DE102016118963A1

DE102016118963A1 - Lüfterradschaufel und Lüfterrad

Info

Publication number: DE102016118963A1
Application number: DE102016118963.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Eccarius
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2036-10-07
Also published as: WO2018065283A1; EP3433498A1; DE102016118963B4; CN206268129U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lüfterradschaufel mit einem Schaufelkörper, der eine Anströmkante und einer Abströmkante aufweist, die in einer Schaufellängsrichtung gesehen einander gegenüber liegen, wobei der Schaufelkörper in einem Querschnitt senkrecht zur Schaufellängsrichtung zumindest eine Welle ausbildet, deren Wellenkamm sich zumindest abschnittsweise in der Schaufellängsrichtung zwischen der Anströmkante und der Abströmkante erstreckt

Description

Die Erfindung betrifft eine bezüglich ihrer Steifigkeit verbesserte Lüfterradschaufel sowie ein Lüfterrad mit einer Mehrzahl derartiger Lüfterradschaufeln.
Gattungsbildende Lüfterradschaufeln sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbaren die Druckschriften DE 10 2014 207 903 A1 und DE 10 2014 216 266 A1 Schaufeln für ein Laufrad, die zum Einen als Hohlprofilschaufeln ausgebildet sind und von ihrer Anströmkante zur Abströmkante ähnlich einer Tragfläche gebogen geformt sind, und die zum Anderen eine drehzahlabhängige strömungstechnische Gestalt annehmen, beispielsweise durch unterschiedliche Werkstoffe in unterschiedlichen Bereichen.
Bezüglich der Lüfterradschaufeln ist stets das Bestreben, die Steifigkeit zu erhöhen. Als bekannte Maßnahmen gibt es hierzu im Bereich der Maschinenelemente beispielsweise das Vorsehen von Versteifungsrippen oder Versteifungswaben, Kantungen, Abkantungen oder T-Profilstöße. Auf diese Weise lässt sich die sogenannte Gestaltfestigkeit erhöhen.
Dabei ist jedoch nachteilig, dass entweder die Bauteilgröße oder die Strömungseigenschaften der Lüfterradschaufel wesentlich beeinflusst werden. Das wirkt sich wiederum negativ auf die kosten und Strömungseigenschaften des Lüfterrads aus.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Lüfterradschaufel mit erhöhter Steifigkeit sowie ein entsprechendes Lüfterrad bereit zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmalskombinationen gemäß der Patentansprüche 1 und 18 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Lüfterradschaufel mit einem Schaufelkörper vorgeschlagen, der eine Anströmkante und einer Abströmkante aufweist, die in einer Schaufellängsrichtung gesehen einander gegenüber liegen. Der Schaufelkörper bildet in einem Querschnitt senkrecht zur Schaufellängsrichtung zumindest eine Welle aus, deren Wellenkamm sich zumindest abschnittsweise in der Schaufellängsrichtung zwischen der Anströmkante und der Abströmkante erstreckt. Die Welle ist gekennzeichnet durch einen Verlauf des Strömungskörpers senkrecht zur Schaufellängsrichtung mit mindestens einer positiven Steigung, dem sich daran anschließenden Wellenkamm und einer sich an den Wellenkamm anschließenden negativen Steigung.
In einer für die Steifigkeitserhöhung vorteilhaften Ausbildung weist die zumindest eine Welle einen sinusförmigen Querschnitt auf. Alternativ sind auch Ausführungen umfasst, bei denen die zumindest eine Welle einen Wellenberg mit einem Wellenkamm ausbildet, die zusammen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen.
Ein von Welle geformter Wellenberg erstreckt sich in Querrichtung über eine vorbestimmte Länge des Schaufelkörpers. Die Steigungen des Wellenbergs können in einem Schnitt in Querrichtung gesehen symmetrisch oder unsymmetrisch sein, je nachdem an welcher Stelle innerhalb der Lüfterradschaufel welche Steifigkeit bevorzugt wird. Der Wellenberg kann sich über einen Teilbreite oder die gesamte Breite der Lüfterradschaufel erstrecken, je nachdem in welchem Bereich die Versteifung realisiert werden soll.
In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass sich die zumindest eine Welle über die gesamte Länge der Lüfterradschaufel in Schaufellängsrichtung zwischen der Anströmkante und der Abströmkante erstreckt und über mehrere zueinander in Schaufellängsrichtung beabstandete zur Schaufellängsrichtung senkrechte Querschnitte einen geometrisch konstanten Verlauf aufweist. Das bedeutet, dass die Welle über ihre Erstreckung von der Anströmkante zur Abströmkante gleich geformt ist.
