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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Gebläserad
zum Transport von Luft oder anderen gasförmigen Medien. Ein solches
Gebläserad
besitzt eine Bodenplatte und eine Deckplatte mit im Wesentlichen gleichem
Außendurchmesser
und scheibenförmiger Projektionsfläche, wobei
in der Deckplatte eine Lufteintrittsöffnung vorgesehen ist. Weiterhin
sind zwischen Boden- und Deckplatte mehrere Schaufeln befestigt,
die sich von der Lufteintrittsöffnung
bis zum Außenrand
der Platten erstrecken und zwischen den Platten mehrere Luftkanäle bereitstellen.
Die Erfindung betrifft darüber
hinaus ein Verfahren zur Herstellung solcher Gebläseräder.
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Es sind unterschiedlichste Anwendungsfälle bekannt,
bei denen mit Hilfe von Gebläserädern ein Gasstrom
erzeugt wird. Hauptsächlich
werden solche Gebläseräder in Staubsaugern
zur Erzeugung des Luftstroms genutzt. In anderen Anwendungsbereichen
wird Luft zur Kühlung
elektrischer, in einem Gehäuse
gekapselter Motoren von Gebläserädern transportiert.
Die Gebläseräder können aber
auch in Sekundärluftpumpen
für einen
gezielten Gastransport in oder aus einem beliebigen Hohlraum verwendet
werden.
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Aus Produktbeschreibungen der Firma
MOTEC Components GmbH sind Gebläseräder bekannt,
die aus einer ebenen Bodenplatte, einer ebenen Deckplatte und mehreren
zwischen diesen senkrecht stehenden Schaufeln bestehen. Der Lufteintritt erfolgt
bei diesen Gebläserädern in
axialer Richtung durch eine Lufteintrittsöffnung in der Deckplatte, woraufhin
die Luft durch die Luftkanäle
strömt,
die zwischen den einzelnen Schaufeln ausgebildet sind. Die transportierte
Luft tritt am Außenrand
der Boden- und Deckplatte in tangentialer bzw. radialer Richtung
aus. Diese Gebläseräder bestehen
meist aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und sind aus mehreren Einzelteilen
zusammengesetzt. Es hat sich gezeigt, dass die Strömungseigenschaften
eines Gebläserades
verbessert werden, wenn die Schaufeln entlang einer Fußlinie gekrümmt sind
und nicht auf einer radialen Linie verlaufen.
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Aus den Produktblättern der MOTEC Components
GmbH ist weiterhin ein Gebläserad
bekannt, bei welchem die Deckplatte eine gekrümmte rotationssymmetrische
Fläche
beschreibt, so dass der Abstand zwischen Deckplatte und Bodenplatte
zum Mittelpunkt hin ansteigt. Die Luftkanäle werden wiederum durch gekrümmte Schaufeln
gebildet, deren Höhe
gemäß der Krümmung der
Deckplatte zunimmt, so dass die Höhe eines einzelnen Luftkanals an
der Lufteintrittsöffnung
größer ist
als die Höhe
am Ende des Kanals am Außenrand
des Gebläserades. Durch
eine derartige Gestaltung können
die Strömungseigenschaften
weiter verbessert werden.
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Solche Gebläseräder werden häufig mit
hohen Drehzahlen betrieben, beispielsweise bis zu 80.000 Umdrehungen
pro Minute. Dafür
ist es erforderlich, dass die Gebläseräder ein möglichst geringes Eigengewicht
haben und eine hohe Stabilität
aufweisen. Vorzugsweise werden Gebläseräder daher aus Leichtmetall,
insbesondere Aluminium angefertigt. Um hohe Stückzahlen preiswert herstellen
zu können,
werden die Gebläseräder aus
Einzelteilen in automatisierten Fertigungsprozessen zusammengesetzt,
wobei die Schaufeln mechanisch mit der Boden- und der Deckplatte
verbunden werden. Insbesondere hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
die Schaufeln in den Platten zu vernieten oder zu verlaschen, wofür an den
Seitenrändern der
Schaufeln spezielle Erhebungen und in den Platten passende Ausnehmungen
vorgesehen sind.
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Im Bereich des Pumpenbaus sind Laufräder bekannt
geworden, die doppelt gekrümmte
Schaufeln verwenden, um das strömungstechnische
Verhalten weiter zu verbessern. Diese Schaufeln sind räumlich gekrümmt und
zeichnen sich durch erhöhten
Wirkungsgrad und geringere Laufgeräusche aus. Solche Laufräder mit
räumlich
gekrümmten
Schaufeln werden in Guss- oder Spritzverfahren hergestellt oder
vollständig
aus Materialblöcken
gefräst.
