DE2619318C2 - Laufrad für einen Axialventilator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Axialventilator, insbesondere zur Kühlung des Motors eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens zwei Schaufeln, an deren Oberfläche Grenzschichtzäunc vorgesehen sind, deren Abstand voneinander an den Vorderkanten größer als an den Hinterkanten ist.

Es ist ein Diagonalverdichter dieser Bauart bekannt so (DE-PS 8 33 100). Durch die dort vorhandenen, etwa in Strömungsrichtung verlaufenden Grenzschichtzäune soll das radiale Abwandern der Grenzschicht bei hohen Drehzahlen verhindert werden. Würden die Grenzschichtzäune derart angeordnet werden, daß eine Radialströmung erzwungen wird, dann wäre diese gegen die Innenwand des Gehäuses gerichtet und würde den Wirkungsgrad des Verdichters reduzieren. Bauartbedingt weisen die Vorderkanten der Grenzschichtzäune bezogen auf die Drehrichtung der Schaufel einen kleineren Abstand zur Laufradachse auf als die Hinterkanten.

Es ist ferner ein Axialventilator bekannt geworden (US-PS 20 10 094), bei dem Schaufeln vorgesehen sind, deren Oberfläche Grenzschichtzäune bzw. Hilfsflügel M aufweisen, die zueinander parallel angeordnet sind. Durch die Krümmung der Hilfsflügel wird zur Verbesserung der Luftumwälzung der geförderten Luft eine Radialkomponente erteilt. Bei Anordnung dieses Ventilators vor einem größeren Widerstand, wie dem Motor eines Kraftfahrzeugs, wird durch stark zunehmende aerodynamische Verluste die Kühlleistung beträchtlich herabgesetzt

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Laufrad für einen Axialventilator zu schaffen, das geringeren Lärm verursacht, zu einer Verringerung der aerodynamischen Verluste führt und insgesamt einen höheren Wirkungsgrad gegenüber den bekannten Laufrädem aufweist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorderkanten der Grenzschichtzäune, bezogen auf die Drehrichtung der Schaufel, einen kleineren Abstand zur Laufradachse aufweisen als die Hinterkanten der GrenzschichUäune, und daß der Auslaßwinkel an den Hinterkanten der Grenzschichtzäune gegenüber der Umfangsrichtung 15° bis 60° beträgt und größer ist als der Einlaßwinkel an den Vorderkanten der Grenzschichtzäune.

Es hat sich herausgestellt, daß ein solches Laufrad zu einem Axialventilator führt, dessen Lärm und die auftretenden aerodynamischen Verluste stark vermindert sind und der einen erheblich erhöhten Wirkungsgrad insofern aufweist als eine Ablösung und Turbulenz der Luftströme an den Schaufeln unterbunden wird.

Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich dadurch erzielen, daß die Grenzschichtzäune gegsnüber der Senkrechten auf der Oberfläche der Schaufel um einen vorgegebenen Winkel radial nach außen geneigt sind. Dies begünstigt die Blaswirkung des Ventilators in zentrifugaler Richtung. Dies läßt sich noch dadurch unterstützen, daß man diesen Winkel allmählich bzw. fortschreitend von der Vorderkante bis zur Hinterkante zunehmen läßt

Vorteilhaft sind zumindest die äußeren Grenzschichtzäune jeweils entlang einer Linie angeordnet, die aus miteinander verbundenen, geraden Linienabschnitten unterschiedlicher Neigung besteht die eine nach unten gerichtete Auswölbung aufweist oder die wenigstens zwei nicht verbundene, gerade od<--r gebogene Abschnitte besitzt.

Im folgenden wird zunächst anhand der F i g. 1 bis 3 der Zeichnung ein bekannter Axialventilator dargestellt, während anschließend die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in dei Zeichnung näher erläutert wird.

Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung des Kühlsystems für den Motor eines Kraftfahrzeugs mit einem bekannten Axialventilator;

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen Flügel des bekannten Axialventilators und die Luftströme, welche an der Oberfläche des bekannten Flügels entlang strömen;

Fig. 3 eine Darstellung der Stromlinien angestauter Luft und der von einem bekannten Ventilator erzeugten Luftströmung bei einem Kühlsystem für den Motor eines Kraftfahrzeuges;

Fig.4 bis 7 Darstellungen einer ersten Ausführungsform;

Fig.8 bis 15 Darstellungen einer zweiten bis fünften Ausfijhrungsform;

Fig. 16 und 17 charakteristische Kurvenzüge zum Vergleich der Leistungsfähigkeit des Axialventilators nach der ersten Ausführungsform (bei der Anwendung als Kühlsystem für einen Motor) mit dem bekannten Axialventilator;

Fig. 18(A) bis !8(C) Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der HilfsflQge! bei der ersten bis fünften Ausführungsform;

Fig. 19 bis 25 Darstellungen einer sechsten Ausführungsform; ä

Fig.26 bis 28 Darstellungen der fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialventilators für Vergleichszwecke;

Fig.29 und 30 charakteristische Kurvenzüge zum Vergleich der Leistungsfähigkeit des Axial ventilators ι ο nach der sechsten Ausführungsform (bei der Anwendung als Kühlsystem für einen Motor) mit dem bekannten Axialventilator;

Fig. 31 bis 34 Darstellungen einer siebten bis zehnten Ausführungsform; is

F i g. 35(A) bis 35(F) Darstellungen der verschiedenen Ausführungsformen der Hilfsflügel bei der sechsten bis zehnten Ausführungsform.

