EP4063663A1

EP4063663A1 - Schaufelloser strömungsdiffusor

Info

Publication number: EP4063663A1
Application number: EP22161823.4A
Authority: EP
Inventors: Saurabh Gupta; Tobias SIEGER
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2022-09-28
Also published as: DE102021107355A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Axiallüfter (1) mit einem einen Strömungskanal (3) bildenden Gehäuse (2) und einem in dem Gehäuse (2) aufgenommenen, um eine Rotationsachse (RA) rotierbaren Lüfterrad (5), wobei das Lüfterrad (5) eine Nabe (25) aufweist, von der aus sich Lüfterradschaufeln (16) radial auswärts erstrecken, und wobei das Lüfterrad (5) abtrömseitig an der Nabe (25) einen Nabendiffusor (26) ausbildet, der sich axial an einen Bereich der Nabe (25) anschließt, in dem die Lüfterradschaufeln (15) des Lüfterrads (5) ausgebildet sind, so dass der Nabendiffusor (26) frei von Lüfterradschaufeln (15) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axiallüfter mit einem einen Strömungskanal bildenden Gehäuse und einem in dem Gehäuse aufgenommenen, um eine Rotationsachse rotierbaren Lüfterrad.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Axiallüftern in einstufiger oder mehrstufiger Ausführung, d.h. mit einem oder mehreren die Axialströmung erzeugenden Lüfterrädern bekannt.
Die Erfindung richtet sich auf eine aerodynamische Wirkungsgradverbesserung und dadurch auch Reduzierung der Leistungsaufnahme bei derartigen Axiallüftern. Zudem soll die strömungsbedingte Geräuschbildung verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Axiallüfter mit einem einen Strömungskanal bildenden Gehäuse und einem in dem Gehäuse aufgenommenen, um eine Rotationsachse rotierbaren Lüfterrad vorgeschlagen, bei dem das Lüfterrad eine Nabe aufweist, von der aus sich Lüfterradschaufeln radial auswärts erstrecken. Das Lüfterrad bildet abtrömseitig an der Nabe einen Nabendiffusor aus, der sich axial an einen Bereich der Nabe anschließt, in dem die Lüfterradschaufeln des Lüfterrads ausgebildet sind, so dass der Nabendiffusor schaufellos, d.h. frei von Lüfterradschaufeln ist. Mithilfe des Nabendiffusors kann die Durchflussgeschwindigkeit am abströmseitigen Ende und hinter dem Lüfterrad verzögert werden. Dies erfolgt durch allmähliches Verkleinern des Nabendurchmessers und die damit einhergehende Vergrößerung des freien Durchflussquerschnittes im Strömungskanal. Entscheidend ist, dass der Nabendiffusor unbeeinflusst von den Laufradschaufeln ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Laufradschaufeln axial vor dem Nabendiffusor enden, so dass eine zum Strömungskanal weisende Nabendiffusorwandfläche ohne Laufradschaufeln ausgebildet ist und nur der sich verjüngende Querschnitt der Nabendiffusorwandfläche auf die abströmseitige Strömung wirkt.
Erfindungsgemäß kommt es zur Reduzierungen der dynamischen Austrittsverluste, der Leistungsaufnahme und der Geräuschbildung.
Vorteilhaft ist zudem eine Ausführungsvariante des Axiallüfters, bei der ein Axialabschnitt im Strömungskanal des Axiallüfters, in dem der Nabendiffusor ausgebildet ist, als frei durchströmbarer Freiraum ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Nabendiffusorwandfläche nicht nur frei von Laufradschaufein, sondern dass die Nabendiffusorwandfläche sowohl frei von jeglichen Bauteilen wie Stegen oder anderen Strömungsleitelementen ausgebildet ist als auch der sich radial an die Nabendiffusorwandfläche anschließende Freiraum im Strömungskanal. Die Strömung kann den Strömungskanal im Axialabschnitt des Nabendiffusors somit frei und unbeeinflusst durchströmen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Axiallüfters ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen abströmseitigen Auslass und am Auslass einen Gehäusediffusor aufweist, wobei das Lüfterrad derart innerhalb des Gehäuses positioniert ist, dass der Nabendiffusor des Lüfterrads und der Gehäusediffusor des Gehäuses sich überlappend in einer Axialebene liegen. Der Nabendiffusor und der Gehäusediffusor wirken dabei zusammen am Auslass des Axiallüfters positiv auf die Strömung ein. Günstig ist zudem, wenn der Gehäusediffusor eine gerundete Gehäusediffusorwandfläche und der Nabendiffusor eine konische Nabendiffusorwandfläche aufweisen.
