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Diese nicht-provisorische Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung
JP 2020-121242 A , die am 15. Juli 2020 beim Japanischen Patentamt eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zentrifugalkompressor.
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Beschreibung des technischen Hintergrunds
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Zum Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2018-168707 A einen Zentrifugalkompressor mit einem Flügelrad. Das Flügelrad in dem Zentrifugalkompressor hat eine Nabe mit einer radialen Außenfläche und einer Rückfläche und eine Vielzahl von Schaufeln. Die Nabe ist mit einem Durchgangsloch versehen, das durch sie hindurch zwischen der radialen Außenfläche und der Rückfläche ausgebildet ist. Das so gebildete Durchgangsloch reduziert ein Trägheitsmoment des Flügelrads und eine auf das Flügelrad wirkende Schublast.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Beim Flügelrad des in der japanischen Patentanmeldung
JP 2018-168707 A beschriebenen Zentrifugalkompressors kann ein Teil eines Luftstroms, der entlang der radialen Außenfläche der Nabe hin zu einer Ablassseite strömt, mit einem Teil einer inneren Umfangsfläche, die das Durchgangsloch umgibt, das sich stromabwärts des Luftstroms befindet, kollidieren und dementsprechend durch das Durchgangsloch hin zu der Rückfläche des Flügelrads strömen. Dies führt zu einer reduzierten Leistung (oder einem reduzierten Druckverhältnis).
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zentrifugalkompressor bereitzustellen, der in der Lage ist, sowohl eine Verringerung in einem Trägheitsmoment eines Flügelrads und in einer auf das Flügelrad wirkenden Schublast, als auch eine Unterdrückung einer Verringerung in einem Druckverhältnis zu erreichen.
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Ein Zentrifugalkompressor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Zentrifugalkompressor, der eine Rotationswelle und ein Flügelrad, das an der Rotationswelle befestigt ist und sich zusammen mit der Rotationswelle dreht, umfasst, wobei das Flügelrad eine Nabe mit einer radialen Außenfläche, die eine Form hat, deren Durchmesser von einer Seite der Rotationswelle hin zu der anderen Seite der Rotationswelle allmählich zunimmt, und einer Rückfläche, die auf der anderen Seite der Rotationswelle ausgebildet ist, und eine Vielzahl von Schaufeln, die auf der radialen Außenfläche der Nabe vorgesehen sind, umfasst, wobei die Nabe mit einem Durchgangsloch versehen ist, das durch sie hindurch zwischen der radialen Außenfläche und der Rückfläche ausgebildet ist, wobei die radiale Außenfläche eine innere radiale Außenfläche, die in einer radialen Richtung der Nabe innerhalb des Durchgangslochs angeordnet ist, und eine äußere radiale Außenfläche, die in der radialen Richtung der Nabe außerhalb des Durchgangslochs angeordnet ist, aufweist, wobei die äußere radiale Außenfläche näher an der Rückfläche ausgebildet ist als eine imaginäre gekrümmte Oberfläche, die als einen Radius einen Krümmungsradius der inneren radialen Außenfläche an einer Außenkante derselben in der radialen Richtung aufweist.
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Die vorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlicher, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Konfiguration eines Zentrifugalkompressors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Flügelrads.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht des Flügelrads in einem anderen Winkel als in 2.
- 4 zeigt schematisch das Flügelrad im Querschnitt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Figuren, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, ist jedes gleiche oder gleichwertige Element identisch bezeichnet.
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1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Konfiguration eines Zentrifugalkompressors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Zentrifugalkompressor 1 ein Flügelrad 100, ein Turbinenrad 200, eine Rotationswelle 310, einen Motor 320, ein Lager 330 und ein Gehäuse 400.
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Die Rotationswelle 310 verbindet das Flügelrad 100 und das Turbinenrad 200 miteinander. Die Rotationswelle 310 wird durch den Motor 320 rotierend angetrieben. Die Rotationswelle 310 wird von dem Lager 330 aufgenommen. Der Motor 320 umfasst einen Rotor und einen Stator (nicht gezeigt).