Bei der in den Fig.4 bis 7 dargestellten ersten Ausfühirdngsform des erfindungsgemäßen Axialventilators sind an der Ansaugoberfläche 18£>der Schaufel 18 des Laufrads 410 Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 39, 391 vorgesehen, weiche relativ zu der Flügeloberfläche senkrecht vorstehen bzw. herausragen. Ke Grenzschichtzäune 39, 391 weisen eine vorgegebene Breite (ungefähr 8 bis 20 mm), länge und Dicke auf. Sie erstrecken sich im wesentlichen in Breitenrichtung der Schaufel 18 in Richtung der Luftströme MA, 11B, die entlang der Oberfläche der Schaufel 18 strömen, solange der Ventilator 410 in Richtung des Pfeils 10 rotiert, d.h. diese Grenzschichtzäune erstrecken sich, beginnend an einem Abschnitt der Vorderkante MA, bis zu einem Abschnitt der Hinterkante 18S radial nach außen, wobei die Grenzschichtzäune in vorgegebenem Abstand in radialer Richtung vorgesehen sind.

Sie sind längs der Ansaug- (das ist die konvexe) Oberfläche 18Dder Schaufel nach oben gekrümmt, d. h. sie weisen eine im wesentlichen konkave Form auf.

Längs der Grenzschichtzäune 39,391 werden auf der Ansaugoberfläche 18£>der Schaufel Luftströme erzeugt und infolge dieser Luftströme tritt eine Ablösung oder Turbulenz r*er Luft nicht oder lediglich in der Nähe der Hinterkante 18S der Schaufel ein, so daß der größte Teil der Ansaugoberfläche zu der Blaswirkung beitragen kann. Da der Auslaßwinkel β (F i g. 5) der Grenzschichtzäune 39,391 größer ist als der Einlaßwinkel «, werden die Luftströme 201 stark nach außen in abgeschrägter radialer flichtung der Schaufel 18 getrieben. Im Ergebnis wird dabei zu der Blaswirkung des Axialventilators eine Zentrifugalwirkung hinzugefügt, so daß die dadurch angetriebenen Luftströme wirksam in einer Richtung von den Hindernissen auf der Ausstoßseite des Ventilators, wie etwa einem Motor und dergl, hinwegsuvjmen, während oin Teil der Luftströme auf die innere periphere Oberfläche der Umkleidung 13 (Fig. 1) auftrifft und anschließend auf die Ausstoßseite des Ventilators zuströmt

Dies verhindert eine umgekehrte Strömung der Luftströme, d. h. von der Ausstoßseite auf die Ansaugseite des Ventilators zu, durch den Zwischenraum 5 zwischen dem Ventilator und der Umkleidung 13 hindurch.

Im vorliegenden Fall beträgt der EinlaGwinkel «1 an der Vorderkante 39/1 des äußeren Grenzschichtzauns 39, der von dem Drehmittelpunkt des Ventilators 410 t>5 weiter entfernt ist, ungefähr 0 bis 15¹⁵, während der Auslaßwinkel ß\ .in der Hinterkante 395 des Grenzschichü-.auns ungefähr 15 bis 60° beträgt. Ein Einstcllwinkel θ| des Grenzschichtzauns 39 auf der Oberfläche der Schaufel 18 beträgt ungefähr 5 bis 30°. Hierbei wird unter Einlaßwinkel tx\ der Neigungswinkel an der Vorderkante 39Λ des Grenzschichtzauns 39 mit der Rotationarichtung des Laufrads 410, und unter dem Auslaßwinkel ß\ der Neigungswinkel an der Hinterkante 39ß mit der Rotationsrichtung des Laufrads 410 verstanden. Weiterhin wird als Einstellwinkel θι der Neigungswinkel von einer Linie, welche die Vorderkante 39Λ mit der Hinterkante 39ßdes Grenzschichtzauns verbindet, mit der Rotationsrichtung des Laufrads 410 definiert.

Wie mit den Fig.4 und 5 dargestellt ist, ist der Absiand Xzwischen der Vorderkante 39/4 des äußeren Grenzschichtzauns 39 und der Vorderkante 391Λ des inneren Grenzschichtzauns 391 (der dem Drehmittelpunkt des Laufrads 410 näherkommt) größer, als der Abstand Y zwischen den Hinterkanten 39ß und 391B derselben. Mit anderen Worten ausgedrückt, der Einstellwinkel θ₂, der Einlaßwinkel «2 und der Auslaßwinkel ßz des Grenzschichtzauns 391 sind jeweils größer als der Einsiellwinkel θι, der Einlp^winkel on und der Auslaßwinkel ßi des Grenzschichtzaun 39.

Nachfolgend vird die Arbeitsweise und die Wirkungsweise des Axialventilators mit den Grenzschichtzäunen 39, 391 erläutert, der zum Kühlen des Motors eines Kraftfahrzeugs (vgl. F i g. 7) eingesetzt wird.

Wenn der Axialventilator in Richtung des Pfeils 10 rotiert, dann werden auf der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 entlang den Grenzschichtzäunen 39,391 die Luftströme 20£erzeugt.

Da der Einstellwinkel Θ2, der Einlaßwinkel 1x2 und der Auslaßwinkel ßi am Grenzschichtzaun 391 jeweils größer sind als am Grenzschichtzaun 39, werden Luftströme erzeugt, die stark in zentrifugaler Richtung angetrieben werden, wobei diese Ströme entlang der unteren Oberfläche des Grenzschichtzauns 39 geführt und anschließend an der Hinterkante der Schaufel 18 ausgestoßen werden. Durch den Grenzschichtzaun 391 tritt ebenfalls eine Blaswirkung ein.

