DE102021119121A1

DE102021119121A1 - Radial- oder Diagonallaufrad mit modifizierter Schaufelkante

Info

Publication number: DE102021119121A1
Application number: DE102021119121.1A
Authority: DE
Inventors: Erhard Gruber; Michael Strehle; Daniel GEBERT
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2023-01-26
Also published as: US11629726B2; CN115681206A; US20230038614A1; EP4123180A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radial- oder Diagonallaufrad mit um eine Rotationsachse in Umfangsrichtung gekrümmten Laufradschaufeln (4) gebildet aus einem einlagigen Blech, die jeweils eine Saugseite (11) und eine Druckseite (12) sowie eine Schaufelvorderkante (5) und eine Schaufelhinterkante (6) aufweisen, wobei zumindest die Schaufelvorderkante (5) der Laufradschaufeln (4) angrenzend an deren Saugseite (11) über eine vorbestimmte Teillänge einer Schaufeldicke (SD) der Laufradschaufeln (4) eine geometrische Kantenmodifikation in Form einer Verrundung (7) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radial- oder Diagonallaufrad für ein Gebläse mit um eine Rotationsachse in Umfangsrichtung gekrümmten Laufradschaufeln aus Blech.
Radial- oder Diagonallaufräder sind aus dem Stand der Technik aus verschiedenen Materialien bekannt. Insbesondere kommen dabei abhängig von dem gewünschten Einsatzort und Einsatzzweck sowohl Kunststoffe, teils faserverstärkt, als auch Metalle in Form von Blech zum Einsatz. Lüfterradschaufeln aus Blech werden als Hohlprofilschaufeln oder mit konstanter Materialstärke gefertigt.
Die gekrümmten Lüfterradschaufeln aus Blech werden üblicherweise durch einen Umformprozess und einen Beschnitt aus dem Rohmaterial hergestellt. Dadurch ergibt sich sowohl an der Schaufelvorderkante als auch der Schaufelhinterkante ein stumpfes Schaufelende mit jeweils zwei scharfen Kanten an den Enden der beiden gegenüberliegenden Schaufeloberflächen, welche strömungstechnisch die Saugseite und die Druckseite der jeweiligen Laufradschaufel bestimmen. Derartige Laufradschaufeln können nachbearbeitungsfrei unmittelbar in dem Laufrad eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus einem einlagigen Blech gebildetes Radial- oder Diagonallaufrad mit gekrümmten Laufradschaufeln bereitzustellen, das einen gegenüber herkömmlichen Laufrädern gesteigerten Wirkungsgrad aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein Radial- oder Diagonallaufrad vorgeschlagen, das um seine Rotationsachse in Umfangsrichtung gekrümmte Laufradschaufeln aufweist. Die Laufradschaufeln sind aus einem einlagigen Blech gebildet und weisen jeweils eine Saugseite und eine Druckseite sowie eine Schaufelvorderkante und eine Schaufelhinterkante auf. Zudem ist vorgesehen, dass zumindest die Schaufelvorderkante der Laufradschaufeln angrenzend an deren Saugseite begrenzt über eine vorbestimmte Teillänge der vollen Schaufeldicke eine geometrische Kantenmodifikation in Form einer Verrundung aufweist.
Einlagige Laufradschaufeln aus Blech werden üblicherweise in einem Umformprozess hergestellt und in Form gebracht. Die Außengeometrie wird durch einen Beschnitt des Blechs erreicht, wodurch stumpfe Oberflächenränder des flächigen Blechrohmaterials mit zwei scharfen Außenkanten (abgekantete Form) entstehen. Aus strömungstechnischer Sicht sind Tragflächenprofile bekanntermaßen besser geeignet, diese lassen sich mit einlagigem Blech jedoch nicht herstellen. Der Vorteil des einlagigen Blechs liegt darin, dass beliebige Freiformflächen als dreidimensional gekrümmte Laufradschaufeln erstellt werden können, was mit Hohlprofilen nicht oder nur eingeschränkt möglich ist. Die Kantenmodifikation in Form einer Verrundung an der Saugseite der Schaufelvorderkante ermöglicht, einen vergleichbaren Effekt wie bei einem ideal gestalteten Strömungsprofil zu erreichen und mithin den Wirkungsgrad des Laufrads zu steigern. Es reicht grundsätzlich aus, nur die Schaufelvorderkante auf der Saugseite mit der Kantenmodifikation zu versehen, um die Wirkungsgradverbesserung zu erzielen, alle übrigen Kanten der Schaufelkanten können ohne Kantenmodifikation und mithin nach dem formgebenden Beschnitt nachbearbeitungsfrei verbleiben.
