EP3268613A1 - Axiallaufrad und ventilator mit einem solchen axiallaufrad - Google Patents

Axiallaufrad und ventilator mit einem solchen axiallaufrad

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EP3268613A1
EP3268613A1 EP16707469.9A EP16707469A EP3268613A1 EP 3268613 A1 EP3268613 A1 EP 3268613A1 EP 16707469 A EP16707469 A EP 16707469A EP 3268613 A1 EP3268613 A1 EP 3268613A1
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EP
European Patent Office
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blade
ratio
hub
angle
hub ratio
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EP16707469.9A
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EP3268613B1 (de
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Jürgen DOSSNER
Martina Harsch
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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Publication of EP3268613B1 publication Critical patent/EP3268613B1/de
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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
    • F04D29/38—Blades
    • F04D29/384—Blades characterised by form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/002—Axial flow fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/02—Pumping cooling-air; Arrangements of cooling-air pumps, e.g. fans or blowers
    • F01P5/06—Guiding or ducting air to, or from, ducted fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/304—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the trailing edge of a rotor blade

Definitions

  • the invention relates to a Axiallaufrad with a hub and a blading for a fan or fan and an axial fan with such Axiallaufrad.
  • Axial fans or fans have an impeller with a hub and a blading of the hub with a plurality of individual blades.
  • the axis of rotation of the hub runs parallel to the air flow.
  • a single blade extends from its attachment to the hub, the blade root, to its blade tip along a longitudinal axis.
  • planar sections perpendicular to a radial beam are viewed through the axis of rotation of the hub at the corresponding radius.
  • the individual sections each form a profile of the blade.
  • the various profiles of such a blade can be the same along the blade longitudinal axis, but they can also be designed to be variable. The course of such profiles is described along a so-called Auffädelline. Under the Auffädelline the connecting line of the geometric centroids of all blade sections or profiles is understood.
  • the blade profile itself is described by various parameters and terms.
  • the leading edge of the profile is referred to as the profile leading edge, the trailing edge as the profile trailing edge.
  • a straight-line connection of the profile leading edge and the profile trailing edge forms the profile chord.
  • a skeleton line also connects the leading edge of the profile and the trailing edge of the profile and forms the center line of the profile.
  • the skeleton line runs through the middle of the profile thickness, ie through the centers of all connections between the top and bottom of the profile perpendicular to the chord.
  • a blade entry angle or blade exit angle is understood to mean the angle which a tangent to the skeleton line encloses with a line connecting the profile leading edge or profile trailing edge.
  • a tangent is considered at the point where the skeleton line touches the leading edge of the profile.
  • a tangent at the point at which the skeleton line touches the trailing edge of the profile is considered for the bucket exit angle.
  • the distance of the contact points of the skeleton line with the profile front edge and the skeleton line with the profile trailing edge or the length of the above-mentioned chord profile is referred to herein as the profile length.
  • a hub ratio is understood as meaning the quotient of the outer hub diameter-that is, the minimum radius of a blade section-and the diameter at which a blade section of the blade is currently being considered.
  • a thickness ratio is understood to mean the ratio of the maximum profile thickness and the profile length.
  • a division ratio is understood to mean the distance between the profile trailing edges of the profiles of adjacent blades. It is an object of the invention to provide an impeller for an axial fan or an axial fan with improved efficiency.
  • the inventive geometry of the blades of the blading is determined by a profile of a blade inlet angle and / or a blade outlet angle of blade sections.
  • the angle profile from a blade root on the hub to a blade tip opposite the blade tip is considered, ie the blade inlet angle and / or blade outlet angle as a function of the hub ratio.
  • the blade entry angle is curved to the left depending on the hub ratio and / or the blade exit angle is right-curved above the hub ratio and the blade entry angle ( ⁇ fi) near the blade root is 29 ° ⁇ 3 ° and in the vicinity of the blade tip 14 ° ⁇ 3 ° and / or the blade exit angle (f2> near the blade root is 69 ° ⁇ 3 ° and / or near the blade tip 27 ° ⁇ 3 °.)
  • left-curved or right-curved should be understood in the present case that in a function that represents the blade entry angle or blade outlet angle depending on the hub ratio, the second derivative is greater than zero (left curved) or less than zero (right curved). Should the blade entry angle and / or the blade exit angle not be affected by a dif- For example, because the course of the profile leading edge or the trailing edge of the profile are made up of individual straight sections for reasons of production engineering, a compensation polynomial representing the blade entry angle or the bucket exit angle as a function of the hub ratio shall be considered as a function.
  • the blade entry angle and / or the blade exit angle of a blade section changes depending on the distance of the blade section from the hub with the mentioned boundary values, in particular following the blade entry angle and / or the blade exit angle no linear dependence. Since a left curvature or a right curvature are present, the blade entry angle or the bucket exit angle change more than with a linear dependence.
