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Die Erfindung betrifft eine Schaufel für ein Lüfterlaufrad. Insbesondere betrifft die Erfindung die geometrische Ausgestaltung der Schaufel in ihrem endseitigen, zu einer Nabe hin gerichteten Bereich. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lüfterlaufrad.
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Bei Axiallüftern verläuft die Drehachse des Laufrads parallel beziehungsweise axial zum Luftstrom. Bei Radiallüftern verläuft die Drehachse des Laufrads radial zum austrittsseitigen Luftstrom. Ein Laufrad mit Schaufeln rotiert um eine Nabe, wodurch ein gasförmiges Medium gefördert wird. Insbesondere bei der Fertigung und, oder Montage der Lüfterrad-Baueinheit in ein Gerät o.ä. treten starke Belastungen auf, welche die Schaufeln schädigen können. Auch im Betrieb des Lüfterlaufrads entstehen durch die Umströmung der Lüfterradschaufeln mit dem gasförmigen Medium Kräfte, die über die Lüfterradnabe in eine Welle, auf der die Lüfterradnabe befestigt ist, abgeleitet werden müssen, wobei die Lüfterlaufradbelastungen durch Fliehkräfte problematisch sind.
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Im Stand der Technik sind zur Lösung dieses Problems Lösungen bekannt. Beispielsweise ist es bekannt, die Wandstärke der Schaufeln im Anbindungsbereich der Schaufeln an die Nabe zu erhöhen. Dadurch wird allerdings die Masse des Lüfterrads erhöht, was zu höheren Fertigungskosten durch den höheren Materialverbrauch führt. Lüfterräder sind üblicherweise aus Kunststoff gefertigt, wobei eine höhere Wandstärke die Zykluszeit für die Fertigung des Laufrads erhöht, da beispielsweise die Wandstärke beim Thermoplastspritzguss quadratisch in die Kühlzeit eingeht.
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Eine andere bekannte Möglichkeit zur Versteifung der Schaufeln in diesem Bereich ist das Vorsehen von einer Sicke im Querschnitt der Schaufel. Dies kann auch zusätzlich zur Erhöhung der Wandstärke vorgesehen werden. Weiterhin schlägt beispielsweise das
US-Patent 5,066,196 vor, mindestens eine Verstärkungsrippe im Anbindungsbereich der Schaufel an die Nabe auf der Schaufel vorzusehen. Ebenso schlägt die US-Offenlegungsschrift
US 2004 / 0 013 526 A1 das Vorsehen mindestens zweier Rippen in dem entsprechenden Bereich einer Schaufel eines Lüfterrads vor.
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Diese Verstärkungsmöglichkeiten haben allerdings negative Auswirkungen auf die Strömung. Effizienz und Betriebsgeräusch werden ungünstig beeinflusst durch Ablösung der Strömung im Nabenbereich. Daneben kann Flüssigkeit bei vertikaler Lage der Drehachse insbesondere bei Stillstand des Axiallüfterlaufrads nicht vollständig ablaufen. Wasseransammlungen auf den Schaufeln von Lüfterrädern führen insbesondere im Winter zu Unwuchten und Vereisungsschäden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaufel für ein Lüfterlaufrad anzugeben, das optimierte Eigenschaften hinsichtlich Festigkeitsanforderungen, Materialeinsatz und Fertigbarkeit unter zumindest beizubehaltender Strömungseigenschaften ohne technische Einbußen hinsichtlich Geräusch und Effizienz aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaufel für ein Lüfterlaufrad mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Schaufel ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Lüfterlaufrad anzugeben, das optimierte Eigenschaften hinsichtlich Festigkeitsanforderungen, Materialeinsatz und Fertigbarkeit unter zumindest beizubehaltender Strömungseigenschaften ohne technische Einbußen hinsichtlich Geräusch und Effizienz aufweist.
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Diese weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lüfterlaufrad mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Lüfterlaufrads ergeben sich aus den Unteransprüchen 17 und 18.
