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Die
Erfindung betrifft einen Axiallüfter
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Axiallüfter mit
einer Einlaufdüse
nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruches 14, bekannt
durch die
DE 33 04
297 C2 der Anmelderin.
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Axiallüfter zur
Förderung
von Kühlluft
für Kühlvorrichtungen,
insbesondere Kühlmodule
in Kraftfahrzeugen sind bekannt, z. B. als Axiallüfter mit frei
stehenden Blattspitzen, welche in einem feststehenden Zargenring
einer Lüfterzarge
umlaufen. Bekannt sind auch so genannte Mantellüfter, bei welchen ein Mantel
mit den Blattspitzen der Lüfterblätter verbunden
ist und mit dem Lüfter
umläuft.
Durch den umlaufenden Mantel werden Blattspitzenverluste, welche
aus einer Umströmung
der Blattspitzen infolge der Druckunterschiede auf der Druck- und
Saugseite der Lüfterblätter entstehen,
vermieden. Bei größeren Kraftfahrzeugen,
insbesondere bei Nutzfahrzeugen wird der Lüfter von der Brennkraftmaschine des
Kraftfahrzeuges angetrieben und ist gegenüber dem Block der Brennkraftmaschine
gelagert. Die Kühlvorrichtung
dagegen, bestehend aus Wärmeübertragern,
z. B. Kühlmittel-
oder Ladeluftkühlern,
ist fahrzeugseitig abgestützt,
während
der Motor elastisch gegenüber
dem Fahrzeugrahmen gelagert ist. Daraus ergeben sich Relativbewegungen
zwischen dem Lüfter
und der Kühlvorrichtung
bzw. einer an der Kühlvorrichtung
befestigten Lüfterzarge.
Die Relativbewegung zwischen den motorfesten Teilen wie z. B. der
Lüfter
und den fahrzeugfesten Teilen wie z. B. die Lüfterzarge oder der Lüfterzargenring
werden daher durch elastische, flexible Ausgleichselemente kompensiert.
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Durch
die
DE 44 38 184 C1 der
Anmelderin wurde eine Kühlvorrichtung
mit einem motorseitig angetriebenen und abgestützten Axiallüfter bekannt, welcher
in einem motorfesten Zargenring umläuft. Eine in Strömungsrichtung
vor dem Axiallüfter
angeordnete Kühlvorrichtung,
bestehend aus einem Kühler
mit Kühler-
oder Lüfterzarge,
ist über
eine elastische ringförmige
Lippendichtung mit dem feststehenden Zargenring verbunden. Der Lüfterströmung, d.
h. der vom Lüfter
erzeugten Hauptströmung
ist im Blattspitzenbereich eine Bypassströmung überlagert. Die axiale Bautiefe
der bekannten Kühlvorrichtung
ist insbesondere wegen des dem Lüfter
vorgeschalteten ringförmigen
Bypasskanals zur Erzeugung der Bypassströmung relativ groß.
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Durch
die
DE 33 04 297 C2 der
Anmelderin wurde ein so genannter Mantellüfter mit einer Einlaufdüse bekannt,
wobei der Lüfter
und die Einlaufdüse motorfest,
d. h. an der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges abgestützt sind.
Der Mantel ist an Axialschaufeln des Lüfters befestigt und ragt mit
einem nach vorne verlängerten,
zylindrischen Bereich in die Einlaufdüse hinein, wodurch eine Spaltströmung mit einer
180-Grad-Umlenkung von der Druckseite des Lüfters zur Saugseite erzeugt
wird. Wegen der vorgeschalteten Einlaufdüse ergibt sich auch hier eine
relativ große
axiale Baulänge.
Darüber
hinaus wird der wirksame Lüfterquerschnitt
durch die radial nach innen ragende Einlaufdüse vermindert, wodurch die Förderleistung
des Lüfters
eingeschränkt
wird.
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Bei
heutigen Kraftfahrzeugen steht für
den Einbau von Kühlvorrichtungen
einschließlich
Lüfter wenig
Bauraum zur Verfügung,
andererseits steigen die Anforderungen in Bezug auf die zu erbringende Kühlleistung
und damit auch auf die Lüfterleistung.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Axiallüfter der eingangs genanten
Art hinsichtlich seiner Förderleistung
bei einem beschränkten
Bauraum zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, wobei
sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung aus den Unteransprüchen 2 bis
13 ergeben.
