DE102018128821A1

DE102018128821A1 - Diagonalventilator mit optimiertem Diagonallaufrad

Info

Publication number: DE102018128821A1
Application number: DE102018128821.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Haaf; Daniel GEBERT; Johannes Dörr
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20
Also published as: CN112840128B; CN209781249U; US20220049715A1; WO2020099167A1; EP3821132A1; US11542955B2; CN112840128A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diagonalventilator umfassend einen Elektromotor (10) und ein über den Elektromotor um einen Rotationsachse (RA) antreibbares Diagonallaufrad (12), wobei das Diagonallaufrad (12) einen Lufteintritt (30) und einen Luftaustritt (31) bestimmt und eine Nabe (35) sowie sich von der Nabe nach radial außen erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Laufradschaufeln (121) aufweist, welche radial außenseitig von einem Schleuderring (122) umschlossen sind, wobei sich ein durch den Schleuderring (122) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildeter Strömungswinkel αD von dem Lufteintritt (30) zu dem Luftaustritt (31) vergrößert, und sich sich ein durch die Nabe (35) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildeter Strömungswinkel αN von dem Lufteintritt (30) zu dem Luftaustritt (31) verkleinert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Diagonalventilator mit optimiertem Diagonallaufrad zur Steigerung des Wirkungsgrades.
Allgemein sind Diagonalventilatoren und deren Einsatz aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2014 210 373 A1 .
Diagonalventilatoren werden in Anwendungen mit hohen Anforderungen an Luftleistung bei höherem Gegendruck und geringem Einbauplatz eingesetzt, beispielsweise in der Kühltechnik oder bei Dunstabzugshauben. Durch den bei Diagonalventilatoren im Verhältnis zum Bauraum großen Motordurchmesser des axialzentral angeordneten Motors und die radiale Erweiterung der Nabe ist die Ausblasfläche an der Ausblasöffnung verhältnismäßig klein, wodurch es zu hohen Austrittsverlusten bei der Strömung durch hohen dynamischen Druck am Austritt des Diagonalventilators kommt.
Die Erfindung löst die Aufgabe, einen Diagonalventilator mit axialer Abströmung bereitzustellen, der eine gegenüber Axialventilatoren gleicher Baugröße eine höhere Druckerzeugung bei gesteigertem Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Diagonalventilator mit einem Elektromotor und einem über den Elektromotor um einen Rotationsachse antreibbaren Diagonallaufrad vorgeschlagen, wobei das Diagonallaufrad einen Lufteintritt und einen Luftaustritt bestimmt und eine Nabe sowie sich von der Nabe nach radial außen erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Laufradschaufeln aufweist, welche radial außenseitig von einem Schleuderring umschlossen sind. Dabei wird vorgesehen, dass sich ein durch den Schleuderring gegenüber der Rotationsachse gebildeter Strömungswinkel von dem Lufteintritt zu dem Luftaustritt vergrößert und sich ein durch die Nabe gegenüber der Rotationsachse gebildeter Strömungswinkel von dem Lufteintritt zu dem Luftaustritt verkleinert.
Bei dem Diagonallaufrad stellt der Bereich der Laufradschaufeln den durchströmbaren Abschnitt dar. Die Qualität der Strömung entlang den radial äußeren und radial innen liegenden Wandabschnitten gebildet durch den Schleuderring und die Nabe ist ein wesentlicher Aspekt bezüglich der Druckerzeugung, der Wurfweite und des Wirkungsgrads des Diagonalventilators. Die Geometrie an dem Schleuderrad und der Nabe wird erfindungsgemäß entsprechend durch eine Vergrößerung des Strömungswinkels an dem Schleuderring und eine Verkleinerung des Strömungswinkels an der Nabe angepasst, um diesbezüglich verbesserte Werte zu erhalten. Als Bezugspunkt dient jeweils die Rotationsachse, wobei der Strömungswinkel in Richtung der Rotationsachse beginnend von dem Wert 0° (0° entspricht einer Axialebene parallel zur Rotationsachse) ansteigt.
