, over which it flows tangentially and flows through from the inside to the outside. Stator für eine Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er ringförmig oder hohlzylinderförmig gestaltet ist.Stator for A turbine according to any one of claims 1 to 11, characterized that he is ring-shaped or hollow cylindrical is designed. Stator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er konzentrisch zu einem impulsgetriebenen (konventionellen) Rotor (1.1) angeordnet ist, der wenigstens eine Düse aufweist, über die er tangentiell angeströmt und von innen nach außen durchströmt wird.Stator according to Claim 17, characterized in that it is concentric with a pulse-driven (conventional) rotor ( 1.1 ) is arranged, which has at least one nozzle, through which it flows tangentially and flows through from the inside to the outside.
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