  • the left-hand or right-hand curvature according to the invention of the blade entry angle and / or the blade exit angle of individual blade sections clearly causes a rotation or distortion of the blade sections along the threading line given a similar change of blade entry angle and blade exit angle. If the change in the blade entry angle and / or the blade exit angle in the course of the longitudinal axis or the threading line of the blade is not equal, the result is also a change in the skeleton line and thus also in the curvature of the blade profile.
  • the torsion of the individual blades of the axial impeller according to the invention with an over-linear progression of the blade inlet angle and / or the blade outlet angle results in a change of the flow conditions in the course of the hub or the blade root to the blade tip or a rotor blade located there Housing bill.
  • this over-linear twisting with the mentioned boundary values has an unexpected increase in the blade efficiency of the axial impeller or of a fan operating with such an axial impeller or fan up to 70%.
  • the blade efficiency r] Sch is defined as
  • m Sch is the mass flow through the blade area of the impeller
  • Y t is the specific nozzle work
  • Y Sch is the specific blade work.
  • the blade entry angle first falls to a minimum depending on the hub ratio in at least one second blade entry angle section from the blade root to the blade tip and rises again in the vicinity of the blade tip.
  • a preferred embodiment of the invention provides that a thickness ratio of the blading profile is between 0.05 and 0.16 and in particular falls from 0.13 to 0.08 from the blade root to the blade tip. At the same time or alternatively, the pitch ratio may increase from 0.43 to 0.89 from the blade root to the blade tip.
  • the blade entry angle is dependent on the hub ratio according to the following table:
  • the nonlinear profile of the blade entry angle as a function of the hub ratio shown in this table shows particularly optimized efficiencies.
  • the blade outlet angle is dependent on the hub ratio according to the following table: Hub ratio blade exit angle [°]
  • said profile of the blade outlet angle in conjunction with the above-mentioned profile of the blade inlet angle, leads to an even further improved efficiency.
  • the split ratio is as shown in the following table:
  • the change in pitch ratio as a function of hub ratio is also affected by the increase in pitch with increasing radius.
  • the object is also achieved by an axial fan with a housing and axial impeller according to the invention, in particular for a motor vehicle.
  • a distance at the narrowest point of at most 1 mm, preferably at most 0.6 mm and at the widest point at most 5 mm, preferably at most 3 mm may be provided.
  • FIG. 2 shows two sectional views of the blade profile of a blade of FIG. 1;
  • Figure 4 is a plan view of an axial impeller according to the invention.
  • Figure 5 is a plan view of the impeller of Figure 4 with additionally Pictured optional Nachleitrad.
  • FIG. 1 shows, in a partial plan view, an axial impeller 1 according to the invention, which is suitable, for example, for an axial fan.
  • the axial impeller 1 has a hub 2 which is rotatably mounted about a rotation axis X.
  • a plurality of blades 3 is arranged.
  • the blades are straight, ie their Auffädelline (not shown) is a straight line.
  • FIG. 1 shows 13 profile sections 301-313. These run perpendicular to a through the rotation axis X extending radial beam R.
  • the blades 3 are rigidly mounted on the hub 2 and have a blade root 31 and a blade tip 32.
  • the inflow side of the blade 3 is formed by a profile leading edge 33, the outflow side of the blade 3 by a profile trailing edge 34th
  • FIG. 2 shows, by way of example, two blade sections 307 of two adjacent blades 3.
  • the individual blade section 307 shows the profile of the blade 3.
  • the profile has the profile leading edge 33 and the profile trailing edge 34.
  • the length of the section between the profile leading edge 33 and profile trailing edge 34 forms the profile length I.
  • the distance between two trailing edges 34 represents the pitch t of the blading.
  • the perpendicular to the chord 35 extending Distance between the top and bottom of the profile forms the thickness d of a profile.
  • the skeleton line 36 runs through the middle of the thickness d.
  • the skeleton line 36 is used to determine the blade entry angle and the blade exit angle.
  • tangents 38 and 39 are placed in the profile leading edge 33 and in the profile trailing edge.
  • the angles which the tangents 38, 39 each include with a straight line connecting the profile leading edges 33 and the trailing trailing edges 34 of two adjacent blades 3 form the blade entry angles ⁇ fi and ⁇ f2, respectively.
  • FIG. 3 shows a diagram 100 for illustrating the profile of the blade entry and blade exit angles as well as the pitch and the thickness ratio.
  • the hub ratio is plotted. In the present embodiment, the hub ratio varies between 1 and 0.43. The hub ratio is the quotient of the radius of the hub and the radius of the currently considered profile section.
  • the angle is plotted for the blade entry angle ⁇ fi and the blade exit angle ⁇ f2.
  • the right-hand ordinate 103 is used to represent the division or thickness Ratio.
  • the graph 1 10 of the blade entry angle ⁇ fi and the graph 1 1 1 of the blade exit angle ⁇ f2 are shown.
