EP3368774B1

EP3368774B1 - Ventilatorrad und ventilator

Info

Publication number: EP3368774B1
Application number: EP16781434.2A
Authority: EP
Inventors: Jens Müller; Daniel Gebert; Michael Strehle
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2036-10-13
Also published as: DE102015118387A1; CN205298054U; EP3368774A1; WO2017071963A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventilatorrad ausgeführt als Radialventilatorrad oder Diagonalventilatorrad sowie einen Ventilator, in dem ein entsprechendes Ventilatorrad montiert ist.
Gattungsgemäße Radialventilatorräder sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2010 009 566 A1 oder der DE 20 2009 018 770 U1 . Weiterer Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet ist aus den Druckschriften DE 26 22 018 A1 , JP H05 332293 A1 , JP H05 240190 A , WO 2015/111210 A1 und JP 2007 198268 A bekannt.
Derartige Radialventilatorräder werden vorzugsweise in volumenstromleitenden Elementen (z.B. Air Handling Units) im Bereich der Lüftungs- und Klimatechnik eingesetzt. Dabei legt sich der Luftstrom nach dem radialen Ausblasen aus dem Ventilatorrad an die sich in Verlängerung der radialen Richtung des Ventilatorrades verlaufende Kanalwand an. Je früher, d.h. näher am Ventilatorrad sich die Strömung an der Kanalwand anlegt, desto höher ist die Druckrückgewinnung an der Kanalwand, wodurch dynamische Verluste reduziert werden und der Gesamtwirkungsgrad steigt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ventilatorrad sowie einen Ventilator bereit zu stellen, die einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad gewährleisten.
Diese Aufgaben werden durch eine Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 und 14 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Ventilatorrad vorgeschlagen, das als Radialventilatorrad oder Diagonalventilatorrad ausgeführt ist, mit einer Vielzahl von um eine axiale Rotationsachse verteilten Ventilatorschaufeln, einer im Radialschnitt bogenförmigen Deckscheibe, die mit ihrer Unterseite zumindest abschnittsweise auf axialen Stirnseiten der Ventilatorschaufeln aufliegt und um die Rotationsachse eine Einlassöffnung aufweist. Die im Radialschnitt zumindest teilweise bogenförmige Deckscheibe weist einen radialen Innenabschnitt, in dem ein Tangentenwinkel gegenüber einer Radialebene des Ventilatorrades größer ist als 45°, und einen sich in radialer Richtung an den Innenabschnitt anschließenden Außenabschnitt auf, wobei im radialen Innenabschnitt auf der der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite der Deckscheibe mindestens ein von der Oberseite der Deckscheibe radial und axial vorstehendes Luftleitelement mit einer in Umfangsrichtung weisenden Leitfläche angeordnet ist.
Die Erfindung funktioniert mit bereits einem Luftleitelement. Bevorzugt werden jedoch drei oder fünf Luftleitelemente in Umfangsrichtung verteilt auf der Deckscheibe vorgesehen. Soweit im Folgenden von Luftleitelementen gesprochen wird, umfasst dies stets auch die Verwendung von nur einem Luftleitelement.
Durch die Anordnung der Luftleitelemente im radialen Innenabschnitt auf der Oberseite der im Querschnitt zumindest teilweise bogenförmigen Deckscheibe legt sich die vom Ventilatorrad erzeugte radiale Luftströmung früher an die radial nachfolgende Kanalwand an, wodurch eine erhöhte Druckrückgewinnung erzielbar ist. Die dynamischen Verluste werden reduziert und der Gesamtwirkungsgrad gesteigert.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung ist vorgesehen, dass die Luftleitelemente eine axiale Stirnseite aufweisen und ein Verhältnis einer Radialerstreckung der axialen Stirnseite gegenüber einem Deckscheibendurchmesser in einem Bereich von 0,01 und 0,05 liegt. Die radiale Größe der Luftleitelemente beeinflusst die vom Ventilatorrad erzeugte Strömung, wobei der Gesamtwirkungsgrad im genannten Bereich am größten ist.
Ferner wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn die Luftleitelemente bündig mit dem einlassseitigen Axialrand der Deckscheibe abschließen oder einen geringen axialen Abstand aufweisen, der kleiner oder gleich 4% des Deckscheibendurchmessers ist.
Die axialen Stirnseiten der Luftleitelemente erstrecken sich in einer sich ebenfalls günstig auswirkenden Ausführung über ihre gesamte radiale Länge parallel zur Axialebene des Ventilatorrades, die radialen Stirnseiten über ihre gesamte axiale Länge parallel zur Rotationsachse oder zu einer Radialebene des Ventilatorrades.
