DE69019965T2

DE69019965T2 - Leichte schaufel.

Info

Publication number: DE69019965T2
Application number: DE69019965T
Authority: DE
Inventors: Leslie Gray; C Greenwald; Russel Read; William Stevens
Original assignee: Airflow Research and Manufacturing Corp
Current assignee: Airflow Research and Manufacturing Corp
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2010-06-29
Also published as: EP0464158B1; ATE123454T1; ES2073579T3; EP0464158A4; DE69019965D1; JPH05502637A; EP0464158A1; WO1991000212A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Flügelblätter, insbesondere auf Flügelblätter zur Verwendung in Ventilatoren.
Fig. 1A der beigefügten Zeichnungen zeigt den Querschnitt eines typischen Flügelblatts 8 nach dem bekannten Stand der Technik mit einer Vorderkante 10, einer Hinterkante 12 und zwei im wesentlichen parallel verlaufenden Flächen 14 und 16. Wie aus Fig. 1B der beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welcher die Luftströmung um das Flügelblatt beim Kontakt des Flügelblatts 8 mit einem Luftstrom 17 dargestellt wird, trifft der Luftstrom auf die Vorderkante 10 und teilt sich in zwei Teilströmungen 18 und 20. Die eine Teilströmung 18 verläuft entlang der einen Fläche 14, während die andere Teilströmung 20 entlang der anderen Fläche 16 verläuft. Wie bekannt ist, legt die eine Strömung 18 dabei eine größere Strecke zurück als die andere Strömung 20, was dazu führt, daß die Luft an der einen Fläche 16 einen höheren Druck aufweist als die Luft an der anderen Fläche 14. Deshalb wird die eine Fläche 16 als "Druckseite" des Flügelblatts bezeichnet, und die andere Fläche 14 wird als "Saugseite" des Flügelblatts bezeichnet.
An Flügelblättern entstehen Geräusche infolge der Druckschwankungen in der Luft, welche über die Oberflächen des Flügelblatts streicht. Der Geräuschpegel kann reduziert werden, indem die Stärke des Flügelblatts vergrößert wird. Eine vergrößerte Stärke des Flügelblatts führt jedoch zu einem Anstieg der Masse des Flügelblatts, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen und die Leistungsfähigkeit sinkt.
Die Deutschen Patente 348 054 und 323 762 sowie das Britische Patent 159 207 zeigen verschiedene Formen von Flügelblättern mit einer Druckfläche und einer Saugfläche. Bei den dort vorgestellten Druckflächen gibt es stufenweise oder kurvenförmige Änderungen in der Neigung der Druckflächen, diese Änderungen sollen jedoch laut Planung nicht dazu führen, daß die von der Vorderkante zur Hinterkante verlaufende Luftströmung von der Druckfläche getrennt wird und im weiteren Verlauf der Druckfläche wieder auf die Druckfläche auftrifft.
Das Deutsche Patent 320 775 stellt ein Flügelblatt mit einer ausgehöhlten Druckfläche vor, die mit einer elastischen Membran abgedeckt wird, welche mit Erhebungen bedeckt ist, die die Luftströmung über dieser Membran unterbrechen und Verwirbelungen erzeugen sollen. Die Luftströmung wird dabei jedoch nicht von der Druckfläche getrennt gezeigt, um im weiteren Verlauf der Druckfläche wieder auf die Druckfläche aufzutreffen, sondern sie trennt sich und geht danach in Wirbelströmungen über.
Das US-Amerikanische Patent 3 077 173 zeigt eine Reihe von Flügeln für Tragflügelboote. Bei einigen gibt es Druckflächen und Saugflächen von unterschiedlicher Länge, es gibt jedoch keine Offenbarung, die vorschlägt, die Wasserströmung von der Druckseite zu trennen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Flügelblatt vorgestellt, bestehend aus einer Saugfläche und einer Druckfläche, wobei diese Flächen an der Vorderkante und an der Hinterkante des Flügelblatts miteinander verbunden sind, und das Flügelblatt dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die Druckfläche in Richtung Vorderkante zur Hinterkante zunächst von der Saugfläche entfernt und anschließend abrupt mit einem ungefähren Winkel von mindestens 30º wieder der Saugfläche annähert und somit eine Ecke auf der Druckfläche entsteht; daß es in dieser Ecke eine abrupte Änderung in der Neigung der Druckfläche gibt, wobei die Ecke beim Einsatz bewirkt, daß eine von der Vorderkante kommende und über die Druckfläche verlaufende Luftströmung sich an dieser Ecke von der Druckfläche trennt und in einem Abschnitt der Druckfläche wieder auf die Druckfläche auftrifft. der wesentlich näher zur Hinterkante liegt.