Diese Laufräder
haben ein hohes Gewicht, eignen sich daher nur bedingt für hohe Drehzahlen
und sind aufgrund der komplizierten Herstellungsverfahren relativ teuer.
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Es ist bisher nicht gelungen, die
strömungstechnisch
vorteilhafte Formgebung von räumlich
gekrümmten
Schaufeln bei monolithisch aufgebauten Laufrädern auch auf solche Gebläseräder zu übertragen,
die aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt werden und hinsichtlich
der Fertigungskosten und der möglichen
Einsatzbereiche Vorteile gegenüber
den monolithisch aufgebauten Laufrädern aufweisen. Insbesondere
konnten die Schwierigkeiten der schnellen und preiswerten Herstellung
einer mechanischen Verbindung zwischen den Schaufeln und den Boden-
bzw. Deckplatten der Gebläseräder bisher
nur für
nicht räumlich
gekrümmte
Schaufeln überwunden
werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht somit darin, ein Gebläserad
bereit zu stellen, welches durch eine veränderte Geometrie der Schaufeln
bessere strömungstechnische
Eigenschaften aufweist und trotzdem mit herkömmlichen Fertigungstechniken
preiswert und schnell hergestellt werden kann. Insbesondere soll
es ermöglicht werden,
räumlich
gekrümmte
Schaufeln auch bei gattungsgemäßen Gebläserädern einzusetzen.
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Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, dass
die Schaufeln in zwei Ebenen gekrümmt bzw. geneigt sind, so dass
sie entlang ihrer Erstreckung eine sich ändernde Neigung zu der Ebene,
in welcher die gekrümmte
Fußlinie
liegt, besitzen und dass gleichzeitig die Bodenplatte und/oder die
Deckplatte eine Krümmung
aufweist, die der sich ändernden Neigung
der Schaufeln folgt, so dass die Schaufeln weiterhin im Wesentlichen
senkrecht auf zumindest einer der gekrümmten Platten stehen.
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Die strömungstechnischen Eigenschaften des
erfindungsgemäßen Gebläserades
werden durch die räumliche
Krümmung
und Neigung der Schaufeln verbessert. Die besonders zweckmäßigen Krümmungsformen
sind dem Fachmann hinlänglich bekannt,
so dass diese hier nicht detailliert beschrieben werden müssen. Durch
die gleichzeitige Krümmung
zumindest einer der beiden Platten (Boden- oder Deckplatte) ist
es möglich,
dass die Schaufeln trotz ihrer räumlichen
Krümmung
an jedem Punkt ihrer Seitenkante senkrecht auf mindestens einer
dieser Platten stehen, so dass die herkömmlichen Verbindungstechniken
genutzt werden können,
um die Schaufeln an der Bodenplatte und/oder der Deckplatte zu befestigen.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn
die Schaufeln eine Form besitzen, die eine Abwicklung in eine Ebene
ermöglicht.
In der Geometrie versteht man unter abwickelbaren Flächen eine
im Raum liegende Fläche,
die sich ohne Deformation in eine Ebene abwickeln lässt. Eine
derartige Formgebung ermöglicht die
Herstellung der Schaufeln aus Flachmaterial, welches entsprechend
ausgeschnitten und anschließend
in zwei Richtungen verbogen wird, um die endgültige Form zu erhalten.
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Bei abgewandelten Ausführungsformen
können
im Gebläserad
verschieden geformte Schaufeln zusammenwirken. Beispielsweise können längere und
kürze Schaufeln
abwechselnd angeordnet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform besitzen
die Schaufeln an ihren Seitenkanten mehrere Erhebungen, die beim
Zusammenbau des Gebläserades
in korrespondierende Aussparungen in der Boden- bzw. Deckplatte
eingreifen und dort durch einen mechanischen Fügevorgang befestigt werden. Beispielsweise
können
die Erhebungen vernietet oder verlascht werden.
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Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin
ein Verfahren zur Herstellung eines Gebläserades an, welches die im
Anspruch 10 genannten Verfahrensschritte umfasst. Ein wesentlicher
Vorteil dieses Herstellungsverfahrens besteht darin, dass die bisher genutzten
Fertigungsstrecken für
Gebläseräder mit nur
einfach gekrümmten
Schaufeln weitgehend unverändert
weiter genutzt werden können.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Gebläserades;
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2 eine
seitliche Schnittansicht des Gebläserades entlang einer durch
den Mittelpunkt gehenden Schnittachse;
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3 zwei
Ansichten einer Schaufel des Gebläserades im nicht eingebauten
Zustand;
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4 eine
Draufsicht auf eine ebene Schaufelplatte, welche die Ausgangsform
zur Herstellung der Schaufel des Gebläserades darstellt.