Das Ventilatorrad ist in einem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass der Anstellwinkel α der Luftleitelemente gegenüber einer Radialebene der Luftleitelemente durch die Rotationsachse des Ventilatorrades in einem Bereich von ±30° liegt. Bevorzugt wird ein Anstellwinkel von 0°, so dass die Luftleitelemente geradlinig radial auswärts verlaufen.
Ferner liegt der Neigungswinkel β der Luftleitelemente gegenüber der Rotationsachse des Ventilators vorteilhafterweise in einem Bereich von ±60°. Bevorzugt wird ein Neigungswinkel von 0°, so dass sich die Luftleitelemente parallel zur Rotationsachse erstrecken. Der positive Effekt der Luftleitelemente ist bei den entsprechend bevorzugten Werten am größten.
In einer ebenfalls erfindungsgemäßen Abwandlung sind die Luftleitelemente konvex oder konkav geformt, d.h. sie erstrecken sich im Schnitt bogenförmig. Die Ausrichtung der Luftleitelemente kann dabei drehrichtungsabhängig erfolgen.
In einer günstigen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Luftleitelemente einteilig mit der Deckscheibe ausgebildet sind. Bei einer Ausführung des Ventilatorrades aus Metall werden die Luftleitelemente hierzu gestanzt, bei einer Ausführung aus Kunststoff angespritzt. Hierdurch reduzieren sich die Teilezahl und der Montageaufwand.
In einer alternativen Ausführung sind die Luftleitelemente lösbar an der Deckscheibe befestigbar, beispielsweise durch Verschrauben oder Verrasten. An der Deckscheibe können hierzu entsprechende Aufnahmen vorgesehen werden, in die die Luftleitelemente eingesetzt werden. Dies ermöglicht das Nachrüsten oder Austauschen von Luftleitelementen. Alternativ können die Luftleitelemente auch fest mit der Deckscheibe verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen, Kleben oder Nieten.
Die Position bzw. Verteilung der Luftleitelemente in Umfangsrichtung ist variabel. Günstig ist jedoch eine Ausführung, bei der die Luftleitelemente in Umfangsrichtung gesehen an einer Position der Deckscheibe angeordnet sind, bei der die Ventilatorschaufeln in einer axialen Draufsicht in radialer Richtung in die Einlassöffnung hineinragen bzw. radial über die Einlassöffnung hervorstehen. So wirken Luftleitelemente und Ventilatorschaufeln strömungstechnisch zusammen.
In einer Weiterbildung werden die axialen und radialen Stirnkanten der Luftleitelemente angephast oder abgerundet. Zudem ist der Übergang der axialen und radialen Stirnkanten der Luftleitelemente mit einer Rundung versehen.
Das erfindungsgemäße Ventilatorrad weist insbesondere auch eine Bodenscheibe auf, auf der die Ventilatorschaufeln angeordnet sind. Zwischen Bodenscheibe und Deckscheibe wird über die Ventilatorschaufeln der radiale Ausblaskanal gebildet. Bevorzugt ist hierfür eine Ausführung als einteiliges Ventilatorrad.
Die Erfindung umfasst ferner einen Ventilator mit einem oben beschriebenen Ventilatorrad.
Alle offenbarten Merkmale des Ventilatorrades sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht eines Ventilatorrades;
Fig. 2: eine Seitenansicht des Ventilatorrades aus Fig. 1;
Fig. 3: eine vergrößerte Detailansicht des Ventilatorrades aus Fig. 2;
Fig. 4: eine Draufsicht auf das Ventilatorrad aus Fig. 1;
Fig. 5: eine Draufsicht auf ein Ventilatorrad gemäß einer alternativen Ausführung;
Fig. 6: eine Seitenansicht eines Ventilatorrades gemäß einer weiteren alternativen Ausführung;
Fig. 7a,b: je eine Darstellung der Strömung mit und ohne Luftleitelemente;
Fig. 8: einen Kennlinienvergleich eines Ventilatorrades mit und ohne Luftleitelemente.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Radial-Ventilatorrades 1 mit einer Bodenscheibe 12, einer Deckscheibe 3 und dazwischen angeordneten gekrümmten Ventilatorschaufeln 2. Auf der Ansaugseite ist in der Deckscheibe 3 eine Luft-Einlassöffnung 4 gebildet, ausgeblasen wird die Luft über den radialen Ausblaskanal 12. Fünf Luftleitelemente 7 sind in gleichen Abständen in Umfangsrichtung verteilt auf der Oberseite der Deckscheibe 3 angrenzend an die Einlassöffnung 4 angeordnet.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Ventilatorrades aus Fig. 1. Dabei ist die teilweise bogenförmige Form der Deckscheibe 3 entsprechend einem Radialschnitt zu erkennen. Die bogenförmige Deckscheibe 3 wird über die 45°-Tangente T gegenüber einer Radialebene in einen radialen Innenabschnitt 5 und einen sich unmittelbar in radialer Richtung daran anschließenden radialen Außenabschnitt 6 unterteilt. Der radiale Innenabschnitt 5 der Deckscheibe 3 beginnt bzw. endet, wenn der Tangentenwinkel gegenüber der Radialebene größer ist als 45°. Der radiale Außenabschnitt 6 umfasst auch einen gerade nach radial außen verlaufenden Außenrandbereich. Die Luftleitelemente 7 sind im radialen Innenabschnitt 5 radial und axial vorstehend ausgebildet und weisen jeweils beidseitig eine in Umfangsrichtung weisende Leitfläche 8 auf. Jedes Luftleitelement 7 weist eine axiale Stirnseite 9 und eine radiale Stirnseite 10 auf, die sich jeweils parallel zu einer Radialebene bzw. Axialebene des Ventilatorrades 1 erstrecken.
