DE69023657T2 - Verbessertes Axialströmungsrad. - Google Patents

Description

• Eine Vielzahl von Axiallüfter-Flügelrädern oder Gebläse-Bauarten werden in Kraftfahrzeug-Kühlern und ähnlichen Wärmetauschern verwendet, von denen einige Bauarten im allgemeinen zufriedenstellen, jedoch konnte keine Ausführungsform allen Anforderungen insgesamt gerecht werden.
• Die Erfindung betrifft daher ein Axiallüfter-Flügelrad zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug-Kühler, einem Wärmetauscher od. ähnl., mit einer um eine Achse drehbaren Nabe mit einer Vielzahl von einstückigen, gleichartigen und mit an ihrem Umfang im Abstand voneinander angeordneten radial nach außen stehenden Luft bewegenden Flügelblättern, von denen jedes einen an die Nabe angeformten Wurzelendbereich und einen radial außen liegenden Spitzenendbereich mit schwach gekrümmten Seitenkanten zwischen Wurzel und Spitze aufweist, wobei das Flügelrad in einer Richtung vorwärtsdrehend ist und die Seitenkanten je eine Vorderkante und eine Hinterkante umfassen, von denen erstere vom Wurzelendbereich zum Spitzenendbereich hin gesehen im wesentlichen in Drehrichtung gekrümmt sind, so daß die projizierte Breite jedes Flügelblattes im Spitzenendbereich mindestens 40% größer als im Wurzelendbereich ist, und jedes Flügelblatt eine ihr Maximum im Wurzelendbereich aufweisende, zum Spitzenendbereich sich ändernde Dicke aufweist und die Dicke am Spitzenendbereich mindestens das Dreifache der Dicke an der Hinterkante beträgt, wobei ein mit den Spitzenenden eines jeden Flügelblattes einstückig verbundener Düsenring vorgesehen ist, der alle Flügelblätter ringförmig umschließt und stromauf und stromab liegende Enden sowie an einem Ende einen Flansch aufweist mit einem im wesentlichen stufenlosen Krüinmungsradius an der Verbindungsstelle zum Düsenring. Ein derartiges Axiallüfter-Flügelrad ist durch das US- Patent A-4 ,900,229 bekannt geworden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, solche Axiallüfter- Flügelräder so zu verbessern, daß sie den konstruktiven Anforderungen wie geringe Geräuscherzeugung, hohe aerodynamische Leistung bei geringem Materialeinsatz bei kostengünstiger Fertigung durch einen ausgewogenen Kompromiß entsprechen.
• Ausgehend von einem Axiallüfter-Flügelrad der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung bei einem Axiallüfter-Flügelrad der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Dicke jedes Flügelblattes vom Bereich des Wurzelendes auf ein Minimum am Spitzenende hin abnimmt und daß die Reduzierung der Dicke jeweils derart gewählt ist, daß die maximale Flugelblattdicke in jedem Profilbereich bestimmt ist gemäß
• Ts = Tmax (rs/rWurzel)x, wobei
• Ts = Flügelblattdicke am gemessenen Profilbereich s;
• Tmax = maximale Flügelblattdicke im Bereich der Wurzelspitze;
• rs = Radiusverhältnis x im Profilbereich s;
• rWurzel = Profilradius am Wurzelendbereich des Flügelblattes und
• x = Bereich von 1,0 bis 0,5 (ein dem Minimumwert zugeordneter Wert, so daß der Minimumwert von Ts nicht kleiner ist als das Dreifache der Dicke der Hinterkante des Flügelblatts).
• Vorzugsweise ist die Breite der Flügelblattfläche am Spitzenendbereich etwa 40% bis 80% größer als am Wurzelendbereich.
• Nach einem weiteren Merkmal ist der Düsenring, wie dargestellt, am Ende stromauf und stromab etwa glockenförmig ausgebildet.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
• Es zeigen
• Fig. 1 eine rückwärtige Teilansicht des erfindungsgemäßen Axiallüfter-Flügelrads und
• Fig. 2 eine Teilansicht des Flügelrades von der Seite gemäß Fig. 1.