Mit den F i g. 8 und 9 ist die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform sind ähnlich zu der ersten Ausführungsform senkrecht hervorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 49,491 vorgesehen, jedoch auf der Druckoberfläche ISC der Schaufel 18 dss Laufrads 411. Wie bei der ersten Ausführungsform betragen bezüglich des radial weiter außen liegenden Grenzschichtzauns der Einstellwinkel Θ3 (nicht dargestellt) ungefähr 5 bis 30°, der Einlaßwinkel O3 ungefähr 0 bis 15° und der Auslaßwinkel JS₃ ungefähr 15 bis 60° und mit Bezug auf den radial weiter innen liegenden Grenzschichtzaun 491 sind der Einstellwinkel Θ4 (nicht dargestellt), der Einlaßwinkel O4 und der Auslaßwmkel /?4 jeweils größer als jene Winkel am Grenzschichtzaun 49. «Vie mit F i g. 8 dargestellt ist nämlich der Abstand λ'2 zwischen den Vorderkanten 49A 491X der Grenzschichtzäune 49, 491 größer als der Abstand Yi zwischen den Hinterkanten 49B, 491B der Grenzschichtzäune 49,491.

Wenn das Laufrad 411 in Richtung des Pfeils 10 rotiert, dann werden an der Druckoberfläche 18C der Schaufel 18 entlang den Grenzschichtzäunen 49,491 die Luftströme 20£ erzeugt. Weiterhin werden mit diesen Ausführungsformen genauso wie bei der ersten Ausführungsform, da der Einstellwinkel Θ4, der Einlaßwinkel ix* und der /.fslaßwinkel ß* am Grenzschichtzaun 491 jeweils größer ist als die entsprechenden Winkel am

Grenzschicht/.aun 49, stark in /entriftigaler Richtung angetriebene l.uftströmc erzeugt, die entlang der unteren Oberfläche des Grenzschichtzauns 49 geführt und anschließend an der Hinterkante der Schaufel 18 ausgestoßen werden und dabei stark angetriebene, zentrifugale Luftströme großer Geschwindigkeit bilden.

In den Fig. 10 und 11 ist die dritte Ausführunjisforni dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind an der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel (8 des Laufrads 412 senkrecht vorstehende Hilfsfliigel oder Grenzsehicht-7äune 39, 391 und an der Druckoberfläche 18C dieser Schaufel 18 Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 49,491 vorgesehen. Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform betragen bezüglich der radial weiter außen liegenden Gren/.schichtzäunc 39, 49 der Einstellwinkel Θ5 (nicht dargestellt) ungefähr 5 bis 30". der Einlaßwinkel .Hi ungefähr 0 bis 15° und der Auslaßwinkel /?--, ungefähr 15 bis 60", und bezüglich der radial weiter innen liegenden Grenzschichtzäune 391, 491 sind der rir.stcüwinkc! O₀, der Einlaßwinke! ->_f. und Hpr AmI₁₁R-winkel ,96 jeweils größer als die entsprechenden Winkel an den Grenzschichtzäunen 39, 49. Wie mit Fig. 10 dargestellt, ist nämlich der Abstand X) zwischen den Vorderkanten 39Λ39Μ {49A,WtA)dcr Gren/.schichtzäune 39, 391 (49, 491) größer als der Abstand >Ί zwischen den Hinterkanten 39ß, 391 ö (49Ä 491 B) der Grenzschichtzäune 39,391 (49,491).

Wenn das Laufrad 412 in Richtung des Pfeils 10 rotiert, dann werden wie bei der ersten Ausfühningsform an der Ansaugoberfläche 18D entlang den Grenzschichtzäunen 39, 391 die Luftströme 20/ erzeugt und, wie bei der zweiten Ausführungsform, an der Druckoberfiäche 18C entlang den Grenzschicntzäunen 49, 491 die Luftströme 2OE erzeugt. Daraus folgt, daß mit dieser Ausführungsform die kombinierten Wirkungen der ersten und zweiten Ausführungsform erzielt werden.

Mit den Fig. 12 und 13 ist die vierte Ausführungsform dargestellt. Hier sind senkrecht vorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 392,393 an der Ansaugoberfläche 18D und senkrecht vorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 492, 493 an der Druckoberfläche 18C der Schaufel 18 des Laufrads 413 vorgesehen, genauso wie bei der dritten Ausführung, jedoch ist die Länge dieser Grenzschichtzäune verkürzt im Vergleich zu der Länge jedes Grenzschichtzauns bei der dritten Ausführungsform. Jeder Grenzschichtzaun ist nämlich nur an der Hinterkantenseite 18ß auf jeder Flügeloberfläche vorgesehen. Auch hier ist der Abstand zwischen den Vorderkanten 392A 393,4 (492,4, 493/ψ größer als der Abstand zwischen den Hinterkanten 392S, 393 S (4925,493S^. wie bei der dritten Ausführungsform.

Mit den Fig. Hund 15 ist die fünfte Ausführungsform dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform sind senkrecht vorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 394, 395 an der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 des Laufrads 414 vorgesehen. Im Unterschied zu den vorausgegangenen Ausführungsformen ist die Breite (Höhe) des Grenzschichtzauns 394 (395) an der Vorderkante 394Λ (395Λ; klein im Vergleich zu dessen Breite (Höhe) an der Hinterkante 394ß (395 Bjt Gewöhnlich trägt die Hinterkantenseite der Oberfläche der Grenzschichtzäune mehr zu der Blaswirkung bei als deren Vorderkantenseite; die Ablösung und Turbulenz von Luftströmen treten leichter an diesem Teil ein; und die Geräusche beruhen teilweise auf der Drehung der Schaufel in der Luft und die von der Vorderkante des Grenzschicht-/auns er/.etigtcn Turbulenzen derselben. Deshalb kann bei dieser Ausfühiungsform. bei der die Breite des Grcn/.schicht/auns an der Vorderkante bis auf nahezu 0 vermindert ist und diese Breite allmählich bis zur Hinterkante ansteigt, das Geräusch weitet vermindert werden, ohne den Wirkungsgrad des Ventilators zu beeinträchtigen. Weiterhin kann mit dieser Ausbildung der Grcii/.schichtzäune im Bereich der Vorderkante vermieden werden, daß die Grenzschichtzäune über die

in Länge der Schaufel in deren Breitenrichturig und in der Richtung parallel zur Ventilatorachse vorstehen bzw. herausragen.

