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Die Erfindung betrifft ein Radialventilatorrad, mit einer eine Eintrittsöffnung aufweisenden Deckscheibe und einer Tragscheibe, die über einen Schaufelkranz miteinander verbunden sind, der von innen nach außen gegen die Laufrichtung geneigte Schaufeln aufweist, die jeweils eine Schaufeleintrittskante und eine in Radialrichtung weiter außen angeordnete Schaufelaustrittskante aufweisen.
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Derartige Radialventilatorräder sind seit langem bekannt und sind eine der Hauptkomponenten eines Radialventilators. Solche Radialventilatoren werden beispielsweise häufig in der Klima- und Belüftungstechnik, beispielsweise als Bestandteil eines Klimagerätes eingesetzt. Es ist jedoch auch eine Anwendung im Automotive-Bereich, beispielsweise als Bestandteil einer Kraftfahrzeug-Kühlanlage, denkbar.
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Ein Radialventilatorrad der eingangs erwähnten Art ist in der
DE 10 2008 053 144 A1 beschrieben. Dort sind eine Lüfteranordnung und ein Gargerät mit Lüfteranordnung offenbart, wobei die Lüfteranordnung ein Radiallaufrad mit zwischen einer kreisscheibenförmig ausgebildeten Tragscheibe und einem Tragring angeordneten Hauptschaufeln aufweist. Die Hauptschaufeln sind auf der Tragscheibe in Umfangsrichtung in gleichem Abstand zueinander und rückwärts geneigt an der Tragscheibe angeordnet. Das Radiallaufrad ist rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse ausgebildet und der Tragring trägt Leitschaufeln, die eine beim Betrieb der Lüfteranordnung radial nach außen gerichtete Fluidströmung hervor rufen, um das Auftreten von Wirbeln am Radiallaufrad zu vermindern. Radialventilatorräder bzw. Radialventilatoren sind beispielsweise aus der
DE 696 25 917 T2 ,
EP 1 608 875 B1 oder
DE 25 30 742 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radialventilatorrad der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wirkungsgrad besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Radialventilatorrad mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Das erfindungsgemäße Radialventilatorrad zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaufeleintrittskanten ausgehend von der Deckscheibe in Richtung zur Tragscheibe jeweils einen geraden Verlauf mit einer Komponente in Radialrichtung und einer Komponente in Umfangsrichtung haben.
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Dadurch besitzt jede Schaufel eine schräge Schaufeleintrittskante, wodurch sich Stoßverluste entlang der Schaufeleintrittskante wirksam reduzieren und der Wirkungsgrad des Rades verbessern lässt. Schaufeln mit geradem Verlauf der Schaufeleintrittskanten lassen sich fertigungstechnisch leichter herstellen als solche mit verwundenen Schaufeleintrittskanten. Dennoch wird der Effekt der Wirkungsgraderhöhung des Radialventilatorrades erreicht, indem die Schaufeleintrittskante zwischen der Deck- und der Tragscheibe in besonderer Weise ausgerichtet ist, nämlich mit einer Komponente in Radialrichtung und einer Komponente in Umfangsrichtung.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist an der Schaufeleintrittskante ein Schaufeleintrittswinkel β1 gebildet, der als Winkel einer Tangente an einen inneren Fußpunkt der Schaufel zur durch diesen Fußpunkt laufenden Kreisumfangstangente definiert ist, wobei der Schaufeleintrittswinkel im Bereich der Tragscheibe β1, TS verschiedene von dem Schaufeleintrittswinkel im Bereich der Deckscheibe β1, DS ist.
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In besonders bevorzugter Weise ist der Schaufeleintrittswinkel im Bereich der Deckscheibe β1, DS größer als der Schaufeleintrittswinkel im Bereich der Tragscheibe β1, TS. Dies trägt den höheren Radialgeschwindigkeiten im Bereich der Deckscheibe Rechnung, so dass sich über die gesamte Schaufeleintrittskante eine optimale Anströmung ergibt.
