DE112016000281T5

DE112016000281T5 - Axialgebläseanordnung mit freien schaufelspitzen

Info

Publication number: DE112016000281T5
Application number: DE112016000281.5T
Authority: DE
Inventors: Yoonshik Shin; Robert J. van Houten
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-10-12
Also published as: BR112017020559B1; US10844868B2; JP6576466B2; US20180094637A1; CN107438717B; KR20170131497A; KR101981922B1; US11499564B2; BR112017020559A2; WO2016168528A1; US20210095684A1; JP2018513310A; CN107438717A

Abstract

Eine Axialschaufelanordnung mit freien Schaufelspitzen weist ein Mantelrohr auf, das einen Einlass umfasst, wobei der Radius des Einlasses an seinem stromaufwärtigen Ende größer als der Radius des Einlasses an seinem stromabwärtigen Ende ist. Ein Winkel in einer die Gebläseachse enthaltenden Ebene zwischen der Fläche des Einlasses und der Richtung der Gebläseachse variiert nicht monoton bezüglich einer Flächenkoordinate, die mit dem Abstand entlang der Fläche des Einlasses zunimmt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 15. April 2015 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/147,686, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Axialgebläse mit freien Schaufelspitzen, die unter anderen Verwendungen als Kühlgebläse für Kraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet werden können.
Kraftmaschinenkühlgebläse werden in Kraftfahrzeugen zum Bewegen von Luft durch einen Satz von Wärmetauschern, der in der Regel einen Kühler zum Kühlen einer Brennkraftmaschine, einen Klimaanlagenkondensator und vielleicht zusätzliche Wärmetauscher enthält, verwendet. Diese Gebläse sind im Allgemeinen in einem Mantel installiert, der Luft zwischen den Wärmetauschern und dem Gebläse leitet und Rückführung steuert. In der Regel werden diese Gebläse durch einen Elektromotor angetrieben, der durch den Mantel gestützt wird.
Die Gebläse sind normalerweise aus Kunststoff spritzgegossen, wobei Kunststoff ein Material mit eingeschränkten mechanischen Eigenschaften ist. Kunststoffgebläse weisen Durchbiegung durch Kriechen auf, wenn sie bei hohen Temperaturen einer Dreh- und aerodynamischen Belastung ausgesetzt sind. Diesem Durchbiegen muss bei dem Konstruktionsprozess Rechnung getragen werden.
Obgleich einige Kraftmaschinenkühlgebläse rotierende Deckbänder aufweisen, die die Spitzen aller Schaufeln verbinden, haben viele freie Spitzen – das heißt, die Spitzen der Schaufeln haben keine Verbindung miteinander. Gebläse mit freien Spitzen weisen im Vergleich zu Gebläsen mit Deckband mehrere Vorteile auf. Sie können geringere Kosten, ein reduziertes Gewicht, eine bessere Auswuchtung und weitere Vorteile durch ihre reduzierte Trägheit, wie zum Beispiel geringere Kopplungsunwucht, geringeres Präzessionsdrehmoment und schnelleres Auslaufen bei Abschaltung, aufweisen.
Oftmals sind Gebläse mit freien Schaufelspitzen so ausgeführt, dass sie eine Spitzenform mit konstantem Radius aufweisen und dass sie in einem Mantelrohr, das im Bereich des engsten Abstands zu den Gebläseschaufeln zylindrisch ist, arbeiten. In anderen Fällen ist der Radius der Spitzen nicht konstant. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 6,595,744 ein Kraftmaschinenkühlgebläse mit freien Schaufelspitzen, bei dem die Schaufelspitzen so geformt sind, dass sie einem aufgeweiteten Mantelrohr entsprechen. Diese Konfiguration reduziert Abreißen der Strömung am Eingang des Rohrs, während gleichzeitig die Schaufelspitze in unmittelbarer Nähe des Mantels arbeiten kann.
Gebläse mit freien Schaufelspitzen sind so ausgeführt, dass sie einen Spitzenspalt oder ein Laufspiel zwischen den Schaufelspitzen und dem Mantelrohr aufweisen. Dieser Spitzenspalt muss dazu ausreichend sein, sowohl Fertigungstoleranzen als auch maximale Durchbiegung, die über die Betriebslebensdauer der Gebläseanordnung erfolgen kann, zu gestatten. In der Praxis beträgt dieser Spalt im Allgemeinen mindestens 0,5 Prozent, aber unter 2 Prozent des Gebläsedurchmessers und häufiger ca. 1 Prozent des Gebläsedurchmessers.
Das Vorhandensein eines Spitzenspalts ist mit zahlreichen nachteiligen Auswirkungen auf die Leistung verbunden. Eine Auswirkung besteht darin, dass das Gebläse mit Zunahme des Spalts mit höheren Drehzahlen arbeiten muss, um einen gegebenen Betriebspunkt zu erreichen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Schaufelbelastung – das Druckdifferenzial zwischen der Druck- und Saugseite der Gebläseschaufel – in der Nähe des Spalts reduziert ist. Andere Auswirkungen sind reduzierter Gebläsewirkungsgrad und ein erhöhter Geräuschpegel des Gebläses, insbesondere, wenn der Systemwiderstand hoch ist. Diese nachteiligen Auswirkungen können die Anwendbarkeit von Gebläsen mit freien Schaufelspitzen auf Anwendungen beschränken, in denen der Systemwiderstand relativ gering ist. Zum Erweitern der Anwendbarkeit von Gebläsen mit freien Spitzen sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um die durch den Spitzenspalt verursachten nachteiligen Leistungsauswirkungen zu überwinden.
Ein Ansatz besteht darin, das Gebläse so auszuführen, dass der Wirkung des Spitzenspalts auf die Gebläsebelastung entgegengewirkt wird. Die als US-Patent Nr. 9,004,860 erteilte US-Patentanmeldung Nr. 13/035,440 beschreibt ein Gebläse mit verbesserter Spitzenbelastung bei Vorhandensein eines Spitzenspalts. Dieses Gebläse kann die Gebläseleistung verbessern, aber der Wirkungsgrad und der Geräuschpegel des Gebläses werden immer noch durch den Spalt beeinträchtigt.
Andere Bemühungen suchten, die Durchbiegung der Schaufelspitze zu reduzieren, so dass der Spitzenspalt ohne die Gefahr einer Behinderung kleiner gemacht werden kann. Das US-Patent Nr. 6,595,744 beschreibt eine Neigungsverteilung, die die Axialdurchbiegung eines gekrümmten Gebläses mit freien Schaufelspitzen reduzieren kann, und das US-Patent Nr. 8,137,070 beschreibt eine Eintritts- und Austrittskantenkrümmungsverteilung, die eine Radialdurchbiegung auf ein Minimum reduziert.
Ein anderer Ansatz besteht darin, die Spitze des Gebläses so auszuführen, dass der Luftstrom durch einen Spalt gegebener Größe auf ein Minimum reduziert wird. Die als US-Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2014/0271172, veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 13/964,872 beschreibt ein Gebläse mit einer lokal verdickten Spitze, das im Vergleich zu einem Gebläse mit einem nicht verdickten Spitzenabschnitt einen verbesserten Wirkungsgrad und einen geringeren Geräuschpegel zeigt.
Obgleich Bemühungen in der Vergangenheit den Wirkungsgrad verbesserten und den Geräuschpegel von Gebläsen mit freien Schaufelspitzen reduzierten, werden immer noch leisere Gebläseanordnungen mit freien Schaufelspitzen benötigt, insbesondere bei Hochdruckbetriebspunkten. Bei diesen Betriebspunkten kann der durch jede Schaufel erzeugte Spitzenwirbel mit der Schaufel, dem Mantelrohr und/oder der nachfolgenden Schaufel zusammenwirken. Dieses Zusammenwirken kann im Vergleich zum Geräuschpegel an einem Niederdruckbetriebspunkt eine signifikante Erhöhung des Geräuschpegels verursachen.
KURZFASSUNG
Bei einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen bereit, die ein Gebläse und einen Mantel aufweist, wobei das Gebläse mehrere sich radial erstreckende Schaufeln umfasst, jede der mehreren Schaufeln eine Schaufelspitze, eine Eintrittskante und eine Austrittskante aufweist, wobei das Gebläse einen Durchmesser D aufweist, der dem Zweifachen der Radialerstreckung der Schaufelspitzen an der Austrittskante entspricht. Der Mantel umfasst ein Rohr, und das Rohr umfasst einen Einlass, wobei der Radius des Einlasses an seinem stromaufwärtigen Ende größer als der Radius des Einlasses an seinem stromabwärtigen Ende ist. Die Gebläseanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in einer Meridionalebene zwischen der Fläche des Einlasses und der Richtung der Gebläseachse bezüglich einer Flächenkoordinate, die mit dem Abstand entlang der Fläche des Einlasses von seinem stromaufwärtigen Ende zu seinem stromabwärtigen Ende zunimmt, nicht monoton variiert.
