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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung zum Abdichten eines Übergangs zwischen einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Gebläselaufrad sowie ein Gebläse.
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Um bei einem Gebläse eine Drehbewegung zwischen einem drehbaren Gebläselaufrad und einem nicht drehbaren Gehäuse zu ermöglichen, ist ein Zwischenraum erforderlich. Durch den Zwischenraum kann Luft von einer Druckseite des Gebläselaufrads zu einer Saugseite des Gebläselaufrads zurückströmen und verringert so einen Wirkungsgrad des Gebläses. In dem Zwischenraum kann eine Dichtungsvorrichtung angeordnet werden, um das Zurückströmen zu verhindern oder zumindest zu behindern. Beispielsweise kann in dem Zwischenraum eine berührende bzw. schleifende Dichtung oder eine Labyrinthdichtung angeordnet werden.
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Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine verbesserte Dichtungsvorrichtung zum Abdichten eines Übergangs zwischen einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Gebläselaufrad sowie ein verbessertes Gebläse zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Dichtungsvorrichtung zum Abdichten eines Übergangs zwischen einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Gebläselaufrad sowie einem Gebläse mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Überdruckzone an einem Übergang von dem Gehäuse zu dem Gebläselaufrad erzeugt. Der Überdruck wirkt einem Luftdruck auf der Druckseite entgegen und verhindert oder verringert so das Zurückströmen durch den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Gebläselaufrad.
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Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen neben dem Verhindern des Zurückströmens in einer berührungslosen Abdichtung des notwendigen Zwischenraums zwischen dem Gehäuse und dem Gebläselaufrad.
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Es wird eine Dichtungsvorrichtung zum Abdichten eines Übergangs zwischen einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Gebläselaufrad vorgestellt, wobei an dem Übergang ein Zuströmkanal des Gehäuses in eine Einströmöffnung des Gebläselaufrads übergeht, wobei die Dichtungsvorrichtung an dem Übergang einen Spalt zum Ausbilden einer lokalen Überdruckzone zwischen dem Gebläselaufrad und dem Gehäuse aufweist, wobei der Spalt quer zu einer Rotationsachse des Gebläselaufrads ausgerichtet ist. Unter einer Anordnung des Spalts quer zur Rotationsachse kann eine Anordnung verstanden werden, in welcher der Spalt nicht parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist. Insbesondere kann eine Anordnung quer zu einer Achse als nicht-parallele Ausrichtung der betreffenden Achsen verstanden werden, speziell als rechtwinklige Ausrichtung der betreffenden Achsen verstanden werden.
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Weiterhin wird ein Gebläse mit einer Dichtungsvorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.
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Unter einer Dichtungsvorrichtung kann eine berührungslose Dichtung verstanden werden, die durch ein aerodynamisches Wirkprinzip einen Gegendruck gegen einen Rückstrom zwischen Gebläselaufrad und Gehäuse aufbaut.
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Der Gegendruck kann während einer Drehbewegung des Gebläselaufrads durch eine Pumpwirkung eines radialen Spalts zwischen dem Gehäuse und dem Gebläselaufrad verstärkt werden. Dabei entsteht in dem Spalt durch einen Grenzschichteffekt ein rotierender Luftstrom, der durch die resultierende Fliehkraft in radialer Richtung in den Spalt gezogen wird. Durch ein geringes Spaltmaß des Spalts wird ein Massenstrom durch den Spalt begrenzt und der Überdruck verstärkt.
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Der Zuströmkanal kann als eine Zuströmdüse mit einem konvergenten Abschnitt bis zu einer Engstelle und einem divergenten Abschnitt von der Engstelle bis zu dem Übergang ausgeformt sein. Durch eine aerodynamisch günstige Kontur des Zuströmkanals kann eine laminare Anströmung des Spalts erreicht werden.
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Ein Engstellendurchmesser der Engstelle kann ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem Zuströmkanaldurchmesser des Zuströmkanals am Übergang aufweisen. Insbesondere kann der Engstellendurchmesser zwischen achtzig Prozent und einhundert Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann der Engstellendurchmesser zwischen fünfundachtzig Prozent und fünfundneunzig Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann der Engstellendurchmesser neunzig Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Durch eine definierte Engstelle kann ein Druckabfall und/oder eine Beschleunigung der Anströmung im Bereich der Engstelle erreicht werden. Nach der Engstelle ergibt sich ein Druckanstieg und/oder eine Verzögerung der Anströmung.