  • the graph 1 12 depicts the division ratio, the graph 1 13 the thickness ratio. Between the hub ratio 0.65 and the hub ratio 0.43, the blade inlet angle ⁇ fi passes through a minimum at about 12 °. At the maximum hub ratio of 0.43, the blade entrance angle ⁇ fi is 13.6 °, and at the hub ratio 1, it is 29 °.
  • the bucket outlet angle ß f2 shown on the graph 1 1 1, at the hub ratio 1 has its maximum of 69 ° and then drops to 27 ° on the outer circumference at the hub ratio of 0.43, without passing through a minimum in between ..
  • FIG. 3 shows that the course of the blade entry and blade exit angles is over-linear.
  • the dividing ratio t / 1 determined by the quotient of the pitch t and the profile length I, increases from 0.43 at the dividing ratio 1 to 0.89 at the minimum dividing ratio at the outer diameter.
  • the thickness ratio d / l determined by the quotient of the maximum thickness d and the profile length I, drops from 0.13 at the hub ratio 1, i. directly at the hub, at 0.08 at the minimum hub ratio.
  • the increase of the split ratio t / 1 accounts for the fact that the pitch t of a single cut increases with increasing distance from the hub to the outside.
  • the decrease in the thickness ratio d / l is due to the fact that the profile length I becomes shorter as the blade inlet angle or blade outlet angle changes.
  • the graphs 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 show the gradients according to the above table values.
  • FIG. 4 shows the axial impeller 1 of FIG. 1 completely
  • FIG. 5 shows a fan 10 with the axial impeller 1 of FIGS. 1 and 4 and a part of a housing 11.
  • a motor mount 12 is attached on the housing 1 1.
  • the engine mount 12 has an odd number of arms which serve for attachment.
  • a small gap is provided between housing 1 1 and axial impeller 1, a small gap is provided. The gap is 0.6 mm at the narrowest point and 3 mm at the widest point.
  • Typical sizes for the hub diameter of the present embodiment are 200-650 mm, for example 315 mm.
  • Typical outer diameters of the axial impeller 1 are 400-1500 mm, for example 615 mm.
  • the minimum hub ratio at the outside diameter is typically in the range of 0.45-0.63.
  • aluminum for example, aluminum chill casting, for the production of the axial impeller 1 is provided. But it is also possible to manufacture such a Axiallaufrad 1 in plastic. However, this means a greater effort to achieve the required accuracy.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Axiallaufrad mit einer Nabe und einer Beschaufelung für einen Ventilator oder Lüfter, wobei die Geometrie der Schaufeln durch einen Verlauf eines Schaufeleintrittswinkels und eines Schaufelaustrittswinkels von Schaufelschnitten von einem Schaufelfuß an der Nabe zu einer dem Schaufelfuß gegenüberliegen- den Schaufelspitze, also in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis, bestimmt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Schaufeleintrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis linksgekrümmt ist und/oder der Schaufelaustrittswinkel in Anhängigkeit vondem Nabenverhältnis rechtsgekrümmt istund der Schaufelein- trittswinkel in der Nähe des Schaufelfußes 29° ± 3° und in der Nähe der Schaufelspitze 14° ± 3° aufweist und/oder der Schaufelaustrittswinkel in der Nähe des Schaufelfußes 69° ± 3° und in der Nähe der Schaufelspitze 27° ± 3° aufweist.

Description

Axiallaufrad und Ventilator mit einem solchen Axiallaufrad
Die Erfindung betrifft ein Axiallaufrad mit einer Nabe und einer Beschaufelung für einen Ventilator oder Lüfter sowie einen Axialventilator mit einem solchen Axiallaufrad.
Bei modernen Kraftfahrzeugen spielt der Verbrauch eine große Rolle. Waren Nutzfahrzeuge wie beispielsweise im Bau- oder Landwirtschaftssektor bislang von dieser Entwicklung nicht so stark betroffen, geraten in neuerer Zeit nicht nur die Verbrennungsmotoren solcher Nutzfahrzeuge an sich, sondern auch die Leistungsaufnahme von Nebenverbrauchern in den Fokus der Bemühungen nach einer Verbrauchsredu- zierung. Neben der reinen Leistungsaufnahme spielt auch zunehmend der begrenzte Bauraum für solche Nebenverbraucher eine Rolle. Ein wichtiger solcher Nebenverbraucher ist der für die Kühlung der Verbrennungsmotoren benötigte Lüfter. Hier und im Folgenden werden die Begriffe„Lüfter" und„Ventilator" synonym gebraucht. Derartige Lüfter sind heutzutage meist als Axiallüfter ausgeführt. Die momentan für der- artige Zwecke eingesetzten Axiallüfter weisen Laufräder aus Kunststoff auf und besitzen üblicherweise einen Wirkungsgrad zwischen 50 % und 60 %. Eine Steigerung des Wirkungsgrads auf über 60% erschien bislang nicht möglich.