Alternativ wird bei der Lüfterradschaufel vorgesehen, dass sich die zumindest eine Welle über die gesamte Länge der Lüfterradschaufel in Schaufellängsrichtung zwischen der Anströmkante und der Abströmkante erstreckt und über mehrere zueinander in Schaufellängsrichtung beabstandete zur Schaufellängsrichtung senkrechte Querschnitte einen sich geometrisch verändernden Verlauf aufweist. Dies impliziert die Möglichkeit eines sich von der Anströmkante zur Abströmkante veränderlichen Verlaufs der über die Schaufellängsrichtung.
Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der in Querrichtung senkrecht zur Schaufellängsrichtung eine Vielzahl von geometrisch identischen Wellen ausgebildet ist, deren Wellenkämme in Schaufellängsrichtung parallel verlaufen. Dabei können die Wellenkämme sinusförmig gerundet, dreieckig gezackt oder mehreckig mit einem Wellenkammplateau ausgebildet werden.
In einer Weiterbildung wird die Steifigkeit der Lüfterradschaufel ferner erhöht, indem der Schaufelkörper in Schaufellängsrichtung und/oder in Querrichtung in sich verspannt ausgebildet ist. Die Verspannung wird in einer Ausführungsvariante durch eine lokale oder flächige Massiv- und/oder Kaltverformung des Schaufelkörpers gebildet, wodurch in das Material des Schaufelkörpers ein festigkeitssteigernder Spannungsgradient induziert wird. Alternativ wird dies auch durch eine lokale thermische Verspannung, in einer Ausführungsvariante beispielsweise durch geführte Abkühlungsvorgänge mit variierenden Abkühlgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Bereichen der Lüfterradschaufel, erreicht.
In einer weiteren Alternative wird der Schaufelkörper einer Lüfterradschaufel aus Kunststoff durch eine Behinderung von Verformungen oder Rückverformungen von Kunststoffen mit Formgedächtniseigenschaften verspannt.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel wird der Schaufelkörper in Schaufellängsrichtung und/oder in Querrichtung durch lokal unterschiedliche Wandstärken des Schaufelkörpers in Schaufellängsrichtung und/oder in Querrichtung in sich verspannt ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich wird in einer Weiterbildung der Lüfterradschaufeln vorgesehen, dass der Schaufelkörper in Querrichtung gesehen gegenüber liegende und an Querkanten des Schaufelkörpers angrenzende Quer-Randbereiche aufweist, wobei in zumindest einem der Quer-Randbereiche mindestens eine Spannungskerbe ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist ferner vorsehbar, dass der Schaufelkörper in Schaufellängsrichtung gesehen gegenüber liegende und an die Anströmkante und die Abströmkante des Schaufelkörpers angrenzende Längs-Randbereiche aufweist, wobei in zumindest einem der Längs-Randbereiche mindestens eine Spannungskerbe ausgebildet ist.
Eine entsprechende Spannungskerbe wird in Ausführungsbeispielen als Durchgangsbohrung in Dickenrichtung der Lüfterradschaufel oder als lokale Ausnehmung realisiert. Die lokale Ausnehmung weist vorzugsweise in einer Draufsicht auf eine Oberfläche (Druckseite/Saugseite) des Schaufelkörpers gesehen eine Dreiecks-, Vierecks- oder Vielecksform auf. Durch die eine oder mehrere Spannungskerben werden die Spannungslinien im an die Spannungskerbe(n) angrenzenden Schaufelkörper umgelenkt, so dass lokale Spannungsgradienten erhöht und mithin die lokale Vorspannung sowie die Steifigkeit der Lüfterradschaufel vergrößert werden.
Vorteilhaft ist ferner eine Ausbildung, bei der die mindestens eine Spannungskerbe die lokale Spannungskonzentration bis unterhalb der jeweiligen werkstoffspezifischen plastischen Fließgrenze anhebt oder eine teilplastische Werkstoffverformung vorsieht, so dass Mikrowerkstoffverformungen Spannungsgradienten oberhalb der Fließgrenze lokal reduzieren und somit lokale maximale Spannungsinduzierungen verbleiben, die vorzugsweise an der oberen Grenze der elastischen Werkstoffeigenschaften liegen.
In einer speziellen Umsetzung innerhalb eines der Randbereiche wird vorgesehen, dass die mindestens eine Spannungskerbe an mindestens einer Querkante und/oder mindestens einer der Anströmkante und Abströmkante des Schaufelkörpers ausgebildet ist.
Die Größe des jeweiligen Längs-Randbereichs in Schaufellängsrichtung wird vorzugsweise über eine Länge festgelegt, die einem 2–550-fachen der Schaufeldicke in Dickenrichtung der Lüfterradschaufel entspricht. In Schaufellängsrichtung erstreckt sich der jeweilige Randbereich über maximale Länge von 20% einer Gesamtlänge der Lüfterradschaufel in Schaufellängsrichtung.
Die Erfindung umfasst ferner das Lüfterrad mit mindestens einer, vorzugsweise einer Vielzahl von Lüfterradschaufeln mit einer der vorstehend beschriebenen Ausführungen.