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Ein Engstellenabstand der Engstelle von dem Spalt kann ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem Zuströmkanaldurchmesser des Zuströmkanals am Übergang aufweisen. Insbesondere kann der Engstellenabstand zwischen sechs Prozent und sechsundzwanzig Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann der Engstellenabstand zwischen elf Prozent und einundzwanzig Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann der Engstellenabstand sechzehn Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Durch einen geeigneten Anstand der Engstelle von dem Spalt kann eine Ablösung der Anströmung von einer Innenwand des Kanals verhindert werden.
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Die Einströmöffnung kann kleiner als ein Zuströmkanaldurchmesser des Zuströmkanals am Übergang sein. Durch einen Sprung der Durchmesser im Bereich des Spalts kann ein lokaler Druckanstieg für die Überdruckzone erreicht werden.
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Eine Innenwand der Einströmöffnung kann um ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem Zuströmkanaldurchmesser des Zuströmkanals am Übergang gegenüber einer Innenwand des Zuströmkanals vorspringen. Insbesondere kann die Innenwand zwischen einem Prozent und sechs Prozent des Zuströmkanaldurchmessers vorspringen. Insbesondere kann die Innenwand zwischen zwei Prozent und vier Prozent des Zuströmkanaldurchmessers vorspringen. Insbesondere kann die Innenwand drei Prozent des Zuströmkanaldurchmessers vorspringen. Der Vorsprung kann als Strömungshindernis zu dem Druckanstieg führen.
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Eine Einströmkante der Einströmöffnung kann mit einem Kurvenradius abgerundet sein. Der Kurvenradius kann ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem Zuströmkanaldurchmesser des Zuströmkanals am Übergang aufweisen. Insbesondere kann der Kurvenradius zwischen einem Prozent und sechs Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann der Kurvenradius zwischen zwei Prozent und vier Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann der Kurvenradius drei Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Durch eine abgerundete Einströmkante kann eine laminare Einströmung in das Gebläselaufrad erreicht werden.
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Das Gebläselaufrad kann im Bereich des Spalts einen quer zu der Rotationsachse ausgerichteten Flansch aufweisen. Das Gehäuse kann eine Ausnehmung für den Flansch aufweisen. Der Spalt kann zwischen dem Flansch und der Ausnehmung ausgebildet sein. Durch den Flansch kann eine Tiefe des Spalts vergrößert werden und eine verbesserte Dichtwirkung erreicht werden.
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Eine Überdeckung des Flanschs mit dem Gehäuse kann ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem Zuströmkanaldurchmesser des Zuströmkanals am Übergang aufweisen. Insbesondere kann die Überdeckung zwischen einem Prozent und vierzehn Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann die Überdeckung zwischen vier Prozent und zehn Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann die Überdeckung sieben Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Die Überdeckung beeinflusst direkt die Tiefe des Spalts.
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Der der Flansch kann an einem Außendurchmesser oder Außenumfang oder Außenrand abgeschrägt sein. Durch das Abschrägen kann das Gehäuse sicher auf das Gebläselaufrad aufgesteckt werden. Die Schräge kann hierbei als Fläche verstanden werden, die in einem Winkel in Bezug auf eine Montageebene des Flansches angeordnet ist.
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Ein Spaltmaß des Spalts kann ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem Zuströmkanaldurchmesser des Zuströmkanals am Übergang aufweisen. Insbesondere kann das Spaltmaß zwischen einem Prozent und vier Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Insbesondere kann das Spaltmaß zwei Prozent des Zuströmkanaldurchmessers betragen. Durch einen engen Spalt kann ein geringer Luftstrom strömen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
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1 eine Schnittdarstellung durch ein Gebläse gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine Detaildarstellung eines herkömmlichen Gebläses; und
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3 eine Detaildarstellung einer Dichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Gebläse 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Gebläse 100 weist ein Gebläselaufrad 102 auf, das in einem Gehäuse 104 drehbar angeordnet ist. Das Gebläselaufrad 102 ist mit einem Motor 106 gekoppelt. Das Gebläse 100 ist ein Radialgebläse. Im Betrieb strömt durch einen axial zu einer Rotationsachse 108 des Gebläselaufrads 102 ausgerichteten Zuströmkanal 110 Luft in eine Einströmöffnung 112 des Gebläselaufrads 102. Im Gebläselaufrad 102 wird die Luft durch radiale Schaufeln 114 beschleunigt und zu einem um den Motor 106 ringförmig angeordneten Abströmkanal 116 des Gehäuses 104 transportiert. Im Abströmkanal 116 wird die Luft wieder verzögert und es resultiert ein gegenüber einem Umgebungsdruck erhöhter Druck.
