DE2530742B2

DE2530742B2 - Geräuscharme Kühlanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2530742B2
Application number: DE2530742A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Hauser
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1975-07-10
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1979-04-19
Also published as: SE427998B; IT1067096B; DE2530742A1; FR2317620A1; FR2317620B1; SE7607843L; DE2530742C3

Description

Die Erfindung betrifft eine geräuscharme Kühlanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus mindestens einem Kühlmittelkreislauf mit Wärmetauscher und Lüfter und ein in Luftrichtung gesehen hinter dem Wärmetauscher angeordnetes freilaufendes Radiallaufrad.

Es besteht die Forderung, den Geräuschpegel von Kraftfahrzeugen gegenüber den heute zulässigen Werten um ca. 10 dB (A) zu senken. Um die Kühlanlage möglichst klein bzw. deren Kosten möglichst niedrig zu halten, besteht die weitere Forderung, sie im Motorraum unterzubringen. Wegen der beengten Einbauverhältnisse ist jedoch eine Vergrößerung der Kühlerstirnfläche nicht oder nur in geringem Maße möglich, so daß mit den gleichen Druckverlusten wie bei den bisher bekannten Kühlanlagen zu rechnen ist.

Unter diesen Voraussetzungen ist eine Geräuschreduzierung nur möglich, wenn eine Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit des Lüfters, eine Vermeidung s von Strömungsablösungen im Laufrad und eine Verringerung der Austrittsgeschwindigkeit am Lüfter erzielt wird.

Nach dem bekannten Stand der Technik können diese Forderungen nur erfüllt werden, wenn die Druckziffer des Lüfters wesentlich erhöht und der Wirkungsgrad beträchtlich verbessert wird. Ferner ist eine möglichst große Verzögerung der Strömung im Lüfter anzustreben, damit die Austrittsgeschwindigkeit verringert wird. Kühlanlagen mit Axial- und Halbaxiallüftern sind bekannt Beide Bauarten arbeiten im wesentlichen in einem Betriebspunkt, der eine verlustarme Energieumsetzung im Lüfter nicht zuläßt. Um günstigere Verhältnisse zu ernalten, müßten die Druckverluste reduziert werden, z. B. müßte die Kühlerstirnfläche erheblich vergrößert werden, was jedoch aus Platzgründen nicht oder nur selten möglich ist.

Bekanntlich arbeiten Axiallüfter deshalb mit einem statischen Wirkungsgrad von nur 35 bis 45%. Halbaxiallüfter erreichen Werte von 40 bis 50%. Die Wirkungsgrade sind auf den statischen Druck bezogen, da der dynamische Druck im Motorraum praktisch vollständig verloren geht und daher der Vergleich der statischen Wirkungsgrade sinnvoller ist. Der schlechte Wirkungsgrad resultiert aus den infolge zu starker Drosselung an der Beschaufelung und an der Nabe auftretenden Strömungsablösungen, welche das bekannte Wirbelgeräusch erzeugen. Der Schalleistungspegel derartiger Kühlventilatoren ist deshalb wesentlich höher als bei optimaler Auslegung, also für geringere Druckverluste, wie sie aber bei Kühlanlagen für K raftfahrzeuge aus den obenstehend beschriebenen Gründen nicht möglich ist.

Zusätzlich ist die Abströmung meistens durch die Motorbauteile gestört. Die Axial- bzw. Halbaxialschaufel findet während einer Lüfterumdrehung ständig wechselnde Druckverhältnisse vor. Beide Schaufelarten sind gegen derartige Störungen der Abströmsymmetrie sehr empfindlich, so daß Ablösungen an der Schaufel und Schwingungen innerhalb der Schaufelkanäle auftreten. Die Folge davon ist eine Erhöhung der erwähnten Wirbelgeräusche.

Eine halbaxiale Durchströmung bedingt eine relativ hohe Austrittsgeschwindigkeit, weiche das Strömungsgeräusch, d. h. das Strömungsrauschen, ansteigen läßt. Das Auftreffen der mit hoher Geschwindigkeit behafteten Strömung erzeugt an den Motorbauteilen weitere Geräusche.

