EP1741933B1 - Laufrad und Verfahren zur Herstellung eines Laufrads - Google Patents
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- EP1741933B1 EP1741933B1 EP06013819.5A EP06013819A EP1741933B1 EP 1741933 B1 EP1741933 B1 EP 1741933B1 EP 06013819 A EP06013819 A EP 06013819A EP 1741933 B1 EP1741933 B1 EP 1741933B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04D29/02—Selection of particular materials
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
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- F04D29/281—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for fans or blowers
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/40—Organic materials
- F05D2300/43—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
Definitions
- the invention relates to an impeller, in particular a plastic impeller for a drum rotor radial fan for the heating and air conditioning of a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
- the invention also relates to a method for producing an impeller.
- Drum rotor centrifugal blowers which are used for the promotion of air in automotive heaters or automotive air conditioning systems, are often operated at the lowest possible speed level.
- the inflow to a subsequent heat exchanger should be as low as possible, the existing space, which is usually very cramped, should be used as flexible as possible.
- axially expanded spiral housings and impellers with static pressure generation in the blade channel are generally used in this case.
- the blading are backward curved, radially ending or slightly curved forward and executed with or without slight profiling.
- the flow in the blade channel triggers hereby and remains detached up to the blade channel end. Due to this type of blading very high to high speeds are necessary depending on the operating point and type of blading.
- in motor vehicle heaters or automotive air conditioning systems usually no Wegritimmten blading is used.
- drum rotor radial blowers In order to operate a drum rotor radial fan, which is used for the promotion of air, for example in motor vehicle heaters or automotive air conditioning systems, even at the lowest possible speeds, drum rotor radial blowers are known which have a forward curved blading.
- the blading is not or only slightly profiled.
- the blades are usually massively sprayed (see left part of Fig. 5 in which the flow pattern is shown in a blade channel in a conventional, non-profiled impeller, wherein on the suction side of the blades, a vortex formation can be seen).
- the EP 1 035 330 A2 discloses an impeller for a tumbler radial fan for the heating and air conditioning of a motor vehicle having a plurality of blades, which have a supporting structure made of a first plastic and are formed of a plurality of layers.
- a plastic impeller for a drum rotor radial fan for the heating and air conditioning of a motor vehicle which has a plurality of blades, wherein the blades are formed by a supporting, preferably solid, structure, sprayed onto the at least partially a soft component or in the at least partially a soft component is injected.
- the supporting structure is a first plastic which has sufficient strength
- the soft component is a second plastic which is softer.
- the second plastic is preferably a foamed plastic.
- the maximum wall thickness of the supporting structure in the region of the blades is preferably 3 mm. With such a restriction of the wall thickness distortion and shrinkage can be safely avoided, however, by a suitable choice of material of the structure forming material, a sufficient strength of the impeller can be ensured. In addition, by an appropriate choice of material of the soft component, the weight of the impeller can be reduced, so that the blower is lighter overall. Furthermore, the soft component has an acoustically absorbing effect, so that the fan is somewhat quieter than corresponding fans without a soft component.
- the soft component preferably forms at least in certain areas the profile of the blade, in particular in the strongly profiled part.
- a soft component layer is provided both on the suction and the pressure side, the ends of the blades are preferably soft component-free, whereby the soft component is additionally protected against damage during assembly.
- the blades are preferably at least partially formed as a hollow profile.
- webs may be formed in the hollow profiles to increase the rigidity. These are preferably closed on one side.
- the blades are preferably conically tapered on the frame side.
- the blades are preferably formed on the impeller hub side of the motor side cylindrical and the frame side conical, wherein they taper in the frame direction. This ensures that, despite the strong profiling in connection with the overlap by the frame, a sufficient intake cross-section is available and there is no obstruction of the Ansaugqueritess.
- the flow channel between two blades is preferably convergent on the inflow side and divergent on the outflow side, but other configurations are also possible.
- the convergent-divergent configuration of the impeller enables a substantially separation-free operation in the blade channel. It is accelerated by the strong curvature and sufficient thickness of the blade profile in the convergent region, the flow in the corresponding channel part and deflected in the direction of rotation of the impeller. In the subsequent, almost straight, divergent channel part, the flow is delayed, whereby the static pressure is increased.
- the blade channel length ratio with an inflow-side convergent and outflow-divergent configuration of the flow channel is preferably between 0.1 and 0.9, in particular between 0.15 and 0.7, particularly preferably between 0.2 and 0.6.
- the channel taper in the convergent part of the blade channel is preferably between 0.030 and 0.2, in particular between 0.04 and 0.07, particularly preferably between 0.05 and 0.06.
- the channel widening in the divergent part of the blade channel is preferably between 0.05 and 0.17, in particular between 0.09 and 0.15, particularly preferably between 0.1 and 0.14.
- the blades of the impeller are preferably formed strongly profiled. Particularly profiled blades are considered in particular, in which the ratio of profile thickness to total profile length is greater than 0.15, in particular greater than 0.2.