In Figur 3 ist eine vergrößerte Detailansicht des Ventilatorrades 1 aus Fig. 2 gezeigt, aus der sich die Größenverhältnisse und Erstreckung der Luftleitelemente 7 ergeben. In dem Ausführungsbeispiel sind alle Luftleitelemente 7 formgleich. Die Radialerstreckung H der axialen Stirnseite 9 des Luftleitelements 7 gegenüber dem Deckscheibendurchmesser D liefert in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Wert von 0,05. Die Länge L des jeweiligen Luftleitelements 7 ergibt sich aus der Radialerstreckung H und ihrem Verhältnis zum Deckscheibendurchmesser D, soweit sich die Luftleitelemente 7 wie gezeigt über ihre gesamte Länge entlang der Oberseite der Deckscheibe 3 erstrecken. Gegenüber dem einlassseitigen Axialrand 13 der Deckscheibe 3 sind die Luftleitelemente 7 in einem axialen Abstand A angeordnet, der in der gezeigten Ausführung bei 2mm liegt. Der Übergang zwischen der axialen Stirnseite 9 und der radialen Stirnseite 10 weist eine Rundung auf.
Figur 4 zeigt die Draufsicht auf das Ventilatorrad aus den Fig. 1 - 3 und insbesondere die Erstreckung der Luftleitelemente 7 jeweils geradlinig nach radial auswärts entlang einer Radialebene R1 durch die Rotationsachse des Ventilatorrades 1. Die Luftleitelemente 7 sind in Umfangsrichtung gesehen jeweils in demjenigen Umfangsabschnitt an der Deckscheibe 3 angeordnet, in dem die Ventilatorschaufeln 2 in radialer Richtung in die Einlassöffnung 4 hineinragen bzw. radial über die Einlassöffnung 4 hervorstehen.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf ein Ventilatorrad 1 gemäß einer alternativen Ausführung zu Fig. 4, wobei die Luftleitelemente 7 jeweils in Umfangsrichtung geneigt auf der Deckscheibe 3 angeordnet sind. Die jeweilige Erstreckung der Luftleitelemente 7 weist axiale und radiale Komponenten auf, so dass ein Anstellwinkel α der Luftleitelemente 7 gegenüber der Radialebene R1 durch einen radial innen liegenden Ausgangspunkt der Luftleitelemente 7 und durch die Rotationsachse des Ventilatorrades 1 bei 30° liegt. Der Anstellwinkel kann auch negativ, d.h. in die entgegengesetzte Umfangsrichtung aufgespannt sein. Alle übrigen Merkmale stimmen mit denjenigen aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 überein.
In Figur 6 ist eine Seitenansicht eines Ventilatorrades 1 einer weiteren alternativen Ausführung dargestellt. Dabei sind die Luftleitelemente 7 gegenüber der Rotationsachse im Neigungswinkel β=25° geneigt. Auch der Neigungswinkel β kann negativ sein. Alle übrigen Merkmale stimmen mit denjenigen aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 oder 5 überein.