Wertemäßig ist bei dem Axiallüfter vorteilhaft, wenn der Nabendiffusor und der Gehäusediffusor eine durchströmbare Strömungskanalqueschnittsfläche des Strömungskanals am Auslass insgesamt um 25-30% vergrößern.
Strömungstechnisch günstig wirkt sich bei dem Axiallüfter zur Lösung der Aufgaben zudem eine Ausführung aus, bei der die gesamte Axialerstreckung des Nabendiffusors größer ist als die gesamte Axialerstreckung des Gehäusediffusors.
Geometrisch ist bei dem Axiallüfter eine Ausführung ferner vorteilhaft, bei der ein radialer Einzug des Nabendiffusors gegenüber der Nabe geringer ist als ein radialer Einzug des Gehäusediffusors gegenüber einer sich an den Gehäusediffusor axial anschließenden Gehäuseinnenwandfläche. Als radialer Einzug wird vorliegend die Verringerung der Erstreckung in Radialrichtung senkrecht zur Rotationsachse verstanden.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung bei mehrstufigen Axiallüftern aus. In einer Ausführung der Erfindung ist das Lüfterrad deshalb axial in Reihe zu mindestens einem zweiten Lüfterrad angeordnet. Die Lüfterräder erzeugen im Betrieb gemeinsam eine Axialströmung durch den Strömungskanal, wobei das Lüfterrad mit dem Nabendiffusor abströmseitig und das zweite Lüfterrad ansaugseitig positioniert ist.
Weiter vorteilhaft ist eine Ausführung des Axiallüfters, bei der axial zwischen dem Lüfterrad und dem zweiten Lüfterrad eine nicht-rotierbare Steganordnung mit einer Mehrzahl von Radialstegen vorgesehen ist, die sich radial durch den Strömungskanal erstrecken und eine gekrümmte Profilierung aufweisen, welche ausgebildet ist, einen im Betrieb erzeugten Drall der Axialströmung des ersten Lüfterrads in statischen Druck zu überführen. Die gekrümmte Profilierung kann durch eine dreidimensionale Krümmung der Radialstege erfolgen, so dass die Radialstege entlang der axialen Strömungsrichtung Strömungsleitflächen bilden, welche die Axialströmung aerodynamisch beeinflussen.
In einer Weiterbildung des mehrstufigen Axiallüfters ist vorgesehen, dass dieser ein Ringteil umfasst, das einen Teil des Gehäuses bildet und die Steganordnung mit den Radialstegen umfasst. Somit leistet das Ringteil einen Beitrag zum konstruktiven Aufbau sowie zur Aerodynamik des Axiallüfters.
Das Ringteil ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Es weist in einer Ausführungsform ein Ringelement und eine zu dem Ringelement koaxiale, achszentrale Motorhalterung auf, an der zumindest ein Motor des Axiallüfters befestigbar ist. Das Ringelement bildet den Teil des Gehäuses, die Motorhalterung ist ein weiterer konstruktiver Teil zur Integration des Motors oder der Motoren der Laufräder. Die Radialstege erstrecken sich bei dem Ringteil vorzugsweise von dem Ringelement zu der Motorhalterung durch den Strömungskanal. Ferner sind für einen kompakten Axialaufbau das Lüfterrad und das zweite Lüfterrad vorzugsweise jeweils unmittelbar angrenzend zu dem Ringteil angeordnet.
Eine Weiterbildung des Axiallüfters ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad Laufradschaufeln mit einer ersten Axialerstreckung und das zweite Lüfterrad mit Laufradschaufeln mit einer zweiten Axialerstreckung aufweisen, wobei die erste Axialerstreckung größer ist als die zweite Axialerstreckung. Auch diese konstruktive Lösung trägt zur Lösung der gestellten Aufgaben bei. Durch die Nutzung der Radialstege mit gekrümmter Profilierung, auf denen der statische Druck aufgebaut wird, werden die Belastung und die Drehzahl der nachfolgenden Laufradschaufeln des zweiten Lüfterrads reduziert und die Axialerstreckung kann verringert werden. Dies wiederum wirkt sich positiv darauf aus, bei dem Lüfterrad den Nabendiffusor vorzusehen, da durch die axial kürzen Laufradschaufeln am Lüfterrad Axialraum für den Nabendiffusor geschaffen wird.