- the pressure-side inlet angle between 30 ° and 90 °, more preferably between 35 ° and 80 °, and the suction-side inlet angle between 25 ° and 70 °, more preferably between 30 ° and 60 °, the pressure-side exit angle between 90 ° and 175 °, more preferably between 100 ° and 165 °, and the suction-side exit angle between 90 ° and 170 °, more preferably between 100 ° and 165 °, particularly preferably in the middle region, ie in particular +/- 10 ° around the mean of the respective ranges given above, in order to achieve an optimal flow pattern without detachment as well as an optimal efficiency and a low-noise operation.
- the production of such an impeller is preferably carried out by means of plastic injection molding, wherein first the load-bearing structure injection molded from a first plastic and then or almost simultaneously injection molded at least a portion of the profiled trained blades of the impeller and / or a hollow profile by a second, softer plastic which is auf dioxide the supporting structure or injected into a formed by the supporting structure hollow profile.
- Suitable materials for the supporting structure are in particular PA or PP, but also metals.
- the soft component surrounding the supporting structure is preferably in the form of a foamed plastic, in particular S-EPS. Also very suitable is PP-EPDM.
- PUR foam, melamine foam, PE foam (use of propellant in the application), silicone foam or, with limitations, foamed elastomers can be used.
- a drum-type centrifugal fan used for the conveyance of air in an automotive air conditioner includes an impeller 1 having a Ring of blades 2, wherein between each two blades 2, a blade channel 3 is formed.
- the impeller 1 is mounted on a fan motor shaft (not shown) in a known manner.
- the impeller 1 is partially covered by the frame, which is part of the spiral housing.
- the frame opening for the air intake is in Fig. 6 implied
- the blades 2 are formed strongly profiled, the flow channel 3 is convergent in the inlet region 4 and divergent in the exit region 5 (see. Fig. 4 ).
- the pressure side DS of the blades 2 is concave in the inlet region 4, optionally to the outlet region 5, and the suction side SS of the blades 2 is convex in the inlet region 4 and straight in the outlet region 5, the blade thickness d having its maximum in the convergent region.
- the blades 2 consist of a structure 6, which in the present case is made of a solid plastic, and has sufficient strength for the expected loads, as well as a sprayed onto the structure 6 layer 7 of a soft component which forms the profile in the strongly profiled region of the blade 2.
- the thickness of the structure 6 is at most 3 mm, so that in the production of the structure 6 no problems with regard to distortion or shrinkage occur. In addition, this thickness usually suffices for sufficient rigidity of the blade 2.
- the sprayed-on layer 7 serves only for profiling and, apart from the requirement that it can not be compressed by the air to be conveyed, has no supporting function.
- the molded layer 7 on its outer side 8 also have a skin or a coating, wherein the coating, in particular to simplify the production, optionally also the entire blades 2 or the entire impeller 1 can cover.
- the supporting structure 6 is slightly tapered in the region of the blade 2 covered by the soft component, the taper being gradual.
- the outer contour is not affected by the transition from supporting structure 6 to soft component.
- the supporting structure 6 consists of PA, the soft component of PP-EPDM.
- the structure 6 itself forms the profile, for which it is designed as a hollow profile, in the case of the second variant with a stiffening web.
- a soft component corresponding to the molded layer 7 may be provided, in particular for rigidity reasons.
- an externally molded layer may be provided according to the embodiment described above.
- the thickness of the structure is at most 3 mm, so that no distortion or shrinkage occurs during manufacture.
- the thickness of the soft component on the blade suction and pressure side can be adjusted such that only minimal, non-flow-influencing deformation of the soft component, in particular on the blade pressure side, occurs during blower operation.
- the following geometries are particularly suitable for a convergent-divergent blade channel, in particular for heavily profiled blades, ie at d / lges greater than 0.15, in particular greater than 0.2, where d denotes the profile thickness and lges the total profile length (measured straight):
- the blade channel length ratio Lkv is preferably between 0.1 and 0.9.
- the channel taper Kverkonv in the convergent part of the blade channel, which results from Kverkonv A 1 - A 2 / Lgekrkonv is preferably between 0.030 and 0.200.
- A1 is the flow channel width at the inlet and A2 is the flow channel width at the narrowest cross section.
- the channel extension Kerwdiv in the divergent part of the blade channel, which results from Kerwdiv A 3 - A 2 / Lgekrdiv is preferably between 0.05 and 0.17.
- A3 is the flow channel width at the exit.
- the inlet-side inlet angle beta1DS is between 30 ° and 90 ° and the inlet-side inlet angle beta1SS is between 25 ° and 70 °.
- the pressure-side outlet angle beta2DS between 90 ° and 175 ° and the outlet-side outlet angle beta2SS between 90 ° and 170 °.
- beta1DS, beta1SS, beta2DS and beta2SS are also particularly suitable in the case of a divergent-convergent blade channel shape and a convergent blade channel shape.
- the blades 2 are formed over their length or at least one or more parts thereof parallel to the axis of rotation with a different cross section.
- the cross section is on the inlet side, as in Fig. 7 shown, impeller hub side cylindrical (the impeller hub side is in Fig. 1 provided with the reference numeral 9) with a Ausformschräge and zargen lake conically tapered in the longitudinal direction of the frame towards.
