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Die Erfindung betrifft eine Schaufel für einen Lüfter von Landfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiger Lüfter ist beispielsweise aus der US-PS 19 33 947 bekannt.
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Lüfter zum Kühlen von Kraftfahrzeugmaschinen arbeiten im allgemeinen in einem Bereich niedriger Reynoldszahlen und einem weiten Bereich von Turbulenzpegeln, so daß sie eine erhebliche Grenzschichtablösung an den Saugseiten der Lüfterschaufeln aufweisen. Dies beeinträchtigt den Wirkungsgrad und damit die Fördermenge des Lüfters. Zur Verbesserung der Betriebsverhältnisse sind die unter der Bezeichnung NACA-65 bekannten Profile entwickelt worden, mit denen sich aber heutzutage erwünschte Auftrieb/Widerstand- Verhältnisse nicht erreichen lassen. Es tritt bei diesen Profilen an den Saugseiten der Schaufeln eine laminare Ablösungsblase auf, deren Länge variiert, wobei sie sich bei kleiner werdenden Reynoldszahlen und/oder sich verringerndem Turbulenzpegel des Stroms über die Saugseite erhöht. Die Ablösungsblase kann hierbei so groß werden, daß sie sich über einen großen Teil der Saugseite erstreckt, so daß die sie umströmende Luft erst sehr spät wieder zur Saugseite gelangt. Damit ist aber die gewünschte Fördermenge nicht mehr erreichbar.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaufel für einen Lüfter von Landfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die einen kleinen Strömungswiderstand und einen guten Wirkungsgrad bei großer Fördermenge gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Durch die Ausgestaltung der Schaufel nach der Erfindung wird das Bilden der laminaren Ablösungsblase an einer vorgegebenen Stelle im vorderen Bereich der Saugfläche erzwungen, so daß sich ein großer Druckanstiegsbereich ergibt. Die Unterbrechung der Wölbung der Saugseite bestimmt die Ablösung des Luftstroms, der die Ablösungsblase umströmt, und bewirkt das Wiederanströmen der Saugseite mit möglichst geringem Abstand stromabwärts der Ablösungsblase. Dadurch wird in überraschender Weise eine große Fördermenge bei geringem Strömungswiderstand erzielt, so daß sich der Wirkungsgrad der Schaufel erhöht. Die Wölbung der Saugseite kann auch so ausgebildet sein, daß die laminare Ablösungsblase an einer vorgegebenen Stelle im vorderen Bereich der Saugfläche beginnt, und die über diese strömende Luft wieder an die Saugfläche vor einem Druckanstiegsbereich geleitet wird.
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Bei der Entwicklung einer Ausführungsform einer solchen Schaufel wurde ein mathematisches Modell verwendet, bei dem eine vorgegebene Geschwindigkeits- und Druckverteilung zum Erzielen größter Fördermenge und geringsten Strömungswiderstands angewandt wurde. Dieses Modell berücksichtigt das Auftreten der Ablösungsblase und fordert die Ablösung des Stroms von der Saugfläche an einer bestimmten Stelle stromaufwärts der Ablösungsblase. An vorgegebenen Druckpunkten auf der Saugfläche wird der Druckanstieg gefordert, so daß die umströmende Luft der Saugfläche wieder zugeleitet wird und eine anschließende große Berührungsfläche zum Druckanstieg zur Verfügung steht. Das mathematische Modell wurde so ausgelegt, daß das Wiederanströmen der Luft mit kleinstem Abstand von der Ablösungsblase erfolgt, wobei turbulente Ablösung vermieden ist. Aus diesem Modell wurde dann das erforderliche Profil der Schaufel abgeleitet.
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Die Unterbrechung der gewölbten Saugfläche kann als Aussparung, als Gravierung, als Stufe, als rauhe Fläche oder, wie nach dem Kennzeichen des Anspruchs 3, als ebene Fläche ausgebildet sein.
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Bei der Ausführungsform nach Anspruch 4 bildet die ebene Fläche eine Rampe, die zur Tangente an die Wölbung der Saugseite geneigt ist und so einen guten Wirkungsgrad des Lüfters bei niedrigen Reynoldszahlen und einem weiten Bereich von Turbulenzpegeln bewirkt. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise die Ablösungsblase frühzeitig gebildet, so daß unter vorgegebenen Betriebsbedingungen ein Ausfall des Lüfters besonders sicher verhindert wird, welcher einträte, wenn die die Ablösungsblase umströmende Luft nicht wieder zur Saugfläche zurückgeleitet würde.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugsnahme auf die Zeichnungen erläutert; in diesen zeigt:
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Fig. 1 eine Stirnansicht eines mit mehreren Schaufeln nach der Erfindung ausgerüsteten Lüfters für ein Landfahrzeug,
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Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1,
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Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Schaufel bisher üblicher Bauart,
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Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Schaufel nach der Erfindung nach der Linie 4-4 in Fig. 1,
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Fig. 5 ein Foto einer Schaufel nach der Erfindung zur Verdeutlichung ihrer Umströmung,
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Fig. 6 ein Schaubild zum Vergleich der Betriebscharakteristiken einer bekannten Schaufel mit einer Schaufel nach der Erfindung,
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Fig. 7A und 7B Darstellungen zum Entwickeln des Profils einer Schaufel gemäß Fig. 4.
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Ein Lüfter 10 für Landfahrzeuge dient beispielsweise der Förderung von Kühlluft zu einem Kühler einer Fahrzeugantriebsmaschine. Er weist eine Nabe 12 auf, von der sich im wesentlichen radial mehrere Schaufeln 14 erstrecken, deren Spitzen von einer Hülle 15 umgeben sind, die einen glockenförmigen Einlaß 16 bildet.
