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Die Erfindung betrifft einen Lüfter für eine elektrisch
betriebene Maschine, der einen Propeller umfaßt, der axial an
der Maschine angeordnet ist und eine Nabe aufweist und
mehrere Flügelblätter, die daran angebracht sind und im
wesentlichen radial davon wegragen; und eine Abdeckung, die
den Propeller an der Vorderseite und an den Seiten umgibt und
die eine Ansaugöffnung auf der Ansaugseite des Propellers
umfaßt und eine Öffnung auf der Druckseite, um Lüftungsluft
in die zu kühlenden Maschinenteile zu leiten.
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Lüfter dieses Typs sind z.B. aus der US-Patentschrift
2,479,233 und der deutschen Offenlegungsschrift 32 07 448
bekannt, von denen sich die erste auf einen axialen Lüfter
und die zweite auf einen radialen Lüfter bezieht.
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Fr einen guten Betrieb muß ein typischer axialer Lüfter mit
einer Haube um den Propeller herum und einem
Leitschaufelaufbau an einer oder beiden Seiten des Propellers
zur Steuerung der Luftströmung versehen sein. Die Größe des
Propellers und die Blattwinkel der Flügelblätter müssen so
dimensioniert sein, daß sie ziemlich genau den Abmessungen
des für den Einsatz vorgesehenen Ortes entsprechen. Aufgrund
von Strömungsverlusten müssen die Zwischenräume zwischen den
Flügelblättern und der Haube und zwischen den Flügelblättern
und der Nabe minimiert werden. Mit Hilfe der Leitschaufeln
kann ein Teil der tangentialen Strömungskomponente, die durch
den Propeller erzeugt wird, d.h. ihr dynamischer Drucke, in
statischen oder sogenannten effektiven Druck umgewandelt
werden. Falls keine Leitschaufeln vorgesehen sind, verwandelt
sich diese relativ große Strömungskomponente in Verluste, was
zu einer entsprechenden Verringerung im statischen Druck, der
vom Lüfter erzeugt wird, und der Wirksamkeit des Lüfters
führt.
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In den meisten Fällen ist es nicht möglich, einen axialen
Lüfter in Verbindung mit einer elektrisch betriebenen
Maschine auf die bestmögliche Weise zu konstruieren. Der Raum
in der axialen Richtung ist normalerweise begrenzt, so daß
keine Leitschaufeln verwendet werden können und auch die
Haube kurz gehalten werden muß. Auch die anderen Abmessungen
können nicht optimiert werden. Zusätzlich muß die Strömung in
den meisten Anwendungsfällen eine abrupte Umlenkung oder
Auffächerung vollziehen, was bei diesem Lüftertyp
beträchtliche Verluste nach sich zieht.
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Der radiale Lüfter der deutschen Offenlegungsschrift
32 07 448 kann leichter an eine elektrisch betriebene
Maschine angepaßt werden, ohne einen wesentlichen Kompromiß
hinsichtlich seiner theoretischen Funktionsprinzipien
eingehen zu müssen. Diese Art von Radiallüfter erzeugt jedoch
beträchtliche turbulente Strömungen in den vorderen und
hinteren Abschnitten der Abdeckung, was die Wirksamkeit
herabsetzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Lüfter für eine elektrisch betriebene Maschine zu schaffen,
bei dem die vorangehend erläuterten Probleme überwunden
werden können, und einen konstruktiv einfachen Lüfter von
hoher Wirksamkeit und niedrigem Geräuschniveau zu schaffen.
Der Lüfter der Erfindung ist durch die Kombination der
folgenden Merkmale gekennzeichnet: Die Flügelblätter haben
einen Krümmungsradius und sind an der Nabe mit einem
Blattwinkel zwischen 25 und 70º angesetzt; ein Zwischenraum,
der zwischen der Ansaugöffnung oder ihrer zylindrischen
Erweiterung und den Flügelblättern des Propellers in der
axialen Richtung festgelegt wird, beträgt nicht mehr als 20%
des Außendurchmessers des Propellers; der Innendurchmesser
der Ansaugöffnung vor dem Propeller beträgt das 0,8- bis 1,6-
fache des Außendurchmessers des Propellers; und der
Innendurchmesser der Abdeckung beträgt mindestens das 1,2-
fache des Außendurchmessers des Propellers oder des
Innendurchmessers der Ansaugöffnung, abhängig davon, welcher
der beiden Durchmesser größer ist.
