EP4283135A1

EP4283135A1 - Nachleiteinrichtung sowie ventilator mit nachleiteinrichtung

Info

Publication number: EP4283135A1
Application number: EP23174570.4A
Authority: EP
Inventors: Oliver Haaf; Thorsten Pissarczyk; Daniel Gebert; Patrick HEINECKE
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2023-05-22
Publication date: 2023-11-29
Also published as: US20230383763A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventilator und eine Nachleiteinrichtung (1) für einen Ventilator, wobei die Nachleiteinrichtung (1) mehrere, sternförmig an einer zentralen Position (P) angeordneten Luftleitflügel (L) mit jeweils einer Anströmkante (2, 4) und einer Abströmkante (3) aufweist, wobei der Luftleitflügel (L) zumindest in einem Teilbereich eine gezackte oder gewellte Anströmkante (4) mit einer sich periodisch wiederholenden Wellenform besitzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nachleiteinrichtung sowie einen Ventilator mit einer Nachleiteinrichtung, insbesondere einen Radialventilator, einen Axialventilator oder Diagonalventilator mit einer solchen Nachleiteinrichtung.
Ventilatoren werden in vielen Bereichen eingesetzt. Dabei gibt es viele Anwendungen, bei der die Luftströmung stark turbulent ist. Die turbulente Abströmung vom Ventilator führt zu einer deutlichen Erhöhung der Schallabstrahlung, das bedeutet zu einer störenden Geräuschentwicklung. Bei aktuellen Ventilatoren oder Lüfterrädern ermöglichen strömungsmechanisch günstig geformte Ventilatorflügel eine hohe Leistungsfähigkeit insbesondere hinsichtlich des erreichten Durchströmvolumens oder des Druckaufbaus. Grundsätzlich besteht ein Bedürfnis nach geräuscharmen Ventilatoren bei gleichzeitig guter Aerodynamik, trotz turbulenter Anströmung. Problematisch bleibt dabei jedoch häufig eine starke Geräuschentwicklung im Betrieb eines Ventilators, insbesondere diejenige die durch eine Rotor-Stator-Interaktion verursacht ist.
Im Stand der Technik gibt es diverse konstruktive Maßnahmen, um diese Probleme zu reduzieren. Viele Lösungen beschäftigen sich mit der Schaufelform der Ventilatorschaufeln. Die Druckschrift DE 19948075 A verwendet zur Reduzierung des Laufgeräuschs einen Axialventilator mit Flügeln, die eine doppelt gesichelte, voreilende Flügelkante mit einem vorstehenden äußeren Eck aufweisen. Die US 3416725 A zeigt eine Flügelform mit einer doppelt gesichelten Anströmkante und einer leicht einfach gesichelten Abströmkante.
Die DE 10326637 B3 beschreibt eine weitere Lösung, nämlich einen Lüfter mit wechselnder Drehrichtung, der S-förmig gesichelte Flügel mit nach außen hin stark zurückweichender Anströmkante aufweist. Gezackte oder gewellte Abströmkanten werden zur Reduktion des Abströmkantenschalls verwendet (z.B. GB 2497739 oder EP 1801422 A2 ). Die DE 102009044824 A1 verwendet Porositäten in Form von Löchern im Bereich der Abströmkante zur Reduktion der Schallentstehung an der Abströmkante. Gewellte oder gezackte Anströmkanten sind als Mittel zur Reduktion des Geräusches bei turbulenter Anströmung ebenfalls bekannt.
Allerdings beschäftigen sich diese Lösungen mit der Schaufelform der Ventilatorschaufeln. Wünschenswert sind allerdings alternative Lösungen, die auch mit herkömmlichen Ventilatoren (Radialventilatoren, Axialventilatoren oder Diagonalventilatoren) einen technischen Effekt betreffend die Laufruhe und die Geräuschentwicklung bewirken.
Vor diesem technischen Hintergrund befasst sich die Erfindung mit dem Problem, einen insbesondere geräuscharm arbeitenden Ventilator bereitzustellen.
Die Erfindung löst dieses Problem mit einem Ventilator gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen. Die Erfindung betrifft eine Lösung bestehend aus einem Axialventilator, Diagonalventilator oder Radialventilator und einer erfindungsgemäß modifizierten Nachleiteinrichtung.
Bevor die Erfindung näher beschrieben wird, werden zum besseren Verständnis der Erfindung einige Begriffe und die verwendete Terminologie erläutert.
Nachleiteinrichtungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beschaufelte Nachleitgitter, die abströmseitig nach dem Ventilator zur Luftführung angeordnet werden.
Ferner betrachtet man einen typischen Axial- oder Diagonalventilator mit meist mehreren, sternförmig an einer zentralen Nabe angeordneten Ventilatorflügeln zum strömungstechnischen Saugen und/oder Drücken der den Ventilator umgebenden Luft oder ein vom Ventilator zu förderndes Gas. Die Ventilatorflügel können durch einen umlaufenden Ring (Schleuderring) an der radial äußersten Profilfläche miteinander verbunden sein.
Ferner weist jeder Ventilatorflügel eine vordere Anströmkante auf, die im Betrieb in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung voraneilt, und eine rückseitige Abströmkante, die im Betrieb des Ventilators in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung nacheilt. Ferner gibt es abhängig von der Drehrichtung und dem Ventilatorflügelprofil eine Saugseite und eine Druckseite, wobei sich die Saugseite typischerweise an der konvexen Seite und die Druckseite typischerweise an der konkaven Seite des Ventilatorflügels befindet. In aller Regel sind die Anström- und Abströmkante meist nur für eine Drehrichtung optimal ausgeformt. Insofern besitzt das Ventilatorflügelblatt eine Saugseite, die im Betrieb die anströmende Luft ansaugt, sowie eine der Saugseite gegenüberliegende Druckseite, auf der sich der Druck zum Ausstoßen der Luft aufbaut. Auf dieser Seite folgt die Nachleiteinrichtung.
Die Anströmkante der jeweiligen Luftleitschaufel der Nachleiteinrichtung ist demnach dem Ventilator zugewandt, während die Abströmkante der Luftleitschaufel der Nachleiteinrichtung dem Ventilator abgewandt ist.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Anströmkante der Luftleitschaufeln der Nachleiteinrichtung zumindest abschnittsweise eine spezifische dreidimensionale (oder zweidimensionale) wellenförmige Ausprägung besitzt bzw. entsprechend drei- oder zweidimensional wellenförmig ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Nachleiteinrichtung für einen Ventilator vorgesehen, wobei die Nachleiteinrichtung mehrere (vorzugsweise sternförmig an einer zentralen Position z. B. um eine zentrale Achse herum) angeordneten Luftleitflügel mit jeweils einer Anströmkante und einer Abströmkante aufweist, deren Flügelprofil gekrümmt und/oder tordiert ausgebildet ist, wobei der jeweilige Luftleitflügel zumindest in einem Teilbereich eine gezackte oder gewellte Anströmkante mit einer sich vorzugsweise periodisch wiederholenden Wellenform aufweist. Alternativ kann auch eine nicht periodische Wellenform gewählt werden.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich der Wellenverlauf der Wellenberge und Wellentäler, der durch die Wellenform gebildet wird, im Wesentlichen oder vollständig in der von dem jeweiligen Luftleitflügel im Bereich der Anströmkante gebildeten Ebene erstreckt und/oder sich die Wellenberge im Wesentlichen entlang einer Tangente entlang der Oberfläche des Luftleitflügels im Bereich des jeweiligen Wellenbergs erstreckt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass sich der jeweilige Wellenberg von der Schaufelkante in der Verlängerung des Flügelprofils heraus erstreckt und nicht etwa aus der Oberfläche des Profils des Luftleitflügels heraus, somit die Anströmkante als solche gewellt ausgebildet ist. Insofern wird das Flügelprofil im Oberflächenverlauf an der Anströmkante nicht durch die erfindungsgemäße Wellenform modifiziert, sondern die Anströmkante selbst.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die gewellte Anströmkante der Luftleitschaufeln mehrere oder eine Vielzahl sich periodisch wiederholende Wellenabschnitte bzw. Wellenformen aufweist.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel lässt sich die Wellenform der Anströmkante der Luftleitschaufeln gemäß einer der nachfolgend genannten mathematischen Funktionen beschreiben oder approximieren:

a. gemäß einer sinusförmigen oder nahezu sinusförmigen Wellenform oder
b. gemäß eine Potenzfunktion n-ter Ordnung, insbesondere der Form $f (x) = a \cdot x^{n}$

Mit Vorteil wird bei einer Welle bzw. Wellenform, die sich durch eine Potenzfunktion oder alternativ eine Polynomfunktion approximieren lässt, das Wellental verrundet bzw. abgerundet.
Zusätzlich ist es günstig, wenn die Anströmkante der Luftleitschaufeln im Wesentlichen über den gesamten Verlauf der Schaufel eine gewellte oder gezackte Kantenform aufweist, mindestens aber über einen zusammenhängenden Teilbereich von mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 50% der Länge der Luftleitschaufeln in Radialrichtung bzw. Spannweitenrichtung betrachtet.
Eine weitere Variante liegt darin, dass die Anströmkante der Luftleitschaufeln Bereiche mit nicht gewellten Kantenverläufen zwischen oder neben den gewellten Verläufen aufweist, mindestens aber über einen zusammenhängenden Teilbereich einen wie zuvor beschriebenen Verlauf.
Besonders vorteilhaft ist eine Kombination aus mehreren erfindungsgemäßen geometrischen Gestaltungselementen, wobei die Wellenform durch wenigstens eine der nachfolgend genannten konstruktiven Maßnahmen geprägt ist:

i) Anstellwinkelverlauf über den Radius weist zwei oder mehr Wendepunkte auf;
ii) überlagerte Variation einer periodischen oder nicht periodischen Welle gegenüber lediglich einem kontinuierlichem (d.h. nicht gewellten) Vorderkantenverlauf;
iii) die Sehnenlänge der Luftleitschaufeln ändert sich;
iv) die Profilschnitte sind in Richtung der Anströmkante verlängert, insbesondere stetig;
v) die Wölbung der Luftleitschaufeln ändert sich im Bereich der Anströmkante.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Profil der Luftleitschaufeln zumindest in einem Profilschnitt im Bereich eines Wellenbergs betrachtet, jeweils eine aus der Oberseite hervorstehende Beule und auf der Unterseite hineinreichende Delle oder umgekehrt besitzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Axial- oder Diagonalventilator, sowie Radialventilator, welcher jeweils eine wie zuvor beschriebene Nachleiteinrichtung oder einen oder mehrere dem Ventilator in Strömungsrichtung nachgelagerte Luftleitflügel aufweist.
Mit der Erfindung sind folgende Vorteile und Merkmale verbunden. Die besondere Ausführung der Vorderkante der Nachleiteinrichtung mit der beschriebenen Modifikation zielt grundsätzlich auf andere Schallentstehungsmechanismen ab, als Modifikationen an der Hinterkante bzw. Abströmkante. Der Vorteil der Erfindung liegt in Abgrenzung zur Hinterkantenmodifikation darin, dass diese explizit die Geräuschentstehung durch die Interaktion von Laufrad und Leitrad mindert.
Die beschriebene Vorderkantenmodifikation ist auch für Axial- bzw. Diagonalventilatoren mit Schleuderring ausgelegt. Die beschriebene Vorderkantenmodifikation ist auch für Radial- oder Diagonalventilatoren mit Deckscheibe ausgelegt. Die Erfindung kann bei hierbei typischen Strömungssituationen (kein Kopfspaltwirbel, durch den geschlossenen Ring erhöhte Tangentialkomponenten, Rückströmung im Außenbereich und Nachlaufeffekte der Spaltströmung) ebenfalls zur Geräuschreduzierung eingesetzt werden und zusätzlich zu den im Folgenden genannten Punkten das Gerausch durch Reduktion der hieraus resultierenden Interaktionsmechanismen minimieren.
Die erfindungsgemäße Modifikation der Nachleiteinrichtung hat folgende Vorteile insbesondere gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lösungen:

Es ergeben sich reduzierte Schallleistungspegel und reduzierte tonale Anteile in der Schallabstrahlung. Letzteres trägt neben einer reduzierten A-Bewertung des Lärms auch zu einer Verbesserung der psychoakustischen Wahrnehmung bei.
Die üblicherweise eingesetzte Gestaltungsweise mit starker Sichelung der Nachleiteinrichtung zur Erreichung der akustischen Zielwerte kann ersetzt werden durch eine Gestaltung mit reduzierter Sichelung und erfindungsgemäßer Modifikation der Vorderkante.
Die mögliche Reduzierung der Sichelung führt zu einer Erhöhung der Festigkeit bei einer Nachleitradeinrichtung mit tragender Funktion. Die erhöhte Festigkeit erlaubt eine Verringerung des Materialeinsatzes.
Eine Reduktion der Sichelung bedeutet ferner auch bei nicht-tragenden Leiteinrichtungen eine Reduktion des Materialbedarfs aufgrund der reduzierten Schaufellänge.
Bei gleichem Schallpegel kann durch die beschriebene Modifikation der Abstand zum vorgelagerten Laufrad reduziert werden. Dies ermöglicht kompaktere Ventilatoreinheiten und/oder eine Erhöhung der Schaufelfläche der Nachleiteinrichtung und somit eine Steigerung des Wirkungsgrades.

