DE69018470T2

DE69018470T2 - Gebläse mit grosser förderleistung.

Info

Publication number: DE69018470T2
Application number: DE69018470T
Authority: DE
Inventors: Houten Robert Van
Original assignee: Airflow Research and Manufacturing Corp
Current assignee: Airflow Research and Manufacturing Corp
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2010-08-10
Also published as: WO1991002164A1; US4971520A; EP0486544A4; EP0486544A1; DE69018470D1; EP0486544B1; ES2071825T3

Description

Die Erfindung betrifft Axialgebläse, z.B. Gebläse zum Bewegen eines Fluids wie Luft durch einen Wärmetauscher wie einen Klimaanlagenkondensator.
Bei der Auswahl eines axialen Gebläses für eine besondere Anwendung, ist einer der zu wählenden Parameter die nicht-dimensionsgerechte Belastung. Die nicht-dimensionsgerechte Belastung ist das Verhältnis des Druckwechsels über das Gebläse zu dem Produkt der Dichte des Fluids, das durch das Gebläse bewegt wird, und dem Quadrat der Geschwindigkeit der Spitzen der Gebläseschaufeln. Da die nicht-dimensionsgerechte Belastung umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Spitzengeschwindigkeit ist, haben hochbelastete Gebläse allgemein niedrigere Spitzengeschwindigkeiten, wobei angenommen ist, daß der Druckabfall und die Fluiddichte relativ konstant sind.
Es gibt verschiedene Vorteile, ein Gebläse bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu betreiben (d.h. mit höherer nicht-dimensionsgerechter Belastung), das schließt verringerte Geräusche und Schwingungen und verringerte Zentrifugalkräfte, die auf das Gebläse wirken, ein. Zusätzlich können Begrenzungen des Durchmessers und der Leistungsfähigkeit einer besonderen Maschine oder eines Elektromotors erfordern, daß die nicht dimensionsgerechte Belastung hoch ist.
Wenn ein hoch belastetes Gebläse in einer gegebenen Anwendung eingesetzt ist, z.B. zum Bewegen von Luft, werden große tangentiale oder Wirbelgeschwindigkeiten der Luft mitgeteilt, wenn sie sich durch das Gebläse bewegt. Diese Wirbelgeschwindigkeiten bewirken Zentrifugalkräfte, die auf die Luft einwirken, wenn sie das Gebläse verläßt. In Abwesenheit anderer Kräfte, die auf die Luft einwirken, bewegt sich die Luft radial unter der Einwirkung dieser Zentrifugalkräfte und der das Gebläse verlassende Luftstrom wird deswegen keinen konstanten Radius aufweisen, sondern sich stromabwärts vom Gebläse ausdehnen.
Ein zum Blasen von Luft ausgelegtes Axialgebläse, welches diese Luft durch einen kompakten Wärmetauscher wie einen Klimaanlagenkondensator oder einen Automobilkühler drückt, wird in einer Abdeckung angeordnet, welche die gesamte Luft durch den Kern des Wärmetauschers führt. Typisch ist die Abdeckung nur etwas größer als das Gebläse selbst, jedoch rechtwinklig in der Gestalt und nicht rund. Wenn ein hoch belastetes Gebläse benutzt wird, verläßt wie oben ausgeführt ein sich ausdehnender Luftstrom das Gebläse und wirkt auf die Seiten der Abdeckung stärker als auf den Kern. Die Seiten der Abdekkung müssen den Strom drehen und die Luft durch die Ecken des Kerns drücken.
US-A-3014534 offenbart ein Gebläse mit einer Anzahl von Schaufeln, wobei jede Schaufel mit einem flügelähnlichen Abschnitt versehen ist, um die Wirksamkeit des Gebläses zu erhöhen. US-A-3169694 offenbart ein Gebläse mit einer Vielzahl von Schaufeln, die einen Schaufelhinterkantenwinkel aufweisen, der um etwa 40º oder mehr über die radiale Ausdehnung jeder Schaufel variiert, wobei das Gebläse so ausgelegt ist, daß es einen kontrollierten Wirbel erzeugt, um die Wirksamkeit des Gebläses zu erhöhen. GB-A-913620 offenbart ein Gebläse mit einer Anzahl von Schaufeln, wobei der Querschnitt jeder Schaufelspitze ein Profil mit zwei aufeinander folgenden entgegengesetzen Krümmungen aufweist, während der Querschnitt jedes Schaufelfußes ein Profil mit einer einzelnen Krümmung aufweist, um die Wirksamkeit eines Gebläses zu erhöhen.
Wir schaffen einen Apparat mit einem Wärmetauscher und einem axialen Gebläse, das in dichter Nähe des Wärmetauschers in einer Position angeordnet ist und Luft durch den Wärmetauscher bläst, wobei das Gebläse eine drehbare Nabe auf einer Achse aufweist und eine Vielzahl von Schaufeln, die sich jeweils von einem an der Nabe befestigten Fußabschnitt zu einem Spitzenabschnitt erstrekken, wobei jede Schaufel einen Hinterkantenwinkel von 60º oder mehr an dem Fußabschnitt aufweist, wobei der Hinterkantenwinkel um etwa 40º oder mehr über die radiale Ausdehnung jeder Schaufel variiert, wobei das Drehen der Nabe um die Achse stromabwärts einen statischen Druck erzeugt, welcher niedriger nahe der Nabe als an den Spitzenabschnitten ist, um der radialen Ausdehnung der Luft entgegenzuwirken.
