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Die Erfindung betrifft ein Axialgebläse im Kühlwassersystem
einer wassergekühlten
Brennkraftmaschine, und ein Kühlsystem.
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GB-15 72 767 A1 zeigt ein Gebläse, dessen Flügelquerschnitte
Krümmungen
aufweisen, die im Bereich des Fußteils nur allmählich ansteigen
und sich im Bereich zwischen einem Mittelteil und dem freien Endteil ändern. Die Änderung
der Krümmungsverhältnisse
tritt bereits auf dem außenliegenden Fünftel der
Länge eines
Flügels
ein. Die Änderung der
Krümmungsverhältnisse
der Flügelquerschnittsbögen tritt
dagegen auf vier Fünftel
der Gesamtlänge auf.
Daraus ergibt sich, dass das Krümmungsverhältnis auf
dem außenliegenden
Fünftel
der Gesamtlänge
schneller als auf den innenliegenden vier Fünfteln ändert.
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DE-OS
16 28 333 zeigt ein Gebläse, dessen Flügelquerschnitte
Krümmungsverhältnisse
aufweisen, die im Bereich zwischen Mittel- und Fußteil weniger
stark ansteigen als im Bereich zwischen Mittelteil und freiem Endteil.
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Es besteht heute ein großer Bedarf
an Hochleistungskraftfahrzeugen. Diese Fahrzeuge verwenden für gewöhnlich eine
Brennkraftmaschine mit größerem Hubraum
und größerer Leistung.
In diesem Fall wird ein qualitativ hochwertiges Kühlsystem
mit hoher Kühlleistung
benötigt.
Der Motor muss daher ein Kühlgebläse mit hoher
Leistung haben. Zur Erzielung der hohen Kühlleistung wird eine hohe Gebläsedrehzahl
verwendet und muss das Gebläse
während einer
längeren
Zeit arbeiten, was die Sparsamkeit des Motors beim Kraftstoffverbrauch
verringert und den Motorlärm
vergrößert. Im
Gegensatz hierzu wird von vielen nationalen oder regionalen Regierungen, wie
CAFE, eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs gefordert, wobei
vom Standpunkt der Umgebung aus auch verringerter Lärm gefordert
wird. Somit besteht ein hoher Bedarf an einem Gebläse mit einer
verbesserten Konstruktion, das in der Lage ist, ohne Verringerung
der Kühlleistung
den Lärm
zu verringern.
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Die geprüfte japanische Patent-Veröffentlichung
Nr. 63-13040 gibt ein in einer Verkleidung untergebrachtes Kühlgebläse an, das
mit einem Flügel versehen
ist, dessen Endteil eine Ebene mit vergrößertem Steigungswinkel gegenüber demjenigen
des verbleibenden Teils des Flügels
bildet. Dies bewirkt eine Verringerung der Stärke eines Luftwirbels, der an
dem Flügelende
erzeugt wird, das der Innenfläche der
Verkleidung mit einem kleinen Abstand dazwischen zugewandt ist.
Bei der Verringerung des Betriebslärms und auch bei der Erhöhung der
Kühlleistung
wird eine derartige Verringerung der Stärke des Wirbels angestrebt.
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Jedoch hat der Erfinder im Versuch
gezeigt, dass zusätzlich
zu einem Wirbel am Flügelende
am Fußteil
eines Flügels
ein Staubereich mit sehr geringer Geschwindigkeit erzeugt wird,
was die Gebläseleistung
ebenfalls verringert.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist die
Schaffung eines Gebläses
mit verbesserter Konstruktion, das die Leistung steigern und den
Betriebslärm
verringern kann, sowie ein Kühlsystem
mit einem derartigen Gebläse.
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Diese Aufgabe wird durch ein Axialgebläse gemäß dem Anspruch
1 bzw. durch ein Kühlsystem gemäß dem Anspruch
8 gelöst.