In einer Weiterbildung des Lüfterrad ist vorgesehen, dass die mindestens eine Lüfterradschaufel elastisch vorgespannt an dem Lüfterrad befestigt, beispielsweise an einer Deck- und/oder Bodenscheibe eines Radiallüfterrads verschweißt oder verpresst ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Lüfterradschaufel in einer ersten Ausführung;
2 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Lüfterradschaufel in einer zweiten Ausführung;
3 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Lüfterradschaufel in einer dritten Ausführung;
4 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Lüfterradschaufel in einer vierten Ausführung;
In 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Lüfterradschaufel 1 in einer ersten Ausführung dargestellt, dessen Schaufelkörper eine Anströmkante 2 und eine in Schaufellängsrichtung L gegenüberliegende Abströmkante 3 aufweist. Die im bestimmungsgemäßen Gebrauch vorgesehene Luft-Strömungsrichtung erfolgt in Schaufellängsrichtung L. In Querrichtung Q, senkrecht zur Schaufellängsrichtung L, weist der Schaufelkörper gegenüber liegende Querkanten 4, 5 auf, entlang derer die Lüfterradschaufel 1 an Bauteile eines Lüfterrads 50 befestigbar, beispielsweise die Deck- und Bodenscheibe wie in 6 gezeigt. An dem an die Querkante 5 angrenzenden Randbereich weist der Schaufelkörper eine Spannungskerbe 15 in Dreiecksform auf.
Der Schaufelkörper bildet im Querschnitt senkrecht zur Schaufellängsrichtung L eine Welle 6 aus, deren Wellenkamm 7 sich über die gesamte Schaufellänge in Schaufellängsrichtung L zwischen der Anströmkante 2 und der Abströmkante 3 erstreckt und gerundet ausgebildet ist. Die einzelne Welle 6 weist einen sinusförmigen Querschnitt aus und bildet einen symmetrischen Wellenberg mit dem Wellenkamm 7 an der höchsten Erhebung und gleichen angrenzenden Steigungen aus. Die Übergänge des Schaufelkörpers zur der ausgebildeten Welle 6 sind in Querrichtung fließend.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist identisch zu dem in 1, bis auf, dass die Welle 6 eine größere Steigung an dem Wellenberg ausbildet, und somit der Wellenkamm 7 spitzer zuläuft. Der Wellenberg bildet mit dem Wellenkamm 7 im Querschnitt gesehen ein Dreieck aus. Die Übergänge des Schaufelkörpers zur der Welle 6 sind in Querrichtung jeweils mit Kanten 17, 18 versehen, so dass ein sprunghafter Verlauf der Welle 6 vorliegt.
In einer Abwandlung zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind in der Ausführung gemäß 3 in Querrichtung Q senkrecht zur Schaufellängsrichtung L eine Vielzahl von geometrisch identischen, sinusförmigen Wellen 6 ausgebildet, deren Wellenkämme 7 in Schaufellängsrichtung L parallel von der Anströmkante 2 bis zur Abströmkante 3 verlaufen. Die Vielzahl der Wellen 6 ist über die gesamte Breite in Querrichtung der Lüfterradschaufel 1 vorgesehen. An dem an die Abströmkante 3 angrenzenden Randbereich weist der Schaufelkörper drei in Querrichtung beabstandete Spannungskerben 16 in quadratischer Form auf. Zudem ist unmittelbar an die Anströmkante 2 Spannungskerbe 13 in Dreicksform eingesenkt.
In entsprechender Abwandlung zu 2 sind in der Ausführung gemäß 4 in Querrichtung Q senkrecht zur Schaufellängsrichtung L eine Vielzahl von geometrisch identischen, Wellen 6 ausgebildet, die im Querschnitt jedoch eine Zickzack-Form aufweisen. Die einzelnen Wellenkämme 7 sind dabei spitzer als bei der Sinusform gemäß 3. Es ist darauf zu achten, dass die Darstellung in 4 gegenüber den Ansichten in 1–3 um 90° gedreht ist.
Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 5 eine Laufradschaufel 1, wobei die Wellen 6 einen rechteckigen, im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Wellen 6 verlaufen in Schaufellängsrichtung L über die gesamte Länge des Lüfterrads 1 von der Anströmkante 2 bis zur Abströmkante 3. Die Wellenberge der Wellen 6 erstrecken sich über die gesamte Breite der Lüfterradschaufel 1 in Querrichtung Q.
In 6 ist ein Laufrad 50 mit einer Deckscheibe 51 und einer Bodenscheibe 52 perspektivisch dargestellt. Die Deckscheibe 51 bildet eine axiale Einlassöffnung, über die das Lüfterrad 50 Luft ansaugt. Zwischen den Lüfterradschaufeln 1 sind Aublaskanäle zum radialen Ausblasen der Luft vorgesehen.
Auch wenn Spannungskerben 13, 15, 16 an nur einigen beispielhaften Positionen und in beispielhaften Formen bei manchen Ausführungsvarianten gezeigt sind, können diese auch an den anderen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014207903 A1 [0002]
DE 102014216266 A1 [0002]