Die Druckziffer der Axial- und Halbaxiallüfter ist relativ niedrig, so daß zur Erzeugung des erforderlichen Druckes eine hohe Umfangsgeschwindigkeit erforderlieh ist. Dabei entstehen Geräuschpegel, die den strengeren Forderungen der Zukunft nicht mehr gewachsen sind. Durch Verwendung eines Leitrades wäre eine Erhöhung der Druckziffer und des Wirkungsgrades und damit eine Geräuschreduzierung möglich, jedoch ist die dazu erforderliche Bautiefe nicht vorhanden.

Radiallüfter können für die vorliegenden Druckverhältnisse wesentlich günstiger ausgelegt werden, da sie, bedingt durch die Fliehkraftwirkung, eine größere Druckziffer aufweisen. Sie können daher mit kleinerer Umfangsgeschwindigkeit und besserem Wirkungsgrad, d. h. mit geringerer Geräuscherzeugung betrieben werden.

Kühlanlagen für Kraftfahrzeuge mit Radiallüftern sind bekannt So ist beispielsweise bei einer Kühleinrichtung für flüssigkeitsgekühlte Motoren, insbesondere für V-Motoren von Kraftfahrzeugen, die mit einem Kühler und einem Ventilator ausgerüstet sind, als Ventilator ein Radiallüfter vorgesehen, dessen Ausirittsseite von dem Kühler umgeben ist (DE-OS 15 76 708).

Bei einer Motor-Kühlanlage für Kampfpanzer ist es bekannt, einem oder mehreren als Radialgebläse ausgebildeten, mit senkrechter Gebläseachse in einem flachgebauien, quer zur Fahrzeuglängsachse verlaufenden Küh'.luftführungskasten angeordneten KühMuftgebläse zu beiden Seiten und schräg zum Kühlluftstrom angeordnete Fischenkühler nachzuschalten (DE-OS 22 35 729).

Bei diesen Kühlanlagen werden Radiallaufräder ohne Spiralgehäuse gezeigt, deren Schaufeleintrittsquerschnitt kleiner oder ebenso groß wie der Ansaugquerschnitt ist. Das entspricht einer vielfach angewandten und in der Theorie empfohlenen Auslegungsmethode, nach welcher zur Erzielung eines guten Laufradwirkungsgrades die Geschwindigkeit im Saugraum nicht verzögert werden soll, um eine verlustarme Strömungsumlenkung zu erzielen.

Eine solche Auslegung hat jedoch den Nachteil, daß die Meridiangeschwindigkeit und damit auch die Absolutgeschwindigkeit am Laufradaustritt relativ groß ist. Ein beträchtlicher Anteil des dynamischen Druckes am Laufradaustritt muß in statischen Druck umgesetzt werden, um brauchbare Werte zu erreichen. Deshalb werden bei einer solchen Laufradauslegung ^ute statische Wirkungsgrade nur in Verbindung mit einem Spiralgehäuse erreicht, welches aber aus Platzgründen bei der heutigen kompakten Bauweise im Motorraum nicht untergebracht werden kann. J5

Wird auf das Spiralgehäuse verzichtet, dann muß ein niedriger statischer Wirkungsgrad, eine niedrige statische Druckziffer und eine große Austrittsgeschwindigkeit in Kauf genommen werden. Diese Faktoren erhöhen aber den Geräuschpegel erheblich, so daß die angestrebte Geräuschreduzierung mit derartigen Radialläufern nicht erreicht wird.

