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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zentrifugal-Gebläse, wie
sie für
Heizungs-, Ventilations- und Klimaanlagen (Heating, Ventilation
and Air Conditioning – HVAC)
verwendet werden.
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Ein
grundlegendes Konstruktionsmerkmal eines Zentrifugal-Laufrads ist
der Winkel, den die Flügelhinterkante
mit einer Tangente zum Laufrad bildet. Dieser Winkel wird als Flügelhinterkantenwinkel
bezeichnet. Rückwärts gekrümmte Laufräder haben Flügelhinterkantenwinkel
unter 90 Grad, während vorwärts gekrümmte Laufräder Flügelhinterkantenwinkel über 90 Grad
aufweisen. Ein weiteres grundlegendes Konstruktionsmerkmal ist die
Flügelwölbung. Die
Flügelwölbung ist
als das Verhältnis
des senkrechten Abstands von der Mittellinie zur Flügelsehne,
also zur Länge
der Flügelsehne
selbst definiert.
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Zwei
wichtige Leistungsmerkmale eines Zentrifugal-Laufrads sind sein
dimensionsloses Strömungs-
und Druckvermögen,
d. h. das um Durchmesser und Betriebsgeschwindigkeit normalisierte Leistungsvermögen des
Laufrads. Laufräder
mit Rückwärtskrümmung laufen
typischerweise schneller oder haben einen größeren Durchmesser als ein Laufrad
mit Vorwärtskrümmung, das
beim gleichen Arbeitspunkt betrieben wird, und Laufräder mit
Rückwärtskrümmung arbeiten
typischerweise mit höheren statischen
Wirkungsgraden. Laufräder
mit Vorwärtskrümmung arbeiten
mit niedrigeren Wirkungsgraden, können beim gleichen Arbeitspunkt
jedoch entweder langsamer laufen oder einen kleineren Durchmesser aufweisen.
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Bei
Anwendungen von Zentrifugal-Gebläsen in
Klimaanlagen von Fahrzeugen kann sich das Laufrad innerhalb der
Fahrzeugkabine und in unmittelbarer Nähe zu den Insassen befinden,
so dass Geräusch-
und Vibrationskontrolle von großer
Bedeutung sind. In diesen und verschiedenen anderen Anwendungen
sollten Zentrifugal-Gebläse
nicht nur mit niedrigem Geräusch
und niedriger Vibration arbeiten, sondern sie sollten auch mit hohem
Wirkungsgrad über
eine Spannweite von Betriebsbedingungen in einer Baugruppe mit relativ
kleinem Volumen arbeiten. Zum Beispiel können in Kraftfahrzeug-HVAC-Anlagen
verschiedene Funktionen erzielt werden, indem Luftkanaldurchgänge geöffnet und
geschlossen werden, und der Strömungswiderstand
ist typischerweise unter Heizungs- und Enteisungsbedingungen am
größten und
im Airconditioning-Modus am geringsten. Die Ausgabe des Laufrads
sollte unter allen Betriebsbedingungen stark sein, wenn das überhaupt
möglich
ist, und der Laufradbetrieb sollte bei allen Arbeitspunkten ruhig
sein. Insbesondere im Hinblick auf Laufräder mit Rückwärtskrümmung können die mit hohem Widerstand
verbundenen Heizungs- und Enteisungsmodi besondere Geräuschprobleme verursachen,
was als ein Niederfrequenzgeräusch bezeichnet
werden kann.
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Yapp
offenbart in
US 4900228 nach
hinten gekrümmte
Zentrifugal-Laufradflügel
mit "S"-förmiger Wölbung. Eine
Ausführungsform
offenbart eine maximale Wölbung,
die 5 % der Flügelsehne
beträgt,
und einen Flügelaustrittswinkel
zwischen 50 und 60 Grad zur Laufradtangente.