Axiallüfter oder -Ventilatoren weisen ein Laufrad mit einer Nabe und einer Beschaufelung der Nabe mit einer Mehrzahl einzelner Schaufeln auf. Die Drehachse der Nabe verläuft parallel zum Luftstrom. Eine einzelne Schaufel erstreckt sich von ihrer Befestigung an der Nabe, dem Schaufelfuß, zu ihrer Schaufelspitze entlang einer Längsachse. Es ist bekannt, die Schaufeln eines Axiallüfters gemäß den Gesetzen von Tragflächen auszulegen. Zur Beschreibung der Geometrie einer Schaufel werden ebene Schnitte senkrecht zu einem Radialstrahl durch die Drehachse der Nabe an dem entsprechenden Radius betrachtet. Die einzelnen Schnitte bilden je ein Profil der Schaufel. Die verschiedenen Profile einer solchen Schaufel können entlang der Schaufellängsachse gleich sein, sie können aber auch veränderlich gestaltet sein. Der Verlauf solcher Profile wird entlang einer sogenannten Auffädellinie beschrieben. Unter der Auffädellinie wird die Verbindungslinie der geometrischen Flächenschwerpunkte aller Schaufelschnitte bzw. -profile verstanden.
Das Schaufelprofil selbst wird durch verschiedene Parameter und Begriffe beschrie- ben. Die Anströmkante des Profils wird als Profilvorderkante, die Abströmkante als Profilhinterkante bezeichnet. Eine geradlinige Verbindung der Profilvorderkante und der Profilhinterkante bildet die Profilsehne. Eine Skelettlinie verbindet ebenfalls die Profilvorderkante und die Profilhinterkante und bildet die Mittellinie des Profils. Die Skelettlinie verläuft durch Mitten der Profildicken, also durch die Mittelpunkte aller Verbindungen zwischen der Oberseite und der Unterseite des Profils senkrecht zur Profilsehne.
Unter einem Schaufeleintrittswinkel bzw. Schaufelaustrittswinkel wird vorliegend der Winkel verstanden, den eine Tangente an die Skelettlinie mit einer die Profilvorderkante bzw. Profilhinterkanten verbindenden Geraden einschließt. Für den Schau- feleintrittswinkel wird eine Tangente an der Stelle betrachtet, an der die Skelettlinie die Profilvorderkante berührt. Entsprechend wird für den Schaufelaustrittswinkel eine Tangente an der Stelle betrachtet, an der die Skelettlinie die Profilhinterkante berührt. Der Abstand der Berührpunkte der Skelettlinie mit der Profilvorderkante und der Skelettlinie mit der Profilhinterkante bzw. die Länge der oben genannten Profil- sehne wird vorliegend als Profillänge bezeichnet.
Unter einem Nabenverhältnis wird vorliegend der Quotient aus dem äußeren Nabendurchmesser - also dem minimalen Radius eines Schaufelschnitts - und dem Durchmesser verstanden, an dem momentan ein Schaufelschnitt der Schaufel betrachtet wird. Unter einem Dickenverhältnis wird das Verhältnis der maximalen Profil- dicke und der Profillänge verstanden. Unter einem Teilungsverhältnis wird der Abstand der Profilhinterkanten der Profile benachbarter Schaufeln verstanden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Laufrad für einen Axiallüfter oder einen Axialventilator mit einem verbesserten Wirkungsgrad anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Axiallaufrad mit einer Nabe und einer Beschaufelung für einen Ventilator oder Lüfter gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Geometrie der Schaufeln der Beschaufelung wird durch einen Verlauf eines Schaufeleintrittswinkels und/oder eines Schaufelaustrittswinkels von Schaufelschnitten bestimmt. Dabei wird der Winkelverlauf von einem Schaufelfuß an der Nabe zu einer dem Schaufelfuß gegenüber liegenden Schaufelspitze betrachtet, also der Schaufeleintrittswinkel und/oder Schaufelaustrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis. Erfindungsgemäß ist bei dem Axiallaufrad vorgesehen, dass der Schaufeleintrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis linksgekrümmt ist und/oder der Schaufelaustrittswinkel über dem Nabenverhältnis rechtsgekrümmt ist und der Schaufeleintrittswinkel (ßfi) in der Nähe des Schaufelfußes 29° ± 3° und in der Nähe der Schaufelspitze 14° ± 3° aufweist und/oder der Schaufelaustrittswinkel ( f2> in der Nähe des Schaufelfußes 69° ± 3° und/oder in der Nähe der Schaufelspitze 27° ± 3° aufweist. Die genannten Werte sind das Ergebnis numerischer Strömungsmechanik-Berechnungen (CFD-Berechnungen) und Teststanderprobungen in mehrfach iterativen Versuchsreihen an einer Vielzahl verschiedener Profilgeomet- rien. Bei der Analyse wurde erkannt, dass mit den genannten Randwerten eine deutlich verbesserte laminare An- und Abströmung und sich damit ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad einstellt.