Bei einem Aspekt der Erfindung ist das Axialgebläse mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Radialkoordinate der Einlassfläche mit Zunahme der Flächenkoordinate abnimmt oder konstant bleibt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkoordinate der Einlassfläche mit Zunahme der Flächenkoordinate zunimmt oder ungefähr konstant bleibt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass Absätze umfasst, wobei jeder Absatz eine ungefähr axiale (in der Meridionalebene in Radialrichtung weisende) Fläche und eine ungefähr radiale (in der Meridionalebene in Axialrichtung weisende) Fläche aufweist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine in einer Meridionalebene liegende gedachte Gerade die Einlassfläche an zwei entlang dem Bereich eines nicht monoton variierenden Winkels positionierten Punkten berühren kann, ohne die Fläche zwischen den Punkten zu schneiden, und ein Abstand zwischen der gedachten Linie und einem, gemessen normal zur gedachten Linie, zwischen den beiden Punkten liegenden Punkt auf der Rohrfläche größer gleich 0,2 Prozent des Gebläsedurchmessers ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Abstand größer gleich 0,4 Prozent des Gebläsedurchmessers.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Einlasses an der axialen Stelle mindestens eines Teils einer Schaufelspitze positioniert ist und die Radialabmessung des Einlasses an der axialen Stelle des stromaufwärtigen Endes des Teils größer als die Radialabmessung des Einlasses an der axialen Stelle des stromabwärtigen Endes des Teils ist und die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromaufwärtigen Ende des Teils größer als die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromabwärtigen Ende des Teils ist und der an der axialen Stelle des Teils der Schaufelspitze positionierte Teil des Einlasses mindestens einen Teil des Bereichs mit nicht monoton variierendem Winkel enthält, wobei die axiale Stelle des Teils des Bereichs mit nicht monoton variierendem Winkel einen zweiten Teil der Schaufelspitze definiert.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine in einer Meridionalebene liegende gedachte Gerade die Einlassfläche an zwei Punkten berühren kann, die beide in dem Bereich mit nicht monoton variierendem Winkel und innerhalb der Axialerstreckung der Schaufelspitze liegen, ohne die Fläche zwischen den Punkten zu schneiden, und ein Abstand zwischen der gedachten Linie und einem Punkt auf der Rohrfläche, der, gemessen normal zur gedachten Linie, zwischen den beiden Punkten liegt, größer gleich 0,2 Prozent des Gebläsedurchmessers ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand größer gleich 0,4 Prozent des Gebläsedurchmessers ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Stelle der Gesamtheit der Schaufelspitze innerhalb der Axialerstreckung des Einlasses liegt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich mit nicht monoton variierendem Winkel mindestens über die am weitesten stromaufwärts liegenden 50 Prozent der Axialerstreckung des Teils des Einlasses, der sich mit der Axialerstreckung der Schaufelspitze überlappt, erstreckt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich mit nicht monoton variierendem Winkel mindestens über die am weitesten stromabwärts liegenden 50 Prozent der Axialerstreckung des zweiten Teils des Einlasses, der sich stromaufwärts der Schaufelspitze befindet, erstreckt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Radialabmessung des Einlasses am stromaufwärtigen Ende des Teils um mindestens 2 Prozent der Radialabmessung des Einlasses am stromabwärtigen Ende des Teils größer als die Radialabmessung des Einlasses am stromabwärtigen Ende des Teils ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromaufwärtigen Ende des Teils um mindestens 2 Prozent der Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromabwärtigen Ende des Teils größer als die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromabwärtigen Ende des Teils ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Überstreichungserstreckung des Schaufelspitzenteils der Form des Einlassteils entspricht.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet das der Mindestabstand zwischen dem Teil der Schaufelspitze und dem Teil des Einlasses, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, größer als das 0,005-Fache des Gebläsedurchmessers D und kleiner als das 0,02-Fache des Gebläsedurchmessers D ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in einer Meridionalebene zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und der Richtung der Gebläseachse bezüglich einer Spitzenkoordinate, die mit dem Abstand entlang der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze von der Eintrittskante der Schaufelspitze zu der Austrittskante der Schaufelspitze zunimmt, monoton abnimmt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und den lokal nächsten Punkten am Teil des Einlasses, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, um nicht mehr als plus minus 30 Prozent oder nicht mehr als plus minus 20 Prozent entlang dem zweiten Teil der Schaufelspitze variiert.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 20 Prozent größer als der durchschnittliche Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und den beiden nächsten Punkten ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 40 Prozent größer als der durchschnittliche Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und den beiden nächsten Punkten ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und den nächsten Punkten am Teil des Einlasses, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, größer als das 0,005-Fache des Gebläsedurchmessers D und kleiner als das 0,02-Fache des Gebläsedurchmessers D ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze einer Hüllkurve in einer Meridionalebene entspricht, die die Punkte durchquert, die sich lokal am nächsten zur Schaufelspitze am Teil des Einlasses befinden.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet das die Hüllkurve glatt ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet das die Axial- und Radialkoordinaten der Hüllkurve jeweils ungefähr als die Werte einer Spline-Kurve gegeben sind, wobei die Spline-Kurve auf folgende Weise bestimmt wird:

1) Schaffen einer Gürtelkoordinate, die einer stückweisen linearen Kurve folgt, deren Scheitelpunkte die Punkte am Einlass sind, die die Hüllkurve durchquert,
2) Erzeugen von kubischen Splines der Axial- und Radialkoordinaten bezüglich der Gürtelkoordinate, wobei an den Scheitelpunkten Knoten positioniert sind,
3) Bewerten der Splines an Werten der Gürtelkoordinate, die zwischen den Scheitelpunkten liegen.

Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und der Hüllkurve, gemessen senkrecht zur Hüllkurve, um nicht mehr als plus minus 30 Prozent oder nicht mehr als plus minus 20 Prozent über die Erstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze variiert.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche an einem Punkt zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 20 Prozent größer als der lokale Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Hüllkurve ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche an einem Punkt zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 40 Prozent größer als der lokale Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Hüllkurve ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und der Hüllkurve, gemessen senkrecht zur Hüllkurve, größer als das 0,005-Fache des Gebläsedurchmessers D und kleiner als das 0,02-Fache des Gebläsedurchmessers D ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve in dem Bereich, in dem die Schaufelspitze ihr entspricht, mindestens 3 Punkte am Einlass durchquert, die lokal die nächsten zur Schaufelspitze sind.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Einlassteils achssymmetrisch ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel ein spritzgegossenes Kunststoffteil ist.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel Merkmale umfasst, die das Anbringen der Gebläseanordnung an einem stromaufwärts der Gebläseanordnung positionierten Wärmetauscher erleichtern.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel eine Kammer stromaufwärts des Rohrs umfasst, die hinter einem stromaufwärtigen Wärmetauscher angebracht ist, wobei der Bereich der Wärmetauscherfläche, der durch die Kammer umfasst wird, mindestens dem 1,5-Fachen der Gebläsescheibenfläche entspricht.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in mehreren Meridionalebenen, die über einen oder mehrere Bereiche des Azimutalwinkels positioniert sind, der sich insgesamt auf mehr als 180 Grad beläuft, nicht monoton variiert.
Andere Aspekte der Erfindung werden durch Betrachtung der detaillierten Beschreibung und beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist eine schematische Ansicht einer Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach dem Stand der Technik, die eine Schaufelspitze zeigt, die der Form eines aufgeweiteten Mantelrohrs entspricht. Die Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ist als eine Kraftmaschinenkühlgebläseanordnung konfiguriert.
1b ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs von 1a und des Überstreichungsbereichs des äußersten Teils jeder Schaufel.
1c ist eine Ansicht von stromaufwärts des Gebläses, die die Eintritts- und Austrittskante und die Schaufelspitze zeigt.
2a ist eine schematische Ansicht einer Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, wobei ein Mantelrohr einen Einlass mit mehreren Absätzen und eine Gebläseschaufelspitze, die dem abgestuften Rohr entspricht, umfasst.
2b ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs von 2a.
2c ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs von 2a und des durch den äußeren Teil jeder Schaufel überstrichenen Bereichs.
3a ist eine schematische Ansicht einer Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, wobei ein Mantelrohr einen Einlass mit mehreren Absätzen umfasst und eine Gebläseschaufelspitze einer glatten Hüllkurve entspricht, die die lokalen nächsten Punkte am Rohr durchquert.
3b ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs von 3a und des durch den äußersten Teil jeder Schaufel überstrichenen Bereichs.
3c zeigt eine Draufsicht (von stromaufwärts nach stromabwärts blickend) der Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen von 3a, die eine rechteckige Mantelkammer zeigt.
4a ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs und des Überstreichungsbereichs des äußeren Teils einer Schaufel, wo die Axialerstreckung der Schaufelspitze kleiner als die axiale Halbachse der Ellipse, die die Hüllkurve der nächsten Punkte am Einlass definiert, ist.
4b ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene eines Mantelrohrs und des Überstreichungsbereichs des äußeren Teils einer Schaufel, wobei die Axialerstreckung der Schaufelspitze kleiner als die axiale Halbachse der Ellipse, die die Hüllkurve der nächsten Punkte am Einlass definiert, ist und das Rohr nahe der Austrittskante der Schaufel abschließt.
4c ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene eines Mantelrohrs und des Überstreichungsbereichs des äußeren Teils einer Schaufel, wobei die Axialerstreckung der Schaufelspitze kleiner als die axiale Halbachse der Ellipse, die die Hüllkurve der nächsten Punkte am Einlass definiert, ist, und das Gebläse so positioniert ist, dass sich die Spitzenaustrittskante an der radialen Halbachse der Ellipse befindet.
5a ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs, die die Punkte am Einlass zeigt, die am nächsten zu den nicht gezeigten Schaufelspitzen sind.
5b ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs, die eine stückweise lineare Hüllkurve zeigt und einen Gürtelparameter definiert.
5c ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs, die eine glatte Hüllkurve zeigt, deren Koordinaten durch kubische Spline-Funktionen definiert werden.
5d ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs, die eine Kurve zeigt, die von der glatten Hüllkurve von 5c versetzt ist.
5e ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs und des von einer Schaufel überstrichenen Bereichs, wobei die Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze der versetzten Kurve von 5d folgt.
6a ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs und des Überstreichungsbereichs einer Schaufel, wobei sich ein Konikwinkel an den ungefähr axialen Flächen der Absätze befindet.
6b ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs und des Überstreichungsbereichs einer Schaufel, wobei die äußeren Ecken der Absätze abgerundet sind.
6c ist eine Meridionalansicht eines abgestuften Mantelrohrs und des Überstreichungsbereichs einer Schaufel, wobei die inneren Ecken der Absätze abgerundet sind.
6d ist eine Meridionalansicht eines Mantelrohrs und der Überstreichungserstreckung einer Schaufel, wobei der Einlass zum Rohr Axialnuten aufweist.
6e ist eine Meridionalansicht eines Mantelrohrs und der Überstreichungserstreckung einer Schaufel, wobei der Einlass zum Rohr nicht durchgehende Absätze aufweist.