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Das Gehäuse 400 beherbergt das Flügelrad 100, das Turbinenrad 200, die Rotationswelle 310, den Motor 320 und das Lager 330. Das Gehäuse 400 hat ein Kompressorgehäuse 410, ein Turbinengehäuse 420 und ein Mittelgehäuse 430.
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Das Kompressorgehäuse 410 nimmt das Flügelrad 100 auf. Das Kompressorgehäuse 410 hat einen Sauganschluss 411 und eine Ablasseinheit 412. Ein Diffusor (nicht gezeigt) ist in dem Kompressorgehäuse 410 an einer Ablassseite des Flügelrads 100 vorgesehen.
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In dem Turbinengehäuse 420 ist das Turbinenrad 200 untergebracht. Das Turbinengehäuse 420 hat eine Saugeinheit 421 und einen Ablassanschluss 422.
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Das Mittelgehäuse 430 ist zwischen dem Kompressorgehäuse 410 und dem Turbinengehäuse 420 angeordnet. Im Mittelgehäuse 430 sind der Motor 320 und das Lager 330 untergebracht.
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Das Mittelgehäuse 430 hat ein hinteres Gehäuse 440. Das hintere Gehäuse 440 ist zwischen dem Flügelrad 100 und dem Lager 330 vorgesehen. Das hintere Gehäuse 440 hat eine gegenüberliegende Fläche 442 (siehe 4), die dem Flügelrad 100 zugewandt ist. Die gegenüberliegende Fläche 442 ist eben ausgebildet.
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Das Flügelrad 100 nimmt Gas (z. B. Luft) auf, das durch den Sauganschluss 411 angesaugt wird, und lässt das Gas durch die Ablasseinheit 412 ab. Das Flügelrad 100 ist an der Rotationswelle 310 befestigt und dreht sich zusammen mit der Rotationswelle 310 um eine Achse A. Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst das Flügelrad 100 eine Nabe 110 und eine Vielzahl von Schaufeln 120.
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Die Nabe 110 ist an der Rotationswelle 310 befestigt und um die Achse A drehbar. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Achse A einer Drehmittelpunktsachse der Rotationswelle 310. Die Nabe 110 hat eine radiale Außenfläche 112 und eine Rückfläche 118.
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Die radiale Außenfläche 112 hat eine Form, deren Durchmesser von einer Seite (einer oberen Seite in 1) der Rotationswelle 310 (der Drehmittelpunktsachse) hin zu der anderen Seite (einer unteren Seite in 1) der Rotationswelle 310 zunimmt. In anderen Worten hat die radiale Außenfläche 112 eine Form, deren Außendurchmesser allmählich von einem Endabschnitt auf der Saugseite hin zu einem Endabschnitt auf der Ablassseite zunimmt. Da sich die radiale Außenfläche 112 von einer Seite hin zu der anderen Seite erstreckt, hat die radiale Außenfläche 112 eine Form, die in einer Richtung, die sich der Rotationswelle 310 nähert, konvex gekrümmt ist.
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Die Rückfläche 118 ist orthogonal zur Achse A. Die Rückfläche 118 ist auf der anderen Seite (oder der Ablassseite) ausgebildet. Die Rückfläche 118 ist eben ausgebildet.
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Die Nabe 110 ist mit einem Durchgangsloch h versehen, das durch sie hindurch zwischen der radialen Außenfläche 112 und der Rückfläche 118 ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Durchgangsloch h in einem Ring um die Achse A ohne Unterbrechung ausgebildet. Das Durchgangsloch h durchdringt die Nabe 110 in einer Richtung parallel zur Achse A. Das Durchgangsloch h ist vorzugsweise in der Nähe einer Außenkante der Nabe 110 ausgebildet.
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Die radiale Außenfläche 112 der Nabe 110 hat eine innere radiale Außenfläche 114 und eine äußere radiale Außenfläche 116.
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Die innere radiale Außenfläche 114 ist eine radiale Außenfläche, die sich in der radialen Richtung der Nabe 110 innerhalb des Durchgangslochs h befindet.