Unter den Begriffen linksgekrümmt bzw. rechtsgekrümmt soll vorliegend verstanden werden, dass bei einer Funktion, die den Schaufeleintrittswinkel bzw. Schaufelaus- trittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis repräsentiert, die zweite Ableitung größer Null (linksgekrümmt) bzw. kleiner Null (rechtsgekrümmt) ist. Sollte sich der Schaufeleintrittswinkel und/oder der Schaufelaustrittswinkel nicht durch eine dif- ferenzierbare Funktion darstellen lassen - weil beispielsweise der Verlauf der Profilvorderkante oder der Profilhinterkante beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen aus einzelnen geraden Abschnitten zusammengesetzt sind, soll ersatzweise als Funktion ein den Schaufeleintrittswinkel bzw. den Schaufelaustrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis darstellendes Ausgleichspolynom betrachtet werden.
Erfindungsgemäß verändert sich bezüglich der Geometrie der Schaufeln des Axiallaufrads also der Schaufeleintrittswinkel und/oder der Schaufelaustrittswinkel eines Schaufelschnitts in Abhängigkeit von dem Abstand des Schaufelschnitts von der Na- be mit den genannten Randwerten, insbesondere folgen der Schaufeleintrittswinkel und/oder der Schaufelaustrittswinkel keiner linearen Abhängigkeit. Da eine Linkskrümmung bzw. eine Rechtskrümmung vorhanden sind, verändern sich der Schaufeleintrittswinkel bzw. der Schaufelaustrittswinkel stärker als bei einer linearen Abhängigkeit.
Die erfindungsgemäße Links- bzw. Rechtskrümmung des Schaufeleintrittswinkels und/oder des Schaufelaustrittswinkels einzelner Schaufelschnitte bewirkt bei einer gleichartigen Veränderung von Schaufeleintrittswinkel und Schaufelaustrittswinkel anschaulich eine Drehung oder Verwindung der Schaufelschnitte entlang der Auffädellinie. Erfolgt die Veränderung des Schaufeleintrittswinkels und/oder des Schaufel- austrittwinkels im Verlauf der Längsachse oder der Auffädellinie der Schaufel nicht gleich, so ergibt sich auch eine Veränderung der Skelettlinie und damit auch der Krümmung des Schaufelprofils. Die erfindungsgemäße Verwindung der einzelnen Schaufeln des Axiallaufrads gemäß den genannten Werten mit einem über-linearen Verlauf des Schaufeleintrittswinkels und/oder des Schaufelaustrittswinkels trägt er- findungsgemäß der Veränderung der Strömungsverhältnisse im Verlauf von der Nabe bzw. dem Schaufelfuß zu der Schaufelspitze bzw. einem dort befindlichen Gehäuse Rechnung. Überraschenderweise hat diese über-lineare Verwindung mit den genannten Randwerten eine unerwartete Steigerung des Schaufelwirkungsgrads des Axiallaufrads bzw. eines mit einem derartigen Axiallaufrad arbeitenden Ventilators oder Lüfters auf bis zu 70 % zur Folge. Der Schaufelwirkungsgrad r]Sch ist dabei definiert als
_ mSchXt _ Yt
mSchXsch Ysch
wobei mSch der Massenstrom durch den Schaufelbereich des Laufrads, Yt die spezifische Stutzenarbeit und YSch die spezifische Schaufelarbeit. Eine asymmetrische Ver- Windung der Schaufelschnitte, d.h. die stärkere Verwindung des Schaufelschnitts im Bereich der Profilhinterkante als im Bereich der Profilvorderkante, berücksichtigt die unterschiedlichen Strömungsverhältnisse an der Profilvorderkante und der Profilhinterkante und trägt zu einer weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Axiallaufrads bei.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Schaufeleintrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis in zumindest einem zweiten Schaufeleintrittswinkelabschnitt von dem Schaufelfuß zu der Schaufelspitze zunächst bis zu einem Minimum fällt und in der Nähe der Schaufelspitze wieder ansteigt. Die Rücknahme der bereits bis zu einem minimalen Schaufeleintrittswinkel erfolgten Verwindung der Schaufelschnitte im Bereich der Schaufelspitze führt zu einem weiter verbesserten Wirkungsgrad.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Dickenverhältnis des Beschaufelungsprofils zwischen 0,05 und 0,16 liegt und insbesondere von 0,13 auf 0,08 von dem Schaufelfuß zu der Schaufelspitze abfällt. Gleichzeitig oder alter- nativ kann das Teilungsverhältnis von 0,43 auf 0,89 von dem Schaufelfuß zu der Schaufelspitze ansteigen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schaufeleintrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis gemäß der folgenden Tabelle verläuft:
oder dass der Verlauf der Schaufeleintrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 1 ° von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
Der in dieser Tabelle gezeigte nichtlineare Verlauf des Schaufeleintrittswinkels in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis zeigt besonders optimierte Wirkungsgrade.