6f ist eine Meridionalansicht eines Mantelrohrs und des Überstreichungsbereichs einer Schaufel, wobei der Einlass zum Rohr Absätze mit axialen Flächen und Flächen, die bezüglich der Radialrichtung abgewinkelt sind, aufweist.
7a zeigt beide Seiten eines abgestuften Mantelrohrs, wobei die Tiefe der Absätze mit der Dicke des Rohrs vergleichbar ist und die Außenseite des Rohrs auch abgestuft ist.
7b zeigt beide Seiten eines abgestuften Mantelrohrs, wobei die äußeren Absätze abgerundet sind.
7c zeigt beide Seiten eines abgestuften Mantelrohrs, wobei die Tiefe der Absätze im Vergleich zu der Dicke des Rohrs klein ist und die Außenfläche des Rohrs glatt ist.
8a ist eine Axialansicht der Saugseite eines Gebläses gemäß der US-Patentanmeldung m. d. Veröffentlichungsnummer 2014/0271172 und eines abgestuften Rohreinlasses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
8b ist ein Meridionalschnitt durch die Schaufel und den Rohreinlass in einem Winkel, der dem Punkt maximaler Dicke an der Schaufelspitze entspricht, wie in 8a gezeigt.
8c ist eine Detailansicht des Spitzenbereichs von 8b.
9a ist eine perspektivische Ansicht des Gebläses mit freien Schaufelspitzen und des abgestuften Rohreinlasses von 8, wobei die Absätze achssymmetrisch sind.
9b ist eine perspektivische Ansicht des Gebläses mit freien Schaufelspitzen nach 8 und eines abgestuften Rohreinlasses, wobei die Absätze nicht achssymmetrisch sind und schraubenförmig geformt sind.
10 ist ein Diagramm der Leistung einer Gebläseanordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, verglichen mit der einer Gebläseanordnung nach dem Stand der Technik, die ein gleichmäßig aufgeweitetes Mantelrohr aufweist.
11 zeigt die gleichen Daten wie die von 10, verwendet aber dimensionslose Variablen.
12a ist eine Axialansicht der Saugseite eines Gebläses gemäß der US-Patentanmeldung m. d. Veröffentlichungsnummer 2014/0271172 und eines abgestuften Rohreinlasses, wobei die Absätze diskontinuierlich azimutal sind.
12b ist ein Meridionalschnitt, in 12a gezeigt, durch die Schaufel und den Rohreinlass in einem Winkel, der dem Punkt maximaler Dicke an der Schaufelspitze entspricht, wobei der Schnitt den Mantel in einem Winkel durchquert, wo der Schnitt abgestuft ist.
12c ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des in 12a gezeigten Mantelrohreinlasses.
13a ist eine Axialansicht der Saugseite eines Gebläses gemäß der US-Patentanmeldung m. d. Veröffentlichungsnummer 2014/0271172 und eines Rohreinlasses mit versetzten Reihen von kreisförmigen Taschen.
13b ist ein Meridionalschnitt, in 13a gezeigt, durch die Schaufel und den Rohreinlass in einem Winkel, der dem Punkt maximaler Dicke an der Schaufelspitze entspricht, wobei dieser Schnitt zwei Einlasstaschen durchquert.
13c ist ein Meridionalschnitt durch die Schaufel und den Rohreinlass in einem solchen Winkel, dass der Schnitt eine Einlasstasche durchquert.
13d ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des in 13a gezeigten Mantelrohreinlasses.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Vor den ausführlichen Erläuterungen irgendwelcher Ausführungsformen der Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten von Konstruktion und Anordnung von Komponenten, die in der folgenden Beschreibung aufgeführt und in den folgenden Zeichnungen veranschaulicht werden, beschränkt ist. Die Erfindung kann andere Ausführungsformen aufweisen und auf verschiedene Weise ausgeübt oder durchgeführt werden.
1a zeigt eine Axialgebläseanordnung 1 mit freien Schaufelspitzen nach dem Stand der Technik. Bei der dargestellten Konstruktion ist die Axialgebläseanordnung 1 mit freien Schaufelspitzen eine Kraftmaschinenkühlgebläseanordnung, die neben mindestens einem Wärmetauscher 5 installiert ist. Bei dieser Konstruktion enthält (enthalten) der (die) Wärmetauscher 5 einen Kühler 51, der eine Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) kühlt. Bei alternativ angetriebenen Fahrzeugen könnte die Gebläseanordnung 1 zusammen mit einem oder mehreren Wärmetauschern verwendet werden, um Batterien, Elektromotoren usw. zu kühlen. Ein Mantel 2 führt Kühlluft vom Kühler 51 zu einem Gebläse 4, umgibt das Gebläse zum Steuern von Leckage und stellt Abstützungen 28 für den Motor 3 bereit.
Der Mantel 2 umfasst eine Kammerwand 21 und Seitenwände 23, die zusammen eine Kammer 20 umschließen. Die Kammerwand 21 weist in der Darstellung einen kleinen Kegelwinkel auf, kann in anderen Fällen aber in einer Ebene liegen, die ungefähr normal zur Gebläseachse 6 verläuft. Die Seitenwände 23 verlaufen in der Darstellung parallel zur Gebläseachse 6, werden oftmals aber einen Konikwinkel aufweisen, um die Herstellbarkeit zu verbessern. Der Mantel 2 umfasst ferner ein Rohr 22, das das Gebläse 4 umgibt. Das Rohr 22 umfasst einen gleichmäßig aufgeweiteten Einlass 24 und einen zylindrischen Teil 26 stromabwärts des aufgeweiteten Einlasses 24. Die Radialkoordinate R₁ (gemessen von Achse 6) des Eingangs zum Manteleinlass ist größer als die Radialkoordinate R₂ des Ausgangs, wo er auf den zylindrischen Teil 26 trifft. Obgleich der Teil 26 als zylindrisch bezeichnet wird, kann er zur Herstellbarkeit auch mit einen Konikwinkel ausgebildet sein, so dass er nicht wirklich parallel zur Achse 6 verläuft. In beiden Fällen ist der Teil 26 von dem Teil mit der den aufgeweiteten Einlass 24 definierenden Form unterscheidbar.
Das Gebläse 4 dreht sich um eine Achse 6 und umfasst eine Nabe 41 und mehrere sich allgemein radial erstreckende Schaufeln 40. 1a zeigt den Bereich in einer Meridionalebene (einer die Gebläseachse enthaltenden Ebene), der bei Drehen des Gebläses von diesen Schaufeln überstrichen wird. Das Ende jeder Schaufel 40, das sich neben der Nabe 41 befindet, ist ein Schaufelfuß 43, und das äußerste Ende jeder Schaufel 40 ist eine Schaufelspitze 46. Die Schaufelspitzen 46 entsprechen dem Mantelrohr 22. Mit anderen Worten, die Schaufelspitzen 46 sind von dem Mantelrohr 22 versetzt, weisen aber eine Form auf, die einer durch das Mantelrohr 22 definierten Kontur folgt oder ihr entspricht. Die Radialkoordinate der Schaufelspitzeneintrittskante R_LE ist größer als die Radialkoordinate der Schaufelspitzenaustrittskante R_TE. Der Gebläsenennradius R entspricht R_TE, und der Gebläsedurchmesser D ist 2 × R. ein Spitzenspalt 7 stellt ein Mindestlaufspiel zwischen den Schaufelspitzen 46 und dem Mantelrohr 22 bereit, das zwischen 0,005 D und 0,02 D liegt.
1b ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs 22 von 1a und des von dem äußersten Teil jeder Schaufel 40 überstrichenen Bereichs. Der aufgeweitete Einlass weist eine ungefähr elliptische Form auf, und die Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze 46 ist eine glatte Kurve, die in einem ungefähr konstanten Abstand "g" vom Rohr 22 versetzt ist. Der Abstand stellt die Breite des Abstandsspalts 7 zwischen der Schaufelspitze 46 und dem Mantelrohr 22 dar.
1b zeigt weiterhin eine Einlassflächenkoordinate "s", die null ist, wo der Einlass auf die Kammerwand 21 trifft, und linear mit dem Abstand entlang des Einlassprofils zunimmt. Obgleich der in 1b gezeigte aufgeweitete Einlass elliptisch ist, können sich andere aufgeweitete Mäntel nach dem Stand der Technik etwas von der Form unterscheiden. In allen Fällen nimmt der Winkel "Θ" in einer Meridionalebene zwischen der Fläche des aufgeweiteten Einlasses 24 und der Richtung der Gebläseachse 6 mit Zunahme von "s" monoton ab.
Obgleich 1b eine ungefähr konstante Spaltbreite zeigt, ist der Spalt in anderen Fällen von der Eintrittskante zur Austrittskante nicht konstant. Insbesondere ist er manchmal so ausgelegt, dass der axiale Mindestabstand zwischen der Schaufelspitze und dem Mantel größer ist, als er im Falle einer konstanten Spaltbreite wäre. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die vorhergesagte Axialdurchbiegung der Schaufelspitze größer als die vorhergesagte Radialdurchbiegung ist.
Obgleich die 1a und 1b das sich in einem gewissen Abstand stromabwärts der Austrittskante TE der Schaufelspitze 46 erstreckende Rohr 22 zeigen, schließt es manchmal sehr nahe der Austrittskante TE der Schaufelspitze 46 ab. Dies ist oftmals an Stellen entlang dem Rohrumfang der Fall, wo es stromabwärts keine Motorstützstruktur 28 gibt. An diesen Stellen ist es aerodynamisch oftmals nur ein kleiner oder kein Vorteil, wenn das Rohr 22 weiter als erforderlich verlängert wird, um Rückführung um die Schaufelspitze 46 zu begrenzen. In einigen Fällen kann sogar dann eine gute Leistung erzielt werden, wenn das Rohr 22 etwas stromaufwärts der Schaufelspitzenaustrittskante TE abschließt.