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Bei dem vorliegenden Axialgebläse sind mehrere
radiale in Umfangsrichtung verteilte Flügel vorgesehen, die mit einer
Umfangswand der Nabe verbunden sind, wobei jeder Flügel einen
mit der Nabe verbundenen Fußteil
und einen freien Endteil aufweist. Jeder Flügel weist quer zu seiner Längserstreckung
einen bogenförmigen
Querschnitt auf, und ist in radialer Richtung unterteilt in einen
von der Nabe entfernten ersten Bereich und einen in der Nähe der Nabe
gelegenen zweiten Bereich. Da der bogenförmige Querschnitt des Flügels so
ausgestaltet ist, dass der Wert des Krümmungsverhältnisses im ersten Bereich
vom freien Endteil an mit einer im Wesentlichen konstanten, geringen
Rate zunimmt, während
dieser im zweiten Bereich des Fußteils mit einer Rate zunimmt,
die progressiv und stärker
als im ersten Bereich steigt, kann dieses Axialgebläse bei verringertem
Betriebslärm
eine erhöhte
Leistung abgeben.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Anordnung eines Gebläses
nach der Erfindung in einem Motorraum für ein Kraftfahrzeug;
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2 eine
schematische Seitenansicht eines Gebläses mit der Darstellung eines
beim Stand der Technik auftretenden Problems;
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3 eine
teilweise Vorderansicht eines Gebläseflügels nach der Erfindung;
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4 einen
Querschnitt IV-IV in 3 des Flügels am
Mittelteil längs
der radialen Erstreckung des Flügels;
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5 einen
Windvektor, der gebildetet ist durch die Drehung des Gebläses und
den durch die Bewegung des Fahrzeugs verursachten Luftstrom;
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6 eine
Beziehung zwischen einer relativen radialen Stellung und einem Wert
des Krümmungsverhältnisses;
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7 einen
Querschnitt VII-VII in 3 des Flügels am
Fußteil
längs der
radialen Erstreckung des Flügels;
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8 einen
Querschnitt VIII-VIII in 3 des
Flügels
am freien Endteil längs
der radialen Erstreckung des Flügels;
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9 eine
Beziehung zwischen dem Krümmungsverhältnis am
Fußteil
und dem Gebläsewirkungsgrad;
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10 Beziehungen
zwischen dem Krümmungsverhältnis und
dem Hubfaktor und zwischen dem Krümmungsverhältnis und einem Verhältnis von Widerstandsfektor
zu Hubfaktor;
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11 Beziehungen
zwischen der Luftblasmenge und dem Gebläsewirkungsgrad, zwischen der Luftblasmenge
und der statischen Druckdifferenz und zwischen der Luftmenge und
dem Lärm
bei einem Vergleich zwischen dem Stand der Technik und der Erfindung.
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Im folgenden wird ein durch die Erfindung
zu lösendes
Problem an Hand von 2 beschrieben, wo
Luftströme
F in einer Verkleidung 100 durch die Drehung eines darin
angeordneten Gebläses
erzeugt werden. In einem Bereich, in dem ein Flügel 101 des Gebläses der
Verkleidung 100 zugewandt ist, erzeugen die Luftströme einen
Wirbel V. Die japanische geprüfte
Patent-Veröffentlichung
No.63-13040 bezweckt eine Verringerung des Auftretens eines derartigen
Wirbels am äußeren Ende
eines Flügels.
Zusätzlich
zu einem solchen Wirbel hat der Erfinder gefunden, daß der Luftstrom
einen Staubereich S an einem Fußteil
erzeugt, wo der Flügel 101 mit
einer Nabe 102 des Gebläses
verbunden ist. Ein solcher Wirbel V und ein solcher Staubereich
S bewirken, daß sich
die Richtung der Hauptströme
F der Luft mehr als ursprünglich
ausgelegt verändern,
was den Wirkungsgrad verringert. Die Konstruktion nach dem Stand
der Technik ist deshalb nachteilig, weil der Gesamtbereich des Flügels nicht
wirksam ausgenutzt wird. Es verringert nämlich die Erzeugung des Staubereichs
den Wirkungsgrad und erhöht
den Betriebslärm.
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Im folgenden wird an Hand einer Ausführungsform
eine Konstruktion der vorliegenden Erfindung erläutert, die die oben angegebene
Schwierigkeit beim Stand der Technik überwinden kann. 1 zeigt schematisch einen
Motorrraum 10 eines Kraftfahrzeugs, in dem ein Motorgehäuse 11 einer
Brennkraftmaschine angeordnet ist. Vor dem Motorgehäuse 11 ist
ein Gebläse 12 mit
einer Nabe 14 angeordnet, die mit einem Elektromotor 16 verbunden
ist, der der Nabe 14 eine Drehbewegung erteilt. Das Gehäuse des
Elektromotors 16 ist durch (nicht gezeigte) geeignete Glieder
mit dem Motorraum 10 fest verbunden. Mit der Nabe 14 sind
mehrere am Umfang verteilte radiale Flügel 18 fest verbunden.