- FIGS. 8 to 10 show a further variant with tapering in the direction of the inflow side blades 2.
- the blades over a large part of the blade length in the direction of the axis of rotation seen a constant cross-section. Only in the last quarter, the cross-section of the blades decreases and both in the longitudinal profile direction, wherein the inner diameter dinenn diverj up to a tapered inner diameter enlarged, but the outer diameter remains constant as well as in the thickness direction.
- Fig. 9 the skeleton line of the base profile is indicated by a star-dashed line.
- the course of the taper over the entire blade length is in Fig. 8 shown.
- the total blade length is hereby called Slgefel, the part of the blade length, in which the inner diameter is increased, is denoted by Slverj.
- the inner diameter diverj takes this, as from Fig. 8 seen in the last quarter of the blade length too.
- the representation of Fig. 8 in terms of profile length is not to scale.
- ratios of blade length tapered to total blade length are from 0.1 to 0.7, preferably from 0.15 to 0.5, and more preferably from 0.20 to 0.25.
- the thickness of the blade profile is also reduced, so that the cross-sectional area of the blade profile also decreases in the tapered region.
- the change in the blade profile is particularly good Fig. 10 seen.
- the relative cross-sectional area decrease ⁇ V is in the range from 0.1 to 0.90, in particular from 0.2 to 0.8 and particularly preferably from 0.3 to 0.7.
- FIGS. 11a to 11d show exemplary variations in terms of the course of the taper, where Fig. 11a a convex rejuvenation course, Fig. 11b a concave rejuvenation process, Fig. 11c a linear rejuvenation course and Fig. 11d show a simply graduated rejuvenation course. Any combination as well as a possibly multi-graded rejuvenation course are possible.
- FIGS. 12 to 14 show variants with respect to the shape of the taper of the blade profile in the direction of the inflow side.
- the course of the taper can, for example, according to the representation of FIGS. 11a to 11d respectively.
- the skeleton line of the respective base profile is indicated by a star-dashed line.
- the taper relative to the base profile may be symmetrical to the skeleton line, as in FIG Fig. 12 represented by the dashed line in a blade 2 on the suction side.
- the taper relative to the base profile can also be asymmetric to the skeleton line as in Fig. 13 represented in a blade 2 by the dotted line on the suction side.
- the rejuvenation can also be partially symmetrical and partially asymmetrical to the skeleton line, as in the FIGS. 12 to 14 is shown by solid lines and is apparent when comparing the solid lines with respect to the dashed or dotted line.
- the channel shape in the tapered portion of the blading may be both convergent, convergent-divergent or divergent.
- the entry and exit angles in the tapered blade part deviate from those in the region of the base profile, i. in the part with a constant cross section, from which results in an aerodynamic distortion of the blade profile.
- the angles may also remain constant or at least substantially constant.
- blades are designed as (partial) hollow profiles, then they may be open or closed on the frame side.
- an at least partial cover plate may also be present on the frame side.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Laufrad, insbesondere ein Kunststofflaufrad für ein Trommelläufer-Radialgebläse für die Heizung und Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrads.
- Trommelläufer-Radialgebläse, die für die Förderung der Luft bei Kraftfahrzeug-Heizungen oder Kraftfahrzeug-Klimaanlagen verwendet werden, sollen häufig auf einem möglichst niedrigen Drehzahlniveau betrieben werden. Dabei sollen die Zuströmverhältnisse zu einem nachfolgenden Wärmeübertrager möglichst günstig sein, wobei der vorhandene Bauraum, der in der Regel sehr beengt ist, möglichst flexibel genutzt werden soll. Auf Grund der Rahmenbedingungen werden hierbei in der Regel axial erweiterte Spiralgehäuse und Laufräder mit statischer Druckerzeugung im Schaufelkanal verwendet. Dabei sind die Beschaufelungen rückwärtsgekrümmt, radial endend oder leicht vorwärtsgekrümmt und ohne oder mit leichter Profilierung ausgeführt. Die Strömung im Schaufelkanal löst hierbei ab und bleibt bis zum Schaufelkanalende abgelöst. Bedingt durch diese Art der Beschaufelung sind je nach Betriebspunkt und Art der Beschaufelung sehr hohe bis hohe Drehzahlen notwendig. Aus akustischen Gründen werden bei Kraftfahrzeug-Heizungen oder Kraftfahrzeug-Klimaanlagen in der Regel keine rückwärtsgekrümmten Beschaufelungen verwendet.
- Radialgebläse, die ein niedriges Drehzahlniveau ermöglichen, haben eine vorwärtsgekrümmte Beschaufelung und erreichen vergleichbare Betriebspunkte bei deutlich niedrigeren Drehzahlen. In der vorwärtsgekrümmten Beschaufelung wird die Strömung stark umgelenkt und beschleunigt. Diese kinetische Energie wird in ideal ausgestalteten, parallelwandigen Spiralgehäusen verzögert und in statischen Druck umgewandelt. Am Schaufelkanaleintritt kommt es zu Strömungsablösungen, am Schaufelkanalende liegt die Strömung wieder an. Axial erweiterte Spiralgehäuse, die für die Wärmeübertragerbeaufschlagung günstig sind und radial enger bauen, sind bei diesen Gebläsen mit vorwärtsgekrümmten Beschaufelungen in der Regel nicht sinnvoll, da es zu Wirkungsgradverlusten kommt.