Obgleich die 1a und 1b die Axialerstreckung der Schaufelspitze 46 zeigen, die ungefähr gleich der Axialerstreckung des aufgeweiteten Einlasses ist, ist dies manchmal nicht der Fall. In einigen Fällen erstreckt sich die Schaufelspitze am Ende des Einlasses vorbei und in den ungefähr zylindrischen Teil des Rohrs 22. In anderen Fällen befindet sich die Austrittskante TE der Schaufelspitze 46 an einer axialen Stelle, an der der Winkel des aufgeweiteten Einlasses bezüglich der Gebläseachse 6 noch nicht null ist. Im Falle einer elliptischen Mantelform entspricht dies einer Position stromaufwärts der radialen Halbachse "b".
In einigen Fällen liegt die Schaufelspitzeneintrittskante vor dem Eingang zum Einlass, und in anderen Fällen befindet sie sich deutlich innerhalb des Eingangs zum Einlass.
1c ist eine axiale Projektion des Gebläses 4 mit freien Schaufelspitzen nach dem Stand der Technik mit einer Schaufelspitze, die einem aufgeweiteten Mantel entspricht, wie in den 1a und 1b gezeigt. Die Drehung erfolgt im Uhrzeigersinn, und die Gebläseeintrittskante LE und -austrittskante TE sind wie gezeigt. Der Radius der Schaufelspitze an der Eintrittskante R_LE ist größer als an der Austrittskante R_TE.
2a stellt eine Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung dar. Wie die Gebläseanordnung nach dem Stand der Technik von 1a umfasst das Rohr 22 einen Einlass 242, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Radialkoordinate an der Einlassfläche bezüglich der Gebläseachse 6 am Eingang zum Einlass größer ist als am Ausgang. Somit definiert der Einlass einen Bereich mit abnehmender Querschnittsfläche in Axialströmungsrichtung F. In diesem Beispiel ist die Radialkoordinate R₁ des Einlasses an der axialen Stelle der Schaufelspitzeneintrittskante um ungefähr 6,8 Prozent von R₂ größer als die Radialkoordinate R₂ des Einlasses an der axialen Stelle der Schaufelspitzenaustrittskante. Im Gegensatz zu der Kraftmaschinenkühlgebläseanordnung von 1a ist der Einlass 242 nicht gleichmäßig aufgeweitet, sondern ist stattdessen abgestuft, wobei jeder Absatz in der Meridionalebene eine ungefähr radiale (in Axialrichtung weisende) Fläche und eine ungefähr axiale (in Radialrichtung weisende) Fläche umfasst.
2a zeigt ein Gebläse 4, das Schaufelspitzen 46 aufweist, die den Absätzen entsprechen. Die Radialerstreckung (gemessen von Achse 6) der Schaufelspitzeneintrittskante R_LE ist größer als die Radialerstreckung der Schaufelspitzenaustrittskante R_TE. In diesem Beispiel übertrifft R_LE R_TE um ca. 6,9 Prozent von R_TE. Ein Spitzenspalt 7 stellt ein Laufspiel zwischen den Schaufelspitzen und dem Mantelrohr bereit, das in diesem Beispiel ungefähr konstant und gleich 1,0 Prozent des Gebläsedurchmessers D ist.
2b ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs 22 von 2a. Das Rohr 22 umfasst einen abgestuften Einlass 242 und einen ungefähr zylindrischen Teil 26. Stromaufwärts des Einlasses 242 befindet sich die Kammerwand 21. Die Flächenkoordinate "s" ist an dem Punkt null, wo der Einlass auf die Kammerwand 21 trifft, und nimmt mit dem Abstand entlang der abgestuften Einlassfläche linear ab, bis er auf den zylindrischen Teil 26 trifft.
In dem Fall des in 2b gezeigten Einlasses nimmt die Radialkoordinate der Fläche mit Zunahme von "s" monoton ab – das heißt, sie nimmt ab oder bleibt konstant. Diese Eigenschaft gestattet die Herstellung des Einlasses aus spritzgegossenem Kunststoff mit einem einfachen Spritzgießwerkzeug.
Der in 2b gezeigte abgestufte Einlass weist die zusätzliche Eigenschaft auf, dass die Axialkoordinate (positiv stromabwärts) der Einlassfläche mit Zunahme der Flächenkoordinate "s" monoton zunimmt – das heißt, sie nimmt entweder zu oder bleibt ungefähr konstant. Diese Eigenschaft ist bei der Konstruktion von Spritzgießwerkzeugen besonders günstig.
Der Winkel zwischen der Einlassfläche und der Gebläseachse, der in 2b als "Θ" gezeigt wird, beträgt am Eingang zum Einlass ungefähr 90 Grad und am Ausgang aus dem Einlass, wo er auf den zylindrischen Teil des Rohrs trifft, ungefähr 0 Grad, obgleich durch Bereitstellen eines Kegelwinkels (von zum Beispiel 5 Grad), wie bei der Kammerwand 21 von 2a gezeigt, eine Abweichung erfolgen kann. Im Gegensatz zu dem gleichmäßig aufgeweiteten Einlass von 1 nimmt mit Zunahme von "s" der Wert des Winkels "Θ" am Eingang auf nicht monotone Weise auf seinen Wert am Ausgang ab und ändert sich von ungefähr 90 Grad entlang den ungefähr radialen Flächen der Absätze auf ungefähr 0 Grad entlang den ungefähr axialen Flächen der Absätze. Mit Blickrichtung im Querschnitt entlang einer Meridionalebene ist die Neigung der Einlassfläche zwischen einem Punkt "A" und einem Punkt "B" (siehe 2b) diskontinuierlich und wird zwischen diesen Punkten als ein Bereich definiert, in dem sich der Winkel "Θ" nicht monoton ändert. In dem Bereich nicht monotoner Änderung des Winkels "Θ" sind mehrere Absätze in der Einlassfläche definiert, wobei jeder Absatz an verschiedenen Radialkoordinaten zwei Einlassflächensegmente verbindet.
2b zeigt eine Gerade 28, die zwei Punkte auf der Einlassfläche (zum Beispiel zwei aufeinanderfolgende vorragende Punkte) ohne Schneiden der Einlassfläche berührt, so dass die Gerade 28 ein an der Einlassfläche platziertes Richtlineal darstellt. Der Abstand "d" zwischen der Geraden 28 und der Rohrfläche an einem zwischen den beiden Punkten, an denen die Gerade 28 die Einlassfläche berührt, gemessen normal zur Geraden 28, liegenden Punkt beträgt in der Darstellung mindestens 1,0 Prozent des Gebläsedurchmessers D (zum Beispiel 1,5 Prozent des Gebläsedurchmessers D).
2c ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs 22 von 2a und des durch den äußersten Teil jeder Schaufel 40 überstrichenen Bereichs. Der Teil P₁ der Schaufelspitze, der in der Axialerstreckung des Rohreinlasses liegt, ist gleich der gesamten Axialerstreckung der Schaufelspitze zwischen der Eintrittskante LE und der Austrittskante TE. Der Bereich des nicht monoton variierenden Winkels "Θ" erstreckt sich mindestens über die am weitesten stromaufwärts liegenden 50 Prozent der Axialerstreckung des Teils des Einlasses, der sich mit dem Teil P₁ überlappt. Der Teil der Schaufelspitze, der in der Axialerstreckung des Bereichs des nicht monoton variierenden Winkels liegt, wird als ein zweiter Teil P₂ der Schaufelspitze bezeichnet.
Die Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze 46 in 2c ist abgestuft, um dem abgestuften Einlass zu entsprechen, und ist um radiale Spalte "g_r" und axiale Spalte "g_a", die, wie gezeigt, gleich sein können oder sich unterscheiden können, versetzt. Insbesondere ist es manchmal günstig, g_a größer einzustellen als g_r. Dies ist besonders von Vorteil, wenn die vorhergesagte Axialdurchbiegung der Schaufelspitze größer als die vorhergesagte Radialdurchbiegung ist. Ein typischer Mindestabstand zwischen der Schaufelspitze und dem Einlass beträgt zwischen dem 0,005- und dem 0,02-Fachen des Gebläsedurchmessers D.
3a stellt eine Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen ähnlich der von 2a, aber mit bestimmten unten besprochenen Unterschieden, dar. Die obige Beschreibung wird zur Offenbarung ähnlicher Merkmale herangezogen. Anstatt dem abgestuften Einlass 242 zu entsprechen, entsprechen die Schaufelspitzen 46 einer Hüllkurve, die die Punkte am Mantelrohr durchquert, die lokal die nächsten zur Gebläseschaufelspitze sind. Wie in 2a ist die Radialerstreckung (gemessen von Achse 6) der Schaufelspitzeneintrittskante R_LE größer als die Radialerstreckung der Schaufelspitzenaustrittskante R_TE. Die Einlassfläche des Rohrs 22 ist im Vergleich zur Einlassfläche der Gebläseanordnung der 2a bis 2c mit einer erhöhten Anzahl von Absätzen ausgebildet.
3b ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene des Mantelrohrs 22 und des durch den äußersten Teil jeder Schaufel 40 von 3a überstrichenen Bereichs. In diesem Beispiel bildet die Hüllkurve, die die Punkte am Rohr durchquert, die lokal am nächsten zu der Gebläseschaufelspitze liegen, einen Teil einer Ellipse mit einem axialen Halbradius "a" und einer radialen Halbachse "b". Die Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze ist eine Kurve, die um einen ungefähr konstanten Abstand "g" von der Hüllkurve versetzt ist. In diesem Beispiel beträgt "g" ungefähr 1,0 Prozent des Gebläsedurchmessers D. Eine Spitzenkoordinate "t" nimmt entlang der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze von der Schaufeleintrittskante zur Schaufelaustrittskante linear zu. Der Winkel "ψ" in einer Meridionalebene zwischen der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze und der Richtung der Gebläseachse 6 nimmt mit Zunahme von "t" monoton ab. Bei der in 3b gezeigten Ausführung ist die Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze insofern eine glatte Kurve, als der Winkel "ψ" eine stetige Funktion von "t" ist. Bei anderen Ausführungen ist die Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze insofern nicht glatt, als der Winkel "ψ" keine stetige Funktion von "t" ist, aber solche Ausführungen können immer noch einen Winkel "ψ" aufweisen, der mit Zunahme von "t" monoton abnimmt.