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Es ist möglich, dass unterschiedliche Durchmesserverhältnisse entlang der Schaufeleintrittskante vorliegen, die die Komponente in Radialrichtung bilden. So ist es beispielsweise möglich, dass das Verhältnis des Schaufelinnendurchmessers D1 zum Schaufelaußendurchmesser D2 an der Tragscheibe 0,60 bis 0,70, insbesondere 0,65 und an der Deckscheibe 0,65 bis 0,75, insbesondere 0,70 beträgt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung liegt der Schaufeleintrittswinkel β1 im Bereich von 10° bis 25°, vorzugsweise im Bereich von 15° bis 20°. In besonders bevorzugter Weise ist die Differenz zwischen dem Schaufeleintrittswinkel im Bereich der Deckscheibe β1, DS und dem Schaufeleintrittswinkel im Bereich der Tragscheibe β1, TS ungefähr 2° bis 10°, vorzugsweise 3° bis 6°.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weisen Trag- und Deckscheibe über den Schaufelaustrittsdurchmesser D2 hinausstehende Endbereiche auf, die einen ringförmigen Diffusionsraum bzw. Diffusor definieren, der einen Diffusor-Außendurchmesser DF aufweist, der den Schaufelaustrittsdurchmesser D2 um 6% bis 25%, insbesondere 10% bis 20% übertrifft.
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Es ist möglich, dass wenigstens einer der Endbereiche von Trag- und Deckscheibe einen im Querschnitt gekrümmten Verlauf aufweisen. Bevorzugt ist es, dass der Endbereich an der Deckscheibe im Querschnitt gekrümmt verläuft, wohingegen das der Endbereich an der Tragscheibe einen im Querschnitt geraden Verlauf hat. Alternativ ist es möglich, dass beide Endbereiche im Querschnitt gerade verlaufen.
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Ferner ist es möglich, dass Tragscheibe und Deckscheibe unterschiedliche Durchmesser besitzen, wobei insbesondere die Deckscheibe einen größeren Durchmesser besitzt. Der Diffusor kann also auch durch unterschiedlich lange Endbereiche an Trag- und Deckscheibe gebildet werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist an der Schaufelaustrittskante ein Schaufelaustrittswinkel β2 gebildet, der als Winkel einer Tangente an einen äußeren Fußpunkt der Schaufel zu durch diesen Fußpunkt verlaufenden Kreisumfangstangente definiert ist, wobei der Schaufelaustrittswinkel β2 im Bereich von 20° bis 40°, vorzugsweise im Bereich von 25° bis 35° liegt.
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Es ist möglich, dass der Schaufelaustrittswinkel im Bereich der Tragscheibe β2, TS verschieden von dem Schaufelaustrittswinkel im Bereich der Deckscheibe β2, DS ist. Es ist jedoch auch möglich, dass sich der Schaufelaustrittswinkel entlang der Schaufelaustrittskante nicht ändert. Die Schaufel kann senkrecht oder in einem Winkel schräg zur Tragscheibe angeordnet sein.
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Im Falle eines sich verändernden Schaufelaustrittswinkels ist dieser vorzugsweise derart gewählt, dass er im Bereich der Deckscheibe kleiner ist als im Bereich der Tragscheibe.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Schaufeln profiliert ausgebildet. Vorzugsweise wird dies durch Überlagerung eines Kreisbogens mit einem Profiltropfen, der vorzugsweise eine maximale Dicke von 5% bis 10% der Bogenlänge der Schaufel hat, erzielt. Die maximale Dicke der Schaufel kann 30% bis 50% der Bogenlänge der Schaufel betragen. Es ist alternativ jedoch auch möglich, unprofilierte Schaufeln einzusetzen.
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Zweckmäßigerweise ist die Eintrittskante gerundet, vorzugsweise ist sie mit einem relativen kleinen Nasenradius ausgebildet, beispielsweise im Bereich von 0,5% bis 4% der Schaufellänge. Durch die Profilierung der Schaufeln ergibt sich eine verbesserte Anströmung der Schaufeleintrittskante, was zu einem höheren Spitzenwirkungsgrad und einen größeren Bereich mit hohen Wirkungsgraden führt. Insbesondere bei Teillast wird die Schaufeleintrittskante dann besser umströmt. Die gerundete Eintrittskante führt zu einer geringeren Ablösegefahr der Strömung. Ferner ist die Festigkeit der profilierten Schaufel aufgrund des höheren Widerstandsmomentes erhöht, was zu einem größeren Betriebsbereich des Ventilators führt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung definiert die Eintrittsöffnung an der Deckscheibe einen Ansaugdurchmesser, dessen Verhältnis zum Schaufelaußendurchmesser 0,63 bis 0,72, insbesondere ca. 0,67 beträgt.
