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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichterlaufrad für Radialverdichter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Für die Verdichtung von Gasen werden Verdichter verwendet. Neben Kolben-, Schrauben- und anderen Verdichterbauarten sind auch Turboverdichter bekannt, welche in einem Verdichtergehäuse ein drehbar gelagertes und antreibbares Verdichterlaufrad aufnehmen. In Abhängigkeit einer Strömungsumlenkung des verdichteten Gases wird zwischen Axial-, Radial- oder Halbaxialverdichtern unterschieden.
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Besonders für den Einsatz in Hubkolbenmaschinen werden Radialverdichter verwendet, welche meist in Kombination als Abgasturbolader zur Aufladung dienen. Diese Radialverdichter können aufgrund der Zentrifugalwirkung bei entsprechendem Durchsatz einen höheren Druck erreichen, als dies mit Axialverdichtern möglich wäre. Somit sind Radialverdichter für den Einsatz in Hubkolbenmaschinen besonders geeignet.
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Das als Schaufelrad ausgebildete Verdichterlaufrad weist dazu Hauptschaufeln und dazwischenliegend kleinere, zurückgeschnittene Splitterschaufeln auf. Durch den Einsatz dieser Splitterschaufeln soll der über den Umfang des Verdichterlaufrades zur Verfügung stehende Bauraum weiter ausgenutzt werden, um eine verbesserte und gleichmäßigere Übertragung mechanischer Energie vom Verdichterlaufrad auf das zu verdichtende Gas zu ermöglichen. Im Einzelnen wird dadurch die Strömungsablösung an den Schaufeln und somit der Slip-Faktor verringert, was zu einer Wirkungsgraderhöhung und somit zu einer Verschiebung der Pumpgrenze hin zu niedrigerem Durchsatz und einer Verbreiterung des Verdichterkennfelds führt.
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 0 205 001 A1 ist ein Verdichterlaufrad mit Voll- und Splitterschaufeln einer Ladereinrichtung bekannt, wobei zwischen zwei Vollschaufeln Splitterschaufeln angeordnet sind. Die Vollschaufeln erstrecken sich dabei über die gesamte Länge des Verdichterlaufrades von der Saugseite bis zur Druckseite. Erste, gegenüber den Vollschaufeln kürzere Splitterschaufeln erstrecken sich zwischen den Vollschaufeln bis zur Druckseite und zweite, gegenüber den ersten Splitterschaufeln kürzere Splitterschaufeln erstrecken sich zwischen den Vollschaufeln bis zur Druckseite. Die jeweils erste Splitterschaufel und zweite Splitterschaufel teilen den Strömungskanal zwischen zwei Vollschaufeln in gleiche Teile, wobei die Druckseite der zweiten Splitterschaufel zur ersten Splitterschaufel und die Druckseite der ersten Splitterschaufel zur Vollschaufel ausgerichtet ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 007 843 A1 ist ein Verdichterlaufrad mit Voll- und Splitterschaufeln einer Ladereinrichtung bekannt, wobei zwischen zwei Vollschaufeln jeweils mindestens zwei Splitterschaufeln unterschiedlicher Länge angeordnet sind.
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Aus der Offenlegungsschrift
CN 106401990 A ist ein Verdichterlaufrad mit Tandemschaufeln und dazwischenliegenden Splitterschaufeln bekannt. Dabei ist die jeweilige Tandemschaufel aus einer separaten Vorderschaufel und einer zugeordneten separaten Hinterschaufel gebildet, wobei zwischen der Vorderschaufel und der Hinterschaufel eine Lücke vorgesehen ist. Die Vorderschaufel erstreckt sich demnach vom Verdichtereintritt bis zur Lücke und die Hinterschaufel von der Lücke bis zum Verdichteraustritt. Zwischen jeweils zwei Hinterschaufeln ist die Splitterschaufel angeordnet.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verdichterlaufrad bereitzustellen, bei welchem die Strömungsablösung im Bereich niedrigen Durchsatzes weiter verringert ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch das Verdichterlaufrad mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein erfindungsgemäß vorteilhaftes Verdichterlaufrad bereit, bei welchem die Strömungsablösung im Bereich geringen Durchsatzes weiter verringert ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades wird insbesondere im Bereich der Pumpgrenze, also bei geringem Durchsatz die Strömung stabilisiert, wodurch es zu weniger Strömungsablösungen kommt und die Pumpgrenze zu geringerem Durchsatz hin verschoben und somit der Kennfeldbereich weiter vergrößert wird.