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Eine erfindungsgemäße Schaufel für ein Lüfterlaufrad weist einen endseitigen, zu einer Nabe hin gerichteten Bereich auf, wobei die Schaufel in dem endseitigen, zur Nabe hin gerichteten Bereich mindestens eine Rippe aufweist, wobei die Rippe eine Außenkontur aufweist, die ein Strömungsprofil nachbildet. Dabei ist mit dem Begriff Strömungsprofil die Form des Schaufelquerschnitts bezeichnet, durch dessen spezifische Form einer Tragfläche und die Umströmung durch ein Gas an dem Körper angreifende Kräfte entstehen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein plankonvexes Profil mit einer konvexen ersten Schaufelseite und einer planen zweiten Schaufelseite oder auch um ein konkav-konvexes Profil mit einer konvexen ersten Schaufelseite und einer konkaven zweiten Schaufelseite handeln. Der Schaufelquerschnitt bildet dabei eine Außenkontur aus, wobei im Bereich der Rippen die Hüllkurve die Begrenzung der Außenkontur bildet.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Rippen keine negativen Auswirkungen auf die Strömung an den Schaufeln haben, wenn die Außenkontur der Rippen ein Strömungsprofil nachbilden, obwohl sich das Turbulenzniveau durch die Rippen erhöht und das überströmte Schaufelprofil unterbrochen ist. Dieser Effekt bleibt sogar bestehen, wenn das überströmte Schaufelprofil durch mehrere Rippen auf einer Schaufel mehrfach unterbrochen ist. Trotzdem wirken die Rippen verstärkend. Damit weist die erfindungsgemäße Schaufel optimierte Festigkeitseigenschaften unter zumindest beibehaltener Strömungseigenschaften ohne technische Einbußen hinsichtlich Geräusch und Effizienz auf, wobei die Wandstärke der Schaufel nicht vergrößert wurde und sich dadurch auch keine negativen Auswirkungen auf den Materialeinsatz und die Fertigbarkeit ergeben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaufel beträgt das Verhältnis der maximalen Wandstärke der Schaufel zur maximalen Profildicke der Schaufel zwischen 0,1 bis 0,9, wobei ein Verhältnis von 0,2 bis 0,6 besonders bevorzugt ist.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis der Dicke der Rippe zur Wandstärke der Schaufel im Bereich von 0,1 bis 2, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,5, liegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaufel beträgt der Winkel der Rippe am Ansatz zur Nabe zur radialen Richtung zwischen –80° und +80°, besonders bevorzugt zwischen –45° und +45°.
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Der weitere Verlauf der Rippe kann geradlinig ausgestaltet sein. Alternativ kann er aber auch im Gegenuhrzeigersinn nach links von der radialen Richtung gekrümmt oder im Uhrzeigersinn nach rechts von der radialen Richtung gekrümmt ausgestaltet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaufel weist die Rippe eine Endgeometrie im Bereich der Außenkontur auf, wobei die Endgeometrie der Rippe ein Sägezahnprofil ausbildet, wobei die Endgeometrie der Rippe einen Winkel im Bereich von –45° bis +45°, besonders bevorzugt von –30° bis +30° zur Außenkontur bildet. Bei einem solchen Sägezahnprofil strömt die sich am Rippenende lösende Strömung nicht über eine vorstehende Kante der Rippe.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schaufel in dem endseitigen, zur Nabe hin gerichteten Bereich mindestens zwei Rippen aufweist, wobei das Verhältnis der Lücke zwischen zwei Rippen zur Dicke einer Rippe im Bereich von 0,2 bis 5, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,5 liegt. Dabei können sowohl alle Rippen einer Schaufel die gleiche Dicke aufweisen, wie auch die Lücken zwischen mehreren oder allen Rippen einer Schaufel das gleiche Maß aufweisen können. Die Maße der einzelnen Rippen und Lücken können aber auch voneinander abweichen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rippengrund am Startpunkt der Rippe in dem endseitigen, zur Nabe hin gerichteten Bereich in axialer Richtung höher angeordnet ist als der gegenüberliegende Rippengrund am Endpunkt der Rippe. Dadurch liegt der Rippengrund am Endpunkt der Rippe in Fließrichtung niedriger als der Rippengrund am Startpunkt der Rippe in dem endseitigen, zur Nabe hin gerichteten Bereich. So kann eventuell auf eine Schaufel eines stillstehenden Lüfterlaufrads auftreffendes Wasser insbesondere bei einer Anordnung des Lüfterlaufrads mit einer im Wesentlichen vertikalen Lage der Rotationsachse abfließen, wodurch auch bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt keine Vereisungen und dadurch keine Unwuchten und/oder Vereisungsschäden auftreten können.