Die Flügel 18 sind
zusammen mit der Nabe 14 aus Kunststoff geformt. Das Gebläse 12 ist
in einer im wesentlichen rohrförmigen
Verkleidung 20 untergebracht, deren hinteres Ende zum Motorgehäuse 11 und
deren vorderes Ende zu einem Kühler 22 offen
sind, der (nicht gezeigte) Kanäle
für eine
Motorkühlflüssigkeit
aufweist. Die Motorkühlflüssigkeit
wird von einem (nicht gezeigten) Wassermantel im Motorgehäuse 11 aufgenommen
und zum Wassermantel zurückgeleitet. Die
Verkleidung 20 des Gebläses
dient zum wirksamen Führen
eines durch die Drehbewegung des Gebläses 12 erzeugten Luftstroms
durch den Kühler 22. Wenn
das Fahrzeug mit einer Klimaanlage für einen (nicht gezeigten) Fahrgastraum
versehen ist, befindet sich vor dem Kühler 22 ein Kondensator 24,
der bekanntlich in einer Umlaufleitung für ein Kühlmittel zum Kühlen der
Luft und zum Klimatisieren des Fahrgastraums des Fahrzeugs angeordnet
ist. Das Fahrzeug hat an seinem Vorderteil einen dem Kondensator 24 zugewandten Kühlergrill 26 zum
Einführen
der Außenluft
in den Motorraum 10. Unterhalb des Kühlergrills 26 ist
eine Stoßstange 28 angeordnet.
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3 ist
eine Vorderansicht des Gebläses mit
Blick auf eine der Schaufeln 18, die sich von der Nabe 14 aus
radial erstrecken. Gemäß 3 ist jede der Schaufeln 18 als
langgestreckte Platte mit einem gewünschten Profil ausgelegt mit
einer Achse 29 für die
radiale Erstreckung, mit einem Fußteil 18–1,
der in der Nähe
der Nabe 14 eine verhältnismäßig geringe
Breite hat, und mit einem freien Endteil 18–2,
der entfernt von der Nabe 14 eine verhältnismäßig größere Breite hat. Gemäß 4 erstreckt sich die Schaufel 18 senkrecht
zu einer Achse 30 für
die Drehbewegung der Nabe 14 und ist gegenüber dieser
Achse 30 geneigt. Gemäß 4 ist die Schaufel 18 bogenförmig im
Querschnitt quer zur Achse 29 der radialen Erstreckung.
Der bogenförmige
Querschnitt ist an der dem Kühler
zugewandten einen Seite konvex und an der dem Motor zugewandten
anderen Seite konkav. In 4 ist
ein Winkel a ein Angriffswinkel. Dieser ist der Winkel einer Sehnenlinie 34 der Bogenform
der Schaufel 18 gegenüber
der Richtung des Winds W, der gemäß 5 ein Vektor ist, der gebildet wird durch
eine Strömungsgeschwindigkeitskomponente
VROT in der durch die Drehung des Gebläses erzeugten
senkrechten Linie 36 und einer durch die Bewegung des Fahrzeugs
erzeugten Luftstromgeschwindigkeitskomponente VLUFT.
Ein Winkel b ist ein Steigungswinkel, der ein Winkel zwischen der
Sehnenlinie 34 der Bogenform und der zur Achse 30 der
Gebläsedrehung
quer verlaufenden senkrechten Linie 36 ist. Im bogenförmigen Querschnitt
gemäß 4 ist die Breite, d. h.
die Länge
der Sehne der Bogenform, mit "1" bezeichnet, während der Grad
der Krümmung,
d. h. der Abstand zwischen der Sehne und dem Scheitel der Bogenform,
mit "h" bezeichnet ist.
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Ferner ist das Krümmungsverhältnis definiert als ein Verhältnis α der Krümmungshöhe h zur
Sehnenlänge 1,
d. h.
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Ferner ist eine relative radiale
Position des Flügels
längs der
Achse
29 definiert durch ein Verhältnis ß eines Abstands r vom Fußteil zu
dieser Position zu einem Abstand R vom Fußteil zum freien Ende, d. h.