- Um ein Trommelläufer-Radialgebläse, das für die Förderung der Luft beispielsweise bei Kraftfahrzeug-Heizungen oder Kraftfahrzeug-Klimaanlagen verwendet wird, auch bei möglichst niedrigen Drehzahlen betreiben zu können, sind Trommelläufer-Radialgebläse bekannt, die eine vorwärtsgekrümmte Beschaufelung aufweisen. Dabei ist die Beschaufelung nicht oder nur leicht profiliert. Die Schaufeln sind üblicherweise massiv gespritzt (vgl. linker Teil von
Fig. 5 , in dem der Strömungsverlauf in einem Schaufelkanal bei einem herkömmlichen, unprofilierten Laufrad dargestellt ist, wobei auf der Saugseite der Schaufeln eine Wirbelbildung zu erkennen ist). - Auf Grund der Strömungsablösungen im Schaufelkanal ist jedoch eine Profilierung der Schaufeln sinnvoll. Bei der Herstellung von Laufrädern aus Kunststoff kommt es beim Spritzgießen relativ stark profilierter Laufräder mit relativ dicken Wandungen zu Verzug und Schwund.
- Die
EP 1 035 330 A2 offenbart ein Laufrad für ein Trommelläufer-Radialgebläse für die Heizung und Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs mit einer Mehrzahl von Schaufeln, die eine tragende Struktur aus einem ersten Kunststoff aufweisen und aus mehreren Lagen gebildet sind. - Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Laufrad zur Verfügung zu stellen, das mittels Spritzgießen ohne die oben genannten Probleme herstellbar ist.
- Auch ist es die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrads zu schaffen.
Diese Aufgabe zum Laufrad wird gelöst durch ein Laufrad mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Aufgabe zum Verfahren wird mit dem Gegenstand von Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. - Erfindungsgemäß ist ein Kunststofflaufrad für ein Trommelläufer-Radialgebläse für die Heizung und Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen, das eine Mehrzahl von Schaufeln aufweist, wobei die Schaufeln durch eine tragende, vorzugsweise massive, Struktur gebildet werden, auf die zumindest bereichsweise eine Weichkomponente aufgespritzt oder in die zumindest bereichsweise eine Weichkomponente eingespritzt ist. Hierbei handelt es sich bei der tragenden Struktur um einen ersten Kunststoff, der eine ausreichende Festigkeit aufweist, und bei der Weichkomponente um einen zweiten Kunststoff, der weicher ist. Beim zweiten Kunststoff handelt es sich bevorzugt um einen aufgeschäumten Kunststoff.
- Die maximale Wandstärke der tragenden Struktur im Bereich der Schaufeln beträgt vorzugsweise 3 mm. Bei einer derartigen Beschränkung der Wandstärke können sicher Verzug und Schwund vermieden werden, durch eine entsprechende Materialwahl des die Struktur bildenden Materials kann jedoch eine ausreichende Festigkeit des Laufrads sichergestellt werden. Zudem kann durch eine entsprechende Materialwahl der Weichkomponente das Gewicht des Laufrads verringert werden, so dass das Gebläse insgesamt leichter ist. Ferner wirkt die Weichkomponente akustisch absorbierend, so dass das Gebläse etwas leiser als entsprechende Gebläse ohne Weichkomponente ist.
- Die Weichkomponente bildet vorzugsweise zumindest bereichsweise das Profil der Schaufel, insbesondere im stark profilierten Teil. Besonders bevorzugt ist sowohl auf der Saug- als auch Druckseite eine Weichkomponentenschicht vorgesehen, die Enden der Schaufeln sind bevorzugt weichkomponentenfrei, wodurch die Weichkomponente zusätzlich vor Beschädigungen bei der Montage geschützt wird.
- Gemäß einer gewichtseinsparenden Ausführungsform sind die Schaufeln bevorzugt zumindest bereichsweise als Hohlprofil ausgebildet. Dabei können zur Erhöhung der Steifigkeit Stege in den Hohlprofilen ausgebildet sein. Diese sind bevorzugt einseitig geschlossen. Im Falle eines zargenseitigen Verschlusses der Hohlprofile werden die Schaufeln bevorzugt zargenseitig konisch verjüngt.
- Die Schaufeln sind bevorzugt auf der Laufrad-Nabenseite motorseitig zylindrisch und zargenseitig konisch ausgebildet, wobei sie sich in Zargenrichtung verjüngen. Dies stellt sicher, dass trotz der starken Profilierung in Verbindung mit der Überdeckung durch die Zarge ein ausreichender Ansaugquerschnitt zur Verfügung steht und es nicht zu einer Versperrung des Ansaugquerschnitts kommt.