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Der erfindungsgemäße Lüfter, der im wesentlichen eine
Zwischenlösung zwischen einem axialen und einem radialen
Lüfter ist, wird nur in einer Richtung betrieben. Dabei
werden der Blattwinkel α, die Breite 1 und der
Krümmungsradius R der Flügelblätter des Lüfterpropellers so
gewählt, daß die Flügelblätter der Strömung eine relativ
starke radiale Geschwindigkeitskomponente geben. Durch
Vorwärtsversetzung der Flügelblätter in Rotationsrichtung
kann diese Eigenschaft noch effektiver gemacht werden und das
Geräuschniveau und die Verluste können verringert werden. Die
erhaltene radiale Strömung, die in der Richtung des
Propellers rotiert und turbulent ist, verhält sich ähnlich
wie ein Ejektor und nimmt Luft aus dem relativ großen
Zwischenraum, der zwischen dem Propeller und der Luftführung
gebildet wird, mit sich. Diese Strömung erhöht die gesamte
Luftströmung des Lüfters, während die Strömung durch den
Propeller verringert wird, so daß der Propeller kleiner sein
kann. Das wiederum verringert das Geräuschniveau des Lüfters.
Auch wenn der verwendete Propeller strukturell dem in
herkömmlichen axialen Lüftern verwendeten sehr ähnlich ist,
sind seine Abmessungen und sein Betrieb vollkommen anders.
Mit einer herkömmlichen Zylinderhaube funktioniert diese Art
Propeller kaum oder überhaupt nicht, weil solche Abmessungen
beim Propeller zu einem Strömungsabriß und einer daraus
resultierenden heftigen, in axialer und radialer Richtung
turbulenten Strömung führen würden. Somit ist es nicht
möglich, eine herkömmliche Haube bei dem erfindungsgemäßen
Lüfter zu verwenden. Es ist ein Vorteil für den Betrieb,
falls die Abdeckungsabschnitte sich in radialer Richtung in
einem relativ großen Abstand vom Propeller befinden, damit
sich die radiale turbulente Strömung freier ausbilden kann,
was den Ansaugeffekt erhöht. Die Abdeckungsabschnitte
erzeugen auch keinen für einen herkömmlichen axialen Lüfter
typischen Haubeneffekt. Im Prinzip wäre eine spiralförmige
Haube auf der Druckseite, ähnlich wie bei Radiallüftern, sehr
nützlich.
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Falls die Ansaugöffnung eine zylindrische Erweiterung
aufweist und der Außendurchmesser des Propellers größer als
der Durchmesser der Ansaugöffnung vor dem Propeller ist, wird
der Ejektoreffekt ebenso auf den Raum außerhalb der
Erweiterung gerichtet, d.h. die turbulente Strömung innerhalb
der Fläche der Flügelspitze tendiert dazu, kurzgeschlossen zu
werden, was eine Verschlechterung hinsichtlich des Betriebs,
der Wirksamkeit und des Geräuschniveaus des Lüfters nach sich
zieht. Falls die Ansaugöffnung nicht größer gemacht werden
kann, kann diese Strömung dadurch verhindert werden, daß eine
ringförmige, radiale oder konische Führung an den
rückwärtigen Rand der Ansaugöffnung angebracht wird, wobei
sich die Führung radial zumindest auf dem Niveau der
Flügelblattspitze erstreckt.
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Der Betrieb des erfindungsgemäßen Lüfters ist ähnlich dem des
Lüfters der deutschen Offenlegungsschrift 32 07 448, der mit
radialen Flügelblättern und einer schiefen rückseitigen
Platte versehen ist. Im Unterschied zu diesem Lüfter gemäß
dem Stand der Technik sind jedoch beim erfindungsgemäßen
Lüfter die turbulenten Strömungen, die in den vorderen und
hinteren Abschnitten der Abdeckung gebildet werden, und die
zugehörigen Verluste geringer und das Geräuschniveau ist
spürbar niedriger.