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Zweckmäßigerweise beträgt die Austrittsbereite 25% bis 35% des Schaufelaußendurchmessers. In diesem Bereich ist eine optimale Füllung des Radialventilatorrades gewährleistet.
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Die Deckscheibe kann mit einem Radius für eine verbessere Umlenkung von der axialen in die radiale Strömungsrichtung versehen sein. Der Radius liegt im Bereich von 10% bis 30% des Ansaugdurchmessers.
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Die Erfindung umfasst ferner noch einen Radialventilator mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 14.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radialventilatorrades,
- 2 einen Axialschnitt des in 1 dargestellten Radialventilatorrades entlang der Rotationsachse,
- 3 einen Axialschnitt gemäß 2, wobei hier zwei der gezeigten vier Schaufeln weggeschnitten sind,
- 4 eine Ansicht des Radiallaufrades in Richtung der Rotationsachse auf die Tragscheibe,
- 5 eine Seitenansicht auf das Radialventilatorrad von 1 (obere Hälfte) und einen Axialschnitt gemäß 2 (unter Hälfte) und
- 6 eine Ansicht des Radiallaufrades in Richtung der Rotationsachse auf die Tragscheibe in ähnlicher Weise zu 4.
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Die 1 bis 6 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radialventilatorrades 11, das der Einfachheit halber auch als Laufrad bezeichnet werden könnte. Das Radialventilatorrad 11 ist Bestandteil eines Radialventilators (nicht dargestellt), der darüber hinaus noch einen Ventilatorantrieb (nicht dargestellt) besitzt, über den das Radialventilatorrad 11 rotatorisch antreibbar ist. Bei dem Radialventilator kann es sich um einen solchen mit Riemenantrieb oder mit Direktantrieb handeln. Im erstgenannten Fall sorgt ein Riemen für die Kraftübertragung vom Ventilatorantrieb auf das Radialventilatorrad 11. Beim direkt angetriebenen Radialventilator kann der Ventilatorantrieb an das Radialventilatorrad 11 angebaut sein, beispielsweise dadurch, dass eine Antriebswelle des Ventilatorantriebs mit einer Nabenanordnung 12 des Radialventilatorrades 11 gekoppelt ist.
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Das in den 1 bis 6 gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel zeigt rein beispielhaft ein Radialventilatorrad 11, das für den direkten Antrieb bestimmt ist.
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Das Radialventilatorrad 11 ist ferner optimiert für den Einbau in einen Radialventilator ohne Gehäuse. Prinzipiell wäre es jedoch auch möglich, das erfindungsgemäße Radialventilatorrad 11 in einem Radialventilator mit Gehäuse, insbesondere Spiralgehäuse einzusetzen.
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Wie insbesondere in den 1, 2, 3 und 5 dargestellt besitzt das Radialventilatorrad 11 eine Deckscheibe 13, die eine kreisrunde Eintrittsöffnung 14 aufweist, die einen Ansaugdurchmesser DE definiert. Die Eintrittsöffnung 14 befindet sich dabei an einem an der Außenseite der Deckscheibe 13 vorstehenden Stutzen, der sich in Axialrichtung entlang der Rotationsachse 15 trompetenförmig nach innen erweitert. Die trompetenförmige Erweiterung des Stutzens sorgt für eine verbesserte Umlenkung von der axialen in die radiale Strömungsrichtung. Der Radius der Krümmung kann beispielsweise im Bereich von 10% bis 30% des Ansaugdurchmessers DE liegen.
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Es ist ferner eine Tragscheibe 16 vorgesehen, die koaxial zur Deckscheibe 13 angeordnet ist. Deck- und Tragscheibe 13, 16 sind über einen Schaufelkranz 17 miteinander verbunden. An der Tragscheibe 16 befindet sich die bereits zuvor erwähnte Nabenanordnung 12, die zur Kopplung mit einer Antriebswelle eines Ventilatorantriebs (nicht dargestellt) dient. Der Außendurchmesser DTS der Tragscheibe 16 entspricht ungefähr dem Außendurchmesser DDS der Deckscheibe 13. Es ist jedoch auch eine Ausgestaltung derart denkbar, dass die Tragscheibe 16 einen geringeren Durchmesser besitzt als die Deckscheibe 13.