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Nishikawa
offenbart in
US 4401410 einen Flügel des
Ventilatorrads eines Diagonalstromventilators, der Idealerweise
die Form einer verdrehten Doppelkrümmung oder einer nicht-abwickelbaren Fläche haben
soll, die aus einem Abschnitt aus einer Kombination einer zylindrischen
Platte und einer zur zylindrischen Platte tangential verlaufenden
planaren Platte oder aus einer Kombination aus einem Paar sich gegenseitig
umgrenzender zylindrischer Flächen
gebildet wird, wobei dieser Abschnitt eine abwickelbare Fläche bildet.
Zur Realisierung der Bildung eines Flügels aus der abwickelbaren
Fläche
werden Schnittlinien zwischen den kombinierten Zylinder- und Planarplatten
oder kombinierten Zylindern und einer Anzahl von koaxialen imaginären konischen Flächen, die
Stromlinien im Ventilatorrad repräsentieren, als Konstruktionsgrundlage
verwendet. Nishikawa beschreibt Ausführungsformen des Laufrads,
die einen Flügelhinterkantenwinkel über 70 Grad
aufweisen, sowie eine obere Deckbandfläche, die mit den Flügeln verbunden
ist und einen beträchtlichen
Teil der Sehnenlänge
der Flügel
abdeckt.
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Wie
aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen deutlich
wird, verbinden die von uns beschriebenen Ausführungsformen des Zentrifugal-Laufrads
Merkmale von sowohl rückwärts gekrümmten als
auch vorwärts
gekrümmten
Laufrädern,
um die Vorteile von beiden zu erzielen. Die Vorderkantengeometrie
ist dabei gleich der eines konventionellen Laufrads mit Rückwärtskrümmung, aber die
Wölbung
und die Hinterkantenwinkel sind viel höher.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Zentrifugal-Laufrad bereitgestellt, das zum Rotieren auf
einer Achse montiert ist, das Laufrad umfassend eine Vielzahl von
radial verlaufenden Flügeln,
wobei die Flügel
einen großen
Flügelhinterkantenwinkel θTE aufweisen und dieser Flügelhinterkantenwinkel
mindestens 70 Grad beträgt,
und eine mit den Laufradflügeln
verbundene obere Deckbandfläche,
die mindestens einen beträchtlichen
Teil der Sehnenlänge der
Laufradflügel
bedeckt; dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel eine starke positive Wölbung in
einer radial nach innen gerichteten Region des Flügels aufweisen,
wobei die positive Wölbung
in einer Position x einen Maximalwert aufweist, wobei x/C < 0,5 ist und der
Wert der Wölbung
bei x mindestens 7 % der Flügelsehne
beträgt.
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In
den bevorzugten Ausführungsformen
gilt: Der maximale Wölbungswert
kann 10 % oder mehr betragen. Die maximale Wölbung kann bei x/C < 0,4 auftreten.
Die obere Deckbandfläche
ist gekrümmt, d.
h. sie weist eine Krümmung
in einer Ebene auf, welche die Laufradachse enthält (die "Radialrichtung", 3) – um zur
Kontrolle der Diffusionsströmung
und zur Eliminierung des Strömungsabrisses beizutragen,
und ist mit den Laufradflügeln
verbunden und deckt mindestens einen beträchtlichen Teil der Sehnenlänge der
Laufradflügel
ab. Die Deckbandfläche
kann auch manchmal eine Einlasslippe enthalten, um dazu beizutragen,
dass die Strömung mit
relativ geringer Turbulenz in die Laufradflügel eindringt, was zur Reduzierung
der Möglichkeit
eines Strömungsabrisses
beiträgt.
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In
den bevorzugten Ausführungsformen
ist die Sehne lang, typischerweise mindestens 15 % oder sogar 20
% des Laufraddurchmessers. Außerdem
hat in den bevorzugten Ausführungsformen
das Laufrad ein zylindrisches Flächenverhältnis zwischen 1,0
und 1,5, der Flügelvorderkantenradius
beträgt mindestens
0,8 % der Flügelsehnenlänge, und
mindestens eine Laufradkomponente besteht aus Spritzgussplastik.