In einer Weiterbildung werden bei dem Diagonalventilator speziell vorteilhafte Winkelbereiche für die Strömungswinkel am radial äußeren Bereich des Diagonallaufrads vorgesehen, wobei der durch den Schleuderring gegenüber der Rotationsachse gebildete Strömungswinkel αD1 am Lufteintritt in einem Winkelbereich von 0°≤αD1≤12° und der durch den Schleuderring gegenüber der Rotationsachse gebildete Strömungswinkel αD2 am Luftsaustritt in einem Winkelbereich von 10°≤αD2≤30°, vorzugsweise 15°≤αD2≤20° festgelegt ist.
Ferner wird als günstige Variante unabhängig von den absoluten Werten der Winkelbereich offenbart, dass die Differenz der Strömungswinkel αD2-αD1 in einem Wertebereich festgelegt ist, dass gilt 2°≤αD2-αD1≤20°.
Bezüglich des radial innen liegenden Bereichs an der Nabe ist bei dem Diagonalventilator vorteilhaft, wenn der durch die Nabe gegenüber der Rotationsachse gebildete Strömungswinkel αN von dem Lufteintritt zu dem Luftaustritt in einem Winkelbereich von 20°≤αDN1≤55° am Lufteintritt und der durch die Nabe gegenüber der Rotationsachse gebildete Strömungswinkel αN2 am Luftsaustritt in einem Winkelbereich von 0°≤αDN2≤15° festgelegt ist.
Ferner ist eine Ausführung des Diagonalventilators günstig, bei dem sich die Strömungswinkel αD und αN in einem stetigen Verlauf des Schleuderrings und der Nabe verändern, d.h. die Verläufe des Schleuderrings und der Nabe sind im Radialschnitt gesehen stetig.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Diagonalventilators sieht zudem vor, dass sich der mittlere Staffelungswinkel der Laufradschaufeln über ihren jeweiligen axialen Verlauf in einem an den Schleuderring angrenzenden radialen Außenabschnitt der jeweiligen Laufradschaufel um einen Winkelbereich von 5° bis 15° verringert. Die Richtung der Winkelreduktion ist nach außen hin. Der Staffelungswinkel der Laufradschaufeln ist in der Technik bekannt und bestimmt den Anstellwinkel der Laufradschaufeln gegenüber einer Axialebene senkrecht zur Rotationsachse.
Der radiale Außenabschnitt liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 75%-100% der Radialerstreckung der jeweiligen Laufradschaufel, wobei 0% der Radialerstreckung an der Nabe und 100% der Radialerstreckung an dem Schleuderring bestimmt sind.
Die Laufradschaufeln weisen eine zum Lufteintritt weisende Schaufelvorderkante und eine zum Luftaustritt weisende Schaufelhinterkante auf. Dabei ist strömungstechnisch vorteilhaft, wenn zumindest die Schaufelhinterkante in einer axialen Draufsicht gesehen einen S-förmigen Verlauf aufweist. Als Weiterbildung hiervon ist günstig, dass der Wendepunkt Bögen im S-förmigen Verlauf, d.h. der Punkt, an dem sich die Bogenrichtung ändert, in einem Bereich zwischen 50%-90%, insbesondere bei 70%-90% der Radialerstreckung der jeweiligen Laufradschaufel liegt. Auch hier gilt wieder, dass als 0% der Radialerstreckung an der Nabe und 100% der Radialerstreckung an dem Schleuderring bestimmt ist.
Ferner ist bei dem Diagonalventilator günstig, dass die zum Luftaustritt weisenden Schaufelvorderkanten der Laufradschaufeln über ihre gesamte Radialerstreckung bogenförmig verlaufen.
Bezüglich der Geometrie des Diagonallaufrads des Diagonalventilators wirkt sich zudem positiv auf den Wirkungsgrad aus, wenn das Diagonallaufrad einen maximalen Laufraddurchmesser Da und am Lufteintritt einen Ansaugdurchmesser Ds aufweist, wobei ein Verhältnis des Ansaugdurchmessers Ds gegenüber dem Laufraddurchmesser Da festgelegt ist, dass gilt 0,8≤Ds/Da≤0,95, vorzugsweise 0,9≤Ds/Da≤0,94.