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Ein erfindungsgemäßes Lüfterlaufrad weist mindestens eine erfindungsgemäße Schaufel auf. Dabei kann das Lüfterlaufrad ein Axiallüfterlaufrad, ein Radiallüfterlaufrad oder ein Laufrad einer anderen Lüfterbauform sein. Dabei ist der Begriff Lüfter nicht einschränkend zu verstehen, sondern umfasst Ventilatoren, Gebläse, oder aber auch beispielsweise Rotoren und Propeller, so dass sich die Erfindung auch auf Schaufeln und Lüfterlaufräder aller denkbaren Anwendungsbereiche erstreckt.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen. Dabei handelt es sich bei den dargestellten Ausführungsbeispielen um die Schaufel eines Axiallüfterlaufrads, was aber nicht einschränkend verstanden werden darf. Die Darstellungen können auch auf Radiallüfterlaufräder oder andere Bauformen von Lüfterlaufrädern übertragen werden.
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Von den Abbildungen zeigt:
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1 ein Axiallüfterlaufrad gemäß Stand der Technik in einer Draufsicht
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2 das Axiallüfterlaufrad gemäß dem Stand Technik in einer Schnittdarstellung
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindergemäßen Axiallüfterlaufrads in einer Schnittdarstellung
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindergemäßen Axiallüfterlaufrads in einer Schnittdarstellung
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5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindergemäßen Axiallüfterlaufrads in einer Schnittdarstellung
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6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindergemäßen Axiallüfterlaufrads in einer Schnittdarstellung
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7 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindergemäßen Axiallüfterlaufrads in einer Schnittdarstellung
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8 Teildraufsicht eines erfindergemäßen Axiallüfterlaufrads
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1 zeigt ein Lüfterlaufrad 100 gemäß dem Stand der Technik. An einer Nabe 110 sind vier Lüfterradschaufeln 120 angebracht. Jede Lüfterradschaufel 120 weist im Bereich ihrer Anbindung an die Nabe 110 eine Rippe 121 auf, die ebenfalls an der Nabe 110 angeformt ist und auf die Lüfterradschaufel 120 aufgesetzt ist. Über die Rippe 121 werden die Kräfte, die durch Fliehkräfte an der Lüfterradschaufel 120 entstehen, nicht nur über die Anbindung der Lüfterradschaufel 120, sondern zusätzlich auch über die Rippe 121 in die Nabe 110 abgeleitet.
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2 zeigt das gleiche Lüfterlaufrad 100 aus 1 in einem Teilschnitt. Dabei ist eine Lüfterradschaufel 120 im Bereich ihrer Anbindung an die Nabe 110 geschnitten. Das Strömungsprofil der Lüfterradschaufel 120 weist eine konvex gewölbte erste Schaufelseite 125 und eine plane zweiten Schaufelseite 126 auf. Auf der ersten Schaufelseite 125 ist dabei eine Rippe 121 vorgesehen, während sich auf der zweiten Schaufelseite 126 zwei Rippen 121 befinden. Die Rippen 121 sind auf die Schaufelseiten 125, 126 aufgesetzt und unterbrechen dadurch das Strömungsprofil, was zu einem schlechteren strömungstechnischen Wirkungsgrad und erhöhter Geräuschemission im Betrieb des Axiallüfterlaufrads führt.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel 120 eines erfindungsgemäßen Axiallüfterlaufrads 100 im Schnitt. Die Außenkontur A weist eine konvex geformte erste Schaufelseite 125 und eine leicht konkav geformte zweite Schaufelseite 126 auf. Mit anderen Worten ist das Strömungsprofil der Lüfterradschaufel 120 konkav-konvex ausgeformt. Auf der zweiten Schaufelseite 126 befinden sich sieben Rippen 121 mit zwischen den Rippen 121 angeordneten Lücken 122. Weiterhin ist die maximale Wandstärke t_w sowie die maximale Profildicke t_max der Lüfterradschaufel 120 eingezeichnet, wobei das Verhältnis von t_w zu t_max ca. 0,5 beträgt. Weiterhin ist die Dicke b einer Rippe 121 eingezeichnet, wobei das Verhältnis von b zu t_w ca. 0,63 beträgt. Daneben ist in 3 auch die Breite s der Lücke 122 zwischen zwei Rippen 121 eingetragen. Das Verhältnis von s zu b beträgt hier ca. 1,25. Mit den angegebenen Geometrieverhältnissen bilden die Rippen 121 eine Außenkontur A, die ein Strömungsprofil nachbildet.