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1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht von oben ein erfindungsgemäßes Gebläserad. Das Gebläserad besitzt
eine untere Bodenplatte 1 und eine obere Deckplatte 2.
Die Bodenplatte und die Deckplatte sind voneinander beabstandet,
besitzen jedoch einen im Wesentlichen gleichen Außendurchmesser
und eine gemeinsame Rotationsachse (nicht gezeigt). Der Abstand
zwischen der Bodenplatte 1 und der Deckplatte 2 wird
durch mehrere Schaufeln 3 bestimmt (auch Flügel genannt).
Die Schaufeln 3 erstrecken sich von einer Lufteintrittsöffnung 4 in
der Deckplatte 2 bis zum Außenrand des Gebläserades, an
welchem in der 1 die äußeren Enden
der Schaufeln 3 sichtbar sind. Die Schaufeln 3 verlaufen entlang
einer gekrümmten
Fußlinie 5,
die in 1 beispielhaft
für zwei
Schaufeln gestrichelt dargestellt ist. Es ist außerdem erkennbar, dass die
Höhe der einzelnen
Schaufeln 3 von außen
nach innen zunimmt, da der Abstand zwischen der Bodenplatte 1 und
der Deckplatte 2 im Bereich der Lufteintrittsöffnung 4 größer als
am Außenrand
des Gebläserades ist.
In der Bodenplatte 1 ist eine zentrale Bohrung 6 angebracht,
in welcher eine Antriebswelle befestigt werden kann. Die Kopplung
des Gebläserads
an einen Antrieb kann auch auf andere Weise erfolgen.
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2 zeigt
eine seitliche Schnittansicht des Gebläserades, wobei die Schnittlinie
durch den Mittelpunkt des Gebläserades
verläuft.
In dieser Ansicht ist auch erkennbar, dass die einzelnen Schaufeln nicht
nur entlang der gekrümmten
Fußlinie
verlaufen, sondern eine Neigung in einer zweiten Ebene besitzen,
also räumlich
gekrümmt
sind. Dies bedeutet, dass die Schaufeln nicht an jeder Stelle parallel
zur Rotationsachse des Gebläserades
stehen.
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Aus 2 ist
weiterhin ersichtlich, dass die Bodenplatte 1 ebenfalls
gekrümmt
ist, wobei eine rotationssymmetrische Krümmung vorzuziehen ist, um Unwuchten
des Gebläserades
zu vermeiden. In der dargestellten Ausführungsform folgt die Krümmung der
Bodenplatte 1 der Krümmung
der einzelnen Schaufeln 3 mit dem Ziel, dass die Schaufeln
an jedem Punkt der Fußlinie 5 im
Wesentlichen senkrecht auf der Bodenplatte 1 stehen. Der
Anstieg der Schaufeln an den Berührungspunkten
zur Bodenplatte, der die Neigung der Schaufeln beschreibt, ist daher
in radialer Richtung nahezu gleich dem Anstieg ±90° der Bodenplatte in radialer
Richtung.
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Die einzelnen Schaufeln 3 sind
sowohl an der Bodenplatte 1 als auch an der Deckplatte 2 befestigt.
Dies geschieht über
Erhebungen 7 an den Seitenkanten der Schaufeln, welche
in Aussparungen 8 in der Bodenplatte bzw. in der Deckplatte
eingreifen und dort befestigt werden. Vorzugsweise erfolgt diese
Befestigung durch Vernieten oder Verlaschen der Erhebungen der Schaufeln
in der Bodenplatte bzw. der Deckplatte. Während des Fertigungsprozesses
werden die vorgeformten Schaufeln 3 auf die Bodenplatte 1 aufgesteckt
und dort befestigt. Da die Schaufeln im Wesentlichen entlang der
gesamten Seitenkante senkrecht auf der Bodenplatte stehen, bereitet
die mechanische Verbindung zwischen den Schaufeln und der Bodenplatte
keine Schwierigkeiten, da trotz der notwendigen Kräfte eine
genaue Positionierung der Schaufeln möglich ist. In einem weiteren
Verfahrensschritt wird die Deckplatte 2 auf die Schaufeln 3 aufgebracht
und dort befestigt. Die Anbringung der Schaufeln an den Platten
kann auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen, wobei dann die Deckplatte
so zu krümmen
wäre, dass
die Schaufeln an jedem Punkt senkrecht auf der Deckplatte aufstehen.