In der bevorzugten Ausgestaltung sind die Schaufeln über den größten Teil ihrer Sehnenlänge mit freien Spitzen versehen und rückgeschrägt über zumindest die äußeren 20 % des Durchmessers. Die Vorderkantenneigung der Schaufeln an der Spitze ist zumindest 5 % des nominalen Durchmessers der Schaufeln. Ein Wasserschleuderring ist an radialen Vorsprüngen an den Schaufeln angebracht. Die Nabe des Gebläses ist hohl, um einen Elektromotor oder eine ähnliche Einrichtung aufzunehmen. Das Gebläse hat eine Dichtigkeit von zumindest 75 % der Scheibenfläche und eine Schaufelsehne nahe des Fußes jeder Schaufel, die zumindest 80 % der Schaufelsehne nahe der Spitze jeder Schaufel beträgt.
Zunächst wird kurz die Zeichnung beschrieben.
Figur 1 ist ein Querschnitt eines Systems unter Einsatz des erfindungsgemäßen Gebläses.
Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht des in Figur 1 gezeigten Gebläses.
Figur 3 ist eine Ansicht des in Figuren 1 - 2 gezeigten Gebläses.
Die Figuren 4A - B zeigen zwei Querschnitte einer Schaufel des in Figuren 1 - 3 gezeigten Gebläses.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 treibt ein Motor 2 eine Nabe 4 eines Gebläses 6, das um eine Achse 8 rotiert. Das Gebläse 6 umfaßt eine Vielzahl von Schaufeln 10, die Luft von einem Eingangsbereich ansaugen und die Luft zu einer Last 12 wie einem Kondensator einer Klimaanlage drücken. Eine Abdeckung 14 hilft zu verhindern, daß die Luft, die durch das Gebläse gedrückt wird, zurück in den Eingangsbereich gelangt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 2 - 3 ist jede Schaufel 10 rückgeschrägt und erstreckt sich von einem Fußabschnitt 14, der an der Nabe 4 befestigt ist, zu einem Außenabschnitt oder einer Spitze 15. Jede Schaufel besitzt eine Vorderkante 11 und eine Hinterkante 13. Äußere Bereiche 15 jeder Schaufel sind frei über den größten Teil ihrer Länge und am höchsten Punkt an einem Schleuderring 18 befestigt. Eine Schraube 16 wird eingesetzt, um das Gebläse 6 auf der Welle des Motors 2 zu befestigen.
Der Hinterkantenwinkel jeder Schaufel 10 ist definiert als der Winkel, der zwischen der Hinterkante 13 der Schaufel und der Rotationsebene der Schaufel gebildet ist. (D.h., die Vorderfläche 17 der Nabe 4 bestimmt eine Ebene, die parallel zu der Rotationsebene ist). Der Hinterkantenwinkel nimmt um mehr als 40º über die Schaufellänge von dem Fuß 14 zu dem Außenabschnitt 15 ab. In der bevorzugten Ausgestaltung ist der Hinterkantenwinkel am größten an dem Fußabschnitt 14, wo er zumindest 60º beträgt. Die Figuren 4A - B zeigen zwei Schaufelquerschnitte, um die Veränderung in dem Hinterkantenwinkel deutlich zu machen. Bezugnehmend auf die Figur 4A wird ein Querschnitt gezeigt, der entlang der Linie 20-20 in Figur 3 verläuft und den Hinterkantenwinkel nahe dem Fußabschnitt 14 zeigt. Figur 4B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 21-21 in Figur 3 und zeigt den Hinterkantenwinkel nahe dem Spitzenabschnitt 15. Es ist klar erkennbar, daß der Hinterkantenwinkel sich um etwa 40 verändert und am größten nahe dem Fußabschnitt 14 ist.
Die bevorzugte Ausgestaltung wird bei einer solchen Geschwindigkeit betrieben, daß sie schwer belastet ist, und kann stromaufwärts in dichter Nähe eines Wärmetauschers angeordnet werden. Wegen der großen Veränderung im Hinterkantenwinkel über die Schaufellänge (d.h. eine große Schaufelverdrehung), erzeugt das Gebläse stromabwärts einen statischen Druck, der niedriger nahe der Nabe ist als nahe den Spitzen des Gebläses. Dieser Druckgradient wirkt einer radialen Ausdehnung entgegen, die in schwer belasteten Gebläsen typisch ist, so daß die Luft nicht auf die Seiten der Abdeckung 14 einwirkt. Der resultierende Luftstrom durch den Wärmetauscher zeigt nicht die extreme uneinheitliche Verteilung wie in Gebläsen nach dem Stand der Technik.