- Der Strömungskanal zwischen zwei Schaufeln ist bevorzugt einströmseitig konvergent und ausströmseitig divergent ausgebildet, jedoch sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Die konvergent-divergente Ausgestaltung des Laufrads ermöglicht im Schaufelkanal einen im Wesentlichen ablösungsfreien Betrieb. Dabei wird durch die starke Wölbung und ausreichende Dicke des Schaufelprofils im konvergenten Bereich die Strömung im entsprechenden Kanalteil beschleunigt und in Drehrichtung des Laufrads umgelenkt. Im anschließenden, nahezu geraden, divergenten Kanalteil wird die Strömung verzögert, wobei der statische Druck erhöht wird.
- Das Schaufelkanallängenverhältnis bei einer einströmseitig konvergenten und ausströmseitig divergenten Ausgestaltung des Strömungskanals beträgt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,9, insbesondere zwischen 0,15 und 0,7, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6. Hierbei beträgt die Kanalverjüngung im konvergenten Teil des Schaufelkanals bevorzugt zwischen 0,030 und 0,2, insbesondere zwischen 0,04 und 0,07, besonders bevorzugt zwischen 0,05 und 0,06. Die Kanalerweiterung im divergenten Teil des Schaufelkanals beträgt bevorzugt zwischen 0,05 und 0,17, insbesondere zwischen 0,09 und 0,15, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,14.
- Die Schaufeln des Laufrads sind bevorzugt stark profiliert ausgebildet. Als stark profiliert werden insbesondere Schaufeln angesehen, bei denen das Verhältnis von Profildicke zu Profilgesamtlänge größer als 0,15, insbesondere größer als 0,2 ist. Dabei betragen vorzugsweise der druckseitige Eintrittswinkel zwischen 30° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 35° und 80°, und der saugseitige Eintrittswinkel zwischen 25° und 70°, besonders bevorzugt zwischen 30° und 60°, der druckseitige Austrittswinkel zwischen 90° und 175°, besonders bevorzugt zwischen 100° und 165°, und der saugseitige Austrittswinkel zwischen 90° und 170°, besonders bevorzugt zwischen 100° und 165°, insbesondere bevorzugt jeweils im mittleren Bereich, d.h. insbesondere +/- 10° um den Mittelwert der jeweiligen zuvor angegebenen Bereiche, um einen optimalen Strömungsverlauf ohne Ablösungen sowie einen optimalen Wirkungsgrad und einen geräuscharmen Betrieb zu erreichen.
- Die Herstellung eines derartigen Laufrads erfolgt bevorzugt mittels Kunststoff-Spritzgießen, wobei zuerst die tragende Struktur aus einem ersten Kunststoff spritzgegossen und anschließend oder nahezu gleichzeitig zumindest ein Teil der profiliert ausgebildeten Schaufeln des Laufrads und/oder eines Hohlprofils durch einen zweiten, weicheren Kunststoff spritzgegossen wird, der auf die tragende Struktur auf- oder in ein durch die tragende Struktur gebildetes Hohlprofil eingespritzt wird.
- Als Materialien für die tragende Struktur kommen insbesondere PA oder PP, aber auch Metalle in Frage. Die die tragende Struktur zumindest bereichsweise umgebende Weichkomponente wird bevorzugt durch einen geschäumten Kunststoff, wie insbesondere S-EPS, in Frage. Ebenfalls sehr gut geeignet ist PP-EPDM. Allgemein können PUR-Schaum, Melamin-Schaum, PE-Schaum (Verwendung von Treibmittel bei der Applikation), Silikon-Schaum oder mit Einschränkungen auch geschäumte Elastomere verwendet werden.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit mehreren Varianten unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laufrads gemäß dem Ausführungsbeispiel,
- Fig. 2
- einen Schnitt durch eine Schaufel des Laufrads von
Fig. 1 , - Fig. 3a,
- 3bSchnitte durch Schaufelvarianten,
- Fig. 4
- eine Detailansicht eines Schnitts durch eine Schaufel zur Verdeutlichung einzelner Abmessungen,
- Fig. 5
- einen Schnitt durch ein herkömmliches, massiv ausgebildetes Laufrad mit durch Pfeilen dargestellten Strömungsgeschwindigkeiten im linken Teil der
Fig. 5 und einen Schnitt durch ein vorwärtsgekrümmt profiliertes Laufrad gemäß der vorliegenden Erfindung im rechten Teil derFig. 5 , - Fig. 6
- eine Draufsicht auf ein Laufrad,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung einer weiteren Schaufelvariante mit Darstellung der Querschnitte dreier Schnittebenen,
- Fig. 8
- einen schematisch dargestellten Schnitt in Längsrichtung durch eine Schaufel zur Verdeutlichung der Schaufelverjüngung,
- Fig. 9
- einen ausschnittsweisen Schnitt quer durch ein Laufrad mit verjüngten Schaufeln,
- Fig. 10
- einen
Fig. 9 entsprechenden Schnitt zur Verdeutlichung der Verringerung der Schaufelquerschnittsfläche, - Fig. 11a-11d
- schematische Darstellungen möglicher Verläufe von Schaufelverjüngungen,
- Fig. 12
- eine schematische Darstellung einer symmetrischen Verjüngung relativ zur Basisprofilskelettlinie der Schaufel,
- Fig. 13
- eine schematische Darstellung einer asymmetrischen Verjüngung relativ zur Basisprofilskelettlinie der Schaufel, und
- Fig. 14
- eine schematische Darstellung einer symmetrischasymmetrischen Verjüngung relativ zur Basisprofilskelettlinie der Schaufel.
