CN101213373B - 叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶轮，特别是用于汽车取暖和空调装置的转鼓形转子-离心鼓风机的塑料叶轮。所述叶轮具有多个叶片(2)，在两个叶片(2)之间的流道(3)在进气端为收敛状，在出气端为发散状，并且叶片叶型为不规则的。

Description

叶轮

技术领域

本发明涉及一种叶轮，特别是一种用于汽车取暖和空调装置的转鼓形转子-离心鼓风机的塑料叶轮。

背景技术

用于在汽车取暖装置或空调装置中输送空气的转鼓形转子-离心鼓风机，在运行时应使它的转速经常处于一个尽可能低的水平。在这种情况下，与之后的热交换器之间的进气比应尽可能有利，同时，通常很狭窄的现有安装空间应得到尽可能灵活地利用。但由于总的条件，在这里一般使用沿轴向加宽的螺旋形外壳和具有在叶片流道中静态增压的叶轮。在这里，叶片向后弯曲，在径向上带有端部或者略微向前弯曲，叶型没有或有轻微变化。在这里，流体在叶片流道中分离，并且一直到叶片流道的终端都保持分离。受这种叶片的限制，按照正常运行点和叶片的类型，转速需要达到高甚至很高的水平。出于声响的原因，在汽车取暖装置或汽车空调装置中通常不使用向后弯曲的叶片。

可使转速降到一个较低水平的离心鼓风机具有向前弯曲的叶片，并且在明显很低的转速下达到具有可比水平的正常运行点。在前弯曲的叶片上，流体被强烈折流和加速。这种动能在具有理想设计和平行壁的螺旋形外壳中被延迟，并转化成静压。在叶片流道的进口会出现流体分离，在叶片流道的终端流体又再度紧贴。沿轴向加宽的螺旋形外壳有利于热交换器的加载，并且在径向上变窄，但是在所述的具有前弯曲叶片的鼓风机中通常并不令人满意，因为它会导致效率的损失。

为了使例如用于在汽车取暖装置或汽车空调装置中输送空气的转鼓形转子-离心鼓风机，在尽可能低的转速下也能运行，人们发明了具有前弯曲叶片的转鼓形转子-离心鼓风机。其中，叶片的叶型没有或轻微变化。叶片通常是实心注射而成(见图5的左部，在图中显示了在常用的、叶型未变化的叶轮中流体在叶片流道中的流动，其中，在叶片的非工作面可以看到涡流的形成)。

在EP 1384894 A2中公开了一种叶片形式，在这种叶片形式上，试图通过第二组叶片在叶片工作面也称压力侧(Druckseite)和非工作面也称吸入侧(Saugseite)之间形成间隙，从而达到无分离的叶片流道穿流。但是这样会导致在叶片工作面和非工作面之间交换的能量出现大量损失，并导致间隙损失。

发明内容

本发明的任务是提供一种改善的叶轮，从而使叶片流道中尽可能不出现流体分离。

这个目的通过具有下述特征的叶轮实现。

本发明规定了一种叶轮，特别是一种用于汽车取暖和空调装置的转鼓形转子-离心鼓风机的塑料叶轮，它具有多个叶片，其中，在两个叶片之间的叶片流道在进气端优选为收敛状，在出气端优选为发散状，并且叶片叶型为不规则的。叶轮的收敛-发散形设计以及不规则的叶片叶型使得叶片流道中的流体出于基本上不分离的状态。在这里，通过叶片叶型在收敛区域的明显凸起和足够的厚度，使得流体在相应的流道部分中加速并沿叶轮的旋转方向无分离地折流。在紧接着的、几乎是笔直的发散的流道部分中，流体被基本上是无分离地延迟，在这一过程中静压上升。通过相应的设计、特别是一体式的叶片，在叶片工作面和非工作面之间的能量交换不会出现损失。