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Aus 2 lässt sich
weiterhin erkennen, dass aufgrund des sich verändernden Abstandes zwischen
Deckplatte 2 und Bodenplatte 1 in radialer Richtung
die Deckplatte 2 nicht überall
exakt senkrecht zu den Schaufeln 3 steht. Dies ist jedoch
nicht zwingend erforderlich, da die Position und Winkelstellung
der Schaufeln bereits bei der Befestigung auf der Bodenplatte festgelegt
wird. Es ist nochmals darauf hinzuweisen, dass bei abgewandelten
Ausführungsformen
die Winkelgestaltung zwischen Schaufeln einerseits und Deckplatte
bzw. Bodenplatte vertauscht sein kann, so dass die Schaufeln im
Wesentlichen senkrecht zur Deckplatte stehen. Außerdem sind Ausführungsformen
möglich,
bei denen die Deckplatte 2 und die Bodenplatte 1 nahezu über ihre gesamte
Erstreckung parallel verlaufen oder bei denen die Schaufeln sowohl
zur Deck- als auch zur Bodenplatte senkrecht stehen.
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3 zeigt
zwei Einzelansichten einer doppelt gekrümmten und geneigten Schaufel 3,
die noch nicht zwischen der Deckplatte und der Bodenplatte eingebaut
ist. Aus den beiden Ansichten ist gut erkennbar, dass die Schaufel 3 räumlich gekrümmt ist. Die
erste Krümmung
erfolgt entlang der Fußlinie 5,
so dass die Schaufel im eingebauten Zustand nicht auf einer Radiallinie
des Gebläserades
entlang läuft.
Die zweite Krümmung
vollzieht sich in einer anderen Krümmungsebene, so dass sich der
Winkel der Schaufelfläche
gegenüber
der Rotationsachse des Gebläserades
im eingebauten Zustand stetig verändert. Damit ändert sich
auch die Neigung zu der Ebene, in welcher die Fußlinie liegt. Die Erhebungen 7 zur
Befestigung der Schaufel an der Bodenplatte und der Deckplatte sind
an beiden Seitenkanten der Schaufel 3 vorgesehen. Wie oben
bereits angedeutet wurde, können
im Gebläserad
gleichartige aber auch unterschiedlich geformte Schaufeln eingebaut
sein.
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In 4 ist
die Schaufel 3 in ihrer in die Ebene abgewickelten Form
dargestellt. Die Krümmung und
die Neigung der Schaufel wird erfindungsgemäß so gewählt, dass die Schaufelfläche ohne
Verzerrungen in die Ebene abgewickelt werden kann. Dadurch ist es
möglich,
die Schaufelfläche
beispielsweise durch einen Stanzvorgang aus einem Flachmaterial herzustellen.
Die Formgebung der Schaufel erfolgt anschließend durch einfache Biegevorgänge, ohne dass
eine spanende Weiterverarbeitung nötig wäre. Um eine derartige Schaufelfläche zu definieren,
verschiebt man eine Gerade entlang der gewünschten Fußlinie. Bei der Verschiebung
der Geraden wird diese außerdem
in einem vorgegebenen Winkel verkippt, welcher somit die zweite
Krümmung
bestimmt. Die Begrenzungslinien der auf diese Weise erzeugten Fläche werden
durch die Position Bodenplatte und die Deckplatte bestimmt. Der
Abstand zwischen Bodenplatte und Deckplatte in axialer Richtung
wird anhand des benötigten
Kanalquerschnitts festgelegt.
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Die Schaufeln, die Deckplatte und
die Bodenplatte werden vorzugsweise aus Leichtmetall, insbesondere
Aluminium hergestellt. Die Deckplatte und die Bodenplatte können ebenfalls
aus einem Flachmaterial ausgeschnitten werden, wobei die erforderliche
Krümmung
der Platten beispielsweise durch einen Ziehvorgang erzeugt werden
kann. Für besondere
Einsatzzwecke kann es auch vorteilhaft sein, anstelle von Aluminium
beispielsweise Edelstahlblech als Ausgangsmaterial zu verwenden.
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Obwohl die Verbindung zwischen den Schaufeln
und den Boden- bzw.
Deckplatten bei dem beschriebenen Beispiel durch mechanische Fügevorgänge erzeugt
wurde, sind auch andere Verbindungstechniken denkbar, beispielsweise
Lötverbindungen
oder Kontaktschweißverbindungen.
Bei den zuletzt genannten Varianten ist es zweckmäßig, wenn
trotzdem eine anfängliche
Steckverbindung zwischen den Schaufeln und der Deck- bzw. Bodenplatte
hergestellt wird, um die Schaufeln in der gewünschten Position zu fixieren
und anschließend dauerhaft
zu befestigen.
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- 1
- Bodenplatte
- 2
- Deckplatte
- 3
- Schaufeln
- 4
- Lufteintrittsöffnung
- 5
- Fußlinie
- 6
- Bohrung
- 7
- Erhebung
an den Schaufeln
- 8
- Aussparung