- Ein Trommelläufer-Radialgebläse, das für die Förderung von Luft in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage verwendet wird, weist ein Laufrad 1 mit einem Ring von Schaufeln 2 auf, wobei zwischen je zwei Schaufeln 2 ein Schaufelkanal 3 ausgebildet ist. Das Laufrad 1 ist auf bekannte Weise an einer Gebläsemotorwelle (nicht dargestellt) angebracht. Saugseitig wird das Laufrad 1 teilweise durch die Zarge, die Teil des Spiralgehäuses ist, überdeckt. Die Zargenöffnung für die Luftansaugung ist in
Fig. 6 angedeutet - Die Schaufeln 2 sind stark profiliert ausgebildet, wobei der Strömungskanal 3 im Eintrittsbereich 4 konvergent und im Austrittsbereich 5 divergent ausgebildet ist (vgl.
Fig. 4 ). Die Druckseite DS der Schaufeln 2 ist im Eintrittsbereich 4, gegebenenfalls bis zum Austrittsbereich 5, konkav ausgebildet, und die Saugseite SS der Schaufeln 2 ist im Eintrittsbereich 4 konvex und im Austrittsbereich 5 gerade ausgebildet, wobei die Schaufeldicke d ihr Maximum im konvergenten Bereich hat. - Um die bekannten Probleme bei der Herstellung stark profilierter Schaufeln zu vermeiden, bestehen die Schaufeln 2 aus einer Struktur 6, die vorliegend massiv aus einem Kunststoff ausgebildet ist, und eine ausreichende Festigkeit für die zu erwartenden Belastungen aufweist, sowie einer an der Struktur 6 angespritzten Schicht 7 aus einer Weichkomponente, welche das Profil im stark profilierten Bereich der Schaufel 2 bildet. Hierbei beträgt die Dicke der Struktur 6 maximal 3 mm, so dass bei der Herstellung der Struktur 6 keine Probleme in Hinblick auf Verzug oder Schwund auftreten. Zudem reicht diese Dicke in aller Regel für eine ausreichende Steifigkeit der Schaufel 2 aus. Die angespritzte Schicht 7 dient lediglich der Profilierung und hat - abgesehen von dem Erfordernis, sich nicht durch die zu fördernde Luft zusammendrücken zu lassen - keine tragende Funktion. Dabei kann die angespritzte Schicht 7 auf ihrer Außenseite 8 auch eine Haut oder eine Beschichtung aufweisen, wobei die Beschichtung, insbesondere zur Vereinfachung der Herstellung, gegebenenfalls auch die gesamten Schaufeln 2 oder das gesamte Laufrad 1 überdecken kann.
- Die tragende Struktur 6 ist im von der Weichkomponente überdeckten Bereich der Schaufel 2 etwas verjüngt ausgebildet, wobei die Verjüngung allmählich erfolgt. Die Außenkontur ist durch den Übergang von tragender Struktur 6 zu Weichkomponente nicht beeinträchtigt.
- Die tragende Struktur 6 besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus PA, die Weichkomponente aus PP-EPDM.
- In den
Figuren 3a und 3b sind Varianten der Schaufel 2 dargestellt, wobei vorliegend bei diesen Schaufeln die Struktur 6 selbst das Profil bildet, wofür sie als Hohlprofil, im Falle der zweiten Variante mit einem versteifenden Steg, ausgebildet ist. Im Inneren des Hohlprofils kann - insbesondere aus Steifigkeitsgründen - eine Weichkomponente entsprechend der angespritzten Schicht 7 vorgesehen sein. Ebenfalls kann in einzelnen Bereichen eine außen angespritzte Schicht entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Auch in diesem Fall beträgt die Dicke der Struktur maximal 3 mm, so dass bei der Herstellung kein Verzug oder Schwund auftritt. - Über die Lage der tragenden Struktur 6 innerhalb des Profils kann die Dicke der Weichkomponente auf der Schaufelsaug- und -druckseite so eingestellt werden, dass es im Gebläsebetrieb nur zu einer minimalen, nicht die Durchströmung beeinflussenden Verformung der Weichkomponente, insbesondere auf der Schaufeldruckseite, kommt.