• In der Fig. 1 ist eine Nabe teilweise dargestellt und trägt das Bezugszeichen 10. Die Nabe 10 wird über die Abtriebswelle eines Elektromotors, den Riementrieb eines Verbrennungsmotors oder ähnlichem angetrieben und bildet die Abstützung für eine Vielzahl von Luft bewegenden Flügelblättern. Ein solches Flügelblatt ist bei 12 dargestellt und ein weiteres teilweise bei 12a. Das dargestellte Axiallüfter-Flügelrad trägt neun (9) identische am Umfang jeweils in gleichem Abstand voneinander angeordnete Flügelblätter, von denen jedes von der Nabe 10 radial nach außen ragt. Das Axiallüfter-Flügelrad ist vorzugsweise ein Kunststoff- Formteil, wobei die Nabe 10 und die Flügelblätter 12 einstückig geformt sind. Das bedeutet, daß je ein Wurzelendbereich eines jeden Flügelblattes 12 an die Nabe 10 angeformt ist und daß jedes Flügelblatt von der Nabe radial bis zur Spitze 18 vorsteht.
• Ein Wurzelendbereich eines der Flügelblätter 12 ist bei 14 dargestellt, insbesondere in Fig. 2. Der Wurzelendbereich 14 jedes Flügelblattes 12 ist in bezug auf die Drehachse 16 geneigt, d.h. unter einem Steigungswinkel angeordnet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, nimmt der Steigungswinkel vom Wurzelendbereich zum Spitzenendbereich 18 des Blattes 12 hin ab.
• Jedes Flügelblatt 12 besitzt schwach gekrümmte Seitenkanten, die sich vom Wurzelendbereich 14 zum Spitzenendbereich 18 erstrecken, die insbesondere eine Vorderkante 20 und eine Hinterkante 22 bilden. Das Flügelrad gemäß der Erfindung ist in einer Richtung drehend und zwar entgegen dem Uhrzeigersinn, wie in der Fig. 1 durch den Richtungspfeil 24 dargestellt.
• Die Vorderkante jedes Flügelblattes 12 des erfindungsgemäßen Flügelrades ist im wesentlichen vorwärts gekrümmt, vom Wurzelendbereich zum Spitzenendbereich hin gesehen und die Breite des Flügelblattes nimmt vom Wurzel- zum Spitzenendbereich wesentlich zu. Das heißt, daß die Hinterkante jedes Flügelblattes 12 vorzugsweise in etwa radial verläuft, wie in Fig. 1 dargestellt, so daß die Breite des Flügelblattes oder die ''Sehne" infolge der Vorwärtskrümmung der Vorderkante 20 beträchtlich zunimmt. Vorzugsweise steigt die projizierte Breite über die gesamte Blattlänge um mindestens 40% an und beträgt entsprechend der Zeichnung im wesentlichen im Spitzenendbereich das Doppelte als im Wurzelendbereich, was einer 100% höheren Breite entspricht. Die Vorwärtskrümmung der Vorderkante des Flügelblattes findet sich vor allem in einem radial nach außen gerichteten Teil des Blattes. Somit befindet sich der Hauptteil der Vorwärtskrümmung an der Vorderkante jedes Flügelblattes in der außen liegenden Hälfte der Flügelblattfläche, insbesondere im außen liegenden Drittel der Flügelblattfläche, jeweils gemessen vom Wurzelendbereich zum Spitzenendbereich.
• Die Vorwärtskrümmung der Vorderkante jedes Flügelblattes 12 verbessert den zeitlichen Abstand der Anströmung jedes radialen Punktes entlang dem äußeren Bereich der Vorderkante. Dies führt zu einer erheblichen Verringerung der Geräuscherzeugung.
• Bei der Betrachtung der Fig. 2 ist festzustellen, daß sich die Dicke des Flügelblattes vom Wurzel- zum Spitzenendbereich hin signifikant ändert und dort wesentlich geringer ist. Die Änderung der Dicke ist so ausgelegt, daß die Belastung der Flügelblätter minimiert wird und gleichzeitig ein möglichst geringer Materialeinsatz gegenüber einem Flügelblatt durchgehend gleicher Dicke und gleicher Festigkeit erreichbar ist. Die maximale Flügelblattdicke Tmax im Bereich der Wurzelspitze des Flügelblattes ist sorgfältig ausgewählt, ebenso wie die einzelnen Profildicken entlang der Länge des Flügelblattes vom Wurzel- zum Spitzenendbereich hin. Die Flügelblattdicke Ts in jedem Profilbereich ergibt sich demnach wie folgt:
• Ts = Tmax(rs/rWurzel)x, wobei
• Ts = die Flügelblattdicke am gemessenen Profilbereich s,
• Tmax = die maximale Flügelblattdicke im Bereich des Wurzelendbereichs,
• Rs = das Radiusverhältnis x im Profilbereich s
• rWurzel = der Profilradius am Wurzelendbereich
• x = der Bereich von 1,0 bis 0,5 (ein zugeordneter Wert, so daß der Minimumwert von Ts nicht kleiner ist als das Dreifache der Dicke der Hinterkante des Flügelblattes)
• Damit der Minimumwert der Flügelblattdicke Ts nicht weniger als das Dreifache der Dicke der Flügelkante beträgt, wird für x ein Wert zwischen 1,0 und 0,5, wie angegeben, gewählt. Eine Beschränkung auf das Dreifache der Flügelblattdicke ist wünschenswert, doch liegt auch das Vierfache noch im Bereich des Erfindungsgedankens.
• Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, wandern die Mittelpunkte der Flügelblattsehnen infolge der Vorwärtskrümmung der Vorderkanten der Flügelblätter progressiv in Vorwärtsrichtung ausgehend vom Wurzelendbereich zum Spitzenendbereich . Daher gibt das Maß x in Fig. 2 demnach in etwa die Wanderung aller Mittelpunkte der Flügelblattsehnen vom Wurzel- zum Spitzenendbereich wieder.
• Schließlich ist das Lüfter-Flügelrad erfindungsgemäß auch mit einem Düsenring, mit 26 bezeichnet, versehen. Der Düsenring 26 weist an seinem einen Ende einen Flansch auf, der einen stufenlosen Krümmungsradius mit dem übrigen Teil des Ringes bildet. Der Düsenring 26 ist einstückig mit dem außen liegenden Ende 18 des dargestellten Flügelblattes 12 verbunden, was für alle neun Flügelblätter des Flügelrades gilt, so daß alle Flügelblätter ringförmig umschlossen sind. Aus Fig. 2 ist klar ersichtlich, daß das Flügelrad stromauf und stromab liegende Kanten oder Enden aufweist, die in etwa glockenförmig ausgebildet sind. Hierdurch wird ein sanftes An- bzw. Abströmen der Luft in bzw. von den Flügelblättern erreicht, so daß Luftverluste im Bereich der jeweils benachbarten Flügelblattspitzen vermieden werden. Selbstverständlich kann die Außenfläche des Düsenringes in der Form an ein zugeordnetes Gehäuse oder eine andere Öffnung, in die das Flügelrad zu montieren ist, angepaßt werden. Die Toleranzabstände zwischen den bewegten und stationären Flächen am äußeren Radius des Ringes sind nach den üblichen Fertigungstoleranzen bei Massenfertigungen wählbar. Bei dieser Anordnung wird eine bessere Luftdichtigkeit (air seal) erreicht als dies mit herkömmlichen Flügelradformen ohne Düsenring, jedoch mit engen Fertigungstoleranzen, erreichbar ist. Das bedeutet, daß ein Abstand von 0,254 cm (0.10") beim Düsenring einem Abstand von 0.013 cm (0.005") ohne Düsenring entspricht.
• Wie erwähnt, ist das erfindungsgemäße Axiallüfter- Flügelrad geräuscharm im Betrieb, hat einen maximalen aerodynamischen Wirkungsgrad, weist eine verbesserte mechanische Festigkeit auf und reduziert den Materialeinsatz bei der Fertigung auf ein Minimum. Durch die Änderung der Dicke wird die Beanspruchung der Flügelblätter minimiert und gleichzeitig der Materialeinsatz verringert. Der zusätzlich vorgesehene Düsenring, in dem die verhältnismäßig dünnen Blattprofile enden, verleiht den Flügelblättern radiale Steifigkeit und erfüllt außerdem seine Hauptfunktion, nämlich Vermeiden von Luftverlust an den Blattspitzen. Die Verringerung des Luftverlustes an den Blattspitzen wirkt sich unmittelbar auf eine höhere aerodynamische Leistung aus und infolge der verringerten Verwirbelung im Bereich der Blattspitzen ist auch die Geräuscherzeugung geringer.