Da die Trennung der Luftströmung entlang der Druckfläche genau an der Ecke erfolgt, wo sich die Druckfläche der Saugfläche annähert, wird die Luftströmung entlang des Flügelblatts im wesentlichen die gleiche sein, die bei einem Flügelblatt mit viel größerer Stärke auftritt, welches keine Annäherung der Druckfläche aufweist. Da jedoch die Stärke des Flügelblatts entsprechend der vorliegenden Erfindung im überwiegenden Teil seiner Flügeltiefe wesentlich reduziert ist, ist das gesamte Flügelblatt wesentlich leichter als dickere Flügelblätter nach dem bekannten Stand der Technik und zeigt trotzdem die gleichen Strömungseigenschaften. Damit besitzt das Flügelblatt entsprechend der vorliegenden Erfindung die Vorteile eines dicken Flügelblatts, also einen verringerten Geräuschpegel, ist jedoch viel leichter als herkömmliche dicke Flügelblätter, wodurch die Herstellungskosten sinken und der Wirkungsgrad steigt.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen befindet sich die erwähnte Ecke in einer Entfernung von der Vorderkante, die zwischen 5 % und 10 % der gesamten Flügeltiefe des Flügelblatts liegt, wobei die Stärke des Flügelblatts im wesentlichen konstant ist für den Teil des Flügelblatts zwischen der Ecke und der Hinterkante und wobei die Stärke des ersten Abschnitts des Flügelblatts, in welchem sich der Abstand zwischen der Druckfläche und der Saugfläche zunächst vergrößert, zwischen der Vorderkante und der Ecke etwa doppelt so groß ist wie die Stärke des zweiten Abschnitts zwischen der Ecke und der Hinterkante.
Bevorzugt ist auch der Einbau mindestens einer Führungsrippe im Abschnitt der Druckfläche, der in Strömungsrichtung hinter der Ecke, von welcher im Betrieb die Strömung getrennt wird, liegt, wodurch die Luftströmung an der Grenzfläche dieses Abschnitts der Druckfläche gesteuert wird. Die Führungsrippe kann etwa parallel zu einer Linie verlaufen, die sich von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt, und liegt im wesentlichen im rechten Winkel auf der Druckfläche. Die Führungsrippe kann sich entlang der Druckfläche von der Ecke bis zur Hinterkante erstrecken. Es werden mindestens zwei und auch in der bevorzugten Variante zwei Führungsrippen eingesetzt.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 2A zeigt eine Querschittdarstellung eines Flügelblatts entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B zeigt die Luftströmung entlang des Flügelblatts aus Fig. 2A;
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus dem Flügelblatt aus Fig. 2A und
Fig. 4 ist eine Perspektivdarstellung eines Ausschnitts aus dem Flügelblatt aus Fig. 2A.
Bezugnehmend auf Fig. 2A, besteht das Flügelblatt 30 aus einer Vorderkante 32, einer Hinterkante 34 und zwei im wesentlichen parallelen Flächen 36 und 38, von denen die eine Fläche 36 die Saugfläche und die andere Fläche 38 die Druckfläche ist. Die Druckfläche 38 weist eine scharfe Ecke 40 auf, an der die Druckfläche 38 zur Saugfläche 36 divergiert bzw. sich zu dieser Saugfläche 36 biegt, wodurch ein dicker ''Nasenabschnitt" 41 und ein Abschnitt mit reduzierter Stärke 42 entstehen. Der Abstand zwischen der Ecke 40 und der Vorderkante 32 beträgt zwischen 5 % und 10 % der Flügeltiefe des Flügelblatts. Die gestrichelte Linie in Fig. 2A zeigt die Druckfläche bei einem Flügelblatt nach dem bekannten Stand der Technik (siehe Fig. 1).
Fig. 2B zeigt die Luftströmung entlang des Flügelblatts 30. Ein Luftstrom 43 trifft an der Vorderkante 32 auf das Flügelblatt 30 und teilt sich in zwei Strömungen 44 und 46 auf. Die eine Luftströmung 44 verläuft entlang der Saugfläche 36. Die andere Strömung 46 verläuft jedoch nicht entlang der Druckfläche 38, sondern trennt sich an der Ecke 40 von der Druckfläche 38. Diese Strömung 46 folgt statt dessen einem Weg, der sehr stark dem Weg ähnelt, den die Strömung 20 in Fig. 1B nimmt. Deshalb weist das Flügelblatt 30 im wesentlichen die gleichen Strömungseigenschaften auf wie das in Fig. 1 gezeigte Flügelblatt.
Um sicherzustellen, daß sich die Strömung 46 von der Druckfläche 38 trennt, muß der Winkel, mit dem die Druckfläche 38 an der Ecke 40 divergiert, größer als ein Grenzwertwinkel sein. Wenn die Biegung zu allmählich verläuft, wird die Strömung 46 zwar an der Ecke 40 abgelenkt, bleibt aber dicht an der Druckfläche 38, was zu erhöhter Belastung und erhöhtem Geräuschpegel führt. Bezugnehmend auf Fig. 3, verläuft in der bevorzugten Ausführungsform die Ecke 40 mit einem Winkel θ von mindestens 30º. Der Winkel θ wird zwischen den Linien gemessen, welche die Druckfläche 38 auf jeder Seite der Ecke 40 tangieren.
Wenn auch die überwiegende Mehrheit der Strömung 46 den in Fig. 2B gezeigten Weg nimmt, gibt es jedoch eine gewisse Luftmenge, die dicht am Abschnitt mit reduzierter Stärke 42 der Druckfläche 38 entlang strömt. Diese "Grenzschicht"-Strömung kann entlang der Druckfläche 38 auch in einer Richtung verlaufen, die nicht in Richtung Hinterkante 34 geht. Diese Strömung der Grenzschicht kann die Leistungsfähigkeit des Ventilators beeinträchtigen, das heißt, die außen verlaufende Strömung unterbrechen.
In Fig. 4 wird eine Perspektivansicht eines Abschnitts des Flügelblatts 30 gezeigt, das an einem Teilabschnitt einer Ventilatornabe 49 befestigt ist, welche mehrere Flügelblätter trägt (nicht dargestellt). Zwei Führungsrippen 50 verlaufen von der Druckfläche 38 über den Abschnitt mit reduzierter Stärke 42 von der Ecke 40 zur Hinterkante 34. Die Führungsrippen 50 lenken die Grenzschichtluftströmung wieder gegen die Hinterkante 34 zurück, so daß die Grenzschichtströmung nicht mit der außen verlaufenden Strömung in Konflikt gerät. Auf der gesamten Länge des Flügelblatts 30 können mehrere Führungsrippen untergebracht werden.

