EP0096255A1 - Elektromotorisch angetriebener Axialventilator, insbesondere für Kraftfahrzeug-Kühlerventilatoren - Google Patents

Elektromotorisch angetriebener Axialventilator, insbesondere für Kraftfahrzeug-Kühlerventilatoren Download PDF

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EP0096255A1
EP0096255A1 EP83104922A EP83104922A EP0096255A1 EP 0096255 A1 EP0096255 A1 EP 0096255A1 EP 83104922 A EP83104922 A EP 83104922A EP 83104922 A EP83104922 A EP 83104922A EP 0096255 A1 EP0096255 A1 EP 0096255A1
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impeller
hub
axial fan
outer diameter
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
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    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/325—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow fans

Definitions

  • the invention relates to a stator-less axial fan, in particular for motor vehicle radiator fans driven by an electric motor, according to the preamble of patent claim 1.
  • Axial fans of the aforementioned type were mainly used as cooling fans in motor vehicles in the past;
  • the impellers of these axial fans consisted of non-twisted, slightly curved sheets with two beads, each riveted to a star-shaped hub body.
  • Such impellers have largely been replaced in the course of time by high-quality plastic impellers with twisted plastic impeller blades and profiled blade cuts.
  • the efficiency 2 LSt that can be achieved with the known axial fans described above. is in the unfavorable installation conditions in a motor vehicle with a relatively large gap between the impeller and guide ring and not optimally designed guide devices at values of maximum 40%.
  • the object of the present invention is to provide an axial fan which is driven by an electric motor and which, despite being technically and structurally simple in construction, gives a lower power-to-weight ratio.
  • the object is achieved in an axial fan of the type specified in the preamble of claim 1 or in the preamble of claim 2 according to the invention by the teaching according to the characterizing part of claim 1 or claim 2.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • an axial fan designed according to the invention assuming the same unfavorable installation conditions and the same materials as well as a constant strength with its surface which is significantly smaller than that of conventional impellers and which is simple at the same time as the impeller hub, in particular as a one-piece injection-molded plastic part blades that can be produced with a weight reduction of 30 - 40% enables the impeller efficiency ⁇ LSt to be increased to 45%.
  • the combination of low weight and good strength can be further improved if a value is selected for the design parameter D N (hub diameter) that is in the range 0.3 ... 0.4 D 2 , where D 2 represents the value of the selected outer diameter of the impeller.
  • the construction parameters d max (greatest blade thickness at the front edge of the blade) or.
  • d min (greatest blade thickness at the rear edge of the blade) a value selected from the following range: d max ⁇ 0.01 D 2 ; d min ⁇ 1/2 d max .
  • the overall power-to-weight ratio of the axial fan can be reduced even further in an advantageous manner that, in the case of a cup-shaped hub of the impeller, radially extending ribs within this hub and in each case between the radially inner ends of the ribs in the end face of the cup-shaped hub are provided with ventilation openings such that an air flow sucked in by the driven impeller through the ventilation openings accelerates in the area of the ribs in the radial direction and on the inside of the cylindrical wall of the cup-shaped hub axially against the surface of the drive motor is deflected.
  • these ribs are also made in one piece with the remaining part of the impeller as an injection molded part with moldings which can only be pulled in one direction;
  • Such an impeller contributes to the uniform success of a low power-to-weight ratio of the axial fan both through its advantageous blade construction and through its cooling technology-appropriate hub construction.
  • Fig. 1 shows an electric drive motor 1 of an axial fan, on the free shaft end 11, an impeller 2 is fixedly mounted.
  • the entire axial fan is e.g. held in a guide device of a motor vehicle (not shown) by means of screws 3 and via three mounting brackets 4 fastened to the housing of the drive motor 1.
  • the impeller 2 has a cup-shaped hub 21 fastened on the shaft end 11 of the drive motor 1, with an end face 212 and a cylindrical wall 211; on the outside of the cylindrical landing 211 are arranged in a star shape and five blades 22 are integrally formed on the circumference in one piece.
  • Radially projecting ribs 214 are also integrally formed within the cup-shaped hub 21, likewise uniformly distributed over the circumference.
  • Ventilation openings 213 are provided in each case between the radial inner ends of the ribs 214 in the end face 212 of the cup-shaped hub 21, such that an air flow sucked in by the driven impeller 2 accelerates in the area of the ribs 214 in the radial direction and then on the inside of the cylindrical wall 211 the cup-shaped hub 21 is deflected axially against the surface of the drive motor 1.
  • the ribs 214 formed inside the hub 21 of the impeller 2 behave together with the ventilation openings 213 in the end face 211 of the hub 21 like a radial fan.
  • the impeller 2 is determined by the following design parameters:
  • the blade length 1 can first be determined for a specific impeller, taking into account the ranges specified for the respective construction parameters, for example starting from a selected outer diameter D 2 of the impeller; taking into account the proposed parameter value for the constant angle of attack ß s , the arcs R su and R can then be determined for the radii of curvature of the underside and top of the blade, taking into account the maximum and minimum wall thickness of the blade (d max and d min ).
  • the blades defined in this way with the aid of the two circular arc lines are then to be rounded off only in the region of the front edge or the rear edge in the transition between the lower and upper radius of curvature from the previously described circular arc lines, but adapted to these.