在流道的进气端为收敛的、出气端为发散的设计中，叶片长度比优选为0.1到0.9，更加优选为0.15到0.7，最好为0.2到0.6。其中，在叶片流道的收敛部分中，流道的缩小优选为0.030到0.2，更加优选为0.04到0.07，最好为0.05到0.06。在叶片流道的发散部分中，流道的扩大优选为0.05到0.17，更加优选为0.09到0.15，最好为0.1到0.14。

叶轮的叶片叶型优选为不规则的。作为叶型不规则的叶片，叶型厚度与叶型总长度之比大于0.15，特别是大于0.2。在这里，工作面的进口角优选为30°到90°，特别优选为35°到80°，而非工作面的进口角优选为25°到70°，特别优选为30°到60°；工作面的出口角优选为90°到175°，特别优选为100°到165°，而非工作面的出口角优选为90°到170°，特别优选为100°到165°。为了使流体流动达到最优而且没有分离以及达到最佳效率和低噪音的运行状态，特别优选的是各角度处于之前所给出的范围的中间位置，即在中间值+/-10°的范围。

叶片优选地由一种起支承作用的、优选为实心的结构形成，在其之上至少局部地将软组分(Weichkomponente)注射成型，或者至少局部地将软组分注射到其内。在这里，起支承作用的结构优选为第一塑料，其具有足够的强度，软组分为更软的第二塑料。第二塑料优选为发泡塑料。这种设计使得叶轮的制造过程中基本上不出现翘曲和收缩。

在叶片区域中起支承作用的结构的最大壁厚优选为3mm。这种壁厚肯定可以避免翘曲和收缩，但通过对形成结构的材料进行适当的选择则可以确保叶轮具有足够的强度。此外，通过适当选择软组分的材料可以减轻叶轮的重量，从而使鼓风机在整体上变得更轻。另外，软组分具有消音的功能，这样，这种鼓风机比不带软组分的相应鼓风机声音更小。

软组分优选地至少部分地形成叶片的型面，特别是在叶型不规则的区域。特别优选的是，既在非工作面也在工作面上设有一层软组分，而叶片的端部则优选地不带有软组分，这样，软组分还起到在安装时防止受到损伤的功能。

按照一种减轻重量的实施形式，叶片优选为至少部分地由空心型材形成。在这里，为了提高强度，在空心型材的内部设有支撑体。空心型材优选为在一侧封闭。在空心型材的框架(Zarge)侧封闭的情况下，叶片在框架侧优选地呈锥形缩小。

在叶轮轮毂侧的叶片优选在发动机侧呈圆柱形，在框架侧呈锥形，它们在这里朝着框架的方向缩小。这保证了尽管叶型不规则并且由框架覆盖，但仍有足够的进气横断面，并且不会对进气横断面产生阻挡。

这种叶轮的制造优选地通过塑料注射进行，其中优选的是，首先，起支承作用的结构由第一塑料注射成型，接下来或几乎同时，叶轮的具有不规则叶型的叶片和/或空心型材的至少一部分由更软的第二塑料注射成型，所述第二塑料被注射到起支承作用的结构之上或注射到由起支承作用的结构形成的空心型材之中。

作为起支承作用的结构的材料可以特别考虑PA或PP，但也可以考虑金属。  至少将起支承作用的结构局部包围的软组分优先考虑发泡塑料，例如S-EPS。同样特别适合的还有PP-EPDM。常常可使用PUR泡沫、密胺泡沫、PE泡沫(在应用时使用发泡剂)、硅泡沫，或者在有限的范围内，也可使用发泡弹性体。