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Erfindungsgemäß ist die
Anströmkante
des Mantels gegenüber
den Vorderkanten der Lüfterschaufeln
(im Folgenden auch Lüfterblätter genannt) in
Strömungsrichtung
zurückgesetzt,
d. h. der Mantelring erstreckt sich in axialer Richtung nur über einen
Teil der Lüfterblatttiefe,
und zwar über
den stromabwärts
gelegenen Teil. Vorzugsweise ist in diesem Bereich der Zurücksetzung
des Mantels ein feststehender Leitring angeordnet, welcher vorzugsweise einen
gegenüber
dem Mantelring reduzierten Durchmesser aufweist. Der feststehende
Zargenring ist somit in Strömungsrichtung
vor dem Mantelring und radial innerhalb des Mantelringes angeordnet.
Damit wird der Vorteil einer Strömungsstabilisierung
im Blattspitzenbereich erreicht, verbunden mit einem erhöhten Wirkungsgrad
und geringerer Geräuschentwicklung.
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Nach
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung kann der Zargenring im Wesentlichen zylindrisch oder
konisch mit einer Erweiterung in Strömungsrichtung ausgebildet oder
auch mit einem glocken- oder trichterförmigen Einlaufbereich versehen sein,
der vorzugsweise gegenüber
den Lüfteranströmkanten
entgegen der Strömungsrichtung
versetzt angeordnet ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist an dem Zargenring im Bereich der Anströmkante des Mantelringes ein
Umlenkelement angeordnet, welches eine entgegen der Hauptströmung durch
den Axiallüfter
gerichtete Spaltströmung
erzeugt. Bevorzugt ist das ringförmige
Umlenkelement durch eine sich in Strömungsrichtung der Hauptströmung erstreckende
Ringfläche
verlängert,
welche mit der äußeren Mantelfläche des
Mantelringes einen Ringspalt bildet. Damit wird die Ausbildung einer wirksamen
Spaltströmung
unterstützt,
welche die Hauptströmung
im Blattspitzenbereich, d. h. innerhalb des Mantels stabilisiert.
Darüber
hinaus wird bei einem sich in stromabwärtiger Richtung erweiternden Mantelring
und einer sich parallel erweiternden Ringfläche eine radiale Abströmung der
Austrittsströmung begünstigt.
Dies ist bei axial beschränktem
Bauraum – infolge
eines stromabwärts
vom Lüfter
angeordneten Motorblockes des Kraftfahrzeuges – von besodnerem Vorteil.
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Zur
weiteren Unterstützung
einer radialen Abströmung
können
an der Ringfläche
Strömungsleitelemente,
vorzugsweise in Form eines radialen Nachleitapparates vorgesehen
sein, wie dies in der älteren
Anmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Aktenzeichen xy... (Zeichen
der Anmelderin: 06-B-060)
beschrieben ist. Die Erfindung mit den vorgenannten Ausführungsformen
sieht infolge der Zurücksetzung
des Mantels gegenüber
den Schaufelvorderkanten also nur eine partielle Ummantelung der
Lüfterschaufeln
in Bezug auf die Schaufeltiefe vor, wobei in dem nicht ummantelten
Bereich, dem Bereich der Zurücksetzung,
der feststehende Zargenring angeordnet ist. Dadurch werden einerseits axialer
Bauraum – im
Hinblick auf einen Mantellüfter mit
Einlaufdüse
gemäß dem Stand
der Technik und andererseits eine Stabilisierung der Hauptströmung als
wesentliche Vorteile erreicht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen Axiallüfter mit
den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruches 14 gelöst. Der
erfindungsgemäße Axiallüfter weist
einen vorstehenden, in eine Einlaufdüse hineinragenden Mantelring
auf, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannte Spaltströmung mit
einer 180-Grad-Umlenkung zur Strömungsstabilisierung
erreicht wird. Zur Vermeidung einer Fehlanströmung weist der erfindungsgemäße Axiallüfter eine
freistehende Vorder- und Blattspitzenkante auf, d. h. zwischen dem
anströmseitigen
Blattspitzenbereich und der Innenfläche des Mantelrings ist ein
Spalt in Form eines Zwickels belassen. Die Lüfterschaufeln können somit
im vorderen und äußersten
Bereich besser angeströmt
werden, d. h. mit geringeren Verlusten, welche sich aus einer Fehlanströmung durch
die Spalt- oder Düsenströmung ergeben.