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Der Schaufelkranz 17 besteht aus mehreren Schaufeln 18, die jeweils von innen nach außen gegen die Laufrichtung geneigt sind. Im vorliegenden Beispielsfall sind rückwärts gekrümmte Schaufeln 18 vorgesehen. Schaufelkranz 17 sowie Deck- und Tragscheibe 13, 16 sind vorzugsweise aus Blechmaterial gefertigt. Alternativ wäre jedoch auch eine Herstellung des Radialventilatorrades 11 als Kunststoffspritzgießteil möglich.
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Die Schaufeln 18 besitzen jeweils eine Schaufeleintrittskante 19 und eine in Radialrichtung weiter außen angeordnete Schaufelaustrittskante 20.
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Die Schaufeleintrittskante 19 einer jeweiligen Schaufel 18 hat ausgehend von der Deckscheibe 13 in Richtung zur Tragscheibe 16 jeweils einen geraden Verlauf mit einer Komponente in Radialrichtung und einer Komponente in Umfangsrichtung.
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Dies geht beispielsweise aus den 1, 2 und auch 6 hervor. Dadurch entsteht eine schräge Schaufeleintrittskante 19, die wie im axialen bzw. meridianen Schnitt in 2 gezeigt im Winkel zur Rotationsachse 15 ausgerichtet ist.
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Die spezielle Orientierung der Schaufeleintrittskante 19 mit Komponente in Radialrichtung und Komponente in Umfangsrichtung sorgt für eine optimale Anströmung der Schaufeln, wodurch der Wirkungsgrad des Radialventilatorrades erhöht ist. Ein Parameter der hierbei eine wichtige Rolle spielt ist der Schaufeleintrittswinkel β1. Dieser wird gebildet als Winkel einer Tangente an einen inneren Fußpunkt 21 der Schaufel 18 zur durch diesen Fußpunkt 21 laufenden Kreisumfangstangente. Der Schaufeleintrittswinkel ist hierbei im Bereich der Tragscheibe β1, TS verschieden von dem Schaufeleintrittswinkel im Bereich der Deckscheibe β1, DS. Insbesondere ist der Schaufeleintrittswinkel an der Deckscheibe β1, DS größer als der Schaufeleintrittswinkel an der Tragscheibe β1, TS . Der größere Schaufeleintrittswinkel an der Deckseite 13 wird deshalb gewählt, da dort im Vergleich zur Tragscheibe 16 höhere Radialgeschwindigkeiten vorherrschen. Der größere Schaufeleintrittswinkel β1, DS auf Seiten der Deckscheibe wird durch den zuvor erwähnten Verlauf der Schaufeleintrittskante - gerade mit Komponente sowohl in Radial- als auch in Umfangsrichtung - erzielt. Es wurde herausgefunden dass sich eine optimale Anströmung der gesamten Schaufeleintrittskante 19 ergibt, wenn der Schaufeleintrittswinkel β1 im Bereich von 10° bis 25°, vorzugsweise im Bereich von 15° bis 20° liegt. Dabei beträgt die Differenz zwischen dem Schaufeleintrittswinkel β1, DS auf Seiten der Deckscheibe 13 und im Schaufeleintrittswinkel β1, TS auf Seiten der Tragscheibe 16 ungefähr 2° bis 10°, vorzugsweise 3° bis 6°. Die Schaufeleintrittskante 19 ist gerundet ausgestaltet, wodurch sich die Gefahr eines Ablösens der Strömung vermindern lässt.