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Der statische Druck, der durch den erfindungsgemäßen Lüfter
erzeugt wird, ist von der gleichen Größenordnung oder höher
als der Druck, der mittels eines axialen Lüfters erhalten
wird, der mit Leitschaufeln des gleichen Durchmessers
versehen ist. Die Struktur der Erfindung ist jedoch viel
einfacher und preiswerter, in ähnlicher Weise, wenn sie mit
einem entsprechenden radialen Lüfter, der mit rückwärts
gekrümmten Flügelblättern versehen ist, verglichen wird.
Außerdem ist das Geräuschniveau sehr niedrig und die
Wirksamkeit bemerkenswert höher als bei einem entsprechenden
Lüfter, der mit geraden radialen Flügelblättern ausgestattet
ist und in beiden Richtungen betrieben wird. Da die
Betriebsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Lüfters nicht
strikt von der relativen Größe der Ansaugöffnung und des
Propellers abhängt, kann die Wirksamkeit und/oder das
Geräuschniveau der Lüftung durch Verwendung von Propellern
von unterschiedlicher Größe bei ein und dergleichen Abdeckung
stark beeinflußt werden. Auf diese Weise können z.B. bei
Maschinen des gleichen Typs, aber von unterschiedlicher
Geschwindigkeit, oder sogar bei Maschinen der gleichen Serie,
aber von unterschiedlichen Wellenhöhen, d.h. bei
verschiedenen Drehzahlen und unterschiedlichen
Geräuschniveauanforderungen, die gleichen Propeller verwendet
werden, was eine Standardisierung erlaubt.
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Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Lüfter für eine
elektrisch betriebene Maschine im einzelnen mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht der Erfindung, wie sie in
eine elektrisch betriebene Maschine eingepaßt ist;
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Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Lüfter, von der
Ansaugseite des Lüfterpropellers (von der
Vorderseite des Propellers) aus gesehen; und
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen
Propellers.
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Fig. 1 ist eine allgemeine strukturelle Ansicht des
erfindungsgemäßen Lüfters. Der Lüfter umfaßt einen Propeller
1, der auf der Welle einer elektrisch betriebenen Maschine
montiert ist, eine Lüfterabdeckung 2, eine Ansaugöffnung 3 in
der Abdeckung vor dem Propeller, ein Netz, eine perforierte
Platte oder dergleichen 4 vor der Ansaugöffnung als
Schutzabdeckung und eine mögliche zylindrische Erweiterung 5
der Ansaugöffnung und eine möglicherweise daran befestigte
Luftführung 6. Ein axialer Zwischenraum s ist zwischen der
Ansaugöffnung 3 oder, falls vorhanden, seiner Erweiterung 5
und dem Propeller gebildet. Die Größe dieses Zwischenraums
variiert von Fall zu Fall und beträgt maximal 20% des
Durchmessers DS des Propellers auf der Druckseite. Abhängig
von der Struktur der elektrisch betriebenen Maschine ist der
Maschinenrahmen normalerweise hinter dem Propeller
angeordnet. Die Abdeckung 2 radial außenseitig vom Propeller
1 und die Ansaugöffnung 3 befinden sich in relativ großem
Abstand vom Propeller und bilden keine Haube, wie sie
normalerweise für den Propeller eines Axiallüfters
erforderlich ist. Der Innendurchmesser der Abdeckung 2 sollte
mindestens das 1,2-fache des Außendurchmessers DS des
Propellers oder des Innendurchmessers DA der Ansaugöffnung
betragen, abhängig davon, welcher von beiden Durchmessern
größer ist. Auf der Druckseite umfaßt die Abdeckung eine
Öffnung 7, aus der Lüftungsluft (mit Strömungspfeilen
angezeigt) in gewünschter Weise auf Kühlrippen 10 an der
Außenseite der Maschine, auf einen Wärmetauscher oder andere
zu kühlende Maschinenteile gelenkt wird. Die Gestalt der
Lüfterabdeckung 2 und die Gestalt und Position der Öffnung 7
hängen von den anderen strukturellen Merkmalen der Maschine
und der Position des Lüfters in der Maschine ab. Im Beispiel
von Fig. 1 ist der Durchmesser der Abdeckung 2 im
wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der elektrisch
betriebenen Maschine.