Die Grenzschichtzäune mit dieser Konfiguration können ebenfalls auf der Druckseite 18Cder Schaufel

r> vorgesehen sein.

Versuchsergebnisse

Das Laufrad 410 entsprechend der er>ten Ausfüh-

.¹O rungsform wurde in ein Kühlsystem für einen Motor eingesetzt und hierbei unter den gleichen Bedingungen (gleicher Außendurchmesser und gleiche Schaufelanzahl) mit dem bekannten Axialventilator verglichen, der keine Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune aufwies. Der

λ*, Außendurchmesscr des erfindungsgemäßen Ventilators betrug 360 mm und die Anzahl der Schaufeln 6. Auf der Ansaugoberfläche jeder Schaufel waren zwei Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune vorgesehen. Hierbei wird der radial -veiter außen gelegene Grenzschichtzaun 39

to einen Hinstellwinkel θι von 12' und einen Auslaßwinkel ß\ von 25" auf, während für den radial weiter innen liegenden Grenzschichtzaun 39' der Einslellwinkel Θ} 23° und der Auslaüwinkel ß₂ 50° betrug. In Rotationsrichtung der Schaufel gesehen betrug «:1er Abstand

ü zwischen entsprechenden Abschnitten der Vorderkante der Grenzschichtzäune 48 mm und der Abstand zwischen entsprechenden Abschnitten der Hinterkante 30 mm.

Mit den Fig. 16 und 17 sind charakteristische

in Kurvenzüge für die beiden Axialventilaloren dargestellt. Der Axialventilator bzw. das Laufrad 410 entsprechend der ersten Ausführungsform ist dem bekannten Axialventilator darin überlegen, daß er eine um 40% erhöhte Luftströmung und emen um 20% größeren Wirkungsgrad aufweist, wobei der Geräuschpegel und die umgekehrte Strömung stark vermindert sind.

Bei den oben erläuterten ersten bis fünften Ausführungsformen ist die Form der Grenzschichtzäune nicht

so auf eine im wesentlichen konkave Konfiguration beschränkt, soweit die Grenzschichtzäune in der Weise ausgebildet sind, daß der Abstand zwischen den Vorderkanten der inneren und äußeren Grenzschichtzäune größer ist als der Abstand der Hinterkanten, und soweit der Auslaßwinkel bei jedem Grenzschichtzaun größer ist als der Einlaßwinkel; es kann eine gekrümmte Form mit einer nach unten, d. h. auf die Laufradachse zu gerichteten Auswölbung vorliegen, die jedoch aus abgeknickten Linien (vgl. Fig. 18(A)), einer gekrümmten und einer unterbrochenen Linie (vgl. Fig. 18(B)) und aus unterbrochenen Linien (vgl. Fig. 18(C)) bestehen kann.

Wie anhand der ersten bis fünften Ausführungsform erläutert wurde, ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Hilfsflügeln bzw. Grenzschichtzäunen an deren Vorderkanten größer als deren Hinterkanten, und der EinlaSwinke! und der AuslaßwinRel des inneren Grenzschichtzauns ist größer als die entsprechenden

Winkel beim änderen Grenzschichtzaun, so daß der Luftstrom durch den inneren Grenzschichtzaun aus einem inneren Abschnitt der Schaufel mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit zu einem äußeren Abschnitt mit hoher Umfangsgeschwindigkeit geführt wird, wodurch eine stärkere radiale Strömung mit großer Geschwindigkeit entlang des Grenzschichtzauns erzeugt werden kann. Der innere Abschnitt der Schaufel trägt h^;er wirksam zur Riaswirkung bei.

Dementsprechend kann mit einem Axialventilator in den beschriebenen Formen eine stärkere Luftströmung erzeugt und die Bla:wirkung besonders gesteigert, sowie das Ventilatorgeräusch und die umgekehrte Strömung besonders wirksam vermindert werden.

Mit den Γ ig. 19 bis 25 isi die sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axinlventihitors dargestellt.

Eine Vielzahl von I lilfsflügeln oder Grenz.schichtzäunen 59, 591 sind über die Ansaugoberfläche 18D der Schauld 18 des Laufrads 415 vorstehend angeordnet. Die Grenzschichtzaun^- 59, 591 weisen eine vorgesehene Breite (ungefähr 8 bis 20 mm), Länge und Dicke auf. Die Grcnzschichizäune 59 und 591 erstrecken sich im wesentlichen in Breitenrichtung der Schaufel und in Richtung der l.uftströme WA. Wß. welche entlang der Oberfläche der Schaufel strömen, wenn das Laufrad 415 in Richtung des Pfeils 10 rotiert; d.h. diese Grenzschichtzäune erstrecken sich radial nach außen, beginnend an einem Abschnitt der Vorderkante MA bis zu einem Abschnitt an der Hinterkante I8B. wobei deren Breite allmählich bzw. fortschreitend ansteigt. Weiterhin erstrecken sich die Grenzschichtzäune 59, 591 Konkav entlang der Ansaug- (das ist die kon'-e\e) Oberfläche 18Dder Schaufel, und die Grenzschichi/.äune 59, 591 sind zur gleichen Zeit selbst nach oben gekrümmt, d. h. sie weisen eine im wesentlichen konkave Form auf.