Ferner ist strömungstechnisch eine Ausführung des Diagonalventilators günstig, bei der die Laufradschaufeln eine mittlere axiale Schaufelerstreckung La aufweisen, die im Verhältnis zu einem maximalen Laufraddurchmesser Da des Diagonallaufrads liegt, dass gilt 0,05≤La/Da≤0,25, vorzugsweise 0,09≤La/Da≤0,18.
Eine Weiterbildung des Diagonalventilators sieht vor, dass der Elektromotor im achszentralen Bereich die Strömungskontur der Nabe bildet. Hierzu ist vorgesehen, dass die Nabe eine achszentrale Aussparung aufweist, durch welche sich der Elektromotor in axialer Richtung hindurch erstreckt und mithin eine zum Lufteintritt weisende Anströmfläche bildet. Achszentral definiert stets die Anordnung an der Rotationsachse.
Der Diagonalventilator ist in einem Ausführungsbeispiel ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe eine Motoraufnahme bildet und auf einer zum Luftaustritt weisenden Seite an der Motoraufnahme mehrere Öffnungen vorgesehen sind, welche eine axiale Strömungsverbindung von der Seite des Luftaustritts zu der Seite des Lufteintritt bereitstellt. Somit kann ein Teil der von dem Diagonallaufrad am Lufteintritt angesaugten und am Luftaustritt ausgeblasenen Luft über die Öffnungen an der Nabe zurückströmen und das Anlegen der Strömung an der Nabe verbessern. Zudem dient die Rückströmung als Kühlstrom entlang des Elektromotors.
Zur weiteren Verbesserung der axialen Abströmung umfasst der Diagonalventilator in einer Ausführung in axialer Strömungsrichtung gesehen dem Diagonallaufrad anschließend eine Nachleiteinrichtung, welche eine von dem Diagonallaufrad erzeugte Luftströmung vergleichmäßigt. Die Nachleiteinrichtung kann hierzu beispielsweise eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Leitschaufeln aufweisen. Die Nachleiteinrichtung weist in einer Weiterbildung ein einen Ausblasabschnitt des Diagonalventilators überstreckendes Schutzgitter auf.
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 zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Diagonalventilators;
2 eine Radialschnittansicht des Diagonalventilators aus 1;
3 den Radialschnittansicht des Diagonalventilators aus 2 mit weiteren Erläuterungen;
4 eine axiale Rückansicht auf den Diagonalventilator aus 1;
5 eine axiale Draufsicht auf den Diagonalventilator aus 1.

Die 1 - 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Diagonalventilators 1 in mehreren Ansichten. Der Diagonalventilator 1 umfasst in der gezeigten Ausführung den als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor 10 und das Diagonallaufrad 12 mit seinen sich von der um die Rotationsachse RA verlaufenden Nabe 35 nach radial außen erstreckenden, in Umfangsrichtung verteilten Laufradschaufeln 121, welche radial außenseitig von dem Schleuderring 122 umschlossen sind.
Zwischen der Nabe 35 und der Innenwand des Schleuderrings 122 weist das Diagonallaufrad 12 den Strömungskanal auf, durch welchen das Diagonallaufrad 12 Luft von dem Lufteintritt 30 zu dem Luftaustritt 31 fördert. Die radial innen liegende Wand des Strömungskanals wird über die Mantelfläche der Nabe 35, die radial außen liegende Wand durch die Innenwand des Schleuderrings 122 bestimmt. Der durch den Schleuderring 122 gegenüber der Rotationsachse RA gebildete Strömungswinkel αD1 am Lufteintritt 30 ist bei der gezeigten Ausführung auf 10°, der durch den Schleuderring 122 gegenüber der Rotationsachse RA gebildete Strömungswinkel αD2 am Luftsaustritt auf 18° festgelegt, so dass die Winkeldifferenz bei 8° liegt. Der durch die Mantelfläche der Nabe 35 gegenüber der Rotationsachse RA gebildete Strömungswinkel αN1 am Lufteintritt 30 liegt bei 40°, der durch die Mantelfläche der Nabe 35 gegenüber der Rotationsachse RA gebildete Strömungswinkel am Luftsaustritt 31 liegt bei 2°, so dass die Winkeldifferenz einen Wert von 38° aufweist. Sowohl der Schleuderring 122 als auch die Mantelfläche der Nabe 35 weisen im den Strömungskanal bildenden Bereich einen stetigen Verlauf auf.