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Dazu weist das Verdichterlaufrad auf einer Nabe Hauptschaufeln mit jeweils einer Hauptschaufelvorderkante und einer Hauptschaufelhinterkante und Splitterschaufeln mit jeweils einer Splitterschaufelvorderkante und einer Splitterschaufelhinterkante auf. Durch die Hauptschaufelvorderkanten wird der Verdichtereintritt als Eintrittsebene und durch die Splitterschaufelhinterkanten der Verdichteraustritt als Austrittsebene definiert. Die Splitterschaufeln sind dabei zwischen den Hauptschaufeln angeordnet, so dass sich mindestens eine Splitterschaufel zwischen zwei Hauptschaufeln befindet. Es ergibt sich demnach über den Umfang des Verdichterlaufrades eine periodische Anordnung von Hauptschaufel und mindestens einer zwischenliegenden Splitterschaufel. Durch die Hauptschaufeln und Splitterschaufeln werden Strömungspassagen gebildet, welche sich vom Verdichtereintritt bis zum Verdichteraustritt erstrecken.
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Als Vorderkante und Hinterkante sind jene Kanten der Hauptschaufel oder Splitterschaufel zu verstehen, welche die Hauptschaufel oder Splitterschaufel in Strömungsrichtung begrenzen.
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Die Hauptschaufeln erstrecken sich nicht über die gesamte Länge der Strömungspassagen, so dass sich die Hauptschaufelhinterkante nicht im Verdichteraustritt befindet. Die Hauptschaufeln erstrecken sich ausgehend vom Verdichtereintritt nur teilweise entlang der Strömungspassagen, also ausgehend vom Verdichtereintritt bis in einen ersten Bereich zwischen Verdichtereintritt und Verdichteraustritt.
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Die Splitterschaufeln erstrecken sich ebenfalls nicht über die gesamte Länge der Strömungspassagen, so dass sich die Splitterschaufelvorderkante nicht im Verdichtereintritt befindet. Die Splitterschaufeln erstrecken sich ausgehend von einem zweiten Bereich zwischen Verdichtereintritt und Verdichteraustritt nur teilweise entlang der Strömungspassagen, also ausgehend von dem zweiten Bereich zwischen Verdichtereintritt und Verdichteraustritt bis zum Verdichteraustritt.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise überdecken sich wenigstens eine der Hauptschaufeln und wenigstens eine der Splitterschaufeln in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades gesehen teilweise. Als Überdeckung ist dabei der Bereich zu verstehen, welcher sich bei einer Projektion der Splitterschaufel um die Längsachse des Verdichterlaufrades herum auf der Hauptschaufel abbildet. Demnach ist die Summe der jeweils größten Erstreckungen von Hauptschaufel und Splitterschaufel größer als die Erstreckung der durch die Hauptschaufel und Splitterschaufel definierten Strömungspassage. Entsprechend ist der zweite Bereich, innerhalb welchem sich die Splitterschaufelvorderkante in Überdeckung befindet, näher am Verdichtereintritt angeordnet als der erste Bereich, innerhalb welchem sich die Hauptschaufelhinterkante in Überdeckung befindet.
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In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise sind die Hauptschaufelhinterkante und die Splitterschaufelvorderkante der sich teilweise überdeckenden Hauptschaufel und Splitterschaufel zueinander geneigt, so dass sich in Umfangsrichtung gesehen eine Überdeckung entweder im radial-inneren Bereich oder im radial-äußeren Bereich ergibt. Durch die in Umfangsrichtung gesehene teilweise Überdeckung ist im Bereich der Überdeckung der Abstand zwischen der Splitterschaufelvorderkante und dem Verdichtereintritt geringer als der Abstand zwischen Hauptschaufelhinterkante und Verdichtereintritt.
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Demnach ergibt sich die teilweise Überschneidung der Hauptschaufel und der Splitterschaufel grundsätzlich dadurch, dass wenigstens ein Abstand zwischen Splitterschaufelvorderkante und Verdichtereintritt geringer als der Abstand zwischen Hauptschaufelhinterkante und Verdichtereintritt ist, wobei der jeweilige Abstand entlang derselben Stromlinie einer Strömung durch die Strömungspassage definiert ist. Die Strömung vom Verdichtereintritt zum Verdichteraustritt durch die Strömungspassage passiert im Bereich der Überdeckung zuerst die Splitterschaufelvorderkante und anschließend die Hauptschaufelhinterkante, wodurch Strömungsablösungen verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung sind zwischen zwei Hauptschaufeln mindestens zwei Splitterschaufeln angeordnet, wobei sich wenigstens eine der mindestens zwei Splitterschaufeln mit der Hauptschaufel in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades gesehen teilweise überdeckt. In einer vorteilhaften Ausbildung ist eine zusätzliche Splitterschaufel als Fortführung der Hauptschaufel beabstandet hinter dieser angeordnet, wobei sich diese zusätzliche Splitterschaufel mit wenigstens einer Splitterschaufel zwischen den Hauptschaufeln in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades gesehen vollständig überdeckt.