In diesem Falle beträgt der Einlaßtinkcl \i an der Vorderkante 59/4 des Grenzschichtzauns 59. der weiter vom Drehmittelpunkt des Laufrads 415 entfernt ist. ungefähr 0 bis 15", während der Auslaßwinkel ß\ an der Hinterkante 59ßdes Grenzschichtzauns ungefähr 10 bis 60° betragt. Der Einstellwinkel θι des Grenzschichtzauns 59 an der Oberfläche der Schaufel 18 beträgt ungefähr 5 bis 30°.

Der Grenzschichtzaun 591 ist näher an dem Drehmittelpunkt des Laufrads angeordnet als der Grenzschichtzaun 59. Wie in F i g. 19 und 20 dargestellt ist. ist der Abstand X zwischen der Vorderkante 594 des Grenzschichtzauns 59 und der Vorderkante 591-4 des Grenzschichtzauns 591 größer als der Abstand Y zwischen den Hinterkanten 59 B und 591B der Grenzschichtzäune 59 und 591. Mit anderen Worten: der Einstellwinkel Θ2, der Einlaßwinkel Λ2 und der Auslaßwinkel ßi des Grenzschichtzauns 591 sind jeweils größer als der Einstellwinkel θι, der Einlaßwinkel «1 und der Auslaßwinkel ßt des Grenzschichtzauns 59. Wie mit den Fig. 19 bis 25 dargestellt, sind die auf der Ansaugoberfläche 18D der Schaufel 18 ausgebildeten Grenzschichtzäune über ihre gesamte Länge bezüglich der Laufradachse radial nach außen geneigt, so daß vorgegebene spitze Winkel zwischen dem Grenzschichtzaun und der Oberfläche gebildet werden, wobei diese spitzen Winkel in einem Bereich liegen, der zwischen einer Senkrechten auf die Oberfläche und einer Parallelen zu der Oberfläche liegt Insbesondere, wie mit den F i g. 24 und 25 dargestellt, steigt der Winkel >■ des Grenzschichtzauns 59 (591), der zwischen der

Senkrechten V auf der Ansaugoberfläche 18D der Schaufel und der verlängerten Achse W des Grenzschichtzauns gebildet wird, fortschreitend vom Winkel )'i bis zum Winkel γι an, wenn entsprechend von der Vorderkante 59,4 (59M,¹ zur Hinterkante 59S (591 B) fortgeschritten wird. (Der Grenzschichtzaun 591 ist nicht abgebildet.) In diesem Fall kann der Winkel >ί gegenüber der Senkrechten an der Vorderkante 59/A bzw. 59M ungefähr 0 bis 10' betragen, während der Winkel )·; an der Hinterkante 59S bzw. 591B ungefähr 15 bis 45" betragen kann.

Nachfolgend werden die Arbeitsweise und die Wirkungen des Laufrads 415 mit den Grenzschichtzäunen 59, 591 nach dieser Ausfülirungsform beschrieben, wenn dieser als Kühlsystem für den Motor eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird (vgl. F i g. 22). Wenn der mit F i g. 22 dargestellte Axialventilator mit dem Laufrad 415 in Richtung des Pfeils 10 (vgl. Fig. 19 und 20) rotiert, dann werden mittels der Grenzschichtzäune 59 und 591 auf der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 die l.uftströme 20/ erzeugt. Die Luftströme 20/ werden stark beschleunigt und in zentrifugaler Richtung längs den vorstehenden Grenzschichtzäunen 59 und 591 geführt, welche um die oben erläuterten Neigungswinkel geneigt sind. Insbesondere diejenigen Luftströme. die von dem Grenzschichtzaun 591 in zentrifugaler Richtung beschleunigt werden; sammeln sich entlang der unteren Oberfläche 59Cdes Grenzschichtzauns 59 (d. h. der Obci fläche an der Seite des Drehmittelpunkts des Laufrads), nachdem sie die Ansaugoberfläche 18D der Schaufel 18 überquert haben. Anschließend werden die l.uftströme so abgelenkt, daß sie glatt und wirksam entlang der unteren Oberfläche 59Cdes Grenzschichtzauns 59 strömen und werden stark in zentrifugaler Richtung von einem Abschnitt der hinteren Kante 18Ö der Schaufel 18 beschleunigt. |e größer die Strömungsgeschwindigkeit und der Durchsatz der Luft in zentrifugaler Richtung sind, um so wirksamer können die in zentrifugaler Richtung beschleunigten Luftströme den obengenannten Zwischenraum S innerhalb des Motorraums eines Kraftfahrzeugs versperren, wodurch eine umgekehrte Strömung der Luft von der Ausstoßseite zu der Ansaugseite des Ventilators wirksam unterbunden wird. Ferner werden die Luftströme auch höchst wirksam in zentrifugaler Richtung abgegeben, die weniger Strömungswiderstand bietet, insbesondere in den Motorraum, wo sehr viele Zubehörteile des Motors vorgesehen sind, so daß der Luftstrom oder der Anteil der Luftströme, die durch den Kühler 9. den Kondenskühler 8 u. dgl. strömt, erhöht werden kann, was mit einer Verbesserung der Kühlleistung verbunden ist. Zusätzlich ventilieren die genannten, in zentrifugaler Richtung geförderten Luftströme den Motorraum 2. wodurch die dort herrschende Wärme abgeführt wird, so daß der Motorraum von der Einwirkung von Wärme bei hohen Temperaturen bewahrt wird. Darüber hinaus werden mit diesem Laufrad 415 zentrifugale Luftströme in demjenigen Bereich der Ansaugoberfläche 18D der Schaufel erzeugt, der unterhalb des Grenzschichtzauns 591 liegt, d. h. auf der Seite des Drehmittelpunkts des Laufrads, und jene zentrifugalen Luftströme können wirkungsvoll entlang der unteren Oberfläche des Grenzschichtzauns 591 geführt werden, wodurch sich eine Arbeitsweise und eine Wirkung ähnlich derjenigen des Grenzschichtzauns 59 ergeben.