Eine geräuscharme Kühlanlage der eingangs erläuterten Art mit einem hinter dem Wärmetauscher angeordneten Radiallaufrad ist aus der FR-PS 3 91 956 bekannt. Der Lüfter weist jedoch eine doppelte Beschaufelung auf, wobei mit größeren Schaufeln Luft durch den Kühler gesaugt wird, während mit kleineren zusätzlichen Schaufeln Luft aus dem Motorraum gesaugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geräuscharme Kühlanlage zu schaffen, mit einem Radiallüfter, der einen hohen statischen Wirkungsgrad und eine ausreichende statische Druckziffer erreicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer η Kühlanlage der eingangs erläuterten Art dadurch gelöst, daß das Querschnittsverhältnis Fi : Fo zwischen 1,35 und 2,3 liegt, wobei F₀ der engste Querschnitt einer vor dem Laufrad angeordneten Einlaufdüse und Fi der Schaufeleintrittsquerschnitt des Laufrades ist, und daß eine in eine Laufraddeckscheibe hineinragende Einlaufdüse sich von dem engsten Querschnitt Fo aus in Strömungsrichtung gesehen derart erweitert, daß sowohl der Spaltlaufstrom als auch die Hauptströmung eine nach außen gerichtete Komponente erhalten und dadurch tangential oder nahezu tangential an die Abrundung der Laufraddeckscheibe herangeführt werden.

Durch die Verwendung eines Radiallaufrades mit vorzugsweise rückwärts gekrümmten Schaufeln und relativ großer Laufschaufelbreite wird erreicht, daß bereits im Saugraum zwischen den Querschnitten Fo und Fj die Strömung erheblich verzögert wird, wenn in an sich bekannter Weise eine Einlaufdüse verwendet wird, bei welcher die Hauptströmung und der Spaltluftstrom tangential oder nahezu tangential an die Laufraddeckscheibe herangeführt werden und eine nach außen gerichtete Komponente erhalten. Die so geführten Luftströme bewirken ein Anlegen der verzögerten Krümmerströmung an die Laufraddeckscheibe, so dall erhebliche Verzögerungen im Saugraum möglich sind.

Das Verhältnis Fi zu Fo kann erfindungsgemäß bis zum Wert 2,3 ausgeführt werden, ohne daß sich die Strömung an der Laufraddeckscheibe ablöst

Besonders zweckmäßig ist es, wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung, der Durchmesser des Laufradbodens und der Laufraddeckscheibe des freilaufenden Radiallüfters größer ist als der Schaufelaustrittsdurchmesser und beide Bauteile einen parallelwandigen oder nahezu parallelwandigen Radialdiffusor bilden.

Nach einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dann, wenn das freilaufende Radiallaufrad auf der Kurbelwelle oder auf einem anderen an einem Motorblock befestigten Lager angeordnet ist, die Einlaufdüse vorteilhafterweise am Motorblock mittels Streben befestigt und mit einer Kühlerzarge über eine elastische Manschette verbunden.

Da die volle Kühlleistung nicht stetig benötigt wird, werden moderne Kühlanlagen mit regelbaren Lüftern ausgerüstet, wobei insbesondere thermostatisch gesteuerte Flüssigkeitsreibungskupplungen verwendet werden. Bei der Anwendung einer derartigen Flüssigkeitsreibungskupplung ist es vorteilhaft, wenn die äußersten Konturen der Kupplung zwischen zwei Grenzlinien Lc 1 und Lc 2 liegen, wobei die Grenzlinie Lc 1 der Lüfterachse in einem Abstand a\ = 0,4 ■ D\, bezogen auf den Laufradboden, währen für die Grenzlinie Lc 2 der Schnittpunkt a₂ = 0,2 ■ D, festgelegt ist, mit D\ Schaufeleintrittsdurchmesser.

Der statische Wirkungsgrad eines erfindungsgemiißen freilaufenden Radiallüfters beträgt 60 bis 70%. Dies bedingt einen wesentlich geringeren Geräuschpegel gegenüber den herkömmlichen Lüfterausführungen, da ein besserer Wirkungsgrad gleichbedeutend mit geringerer Wirbelbildung ist. Ein derartiger Radiallüfter ist auch gegen die eingangs erwähnten Störungen der Abströmsymmetrie weniger empfindlich als Axial- und Halbaxiallüfter, was sich ebenfalls in einem günstigeren Geräuschverhalten bemerkbar macht.

Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kühlanlage,

F i g. 2 einen Schnitt eines Laufrades entlang der Linie 4-ßderFig. 1,

F i g. 3 in vergrößerter Darstellung die Ausbildung des Laufradeintritts und

Fig.4 die Kombination eines Radiallüfters mit einer Flüssigkeitsreibungskopplung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Kühlanlage im wesentliche;; aus einem Wärmetauscher 1, einem Radiallaufrad mit einer Deckscheibe 3, Schaufeln 4 und einem Laufradboden 5 sowie einer Einlaufdüse 2. Die Deckscheibe 3 ist mit einem großen Radius versehen, um das Anliegen der Strömung an dieser Stelle zu begünstigen.

Der Laufradboden 5 ist mit einer Antriebswelle 7 verbunden, die beispielsweise die Kurbel- oder Wasserpumpenwelle oder die Welle einer besonderen Lagerung einer Brennkraftmaschine 8 sein kann.

An der Stelle 6 d. h. dem Luftspalt zwischen Einlaufdüse 2 und Laufrad 12 entsteht ein Spaltluftstrom, welcher das Anlegen der Strömung an die Rundung der Deckscheibe 3 begünstigt. Der Luftspalt sollte wegen der Vibrationen der Brennkraftmaschine und aus fertigungstechnischen Gründen etwa 5 bis 7 mm betragen. Um einen Ausgleich zu erzielen, ist es zweckmäßig, die Einlaufdüse 2 an der Brennkraftmaschine 8 mit Hilfe von Streben 10 zu befestigen und ferner zwischen Düse 2 und Kühlerzarge 9 eine elastische Verbindung 11 vorzusehen.

Aus F i g. 2 ist die Form der vorzugsweise zu verwendenden rückwärtsgekrümmten Schaufeln 4 ersichtlich.

Bei der beschriebenen Form der Einlaufdüse 2 legt sich der Spaltluftstrom aufgrund des bekannten Coanda-Effektes an die Rundung der Deckscheibe 3 an und führt der Hauptströmung durch den Wärmetauscher 1 soviel Energie zu, daß eine zu starke Abbremsung der Grenzschicht an der Deckscheibenabrundung vermieden und eine Ablösung der Hauptströmung verhindert wird. Durch diesen Effekt wird eine erhebliche Verzögerung der umgelenkten Strömung ermöglicht. Es erfolgt noch eine ablösungsfreie Verzögerung, wenn der Schaufeleintrittsquerschnitt Fi das 2,3fache des engsten Düsenquerschnittes Fo ist, wobei F] = D\ ■ b\ · -τ mit b\ = Schaufelbreite und Di = Schaufeleintrittsdurchmesser. Mit der starken Verzögerung ist eine niedrige Austrittsgeschwindigkeit und ein hoher statischer Druckanteil verbunden, wie es für einen geräuscharmen Betrieb wünschenswert ist.

Die Austrittsgeschwindigkeit kann noch weiter verringert werden, wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Durchmesser des Laufradbodens 5 und der Deckscheibe 3 größer als der Schaufelaustrittsdurchmesser Dj ausgeführt wird. Dadurch ergibt sich ein rotierender Diffusor, der wegen der Abschleuderung der Grenzschicht mit einem hohen Wirkungsgrad dynamischen ii statischen Druck umsetzt, so daß auch durch diesi Maßnahme die statische Druckziffer erhöht wird. Durcl den zusätzlichen Druckgewinn kann die Umfangsge schwindigkeit noch weiter reduziert oder ein größere Druckverlust überwunden werden. Zusätzlich wird de statische Wirkungsgrad durch den rotierenden Diffuse! verbessert.