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Ausführungsbeispiel 1
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 1 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
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1a: eine schematische Darstellung des Verdichterlaufrades 1 und
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1b: eine schematische Schnittdarstellung des Verdichterlaufrades 1.
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Das Ausführungsbeispiel des Verdichterlaufrades 1, dargestellt in 1a und 1b, weist auf einer Nabe 2 wenigstens zwei Hauptschaufeln 3 mit jeweils einer Hauptschaufelvorderkante 3a und einer Hauptschaufelhinterkante 3b und wenigstens zwei erste Splitterschaufeln 4 mit einer ersten Splitterschaufelvorderkante 4a und einer ersten Splitterschaufelhinterkante 4b auf, wobei die ersten Splitterschaufeln 4 zwischen den Hauptschaufeln 3 angeordnet sind. Durch die Hauptschaufelvorderkanten 3a wird der Verdichtereintritt 1a und durch die ersten Splitterschaufelhinterkanten 4b der Verdichteraustritt 1b definiert.
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Durch die Hauptschaufeln 3 und die ersten Splitterschaufeln 4 werden Strömungspassagen 5 gebildet, welche sich vom Verdichtereintritt 1a bis zum Verdichteraustritt 1b erstrecken. Die Hauptschaufeln 3 erstrecken sich ausgehend vom Verdichtereintritt 1a teilweise entlang der Strömungspassagen 5 bis in einen ersten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b, und die ersten Splitterschaufeln 4 erstrecken sich ausgehend von einem zweiten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b teilweise entlang der Strömungspassagen 5 bis zum Verdichteraustritt 1b, wobei sich die Hauptschaufeln 3 und die ersten Splitterschaufeln 4 in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 1 gesehen teilweise überdecken.
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Ausführungsbeispiel 2
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Beispielhaft wird hier eine alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 1 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
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2a: eine schematische Darstellung des Verdichterlaufrades 1 und
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2b: eine schematische Schnittdarstellung des Verdichterlaufrades 1.
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Das Ausführungsbeispiel des Verdichterlaufrades 1, dargestellt in 2a und 2b, weist auf einer Nabe 2 wenigstens zwei Hauptschaufeln 3 mit jeweils einer Hauptschaufelvorderkante 3a und einer Hauptschaufelhinterkante 3b, wenigstens zwei erste Splitterschaufeln 4 mit einer ersten Splitterschaufelvorderkante 4a und einer ersten Splitterschaufelhinterkante 4b und wenigstens zwei zweite Splitterschaufeln 6 mit einer zweiten Splitterschaufelvorderkante 6a und einer zweiten Splitterschaufelhinterkante 6b auf, wobei die ersten Splitterschaufeln 4 und zweiten Splitterschaufeln 6 zwischen den Hauptschaufeln 3 angeordnet sind. Durch die Hauptschaufelvorderkanten 3a wird der Verdichtereintritt 1a und durch die ersten Splitterschaufelhinterkanten 4b sowie zweiten Splitterschaufelhinterkanten 6b der Verdichteraustritt 1b definiert.
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Durch die Hauptschaufeln 3, die ersten Splitterschaufeln 4 und zweiten Splitterschaufeln 6 werden Strömungspassagen 5 gebildet, welche sich vom Verdichtereintritt 1a bis zum Verdichteraustritt 1b erstrecken. Die Hauptschaufeln 3 erstrecken sich ausgehend vom Verdichtereintritt 1a teilweise entlang der Strömungspassagen 5 bis in einen ersten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b, die ersten Splitterschaufeln 4 und die zweiten Splitterschaufeln 6 erstrecken sich ausgehend von einem zweiten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b teilweise entlang der Strömungspassagen 5 bis zum Verdichteraustritt 1b, wobei sich die Hauptschaufeln 3 und die ersten Splitterschaufeln 4 in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 1 gesehen teilweise und die Hauptschaufeln 3 und die zweiten Splitterschaufeln 6 in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 1 gesehen nicht überdecken.
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Ausführungsbeispiel 3
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Beispielhaft wird hier eine alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 1 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
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3a: eine schematische Darstellung des Verdichterlaufrades 1 und
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3b: eine schematische Schnittdarstellung des Verdichterlaufrades 1.