上述用于起支承作用的结构的材料也相应地可用于不带软组分的叶轮，在这种情况下，特别是可以使用经过发泡的材料。

附图说明

下面通过一个实施例及其多个变型和附图对本发明进行详细说明。其中，

图1为根据发明的鼓风机叶轮的一个实施例的立体图；

图2为图1中所示叶轮的叶片的截面图；

图3a、3b是叶片变型体的截面图；

图4是叶片的截面详图，用于说明各尺寸；

图5的左部是常用的、实心的叶轮的截面图，图中通过矢量描述流体速度，在图5的右部是按照本发明的叶轮，它具有前弯曲的叶片叶型；

图6是叶轮的俯视图；

图7是另一个叶片变型体的示意图，图中显示出三个截平面的横断面；

图8是沿纵向穿过叶片的截面示意，用于对叶片缩小进行说明。

图9是缩小的叶片的叶轮的局部截面图；

图10为与图9相应的截面图，用于对叶片横断面面积的缩小进行说明；

图11a到11d为叶片缩小的可能轨迹的示意图；

图12为相对于叶片的基本叶片断面中线的对称缩小的示意图；

图13为相对于叶片的基本叶片断面中线的非对称缩小的示意图；

图14为相对于叶片的基本叶片断面中线的对称-非对称缩小的示意图。

具体实施方式

用于在汽车空调装置中输送空气的转鼓形转子-离心鼓风机，通常具有包括一圈叶片2的叶轮1，其中，在每两个叶片2之间形成了叶片流道3。叶轮1以已知的方式安装到增压发动机轴(图未示)上。在非工作面，叶轮1被作为螺旋形外壳一部分的框架所局部覆盖。在图6中对用于吸入空气的框架开口予以了说明。

叶片2的型面不规则，其中，流道3在进口区域4呈收敛状，而在出口区域5呈发散状(见图4)。叶片2的工作面DS在进口区域4、必要时一直到出口区域5为凹入的，而叶片2的非工作面SS在进口区域为凸起的并且在出口区域5为笔直的，其中，叶片厚度d在收敛区域达到最大。

为了避免在制造叶型不规则的叶片时出现问题，叶片2在这里包括结构6，它在这里实心塑料形成，并具有足够的强度来承受所要施加的负载；还包括在结构6上注射成型的、由软组分组成的层7，它在叶片2的型面不规则区域形成型面。在这里，结构6的厚度最大为3mm，这样在制造结构6时就不会出现翘曲或收缩的问题。此外，这个厚度通常足以使叶片2达到足够的刚性。注射成型的层7只用于叶片叶型的形成，并且在不考虑以下要求的情况下，即在所输送的空气影响下不出现压缩，所述层没有任何支承功能。在这里，注射成型的层7还具有表皮或涂层，其中，特别是用于避免沾污的涂层在必要时也可覆盖整个叶片2或整个叶轮1，从而简化制造过程。

在由软组分所覆盖的叶片2的区域，起支承作用的结构6略微缩小，在这里，缩小是逐渐发生的。由起支承作用的结构6向软组分的过渡不会影响外部轮廓。

按照本发明，起支承作用的结构6由PA组成，软组分由PP-EPDM组成。

在图3a和3b中是叶片2的变型，其中，在这些叶片上，结构6自身形成了叶片叶型，为此，它以空心型材的形式形成，并且在第二个变型中它还带有起加强作用的支撑体。特别是出于强度的原因，在空心型材的内部设有与注射成型的层7相同的软组分。同样，在各区域也可以设有如前面的实施例所述的、在外部注射成型的层。在这里，结构6的厚度最大也为3mm，这样，在制造时就不会出现翘曲或收缩。

在叶片叶型之内且在起支承作用的结构6的位置之上，软组分的厚度要与叶片的工作面和非工作面配合，这样，在鼓风机运行时，特别是在叶片的工作面的软组分就只会出现最小的、不会影响穿流的变形。

此外，在具有这种叶片叶型的叶轮设计中，如图5的右部清楚地显示，在叶片2的非工作面不会形成涡流，这样气流就可以紧贴在其上。在CFD计算中，这使得效率得到提高，并且在声响测量中所测得的噪声级处于较低的水平(如图5所示，图中给出了在相应的鼓风机的最优运行点处的流体轨迹和相应的效率)。