Die Nabe 35 weist eine achszentrale Aussparung 79 mit einer Motoraufnahme 29 auf. Der Elektromotor 10 verläuft in axialer Richtung durch die Aussparung 79 hindurch und bildet ansaugseitig die Anströmfläche 15. Im Bereich der Motoraufnahme 29 sind in der Nabe 35 einen Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Öffnungen 85 vorgesehen, durch welche ein Teil der Strömung entlang des Elektromotors 10 zurückgeführt und anschließend wieder durch den Strömungskanal gefördert wird. Bezugnehmend auf 1 sind zusätzlich auch in der axial vordersten Kante der Mantelfläche der Nabe 35 mehrere in Umfangsrichtung verteilte Öffnungen 73 vorgesehen, welche mit dem Bereich des Luftaustritts 31 in Strömungsverbindung stehen.
Zudem bildet der Schleuderring 122 des Diagonalventilators 1 am Lufteintritt 30 zwei sich in Axialrichtung erstreckende, koaxiale Ringlippen 130, 131 aus, welche ausblasseitig zu einer Art Deckscheibe zusammenlaufen.
Bezugnehmend auf die 1, 3 und 4 ist zu erkennen, dass der radiale Außenrandabschnitt 123 der jeweiligen Laufradschaufeln 121 im Bereich von 75-100% der Radialerstreckung S besonders gestaltet ist. In diesem Außenrandabschnitt 123 ist der Staffelungswinkel der Laufradschaufeln 121 über ihren jeweiligen axialen Verlauf im Mittel um einen Wert von etwa 10° gegenüber dem radial weiter innen liegenden Bereich verringert. Die Schaufelvorderkanten 33 weisen eine durchgängige Bogenform ohne Richtungswechsel auf. Die Schaufelhinterkanten 32 verlaufen hingegen S-förmig, wobei der Wendepunkt W zwischen den beiden gegenläufigen Bogenformen bei 75% der Radialerstreckung S liegt, wie in 4 gezeigt.
In 3 sind der maximale Laufraddurchmesser Da und der Ansaugdurchmesser Ds am Lufteintritt 30 dargestellt, deren Verhältnis Ds/Da in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei 0,91 liegt. Dieser ist optional im Bereich von 0,9-0,94 festlegbar. Ferner ist die mittlere axiale Schaufelerstreckung La im Verhältnis zu dem maximalen Laufraddurchmesser Da so bestimmt, dass La/Da=0,15. Dieses Verhältnis ist optional im Bereich von 0,09-0,18 festlegbar.
Auch wenn in den Figuren nicht gezeigt, kann der Diagonalventilator 1 zudem eine in axialer Strömungsrichtung gesehen dem Diagonallaufrad 12 anschließend angeordnete Nachleiteinrichtung aufweisen, welche die von dem Diagonallaufrad 12 erzeugte Luftströmung vergleichmäßigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014210373 A1 [0002]

Claims

Diagonalventilator (1) umfassend einen Elektromotor (10) und ein über den Elektromotor (10) um einen Rotationsachse (RA) antreibbares Diagonallaufrad (12), wobei das Diagonallaufrad (12) einen Lufteintritt (30) und einen Luftaustritt (31) bestimmt und eine Nabe (35) sowie sich von der Nabe nach radial außen erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Laufradschaufeln (121) aufweist, welche radial außenseitig von einem Schleuderring (122) umschlossen sind, wobei sich ein durch den Schleuderring (122) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildeter Strömungswinkel αD von dem Lufteintritt (30) zu dem Luftaustritt (31) vergrößert, und sich ein durch die Nabe (35) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildeter Strömungswinkel αN von dem Lufteintritt (30) zu dem Luftaustritt (31) verkleinert.