- Ferner erfolgt bei einer derartig profilierten Schaufelausgestaltung, wie in
Fig. 5 , rechter Teil deutlich zu erkennen ist, keine Wirbelbildung an der Saugseite der Schaufel 2, so dass die Strömung gut anliegt. Dies führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades eta (vgl. Aufstellung inFig. 5 , wobei jeweils der Strömungsverlauf und der entsprechende Wirkungsgrad im optimalen Betriebspunkt des entsprechenden Gebläses dargestellt ist). - Folgende Geometrien sind bei einem konvergent-divergenten Schaufelkanal insbesondere bei stark profilierten Schaufeln besonders geeignet, d.h. bei d/lges größer 0,15, insbesondere größer als 0,2, wobei d die Profildicke und lges die Profilgesamtlänge (gerade gemessen) bezeichnen:
Das Schaufelkanallängenverhältnis Lkv liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,9. Dabei bezeichnet Lgekrges die Länge des gesamten, gekrümmten Schaufelkanals, Lgekrdiv die Länge des divergenten Teils des gekrümmten Schaufelkanals und Lgekrkonv die Länge des konvergenten Teils des gekrümmten Schaufelkanals, wobei -
-
- Hierbei liegt der druckseitige Eintrittswinkel beta1DS zwischen 30° und 90° und der saugseitige Eintrittswinkel beta1SS zwischen 25° und 70°. Der druckseitige Austrittswinkel beta2DS zwischen 90° und 175° und der saugseitige Austrittswinkel beta2SS zwischen 90° und 170°.
- Die zuvor genannten Winkelbereiche für beta1DS, beta1SS, beta2DS und beta2SS sind auch im Falle einer divergent-konvergenten Schaufelkanalform sowie einer konvergenten Schaufelkanalform besonders geeignet.
- In Folge einer stark profilierten Ausgestaltung der Schaufeln 2 in Verbindung mit der Eintrittsöffnung (nur ca. 1/3 der Beschaufelung ist nicht von der Zarge überdeckt) kann es bei hohen Massenströmen zu Versperrungen im Eintrittsbereich kommen, wie in
Fig. 6 angedeutet. Diese können zu einer Verminderung des Wirkungsgrades führen. Aus diesem Grund sind die Schaufeln 2 gemäß einer weiteren Variante über ihre Länge oder zumindest einen oder mehrere Teile hiervon parallel zur Drehachse mit einem unterschiedlichen Querschnitt ausgebildet. Dabei ist der Querschnitt eintrittsseitig, wie inFig. 7 dargestellt, laufrad-nabenseitig zylindrisch (die Laufrad-Nabenseite ist inFig. 1 mit dem Bezugszeichen 9 versehen) mit einer Ausformschräge und zargenseitig konisch in Längsrichtung zur Zarge hin verjüngend ausgebildet. - Die
Figuren 8 bis 10 zeigen eine weitere Variante mit sich in Richtung der Zuströmseite verjüngenden Schaufeln 2. Hierbei haben die Schaufeln über einen großen Teil der Schaufellänge in Richtung der Drehachse gesehen einen konstanten Querschnitt. Erst im letzten Viertel verringert sich der Querschnitt der Schaufeln und zwar sowohl in Längsprofilrichtung, wobei sich der Innendurchmesser dinenn bis zu einem verjüngten Innendurchmesser diverj vergrößert, der Außendurchmesser da jedoch konstant bleibt, als auch in Dickenrichtung. Zur besseren Verdeutlichung der Profilveränderung ist inFig. 9 die Skelettlinie des Basisprofils durch eine Stern-Strich-Linie gekennzeichnet. Der Verlauf der Verjüngung über die gesamte Schaufellänge ist inFig. 8 dargestellt. Die Gesamtschaufellänge ist hierbei mit Slgesamt bezeichnet, der Teil der Schaufellänge, in welchem der Innendurchmesser vergrößert ist, ist mit Slverj bezeichnet. Der Innendurchmesser diverj nimmt hierbei, wie ausFig. 8 ersichtlich, im letzten Viertel der Schaufellänge zu. Die Darstellung vonFig. 8 in Bezug auf die Profillänge ist nicht maßstäblich. - Im Allgemeinen sind Verhältnisse von Schaufellänge verjüngt zur gesamten Schaufellänge (Slver/Slgesamt) von 0,1 bis 0,7, vorzugsweise von 0,15 bis 0,5 und besonders bevorzugt von 0,20 bis 0,25, besonders geeignet.
-
- Hierbei ist da der Schaufelaußendurchmesser, dinenn der Nenninnendurchmesser der Schaufeln und diverj der verjüngte Innendurchmesser der Schaufeln.