下面的几何尺寸特别适合于收敛-发散状的叶片流道，尤其是在型面不规则的叶片上，也就是说，是在d/lges大于0.15，特别是大于0.2的情况下，其中，d为叶片叶型厚度，Iges为叶片叶型的总长度(笔直测量)：

叶片流道长度比Lkv优选为0.1到0.9。在这里，Lgekrges表示弯曲的叶片流道的总长度，Lgekrdiv表示弯曲的叶片流道的发散部分的长度，Lgekrkonv表示弯曲的叶片流道的收敛部分的长度，其中，

Lgekrges＝Lgekrdiv+Lgekrkonv，

并且

Lkv＝Lgekrdiv/Lgekrges

在叶片流道的收敛部分流道缩小Kverkonv，其中，

Kverkonv＝(A1-A2)/Lgekrkonv，

它优选为0.030到0.200。在这里，A1为进口处的流道宽度，A2为在最狭窄的横断面处的流道宽度。

在叶片流道的发散部分流道扩大Kerwdiv，其中，

Kerwdiv＝(A3-A2)/Lgekrdiv，

它优选为0.05到0.17。在这里，A3为出口处的流道宽度。

在这里，工作面的进口角beta1DS为30°到90°，非工作面的进口角beta1SS为25°到70°。工作面的出口角beta2DS为90°到175°，非工作面的出口角beta2SS为90°到170°。

上述用于beta1DS、beta1SS、beta2DS和beta2SS的角度范围也特别适合于发散-收敛状的叶片流道以及收敛状的叶片流道。

由于叶片2在设计上型面不规则以及进入开口(只有大约1/3的叶片没有被框架覆盖)的原因，在大流量的情况下，在进口区域会出现阻挡，如图6所示。这会降低效率和/或造成异响。因此，按照另一个变型，叶片2在其长度范围内或长度范围的一个或多个部分内，在与旋转轴平行的情况下具有不同的横断面。在这里，进口侧的横断面，如图7所示，在叶轮轮毂侧为圆柱形(叶轮轮毂侧在图1中由标号9标出)并带有脱模斜度，而在框架侧沿纵向朝着框架缩小成锥形。

按照一个图未示的变型，叶片在横断面上为实心，并由一种材料制成，例如轻金属或可发泡的塑料，也就是说，软组分被取消，由本体材料取代。

图8到10中是相对于图6的变型，其中，叶片2沿朝着进气侧的方向缩小。在这里，从旋转轴的方向看，叶片在其大部分的长度范围内具有不变的横断面。只是在最后的四分之一部分，叶片的横断面缩小，也就是说，在纵截面方向上，内部直径dinenn变大一直到缩小的内部直径diverj，而外部直径则保持不变，在厚度方向上也是这样。为了更清楚地说明型面的变化，在图9中通过星划线标出了基本叶片叶型的叶片断面中线。在图8中画出了在叶片总长度范围内的缩小的轨迹。在这里，叶片总长度由Slgesamt表示，出现内部直径变大的叶片长度部分由Slverj表示。如图8所示，内部直径diverj在叶片长度的最后四分之一部分变大。图8中的叶片叶型长度没有按照比例画出。

一般来说，缩小部分的叶片长度与叶片总长度之比(Slver/Slgesamt)为0.1到0.7，优选为0.15到0.5，特别优选为0.20到0.25。

直径比DV由以下等式获得：

DV＝(Dnenn-Dverjüngt)/Dnenn

它通常为0.01到0.2，优选为0.02到0.1，特别优选为0.04到0.07，其中，Dnenn和Dverjüngt从以下等式得到：

Dnenn＝dinenn/da

和

Dverjüngt＝diverj/da

在这里，da为叶片外部直径，dinenn为叶片额定内部直径，diverj为叶片缩小的内部直径。

除了叶片叶型长度之外，叶片叶型的厚度也缩小，这样，在缩小的区域叶片叶型的横断面面积也缩小。横断面面积的相对变小由以下等式获得：

AV＝(Anenn-Averj)/Anenn

其中，Anenn是在没有缩小的区域的横断面面积，它在下面就被称为基本型面，Averj是在缩小(最大)的区域的横断面面积。从图10可以特别清楚地看出叶片叶型的变化。通常来说，即不明确涉及这里的变型时，横断面面积的相对变小AV为0.1到0.90，特别是从0.2到0.8，特别优选为0.3到0.7。