Figur 7a zeigt einen Strömungsverlauf des Ventilatorrades 1 aus Fig. 1, 5 oder 6 in einem an eine sich in radialer Richtung anschließend erstreckende Kanalwand 71 montierten Zustand, Figur 7b den Strömungsverlauf desselben Ventilatorrades jedoch ohne Luftleitelemente im selben Montagezustand. Die radial ausgeblasene Luftströmung legt sich bei gemäß Fig. 7a unmittelbar am Ventilatorrad 1 mit Luftleitelementen 7 angrenzend an, wohingegen bei herkömmlichen Ventilatorrädern gemäß Figur 7b ein deutlicher radialer Abstand vorliegt. Der technische Effekt ist in dem Kennlinienvergleich des Drucks und Gesamtwirkungsgrads gegenüber dem Volumenstrom gemäß Fig. 8 dargestellt. Die Werte des Ventilatorrads 1 aus Fig. 1 sind jeweils als gestrichelte Linie, dasselbe Ventilatorrad ohne Luftleitelemente 7 jeweils als durchgezogene Linie gezeigt. Der Vorteil liegt im Maximum je nach Wert (Druck, Gesamtwirkungsgrad) zwischen +5% und +20%.

Claims

Ventilatorrad ausgeführt als Radialventilatorrad oder Diagonalventilatorrad, mit einer Vielzahl von um eine axiale Rotationsachse verteilten Ventilatorschaufeln (2), einer im Radialschnitt zumindest teilweise bogenförmigen Deckscheibe (3), die mit ihrer Unterseite zumindest abschnittsweise auf axialen Stirnseiten der Ventilatorschaufeln (2) aufliegt und um die Rotationsachse eine Einlassöffnung (4) aufweist, wobei die im Radialschnitt zumindest teilweise bogenförmige Deckscheibe (3) einen radialen Innenabschnitt (5), in dem ein Tangentenwinkel gegenüber einer Radialebene des Ventilatorrades (1) größer ist als 45°, und einen sich in radialer Richtung an den Innenabschnitt (5) anschließenden Außenabschnitt (6) aufweist, wobei im Innenabschnitt (5) auf der der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite der Deckscheibe (3) mindestens ein von der Oberseite der Deckscheibe (3) radial und axial vorstehendes Luftleitelement (7) mit einer in Umfangsrichtung weisenden Leitfläche (8) angeordnet ist, und wobei das mindestens eine Luftleitelement (7) eine axiale Stirnseite (9) aufweist und ein Verhältnis einer Radialerstreckung (H) der axialen Stirnseite (9) gegenüber einem Deckscheibendurchmesser (D) in einem Bereich von 0,01 und 0,05 liegt.
Ventilatorrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Luftleitelement (7) bündig mit einem einlassseitigen Axialrand (13) der Deckscheibe (3) abschließt.
Ventilatorrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Luftleitelement (7) gegenüber einem einlassseitigen Axialrand (13) der Deckscheibe (3) einen axialen Abstand aufweist, der kleiner oder gleich 4% des Deckscheibendurchmessers (D) ist.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die axiale Stirnseite (9) des mindestens einen Luftleitelements (7) über seine gesamte radiale Länge parallel zu einer Axialebene des Ventilatorrades (1) erstreckt.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Luftleitelement (7) eine radiale Stirnseite (10) aufweist, die sich über ihre gesamte axiale Länge parallel zur Rotationsachse des Ventilatorrades (1) erstreckt.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anstellwinkel α des mindestens einen Luftleitelements (7) gegenüber einer Radialebene (R1) des mindestens einen Luftleitelements (7) durch die Rotationsachse des Ventilatorrades (1) in einem Bereich von ±30°, insbesondere bei 0° liegt, so dass das mindestens eine Luftleitelement (7) geradlinig radial auswärts verläuft.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel β des mindestens einen Luftleitelements (7) gegenüber der Rotationsachse des Ventilatorrades (1) in einem Bereich von ±60°, insbesondere bei 0° liegt, so dass das mindestens eine Luftleitelement (7) parallel zur Rotationsachse des Ventilatorrades (1) verläuft.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Luftleitelement (7) konvex oder konkav geformt ist.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Luftleitelement (7) einteilig mit der Deckscheibe (3) ausgebildet ist.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Luftleitelement (7) lösbar an der Deckscheibe (3) befestigbar ist.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Luftleitelemente (7) vorgesehen sind.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine bzw. die mindestens drei Luftleitelement/e (7) in Umfangsrichtung gesehen an einer Position der Deckscheibe (3) angeordnet sind, bei der die Ventilatorschaufeln (2) in einer axialen Draufsicht in radialer Richtung in die Einlassöffnung (4) hineinragen.
Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Bodenscheibe (5) aufweist, auf der die Ventilatorschaufeln (2) angeordnet sind, und zwischen Bodenscheibe (5) und Deckscheibe (3) ein radialer Ausblaskanal (12) gebildet wird, und dadurch dass das Ventilatorrad (1) einteilig ausgebildet ist.
Ventilator mit einem Ventilatorrad nach zumindest einem der vorigen Ansprüche.