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Abstract

Zur Minderung des Leistungsgewichtes des Axialventilators, insbesondere zur einfacheren Fertigung und Gewichtsverminderung des Laufrades sind unverwundene Schaufeln (22) mit einem Schaufelprofil vorgesehen, das insbesondere durch eine untere und eine obere Kreisbogenlinie: und eine Schaufellänge: gekennzeichnet ist: die übrigen Konstruktionsparameter liegen vorteilhafterweise jeweils in folgenden Bereichen: DN (Nabendurchmesser) = 0,3 ... 0,4 D2; dmax <= 0,01 D2; dmin < 1/2 dmax. Zur besseren Kühlung des Elektro-Antriebsmotors sind an der Innenseite der Nabe (21) des Laufrades (2) gleichzeitig radial verlaufende Rippen (214) und in der Stirnseite der Nabe Lüftungsöffnungen (213) in der Nähe des Motorwellenendes (11) vorgesehen, derart daß die angesaugte Kühlluft zunächst radial beschleunigt und dann an der Innenseite der Nabe zum Antriebsmotor (1) hin axial umgelenkt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen leitradlosen Axialventilator, insbesondere für elektromotorisch angetriebene Kraftfahrzeug-Kühlerventilatoren, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Axialventilatoren der vorgenannten Art wurden vorwiegend in früheren Zeiten in Kraftfahrzeugen als Kühlerventilatoren verwendet; die Laufräder dieser Axialventilatoren bestanden aus unverwundenen, leicht gewölbten und mit zwei Sicken versehenen Blechen, die jeweils auf einem sternförmig ausgebildeten Nabenkörper aufgenietet waren. Der konstante Anstellwinkel von unverwundenen Schaufeln eines Axialventilator-Laufrades wird gemäß üblichen Auslegungsrichtlinien im Bereich ßs = ca. 160...240 liegen. Derartige Laufräder wurden im Laufe der Zeit weitgehend durch hochwertigere Kunststofflaufräder mit verwundenen Kunststoff-Laufradschaufeln und profilierten Schaufelschnitten abgelöst. Der bei den bekannten, zuvor beschriebenen Axialventilatoren erreichbare Wirkungsgrad 2 LSt. liegt bei den in einem Kraftfahrzeug gegebenen ungünstigen Einbauverhältnissen mit einem relativ großen Spalt zwischen Laufrad und Leitring und nicht optimal ausgebildeten Leitvorrichtungen bei Werten von maximal 40 %.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen von einem Elektromotor angetriebenen Axialventilator zu schaffen, der trotz fertigungstechnisch und konstruktiv einfachen Aufbaus ein geringeres Leistungsgewicht ergibt. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Axialventilator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. im Oberbegriff des Anspruchs 2 angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Lehre gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß ein erfindungsgemäß ausgebildeter Axialventilator unter Annahme gleich ungünstiger Einbauverhältnisse und gleicher Werkstoffe sowie einer gleichbleibenden Festigkeit mit seinen gegenüber herkömmlichen Laufrädern eine wesentlich geringere Oberfläche aufweisenden und auf einfache Weise gleichzeitig mit der Laufradnabe, insbesondere als einstückiges Kunststoff-Spritzgußteil, herstellbaren Schaufeln bei einer Gewichtsverminderung von 30 - 40 % eine Erhöhung des Laufradwirkungsgrades ηLSt auf 45 % ermöglicht.
  • Die Kombination zwischen geringem Gewicht und gleichzeitig guter Festigkeit läßt sich dann noch weiter verbessern, wenn jeweils für den Konstruktionsparameter DN (Nabendurchmesser) ein Wert gewählt wird, der im Bereich 0,3...0,4 D2 liegt, wobei D2 den Wert des gewählten Außendurchmessers des Laufrades darstellt.
  • Bei einem aus Kunststoff gespritzten Laufrad werden im Sinne vorliegender Erfindung zweckmäßigerweise für die Konstruktionsparameter dmax (größte Schaufeldicke an der Vorderkante der Schaufel)bzw. dmin (größte Schaufeldicke an der Hinterkante der Schaufel) jeweils ein Wert aus folgendem Bereich gewählt: dmax≤0,01 D2; dmin<1/2 dmax.