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Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens wurden die bereits erwähnten Profile NACA-65 entwickelt, die in Fig. 3 dargestellt sind. Derartige Schaufeln entwickeln laminare Ablösungsblasen 24, deren Beginn an unterschiedlichen Stellen liegt und deren Länge ebenfalls unterschiedlich ist. Diese Blasen bewirken eine Ablösung des Luftstroms von der Saugseite, die beispielsweise an der Stelle 26 unmittelbar vor der Ablösungsblase 24 erfolgt. Die Luft strömt dann um die Ablösungsblase und gelangt stromab der Ablösungsblase wieder zur Anlage gegen die Saugseite. Bei Betrieb mit kleinen Reynoldszahlen, also bei geringer Drehzahl der Antriebsmaschine oder deren Leerlauf, erhält die Ablösungsblase 24 eine beträchtliche Länge, so daß für die wieder an die Saugseite geleitete Luft nur eine geringe Fläche zur Verfügung steht. Es tritt dann nur ein begrenzter Druckanstieg ein und damit ist eine geringere Fördermenge und ein hoher Strömungswiderstand verknüpft. Wird die Länge der Ablösungsblase so groß, daß ein Wiederanströmen der Saugseite nicht mehr erfolgen kann, so bedeutet dies einen Ausfall des Lüfters.
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Diese Nachteile treten bei einer Schaufel 30 nach der Erfindung nicht auf, die in Fig. 4 dargestellt ist. Es ist hier in der Wölbung der Saugseite 42 eine Unterbrechung 32 vorgesehen, die sich neben der Eintrittskante 34 der Schaufel quer zur Sehne erstreckt und als ebene Fläche oder Rampe mit einer scharfen vorderen Kante 36 ausgebildet ist. Die Unterbrechung 32 streckt sich von der vorderen Kante 36 stromabwärts und ist zur Tangente T an die Wölbung der Saugseite 42 um einen vorgegebenen Winkel, beispielsweise 9°, geneigt. Auf ihrer Rückseite geht die Unterbrechung 32 sanft in die Saugseite 42 über, und zwar vor dem Druckanstiegsbereich. Es kann sich hierdurch nur eine Ablösungsblase entwickeln.
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Der Beginn dieser Ablösungsblase wird durch die scharfe vordere Kante 36 der Unterbrechung 32 bestimmt, und ihr Ende befindet sich stromabwärts dieser Kante.
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Fig. 5 zeigt die Umströmung der Saugseite der Schaufel, die mit einer Schicht aus Titandioxid und Öl versehen wurde, in einem Windkanal, wobei ein Strom mit kleiner Reynoldszahl eingestellt wurde. Bei Versuchen unter niedrigem Turbulenzpegel in weitem Bereich, wurde festgestellt, daß der Beginn der Ablösungsblase stets an der gleichen Stelle lag. Ferner erfolgte das Wiederanströmen der Saugseite unmittelbar nach dem Umströmen der Ablösungsblase stromaufwärts des Druckanstiegsbereichs. Es trat damit die wirkungsvollere Arbeitsweise der Schaufel ein.
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Fig. 6 zeigt zum Vergleich eine Kurve C für eine bekannte Schaufel 22 und eine Kurve I für eine Schaufel 30 nach der Erfindung. Die Kurven erstrecken sich über einen Reynoldszahl-Bereich von 200 000 bis 100 000. Im Punkt G beginnt bei der bekannten Schaufel die Vergrößerung der Ablösungsblase, die sich schließlich bis in den Druckanstiegsbereich ausdehnt. Damit steigen die Druckverluste bis zum Punkt H an, in dem eine unzureichende Fördermenge geliefert wird und der Strömungswiderstand groß ist. Die Kurve I veranschaulicht die Vorteile der Erfindung. Diese Kurve steigt nur unbeachtlich an, da die Ausbildung der Ablösungsblase gesteuert ist, so daß die Druckverluste klein bleiben und damit eine ausreichende Fördermenge bei geringem Strömungswiderstand geliefert wird.
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Die Entwicklung eines Schaufelprofils wird anhand der Fig. 7A und 7B erläutert. Fig. 7A stellt das mathematische Modell der Schaufeloberfläche dar mit einer Geschwindigkeitsverteilung, die höchste Fördermenge und geringsten Strömungswiderstand liefert. Im Punkt A der Saugseitenkurve S erfolgt die Ablösung möglichst nahe dem Beginn der Saugseite. Der Abschnitt A-B stellt den Beginn der Ablösung bis zum Druckanstiegsbereich dar. Die Kurve B-D (Austrittskante der Schaufel) stellt die Geschwindigkeitskurve zum Druckanstieg mit kürzestem Abstand dar. Die Druckseitenkurve P vom Ausgangspunkt O zum Punkt D&min; der Austrittskante der Druckseite wurde zum Bilden einer günstigen Profilform unter Berücksichtigung der Schaufelstärke und der Stärke der Austrittskante ausgelegt. Auch diese Seite steuert die Umströmung der Schaufel wie die Saugseite, um eine große Fördermenge und kleinen Strömungswiderstand zu erhalten. Wird die Kurve P entgegen dem Uhrzeigersinn um 90° gedreht, so stellt die Fläche zwischen den Kurven S und P die erzielte Fördermenge dar. Unter Verwendung der Oberflächen-Koordinaten des mathematischen Modells wird das Profil der Schaufel gemäß Fig. 7B abgeleitet, das anschließend durch die ebene Unterbrechung 32 ergänzt wird, um die Schaufel gemäß Fig. 4 zu erhalten. Die Lage der Unterbrechung wird durch die Geschwindigkeitsverteilung der Koordinaten des mathematischen Modells und deren Beginn durch den Punkt höchster Geschwindigkeit bestimmt.