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6 zeigt
verschiedene Beziehungen A, B, C, D und E gemäß der Erfindung zwischen dem
Wert der relativen radialen Psition ß und dem Wert des Krümmungsverhältnisses α. Eine Kurve
G zeigt eine ähnliche
Beziehung beim Stand der Technik. Wie aus 6 leicht ersichtlich ist, hat erfindungsgemäß ein Wert
für das
Krümmungsverhältnis α einen ersten Abschnitt
vom freien Endteil 18–2 (ß = 1) bis
zum Mittelteil, wo eine Zunahme des Werts des Krümmungsverhältnisses α sehr gering ist, d. h. die
Zunahmerate des Werts des Krümmungsverhältnisses α ist im wesentlichen
unverändert,
und einen zweiten Abschnitt vom Mittelbereich bis zum vorderen Endteil 18–1 (ß = 0),
wo die Zunahme des Werts des Krümmungsverhältnisses α steil erfolgt,
d. h. die Zunahmerate des Krümmungsverhältnisses α nimmt bei
Annäherung zum
Fußteil
zu. Im einzelnen nimmt vom Mittelteil bis zum Fußteil 18–1 (ß = 0) in
der Kurve A der Wert des Krümmungsverhältnisses α auf 14 %
zu, nimmt in der Kurve B der Wert des Krümmungsverhältnisses α auf 12 % zu, nimmt in der Kurve
C der Wert des Krümmungsverhältnisses α auf 10 %
zu, nimmt in der Kurve D der Wert des Krümmungsverhältnisses α auf 8 % zu und nimmt in der
Kurve E der Wert des Krümmungsverhältnisses α auf 6 %
zu. Im Gegensatz hierzu ist beim Stand der Technik gemäß der Kurve
G der Grad der Zunahme des Werts des Krümmungsverhältnisses α im wesentlichen konstant, d.
h. es liegt nur eine schwache Zunahme des Werts des Krümmungsverhältnisses
vom freien Endteil 18–2 (ß = 0) bis
zum Fußteil 18–1 (ß = 0) vor.
Der Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil beträgt nämlich 4%.
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7 ist
der 4 ähnlich,
zeigt jedoch die Querschnittsform des Flügels am Fußteil 18–1,
wo die Länge
der Sehne lR und die Krümmungshöhe hR betragen.
Jedoch ergibt sich ein großer
Wert für
das Krümmungsverhältnis hR/lR, da die Länge lR einen verhältnismäßig kleinen Wert hat, während die
Höhe hR einen verhältnismäßig großen Wert hat. 8 zeigt die Querschnittsform des Flügels am
freien Endteil 18–2,
wo die Länge
der Sehne lF und die Krümungshöhe hF sind.
Hierdurch ergibt sich ein kleiner Wert für das Krümmungsverhältnis hF/lF, da die Länge lF einen
verhältnismäßig großen Wert
hat, während
die Höhe
hF einen verhältnismäßig kleinen Wert hat.
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9 zeigt
eine Beziehung zwischen den Formen und den Werten des Gebläsewirkungsgrads. Wenn
im Vergleich mit dem Stand der Technik der Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) 4
% beträgt,
kann, wie leicht ersichtlich ist, ein vergrößerter Wert des Gebläsewirkungsgrad
gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielt werden. Nämlich
zwischen den Formen E (der Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) beträgt 6 %), D (der Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) beträgt 8 %),
C (der Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) beträgt 10 %)
und B (der Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) beträgt 12 %),
wobei je größer der
Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) ist,
um so größer der
Wert des Gebläsewirkungsgrad η.
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Wenn jedoch, wie auch aus 9 ersichtlich ist, der Wert
des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) 12
% übersteigt,
wie im Fall des Beispiels A (der Wert des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) beträgt 14 %), beginnt der Wert
des Gebläsewirkungsgrad η abzufallen.
Ein derartiger Abfall des Gebläsewirkungsgrads
im Bereich eines großen Werts
des Krümmungsverhältnisses α wird dadurch ver ursacht,
daß die
durch die Drehung der Gebläseflügel erzeugten
Ströme
von einer einen Unterdruck erzeugenden Fläche des Flügels getrennt werden können, wodurch
das Verhältnis ∊ zwischen
einem Widerstandskraftfaktor CD und einem
Hubkraftfaktor CL verringert wird. In 10 ist nämlich eine Kurve m eine Beziehung
zwischen dem Krümmungsverhältnis α und einem
Verhältnis ∊ der
Widerstandskraft zur Hubkraft. Wie aus 5 leicht ersichtlich ist, verursacht
ein Wert des Krümmungsverhältnisses α von mehr
als 12 % eine schnelle Zunahme des Verhältnisses ∊, was den
Flügelwirkungsgrad
bedeutend verringert. Somit ist aus dem Obigem klar, daß der Wert
des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil (ß = 0) 12
% beträgt,
was das mehr als 4-fache des Werts (2,7 %) des Krümmungsverhältnisses α am Fußteil beim
Stand der Technik ist.
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In 10 ist
eine Kurve n eine Beziehung zwischen dem Krümmungsverhältnis α und dem Hubfaktor CL. Die Beziehungen
n und m in 6 sind gegeben,
wenn der Angriffswinkel a 10° beträgt.