  • Das gesamte Leistungsgewicht des Axialventilators läßt sich dadurch noch weiter in vorteilhafter Weise nindern, daß bei einer topfförmigen Nabe des Laufrades innerhalb dieser Nabe radial verlaufende Rippen und jeweils zwischen der radial inneren Enden der Rippen in der Stirnseite der topfförmigen Nabe Lüftungsöffnungen vorgesehen sind, derart daß ein durch das angetriebene Laufrad durch die Lüftungsöffnungen angesaugter Luftstrom im Bereich der Rippen in radialer Richtung beschleunigt und an der Innenseite der zylindrischen Wandung der topfförmigen Nabe axial gegen die Oberfläche des Antriebsmotors umgelenkt ist. Zweckmäßigerweise werden diese Rippen ebenfalls einstückig mit dem übrigen Teil des Laufrades als Spritzgußteil mit nur in einer Richtung ziehbaren Formteilen hergestellt; ein derartiges Laufrad trägt sowohl durch seine vorteilhafte Schaufelkonstruktion als auch durch seine kühlungstechnische zweckmäßige Nabenkonstruktion zu dem einheitlichen Erfolg eines geringen Leistungsgewichtes des Axialventilators bei.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • Fig. 1 eine Seitenansicht des Axialventilators mit im Schnitt dargestellten Laufrad gemäß Schnittverlauf I-I in Fig. 2,
    • Fig. 2 eine stirnseitige Draufsicht auf das Laufrad,
    • Fig. 3 eine Seitenansicht des Laufrades gemäß Fig. 2 mit geschnittener Laufradschaufel gemäß Schnittverlauf III-III.
  • Fig. 1 zeigt einen elektrischen Antriebsmotor 1 eines Axialventilators, auf dessen freiem Wellenende 11 ein Laufrad 2 fest montiert ist. Der gesamte Axialventilator ist z.B. mittels Schrauben 3 und über drei am Gehäuse des Antriebsmotors 1 befestigte Haltewinkel 4 in einer hier nicht dargestellten Leitvorrichtung eines Kraftfahrzeuges gehalten.
  • Das Laufrad 2 weist eine auf dem Wellenende 11 des Antriebsmotors 1 befestigte topfförmige Nabe 21 mit einer Stirnfläche 212 und einer zylindrischen Wandung 211 auf; an der Außenseite der zylindrischen Landung 211 sind sternförmig angeordnet und am Umfang gleichmäßig verteilt fünf Schaufeln 22 einstückig mitangeformt. Innerhalb der topfförmigen Nabe 21 sind weiterhin, ebenfalls am Umfang gleichmäßig verteilt, radial abstehende Rippen 214 einstückig mitangeformt. Jeweils zwischen den radialen inneren Enden der Rippen 214 sind in der Stirnseite 212 der topfförmigen Nabe 21 Lüftungsöffnungen 213 vorgesehen, derart daß ein durch das angetriebene Laufrad 2 angesaugter Luftstrom im Bereich der Rippen 214 in radialer Richtung beschleunigt und dann an der Innenseite der zylindrischen Wandung 211 der topfförmigen Nabe 21 axial gegen die Oberfläche des Antriebsmotors 1 umgelenkt wird. Die innerhalb der Nabe 21 des Laufrades 2 angeformten Rippen 214 verhalten sich zusammen mit den Lüftungsöffnungen 213 in der Stirnseite 211 der Nabe 21 wie ein Radialventilator. In diesem Sinne ist insbesondere darauf zu achten, daß die Lüftungsöffnungen 213 unter Berücksichtigung von optimalen konstruktiven und festigkeitsbedingten Gesichtspunkten einerseits und strömungsgünstiger Auslegung andererseits zusammen mit den inneren Enden der Rippen 214 möglichst nahe an das Motorwellenende 11 gelegt sind.
  • Das Laufrad 2 ist durch folgende Konstruktionsparameter bestimmt:
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
  • dabei bedeuten:
    • D2 = Außendurchmesser des Laufrades,
    • 1 = Abstandslänge zwischen vorderer und hinterer Schaufelkante,
    • DN = Nabendurchmesser des Laufrades,
    • dmax = größte Schaufeldicke,
    • dmin = kleinste Schaufeldicke,
    • Rsu = Krümmungsradius an der Schaufelunterseite,
    • Rso = Krümmungsradius an der Schaufeloberseite,
    • ßs = Anstellwinkel des Schaufelprofils, gegen Umfangsrichtung gemessen.
  • Liegen die Konstruktionsparameter eines Laufrades jeweils in dem vorgenannten Bereich, so stellt sich trotz einfachster Bauweise die erstrebte Wirkungsgradverbesserung ein.
  • Bei der Konstruktion eines erfindungsgemäßen Axialventilators kann für ein bestimmtes Laufrad unter Beachtung der für die jeweiligen Konstruktionsparameter angegebenen Bereiche z.B. von einem gewählten Außendurchmesser D2 des Laufrades ausgehend zunächst die Schaufellänge 1 bestimmt werden; unter Berücksichtigung des vorgeschlagenen Parameterwertes für den konstanten Anstellwinkel ßs können dann die Kreisbögen Rsu und Rso für die Krümmungsradien der Schaufelunterseite bzw. der Schaufeloberseite unter Berücksichtigung der maximalen und minimalen Wanddicke der Schaufel (dmax bzw. dmin) festgelegt werden. Die derart mit Hilfe der beiden Kreisbogenlinien festgelegten Schaufeln sind dann lediglich im Bereich der vorderen Kante bzw. der hinteren Kante im Übergang zwischen unterem und oberem Krümmungsradius von den zuvor beschriebenen Kreisbogenlinien abweichend, jedoch an diese verlaufend angepaßt,abzurunden.