Bei einer ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schaufelaustrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis gemäß der folgenden Tabelle verläuft: Nabenverhältnis Schaufelaustrittswinkel [ °]
1 ,00 68,8
0,92 67,5
0,85 66,0
0,79 64,2
0,74 62,0
0,69 59,4
0,65 56,6
0,62 53,3
0,58 49,6
0,56 45,3
0,53 40,1
0,51 34,1
0,49 27,0 oder dass der Verlauf der Schaufelaustrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 2° von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
Insbesondere im Zusammenspiel mit dem oben genannten Verlauf des Schaufelein- trittswinkels führt der genannte Verlauf des Schaufelaustrittswinkels in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis zu einem noch weiter verbesserten Wirkungsgrad.
Es ist von Vorteil, wenn das Dickenverhältnis in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis gemäß der folgenden Tabelle verläuft:
Nabenverhältnis Dickenverhältnis
1 ,00 0,130
0,92 0,1 15
0,85 0,107
0,79 0,101
0,74 0,097
0,69 0,093
0,65 0,090
0,62 0,088
0,58 0,086
0,56 0,083
0,53 0,080
0,51 0,080
0,49 0,080 oder dass der Verlauf des Dickenverhältnisses in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 10%, bevorzugt um höchstens +/- 5% von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
Die Anpassung des Dickenverhältnis gemäß dem gezeigten Verlauf führt zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades.
Bei einer Ausführungsform verläuft das Teilungsverhältnis gemäß der folgenden Tabelle:
Nabenverhältnis Teilungsverhältnis
1 ,00 0,434
0,92 0,473
0,85 0,51 1
0,79 0,550
0,74 0,588
0,69 0,627
0,65 0,666
0,62 0,704
0,58 0,743
0,56 0,781
0,53 0,820
0,51 0,858
0,49 0,896 oder dass der Verlauf des Teilungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 10%, bevorzugt um höchstens +/- 5% von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
Die Veränderung des Teilungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis wird auch durch den Anstieg der Teilung mit zunehmendem Radius beeinflusst.
Die Aufgabe wird auch durch einen Axialventilator mit einem Gehäuse und erfindungsgemäßen Axiallaufrad, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst.
Besonders bevorzugt kann bei dem Axialventilator bei einem Umlauf des Axiallaufrads zwischen dem Gehäuse und der Schaufelspitze ein Abstand an der engsten Stelle von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,6 mm und an der weitesten Stelle höchstens 5 mm, bevorzugt höchstens 3 mm vorgesehen sein. Dies stellt eine besonders bevorzugte Kombination aus hohem Wirkungsgrad und optimierte Strömungsführung dar. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Axial laufrad;
Figur 2 zwei Schnittansichten des Schaufelprofils einer Schaufel der Figur 1 ;
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Schaufeleintrittswinkels, des Schaufelaustrittswinkels, des Teilungsverhältnisses und des Dickenverhältnisses;
Figur 4 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Axiallaufrad; und
Figur 5 eine Draufsicht auf das Laufrad der Figur 4 mit zusätzlich dargestelltem optionalen Nachleitrad.
Figur 1 zeigt in einer teilweisen Draufsicht ein erfindungsgemäßes Axiallaufrad 1 , das beispielsweise für einen Axialventilator geeignet ist. Das Axiallaufrad 1 weist eine Nabe 2 auf, die um eine Drehachse X drehbar gelagert ist. An der Nabe 2 ist eine Mehrzahl an Schaufeln 3 angeordnet. Wie in der Draufsicht der Figur 1 erkennbar ist, sind die Schaufeln gerade, d.h. ihre Auffädellinie (nicht dargestellt) ist eine Gerade. Selbstverständlich wäre es aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, die Schaufeln zusätzlich mit einer Sichelung, auch Pfeilung genannt, zu versehen. In Figur 1 sind 13 Profilschnitte 301 -313 gezeigt. Diese verlaufen senkrecht zu einem durch die Drehachse X verlaufenden Radialstrahl R. Die Schaufeln 3 sind starr auf der Nabe 2 befestigt und weisen einen Schaufelfuß 31 sowie eine Schaufelspitze 32 auf. Die Anströmseite der Schaufel 3 wird durch eine Profilvorderkante 33 gebildet, die Abströmseite der Schaufel 3 durch eine Profilhinterkante 34.
Figur 2 zeigt beispielhaft zwei Schaufelschnitte 307 zweier benachbarter Schaufeln 3. Der einzelne Schaufelschnitt 307 zeigt das Profil der Schaufel 3. Das Profil weist die Profilvorderkante 33 sowie die Profilhinterkante 34 auf.