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Der Propeller 1 ist durch eine Vielzahl von primär radialen
Flügelblättern 9 gebildet, die an einer Nabe 8 mit einem
Blattwinkel α angesetzt sind. Im einfachsten Fall sind die
Flügelblätter aus Blechmaterial gebogen. Sie haben eine
Breite 1 und einen Krümmungsradius R und sind an der Nabe 8
durch Schweißen befestigt.
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In der beispielhaften strukturellen Anordnung der Fig. 2 und
3 beträgt die Anzahl der Flügelblätter 9 des Propellers 1
fünf und diese sind an der Nabe in ungleicher Verteilung
angeordnet. Zusätzlich sind die Flügelblätter um einen
Abstand e in Rotationsrichtung vorwärts versetzt, wobei der
Abstand e als Abstand zwischen der Mitte einer der
Flügelblattkrümmung entsprechenden Sehne und einer parallel
zur Hauptrichtung des Flügelblatts durch den Mittelpunkt der
Nabe gehenden Linie festgelegt ist. Alternativ können die
Flügelblätter in gleichmäßiger Verteilung angeordnet sein. In
diesem Fall können jedoch die Schallkomponente der
Blattfrequenz (= Anzahl der Flügelblätter x
Rotationsfrequenz) und ihre harmonischen Vielfachen in
störender Weise vom Schall, der vom Lüfter erzeugt wird,
unterscheidbar sein. Anstelle von Metallblech-Flügelblättern
gleicher Dicke ist es natürlich ebenso möglich, profilierte
Flügelblätter zu verwenden, die vorzugsweise aus Kunststoff
oder Metall einstückig mit der Nabe gegossen sind.
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Um Strömungsverluste zu verringern, kann die Ansaugöffnung 3
konisch, an der Kante abgerundet usw. ausgebildet sein. Sie
kann auch durch einen zylindrischen Teil 5 verlängert sein.
Die Ansaugöffnung kann auch in Form eines sich auswärts
öffnenden Ansaugkegels geformt sein und der vordere Abschnitt
der Abdeckung kann konisch sein. Der Innendurchmesser DA der
Ansaugöffnung oder ihre Erweiterung vor dem Propeller beträgt
das 0,8- bis 1,6-fache des Außendurchmessers DS des
Propellers. Ein Zwischenraum s, der zwischen der
Ansaugöffnung oder seiner zylindrischen Erweiterung und dem
Propeller in axialer Richtung gebildet ist, hängt von den
Abmessungen der Öffnung und des Propellers, der Drehzahl des
Lüfters usw. ab, aber beträgt höchstens 20% des
Außendurchmessers des Propellers. Die zylindrische
Erweiterung der Ansaugöffnung kann ebenso verwendet werden,
um den Abstand vom Propeller 1 zum Netz 4, das als
Schutzabdeckung wirkt, zu vergrößern.
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Der erfindungsgemäße Lüfter wurde vorangehend anhand einer
beispielhaften Ausführung beschrieben und es versteht sich,
daß er auf verschiedene Weise abgeändert werden kann, ohne
vom Umfang der beigefügten Patentansprüche abzuweichen.
Entsprechend kann die Anzahl der Flügelblätter des Propellers
variieren und sie können von einheitlicher Breite, wie zuvor
beschrieben, sein, oder die Breite kann variieren, z.B. zu
den Spitzen hin zu- oder abnehmen. Bei der Struktur von
Fig. 1 ist der Propeller an der Welle der zu kühlenden,
elektrisch betriebenen Maschine befestigt, wodurch er seine
Antriebsleistung von dieser Welle erhält. Der Propeller kann
jedoch derart an die Welle der Maschine angepaßt sein, daß er
mit der Welle seines eigenen Antriebsmotors verbunden ist und
überhaupt nicht mit der Welle der zu kühlenden Maschine, auch
wenn er axial dazu angeordnet ist. Diese Anordnung ist
hauptsächlich in solchen Fällen zweckmäßig, wo die Drehzahl
der zu kühlenden Maschine so niedrig ist, daß keine
ausreichende Kühlung erzielt werden kann, wenn der Propeller
daran montiert wird.