Ein weiterer Vorteil wird dadurch erreicht, daß das Gebläse eine große Schaufelverdrehung aufweist, da große Schaufelsehnen nahe der Nabe ohne Überlappung eingesetzt werden können. In der bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaufelsehne nahe dem Fuß jeder Schaufel zumindest 80 % der Schaufelsehne nahe der Spitze jeder Schaufel. Dies verringert die Schaufelbelastung in dem Abschnitt des Gebläses, wo Strömungsabriß an der Schaufel am wahrscheinlichsten zum Problem wird, ohne daß ein Kompromiß eingegangen wird bezüglich der Fähigkeit des Gebläses, durch Kunststoffspritzgießen hergestellt zu werden (d.h. ohne Überlappung).
Das große Ausmaß der Schaufelverdrehung ermöglicht auch, daß die axiale Projektion der Schaufelspitzen minimiert wird. Dies ermöglicht, daß die Abdeckung relativ kurz ist. Dies ist besonders in den Fällen wichtig, wo die Luft von den Seiten und nicht von der Vorderwand des Gebläses angesogen wird, da für den Strom mehr Platz vorhanden ist, die Ecken zu umrunden und zu den Gebläseschaufeln zu gelangen.
Der Einsatz von Schaufelspitzen, die frei über zumindest dem größeren Abschnitt ihrer Sehnenlänge sind, bietet den Vorteil, daß Luft, die durch den Spalt zwischen dem Gebläse und der Abdeckung austritt, keinen organisierten Strom bildet, der den eintretenden Strom stört. Das ist besonders in den Fällen wichtig, in denen Luft von den Seiten angesogen wird.
Das Gebläse weist eine Schaufelschrägung zur Geräuschminderung auf. In der bevorzugten Ausgestaltung ist die Schrägungsrichtung entgegengesetzt zur Schaufeldrehung. Diese Art von Schräge ("Rückschräge") erfordert, daß die Steigung der Schaufeln höher am Fuß ist als nahe an der Spitze, wodurch die Verdrehung an der Schaufel vergrößert wird. Dies ermöglicht eine weitere Vergrößerung der Fußsehnen und eine weitere Verringerung des axialen Ausmaßes der Schaufelspitzen. Außerdem ist die Wölbung geringer an der Nabe und größer an den Spitzen der Schaufel. Wenn die Schrägung in der Richtung der Gebläsedrehung liegt ("Vorwärtsschräge"), sind die Steigung- und die Wölbungskorrekturen entgegengesetzt zu denen einer Rückschrägung. Wenn schließlich die Schrägung in einer Richtung beginnt und sich zu der anderen Richtung verändert, müssen die Steigungs- und die Wölbungskorrekturen sich entsprechend ändern.
Die bevorzugte Ausgestaltung zeigt eine hohe Dichtigkeit, um die Möglichkeit eines Strömungsabrisses an der Schaufel zu minimieren.
Die Grenzen dieser Dichtigkeit liegen darin, daß das Gebläse durch Kunststoffspritzgießen herstellbar ist (d.h. es kann keine Überlappung vorhanden sein), und daß die axialen Projektionen der Schaufeln am Fuß in den Platz passen.
Betrachtet man die Schaufeln bis zum nominal en Gebläseradius (d.h. der Radius gemessen zu den Schaufelspitzen ohne irgendwelche Vorsprünge wie die Vorsprünge zum Befestigen des Schleuderringes), so ist die bevorzugte Dichtigkeit der Schaufeln und der Nabe zumindest 75 % der gesamten Scheibenfläche A, die gemäß der Standardformel für Flächen berechnet wird, d.h.:
A =πr²
wobei r der nominelle Gebläseradius wie oben definiert ist.
Die bevorzugte Ausgestaltung zeigt auch ein großes Ausmaß von Vorderkantenneigung an den Spitzenabschnitten, wie in Figur 1 gezeigt. Neigung ist definiert als die axiale Position der Vorderkante der Schaufel bei einem gegebenen Radius im Verhältnis zu der an dem Nabenradius, sie ist positiv stromabwärts. Im Idealfalle soll die Neigung eine monoton ansteigende Funktion des Radius sein. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Gebläse, gut in den Anwendungen zu arbeiten, in denen die Luft von den Seiten angesogen wird, da die Projektion der Schaufel außerhalb der Abdeckungsöffnung dazu beiträgt, daß die Luft die Ecke umrunden kann. Die bevorzugte Größe der Neigung ist gleich zumindest 5 % des nominalen Durchmessers der Schaufeln.
Da die bevorzugte Ausgestaltung in einer Klimaanlage eingesetzt wird, ist ein Kondensatschleuderring vorgesehen. Der Schleuderring wird durch Vorsprünge der Schaufeln nahe der Hinterkante gestützt und trägt dazu bei, das Kondensat zu verteilen, das sich auf dem Boden der Klimaanlage bildet.
Die bevorzugte Ausgestaltung weist eine hohle Nabe auf der Stromaufwärtsseite auf, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, um die gesamte axiale Ausdehnung des Motors auf zunehmen und die des Gebläses zu minimieren.
Die oben beschriebene Ausgestaltung soll nur illustrativ für die Erfindung sein und andere Ausgestaltungen liegen im Bereich der anhängenden Ansprüche.