Wie oben ausgeführt, kann beim Laufrad 415 eine Zunahme der Luftströmung durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden, wobei ein

Anteil der zentrifugalen l.;ifts;römc von dem I (inter kantcit.ibschniit IS/i der Schaufel IK abgegeben wird. Damit die erzeugten /ciKrifugalen Luftströme auch wirkungsvoll strömen können, sind die Grcnzschichtzäune 59 und 591 bei dieser Ausfiihrungsfonn in der Weise geneigt, daß die entliing den Grenzschichtzäunen 54 und 59ί stromenden I irtslröine an einem abrupten Wechsel in de/ Strömurigsrichtung der Luftströmung gehindert und davor bewahrt werden, auf dem Grenzschichtzaun aufzuprallen, so daß diese Luftströme glatt strömen können und die Strömungsgeschwindigkeit und der Anteil der zentrifugalen Luftströme erhöht werden kann. Dadurch wird der Anteil an Kühlluft erhöht und die Kühlleistung kann verbessert werden.

Nachfolgend wird in bezug auf ihre jeweiligen Arbeitsweisen und Wirkungen ein Vergleich zwischen dem Laufrad 414 nach der fünften Aiisfiihrtmgsforni mit dem Laufrad 415 der letiiibeschriebenen Ausfiihrungsform durchgeführt.

Wenn die Latifräder in Richtung des Pfeils 10 in

IVUlrttlWII WUIUCII till Ulli

entsprechenden Oberflächen der Grenzschichtzäune 394,395 und der Grenzschichtzäunc 59,591, wie mit den Fig. 26 und 19 dargestellt, Liiftströme erzeugt, deren Strömungsgeschwindigkeitüverteilung ein sogenanntes Geschwindigkeitsdreieck bildet. Betrachtet man die Geschwindigkeitsdreiecke an den Hinterkantenabschnitten 18ßder Schaufel der Laufräder 414 und 415. so werden dort infolge der Rotation der Schaufeln die Umfangs-Geschwindigkeiten V'i und V und an den oberen (oder radial äußeren) Oberflächen der Grenzschichtzäune 394 und 395 und der Grenzschichtzäune 59, 591 die relativen Geschwindigkeiten W₁ und W beobachtet, so daß dort die resultierenden absoluten Geschwindigkeiten Cu und Gi erhalten werden. In dieser Beziehung sind die absoluten Geschwindigkeiten solche der zentrifugalen Luftströme, welche von den Grenzschichtzäunen 394, ?95 und den Grenzschichtzäunen 59, 591 verursacht wurden. Darüber hinaus wirken die Geschwindigkeiten G* und G₃ senkrecht auf die Oberflächen der Grenzschchtzäune 394, 395 und 59, 591 ein.

Bei dem mit den F i g. 26 bis 28 dargestellten Laufrad 414 sind die Grenzschchtzäune 394, 395 auf der Oberfläche der Schaufel vertikal vorstehend ausgebildet, so daß die Geschwindigkeit d auf die Oberfläche der Schaufel 18 fast parallel einw irkt (d. h. nicht in einer Richtung, bei der die Luft gegen die Oberfläche der Schaufel gepreßt wird).

In diesem Fall und bei relativ kleinem Steigungswinkel (Jj) der Schaufel 18 wird nur geringe oder keine Ablösung der Lufistrome an dem Hinterkantenabschnitt 18ß auftreten. Wenn jedoch zur Steigerung der Luftströmung der Steigungswinkel @ erhöht wird, dann wird an jenem Abschnitt der Schaufel leicht eine Ablösung der Luftströrne auftreten. Deshalb (vgl. Fi g. 27 und 28) sind in diesem Fall die Einwirkungsbereiche der absoluten Geschwindigkeit G* lediglich die Spitzenbereiche der Grenzschichtzäune 394, 395 oder die Abschnitte der Grenzuchichtzäune 394,395 die nahe an den Vorderkantenabschnitten 394A 395/4 angeordnet sind. Dadurch wird der Wirkungsbereich der absoluten Geschwindigkeit Ga außerordentlich klein, oder die absolute Geschwindigkeit Gt wird selbst vermindert, so daß der Anteil an zentrifugalen Luftströmen reduziert wird.

Auch wenn die Einstellwinkel Θ; und 02 der Grenzschichtzäune 394,395 relativ klein sind., ergibt sich dort lediglich ein«' kleine oder keim: Ablösung der l.uf'ströme an Ίι:η Hinuvk;intcr,absclinitteri 394ß. 595P (insbesondere enthing deren 'jntercn Oberflächen), während dann, wenn die I instell·.', inkci θι und β.> zur ί Erhöhung der Luftströmung vergrößert werden, dun ir. beträchtlichem Ausmaß fine Ablösung der Liiftströme auftritt, und suuiil können nicht viele /eninhiiiaV. Liiftströme erwarte werden. Wenn die Grenzschichtzäune relativ kleine Einstellwinkel β_;. Θ2 aufweisen, trif^rt

'■■ die auf die vertikale Oberflüche des Grenzschichtzauns 395 unter einem rechten Winkel einwirkende absolute Geschwindigkeit Cu auf den dort benachbarten Grenzschichtzaun 394 auf (vgl. F i g. 27). so dali eine Ablenkung der Richtung der absoluten Geschwindigkeit

ι ί erzwungen wird, was wiederum aerodynamische Verluste und einen hohen Geräuschpegel verursacht, als Folge des Aufprallens Her Luft und des Luftwirbelgeräusches. Dementsprechend können mit dem Laufrad '^!4 im Vergleich mit dem Laufrad 415 keine bemerkenswer-

.?ii ten Verbesserungen erwartet werden.