Diagonalventilator nach Anspruch 1, wobei der durch den Schleuderring (122) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildete Strömungswinkel αD1 am Lufteintritt (30) in einem Winkelbereich von 0°≤αD1≤12° und der durch den Schleuderring (122) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildete Strömungswinkel αD2 am Luftaustritt in einem Winkelbereich von 10°≤αD2≤30°, insbesondere 15°≤αD2≤20° festgelegt ist.
Diagonalventilator nach Anspruch 2, wobei eine Differenz der Strömungswinkel in einem Wertebereich festgelegt ist, dass gilt 2°≤αD2-αD1≤20°.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der durch die Nabe (35) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildete Strömungswinkel αN von dem Lufteintritt (30) zu dem Luftaustritt (31) in einem Winkelbereich von 20°≤αN1≤55° und der durch die Nabe (35) gegenüber der Rotationsachse (RA) gebildete Strömungswinkel am Luftsaustritt (31) in einem Winkelbereich von 0°≤αN2≤15° festgelegt ist.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Strömungswinkel αD und αN in einem stetigen Verlauf des Schleuderrings (122) und der Nabe verändern.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Staffelungswinkel der Laufradschaufeln über ihren jeweiligen axialen Verlauf in einem an den Schleuderring (122) angrenzenden radialen Außenabschnitt (123) der jeweiligen Laufradschaufel (121) um einen Winkelbereich von 5° bis 15° verringert.
Diagonalventilator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der radiale Außenabschnitt (123) in einem Bereich zwischen 75%-100% der Radialerstreckung (S) der jeweiligen Laufradschaufel (121) liegt, wobei 0% der Radialerstreckung (S) an der Nabe und 100% der Radialerstreckung an dem Schleuderring (122) bestimmt sind.
Diagonalventilator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Laufradschaufeln (121) eine zum Lufteintritt (30) weisende Schaufelvorderkante (33) und eine zum Luftaustritt (31) weisende Schaufelhinterkante (32) aufweisen, und wobei zumindest die Schaufelhinterkante (32) in einer axialen Draufsicht gesehen einen S-förmigen Verlauf aufweist.
Diagonalventilator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Wendepunkt (W) von Bögen im S-förmigen Verlauf in einem Bereich zwischen 50%-90%, insbesondere bei 70%-90% der Radialerstreckung (S) der jeweiligen Laufradschaufel (121) liegt, wobei 0% der Radialerstreckung (S) an der Nabe (35) und 100% der Radialerstreckung (S) an dem Schleuderring (122) bestimmt sind.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8-9, wobei die zum Lufteintritt (30) weisenden Schaufelvorderkanten (33) der Laufradschaufeln (121) bogenförmig verlaufen.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagonallaufrad (12) einen maximalen Laufraddurchmesser Da und am Lufteintritt (30) einen Ansaugdurchmesser Ds aufweist, wobei ein Verhältnis des Ansaugdurchmessers Ds gegenüber dem Laufraddurchmesser Da festgelegt ist, dass gilt 0,8≤Ds/Da≤0,95, insbesondere 0,9≤Ds/Da≤0,94.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (121) eine mittlere axiale Schaufelerstreckung La aufweisen, die im Verhältnis zu einem maximalen Laufraddurchmesser Da des Diagonallaufrads liegt, dass gilt 0,05≤La/Da≤0,25, insbesondere 0,09≤La/Da≤0,18.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (35) eine achszentrale Aussparung (7) aufweist, durch welche sich der Elektromotor (10) in axialer Richtung hindurch erstreckt und mithin eine zum Lufteintritt (30) weisende Anströmfläche (15) bildet.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (35) eine Motoraufnahme (29) bildet und auf einer zum Luftaustritt (31) weisenden Seite an der Motoraufnahme (29) mehrere Öffnungen (85) vorgesehen sind, welche eine axiale Strömungsverbindung von der Seite des Luftaustritts (31) zu der Seite des Lufteintritt (30) bereitstellt.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Strömungsrichtung gesehen dem Diagonallaufrad (12) anschließend eine Nachleiteinrichtung angeordnet ist, welche eine von dem Diagonallaufrad (12) erzeugte Luftströmung vergleichmäßigt.