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 erste seitliche Schnittansicht durch einen Axiallüfter;
Fig. 2: eine zweite seitliche Schnittansicht durch den Axiallüfter aus Figur 1;
Fig. 3: eine Detailansicht X aus Figur 2;
Fig. 4: eine Schnittansicht F-F aus Figur 2;
Fig. 5: eine Schnittansicht G-G aus Figur 2;
Fig. 6: eine perspektivische Ansicht eines Ringteils des Axiallüfters aus Figur 1.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Axiallüfters 1 in mehrstufiger Ausbildung in seitlichen Schnittansichten dargestellt.
Der Axiallüfter 1 umfasst ein dreiteiliges, ineinander gestecktes Gehäuse 2, in dem axial in Reihe in Strömungsrichtung S gesehen das erste Lüfterrad 4, die feststehende, nicht-rotierbare Steganordnung 6 und das zweite Lüfterrad 5 aufgenommen sind und zusammen den Strömungskanal 3 parallel zur Rotationsachse RA der Lüfterräder 4, 5 bestimmen. Die beiden Lüfterräder 4, 5 erzeugen die Axialströmung AS durch den Strömungskanal 3, wobei der Anteil der Axialströmung AS, der durch das erste Lüfterrad 4 erzeugt wird, zunächst gegen die Steganordnung 6 strömt und anschließend von dem zweiten Lüfterrad 5 weitergeführt führt. Die nicht-rotierbare Steganordnung 6 ist durch das Ringteil 10 gebildet und umfasst eine Mehrzahl von Radialstegen 7. Zudem ist ein Wandeinsatz 93 (siehe Figur 2) zum Ausgleich der rechteckigen, beziehungsweise quadratischen Außenkontur in einen Strömungskanal 3 mit rundem Querschnitt vorgesehen.
Das Ringteil 10 ist in Figur 6 näher gezeigt. Es ist einstückig ausgebildet mit dem Ringelement 11, das einen Teil des Gehäuses 2 bildet, einer achszentralen Motorhalterung 12 mit einem Außenring 12 und zwei hohlzylindrische Axialstutzen 80, 81 zur befestigenden außenseitigen Aufnahme der Motoren 44, 45 und innenseitigen Aufnahme der Motorlagerung (siehe Figur 1). Zwischen den Axialstutzen 80, 81 und dem Außenring 12 sind in Umfangsrichtung abwechselnd verteilt mehrere durchströmbare Ausnehmungen 22 und Versteifungsstreben 23 vorgesehen. Somit kann Kühlluft auch in den Bereich der Motoren 44, 45 gelangen und die Ausnehmungen 22 durchströmen. Die Radialstege 7 der Steganordnung 6 erstrecken sich radial zwischen dem Ringelement 11 und dem Außenring 76 der Motorhalterung 12. Dabei ist die Axialerstreckung der Radialstege 7 in ihrem radial außen liegenden Randabschnitt, in dem sie an dem Ringelement 11 angeschlossen sind betragsmäßig größer als die Axialerstreckung im radial innen liegenden Randabschnitt, der jeweils an dem Außenring 76 der Motorhalterung 12 angeschlossen ist. Der Außenring 76 ist koaxial zum Ringelement 11.
Jeder der Radialstege 7 ist gleich geformt und weist jeweils die Anströmkante 8 und die Abströmkante 9 auf. Die Anströmkante 8 ist gegenüber einer Radialebene gesehen mit einem stärker gekrümmten Verlauf versehen als die Abströmkante 9. Die Radialstege 7 erstrecken sich radial durch den Strömungskanal 3 und haben eine gekrümmte Profilierung. In der gezeigten Ausführung sind die Radialstege 7 sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung gekrümmt geformt. Es ergibt sich eine dreidimensionale Krümmung der Radialstege 7 in mindestens zwei Richtungen. Daraus ergeben sich Strömungsleitflächen 77 an den Radialstegen 7 entlang der axialen Strömungsrichtung S, so dass diese ausgebildet sind, einen im Betrieb erzeugten Drall der Axialströmung des ersten Lüfterrads 4 in statischen Druck zu überführen. Der restliche Drall wird anschließend von dem zweiten Lüfterrad 5 bei einem geringen Aufbau statischen Druckes entnommen. In der gezeigten Ausführung rotieren die beiden Lüfterräder 4, 5 im Betrieb gegenläufig.