Eine die Profilvorderkante 33 sowie die Profilhinterkante 34 verbindende Gerade bildet die Profilsehne 35. Die Länge des Streckenabschnitts zwischen Profilvorderkante 33 und Profilhinterkante 34 bildet die Profillänge I. Der Abstand zwischen zwei Profilhinterkanten 34 stellt die Teilung t der Beschaufelung dar. Der senkrecht zur Profilsehne 35 verlaufende Abstand zwischen Oberseite und Unterseite des Profils bildet die Dicke d eines Profils. Durch die Mitte der Dicke d verläuft die Skelettlinie 36. Für die Ermittlung des Schaufeleintrittswinkels und des Schaufelaustrittswinkels wird die Skelettlinie 36 verwendet. An die Skelettlinie 36 werden in der Profilvorderkante 33 und in der Profilhinterkante 34 Tangenten 38 bzw. 39 gelegt. Die Winkel, den die Tangenten 38, 39 jeweils mit einer die Profilvorderkanten 33 bzw. die Profilhinterkanten 34 zweier benachbarter Schaufeln 3 verbindenden Gerade einschließen, bilden die Schaufeleintrittswinkel ßfi bzw. ßf2.
Figur 3 zeigt ein Diagramm 100 zur Veranschaulichung des Verlaufs des Schaufeleintritts- und Schaufelaustrittswinkels sowie des Teilung- und des Dickenverhältnisses. An der Abszisse 101 des Diagramms 100 ist das Nabenverhältnis aufgetragen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel variiert das Nabenverhältnis zwischen 1 und 0,43. Das Nabenverhältnis ist der Quotient aus dem Radius der Nabe und dem Radius des momentan betrachteten Profilschnitts. An der linken Ordinate 102 ist der Winkel aufgetragen für den Schaufeleintrittswinkel ßfi und den Schaufelaustrittswinkel ßf2. Die rechte Ordinate 103 dient zur Darstellung des Teilungs- bzw. des Dicken- Verhältnisses. In dem Diagramm 100 sind der Graph 1 10 des Schaufeleintrittswinkels ßfi und der Graph 1 1 1 des Schaufelaustrittswinkels ßf2 dargestellt. Der Graph 1 12 bildet das Teilungsverhältnis ab, der Graph 1 13 das Dickenverhältnis. Zwischen dem Nabenverhältnis 0,65 und dem Nabenverhältnis 0,43 durchläuft der Schaufelein- trittswinkel ßfi ein Minimum bei ca. 12°. Bei dem maximalen Nabenverhältnis von 0,43 beträgt der Schaufeleintrittswinkel ßfi 13,6°, bei dem Nabenverhältnis 1 beträgt er 29°.
Der Schaufelaustrittswinkel ßf2, dargestellt am Graph 1 1 1 , hat bei dem Nabenverhältnis 1 sein Maximum von 69° und fällt dann bis auf 27° am Außenumfang bei den Nabenverhältnis 0,43 ab, ohne zwischendurch ein Minimum zu durchlaufen.. Insgesamt ist aus Figur 3 ersichtlich, dass der Verlauf des Schaufeleintritts- und des Schaufelaustrittswinkel über-linear ist.
Das Teilungsverhältnis t/1, bestimmt durch den Quotienten aus der Teilung t und der Profillänge I, steigt von 0,43 bei dem Teilungsverhältnis 1 bis auf 0,89 bei dem mini- malen Teilungsverhältnis am Außendurchmesser an. Das Dickenverhältnis d/l, bestimmt durch den Quotienten aus der maximalen Dicke d und der Profillänge I, fällt von 0,13 bei dem Nabenverhältnis 1 , d.h. direkt an der Nabe, auf 0,08 bei dem minimalen Nabenverhältnis ab. Der Anstieg des Teilungsverhältnis t/l trägt der Tatsache Rechnung, dass die Teilung t eines einzelnen Schnitts mit zunehmender Entfernung von der Nabe nach außen hin ansteigt. Die Abnahme des Dickenverhältnis d/l rührt daher, dass mit der Veränderung des Schaufeleintrittswinkels bzw. Schaufelaustrittswinkels die Profillänge I kürzer wird.
Die Graphen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 zeigen die Verläufe gemäß der zuvor genannten Tabellenwerte.
Figur 4 zeigt das Axiallaufrad 1 der Figur 1 vollständig Figur 5 zeigt einen Ventilator 10 mit dem Axiallaufrad 1 der Figuren 1 und 4 und einem Teil eines Gehäuses 1 1 . An dem Gehäuse 1 1 ist ein Motorträger 12 angebracht. Der Motorträger 12 weist eine ungerade Anzahl von Armen auf, die zur Befestigung dienen. Zwischen Gehäuse 1 1 und Axiallaufrad 1 ist ein geringer Spalt vorgesehen. Der Spalt beträgt an der engsten Stelle höchstens 0,6 mm und an der weitesten Stelle höchstens 3 mm.
Typische Größen für den Nabendurchmesser der vorliegenden Ausführungsform sind 200-650 mm, beispielsweise 315 mm. Typische Außendurchmesser des Axiallaufrads 1 sind 400-1500 mm, beispielsweise 615 mm. Das minimale Nabenverhält- nis am Außendurchmesser liegt typischerweise im Bereich von 0,45-0,63. Bei dem gewählten geringen Spalt zwischen Axiallaufrad 1 und Gehäuse 10 ist bevorzugt Aluminium, beispielsweise Aluminium-Kokillenguss, für die Fertigung des Axiallaufrads 1 vorgesehen. Es ist aber auch möglich, ein derartiges Axiallaufrad 1 in Kunststoff zu fertigen. Dies bedeutet allerdings einen größeren Aufwand, um die erforderli- che Genauigkeit zu erzielen.