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Wie aus dem Obigen ersichtlich ist,
kann die Unterteilung des Flügels 18 in
den ersten Abschnitt vom freien Endteil bis zum Mittelteil mit einem
im wesentlichen nicht zunehmenden Wert α für das Krümmungsverhältnis und in den zweiten Abschnitt
vom Mittelteil bis zum Fußteil 18–1 mit
einem stark zunehmenden Wert für
das Krümmungsverhältnis α den Gesamtbereich
des Flügels 18 wirksam
ausnutzen und kann den Staubereich mit geringer Luftgeschwindigkeit
verringern, der sonst in dem dem Fußteil 18–1 nahegelegenen
Bereich erzeugt wird.
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Ferner sei darauf hingewiesen, daß ein kleiner
Wert für
das Krümmungsverhältnis α vom Mittelteil
bis zum freien Endteil nach der Erfindung zur Erzielung gewünschter
Strömungsbedingungen
zu bevorzugen ist. Es befindet sich nämlich der Mittelteil des Flügels im
Abstand von der Nabe 14 und auch von der Verkleidung 20,
was die Geschwindigkeit des Luftstroms verringern kann und die Erzielung
des erforderlichen Strömungszustands
gestattet trotz eines verhältnismäßig kleinen
Gesamtdrucks am Mittelteil des Flügels dank einer geringen Umfangsgeschwindigkeit
des Flügels
an diesem Teil. Am freien Endteil des Flügels ist die Umfangsgeschwindigkeit
des Flügels
hoch, wodurch der Gesamtdruck vergrößert wird, was zur Erzielung
der gewünschten
Strömungsbedingungen
für die
den Flügel
passierende Luft wirkungsvoll ist.
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In 11 sind
Kurven H und J Beziehunen zwischen der Luftstrommenge Va (x102 m3/h) und dem Gebläsewirkungsgrad η (%). Die
Kurve H entspricht der Erfindung, wenn der Wert des maximalen Krümmungsverhältnisses α am Fußteil 12
% beträgt, während die
Kurve J dem Stand der Technik entspricht, wenn der Wert des Krümmungsverhältnisses am
Fußteil
4 % beträgt,
und ist auf dem gesamten Teil des Flügels im wesentlichen unverändert. Bezüglich der
Beziehung zwischen der Luftstrommenge Va und dem Lärmniveau
(dB-A), entspricht die Kurve K der Erfindung, während die Kurve L dem Stand
der Technik entspricht. Schließlich
werden die Beziehungen zwischen der Luftstrommenge Va und der statischen
Druckdifferenz ΔP
betrachtet. Wie ohne weiteres ersichtlich und in 11 gezeigt ist, können auf einem weiteren Blasbereich
ein vergrößerter Gebläsewirkungsgrad η und ein
verringerter Lärm
erzielt werden.
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Erfindungsgemäß wird das Krümmungsverhältnis am
Fußteil
zu 12 % gewählt.
Es kann aber auch ein gewählter
Wert des Krümrnungsverhältnisses
im Bereich von 8–12
% angewendet werden, um den Gebläsewirkungsgrad
zu vergrößern und
den Betriebslärm
zu verringern. Es ist auch vorteilhaft, daß das Verhältnis des Werts des Krümmungsverhältnisses
am Fußteil
zum Wert des Krümmungsverhältnisses
am freien Endteil im Bereich von 3–5 liegt.
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Bei der darstellten Ausführungsform
setzt sich eine schnelle Zunahme des Krümmungsverhältnisses vom Mittelteil bis
zum freien Endteil des Flügels
fort. Jedoch kann eine schnelle Zunahme des Krümmungsverhältnisses vom Mittelteil aus
an einem Punkt beendet werden, bevor der Fußteil erreicht ist.
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Dieser maximale Wert für das Krümmungsverhältnis wird
hinauf bis zum freien Endteil beibehalten.
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Die Erfindung ist nicht auf die in
der Zeichnung dargestellte spezielle Flügelart beschränkt. Das Konzept
der Erfindung kann nämlich
für viele
Flügelarten
verwendet werden einschließlich
solcher Flügel,
wie einem in der Drehrichtung geneigten, nach vorn fortschreitenden
Flügel,
einem in der entgegenesetzten Richtung geneigten, nach hinten fortschreitenden
Flügel,
einem in der Richtung der einströmenden
Luft geneigten, nach vorn geneigten Flügel und einem in der entgegengesetzten
Richtung geneigten, nach hinten geneigten Flügel. Das Konzept der Erfindung
kann ferner auch bei einem Gebläse
mit Ringen an seinem Außenumfang
angewendet werden.