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel 120 eines erfindungsgemäßen Axiallüfterlaufrads 100 im Schnitt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist die Außenkontur A eine konvex geformte erste Schaufelseite 125 und eine leicht konkav geformte zweite Schaufelseite 126 auf. Auf der zweiten Schaufelseite 126 befinden sich drei Rippen 121 mit zwischen den Rippen 121 angeordneten Lücken 122. Weiterhin weist die erste Schaufelseite 125 ebenfalls drei Rippen 121 mit zwischen den Rippen 121 angeordneten Lücken 122 auf. Auch in 4 ist die maximale Wandstärke t_w sowie die maximale Profildicke t_max der Lüfterradschaufel 120 eingezeichnet, wobei das Verhältnis der t_w zu t_max ca. 0,4 beträgt. Weiterhin ist die Dicke b einer Rippe 121 eingezeichnet, wobei das Verhältnis von b zu t_w ca. 1,5 beträgt. Daneben ist in 4 auch die Breite s der Lücke 122 zwischen zwei Rippen 121 eingetragen. Das Verhältnis von s zu b beträgt hier ca. 0,5. Auch mit diesen angegebenen Geometrieverhältnissen bilden die Rippen 121 eine Außenkontur A, die ein Strömungsprofil nachbildet.
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5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindungsgemäßen Axiallüfterlaufrads 100 im Schnitt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist die Außenkontur A eine konvex geformte erste Schaufelseite 125 und eine leicht konkav geformte zweite Schaufelseite 126 auf. Auf der zweiten Schaufelseite 126 befinden sich wie im ersten Ausführungsbeispiel der 3 sieben Rippen 121 mit zwischen den Rippen 121 angeordneten Lücken 122. Die Rippen 121 weisen erste Rippenflanken 127 und zweite Rippenflanken 128 sowie an den Rippenköpfen eine Endgeometrie 123 auf. Die Endgeometrien 123 bilden ein Sägezahnprofil aus, wobei die Endgeometrien 123 der Rippen 121 einen Winkel α von ca. 30° zur Außenkontur A, das heißt hier zur Tangente an die Oberflächenkontur der zweiten Schaufelseite 126, bilden. Die Rippen 121 bilden auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Außenkontur A, die ein Strömungsprofil nachbildet. Bei einem solchen Sägezahnprofil strömt die sich am Rippenende lösend Strömung nicht über eine vorstehende Kante der Rippe 121, was zur Effizienzsteigerung und Betriebsgeräuschminimierung beiträgt.
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6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindungsgemäßen Axiallüfterlaufrads im Schnitt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist die Außenkontur A eine konvex geformte erste Schaufelseite 125 und eine leicht konkav geformte zweite Schaufelseite 126 auf. Auf der zweiten Schaufelseite 126 befinden sich wie im ersten Ausführungsbeispiel der 3 beziehungsweise im dritten Ausführungsbeispiel der 5 sieben Rippen 121 mit zwischen den Rippen 121 angeordneten Lücken 122. Die Rippen 121 weisen eine erste Rippenflanke 127 und eine zweite Rippenflanke 128 auf, wobei sich die Rippenflanken 127, 128 am Rippenkopf treffen und ein Sägezahnprofil ausbilden. Dabei bilden die ersten Rippenflanken einen Winkel α von ca. 30° zur Außenkontur A, das heißt hier zur Tangente an die Oberflächenkontur der zweiten Schaufelseite 126. Auch in diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Verhältnis der Wandstärke t_w der Lüfterradschaufel 120 zu der maximalen Profildicke t_max der Lüfterradschaufel 120 mit ca. 0,5 im besonders bevorzugten Bereich von 0,2 bis 0,6. Auch das Verhältnis der Dicke b einer Rippe 121 zur Wandstärke t_w der Lüfterradschaufel 120 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel mit ca. 0,8 im besonders bevorzugten Bereich von 0,5 bis 1,5. Daneben befindet sich auch das Verhältnis der Breite s der Lücke 122 zwischen zwei Rippen 121 zur Dicke b einer Rippe 121 mit ca. 1,0 im besonders bevorzugten Bereich von 0,5 bis 1,5. Die Rippen 121 bilden auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Außenkontur A, die ein Strömungsprofil nachbildet. Auch bei diesem Sägezahnprofil strömt die sich am Rippenende lösende Strömung nicht über eine vorstehende Kante der Rippe 121, was zur Effizienzsteigerung und Betriebsgeräuschminimierung beiträgt.