- Neben der Schaufelprofillänge verringert sich auch die Dicke des Schaufelprofils, so dass sich auch die Querschnittsfläche des Schaufelprofils im verjüngten Bereich verringert. Die relative Querschnittsflächenabnahme ergibt sich aus
Fig. 10 ersichtlich. Im Allgemeinen, d.h. nicht explizit auf die vorliegende Variante bezogen, liegt die relative Querschnittsflächenabnahme AV im Bereich von 0,1 bis 0,90, insbesondere von 0,2 bis 0,8 und besonders bevorzugt von 0,3 bis 0,7. - Weitere Varianten in Bezug auf den Verlauf der Verjüngung sind beispielhaft in den
Figuren 11a bis 11d dargestellt, wobeiFig. 11a einen konvexen Verjüngungsverlauf,Fig. 11b einen konkaven Verjüngungsverlauf,Fig. 11c einen linearen Verjüngungsverlauf undFig. 11d einen einfach abgestuften Verjüngungsverlauf zeigen. Beliebige Kombinationen wie auch ein ggf. mehrfach abgestufter Verjüngungsverlauf sind möglich. - Die
Figuren 12 bis 14 zeigen Varianten in Bezug auf die Form der Verjüngung des Schaufelprofils in Richtung der Zuströmseite. Der Verlauf der Verjüngung kann beispielsweise entsprechend der Darstellung derFiguren 11a bis 11d erfolgen. Zur besseren Verdeutlichung der Profilveränderung ist in denFiguren 12 bis 14 die Skelettlinie des jeweiligen Basisprofils durch eine Stern-Strich-Linie gekennzeichnet. - Die Verjüngung relativ zum Basisprofil kann symmetrisch zur Skelettlinie erfolgen, wie in
Fig. 12 durch die gestrichelte Linie in einer Schaufel 2 auf der Saugseite dargestellt. Die Verjüngung relativ zum Basisprofil kann auch asymmetrisch zur Skelettlinie erfolgen, wie inFig. 13 in einer Schaufel 2 durch die gepunktete Linie auf der Saugseite dargestellt. Die Verjüngung kann ebenso bereichsweise symmetrisch und bereichsweise asymmetrisch zur Skelettlinie erfolgen, wie in denFiguren 12 bis 14 mit durchgezogenen Linien dargestellt ist und bei Vergleich der durchgezogenen Linien in Bezug auf die gestrichelte bzw. gepunktete Linie ersichtlich wird. - Allgemein sei angemerkt, dass die Kanalform im verjüngten Teil der Beschaufelung sowohl konvergent, als auch konvergent-divergent oder divergent ausgebildet sein kann.
- Besonders bevorzugt weichen die Ein- und Austrittswinkel im sich verjüngenden Schaufelteil von denen im Bereich des Basisprofils, d.h. im Teil mit konstantem Querschnitt, ab, wodurch sich eine aerodynamische Verwindung des Schaufelprofils ergibt. Die Winkel können jedoch auch konstant oder zumindest im Wesentlichen konstant bleiben.
- Sind die Schaufeln als (Teil-)Hohlprofile ausgebildet, so können dieselben auf der Zargenseite offen oder auch geschlossen ausgebildet sein.
- Gemäß einer nicht in der Zeichnung dargestellten Variante kann auf der Zargenseite auch eine zumindest partielle Deckscheibe vorhanden sein.
Claims (16)
- Laufrad für ein Trommelläufer-Radialgebläse für die Heizung und Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs mit einer Mehrzahl von Schaufeln (2), aufweisend eine tragende Struktur (6) aus einem ersten Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass auf der tragenden Struktur (6) der Schaufel (2) zumindest bereichsweise eine Weichkomponente aus einem zweiten Kunststoff aufgespritzt ist oder in die tragende Struktur (6) der Schaufel (2) zumindest bereichsweise eine Weichkomponente aus einem zweiten Kunststoff eingespritzt ist.
- Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale massive Wandstärke der tragenden Struktur (6) im Bereich der Schaufeln 3 mm beträgt.
- Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichkomponente zumindest bereichsweise das Profil der Schaufel (2) bildet.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln zumindest bereichsweise als Hohlprofil ausgebildet sind.
- Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Stege in den hohl ausgebildeten Schaufeln vorgesehen sind.
- Laufrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlprofil ausgebildeten Schaufeln einseitig verschlossen sind.
- Laufrad nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Hohlprofils eine Weichkomponente eingespritzt ist.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) mittels Zwei-Komponenten Kunststoff-Spritzgießens hergestellt ist.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schaufelprofil in Richtung Zarge zumindest teilweise verjüngt.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (2) auf der Laufrad-Nabenseite zylindrisch und zargenseitig konisch ausgebildet sind.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (3) zwischen zwei Schaufeln (2) einströmseitig konvergent und ausströmseitig divergent ausgebildet ist.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelkanallängenverhältnis (Lkv) zwischen 0,2 und 0,6 beträgt.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalverjüngung (Kverkonv) im konvergenten Teil des Schaufelkanals (3) zwischen 0,030 und 0,20 beträgt.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalerweiterung (Kerwdiv) im divergenten Teil des Schaufelkanals zwischen 0,05 und 0,17 beträgt.
- Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (2) des Laufrads (1) stark profiliert ausgebildet sind, wobei der druckseitige Eintrittswinkel (beta1DS) zwischen 30° und 90° und der saugseitige Eintrittswinkel (beta1SS) zwischen 25° und 70°, der druckseitige Austrittswinkel (beta2DS) zwischen 90° und 175° und der saugseitige Austrittswinkel (beta2SS) zwischen 90° und 170° betragen.
- Verfahren zur Herstellung eines Laufrads (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die tragende Struktur (6) aus einem ersten Kunststoff spritzgegossen und anschließend oder nahezu gleichzeitig zumindest ein Teil der profiliert ausgebildeten Schaufeln (2) des Laufrads (1) durch einen zweiten, weicheren Kunststoff spritzgegossen wird, der auf die tragende Struktur (6) auf- oder in ein durch die tragende Struktur gebildetes Hohlprofil eingespritzt wird.
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-
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