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Zwischen dem Gebläselaufrad 102 und dem Gehäuse 104 besteht ein Zwischenraum 118, um eine Drehbewegung des Gebläselaufrads 102 zu ermöglichen. Mit anderen Worten berührt das Gebläselaufrad 102 das Gehäuse 104 nicht. Da der Zwischenraum 118 mit dem Abströmkanal 116 in direkter Verbindung steht, herrscht in dem Zwischenraum 118 näherungsweise der gleiche Druck, wie im Abströmkanal 116. An einem Übergang 120 zwischen dem Gehäuse 104 und dem Gebläselaufrad 102 im Bereich der Einströmöffnung 112 herrscht dagegen näherungsweise Umgebungsdruck.
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Dadurch besteht bei einem herkömmlichen Gebläse, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist, über dem Zwischenraum 118 ein Druckgefälle, das zu einer Rückströmung von dem Abströmkanal 116 zu dem Übergang 120 führt. Diese Rückströmung verringert damit den Wirkungsgrad des Gebläses.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz weist das Gebläse 100 im Gegensatz dazu an dem Übergang 120 eine Dichtungsvorrichtung 122 zum Abdichten des Zwischenraums 118 im Bereich der Einströmöffnung 112 auf.
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Die Dichtungsvorrichtung 122 umfasst einen definierten, an dem Übergang 120 angeordneten, radial ausgerichteten Spalt 124 zwischen dem Gebläselaufrad 102 und dem Gehäuse 104. Der Spalt 124 weist ein geringeres Spaltmaß auf, als der Zwischenraum 118.
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Der Zuströmkanal 110 ist als Zuströmdüse 126 ausgeformt. Die Zuströmdüse 126 weist ein strömungsgünstiges Profil auf, um eine laminare Anströmung des Gebläselaufrads 102 zu erreichen. Dazu weist die Zuströmdüse eine Engstelle 128 auf, deren Engstellendurchmesser 130 kleiner als ein Zuströmkanaldurchmesser 132 am Spalt 124 ist. Bis zu der Engstelle 128 verjüngt sich der Zuströmkanal 110. Zwischen der Engstelle 128 und dem Spalt 124 weitet sich der Zuströmkanal 110 wieder.
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Hier weist entspricht der Engstellendurchmesser 130 90 Prozent des Zuströmkanaldurchmessers 132. Die Engstelle 128 weist hier einen Engstellenabstand 133 von sechzehn Prozent des Zuströmkanaldurchmessers 132 von dem Spalt 124 auf.
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Das Gebläselaufrad 102 weist einen Flansch 134 auf, der im Bereich der Einströmöffnung 112 radial nach außen angeordnet ist. Der Spalt 124 ist zwischen einer radial ausgerichteten Oberfläche des Flanschs 134 und einer korrespondierenden Oberfläche des Gehäuses 104 ausgebildet.
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Eine Schulter 136 von einem Körper des Gebläselaufrads 102 zu dem Flansch 134 bildet einen Einströmöffnungsdurchmesser 138 der Einströmöffnung 112 aus. Der Einströmöffnungsdurchmesser 138 entspricht dabei im Wesentlichen dem Zuströmkanaldurchmesser 132. Gegenüber einer Innenwand der Zuströmdüse 126 bildet die Schulter 136 jedoch einen Vorsprung 140 aus und ist damit ein Strömungshindernis. Die Schulter 136 springt hier um drei Prozent des Zuströmkanaldurchmessers 132 vor. Durch den Vorsprung 140 der Schulter 136 wird die durch die Zuströmdüse 126 einströmende Luft geringfügig gestaut, was zu einem lokalen Überdruck führt. Durch den Überdruck wird Luft in den Spalt 124 gedrückt.
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Die Schulter 136 ist abgerundet ausgeführt. Dabei ist die Schulter 136 hier mit einem Radius abgerundet, der drei Prozent des Zuströmkanaldurchmessers 132 entspricht. Durch die Rundung werden Verwirbelungen der Luftströmung an dem Vorsprung 140 beim Einströmen in das Gebläselaufrad 102 vermieden.