Beirr; L nüfrad 415 der Fi" 1" "ind die Grcr./schicht zäune 59, 591 um einen vorgegebenen Winkel relativ vu der Oberfläche der Schaufel 18 geneigt, trotzdem weisen die Liiftströme ein ähnliches Geschwindiekeits-

:> dreieck auf wie beim Laufrad 414. D? jedoch die absolute Geschwindigkeit Gi auf die geneigten Obcrflä chen der Grenzschichtzäune 59, 591 senkrecht einwirkt, wie mit Fig. 19 dargestellt, werden die Luftströme in einer Richtung angetrieben, die nicht parallel, sondern

ι» geneigt zu der Oberfläche der Schaufel 18 verläuft. Die absolute Geschwindigkeit Gj kann in eine senkrecht zur Oberfläche der Schaufel 18 verlaufende Geschwindigkeitskomponente / lind eine dazu parallel verlaufende Geschwindigkeitskomponente // aufgeteilt werden

!■1 (Fig. 21). Die senkrechte Geschwindigkeitskomponente / wirkt in der Richtung von den Oberkanten der Grenzschichtzäune 59, 591 auf die Oberfläche der Schaufel 18 zu, d. h. in der entgegengesetzten Richtung, zu jener Richtung, in der die Liiftströme von der

an Oberfläche der Schaufel 18 abgelöst werden. Dementsprechend trägt die senkrechte Geschwindigkeitskomponente /stark dazu bei. die Ablösung der Luftströme in den Hinterabschnitten 59Ö. 591B der Gre'zschichtzäunc 59,591 /u verhindern. Andererseits kann die parallele

■>■> Geschwindigkeitskomponente H als übereinstimmend mit der absoluten Geschwindigkeitskomponente Gj beim Axialventilator nach Fig. 27 angesehen werden, so daß die parallele Geschwindigkeitskomponente H zentrifugale Luftströme liefert. Das Laufrad 415 nach

w dieser Ausführungsform verursacht nur eine geringfügige oder gar keine Ablösung der Luftströme von den Hinterkantenabschnitten 59S. 591B der Grenzschichtzäune 59, 591, so daß sich dort recht große zentrifugale Luftströme ergeben, woraus höchst günstige Vorteile für solch einen Ventilator resultieren, da dort ein großer Druckwiderstand zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Ventilators herrscht, etwa wie bei einem Kühlervemilator in einem Kraftfahrzeug. Sogar wenn die parallele Geschwindigkeitskomponente H des Grenzschichtzauns 591 auf den dazu benachbarten Grenzschichtzaun 59 trifft, wie mit Fig.21 dargestellt, können die Luftströme glatt entlang der radial inneren (unteren) Oberfläche 59C des Grenzschichtzauns 59 geführt werden, da der Grenzschichtzaun 59 um den vorgegebenen Neigungswinkel geneigt ist Aus diesen Gründen ist bei dem Laufrad 415 nach dieser Ausführungsform der Geräuschpegel, der durch das Luftwirbelgeräusch bei der Ablösung von Luft und

ιΐιιτ'ι Schwingungen und das Aufprallen der Lufisliöme verursacht wird, wirksam reduziert.

Vcrsuuhscreebiiisse

Das l.uufrad 415 nach dieser Ausführiingsfotin wurde in einem Kuhlsystem für einen Motor eingesetzt und unter den gleichen Bedingungen (gleicher Laulrad.iußcndurchmesser und gleiche Schaufelanzahl) mit einem bekannten Axialvcntilator verglichen, der keine Grenz-.schichtzäune aufwies. Der AuBendurchmesscr des Laufrads betrug 360 mm und die Anzahl der Schaufeln 6. An jeder Schaufel waren zwei Hilfsflügc! bzw. Grcnzschichtzäunc angebracht. Für den äußeren Grenzschichtzaun 59 betrug der Einstellwinkel <j\ 12". der Auslaßwinke! ßi 25° und die Winkel yi 0° und y> 25 ; entsprechend betrugen für den inneren Grenzschichtzaun der Einsteilwinkel Θ2 23°. der Auslaßwinkel ß; 50 und die Winkel γ\ 0" und )'2 25\ In Rotationsrichtung der Schaufel gesehen betrug der Abstand zwischen den Vurdcrkantenabschnitten der Grenzschichtzäune 48 πιπί und der Abstand der Hinterkantenabschnitte JO mm.

Mit den Fig. 29 und 30 sind charakteristische Kurvenzüge für die beiden Laufräder dargestellt. Das Laufrad 415 nach dieser Ausführungsform ist dem bekannten Axialventilator bzw. Laufrad darin überlegen, daß die Luftströmung um 35 bis 40% vergrößert, der Wirkungsgrad um 15 bis 25% erhöhl, der Geräuschpegel um 1 dB(A) vermindert und die Rückströmung merklich reduziert ist.

Nach der siebten Ausführur,_fcsform (vgl. F i g. 31) sind geneigte Grenzschichtzäune 59, 591 auf der Ansaugoberfläche (wie bei der sechsten Ausführungsform) und geneigte Grenzschichtzäune 69, 691 an der Druckoberfläche der Schaufel des Laufrads 417 vorgesehen, um die Blaswirkungen und Antriebswirkungen des Ventilators in zentrifugaler Richtung zu verstärken, so daß der Axialventilator zusätzlich zu der Blaswirkung der Schaufel in axialer Richtung den Vorteil einer Blaswirkung in zentrifugaler Richtung aufweist.