Die Schaufelvorderkante der Laufradschaufeln angrenzend an deren Druckseite wird vorzugsweise ohne die Kantenmodifikation ausgebildet und behält die abgekantete Form, welche durch den Beschnitt entsteht.
Die Kantenmodifikation in Form einer Verrundung kann durch Bereitstellung eines durchgängigen, konstanten Radius an der saugseitigen nach dem Beschnitt des Rohmaterials verbleibenden scharfen Außenkante der Oberflächenränder des flächigen Blechrohmaterials erreicht werden. Der Verlauf der Kantenmodifikation kann dabei auch mehrere unterschiedliche Radien aufweisen.
Der vorteilhafte Effekt wird zudem in einer Ausführungsvariante erreicht, bei welcher die Kantenmodifikation in Form einer Verrundung elliptisch ausgebildet ist.
Als weitere Möglichkeit der Kantenmodifikation in Form einer Verrundung sieht eine Lösung vor, dass die Verrundung durch eine Fase gebildet ist. Die Fase kann dabei auch den im Querschnitt gesehen üblichen unstetigen Verlauf aufweisen. Der daraus entstehende Übergang wird gleichwohl als Verrundung definiert, da eine scharfe Außenkante an den Oberflächenrändern des flächigen Blechrohmaterials durch eine die Strömung positiv beeinflussende Kantenmodifikation beseitigt ist.
Eine Ausführungsvariante des Radial- oder Diagonallaufrads ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante der Laufradschaufeln angrenzend an die Druckseite über eine vorbestimmte Teillänge der Schaufeldicke ebenfalls eine geometrische Kantenmodifikation in Form der Verrundung aufweist. Hierbei können die vorstehend beschriebenen Varianten verwendet werden. Die Kantenmodifikation der druckseitigen Schaufelhinterkante verbessert die Geräuschbildung und liefert mithin zusätzlich akustische Vorteile. Eine günstige Ausführung sieht dabei vor, dass die Schaufelvorderkante und die Schaufelhinterkante der Laufradschaufeln bezüglich der Kantenmodifikation formidentisch ausgebildet sind.
Die Kantenmodifikation an der Schaufelvorderkante ist mithin ausgehend von der Saugseite, an der Schaufelhinterkante ausgehend von der Druckseite der Laufradschaufeln ausgebildet.
Ferner ist das Radial- oder Diagonallaufrad in einer vorteilhaften Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenmodifikation entlang der Schaufelvorderkante auf der Saugseite ausgehend von einem äußersten Rand der Schaufelvorderkante in Richtung der Druckseite der Schaufelvorderkante sich als Teillänge über mindestens 20% der Schaufeldicke erstreckt.
Soweit die Schaufelhinterkante ebenfalls mit einer Kantenmodifikation ausgestattet wird, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kantenmodifikation entlang der Schaufelhinterkante auf der Druckseite ausgehend von einem äußersten Rand der Schaufelhinterkante in Richtung der Saugseite der Schaufelhinterkante sich als Teillänge über mindestens 20% der Schaufeldicke erstreckt.
Bei dem Radial- oder Diagonallaufrad ist zudem vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Laufradschaufeln eine konstante Schaufeldicke, d.h. eine konstante Materialstärke des Blechmaterials aufweisen.
Das Radial- oder Diagonallaufrad ist ferner vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln zwischen der Schaufelvorderkante und der Schaufelhinterkante durch einen Umformprozess dreidimensional gekrümmt ausgebildet sind. Die dreidimensionale Krümmung ermöglicht die Nachahmung von strömungstechnisch vorteilhaften Tragflächenprofilen. Der fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung dreidimensional gekrümmter Laufradschaufeln aus einlagigem Blech ist jedoch weitaus geringer.