Der Laufraddurchmesser beträgt
zwischen 75 und 300 Millimeter, und das Verhältnis von Flügelanzahl
zum Laufraddurchmesser in Millimeter beträgt mindestens 0,15 und liegt
vorzugsweise bei mindestens 0,2.
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Die
beschriebenen Laufräder
kontrollieren nicht nur das Niederfrequenzdröhnen, sondern auch das Gesamtgeräusch und
die Vibration unter gegebenen Betriebsbedingungen. Die Flügelvorderkanten sind
an den einströmenden
Luftstrom angepasst, um die aerodynamische Last an dieser Stelle
zu begrenzen, wodurch ein sofortiger Strömungsabriss verhindert wird.
Die Flügel
sind stark gewölbt
und haben einen relativ hohen Flügelhinterkantenwinkel, was
dem Laufrad ermöglicht,
ein hohes dimensionsloses Strömungs-
und Druckvermögen
zu haben. Der Flügelhinterkantenwinkel
nähert
sich dem eines herkömmlichen
Laufrads mit Vorwärtskrümmung, aber die
Konstruktion der Nabe, die gekrümmten
Deckbandflächen
und die größere Flügelsehnenlänge ermöglichen
das Auftreten der Diffusion (die Umwandlung von kinetischer Energie
in statischen Druck). Eine hohe Flügelanzahl trägt auch
zur Kontrolle des Diffusionsprozesses bei. Die beschriebenen Laufräder sind
insbesondere geeignet für
Kraftfahrzeuganwendungen, weil sie eine Leistung erbringen können, die
der von herkömmlichen
Laufrädern
mit Rückwärtskrümmung gleicht;
das aber bei einer geringeren Betriebsgeschwindigkeit oder bei kleinerem Durchmesser.
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Weitere
Merkmale und Vorteile werden dem Fachmann auf dem Gebiet der Technik
aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
deutlich.
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Die
Zeichnungen haben folgende Bedeutung:
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1 ist
eine Querschnittzeichnung der Laufradflügel mit Darstellung der Flügelsehne,
der Mittellinie, der maximalen Wölbung
und des Flügelhinterkantenwinkels.
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1a ist
eine Nahansicht zur Darstellung des Flügelvorderkantenradius.
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2 ist
eine Querschnittzeichnung des Laufrads mit Darstellung der Flügel und
der Rotationsrichtung des Laufrads.
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3 ist
eine Querschnittzeichnung des Laufrads mit Darstellung der Formen
von Nabe und Deckband, wobei die benachbarten Flügel aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen
sind.
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4 ist
eine Perspektivdarstellung des Laufrads mit Darstellung der Form
der Flügel
und des Deckbands.
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1 ist
eine Querschnittdarstellung der Flügel gemäß der Erfindung und zeigt deren
Form. Wie bereits erwähnt
wurde, ist der Hinterkantenwinkel TE (Trailing
Edge = Hinterkante) der Winkel, den die Flügelhinterkante mit einer Tangente
zum Laufrad bildet. In den bevorzugten Ausführungsformen sind die Laufradflügel zweidimensional,
das heißt,
die Mittellinie (ML) ändert
sich nicht in der Richtung der Flügelspanne. Die Wölbung CM
(Camber = Wölbung)
ist der senkrechte Abstand zwischen der Mittellinie ML und der Flügelsehne
C (Chord = Sehne), und der Maximalwert der Wölbung (CMmax)
befindet sich in Richtung der Vorderkante an einer Position x, die
entlang der Sehne liegt und zwar nahe genug zur Vorderkante, um
einen Strömungsabriss
zu vermeiden. In 1 befindet sich CMmax an
x bei x/C = 0,32 (wobei C die gesamte Sehne ist). Auf jeden Fall
beträgt
die angestrebte Beziehung x/C < ungefähr 0,4 oder
0,5.
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Die
Flügelvorderkanten
sind an den einströmenden
Luftstrom angepasst, um die aerodynamische Last an dieser Stelle
zu begrenzen, wodurch ein sofortiger Strömungsabriss verhindert wird.