Nach der achten Ausführungsform (vgl. F i g. 32) sind zwei Grenzschichtzäune 59, 591 mit ungleichem Abstand und radial nach außen geneigt auf der Ansaugoberfläche 18D der Schaufel des Laufrads 421 angebracht, und drei Grenzschichtzäune 29 sind senkrecht auf der Druckoberfläche 18Cdes Laufrads bei jeweils gleichem Abstand zwischen den Grenzschichtzäunen vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform resultieren aus den geneigten Grenzschichtzäunen 59, 591 mit ungleichem Abstand ähnliche Vorteile wie bei der sechsten Ausführungsform, wobei zusätzlich durch die senkrechten Grenzschichtzäune 29 mit jeweils gleichem Abstand die Blaswirkung in zentrifugaler Richtung auf der Druckoberfläche der Schaufel verstärkt werden kann, so daß eine kombinierte Wirkung der oben erläuterten Blaswirkung und der von der Schaufel 18 hervorgerufenen axialen Blaswirkung rjcn Wirkuifisgracl des Laufrads noch weiter verbessert; die Rückströmung durch den Zwischenraum /wischen der Schaufel und der Umkleidung kann unterbunden werden; der Wirkungsgrad und die Luftströmung des Ventilators können verbessert werden; und die Ausbildung von Wirbclstömungen auf und eine ALIosung der Luftströme von entsprechender. Oberflächen der Gren/schichtzäune 59, 591, 29 und der Schaufel 18 kann verhindert werden, im Ergebnis resultier: daraus eine wirksame Ausnutzung der entsprechenden Oberflächen 18ß und I8C der Schaufel und eine Absenkung des Geräuschpegels.

Nach der neunten Ausführurigsform (fig. ii) sind senkrecht vorstehende Grenzschichtzäune 39, 391 auf der Ansaugoberfläche 18(~der Schaufel 18 des Laufrads 423 mit einem ungleichen Abstand vorgesehen, wahrend drei geneigte Grenzschichtzäune 293 an der Druckoberfläche 18Cder Schaufel 18 mit jeweils gleichem Abstand angebracht sind.

Nach der zehnten Austuhrungslorm (vgl. K ig. 34) sind drei geneigte Grenzschichtzäune 193 an der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 des Laufrads 424 mit jeweils gleichem Abstand und senkrecht vorstehende Grenzschichtzäiine 49, 491 auf der Druckoberfläche 18C der Schaufel mit einem ungleichen Abstand vorgesehen, so daß die mit F i g. 34 dargestellte Ausführungsform ähnliche Vorteile wie jene mit F i g. 33 dargestellte Ausführungsform aufweist.

Bei der erläuterten sechsten bis zehnten Ausführungsform kann die Querschnittsform der Grenzschichtzäune eine Kombination aus einer Geraden und einer Kurve sein (vgl. F i g. 35 A, B). die Grenzschichtzäune können gekrümmt (vgl. F i g. 35 C. D) oder abgeknickt sein (vgl. F i g. 35 E, F), sofern sie hervorstehend auf der Oberfläche der Schaufel im wesentlichen in der Breitenrichtung derselben vorgesehen sind, und in einem Winkelbereich geneigt sind, der von der parallelen, radial nach außen gerichreten Richtung bis zu der Richtung senkrecht zur Oberfläche der Schaufel reicht.

Bei der sechsten bis zehnten Ausführungsform weist die Schaufel einen großen Steigungswinkel auf. um eine große Luftströmung zu erzeugen. Die auf der Oberfläche der Schaufel vorgesehenen Hilfsflügel bzw. Grenzschichtzäune sind um einen vorgegebnen Winkel radial nach außen geneigt, und die an der Hinterkante der Oberfläche der Schaufel auftretende Ablösung und Turbulenz der Luftströme sind wirksam beseitigt durch die radiale Strömung, welche eine gegen die Oberfläche der Schaufel drückende Geschwindigkeitskomponente aufweist; deshalb -:ann eine anteilsmäßig größere Luftströmung erzeugt werden und der Blaswirkungsgrad ist erhöht. Darüber hinaus sind das Ventilatorgeräusch und die Rückströmung besonders wirksam vermindert.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Laufrad für einen Axialventilator, insbesondere zur Kühlung des Motors eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens zwei Schaufeln, an deren Oberfläche Grenzschichtzäune vorgesehen sind, deren Abstand voneinander an den Vorderkanten größer als an den Hinterkanten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten (A) der Grenzschichtzäune ι ο (193; 394, 395; 49, 491; 492, 493; 59, 591; 61, 691) bezogen auf die Drehrichtung der Schaufel (18; 410; 411; 412; 413; 414; 415; 417; 421; 423; 424) einen kleineren Abstand zur Laufradachse (0) aufweisen als die Hinterkanten (B) der Grenzschichtzäune, und daß der Auslaßwinkel (ß) an den Hinterkanten der Grenzschichtzäune gegenüber der Umfangsrichtung 15° bis 60" beträgt und größer ist als der Einlaßwinkel (α) an den Vorderkanten der Grenzschichtzäune.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßuli Grenzschichtzäune (59, 591) gegenüber der Senkrechten (V) auf der Oberfläche (18C MD) der Schaufel (18) um einen vorgegebenen Winkel (γ) radial nach außen geneigt sind (F i g. 24).

3. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die äußeren Grenzschichtzäune jeweils entlang einer Linie mit zur Laufradachse (0) hin gerichteter Auswölbung angeordnet sind, die auf wenigstens zwei miteinander verbundenen oder getrennten oder gebogenen Linienabschnitten unterschiedlicher Neigung (Fig. 18A¹. is 18C) besteht.

4. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (γ) des Grenzschichtzauns (59) gegenüber der Senkrechten (V) auf der Oberfläche (leu; der Schaufel (18) jllmählich von der Vorderkante (18/1, yi) bis zur Hinterkante (18Ö, γι) zunimmt (F i g. 24 -25).

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