Mit Blickrichtung im Querschnitt entlang einer Meridionalebene ist die Neigung der Einlassfläche zwischen einem Punkt "A" und einem Punkt "B" (siehe 3b) diskontinuierlich, und zwischen diesen Punkten ist ein Bereich definiert, in dem der Winkel "Θ" zwischen der Einlassfläche und der Richtung der Gebläseachse, wie oben definiert, nicht monoton variiert. Der Teil P₁ der Schaufelspitze, der in der Axialerstreckung des Einlasses liegt, ist die gesamte Axialerstreckung der Schaufelspitze. Der Bereich mit dem nicht monoton variierenden Winkel "Θ", der zwischen den Punkten A und B liegt, erstreckt sich mindestens über die am weitesten stromaufwärts liegenden 50 Prozent der Axialerstreckung des Teils des Einlasses, der die Axialerstreckung der Schaufelspitze überlappt. Der Teil der Schaufelspitze, der in der Axialerstreckung des Bereichs mit dem nicht monoton variierenden Winkel liegt, wird als zweiter Teil P₂ der Schaufelspitze bezeichnet.
3b zeigt eine Gerade 28, die die Einlassfläche an zwei Punkten berührt, die beide innerhalb der Axialerstreckung der Schaufelspitze liegen, ohne die Einlassfläche zu schneiden. Dies stellt ein gegen die Einlassfläche platziertes Richtlineal dar. Der Abstand "d" zwischen der Geraden und der Rohrfläche an einem zwischen den beiden Punkten, an denen die gerade die Einlassfläche berührt, gemessen normal zur Geraden 28, liegenden Punkt beträgt in der Darstellung ungefähr 0,5 Prozent des Gebläsedurchmessers D. In diesem bestimmten Beispiel stellt diese Messung einen Maximalwert der Absatztiefe dar – wenn eine ähnliche Messung näher an der Austrittskante TE der Schaufelspitze 46 durchgeführt wird, ist der Abstand geringer. Diese maximale Absatztiefe d kann als eine Metrik zum Vergleich verschiedener Einlassausführungen verwendet werden. Die maximale Absatztiefe d innerhalb der Axialerstreckung der Schaufelspitze 46 kann 0,2 Prozent des Gebläsedurchmessers D oder mehr betragen, und bei einigen Ausführungen ist die maximale Absatztiefe d größer als 0,3 Prozent oder sogar größer als 0,4 Prozent des Gebläsedurchmessers D. Obgleich dies die Menge von Absätzen, die entlang der Einlassfläche bereitgestellt werden kann, einschränkt, kann die maximale Absatztiefe d innerhalb der Axialerstreckung der Schaufelspitze 46 sogar über 0,5 Prozent des Gebläsedurchmessers D liegen.
In 3b stellt der Abstand "g" die Breite des Abstandsspalts 7 nur an den Punkten, wo er lokal auf einem Minimum ist, dar. Obgleich 3b ein Beispiel zeigt, in dem der Abstand "g" von der Schaufeleintrittskante zur Schaufelaustrittskante konstant ist, kann er bei anderen Ausführungsformen über diese Strecke variieren. Insbesondere ist er manchmal so ausgelegt, dass der axiale Mindestabstand zwischen der Schaufelspitze und dem Mantel größer ist, als er im Falle eines konstanten Werts von "g" wäre. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die vorhergesagte Axialdurchbiegung der Schaufelspitze größer als die vorhergesagte Radialdurchbiegung ist. Über die Schaufelspitze 46 ist das Ausmaß der Variation des Abstands "g" zu den lokal nächsten Punkten kleiner als plus minus 30 Prozent seines durchschnittlichen Werts und kann kleiner als plus minus 20 Prozent seines durchschnittlichen Werts sein. Ein Mindestwert des Abstands "g" kann zwischen dem 0,005- und 0,02-Fachen des Gebläsedurchmessers D liegen.
Obgleich der Abstand "g" die Breite des Abstandsspalts 7 zwischen der Schaufelspitze und den lokal nächsten Punkten des Mantels darstellt, kann der Spalt 7 an anderen Punkten deutlich größer als das Maß "g" sein. In dem Beispiel von 3b ist die Breite des Abstandsspalts 7, gemessen normal zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, um 50 Prozent größer als der lokale Wert des Maßes "g" an einer Stelle zwischen zwei lokal nächsten Punkten. Diese lokal maximale Breite des Abstandsspalts 7 zwischen Punkten, die lokal am nächsten zur Schaufelspitze 46 liegen, kann um mindestens 20 Prozent größer als der lokale Wert des Maßes "g" sein und ist bei einigen Ausführungen um mindestens 30 Prozent oder mindestens 40 Prozent oder sogar mindestens 50 Prozent größer als der lokale Wert des Maßes "g".
Die in 3b gezeigte Schaufelspitze 46 erstreckt sich über die gesamte Erstreckung der Ellipse, die die Hüllkurve definiert, und die Tiefe der Absätze im Bereich der Schaufelspitzenaustrittskante TE ist gering. Der Einlass kann jedoch über einen Teil des Einlasses mit einer Axialerstreckung zur Austrittskante TE der Schaufelspitze 46 glatt (das heißt nicht abgestuft) sein. Bei einigen Aspekten erstrecken sich die Absätze über mindestens die am weitesten stromaufwärts liegenden 50 Prozent und insbesondere einen Großteil der Axialerstreckung des Teils des Einlasses, der sich mit der Axialerstreckung der Schaufelspitze 46 überlappt.
3c zeigt eine Draufsicht (von stromaufwärts nach stromabwärts blickend) der Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen von 3a. Der Mantel 2 weist eine ungefähr rechteckige Kammer 20 auf, die durch eine ungefähr rechteckige Kammerwand 21 und Seitenwände 23, die sich axial von den Außenrändern der Kammerwand zu einem nicht gezeigten stromaufwärtigen Wärmetauscher erstrecken, umschlossen wird. Die durch die Kammer umfasste Fläche des Wärmetauschers beträgt ungefähr das 2,14-Fache der Gebläsescheibenfläche, die als die Fläche eines Kreises mit einem Durchmesser, der gleich dem Gebläsedurchmesser D ist, definiert wird. Der Mantel weist Halterungen 29 auf, die mit Montagemerkmalen am Wärmetauscher in Eingriff stehen. Der Mantel weist einen abgestuften Rohreinlass 242 und eine Anordnung von Motorabstützungen 28 auf. Obgleich 3c eine Gebläseanordnung mit einem einzigen Gebläse zeigt, weisen andere Ausführungen mehrere Gebläse in einem einzigen Mantel auf. Bei diesen Ausführungen ist die relevante Metrik der Wärmetauscherfläche das Verhältnis der Fläche zu der gesamten Scheibenfläche aller Gebläse.
Die axiale Projektion des in 3c gezeigten Gebläses 4 entspricht der des in 1c gezeigten Gebläses mit freien Schaufelspitzen nach dem Stand der Technik. Obgleich dieses Gebläse nahe dem Schaufelfuß eine Vorwärtspfeilung und an der Schaufelspitze eine Rückwärtspfeilung aufweist, können andere Ausführungsformen andere Pfeilungsverteilungen haben. Ebenso können, obgleich die Gebläse der 2 und 3 eine ähnliche Neigungsverteilung wie die des in 1a gezeigten Gebläses nach dem Stand der Technik aufweisen, andere Ausführungsformen andere Neigungsverteilungen aufweisen.
Die 2 und 3 zeigen beide Gebläseanordnungen, bei denen alle der Absätze des Einlasses axiale Flächen mit der gleichen Axialerstreckung und radiale Flächen mit variierender Radialerstreckung aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen weisen alle der Absätze radiale Flächen mit der gleichen Radialerstreckung und axiale Flächen mit variierender Axialerstreckung auf. Eine noch weitere Möglichkeit besteht darin, die Tiefe, normal zu einer Hüllkurve, für alle Absätze konstant zu gestalten. Es sind auch andere Konfigurationen möglich.
4a ist eine detaillierte schematische Ansicht in der Meridionalebene eines Mantelrohrs 22 und des Überstreichungsbereichs des äußeren Teils einer Schaufel 40, wobei, wie in 3a, die glatte Hüllkurve, die die Punkte am Rohr durchquert, die lokal die nächsten zur Gebläseschaufelspitze sind, einen Teil der Ellipse 23 mit einem axialen Halbradius "a" und einer radialen Halbachse "b" bildet. In diesem Fall ist die Axialerstreckung der Schaufelspitze 46 kleiner als die axiale Halbachse der Ellipse 23, und die Schaufelspitzenaustrittskante TE ist ein Abstand "X" stromaufwärts der radialen Ellipsenachse. Dies gestattet, dass die Absätze nahe der Schaufelspitzenaustrittskante TE tiefer und effektiver sind als die Absätze nahe der Schaufelspitzenaustrittskante TE des Gebläses von 3b. Der Teil des Einlasses stromabwärts der Schaufelspitzenaustrittskante TE ist glatt und weist keine Absätze auf. Die Leistung der Gebläseanordnung kann durch Verlängern der Absätze stromabwärts der Schaufelspitzenaustrittskante nicht signifikant verbessert werden.
4b ähnelt 4a, aber in diesem Beispiel schließt das Rohr 22 nahe der Austrittskante TE des Gebläses ab. Diese Konfiguration wird oftmals an Umfangsstellen zwischen den in 3a gezeigten Motorstützstrukturen 28 verwendet.