Die maximale Flügelwölbung liegt
vorzugsweise zwischen 10 und 35 % der Flügelsehne (0,10C < CMmax > 0,35C), dieser Bereich
kann jedoch auf 0,07C < CMmax > 0,35 CF
erweitert werden. Der Strömungsabriss
kann bei einer maximalen Flügelwölbung über 35 %
der Flügelsehne
nur sehr schwer kontrolliert werden.
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Die
Laufradflügel
gemäß der bevorzugten Ausführungsform
weisen Flügelhinterkantenwinkel (TE) zwischen 70 und 135 Grad auf, insofern
als dass der Strömungsabriss
bei einem Flügelhinterkantenwinkel
von über
135 Grad nur schwer zu kontrollieren ist.
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Ohne
dass damit angestrebt ist, an eine bestimmte Theorie zur Erklärung der
Erfindung gebunden zu sein, wird die nachfolgende Erklärung geboten.
Unter Bedingungen eines hohen Strömungswiderstands, wie das in
den Heizungs- und Enteisungsmodi von Kraftfahrzeug-HVAC-Anlagen
der Fall ist, ist ein Zentrifugal-Laufrad empfindlich für den Strömungsabriss.
Der Strömungsabriss
ist ein Zustand, in dem das Laufrad abrupt einen erheblichen Anteil seiner
Leistungsfähigkeit
verliert und eine beträchtliche
Geräuschmenge
erzeugt, die durch ein niedrigfrequentes Rattern oder Dröhnen gekennzeichnet
ist. Dieser Leistungsverlust kann sich aus dem Abreißen der
Grenzschicht von den Laufradflügeln
ergeben. Die gebundene Grenzschichtströmung ermöglicht das Auftreten des Diffusionsprozesses,
wodurch sich der Betriebswirkungsgrad des Laufrads erhöht. Ein vorzeitiger
Grenzschichtabriss führt
zu verringerter Leistung, weil der Diffusionsprozess zusammenbricht,
wenn die Grenzschicht von den Laufradflügeln abreißt.
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Das
Laufrad ist so konstruiert, dass die Laufradflügel die Strömung in der Nähe der Vorderkante diffundieren,
wo die Grenzschichtenergie hoch ist. Die Strömungsdiffusion wird in Richtung
der Hinterkante stark reduziert, wo eine dicke Grenzschicht mit geringerer
Energie empfindlich für
das Abreißen
ist.
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Das
Ziel dieser Laufradkonstruktion besteht in der Verhinderung des
Einsetzens des Abrisses unter den Bedingungen mit hohem Strömungswiderstand
und auch in der Einbindung großer
Flügelhinterkantenwinkel.
Die großen
Flügelhinterkantenwinkel
ermöglichen
hohe Strömungsaustrittsgeschwindigkeiten
bei einer relativ geringen Laufradrotationsgeschwindigkeit. Die
geringe Rotationsrate (für
einen gegebenen Durchmesser) ermöglicht
verringerte Geräusch-
und Vibrationscharakteristika.
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In
den bevorzugten Ausführungsformen
wird ein relativ stumpfer Vorderkantenradius (Leading Edge Radius – LER) von
mindestens 0,8 % der Flügelsehne
C (1A) auch deshalb verwendet, um die Geräuscherzeugung
und den tonalen Geräuschgehalt
zu verringern. Der maximale Vorderkantenradius ist durch das Spritzgießen, durch
den Flügelabstand
und durch die Luftströmungscharakteristika
beschränkt.
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Normalerweise
würden
Laufradflügel
mit extrerner Wölbung,
d. h. in der hier beschriebenen Größenordnung, einen sofortigen
Strömungsabriss verursachen.
Die hohe Flügelanzahl
und die große Flügelsehnenlänge (im
Vergleich zu typischen Laufrädern
mit Rückwärtskrümmung) sowie
die Konstruktion der Nabe und der gekrümmten Deckbandflächen mildern
dieses Problem jedoch. Die hohe Flügelanzahl (2)
verringert das Arbeitsvolumen, das jeder einzelne Flügel zu leisten
hat, was dazu beiträgt, dass
der Widerstand des Laufrads gegen den Strömungsabriss steigt. In einigen
Ausführungsformen gibt
es mindestens 40 Flügel,
die alle identisch sind.