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Der Flansch 134 weist eine Überdeckung 142 mit dem Gehäuse 104 auf. Die Überdeckung entspricht hier sieben Prozent des Zuströmkanaldurchmessers 132. Die Überdeckung 142 entspricht damit im Wesentlichen einer Tiefe des Spalts 124.
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2 zeigt eine Detaildarstellung eines herkömmlichen Gebläses 100. Dabei ist hier ein dem in 1 gekennzeichneter Ausschnitt entsprechender Ausschnitt des Gebläses 100 herkömmlicher Bauart gezeigt. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Gebläse ist das Gebläselaufrad 102 hier ohne Flansch an der Einströmöffnung 112 ausgeführt. Dafür weist das Gehäuse 104 einen nach innen ausgerichteten Flansch 200 auf, der eine Anströmöffnung 202 des Gehäuses ausbildet. Die Anströmöffnung 202 weist einen geringeren Durchmesser auf, als die Einströmöffnung 112. Der Zwischenraum 118 ist hier im Wesentlichen überall gleich breit. Dadurch ist im Betrieb des Gebläses 100 eine Rückströmung 204 in dem Zwischenraum 118 zwischen dem Gebläselaufrad 102 und dem Gehäuse 104 ausgebildet, die den Wirkungsgrad des Gebläses 100 reduziert.
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3 zeigt eine Detaildarstellung einer Dichtungsvorrichtung 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Dichtungsvorrichtung 122 entspricht dabei im Wesentlichen der Dichtungsvorrichtung in 1. Wie in 2 ist hier der in 1 gekennzeichnete Ausschnitt dargestellt. Hier ist zusätzlich im Bereich der Schulter 136 eine durch den Vorsprung 140 resultierende lokale Überdruckzone 300 dargestellt, die Luft entgegen der in 2 dargestellten Rückströmung in den Spalt 124 drückt. Der Spalt 124 weist hier ein Spaltmaß auf, das zwei Prozent des Zuströmkanaldurchmessers beträgt.
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Mit anderen Worten ist eine aerodynamische Dichtung 122 für das Gebläselaufrad 102 dargestellt. Die Abdichtung des rotierenden Gebläselaufrads 102 erfolgt dabei gegenüber dem stehenden Gehäuse 104 zur Vermeidung beziehungsweise Verminderung von Rückströmungen und damit verbundenen Verlusten.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz ergibt sich ein verringerter Fertigungsaufwand beziehungsweise ist keine Präzisionsbearbeitung wie bei einer Labyrinthdichtung nötig. Weiterhin sind keine zusätzlichen Bauteile erforderlich und Reibungsverluste, wie bei einer schleifenden Dichtung werden vermieden. Daraus resultieren eine Optimierung des Wirkungsgrads und eine Steigerung des Volumenstroms des Gebläses 100.
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Durch eine angepasste Kontur des Ansaugbereichs und eine geeignete Formgebung des Überdeckungsbereichs von Gehäuse 104 und Gebläselaufrad 102 wird im Dichtspalt 124 zwischen den Komponenten im Bereich des Laufradeintritts lokal eine Überdruckzone 300 mittels Staueffekt erzeugt. Dadurch wird verhindert, dass der Druckgradient zwischen Ein- und Austrittsöffnung des Gebläselaufrads entlang des Dichtspalts 124 eine Ausgleichsströmung beziehungsweise Rückströmung erzeugen kann.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Kragen 134 der aerodynamischen Dichtung 122 senkrecht zur Anströmung ausgeführt, um einen möglichst hohen Druck, insbesondere Staudruck im Spalt 124 zu erreichen. Weiterhin wird dadurch eine Umlenkung der Rückströmung im Spalt 124 erreicht, die je nach Deckscheibenkontur bis zu 90° beträgt. Hier ist der Flansch 134 an einem Außendurchmesser abgeschrägt. Die Aussparung 302 für den Kragen 134 im Gehäuse 104 entspricht genau der Kragenkontur plus den umlaufenden Spalt 124. An der Unterseite ist diese Kontur 302 offen, um das Aufstecken über das Laufrad 102 zu ermöglichen. Der Übergang von Deckscheibe zum Kragen 134 ist ausgerundet, um Ablösungen zu verhindern. Dieser Radius läuft tangential in den Kragen 134 beziehungsweise die Deckscheibenkontur.