Die Fehlanströmung
ist verursacht durch eine gegenüber
der Hauptströmung
höhere
Geschwindigkeit der Spalt- oder Düsenströmung, die darüber hinaus
eine Umfangskomponente aufweist. Somit wird ein beim Stand der Technik
vorhandener Nachteil durch eine freie, vordere Blattspitzenkante
beseitigt. Dennoch wird die stabilisierende Wirkung der Düsenströmung aufrechterhalten.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es
zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
einen Axiallüfter
mit zurückgesetztem Mantelring
und feststehendem Zargenring,
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2 eine
Abwandlung des Ausführungsbeispieles
gemäß 1,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Mantellüfter
und Einlaufdüse,
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4 eine
Abwandlung des Ausführungsbeispieles
gemäß 1,
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5 eine
weitere Abwandlung des Ausführungsbeispieles
gemäß 1,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem am Leitring angeordneten ringförmigen Umlenkelement,
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7 eine
Weiterbildung des Ausführungsbeispieles
gemäß 6,
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8 eine
Weiterbildung des Ausführungsbeispieles
gemäß 7,
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9 eine
Darstellung der Lüfterströmung für einen
Axiallüfter
nach dem Stand der Technik,
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10 eine
Darstellung der Haupt- und Spaltströmung bei einem Mantellüfter mit
Einlaufdüse
nach dem Stand der Technik und
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11 eine
Darstellung der Haupt- und Spaltströmung bei einem erfindungsgemäßem Axiallüfter.
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1 zeigt
einen Axiallüfter 1,
welcher über eine
Kupplung 2, vorzugsweise eine Flüssigkeitsreibungskupplung gegenüber einer
nicht dargestellten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gelagert und
von dieser angetrieben wird. Der Axiallüfter 1 ist Teil einer
Kühlvorrichtung,
welche nicht dargestellte Wärmeübertrager,
z. B. einen Kühlmittelkühler, einen Ladeluftkühler und
einen Kältemittelkondensator
aufweisen kann. Der Axiallüfter 1 wird
in Richtung eines Pfeiles L von Luft angeströmt, ist vorzugsweise in Strömungsrichtung
hinter den nicht dargestellten Wärmeübertragern
angeordnet und saugt Umgebungsluft durch die Wärmeübertrager. Der Axiallüfter 1 ist
dabei über
eine nicht dargestellte Lüfterzarge zur
Führung
der Kühlluft
mit den vorgeschalteten Wärmeübertragern
verbunden. Der Axiallüfter 1 weist
eine mit der Kupplung 2 verbundene Nabe 3 sowie
Axialschaufeln 4 mit einer Vorderkante 4a und
einer Hinterkante 4b auf. Die Rotationsachse des Lüfters ist
mit a bezeichnet. Die Axialschaufeln 4 weisen eine Schaufeltiefe
t auf, welche sich von der Vorderkanten 4a bis zur Hinterkante 4b erstreckt.
Die Schaufeln 4 weisen Schaufelspitzen (Blattspitzen) 4c auf,
an welchen ein Mantelring 5 mit einer Anströmkante 5a und
einer Abströmkante 5b befestigt
ist. Die Anströmkante 5a ist
gegenüber
den Vorderkanten 4a der Lüfterschaufeln 4 um
einen Betrag X1 in Strömungsrichtung
L versetzt, während
die Abströmkante 5b gegenüber der
Hinterkante 4b entgegen der Strömungsrichtung um einen Betrag
X2 versetzt ist. Die axiale Erstreckung I des Mantelringes 5 ist
also kleiner als die Schaufeltiefe t. Der Bereich der Blattspitzen 4c,
welcher sich in Strömungsrichtung
vor der Anströmkante 5a befindet,
d. h. der Bereich X1 der Zurücksetzung
der Anströmkante 5a weist
einen reduzierten Durchmesser D1 auf. Dadurch wird ein Eckbereich
der Schaufelspitzen 4c ausgespart, in welchem ein ortfest
angeordneter Leitring 6 angeordnet ist, wobei der Leitring 6 einen
mittleren Durchmesser D2 aufweist, der größer als der Durchmesser D1,
jedoch kleiner als der Durchmesser der Anströmkante 5a. Der Leitring 6 ist
im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, überlappt sich in axialer Richtung mit
den Axialschaufeln 4 und steht etwas gegenüber den
Vorderkanten 4a vor, d. h., entgegen der Strömungsrichtung
L. Der Leitring 6 ist vorzugsweise motorfest angeordnet,
d. h. ebenso wie der Axiallüfter 1, d.
h. zwischen dem rotierenden Lüfter 1 und
dem feststehenden Leitring 6 treten keine Relativbewegungen
auf, sodass ein minimaler Spalt realisiert werden kann.