4c zeigt weiterhin einen Fall, in dem die Axialerstreckung der Schaufelspitze 46 kleiner als die axiale Halbachse "a" der Ellipse 23 ist, die die Hüllkurve durch die nächsten Punkte am Einlass definiert. Hier ist das Gebläse mit sich an der radialen Halbachse "b" der Ellipse 23 befindender Spitzenaustrittskante TE positioniert, und die Schaufelspitzeneintrittskante LE befindet sich in einem Abstand "Y" stromabwärts des Eingangs zum Mantelrohr 22. Die Absätze erstrecken sich vor der Schaufelspitzeneintrittskante LE und umfassen mindestens die am weitesten stromabwärts liegenden 50 Prozent der Axialerstreckung eines zweiten Teils des Einlasses, der stromaufwärts der Eintrittskante LE der Schaufelspitze 46 liegt. Das Geräuschverhalten dieser Gebläseanordnung ist wesentlich besser als das einer ähnlichen Anordnung, bei der sich die Absätze nicht vor der Schaufelspitzeneintrittskante LE erstrecken.
Obgleich die Hüllkurve in den 3b und 4a–c einen Teil einer Ellipse bilden, können andere Formen auch gute Ergebnisse liefern. Bei einigen Ausführungsformen sind die Koordinaten der Hüllkurve als Spline-Kurven durch Knoten gebildet, die den Punkten am Mantel entsprechen, die lokal die nächsten Punkte zur Schaufelspitze 46 sind. Diese "lokal nächsten" Punkte sind in 5a gekennzeichnet.
5b zeigt eine Hüllkurve, die linear zwischen den nächsten Punkten verläuft. Sie definiert auch eine Gürtelkoordinate "s_g", die entlang der Länge dieser Hüllkurve linear zunimmt. Solch eine Hüllkurve besitzt die Eigenschaft, dass der Winkel in einer Meridionalebene zwischen der Hüllkurve und der Richtung der Gebläseachse 6 mit zunehmender "s_g" monoton abnimmt.
5c zeigt eine glatte Hüllkurve mit Axial- und Radialkoordinaten, die einem kubischen Spline folgen, dessen Knoten die Axial- und Radialkoordinaten der nächsten Punkte des Einlasses sind und dessen unabhängige Variable die Koordinate "s_g" ist. Die Endzustände dieser Splines sind derart, dass die glatte Hüllkurve außerhalb des Bereichs mit nicht monotoner Winkelvariation in die Mantelfläche übergeht.
5d zeigt eine Kurve, die um einen konstanten Abstand von der glatten Hüllkurve von 5c versetzt ist, und 5e zeigt den Überstreichungsbereich einer Gebläseschaufel, wo die Schaufelspitzenüberstreichungserstreckung der Versatzkurve folgt.
Obgleich die 2, 3, 4 und 5 abgestufte Rohreinlässe mit Absätzen, die axiale und radiale Flächen aufweisen, zeigen, sind auch andere Geometrien wirksam. 6a zeigt einen abgestuften Rohreinlass 242, der einen Konikwinkel an den Teilen des Einlasses aufweist, die in den 2–5 axial sind. Der Konikwinkel weist 5 Grad auf. Konizität kann die Formbarkeit eines Kunststoffteils verbessern und beeinträchtigt nicht wesentlich die Leistung der Gebläseanordnung.
6b zeigt einen abgestuften Rohreinlass 242, bei dem die äußeren Ecken der Absätze – die Ecken, die den Schaufelspitzen am nächsten sind – abgerundet sind. Obgleich eine Abrundung der Ecken im Vergleich zu einem abgestuften Rohr mit scharfen Ecken einen geringen Leistungsverlust verursacht, wird der Verlust auf ein Minimum reduziert, wenn die Hüllkurve so neu definiert wird, dass sie die Wirkung der Eckabrundungen enthält und der Versatz zwischen der Schaufelspitze 46 und der Hüllkurve beibehalten wird.
6c zeigt einen abgestuften Rohreinlass 242, bei dem die inneren Ecken der Absätze abgerundet sind. Im Falle eines geformten Kunststoffteils besteht der Vorteil solch einer Abrundung darin, dass der geschmolzene Kunststoff das Werkzeug während der Herstellung leichter füllen kann. Obgleich solch eine Abrundung im Vergleich zu einem abgestuften Rohr ohne abgerundete Ecken einen Leistungsverlust verursachen kann, ist dieser Verlust im Allgemeinen geringer als im Falle eines abgestuften Einlasses, bei dem die Abrundungen an den äußeren Ecken angebracht werden, wie in 6b gezeigt.
Die 6a–6c zeigen Modifikationen an einem abgestuften Rohreinlass, die die Herstellbarkeit eines geformten Teils verbessern können. Sie schließen sich insofern nicht gegenseitig aus, als eine beliebige Kombination von ihnen oder ähnliche Modifikationen am gleichen Mantelrohr verwendet werden kann/können.
6d zeigt einen Rohreinlass 242, der Axialnuten umfasst. Die auseinandergezogene Ansicht zeigt die Einlassflächenkoordinate "s", die null ist, wo der Einlass auf die Kammerwand 21 trifft, und mit dem Abstand entlang dem Einlassprofil linear zunimmt. Wie bei dem abgestuften Einlass der 2–5 nimmt die Radialabmessung mit Zunahme von "s" ab oder wird konstant gehalten. Im Gegensatz zum Fall eines abgestuften Einlasses nimmt jedoch die Axialabmessung (positiv stromabwärts) mit Zunahme von "s" nicht zwangsweise zu oder bleibt zwangsweise konstant, stattdessen kann sie auch abnehmen. Die Aufnahme von Axialnuten, wie in 6d gezeigt, kann die Leistung einer Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen im Vergleich zu einer Gebläseanordnung mit einem gleichmäßig aufgeweiteten Manteleinlass verbessern.
6e zeigt einen abgestuften Rohreinlass 242, bei dem die Absätze nicht durchgehend sind, sondern durch Teile eines gleichmäßig aufgeweiteten Mantels getrennt sind. Im Allgemeinen ist solch eine Konfiguration weniger effektiv als eine, bei der die Absätze durchgehend sind. Dies kann einen Teil der fehlenden Leistung eines Einlasses mit Axialnuten im Vergleich zu einem durchgehend abgestuften Einlass erklären.
6f zeigt eine Konfiguration, bei der die nicht axialen Flächen des abgestuften Einlasses nicht radial sind, sondern in der Meridionalebene einen spitzen Winkel (zum Beispiel einem Winkel von 30 Grad) mit der Radialrichtung bilden. Die Radialerstreckung der abgewinkelten Teile der vier Absätze ist in diesem Beispiel konstant. Diese Konfiguration bietet die zusätzliche Tiefe eines genuteten Einlasses und die durchgehende Beschaffenheit eines abgestuften Einlasses. Obgleich solch eine Konfiguration einem gleichmäßig aufgeweiteten Einlass überlegen ist, ist sie möglicherweise weniger effektiv als eine, bei der die Absatzflächen ungefähr senkrecht zueinander verlaufen.
Die 4, 5 und 6 zeigen nur die Innenfläche des Mantelrohrs. Die Außenseite des Rohrs kann in einigen Fällen der Form der Innenseite folgen, wie in den 2a und 3a gezeigt. 7a ist ein Meridionalschnitt durch das Mantelrohr, dessen Innenfläche in 4b gezeigt wird. In diesem Beispiel ist die Außenfläche um ein ungefähr konstantes Ausmaß von der Innenfläche versetzt. 7b zeigt einen Meridionalschnitt durch ein Mantelrohr, bei dem die äußeren Ecken abgerundet sind. Dies reduziert die verwendete Materialmenge und kann im Falle eines spritzgegossenen Mantels das Fließen von Kunststoff während der Herstellung verbessern. Zur weiteren Verbesserung der Formbarkeit können auch die inneren Ecken an den Außen- und Innenflächen abgerundet werden, und der Konikwinkel kann sowohl auf die Außen- als auch die Innenfläche angewandt werden.
In Fällen, in denen die Absätze im Mantel relativ flach sind, besteht ein alternativer Ansatz darin, die Außenseite des Rohrs mit einer glatten Fläche zu versehen. Dies wird in 7c dargestellt. In diesem Beispiel weisen die Absätze normal zur elliptischen Hüllkurve alle die gleiche Tiefe auf. Die inneren Ecken sind abgerundet, um den Fluss von Kunststoffmaterial in das Werkzeug zu verbessern.
8a ist eine Axialansicht der Saugseite eines Gebläses gemäß der US-Patentanmeldung m. d. Veröffentlichungsnummer 2014/0271172 und eines abgestuften Rohreinlasses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. In dieser Ansicht dreht sich das Gebläse entgegen dem Uhrzeigersinn. 8b ist ein Meridionalschnitt durch die Schaufel und den Rohreinlass an einem Winkel, der dem Punkt maximaler Dicke an der Schaufelspitze entspricht, wie in 8a gezeigt. Der Rohreinlass entspricht dem in 7a gezeigten. 8c ist eine Detailansicht des Spitzenbereichs von 8b mit einer Prinzipskizze des an der Schaufelspitze vorbei leckenden Stroms und der in Bereichen von Strömungstrennung erzeugten Wirbelbewegung. Zusätzlich zu dem getrennten Bereich, in dem die Druckseite der Schaufel auf den Einlass zum Abstandsspalt trifft, gibt es eine zusätzliche Strömungstrennung an den radialen Flächen jedes Absatzes des Manteleinlasses. Diese getrennten Zonen können den Strom durch den Spitzenspalt reduzieren und können darüber hinaus dazu dienen, den Spitzenwirbel in mehrere kleine Wirbel aufzubrechen, die sich leichter als ein einziger Wirbel auflösen, wodurch weniger Wechselwirkung mit der nachfolgenden Schaufel verursacht wird. Nach dem Passieren der Schaufel kann der Spitzenwirbel weiter Strom entlang dem Mantel in stromaufwärtiger Richtung induzieren, so dass die abgebildeten Trennzonen über eine große Umfangserstreckung bestehen können. Das Vorhandensein dieser getrennten Zonen kann die durch den Mantel aufgrund des schwankenden Druckfelds abgestrahlten Geräusche mindern. In Bereichen zwischen den Schaufeln, in denen sich der Spitzenwirbel stromabwärts bewegt hat, bewegt sich der Strom entlang der abgestuften Fläche in stromabwärtiger Richtung, und die Trennzonen verschieben sich zu den axialen Flächen, und es wird Wirbelbewegung mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugt.