Da die volle Kühlleistung nicht ständig benötigt wird

ίο werden moderne Kühlanlagen mit regelbaren Lüften ausgerüstet, wobei insbesondere thermostatisch ge steuerte Flüssigkeitsreibungskupplungen verwende werden. Eine derartige Kombination eines Radiallüfter: mit einer Flüssigkeitsreibungskupplung in in Fig.' dargestellt. Um die Belastung der Kupplungslagei niedrig zu halten, sollte die Kupplung 13 möglichst wei in das Laufrad 12 hineinragen, damit der Schwerpunk des Lüfters dicht am Lager liegt. Aus strömungstechni sehen Gründen sind jedoch gewisse Grenzen gesetzt, d; durch die Kupplung 13 die Strömung im Saugraum unc damit die Anströmung der Schaufeln 4 gestört wird Durch die stabilisierende Wirkung des Spaltstromes is die beschriebene Lüfterbauart aber relativ unempfind lieh gegen derartige Störungen. Es hat sich gezeigt, dat Störkörper bis zu der in Fig.4 eingezeichneter Grenzlinie Lc \ in den Saugraum eingebracht werdet dürfen, ohne daß eine nennenswerte Beeinflussung dei Luftleitung und des Geräuschverhaltens erfolgt. Urr eine günstige Lagerbelastung bei gleichzeitig geringfü gige Beeinflussung der Lüfterdaten zu erzielen, sollter die äußersten Konturen 14 der Kupplung 13 in einerr gewissen Bereich liegen, welcher durch die beider Grenzlinien Lc \ und Lc 2 bestimmt ist. Ausgangspunkt der beiden Grenzlinien ist jeweils der Schnittpunkt dei Schaufeleintrittskante mit dem Laufradboden 5.

Die Grenzlinie Lc 1 schneidet die Lüfterachse ir einem Abstand a\ = 0,4 ■ D\, bezogen auf den Laufrad boden 5, während für die Grenzlinie Lc 2 dei Schnittpunkt durch a? = 0,2 · Di festgelegt ist. Dabe ist D\ der Schaufeleintrittsdurchmesser.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Geräuscharme Kühlanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus mindestens einem Kühlmittelkreislauf mit Wärmetauscher und Lüfter und ein in Luftrichtung gesehen hinter dem Wärmetauscher angeordnetes freilaufendes Radiallaufrad, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsverhältnis Fi: F₀ zwischen 135 und 23 liegt, wobei Fo der engste Querschnitt einer vor dem Laufrad (12) angeordneten Einlaufdüse (2) und Fi der Schaufeleintrittsquerschnitt des Laufrades (12) ist, und daß eine in eine Laufraddeckscheibe (3) hineinragende Einlaufdüse (2) sich von dem engsten Querschnitt Fo aus in Strömungsrichtung gesehen derart erweitert, daß sowohl der Spalt'uftstrom als auch die Hauptströmung eine n*.ch außen gerichtete Komponenie erhalten und dadurch tangential oder nahezu tangential an die Abrundung der Laufraddeckscheibe (3) herangeführt werden.

2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Laufradbodens (5) und der Deckscheibe (3) des freilaufenden Radiallüfters größer ist als der Schaufelaustrittsdurchmesser (lh) und beide Bauteile einen parallelwandigen oder nahezu parallelwandigen Radialdiffusor bilden.

3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, mit einem auf der Kurbelwelle oder auf einem anderen an einem Motorblock befestigten Lager angeordneten, freilaufenden Radiallaufrad, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufdüse (2) am Motorblock (8) mittels Streben (10) befestigt und mit einer Kühlerzarge (9) über eine elastische Manschette (U) verbunden ist.

4. Kühlanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Radiallaufrad über eine Kupplung angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die äußersten Konturen der Kupplung zwischen zwei Grenzlinien Lc \ und L_G ι liegen, wobei die Grenzlinie Lg ι der Lüfterachse in einem Abstand a 1 = 0,4 · D\, bezogen auf den Laufradboden (5) schneidet, während für die Grenzlinie Lc 2 der Schnittpunkt durch a 2 = 0,2 ■ £>i festgelegt ist, mit D\ als Schaufeleintrittsdurchmesser.

5. Kühlanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb für das Radiallaufrad in an sich bekannter Weise eine Flüssigkeitsreibungskupplung dient.