Claims

Ansprüche
1 . Axiallaufrad (1 ) mit einer Nabe (2) und einer Beschaufelung (3) für einen Ventilator oder Lüfter, wobei die Geometrie der Schaufeln (3) durch einen Verlauf eines Schaufeleintrittswinkels (ßfi ) und eines Schaufelaustrittswinkels (ßf2) von Schaufelschnitten von einem Schaufelfuß (31 ) an der Nabe (2) zu einer dem Schaufelfuß (31 ) gegenüberliegenden Schaufelspitze (32), also in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis, bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufeleintrittswinkel (ßfi ) in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis linksge- krümmt ist und/oder der Schaufelaustrittswinkel (ßf2) in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis rechtsgekrümmt ist und der Schaufeleintrittswinkel (ßfi ) in der Nähe des Schaufelfußes (31 ) 29° ± 3° und in der Nähe der Schaufelspitze (32) 14° ± 3° aufweist und/oder der Schaufelaustrittswinkel (ßf2) in der Nähe des Schaufelfußes (31 ) 69° ± 3° und in der Nähe der Schaufelspitze (32) 27° ± 3° aufweist.
2. Axiallaufrad nach Anspruch 1 , wobei der Schaufeleintrittswinkel (ßfi ) in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis von dem Schaufelfuß (31 ) zu der Schaufelspitze (32) zunächst bis zu einem Minimum fällt und in der Nähe der Schaufelspitze (32) wieder ansteigt.
3. Axiallaufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Differenz zwischen einem Schaufeleintrittswinkel (ßfi ) im Bereich des Schaufelfußes (31 ), insbesondere beim Nabenverhältnis 1 , und einem Schaufeleintrittswinkel (ßfi ) im Bereich der Schaufelspitze (32), insbesondere beim kleinsten Nabenverhältnis, kleiner als eine Differenz zwischen einem Schaufelaustrittswinkel (ßf2) im Bereich des Schaufelfußes (31 ), insbesondere beim Nabenverhältnis 1 , und einem Schaufelaus- trittswinkel (ßf2) im Bereich der Schaufelspitze (32), insbesondere beim kleinsten Nabenverhältnis ist und bevorzugt das 0,5-fache, besonders bevorzugt das 0,4-fache und insbesondere das 0,36-fache beträgt.
4. Axiallaufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Dickenverhältnis (d/l) des Beschaufelungsprofils zwischen 0,05 und 0,16 liegt.
5. Axiallaufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaufeleintrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis gemäß der folgenden Ta- belle verläuft:
oder dass der Verlauf des Schaufeleintrittswinkels in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 1 ° von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
6. Axiallaufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaufelaustrittswinkel in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis gemäß der folgenden Tabelle verläuft: Nabenverhältnis Schaufelaustrittswinkel [ °]
1 ,00 68,8
0,92 67,5
0,85 66,0
0,79 64,2
0,74 62,0
0,69 59,4
0,65 56,6
0,62 53,3
0,58 49,6
0,56 45,3
0,53 40,1
0,51 34,1
0,49 27,0 oder dass der Verlauf des Schaufelaustrittswinkels in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 2° von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
7. Axiallaufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dicken- Verhältnis in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis gemäß der folgenden Tabelle verläuft:
Nabenverhältnis Dickenverhältnis
1 ,00 0,130
0,92 0,1 15
0,85 0,107
0,79 0,101
0,74 0,097
0,69 0,093
0,65 0,090
0,62 0,088
0,58 0,086
0,56 0,083
0,53 0,080
0,51 0,080
0,49 0,080 oder dass der Verlauf des Dickenverhältnisses in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 10%, bevorzugt um höchstens +/- 5% von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
8. Axiallaufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Teilungsverhältnis gemäß der folgenden Tabelle verläuft:
Nabenverhältnis Teilungsverhältnis
1 ,00 0,434
0,92 0,473
0,85 0,51 1
0,79 0,550
0,74 0,588
0,69 0,627
0,65 0,666
0,62 0,704
0,58 0,743
0,56 0,781
0,53 0,820
0,51 0,858
0,49 0,896 oder dass der Verlauf des Teilungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis um höchstens +/- 10%, bevorzugt um höchstens +/- 5% von den oben genannten Tabellenwerte abweicht.
9. Axialventilator (10) mit einem Gehäuse (1 1 ) und einem Axiallaufrad (1 ), insbe- sondere für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Axialventilator nach Anspruch 9, wobei bei einem Umlauf des Axiallaufrads zwischen dem Gehäuse (1 1 ) und der Schaufelspitze (32) ein Abstand an der engsten Stelle von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,6 mm und an der weitesten Stelle höchstens 5 mm, bevorzugt höchstens 3 mm vorgesehen ist.
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