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Die äußere radiale Außenfläche 116 ist eine radiale Außenfläche, die sich in der radialen Richtung der Nabe 110 außerhalb des Durchgangslochs h befindet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die äußere radiale Außenfläche 116 in einem Ring (oder einem Kranz) ausgebildet. Wie in 4 gezeigt ist, ist die äußere radiale Außenfläche 116 näher an der Rückfläche 118 ausgebildet als eine imaginäre gekrümmte Fläche S, die als einen Radius einen Krümmungsradius der inneren radialen Außenfläche 114 an einer Außenkante 114a derselben in der radialen Richtung hat. Das heißt, die äußere radiale Außenfläche 116 hat eine radial innere Kante 116a, die näher an der Rückfläche 118 liegt als die imaginäre gekrümmte Fläche S. Die Rückfläche 118 hinter der äußeren radialen Außenfläche 116 ist bündig mit der Rückfläche 118 hinter der inneren radialen Außenfläche 114.
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Die radiale Außenfläche 112 der Nabe 110 hat einen Radius R (siehe 3) und einen Innenradius R1, der durch das Durchgangsloch h (siehe 3) begrenzt wird, vorzugsweise mit einem Verhältnis R1/R von 0,74 oder mehr und 0,8 oder weniger. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt das Verhältnis R1/R 0,745. Ferner hat die radiale Außenfläche 112 der Nabe 110 einen Außenradius R2, der durch das Durchgangsloch h begrenzt wird (siehe 3), vorzugsweise mit einem Verhältnis R2/R von 0,85 oder mehr und 0,9 oder weniger. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt das Verhältnis R2/R 0,855.
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Es ist zu beachten, dass der Innenradius R1 einen Abstand von der Achse A zur Außenkante 114a bedeutet. Der Außenradius R2 bedeutet einen Abstand von der Achse A zur Innenkante 116a.
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Wenn ferner ein Abstand zwischen der Außenkante 114a und der Innenkante 116a in einer Richtung parallel zu der Achse A als H1 (siehe 4) und ein Abstand zwischen der imaginären gekrümmten Oberfläche S und der Innenkante 116a in der Richtung parallel zu der Achse A als H2 (siehe 4) dargestellt wird, ist ein Verhältnis von H2/H1 vorzugsweise größer als 0 und kleiner als 1. Noch bevorzugter ist 0,1 < H2/H1 < 1. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Verhältnis H2/H1 0,4.
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Jede Schaufel 120 ist an der radialen Außenfläche 112 der Nabe 110 vorgesehen. Jede Schaufel 120 hat eine Form, die sich von der inneren radialen Außenfläche 114 erstreckt, um die äußere radiale Außenfläche 116 zu erreichen. Jede Schaufel 120 verbindet die innere radiale Außenfläche 114 und die äußere radiale Außenfläche 116 miteinander. Die Vielzahl von Schaufeln 120 hat eine Vielzahl von ersten Schaufeln 120A und eine Vielzahl von zweiten Schaufeln 120B.
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Die erste Schaufel 120A hat eine Form, die sich so erstreckt, dass sie von der inneren radialen Außenfläche 114 in einer Nähe eines Endes derselben, das sich auf der einen Seite befindet, die äußere radiale Außenfläche 116 erreicht.
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Die zweite Schaufel 120B hat eine Form, die sich so erstreckt, dass sie die äußere radiale Außenfläche 116 von einem radial mittleren Abschnitt der inneren radialen Außenfläche 114 erreicht.
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Wie in den 2 bis 4 gezeigt ist, hat jede Schaufel 120 einen Schaufelkörper 122, einen inneren Verbindungsabschnitt 124 und einen äußeren Verbindungsabschnitt 126.
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Der Schaufelkörper 122 hat eine Form, die sich von der inneren radialen Außenfläche 114 erstreckt, um die äußere radiale Außenfläche 116 zu erreichen. Der Schaufelkörper 122 ist in einer Richtung geneigt, in der sich die Nabe 110 dreht.