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Das Ausführungsbeispiel des Verdichterlaufrades 1, dargestellt in 3a und 3b, weist auf einer Nabe 2 wenigstens zwei Hauptschaufeln 3 mit jeweils einer Hauptschaufelvorderkante 3a und einer Hauptschaufelhinterkante 3b, wenigstens zwei erste Splitterschaufeln 4 mit einer ersten Splitterschaufelvorderkante 4a und einer ersten Splitterschaufelhinterkante 4b und wenigstens zwei zweite Splitterschaufeln 6 mit einer zweiten Splitterschaufelvorderkante 6a und einer zweiten Splitterschaufelhinterkante 6b auf, wobei die ersten Splitterschaufeln 4 zwischen den Hauptschaufeln 3 und den zweiten Splitterschaufeln 6 als Fortführung der Hauptschaufeln 3 beabstandet hinter diesen angeordnet sind. Durch die Hauptschaufelvorderkanten 3a wird der Verdichtereintritt 1a und durch die ersten Splitterschaufelhinterkanten 4b sowie die zweiten Splitterschaufelhinterkanten 6b der Verdichteraustritt 1b definiert.
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Durch die Hauptschaufeln 3, die ersten Splitterschaufeln 4 und die zweiten Splitterschaufeln 6 werden Strömungspassagen 5 gebildet, welche sich vom Verdichtereintritt 1a bis zum Verdichteraustritt 1b erstrecken. Die Hauptschaufeln 3 erstrecken sich ausgehend vom Verdichtereintritt 1a teilweise entlang der Strömungspassagen 5 bis in einen ersten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b, die ersten Splitterschaufeln 4 und die zweiten Splitterschaufeln 6 erstrecken sich ausgehend von einem zweiten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b teilweise entlang der Strömungspassagen 5 bis zum Verdichteraustritt 1b, wobei sich in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 1 gesehen die Hauptschaufeln 3 von den ersten Splitterschaufeln 4 teilweise und die zweiten Splitterschaufeln 6 von den ersten Splitterschaufeln 4 vollständig überdeckt werden.
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Ausführungsbeispiel 4
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Beispielhaft wird hier eine alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades 1 dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
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4a: eine schematische Schnittdarstellung des Verdichterlaufrades 1.
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Das Ausführungsbeispiel des Verdichterlaufrades 1, dargestellt in 4a, weist auf einer Nabe 2 wenigstens zwei Hauptschaufeln 3 mit jeweils einer Hauptschaufelvorderkante 3a und einer Hauptschaufelhinterkante 3b und wenigstens zwei erste Splitterschaufeln 4 mit einer ersten Splitterschaufelvorderkante 4a und einer ersten Splitterschaufelhinterkante 4b auf, wobei die ersten Splitterschaufeln 4 zwischen den Hauptschaufeln 3 angeordnet sind. Durch die Hauptschaufelvorderkanten 3a wird der Verdichtereintritt 1a und durch die ersten Splitterschaufelhinterkanten 4b der Verdichteraustritt 1b definiert.
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Die Hauptschaufeln 3 erstrecken sich ausgehend vom Verdichtereintritt 1a bis in einen ersten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b, und die ersten Splitterschaufeln 4 erstrecken sich ausgehend von einem zweiten Bereich zwischen Verdichtereintritt 1a und Verdichteraustritt 1b bis zum Verdichteraustritt 1b, wobei sich die Hauptschaufeln 3 und die ersten Splitterschaufeln 4 in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 1 gesehen teilweise überdecken. Die Hauptschaufelhinterkante 3b und die Splitterschaufelvorderkante 4a der sich teilweise überdeckenden Hauptschaufel 3 und Splitterschaufel 4 sind zueinander geneigt, so dass sich in Umfangsrichtung gesehen eine Überdeckung entweder im radial-inneren Bereich oder im radial-äußeren Bereich ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b
- Verdichterlaufrad, Verdichtereintritt, Verdichteraustritt
- 2
- Nabe
- 3, 3a ,3b
- Hauptschaufel, Hauptschaufelvorderkante, Hauptschaufelhinterkante
- 4, 4a, 4b
- erste Splitterschaufel, erste Splitterschaufelvorderkante, erste Splitterschaufelhinterkante
- 5
- Strömungspassage
- 6, 6a, 6b
- zweite Splitterschaufel, zweite Splitterschaufelvorderkante, zweite Splitterschaufelhinterkante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0205001 A1 [0005]
- DE 102009007843 A1 [0006]
- CN 106401990 A [0007]