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Der Schaufeleintrittskante 19 entgegengesetzt ist die Schaufelaustrittskante 20 angeordnet. An der Schaufelaustrittskante 20 ist ein Schaufelaustrittswinkel β2 gebildet, der als Winkel einer Tangente an einen äußeren Fußpunkt 22 der Schaufel zur durch diesen Fußpunkt 22 laufenden Kreisumfangstangente definiert ist. Der Schaufelaustrittswinkel β2 liegt im Bereich von 25° bis 35°. In analoger Weise zum an der Schaufeleintrittskante 19 ausgebildeten Schaufeleintrittswinkel β1 kann auch der Schaufelaustrittswinkel β2 im Bereich der Tragscheibe β2, TS verschieden von den Schaufelaustrittswinkeln im Bereich der Deckscheibe β2, DS sein. Vorzugsweise ist der Schaufelaustrittswinkel β2, DS auf Seiten der Deckscheibe 13 kleiner als der Schaufelaustrittswinkel β2, TS auf Seiten der Tragscheibe 16. Die Wahl der eher kleineren Schaufelaustrittswinkel β2 im Bereich der Deckscheibe führt zu hohen Reaktionsgraden und somit zu hohen statischen Wirkungsgraden, die insbesondere für den Betrieb ohne Spiralgehäuse für einen effizienten Betrieb des Radialventilators notwendig sein. Die Schaufelaustrittskante 20 einer jeweiligen Schaufel 18 läuft nicht scharfkantig aus. Vorzugsweise wird hier eine Dicke in Höhe der doppelten Materialstärke der Schaufel vorgesehen.
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Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schaufeln 18 profiliert. Die Profilierung wird dadurch erzeugt, dass einem Kreisbogenprofil ein Profiltropfen mit maximaler Dicke von ca. 5% - 10% der Bogenlänge der Schaufel 18 überlagert wird. Dadurch entstehen Schaufeln 18, wie in den 4 und 6 gezeigt die im Querschnitt ein tragflächenartiges Profil haben. Dabei kann die radial weiter außen liegende Oberseite der Schaufeln 18 konvex gekrümmt sein, während die radial weiter innenliegende Unterseite konkav gekrümmt ist. Die maximale Dicke der Schaufeln 18 liegt jeweils im Bereich von ca. 30% - 50% der Bogenlänge der Schaufel 18.
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Der Schaufelkranz 17 weist insbesondere fünf bis neun Schaufeln 18 auf. Eine bevorzugte Anzahl liegt bei sechs. Aufgrund der kleinen Schaufelaustrittswinkel sind eher geringe Schaufelzahlen besser für die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades.
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Wie insbesondere in den 2, 3 und 5 gezeigt besitzen Trag- und Deckscheibe 16, 13 über dem Schaufelaustrittsdurchmesser D2, der durch die Schaufelaustrittskanten 20 der jeweiligen Schaufeln 18 definiert wird, hinausstehende Endbereiche 23, 24, die einen ringförmigen Diffusionsraum bzw. Diffusor 25 definieren, der ein Diffusor-Außendurchmesser DF aufweist. Dieser Diffusor-Außendurchmesser DF liegt um ca. 6% bis 25% über dem Schaufelaustrittsdurchmesser D2. Gemäß bevorzugtem Ausführungsbeispiel hat der Endbereich 23 an der Deckscheibe 13 einen im Querschnitt gekrümmten Verlauf. Dadurch ergibt sich eine stärkere Flächenerweiterung, was zu einer größeren Verzögerung der Strömung führt.Dies hat eine merkliche Verbesserung des statischen Ventilatorwirkungsgrades zur Folge. Der Endbereich 24 an der Tragscheibe 16 hingegen hat einen im Querschnitt geraden Verlauf.
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Im im Radialventilator eingebauten Zustand des Radialventilatorrades 11 ist der Stutzen mit der Eintrittsöffnung 14 an eine an einer Ansaugplatte (nicht dargestellt) angeordneten Einlaufdüse angesetzt. Eine solche Ansaugplatte wird insbesondere bei gehäuselosen Radialventilatoren verwendet.
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Im Betrieb treibt der Ventilatorantrieb das Radialventilatorrad 11 rotatorisch an, wodurch Luft über die Einlaufdüse und die Eintrittsöffnung axial angesaugt wird. Die Luftströmung wird über den sich trompetenförmig erweiternden Stutzen radial umgelenkt und tritt in den Schaufelkranz ein und wird dann in radialer Richtung über die Schaufeln nach außen gelenkt. Die Luftströmung verlässt den Schaufelkranz 17 an den Schaufelaustrittskanten 20 der Schaufeln 18 und tritt danach in den ringförmigen Diffusor 25 ein, wo eine Verzögerung der Strömung stattfindet. Der Diffusor 25 bewirkt eine Verminderung der Lärmemission und steuert die Umsetzung der im Strömungsmedium enthaltenen kinetischen Energie in die gewünschte statische Druckerhöhung.