Claims

1. Apparat umfassend einen Wärmetauscher und ein axiales Gebläse, das in dichter Nähe des Wärmetauschers in einer Position angeordnet ist und Luft durch den Wärmetauscher bläst, wobei das Gebläse eine drehbare Nabe auf einer Achse aufweist und eine Vielzahl von Schaufeln, die sich jeweils von einem an der Nabe befestigten Fußabschnitt zu einem Spitzenabschnitt erstrecken, wobei jede Schaufel einen Hinterkantenwinkel von 60º oder mehr an dem Fußabschnitt aufweist, wobei der Hinterkantenwinkel um etwa 40º oder mehr über die radiale Ausdehnung jeder Schaufel variiert, wobei das Drehen der Nabe um die Achse stromabwärts einen statischen Druck erzeugt, welcher niediger nahe der Nabe als an den Spitzenabschnitten ist, um der radialen Ausdehnung der Luft entgegenzuwirken.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schaufeln über den größten Teil ihrer Sehnenlänge mit einer freien Spitze versehen ist.

3. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schaufeln geschrägt ist.

4. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schaufeln rückgeschrägt ist.

5. Apparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schaufeln über zumindest die äußeren 20 % ihres Durchmessers rückgeschrägt ist.

6. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse eine Dichtigkeit aufweist, die etwa 75 % oder mehr der Scheibenfläche beträgt.

7. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkantenneigung jeder Schaufel an dem Spitzenbereich etwa 5 % oder mehr des nominal en Durchmessers der Schaufeln beträgt.

8. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter einen Schleuderring aufweist, der an axialen Vorsprüngen auf einer Vielzahl der Schaufeln befestigt ist.

9. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelsehne an dem Fußabschnitt etwa 80 % oder mehr der Schaufelsehne an dem Spitzenabschnitt beträgt.

10. Axiales Gebläse und Mittel zum Halten des Gebläses in Verbindung mit einem Wärmetauscher in einer Position zum Luftdurchblasen durch den Wärmetauscher, wobei das Gebläse eine drehbare Nabe auf einer Achse aufweist und eine Vielzahl von Schaufeln, die sich jeweils von einem an der Nabe befestigten Fußabschnitt zu einem Spitzenabschnitt erstrecken, wobei jede Schaufel einen Hinterkantenwinkel von 60º oder mehr an dem Fußabschnitt aufweist, wobei der Hinterkantenwinkel um etwa 40º oder mehr über die radiale Ausdehnung jeder Schaufel variiert, wobei das Drehen der Nabe um die Achse stromabwärts einen statischen Druck erzeugt, welcher niedriger nahe der Nabe als an den Spitzenabschnitten ist, um der radialen Ausdehnung der Luft entgegenzuwirken.