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7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Lüfterradschaufel eines erfindungsgemäßen Axiallüfterlaufrads im Schnitt. Die Lüfterradschaufel besteht aus einem in Wellenform ausgeführten Profil, wobei die Wellenform eine Außenkontur A in Form einer Hüllkurve bildet, wobei die Außenkontur erneut einen Strömungsquerschnitt ausbildet. Dabei können die Wellen des Profils als Rippen 121 und zwischen den Lippen liegenden Lücken 122 interpretiert werden, wobei die angegebenen Geometrieverhältnisse auch in dieser Ausführungsform eingehalten werden.
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8 zeigt schließlich eine Teildraufsicht eines erfindungsgemäßen Axiallüfterlaufrads 100. Es ist nur eine Lüfterradschaufel 120 gezeigt, wobei sich an der Nabe 110 mehrere Lüfterradschaufeln 120, beispielsweise vier Lüfterradschaufeln 120, befinden können. In der Draufsicht sind neun Rippen 121 auf der Lüfterradschaufel 122 zu erkennen, wobei sich zwischen den Rippen 121 zehn Lücken 122 befinden. Die Rippen 121 bilden einen Winkel β zur radialen Richtung r am Ansatz der Lüfterradschaufel 120 zur Nabe 110 von ca. 45°. Die Rippen 121 verlaufen weiter von der Nabe 110 weg im Gegenuhrzeiger nach links von der radialen Richtung weg gekrümmt. Der Rippengrund P1 am Startpunkt der Rippe 121 an der Anbindung der Lüfterradschaufel 120 an der Nabe 110 ist in axialer Richtung des Axiallüfterlaufrads 120 höher angeordnet ist als der gegenüberliegende Rippengrund P2 am Endpunkt der Rippe 121. Dadurch liegt der Rippengrund P1 am Endpunkt der Rippe 121 in Fließrichtung niedriger als der Rippengrund P2 am Startpunkt der Rippe 121 an der Anbindung der Lüfterradschaufel 120 an der Nabe 110. So kann eventuell auf das stillstehende Axiallüfterlaufrad 120 auftreffendes Wasser insbesondere bei einer Anordnung des Axiallüfterlaufrads 120 mit einer im Wesentlichen vertikalen Lage der Rotationsachse abfließen, wodurch auch bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt keine Vereisungen und dadurch keine Unwuchten und/oder Vereisungsschäden auftreten können.
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Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lüfterlaufrad
- 110
- Nabe
- 120
- Schaufel
- 121
- Rippe
- 122
- Lücke
- 123
- Endgeometrie der Rippe
- 124
- endseitiger, zur Nabe weisender Schaufelbereich
- 125
- erste Schaufelseite
- 126
- zweite Schaufelseite
- 127
- erste Rippenflanke
- 128
- zweite Rippenflanke
- A
- Außenkontur
- P1
- Rippengrund am Startpunkt der Rippe
- P2
- Rippengrund am Endpunkt der Rippe
- t_max
- maximale Profildicke
- t_w
- Wandstärke
- b
- Dicke einer Rippe
- r
- radiale Richtung
- s
- Breite der Lücke L
- α
- Schräge (Sägezahn)
- β
- Winkel der Rippen am Nabenansatz zur radialen Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5066196 [0004]
- US 2004/0013526 A1 [0004]