图11a到11d涉及具有代表性的缩小轨迹的其它变型，其中，图11a中为凸起状的缩小轨迹，图11b中为凹入状的缩小轨迹，图11c中为线性的缩小轨迹，图11d中为单级的缩小轨迹。任意组合，例如在必要时为多级的缩小轨迹也是可以的。

图12到14涉及叶片叶型沿朝着进气方向缩小的变型。缩小的轨迹例如可以与图11a到11d所示相同。为了更好地说明型面变化，在图12到14中通过星划线标出了各基本叶片叶型的叶片断面中线。

相对于基本型面的缩小可以相对于叶片断面中线对称进行，如图12中在叶片2的非工作面上的虚线所示。相对于基本型面的缩小可以相对于叶片断面中线非对称进行，如图13中在叶片2的非工作面上的点线所示。缩小也可以在一部分相对于叶片断面中线对称进行，在另一部分相对于叶片断面中线非对称进行，如图12到14中的实线所示，这可以在实线与虚线或点线比较中清楚地看出。

一般来说，叶片的缩小部分的流道形状既可以收敛状，也可以是收敛-发散状或发散状。

特别优选的是，在缩小的叶片部分的进口角和出口角，与基本型面区域即横断面保持不变的部分进口角和出口角不同，这样就使叶片叶型出现空气动力上的扭曲。但是角度也可以保持不变或者至少是基本不变。

按照一个图未示的变型，在框架侧也可以有至少为部分的盖片。

按照另一个同样图未示的变型，叶片由空心型材形成，它由一部单一的材料制成。在这里，为了加强叶片叶型也可以设置横向撑，这样，尤其就可以形成若干相互间隔开的空腔。

如果叶片由(局部)空心型材形成，那么它们在框架侧可以是敞开的，也可以是封闭的。

Claims (9)

1.用于汽车取暖和空调装置的带有转鼓形转子的离心鼓风机的塑料叶轮，它具有多个叶片(2)，其特征在于，在两个叶片(2)之间的流道(3)在进气端为收敛状，在出气端为发散状，并且叶片叶型为不规则的，在流道(3)的收敛部分中，流道的缩小为0.030到0.20，在流道的发散部分中，流道的扩大为0.05到0.17；至少局部地将软组分成型到叶片(2)的起支承作用的结构(6)之上，或者至少局部地将软组分注射到所述叶片(2)之内。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，叶片(2)的叶型如此形成：工作面的进口角为30°到90°，非工作面的进口角为25°到70°，工作面的出口角为90°到175°，非工作面的出口角为90°到170°。

3.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，在叶片区域中起支承作用的结构(6)的最大实心壁厚为3mm。

4.根据权利要求1或3所述的叶轮，其特征在于，软组分至少局部地形成叶片(2)的型面。

5.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，叶片至少局部地由空心型材形成，该叶片在一侧为封闭的。

6.根据权利要求5所述的叶轮，其特征在于，叶片为空心的，同时，在空心的叶片中设有支撑体。

7.根据权利要求5或6所述的叶轮，其特征在于，软组分被注射到空心型材的内部。

8.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，叶轮(1)通过双组分塑料注射工艺制成。

9.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，叶片(2)在其长度范围内或长度范围的一个或多个部分内，在与旋转轴平行的方向上具有至少局部缩小的横断面，在叶轮轮毂侧的叶片(2)的横断面大于在框架侧的叶片(2)的横断面。

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