9a ist eine perspektivische Ansicht des Gebläses mit freien Schaufelspitzen und des abgestuften Rohreinlasses der 8a–8c, wobei die Absätze achssymmetrisch sind. 9b ist die gleiche Ansicht des Gebläses mit freien Schaufelspitzen der 8a–8c und des abgestuften Rohreinlasses, wobei die Absätze nicht achssymmetrisch sind und schraubenförmig geformt sind. Ein Meridionalschnitt durch dieses Mantelrohr 22 weist ein abgestimmtes Profil auf, das dem von 9a sehr ähnelt, aber die axiale Position der Absätze ändert sich mit der Umfangsposition um die Gebläseachse. Obgleich die gezeigten schraubenförmig geformten Absätze eine der Schaufelsteigungshelix entgegengesetzte Ausrichtung aufweisen, können andere schraubenförmig geformte Rohrabsätze eine der Schaufelsteigungshelix ähnliche Ausrichtung aufweisen. Obgleich ein nicht achssymmetrisch abgestufter Rohreinlass im Vergleich zu einem gleichmäßig aufgeweiteten Einlass zu einer signifikanten Geräuschminderung führen kann, ist er einem Einlass mit achssymmetrischen Absätzen nicht zwangsweise überlegen.
Es sei darauf hingewiesen, dass jegliche der Einlassgeometrien gemäß irgendeiner der hierin offenbarten Ausführungen über die gesamte Umfangserstreckung des Mantels (das heißt, den gesamten 360-Grad-Azimutalwinkelbereich) vorgesehen werden kann. In einigen Fällen können die beschriebenen Einlassgeometrien jedoch über weniger als die gesamte Umfangserstreckung vorgesehen sein. In solchen Fällen kann die beschriebene Einlassgeometrie über einen wesentlichen Teil der Umfangserstreckung (das heißt, mindestens 33 Prozent) vorhanden sein. Bei einigen Ausführungen kann die beschriebene Geometrie über zumindest einen Großteil (das heißt, mehr als 180 Grad Azimutalwinkelbereich) der Umfangserstreckung und in einigen Fällen wesentlich mehr (zum Beispiel 67 Prozent, 80 Prozent, 90 Prozent, 95 Prozent oder 99 Prozent) vorhanden sein.
10 zeigt die Leistung einer Gebläseanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung (Auftragungen in durchgezogener Linie) im Vergleich zu der der Gebläseanordnung nach dem Stand der Technik, die sich nur darin unterscheidet, dass der Einlass zum Mantelrohr gleichmäßig aufgeweitet ist (Auftragungen in gestrichelter Linie). Der Gebläsedurchmesser beträgt 375 mm. Die Betriebsdrehzahl beider Gebläse ist dahingehend eingestellt, einen Auslegungsstrom von 0,7 m³/s bei einem Druck von 200 Pa zu erreichen, der den "Leerlaufzustand" des Fahrzeugs darstellt, wobei das Auto stationär ist. Die Drehzahl des Gebläses bei der Anordnung nach dem Stand der Technik beträgt 2760 RPM, und die der Gebläseanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung beträgt 2736 RPM. An dem durch einen kleinen Kreis auf den Druckkurven angezeigten Auslegungspunkt ist die Gebläseanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung um 2,0 dB ruhiger als das Gebläse nach dem Stand der Technik. Sein Wirkungsgrad ist um 1,2 Punkte höher. Bei Betriebspunkten bei höherem Druck ist die Geräuschminderung bedeutend stärker.
11 zeigt die gleichen Daten wie die von 10, jedoch in Form von verschiedenen Variablen. Hier ist die Abszisse der Systemwiderstandskoeffizient, der proportional zu dem statischen Druck, dividiert durch den dynamischen Druck, ist. Die rechte Ordinate sind spezifische Geräusche, die die gemessenen Geräusche unter Berücksichtigung der zugeführten Luftleistung und der Gebläsescheibenfläche normalisieren. Der Geräuschpegel der Basisgebläseanordnung nimmt zwischen einem Systemkoeffizienten von 2,5 und 4,5 drastisch zu. Dies kann als "Geräuschwand" bezeichnet werden. Wenn die Position der Geräuschwand als der Systemkoeffizient definiert wird, bei dem die spezifischen Geräusche 70 dB übersteigen, besteht die Wirkung des abgestuften Einlasses darin, die Geräuschwand um 28,6 Prozent zu verschieben. Dies ist eine sehr bedeutende Zunahme. Der abgestufte Mantel gestattet die Verwendung eines Gebläses mit freien Schaufelspitzen mit einem bedeutend höheren Systemwiderstand als bei einem gleichmäßig aufgeweiteten Rohreinlass der Fall ist.
12a ist eine Axialansicht der Saugseite eines Gebläses gemäß der US-Patentanmeldung m. d. Veröffentlichungsnummer 2014/0271172 und eines abgestuften Rohreinlasses, wobei die Absätze diskontinuierlich azimutal sind. Obgleich die abgestufte Einlassform nur über ausgewählte Azimutalteile des Rohreinlasses angewandt wird, verbleiben ähnliche Vorteile, wie bei den Ausführungsformen, bei denen der gesamte Umfang des Mantelrohreinlasses die abgestufte Form aufweist. Wenn der Rohreinlass nur teilweise abgestuft ist, kann der abgestufte Teil ein einziger Azimutalwinkelbereich oder wie im Falle von 12a mehrere kleine Azimutalbereiche sein. Insgesamt können die die abgestufte Form aufweisenden Teile einen den Großteil bildenden Azimutalteil oder -bereich (das heißt, mehr als 180 Azimutalwinkelgrad) des Einlasses bilden. 12b ist ein Meridionalschnitt durch die Schaufel und den Rohreinlass in einem Winkel, der dem Punkt maximaler Dicke an der Schaufelspitze, wie in 12a gezeigt, entspricht, wobei der Schnitt den Mantelrohreinlass an einem Punkt durchquert, an dem der Schnitt dahingehend geformt ist, mehrere Absätze zu enthalten. Jeder einzelne abgestufte Teil wird mit einer Form gemäß der Darstellung in den 8a bis 8c gezeigt, und somit wird auf die obige Beschreibung verwiesen. In anderen Ausführungen können die einzelnen abgestuften Teile jedoch gemäß irgendeiner anderen Konstruktion, wie hierin definiert, geformt sein. 12c ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Mantelrohreinlasses.
13a ist eine Axialansicht der Saugseite eines Gebläses gemäß der US-Patentanmeldung m. d. Veröffentlichungsnummer 2014/0271172 und eines Rohreinlasses mit versetzten Reihen von Taschen (zum Beispiel kreisförmigen Taschen). Jede der Taschen definiert eine Achse, die parallel zur Gebläseachse verläuft, oder hat eine den Großteil bildende Komponente, die parallel zur Gebläseachse verläuft. Während der in 12a gezeigte Mantelrohreinlass azimutal diskontinuierliche Absätze aufweist, kann der Rohreinlass von 13a als diskontinuierliche Axialnuten aufweisend betrachtet werden. Dies ist in den 13b und 13c zu sehen. 13b ist ein Meridionalschnitt durch die Schaufel und den Rohreinlass in einem Winkel, der dem Punkt maximaler Dicke an der Schaufelspitze entspricht, wie in 13a gezeigt, wobei dieser Schnitt zwei Taschen durchquert, so dass die Einlassfläche einen Bereich mit nicht monoton variierendem Winkel "Θ" definiert, wie unter Bezugnahme auf die früheren Ausführungsformen beschrieben. Dieser Schnitt ähnelt dem der in 6d gezeigten Axialnuten, obgleich 6d eine erhöhte Anzahl geformter Merkmale enthält. 13c ist ein Meridionalschnitt durch die Schaufel und den Rohreinlass in einem solchen Winkel, dass der Schnitt eine einzige Tasche durchquert. Obgleich nicht bei allen Ausführungen erforderlich, können die Teile, in denen mehrere Taschen (im Meridionalquerschnitt) definiert sind, zusammengenommen einen den Großteil bildenden Azimutalteil oder -bereich (das heißt, über 180 Grad Azimutalwinkel) des Rohreinlasses ausmachen.
Die Inhalte des US-Patents Nr. 6,595,744 , US-Patents Nr. 8,137,070 , US-Patents Nr. 9,004,860 und der US-Patentanmeldung m. d. Veröffentlichungsnummer 2014/0271172 sind alle durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen. Das US-Patent Nr. 6,595,744 beschreibt eine Neigungsverteilung, die die Axialdurchbiegung eines gekrümmten Gebläses mit freien Schaufelspitzen reduzieren kann, und das US-Patent Nr. 8,137,070 offenbart eine Krümmungsverteilung, die die Radialdurchbiegung eines Gebläses mit freien Schaufelspitzen reduziert. Diese beiden Merkmale können den erforderlichen Konstruktionsspitzenspalt einer Gebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen reduzieren. Das US-Patent Nr. 9,004,860 offenbart eine Änderung der Schaufelwölbung und des Schaufelwinkels, die bzw. der dahingehend wirkt, der Auswirkung des Spitzenspalts auf die Schaufelspitzenbelastung entgegenzuwirken. Die US-Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2014/0271172, offenbart ein Gebläse mit einer vergrößerten Schaufeldicke an der Schaufelspitze, die die nachteilige Auswirkung des Spitzenspalts auf Geräusche und Wirkungsgrad reduziert. Da viele der Aspekte der vorliegenden Anmeldung keine Änderungen an der Schaufelgeometrie umfassen, kann eine Gebläseanordnung zusätzlich zu den Merkmalen der vorliegenden Anmeldung vorteilhaft jegliche Kombination der in irgendeiner dieser Schriften, die durch Bezugnahme mit aufgenommen sind, offenbarten Merkmale enthalten. Ferner versteht sich, dass Merkmale der vorliegenden Anmeldung mit zusätzlichen Geometrien von Gebläseschaufeln mit freien Schaufelspitzen anderer bekannter Art verwendet werden können.