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2 zeigt
einen Lüfter 7,
der eine Abwandlung des Lüfters 1 gemäß 1 darstellt,
wobei für gleiche
Teile gleiche Bezugszahlen wie zuvor verwendet werden. Der Lüfter 7 entspricht
im Wesentlichen dem Lüfter 1,
weist also eine ähnliche
Axialbeschaufelung 4 und einen ähnlichen Mantelring 5 auf. Im
Bereich der Zurücksetzung
der Anströmkante 5a ist
ein ortsfester Leitring 8 angeordnet, welcher konisch bzw.
diffusorartig ausgebildet ist, d. h. sich in Strömungsrichtung L erweitert.
Der ausgesparte Blattspitzenbereich 4c ist an die konische
Form des Leitringes 8 angepasst. Durch den diffusorartig
ausgebildeten Leitring 8 wird der im Wesentlichen halbaxial
ausgerichteten Hauptströmung
des Lüfters 7 Rechnung
getragen, sodass der Strömung
bereits eine radiale Komponente mitgegeben wird.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei welchem ein Axiallüfter 9 einen Mantel 10 mit
einem vorstehenden, zylindrischen Bereich 10a aufweist,
welcher in eine im Querschnitt U- oder C-förmig ausgebildete Einlaufdüse 11 hineinragt.
Ein derartiger Mantellüfter
mit Einlaufdüse
ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt und erzeugt
eine Spalt- oder Düsenströmung, welche
sich im Blattspitzenbereich der Hauptströmung überlagert und für eine Stabilisierung
der Hauptströmung
sorgt. Im Unterschied zum Stand der Technik reichen die Vorderkanten 4a der
Lüfterschaufeln 4 nicht
bis an die Innenfläche
des Mantels 10, wodurch ein Spalt s in Form eines Zwickels
gebildet wird. Die Lüfterschaufel 4 weist
im anströmseitigen
Bereich eine freie Schaufelspitzenkante 12 auf, welche
den Zwickel s begrenzt und von der durch die Einlaufdüse 11 gebildeten
Düsenströmung frei
anströmbar
ist. Durch die freie Blattspitzenkante 12 und die radial
nach innen zurückgenommene
Schaufelvorderkante 4a wird eine Fehlanströmung durch
die mit einer Umfangskomponente behaftete Spaltströmung vermieden.
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Die
Ausführungsbeispiele
gemäß 1 und 2 einerseits
sowie das Ausführungsbeispiel
gemäß 3 andererseits
sind durch die gemeinsame erfinderische Idee miteinander verbunden,
dass die Vorderkanten der Lüfterschaufeln
im Schaufelspitzenbereich frei stehen, d. h. nicht ummantelt sind. Damit
wird in beiden Fällen
eine Fehlanströmung
vermieden.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
einen Lüfter 13,
welcher im Wesentlichen den Lüftern 1 und 7 der
Ausführungsbeispiele gemäß 1 und 2 entspricht.
Unterschiedlich ist die Ausbildung des Leitringes 14, welcher
sich entgegen der Strömungsrichtung
L konisch oder glockenförmig
erweitert und somit einen Einlauftrichter für die einströmende Luft
bildet. Der zurückgenommene
Blattspitzenbereich 4c ist an diese Form des Leitringes 14 entsprechend
angepasst.
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5 zeigt
eine weitere Abwandlung des vorherigen Ausführungsbeispieles, d. h. für einen Lüfter 13,
dessen Mantelring 5 ein feststehender Leitring 15 vorgeschaltet
ist, welcher an seinem Lufteintrittsbereich einen sich radial nach
innen erstreckenden Blendenring 15a aufweist. Der Blendenring 15a deckt
den Radialspalt zwischen Leitring 15 und dem Blattspitzenbereich 4c der
Axialschaufeln 4 ab.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Axiallüfter 16,
welcher Axialschaufeln 4 und einen Mantelring 5 aufweist.