Das Radial- oder Diagonallaufrad umfasst ferner vorzugsweise eine Bodenscheibe und eine Deckscheibe, welche durch die Laufradschaufeln verbunden sind. Die Deckscheibe kann dabei unterschiedlich gestaltet werden und insbesondere in Umfangsrichtung wellenförmig und/oder rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
Zur Herstellung der Kantenmodifikation kann entweder eine Kantenprägung im Umformwerkzeug erfolgen, bevor die Laufradschaufeln in dem Laufrad montiert werden. Alternativ kann der Kantenbeschnitt in Form eines Umfangsrandbeschnitts der Laufradschaufeln mit integrierter Umformung erfolgen. Schließlich wäre auch eine spanende Bearbeitung der Schaufelkanten möglich.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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 perspektivische Ansicht auf ein Radiallaufrad;
2 eine Schnittansicht durch das Radiallaufrad aus 1;
3a eine Detailansicht einer Schaufelvorderkante des Radiallaufrads aus den 1 und 2 (Detail A);
3b eine Detailansicht einer Schaufelhinterkante des Radiallaufrads aus den 1 und 2 (Detail B);
4a eine alternative Ausgestaltung zur Detailansicht der Schaufelvorderkante des Radiallaufrads (Detail C);
4b eine alternative Ausgestaltung zur Detailansicht der Schaufelhinterkante des Radiallaufrads (Detail D);
5a eine weitere alternative Ausgestaltung zur Detailansicht der Schaufelvorderkante des Radiallaufrads (Detail E);
5b eine weitere alternative Ausgestaltung zur Detailansicht der Schaufelhinterkante des Radiallaufrads (Detail F);
6 ein Diagramm zur qualitativen Steigerung des Wirkungsgrades.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
1 zeigt beispielhaft ein Radiallaufrad 1. Die Erfindung ist jedoch auch unmittelbar für Diagonallaufräder anwendbar, bei denen die Ausströmrichtung nicht radial, sondern diagonal erfolgt. Das Radiallaufrad 1 umfasst eine Bodenscheibe 2, eine rotationssymmetrische Deckscheibe 3 und sich dazwischen erstreckende und um die Rotationsachse angeordnete Laufradschaufeln 4. Die Deckscheibe 3 bildet die achszentrale Ansaugöffnung. Das Radiallaufrad 1 ist aus Blech gebildet, wobei die Laufradschaufeln 4 mit der Bodenscheibe 2 und der Deckscheibe 3 verbunden, insbesondere verschweißt sind.
Die Laufradschaufeln 4 sind aus einem einlagigen Blech mit konstanter Materialstärke und Schaufeldicke SD gebildet und zum einen rückwärts entgegen der im bestimmungsgemäßen Gebrauch vorgesehenen Rotationsrichtung des Radiallaufrads 1, zum anderen dreidimensional durch einen Umformprozess gekrümmt, wie es neben 1 auch im Axialschnitt der 2 gut zu erkennen ist.
Jede der Laufradschaufeln 4 ist in der gezeigten Ausführung formidentisch ausgeführt und umfasst jeweils eine Saugseite 11, eine Druckseite 12 sowie eine ansaugseitige Schaufelvorderkante 5 und eine ausblasseitige Schaufelhinterkante 6.
Bezugnehmend auf die Detailansicht gemäß 3a ist erkennbar, dass die ansaugseitigen Schaufelvorderkanten 5 der Laufradschaufeln 4 eine geometrische Kantenmodifikation in Form einer Verrundung 7 mit einem durchgängigen Radius aufweisen. Die Kantenmodifikation in Form der Verrundung 7 erstreckt sich dabei in der gezeigten Ausführung über die gesamte Axiallänge entlang der Schaufelvorderkante 5 ausgehend von einem äußersten Rand der Schaufelvorderkante 5 auf der Saugseite 11 in Richtung der Druckseite 12 über eine Teillänge L, welche ca. 50% der Schaufeldicke SD entspricht. Das abgekantete Ende 20 der Schaufelvorderkante 5 auf der Druckseite 12 ist scharfkantig und bildet dabei insbesondere einen Übergang im rechten Winkel.
Die Schaufelhinterkanten 6 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 ebenfalls mit der Verrundung 7 versehen, jedoch ausgehend von der Druckseite 12 in Richtung der Saugseite 11 der jeweiligen Laufradschaufel 4, wie in der Detailansicht der 3b gezeigt. Das abgekantete Ende 21 der Schaufelhinterkante 6 auf der Saugseite 11 ist wie bei der Schaufelvorderkante 5 ebenfalls scharfkantig und bildet dabei insbesondere auch einen Übergang im rechten Winkel.