Gebläseanordnungen mit Eigenschaften gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Anmeldung können eine nach vorne gekrümmte, nach hinten gekrümmte, eine radiale Ausführung oder eine Ausführung mit gemischter Krümmung sein. Ebenso können Gebläseanordnungen gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Anmeldung eine beliebige Anzahl von Schaufeln, eine beliebige Verteilung von Schaufelwinkel, -wölbung, -sehne oder -neigung aufweisen und können entweder eine Pusher- oder eine Puller-Konfiguration haben.

Claims

Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen, umfassend: ein Gebläse, das mehrere sich radial erstreckende Schaufeln umfasst, wobei jede der mehreren Schaufeln eine Schaufelspitze, eine Eintrittskante und eine Austrittskante aufweist, wobei das Gebläse einen Durchmesser D aufweist, der dem Zweifachen der Radialerstreckung der Schaufelspitzen an der Austrittskante entspricht; und einen Mantel, der ein Rohr umfasst, wobei das Rohr einen Einlass umfasst, wobei der Radius des Einlasses an seinem stromaufwärtigen Ende größer als der Radius des Einlasses an seinem stromabwärtigen Ende ist, wobei der Winkel in einer Meridionalebene zwischen einer Fläche des Einlasses und der Richtung der Gebläseachse bezüglich einer Flächenkoordinate, die mit dem Abstand entlang der Fläche des Einlasses von seinem stromaufwärtigen Ende zu seinem stromabwärtigen Ende zunimmt, über einen Bereich der Einlassfläche nicht monoton variiert.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 1, wobei die Radialkoordinate der Einlassfläche mit Zunahme der Flächenkoordinate abnimmt oder konstant bleibt.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 2, wobei die Axialkoordinate der Einlassfläche mit Zunahme der Flächenkoordinate zunimmt oder ungefähr konstant bleibt.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 1, wobei der Einlass Absätze umfasst, wobei jeder Absatz eine ungefähr axiale (in der Meridionalebene in Radialrichtung weisende) Fläche und eine ungefähr radiale (in der Meridionalebene in Axialrichtung weisende) Fläche aufweist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 1, wobei eine in einer Meridionalebene liegende gedachte Gerade die Einlassfläche an zwei entlang dem Bereich eines nicht monoton variierenden Winkels positionierten Punkten berühren kann, ohne die Fläche zwischen den beiden Punkten zu schneiden, und ein Abstand zwischen der gedachten Linie und einem, gemessen normal zur gedachten Linie, zwischen den beiden Punkten liegenden Punkt auf der Rohrfläche größer gleich 0,2 Prozent des Gebläsedurchmessers ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 5, wobei der Abstand größer gleich 0,4 Prozent des Gebläsedurchmessers ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 1, wobei: mindestens ein Teil des Einlasses an der axialen Stelle mindestens eines Teils einer Schaufelspitze positioniert ist; die Radialabmessung des Einlasses an der axialen Stelle des stromaufwärtigen Endes des Teils größer als die Radialabmessung des Einlasses an der axialen Stelle des stromabwärtigen Endes des Teils ist; die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromaufwärtigen Ende des Teils größer als die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromabwärtigen Ende des Teils ist; und der an der axialen Stelle des Teils der Schaufelspitze positionierte Teil des Einlasses mindestens einen Teil des Bereichs mit nicht monoton variierendem Winkel enthält, wobei die axiale Stelle des Teils des Bereichs mit nicht monoton variierendem Winkel einen zweiten Teil der Schaufelspitze definiert.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei eine in einer Meridionalebene liegende gedachte Gerade die Einlassfläche an zwei Punkten berühren kann, die beide in dem Bereich mit nicht monoton variierendem Winkel und innerhalb der Axialerstreckung der Schaufelspitze liegen, ohne die Fläche zwischen den beiden Punkten zu schneiden, und ein Abstand zwischen der gedachten Linie und einem Punkt auf der Rohrfläche, der, gemessen normal zur gedachten Linie, zwischen den beiden Punkten liegt, größer gleich 0,2 Prozent des Gebläsedurchmessers ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 8, wobei der Abstand größer gleich 0,4 Prozent des Gebläsedurchmessers ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei die axiale Stelle der Gesamtheit der Schaufelspitze innerhalb der Axialerstreckung des Einlasses liegt.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei sich der Bereich mit nicht monoton variierendem Winkel mindestens über die am weitesten stromaufwärts liegenden 50 Prozent der Axialerstreckung des Teils des Einlasses, der sich mit der Axialerstreckung der Schaufelspitze überlappt, erstreckt.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei sich der Bereich mit nicht monoton variierendem Winkel mindestens über die am weitesten stromabwärts liegenden 50 Prozent der Axialerstreckung des zweiten Teils des Einlasses, der sich stromaufwärts der Schaufelspitze befindet, erstreckt.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei die Radialabmessung des Einlasses am stromaufwärtigen Ende des Teils um mindestens 2 Prozent der Radialabmessung des Einlasses am stromabwärtigen Ende des Teils größer als die Radialabmessung des Einlasses am stromabwärtigen Ende des Teils ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromaufwärtigen Ende des Teils um mindestens 2 Prozent der Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromabwärtigen Ende des Teils größer als die Radialerstreckung der Schaufelspitze am stromabwärtigen Ende des Teils ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei die Überstreichungserstreckung des Schaufelspitzenteils der Form des Einlassteils entspricht.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei der Mindestabstand zwischen dem Teil der Schaufelspitze und dem Teil des Einlasses, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, größer als das 0,005-Fache des Gebläsedurchmessers D und kleiner als das 0,02-Fache des Gebläsedurchmessers D ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei der Winkel in einer Meridionalebene zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und der Richtung der Gebläseachse bezüglich einer Spitzenkoordinate, die mit dem Abstand entlang der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze von der Eintrittskante der Schaufelspitze zu der Austrittskante der Schaufelspitze zunimmt, monoton abnimmt.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 17, wobei der Abstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und den lokal nächsten Punkten am Teil des Einlasses, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, um nicht mehr als plus minus 30 Prozent entlang dem zweiten Teil der Schaufelspitze variiert.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 17, wobei der Abstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und den lokal nächsten Punkten am Teil des Einlasses, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, um nicht mehr als plus minus 20 Prozent entlang dem zweiten Teil der Schaufelspitze variiert.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 17, wobei der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 20 Prozent größer als der durchschnittliche Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und den beiden nächsten Punkten ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 17, wobei der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 40 Prozent größer als der durchschnittliche Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und den beiden nächsten Punkten ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 17, wobei der Mindestabstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und den nächsten Punkten am Teil des Einlasses, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, größer als das 0,005-Fache des Gebläsedurchmessers D und kleiner als das 0,02-Fache des Gebläsedurchmessers D ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei die Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze einer Hüllkurve in einer Meridionalebene entspricht, die die Punkte durchquert, die sich lokal am nächsten zur Schaufelspitze am Teil des Einlasses befinden.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei die Hüllkurve glatt ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei die Axial- und Radialkoordinaten der Hüllkurve jeweils ungefähr als die Werte einer Spline-Kurve gegeben sind, wobei die Spline-Kurve auf folgende Weise bestimmt wird: 1) Schaffen einer Gürtelkoordinate, die einer stückweisen linearen Kurve folgt, deren Scheitelpunkte die Punkte sind, 2) Erzeugen von kubischen Splines der Axial- und Radialkoordinaten bezüglich der Gürtelkoordinate, wobei an den Scheitelpunkten Knoten positioniert sind, 3) Bewerten der Splines an Werten der Gürtelkoordinate, die zwischen den Scheitelpunkten liegen.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei der Abstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und der Hüllkurve, gemessen senkrecht zur Hüllkurve, um nicht mehr als plus minus 30 Prozent über die Erstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze variiert.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei der Abstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und der Hüllkurve, gemessen senkrecht zur Hüllkurve, um nicht mehr als plus minus 20 Prozent über die Erstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze variiert.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche an einem Punkt zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 20 Prozent größer als der lokale Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Hüllkurve ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei der Abstand, gemessen senkrecht zu der Überstreichungserstreckung der Schaufelspitze, zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Einlassfläche an einem Punkt zwischen zwei der nächsten Punkte um mindestens 40 Prozent größer als der lokale Abstand zwischen dem zweiten Teil der Schaufelspitze und der Hüllkurve ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei der Mindestabstand zwischen der Überstreichungserstreckung des zweiten Teils der Schaufelspitze und der Hüllkurve, gemessen senkrecht zur Hüllkurve, größer als das 0,005-Fache des Gebläsedurchmessers D und kleiner als das 0,02-Fache des Gebläsedurchmessers D ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 23, wobei die Hüllkurve in dem Bereich, in dem die Schaufelspitze ihr entspricht, mindestens 3 Punkte am Einlass durchquert, die lokal die nächsten zur Schaufelspitze sind.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 7, wobei die Fläche des Teils des Einlasses achssymmetrisch ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 1, wobei der Mantel ein spritzgegossenes Kunststoffteil ist.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 1, wobei der Mantel Merkmale umfasst, die das Anbringen der Gebläseanordnung an einem stromaufwärts der Gebläseanordnung positionierten Wärmetauscher erleichtern.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 34, wobei der Mantel eine Kammer stromaufwärts des Rohrs umfasst und wobei der Bereich der Wärmetauscherfläche, der durch die Kammer umfasst wird, mindestens dem 1,5-Fachen der Gebläsescheibenfläche entspricht.
Axialgebläseanordnung mit freien Schaufelspitzen nach Anspruch 1, wobei der Winkel in mehreren Meridionalebenen, die über einen oder mehrere Bereiche des Azimutalwinkels positioniert sind, der sich insgesamt auf mehr als 180 Grad beläuft, nicht monoton variiert.