Bezugnehmend wieder auf die Figur 1 und 2 weist das erste Lüfterrad 4 die Nabe 24 auf, von der aus sich die Laufradschaufeln 14 nach radial außen erstrecken. Das zweite Lüfterrad 5 weist die Nabe 25 auf, von der aus sich die Laufradschaufeln 15 nach radial außen erstrecken. Die Naben 24, 25 verlaufen mit der Motorhalterung 12 jeweils parallel in der Axialebene AE und bilden somit und eine radial innen liegende Wandfläche des Strömungskanals 3 parallel zur Rotationsachse RA. Zwischen den Naben 24, 25 und dem Außenring 76 der Motorhalterung 12 ist jeweils eine Unterbrechung vorgesehen, so dass Luft in den Bereich der Axialstutzen strömen kann. Zudem ist vorgesehen, dass das erste Lüfterrad 4 Laufradschaufeln 14 mit einer größeren Axialerstreckung als das zweite Lüfterrad 5 aufweist. Axial anschließend an die Laufradschaufeln 15 ist an der Nabe 25 des zweiten Lüfterrads 5 der Nabendiffusor 26 mit einem sich konisch zulaufend verjüngenden Querschnitt ausgebildet. Die axial kürzeren Laufradschaufeln 15 am zweiten Lüfterrad 5 sind nur im zur Rotationsachse parallelen Abschnitt der Nabe 25 angeordnet, so dass die zum Strömungskanal 3 weisende Nabendiffusorwandfläche des Nabendiffusors ohne Laufradschaufeln 15 oder andere Bauteile ausgebildet ist und nur der sich verjüngende Querschnitt der Nabendiffusorwandfläche auf die abströmseitige Strömung wirkt. Der sich an das zweite Laufrad 5 in Strömungsrichtung anschließende Bereich im Strömungskanal 3 ist frei durchströmbar, so dass der Axialabschnitt des Axiallüfters mit dem Nabendiffusor 26 als frei durchströmbarer Freiraum ausgebildet ist.
In Figur 2 ist gut der am Auslass des Gehäuses ausgebildete Gehäusediffusor 27 zu erkennen, der eine gerundete Gehäusediffusorwandfläche aufweist. Das Lüfterrad 5 mit seiner Nabe 25 ist so innerhalb des Gehäuses 2 positioniert, dass der Gehäusediffusor 27 und der Nabendiffusor 26 sich überlappend in einer Axialebene liegen. Beide Diffusoren wirken somit unmittelbar zusammen und vergrößern die durchströmbare Strömungskanalqueschnittsfläche des Strömungskanals 3 am Auslass in der gezeigten Ausführung um 28%, wie es auch in den Schnittansichten F und G der Figuren 4 und 5 zu erkennen ist. Darin gilt für die Längen T2>T1 und die Rundungen R3>R1 und R2>R4.
In der Detailansicht X aus Figur 2, welche in Figur 3 dargestellt ist, ist zudem gut zu erkennen, dass die Axialerstreckung L2 des Nabendiffusors 26 größer ist als die Axialerstreckung L1 des Gehäusediffusors 27 und, dass der radialer Einzug H2 des Nabendiffusors 26 gegenüber der Nabe 25 geringer ist als der radialer Einzug H1 des Gehäusediffusors 27 gegenüber der sich an den Gehäusediffusor 27 axial anschließenden und sich parallel zur Rotationsachse RA erstreckenden Gehäuseinnenwandfläche. An das zweite Lüfterrad 5 grenzt in Strömungsrichtung gesehen zunächst noch ein kurzer Abschnitt der Nabe 25 in Parallelerstreckung zur Rotationsachse an, bevor sich der Nabendiffusor 26 anschließt und den axialen Abschluss des Laufrads 5 bestimmt. Das Axialende des Laufrads 5 ist gegenüber der Axialebene, welche den Auslass des Gehäuses 2 und somit den Abschluss des Axiallüfters 1 bestimmt, geringfügig ins Innere des Strömungskanals 3 zurückversetzt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele, insbesondere nicht auf die Ausführung von mehrstufigen Axiallüftern. Die vorteilhafte strömungstechnische Wirkung zeigt sich bei der mehrstufigen Ausführung jedoch besonders ausgeprägt.