Claims

1.Flügelblatt (30), bestehend aus einer Saugfläche (36) und einer Druckfläche (38), wobei diese Flächen an der Vorderkante (32) und an der Hinterkante (34) des Flügelblatts (30) miteinander verbunden sind, und das Flügelblatt (30) dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die Druckfläche (38) in Richtung Vorderkante (32) zur Hinterkante (34) zunächst von der Saugfläche (36) entfernt und anschließend abrupt mit einem ungefähren Winkel von mindestens 30º wieder der Saugfläche (36) annähert und somit eine Ecke (40) auf der Druckfläche (38) entsteht; daß es in dieser Ecke (40) eine abrupte Änderung in der Neigung der Druckfläche (38) gibt, wobei die Ecke (40) beim Einsatz bewirkt, daß eine von der Vorderkante (32) kommende und über die Druckfläche (38) verlaufende Luftströmung sich an dieser Ecke (40) von der Druckfläche (38) trennt und in einem Abschnitt der Druckfläche (38) wieder auf die Druckfläche (38) auftrifft, der wesentlich näher zur Hinterkante (34) liegt.

2. Flügelblatt entsprechend Anspruch 1, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß sich die erwähnte Ecke (40) in einer Entfernung von der Vorderkante (32) befindet, die zwischen 5 % und 10 % der gesamten Flügeltiefe des Flügelblatts (30) liegt.

3. Flügelblatt entsprechend Anspruch 1 oder Anspruch 2, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Flügelblatts (30) in dem Abschnitt zwischen der Ecke (40) und der Hinterkante (34) im wesentlichen konstant ist.

4. Flügelblatt entsprechend allen bisherigen Ansprüchen, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des ersten Abschnitts (41) des Flügelblatts (30), in dem sich die Druckfläche (38) zunächst von der Saugfläche (36) entfernt, zwischen der Vorderkante (32) und der Ecke (40) etwa doppelt so groß ist wie die Stärke des zweiten Abschnitts (42) zwischen der Ecke (40) und der Hinterkante (34).

5. Flügelblatt entsprechend allen bisherigen Ansprüchen, dessen Druckfläche (38) mindestens eine Führungsrippe (50) in einem Abschnitt der Druckfläche (38), aufweist, der in Strömungsrichtung hinter der Ecke (40), von welcher im Betrieb die Strömung getrennt wird, Iiegt, wodurch die Luftströmung an der Grenzfläche dieses Abschnitts der Druckfläche (38) gesteuert wird.

6. Flügelblatt entsprechend Anspruch 5, des weiteren dadurch gekennzeichnet daß die Führungsrippe (50) im wesentlichen im rechten Winkel auf der Druckfläche (38) verläuft.

7. Flügelblatt entsprechend Anspruch 5 oder Anspruch 6, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrippe (50) etwa parallel zu einer Linie verläuft, die sich von der Vorderkante (32) zur Hinterkante (43) erstreckt.

8. Flügelblatt entsprechend den Ansprüchen 5 bis 7, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Führungsrippen (50) eingesetzt werden.

9. Flügelblatt entsprechend den Ansprüchen 5 bis 8, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrippe (50) entlang der Druckfläche (38) von der Ecke (40) zur Hinterkante (34) verläuft.