Alternative Ausführungsvarianten der Kantenmodifikation in Form einer Verrundung 7 sind in den Ausführungsbeispielen der 4a und 5a für die Schaufelvorderkanten 5 und 4b und 5b für die Schaufelhinterkanten 6 gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 4a, 4b sind die Kantenmodifikation in Form einer Verrundung 7 durch eine Fase realisiert, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 5a, 5b sind die Kantenmodifikation in Form einer Verrundung 7 durch eine elliptische Form umgesetzt, die sich weiter entlang der Sehnenlänge der Laufradschaufeln 4 erstreckt. Die Teillänge L ist dann geringer als bei der Lösung gemäß der 3a, 3b und liegt bei nur ca. 20% der Schaufeldicke SD.
6 zeigt einen Diagrammvergleich zum Wirkungsgrad zweier identischer Radiallaufräder, wobei die gestrichelte Linie A die Kennlinie des Radiallaufrads mit herkömmlichen Schaufelvorderkanten, die Linie B die Kennlinie des Radiallaufrads 1 mit Schaufelvorderkanten 6 mit Kantenmodifikation in Form der Verrundung 7 aufweist. Die Wirkungsgraderhöhung durch die Kantenmodifikation in Form der Verrundung 7 ist insbesondere bei Volumenströmen im Bereich von 1000-4000m³/h gegeben und im Bereich von 1500-3000m³/h signifikant.

Claims

Radial- oder Diagonallaufrad mit um eine Rotationsachse in Umfangsrichtung gekrümmten Laufradschaufeln (4) gebildet aus einem einlagigen Blech, die jeweils eine Saugseite (11) und eine Druckseite (12) sowie eine Schaufelvorderkante (5) und eine Schaufelhinterkante (6) aufweisen, wobei zumindest die Schaufelvorderkante (5) der Laufradschaufeln (4) angrenzend an deren Saugseite (11) begrenzt über eine vorbestimmte Teillänge einer Schaufeldicke (SD) der Laufradschaufein (4) eine geometrische Kantenmodifikation in Form einer Verrundung (7) aufweist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (5) der Laufradschaufeln (4) angrenzend an deren Druckseite (12) ohne die Kantenmodifikation ausgebildet ist und eine abgekantete Form aufweist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhinterkante (6) der Laufradschaufeln (4) angrenzend an die Druckseite (12) über eine vorbestimmte Teillänge der Schaufeldicke (SD) eine geometrische Kantenmodifikation in Form einer Verrundung (7) aufweist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (4) eine konstante Schaufeldicke (SD) aufweisen.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung (7) einen konstanten Radius aufweist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung durch mehrere Radien gebildet ist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung elliptisch ausgebildet ist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung durch eine Fase gebildet ist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (5) und die Schaufelhinterkante (6) eine Ausgangsform durch Kantenbeschnitt erhalten und die Ausgangsform mit der Kantenmodifikation durch einen Umformprozess versehen ist.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenmodifikation entlang der Schaufelvorderkante (5) auf der Saugseite (11) ausgehend von einem äußersten Rand der Schaufelvorderkante (5) in Richtung der Druckseite (12) der Schaufelvorderkante (5) sich als Teillänge über mindestens 20% der Schaufeldicke (SD) erstreckt.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenmodifikation entlang der Schaufelhinterkante (6) auf der Druckseite (12) ausgehend von einem äußersten Rand der Schaufelhinterkante (6) in Richtung der Saugseite (11) der Schaufelhinterkante (6) sich als Teillänge über mindestens 20% der Schaufeldicke (SD) erstreckt.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (4) zwischen der Schaufelvorderkante (5) und der Schaufelhinterkante (6) durch einen Umformprozess dreidimensional gekrümmt ausgebildet sind.
Radial- oder Diagonallaufrad nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bodenscheibe (2) und eine Deckscheibe (3), welche durch die Laufradschaufeln (4) verbunden sind.
Radial- oder Diagonallaufrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (3) in Umfangsrichtung wellenförmig und/oder rotationssymmetrisch ausgebildet ist.