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Der innere Verbindungsabschnitt 124 ist an einem Grenzabschnitt zwischen dem Schaufelkörper 122 und einem Abschnitt 110a einer das Durchgangsloch h in der Nabe 110 definierenden Seitenfläche vorgesehen, die näher an der Rotationswelle 310 liegt. Wenn sich der innere Verbindungsabschnitt 124 weiter von der Rückfläche 118 entfernt, hat der innere Verbindungsabschnitt 124 eine Form, die in einer Richtung, die sich der Rotationswelle 310 nähert, konvex gekrümmt ist.
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Der äußere Verbindungsabschnitt 126 ist an einem Grenzabschnitt zwischen dem Schaufelkörper 122 und einem Abschnitt 110b einer das Durchgangsloch h in der Nabe 110 definierenden Seitenfläche vorgesehen, die weiter von der Rotationswelle 310 entfernt ist. Wenn sich der äußere Verbindungsabschnitt 126 weiter von der Rückfläche 118 entfernt, hat der äußere Verbindungsabschnitt 126 eine Form, die in einer Richtung, die weiter von der Rotationswelle 310 entfernt ist, konvex gekrümmt ist.
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Somit hat der Zentrifugalkompressor 1 der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu einem Fall, bei dem das Flügelrad 100 die äußere radiale Außenfläche 116 hat, die entlang der imaginären gekrümmten Oberfläche S geformt ist, eine reduzierte Dicke der äußeren radialen Außenfläche 116 und somit ein reduziertes Trägheitsmoment des Flügelrades 100. Des Weiteren fließt ein Luftstrom, der entlang der inneren radialen Außenfläche 114 zur Ablassseite fließt, entlang der äußeren radialen Außenfläche 116 zur Ablassseite, wie in 4 durch einen Pfeil angedeutet ist. Dies unterdrückt eine Kollision des Luftstroms mit dem Abschnitt 110b einer das Durchgangsloch h definierenden Seitenfläche, die sich stromabwärts des Luftstroms befindet. Der Zentrifugalkompressor 1 erreicht somit sowohl eine Verringerung des Trägheitsmoments des Flügelrads 100 und einer auf das Flügelrad 100 wirkenden Schublast als auch eine Unterdrückung einer Verringerung in einem Druckverhältnis.
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Das Durchgangsloch h kann z. B. nicht in einem Ring ohne Unterbrechung, sondern in Intervallen in einer Umfangsrichtung der Nabe 110 ausgebildet sein.
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Außerdem können die Schaufeln 120 alle identisch geformt sein.
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[Art und Weise]
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Es wird dem Fachmann klar sein, dass die obige beispielhafte Ausführungsform ein spezifisches Beispiel der folgenden Art und Weise ist:
- Der Zentrifugalkompressor 1 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Zentrifugalkompressor, der eine Rotationswelle und ein Flügelrad umfasst, das an der Rotationswelle befestigt ist und sich zusammen mit der Rotationswelle dreht, wobei das Flügelrad eine Nabe mit einer radialen Außenfläche, die eine Form aufweist, deren Durchmesser von einer Seite der Rotationswelle in Richtung der anderen Seite der Rotationswelle allmählich zunimmt, und einer Rückfläche, die auf der anderen Seite der Rotationswelle ausgebildet ist, und eine Vielzahl von Schaufeln, die auf der radialen Außenfläche der Nabe vorgesehen sind, umfasst, wobei die Nabe mit einem Durchgangsloch versehen ist, das durch sie hindurch zwischen der radialen Außenfläche und der Rückfläche ausgebildet ist, wobei die radiale Außenfläche eine innere radiale Außenfläche, die innerhalb des Durchgangslochs in einer radialen Richtung der Nabe angeordnet ist, und eine äußere radiale Außenfläche, die außerhalb des Durchgangslochs in der radialen Richtung der Nabe angeordnet ist, aufweist, wobei die äußere radiale Außenfläche näher an der Rückfläche ausgebildet ist als eine imaginäre gekrümmte Oberfläche, die als einen Radius einen Krümmungsradius der inneren radialen Außenfläche an einer Außenkante derselben in der radialen Richtung aufweist.