Claims

Lüfterradschaufel mit einem Schaufelkörper, der eine Anströmkante und einer Abströmkante aufweist, die in einer Schaufellängsrichtung gesehen einander gegenüber liegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkörper in einem Querschnitt senkrecht zur Schaufellängsrichtung zumindest eine Welle ausbildet, deren Wellenkamm sich zumindest abschnittsweise in der Schaufellängsrichtung zwischen der Anströmkante und der Abströmkante erstreckt.
Lüfterradschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Welle einen sinusförmigen Querschnitt aufweist.
Lüfterradschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Welle einen Wellenberg mit einem Wellenkamm ausbildet, die zusammen einen dreieckigen Querschnitt ausbilden.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Welle einen Wellenberg ausbildet, der sich in Querrichtung über eine vorbestimmte Länge des Schaufelkörpers erstreckt.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zumindest eine Welle über die gesamte Länge der Lüfterradschaufel in Schaufellängsrichtung zwischen der Anströmkante und der Abströmkante erstreckt und über mehrere zueinander in Schaufellängsrichtung beabstandete zur Schaufellängsrichtung senkrechte Querschnitte einen geometrisch konstanten Verlauf aufweist.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zumindest eine Welle über die gesamte Länge der Lüfterradschaufel in Schaufellängsrichtung zwischen der Anströmkante und der Abströmkante erstreckt und über mehrere zueinander in Schaufellängsrichtung beabstandete zur Schaufellängsrichtung senkrechte Querschnitte einen sich geometrisch verändernden Verlauf aufweist.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Querrichtung senkrecht zur Schaufellängsrichtung eine Vielzahl von geometrisch identischen Wellen ausgebildet sind, deren Wellenkämme in Schaufellängsrichtung parallel verlaufen.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkörper in Schaufellängsrichtung und/oder in Querrichtung in sich verspannt ausgebildet ist, wobei die Verspannung gebildet ist durch eine lokale oder flächige Massiv- und/oder Kaltverformung des Schaufelkörpers.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkörper in Schaufellängsrichtung und/oder in Querrichtung in sich verspannt ausgebildet ist, wobei die Verspannung gebildet ist durch eine lokale thermisch induzierte Spannung in den Schaufelkörper.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkörper in Schaufellängsrichtung und/oder in Querrichtung in sich verspannt ausgebildet ist, wobei die Verspannung gebildet ist durch lokal unterschiedliche Wandstärken des Schaufelkörpers in Schaufellängsrichtung und/oder in Querrichtung.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkörper in Querrichtung gesehen gegenüber liegende und an Querkanten des Schaufelkörpers angrenzende Quer-Randbereiche aufweist, wobei in zumindest einem der Quer-Randbereiche mindestens eine Spannungskerbe ausgebildet ist.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkörper in Schaufellängsrichtung gesehen gegenüber liegende und an die Anströmkante und die Abströmkante des Schaufelkörpers angrenzende Längs-Randbereiche aufweist, wobei in zumindest einem der Längs-Randbereiche mindestens eine Spannungskerbe ausgebildet ist.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen beiden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spannungskerbe als Durchgangsbohrung in Dickenrichtung der Lüfterradschaufel oder als lokale Ausnehmung ausgebildet ist.
Lüfterradschaufel nach einem dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Ausnehmung in einer Draufsicht auf eine Oberfläche des Schaufelkörpers eine Dreiecks-, Vierecks- oder Vielecksform aufweist.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spannungskerbe an mindestens einer Querkante und/oder mindestens einer der Anströmkante und Abströmkante des Schaufelkörpers ausgebildet ist.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweilige Längs-Randbereich in Schaufellängsrichtung über eine Länge erstreckt, die einem 2–550-fachen einer Schaufeldicke in Dickenrichtung der Lüfterradschaufel entspricht.
Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweilige Längs-Randbereich in Schaufellängsrichtung über maximale Länge von 20% einer Gesamtlänge der Lüfterradschaufel in Schaufellängsrichtung erstreckt.
Lüfterrad umfassend mindestens eine Lüfterradschaufel nach einem der vorigen Ansprüche.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lüfterradschaufel elastisch vorgespannt an dem Lüfterrad befestigt ist.