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Die
Oberflächen
der benachbarten Flügel und
die Oberflächen
der Nabe und des Deckbands definieren eine Flügeldurchgangsquerschnittsfläche. Die
hohe Flügelanzahl
beschränkt
den Anstieg der Flügeldurchgangsquerschnittsfläche und
beschränkt damit
die Diffusion, da mehr Flügel
einen höheren Anteil
des verfügbaren
Platzes belegen. In den bevorzugten Ausführungsformen beträgt das Verhältnis von
Flügelanzahl
zum Laufraddurchmesser in Millimetern mindestens 0,2, es kann aber
auch nur 0,15 betragen. Die maximale Flügelanzahl ist durch das Spritzgießen, durch
den Flügelabstand
und durch die Luftströmungscharakteristika
beschränkt.
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Die
große
Flügelsehne
bietet eine größere Möglichkeit,
dass die Druckrückgewinnung
erfolgt, weil das Arbeitsvolumen über einen längeren Flügel verteilt wird. Die maximale
Flügelsehne
ist durch die Flügelanzahl
und durch die minimal erforderliche Größe des Lufteinlasses beschränkt; mit
kleiner werdendem Lufteinlass steigen auch die Verluste infolge der
Beschleunigung der Luft durch den Einlass. Die minimale Flügelsehne
wird durch das Strömungsabrissverhalten
des Laufrads beschränkt.
Die Sehne ist lang, typischerweise mindestens 15 % oder sogar 20 %
des Laufraddurchmessers.
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Die
Nabe und das Deckband (3 und 4) sind
ebenfalls dahingehend konstruiert, sowohl den Anstieg als auch die
Anstiegsrate der Flügeldurchgangsquerschnittsfläche zu begrenzen.
Das führt
zu einem kontrollierten Diffusionsprozess durch die Flügeldurchgänge. Die
Konstruktion der Nabe und des gekrümmten Deckbands kann auch dazu beitragen,
den Grenzschichtabrisspunkt stabil zu halten, wodurch verhindert
wird, dass der Abrisspunkt seine Position verändert oder stromaufwärts wandert.
Das Deckband ist über
einen beträchtlichen
Teil der Sehnenlänge
mit den Flügeln
verbunden, d. h. über
einen ausreichenden Teil der Sehnenlänge, um den Strömungsabriss
im Betriebsbereich deutlich zu eliminieren. Typischerweise ist das
Deckband über mindestens
75 % der Sehnenlänge
verbunden, und vorzugsweise über
90 bis 100 % der Sehnenlänge, was
Toleranzen mit Rücksicht
auf das Spritzgießen an
der Vorderkante ermöglicht.
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Die
radiale Position der Flügelvorderkanten und
die Spanne der Flügel
an der Vorderkante definieren einen Zylinder mit dem Radius RLE. Die radiale Position der Flügelhinterkanten
und die Spanne der Flügel
an der Hinterkante definieren einen weiteren Zylinder mit dem Radius
RTE. Die Höhe jedes dieser Zylinder wird
durch die in 3 gezeigte Länge der Vorderkanten (LE) und
der Hinterkanten (TE) bestimmt. Das Verhältnis zwischen der durch den
ersten Zylinder definierten Querschnittsfläche (2 π RLE·LE) und der durch den zweiten
Zylinder definierten Querschnittsfläche (2 π RTE·TE) wird als das zylindrische
Flächenverhältnis bezeichnet.
Das zylindrische Flächenverhältnis muss
groß genug
sein, um den Strömungsabriss
zu kontrollieren, darf jedoch nicht so groß sein, dass es zulasten des
Baugruppenvolumens geht. In den bevorzugten Ausführungsformen liegt das zylindrische
Flächenverhältnis zwischen
1,0 und 1,5.