Claims

Axiallüfter (1) mit einem einen Strömungskanal (3) bildenden Gehäuse (2) und einem in dem Gehäuse (2) aufgenommenen, um eine Rotationsachse (RA) rotierbaren Lüfterrad (5), wobei das Lüfterrad (5) eine Nabe (25) aufweist, von der aus sich Lüfterradschaufeln (16) radial auswärts erstrecken, und wobei das Lüfterrad (5) abtrömseitig an der Nabe (25) einen Nabendiffusor (26) ausbildet, der sich axial an einen Bereich der Nabe (25) anschließt, in dem die Lüfterradschaufeln (15) des Lüfterrads (5) ausgebildet sind, so dass der Nabendiffusor (26) frei von Lüfterradschaufeln (15) ist.
Axiallüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Axialabschnitt im Strömungskanal (3) des Axiallüfters, in dem der Nabendiffusor ausgebildet ist, als frei durchströmbarer Freiraum ausgebildet ist.
Axiallüfter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen abströmseitigen Auslass und am Auslass einen Gehäusediffusor (27) aufweist, wobei das Lüfterrad (5) derart innerhalb des Gehäuses (2) positioniert ist, dass der Nabendiffusor (26) des Lüfterrads und der Gehäusediffusor (27) des Gehäuses sich überlappend in einer Axialebene liegen.
Axiallüfter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabendiffusor (26) und der Gehäusediffusor (27) eine durchströmbare Strömungskanalqueschnittsfläche des Strömungskanals (3) am Auslass um 25-30% vergrößern.
Axiallüfter nach einem der vorigen Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Axialerstreckung (L2) des Nabendiffusors (26) größer ist als eine Axialerstreckung (L1) des Gehäusediffusors (27).
Axiallüfter nach einem der vorigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Einzug (H2) des Nabendiffusors (26) gegenüber der Nabe (25) geringer ist als ein radialer Einzug (H1) des Gehäusediffusors (27) gegenüber einer sich an den Gehäusediffusor (27) axial anschließenden Gehäuseinnenwandfläche.
Axiallüfter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (4) axial in Reihe zu einem zweiten Lüfterrad (5) angeordnet ist und die Lüfterräder (4, 5) im Betrieb eine Axialströmung (AS) durch den Strömungskanal (3) erzeugen.
Axiallüfter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen dem Lüfterrad (4) und dem zweiten Lüfterrad (5) eine nicht-rotierbare Steganordnung (6) mit einer Mehrzahl von Radialstegen (7) vorgesehen ist, die sich radial durch den Strömungskanal (3) erstrecken und eine gekrümmte Profilierung aufweisen, welche ausgebildet ist, einen im Betrieb erzeugten Drall der Axialströmung des ersten Lüfterrads (4) in statischen Druck zu überführen.
Axiallüfter nach einem der vorigen Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Axiallüfter (1) ein Ringteil (10) umfasst, das einen Teil des Gehäuses (2) bildet und die Steganordnung (6) umfasst.
Axiallüfter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (10) ein Ringelement (11) und eine zu dem Ringelement (11) koaxiale, achszentrale Motorhalterung (12) aufweist, an der zumindest ein Motor (44, 45) des Axiallüfters (1) befestigbar ist.
Axiallüfter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Radialstege (7) von dem Ringelement (11) zu der Motorhalterung (12) erstrecken.
Axiallüfter nach einem der vorigen Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (4) Laufradschaufeln (14) mit einer ersten Axialerstreckung und das zweite Lüfterrad (5) mit Laufradschaufeln (15) mit einer zweiten Axialerstreckung aufweisen, wobei die erste Axialerstreckung größer ist als die zweite Axialerstreckung.