Claims (5)

1. Leitradloser Axialventilator, insbesondere für elektromotorisch angetriebene Kraftfahrzeug-Kühlerventilatoren, mit einem auf einem Wellenende eines Antriebsmotors angeordnetem Laufrad mit auf dem Umfang seiner Nabe sternförmig angeordneten unverwundenen Schaufeln mit entsprechend konstantem Anstellwinkel B = ca. 16°...24° des Schaufelprofils, gekennzeichnet durch folgende weiteren Konstruktionsparameter:
Figure imgb0008
Figure imgb0009
Figure imgb0010
dabei bedeuten:
D2 = Außendurchmesser des Laufrades,
1 = Abstandslänge zwischen vorderer und hinterer Schaufelkante,
dmax = größte Schaufeldicke (an abgerundeter Vorderkante der Schaufel),
Rsu = Krümmungsradius an der Schaufelunterseite,
Rso = Krümmungsradius an der Schaufeloberseite,
ßs = Anstellwinkel des Schaufelprofils, gegen Umfangsrichtung gemessen.
2. Leitradloser Axialventilator, insbesondere für elektromotorisch angetriebene Kraftfahrzeug-Kühlerventilatoren, mit einem auf einem Wellenende des Antriebmotors angeordnetem Laufrad mit auf dem Umfang seiner topfförmig ausgebildeten Nabe sternförmig angeordneten Schaufeln, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb der topfförmigen Nabe (21) des Laufrades radial verlaufende Rippen (214) und jeweils zwischen den radial inneren Enden der Rippen (214) in der Stirnseite (212) der topfförmigen Nabe (21) Lüftungsöffnungen (213) vorgesehen sind, derart daß ein durch das angetriebene Laufrad (2) durch die Lüftungsöffnungen (213) angesaugter Luftstrom im Bereich der Rippen (214) in radialer Richtung beschleunigt und an der Innenseite der zylindrischen Wandung (211) der topfförmigen Nabe (21) axial gegen die Oberfläche des Antriebsmotors (1) umgelenkt ist.
3. Leitradloser Axialventilator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Konstruktionsparameter:
Figure imgb0011
dabei bedeuten:
DN = Nabendurchmesser des Laufrades,
D2 = Außendurchmesser des Laufrades.
4. Leitradloser Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende weiteren Konstruktionsparameter:
Figure imgb0012
dabei bedeuten:
D2 = Außendurchmesser des Laufrades,
dmax = größte Schaufeldicke (an Vorderkante der Schaufel), dmin = kleinste Schaufeldicke (an Hinterkante der Schaufel).
5. Leitradloser Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (2) aus einem einstückigen, nur mit in einer Entformungsrichtung ziehbaren Formteilen herstellbaren Kunststoff-Spritzgußteil besteht.
EP83104922A 1982-06-01 1983-05-18 Elektromotorisch angetriebener Axialventilator, insbesondere für Kraftfahrzeug-Kühlerventilatoren Expired EP0096255B1 (de)

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