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Der vorliegende Zentrifugalkompressor reduziert im Vergleich zu einem Flügelrad mit einer äußeren radialen Außenfläche, die entlang einer imaginären gekrümmten Oberfläche geformt ist, ein Trägheitsmoment des Flügelrads und unterdrückt auch eine Kollision eines Luftstroms gegen einen Abschnitt einer das Durchgangsloch definierenden Seitenfläche, die sich stromabwärts des Luftstroms befindet. Der vorliegende Zentrifugalkompressor erreicht somit sowohl eine Reduzierung in einem Trägheitsmoment des Flügelrads und einer auf das Flügelrad wirkenden Schublast als auch eine Unterdrückung einer Verringerung in einem Druckverhältnis.
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Ein Verhältnis eines Abstandes in einer Richtung parallel zu der Rotationswelle zwischen der imaginären gekrümmten Fläche und einer Innenkante der äußeren radialen Außenfläche in der radialen Richtung zu einem Abstand in der Richtung parallel zu der Rotationswelle zwischen der Außenkante und der Innenkante ist vorzugsweise größer als 0 und kleiner als 1.
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Ferner haben die Schaufeln jeweils vorzugsweise einen Schaufelkörper mit einer Form, die sich von der inneren radialen Außenfläche erstreckt, um die äußere radiale Außenfläche zu erreichen, einen inneren Verbindungsabschnitt, der an einem Grenzabschnitt zwischen dem Schaufelkörper und einem Abschnitt einer das Durchgangsloch in der Nabe definierenden Seitenfläche vorgesehen ist, die näher an der Rotationswelle liegt, und einen äußeren Verbindungsabschnitt, der an einem Grenzabschnitt zwischen dem Schaufelkörper und einem Abschnitt einer das Durchgangsloch in der Nabe definierenden Seitenfläche vorgesehen ist, die weiter von der Rotationswelle entfernt ist.
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Dies reduziert eine Spannung, die an einem Grenzabschnitt zwischen dem Schaufelkörper und der Nabe erzeugt wird.
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Ferner hat der innere Verbindungsabschnitt vorzugsweise, wenn er sich weiter von der Rückfläche entfernt, in einer Richtung, die sich der Rotationswelle annähert, eine konvex gekrümmte Form.
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Dadurch wird eine in dem inneren Verbindungsabschnitt erzeugte Spannung reduziert.
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Ferner hat der äußere Verbindungsabschnitt vorzugsweise, wenn er sich weiter von der Rückfläche entfernt, eine Form, die in einer Richtung, die weiter von der Rotationswelle entfernt ist, konvex gekrümmt ist.
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Dadurch wird eine Spannung, die in dem äußeren Verbindungsabschnitt erzeugt wird, reduziert.
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Ferner ist das Durchgangsloch vorzugsweise ringförmig ausgebildet, wobei ein Verhältnis eines inneren Radius der radialen Außenfläche der Nabe, der durch das Durchgangsloch begrenzt wird, zum Radius der radialen Außenfläche der Nabe 0,74 oder mehr und 0,8 oder weniger und ein Verhältnis eines äußeren Radius der radialen Außenfläche der Nabe, der durch das Durchgangsloch begrenzt wird, zum Radius der radialen Außenfläche der Nabe 0,85 oder mehr und 0,9 oder weniger beträgt, und wobei die Schaufeln jeweils die innere radiale Außenfläche und die äußere radiale Außenfläche miteinander verbinden.
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Dadurch werden das Trägheitsmoment und die Schublast weiter reduziert.
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Während die vorliegende Erfindung in Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht illustrativ und nicht einschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Begriffe der Ansprüche definiert und soll alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Umfangs, die zu den Begriffen der Ansprüche äquivalent sind, umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2020121242 A [0001]
- JP 2018168707 A [0003, 0004]