Claims (6)

1. Axiallüfter-Flügelrad zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug-Kühler, einem Wärmetauscher od.ähnl., mit einer um eine Achse (16) drehbaren Nabe (10) mit einer Vielzahl von einstückigen, gleichartigen und mit an ihrem Umfang im Abstand voneinander angeordneten radial nach außen stehenden Luft bewegenden Flügelblättern (12, 12a), von denen jedes einen an die Nabe (10) angeformten Wurzelendbereich (14) und einen radial außen liegenden Spitzenendbereich (18) mit schwach gekrümmten Seitenkanten (20,22) zwischen Wurzel und Spitze aufweist, wobei das Flügelrad in einer Richtung vorwärtsdrehend (24) ist und die Seitenkanten je eine Vorderkante (20) und eine Hinterkante (22) umfassen, von denen erstere vom Wurzelendbereich (14) zum Spitzenendbereich (18) hin gesehen im wesentlichen in Drehrichtung gekrümmt sind, so daß die projizierte Breite jedes Flügelblattes im Spitzenendbereich (14) mindestens 40% größer als am Wurzelendbereich (14) ist, und jedes Flügelblatt eine ihr Maximum im Wurzelendbereich aufweisende, zum Spitzenendbereich sich ändernde Dicke aufweist und die Dicke am Spitzenendbereich (18) mindestens das Dreifache der Dicke an der Hinterkante (22) beträgt, wobei ein mit den Spitzenenden (18) eines jeden Flügelblattes einstückig verbundener Düsenring (26) vorgesehen ist, der alle Flügelblätter (12,12a) ringförmig umschließt und stromauf und stromab liegende Enden sowie an einem Ende einen Flansch aufweist mit einem im wesentlichen stufenlosen Krümmungsradius an der Verbindungsstelle zum Düsenring, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Fügelblattes vom Bereich des Wurzelendes (14) auf ein Minimum am Spitzenende (18) hin abnimmt und daß die Reduzierung der Dicke jeweils derart gewählt ist, daß die maximale Flügelblattdicke in jedem Profilbereich bestimmt ist gemäß

Ts = Tmax (rs/rWurzel)x, wobei

Ts der Flügelblattdicke am gemessenen Profilbereich s;

Tmax der maximalen Flügelblattdicke im Bereich der Wurzelspitze;

rs dem Radiusverhältnis x im Profilbereich s;

rWurzel dem Profilradius am Wurzelendbereich des Flügelblattes und

x dem Bereich von 1,0 bis 0,5 (ein dem Minimumwert zugeordneter Wert, so daß der Minimumwert von Ts nicht kleiner ist als das Dreifache der Dicke der Hinterkante des Flügelblatts)

entsprechen.

2. Axiallüfter-Flügelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterkanten (22) sich etwa annähernd entlang von radialen Linien erstrecken, so daß die Mittelpunkte der Flügelblattsehnen progressiv in Vorwärtsrichtung ausgehend vom Wurzelendbereich (14) zum Spitzenendbereich (18) infolge der Vorwärtskrümmung der Vorderkanten (20) der Flügelblatter wandern.

3. Axiallüfter-Flügelrad nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärtskrümmung jeder Vorderkante (20) des Flügelblattes derart verläuft, daß die Breite der Flügelblattfläche am Spitzenendbereich (18) etwa 40% bis 80% größer ist als am Wurzelendbereich (14).

4. Axiallüfter-Flügelrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wurzelendbereich (14) jedes Flügelblattes unter einem Steigungswinkel in bezug auf die Achse (16) angeordnet ist und daß der Steigungswinkel vom Wurzelendbereich (14) zum Spitzenendbereich (18) des Flügelblattes hin abnimmt.

5. Axiallüfter-Flügelrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptteil der Vorwärtskrümmung an der Vorderkante (20) jedes Flügelblattes in der außen liegenden Hälfte der Flügelblattfläche, gemessen vom Wurzelendbereich (14) zum Spitzenendbereich (18) hin, liegt.

6. Axiallüfter-Flügelrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil der Vorwärtskrümmung an der Vorderkante jedes Flügelblattes im außen liegenden Drittel der Flügelblattfläche gemessen vom Wurzelendbereich (14) zum Spitzenendbereich (18) hin, liegt.