Ein Leitring 17, leicht konisch und diffusorartig ausgebildet, ist
dem Mantelring 5 vorgeschaltet und weist eine Anströmkante 17a sowie
eine Abströmkante 17b auf. Zwischen
der Abströmkante 17b des
Leitringes 17 und der Anströmkante 5a des Mantelringes 5 ist
ein Radialspalt 18 belassen, dem ein ringförmiges Umlenkelement 19,
befestigt an dem Leitring 17, zugeordnet ist. Durch diese
Anordnung wird eine Einlaufdüse
gebildet, welche eine Spalt- oder Düsenströmung ermöglicht, was im Zusammenhang
mit dem nächsten
Ausführungsbeispiel
näher erläutert wird.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, welches eine Weiterbildung der Ausführung gemäß 6 darstellt.
Ein Axiallüfter 20 weist
eine Axialbeschaufelung 4 mit einem Mantelring 5 und
einem vorgeschalteten Leitring 21 auf, an welchem zusätzlich zu
dem ringförmigen
Umlenkelement 19 eine sich in axialer und radialer Richtung, parallel
zum Mantelring 5 erstreckende Ringfläche 22 anschließt. Die
Hauptströmung
des Lüfters 20 ist durch
drei Strömungspfeile
P1, P2, P3 dargestellt, während
durch einen vierten Pfeil P4 eine Spalt- oder Düsenströmung angedeutet ist. Zwischen
der Außenfläche des
Mantelringes 5 und der Ringfläche 22 befindet sich
ein Ringspalt 23, durch welchen Luft von der Druckseite
des Lüfters
entgegen der Hauptströmungsrichtung
strömt,
im Umlenkelement 19 umgelenkt wird und durch den Radialspalt 18 in
den Lüfter 20,
d. h. dessen Axialbeschaufelung 4 eintritt. Diese Spalt-
oder Düsenströmung, bezeichnet
mit dem Pfeil P4, wirkt sich stabilisierend auf die Hauptströmung im
Lüfter
aus. Die Geometrie des Leitringes 21 und des Mantelringes 5 ist
derart beschaffen, dass sich eine Diffusorwirkung ergibt, wodurch
die Hauptströmung
P1, P2, P3 in eine radiale Richtung umgelenkt wird. Dies ist bei
dem in axialer Richtung beengten Bauraum im Kraftfahrzeug, insbesondere
durch den stromabwärts
angeordneten, nicht dargestellten Motorblock von großem Vorteil.
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8 zeigt
eine Weiterbildung des Ausführungsbeispieles
gemäß 7,
wobei die Ringfläche 22 weiter
in axialer und radialer Richtung verlängert ist und Strömungsleitelemente 24 trägt, welche
eine radiale Ausrichtung der Lüfterabströmung bewirken. Die
Strömungsleitelemente 24 können nach
Art eines radialen Nachleitapparates ausgebildet sein, wie er in
der älteren
Anmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Aktenzeichen xy... (Zeichen
der Anmelderin: 06-B-060) beschrieben ist. Durch dieses Ausführungsbeispiel
lässt sich
bei kompakter, axial beschränkter
Bauweise eine relativ verlustfreie, radial gerichtete Abströmung aus
dem Lüfter
erreichen.
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9 zeigt
eine Darstellung der Lüfterströmung für einen
Axiallüfter
nach dem Stand der Technik. Die Hauptströmung ist halbaxial gerichtet,
wie durch parallel verlaufende Pfeile P angedeutet ist. Im anströmseitigen
Blattspitzenbereich bildet sich ein Wirbel W aus, welcher die Hauptströmung stört und den
Wirkungsgrad des Lüfters
verschlechtert.
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10 zeigt
einen durch den Stand der Technik bekannten Mantellüfter mit
so genannter Einlaufdüse,
durch welche eine Düsenströmung, dargestellt
durch die beiden äußersten
Pfeile D, erzeugt wird. Im Vergleich der 9 und 10 ist
erkennbar, dass der Wirbel W durch die Düsenströmung D eliminiert wird. Dadurch
wird eine stabile Strömung auch
im Schaufelspitzenbereich erreicht.
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11 zeigt
ein weiteres Strömungsbild
für den
erfindungsgemäßen Axiallüfter 1 nach
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1.
Die Strömung
durch die Axialbeschaufelung 4 verläuft entsprechend den Pfeilen
in halbaxialer Richtung. Zwischen dem Mantelring 5 und
dem feststehenden Leitring 6 bildet sich eine Düsenströmung aus,
welche durch den äußersten
Pfeil F angedeutet ist. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung,
verbunden mit der Düsenströmung F,
wird eine Stabilisierung der Hauptströmung auch im Schaufelspitzenbereich
erreicht.