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: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Nachleiteinrichtung;
Fig. 2: ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel einer Nachleiteinrichtung;
Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer Nachleiteinrichtung;
Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel einer Nachleiteinrichtung;
Fig. 5: einen Luftleitflügel mit gewellter Anströmkante und
Fig. 6: ein Ausschnitt eines Luftleitflügels mit partiell gewellter Anströmkante.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren 1 bis 6 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen alternative Ausführungsbeispiele einer Nachleiteinrichtung 1 mit Luftleitflügeln L jeweils mit einer gewellter Anströmkante 2, 4.
Die gezeigten Nachleiteinrichtungen 1 sind ausgebildet für einen Ventilator, wobei die jeweilige Nachleiteinrichtung 1 mehreren, sternförmig an einer zentralen Position P angeordneten Luftleitflügel L mit jeweils einer Anströmkante 2, 4 (Vorderkante) und einer Abströmkante 3 (Hinterkante) aufweist, wobei der Luftleitflügel L zumindest in einem Teilbereich jeweils eine gezackte bzw. gewellte Anströmkante 4 mit einer Wellenform aufweist.
Die Luftleitflügel L sind innen am zentralen Ring 10 (bzw. einem wie in den Figuren gezeigten Montagekörper 10) befestigt und verlaufen radial nach außen zu einem umlaufenden Ring 11. An dem umlaufenden Ring 11 kann, wie in den Figuren gezeigt auch ein Montageflansch 12 vorgesehen sein. Die gewellte Anströmkante 4 einer Luftleitschaufel L besitzt in der Detailansicht der Figur 5 gut erkennbar, mehrere bzw. eine Vielzahl sich periodisch wiederholende Wellenformen und verläuft in diesem Ausführungsbeispiel entlang der gesamten Länge der Luftleitschaufel L.
Die Figur 6 zeigt einen Ausschnitt einer alternativen Luftleitschaufel L bei dem die Anströmkante 2, 4 nur in dem Teilbereich mit dem Bezugszeichen 4 (somit partiell) einen gewellten Verlauf aufweist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Nachleiteinrichtung (1) für einen Ventilator, wobei die Nachleiteinrichtung (1) mehrere Luftleitflügel (L) mit jeweils einer Anströmkante (2, 4) und einer Abströmkante (3) aufweist, deren Flügelprofil gekrümmt und/oder tordiert ausgebildet ist, wobei der jeweilige Luftleitflügel (L) zumindest in einem Teilbereich eine gezackte oder gewellte Anströmkante (4) mit einer sich periodisch oder nicht periodisch wiederholenden Wellenform besitzt.
Nachleiteinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wellenverlauf der Wellenberge und Wellentäler, der durch die Wellenform gebildet wird, im Wesentlichen oder vollständig in der von dem Luftleitflügel (L) im Bereich der Anströmkante gebildeten Ebene erstreckt und/oder sich die Wellenberge im Wesentlichen entlang einer Tangente entlang der Oberfläche des Luftleitflügels (L) im Bereich des jeweiligen Wellenbergs erstreckt.
Nachleiteinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Anströmkante (4) der Luftleitflügel (L) mehrere gleiche oder unterschiedliche sich jeweils periodisch wiederholende Wellenformen aufweist.
Nachleiteinrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass, sich die Wellenform entlang der Anströmkante (2, 4) gemäß einer der nachfolgend genannten mathematischen Funktionen beschreiben lässt:
a. einer sinusförmigen oder nahezu sinusförmigen Wellenform;

b. einer Potenzfunktion n-ter Ordnung bzw. n-ten Grades mit -5 ≦ n ≦ 5.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkante (4) der Luftleitschaufeln (L) im Wesentlichen über den gesamten Verlauf eine gewellte oder gezackte Kantenform aufweist, mindestens aber über einen zusammenhängenden Teilbereich von mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 50% der Länge der Luftleitschaufeln (L) in Radialrichtung betrachtet.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkante (4) der Luftleitschaufeln (L) nicht gewellte Kantenverläufe zwischen oder neben den gewellten Verläufen aufweist, mindestens aber über einen zusammenhängenden Teilbereich einen Verlauf gemäß Anspruch 3.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform durch wenigstens eine der nachfolgend genannten konstruktiven Maßnahmen charakterisiert ist:
A) der Anstellwinkelverlauf weist über den Radius zwei oder mehr Wendepunkte auf;

B) eine überlagerte Variation einer periodischen oder nicht periodischen Welle gegenüber lediglich einem ungewellten kontinuierlichem Vorderkantenverlauf;

C) die Sehnenlänge der Luftleitschaufeln ändert sich;

D) die Profilschnitte sind in Richtung der Anströmkante verlängert, vorzugsweise stetig;

E) die Wölbung der Luftleitschaufeln ändert sich im Bereich der Anströmkante.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform so an der Anströmkante (4) ausgebildet ist, dass sich am jeweiligen innenliegenden oder außenliegenden Anströmkantenende ein Wellenberg befindet.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrere Luftleitflügel (L) sternförmig an einer zentralen Position (P) angeordnet sind.
Luftleitflügel (L) ausgebildet für eine Nachleiteinrichtung (1) für einen Ventilator, wobei der Luftleitflügel (L) mit jeweils einer Anströmkante (2, 4) und einer Abströmkante (3) versehen ist, wobei der Luftleitflügel (L) zumindest in einem Teilbereich eine gezackte oder gewellte Anströmkante (4) mit einer sich periodisch wiederholenden Wellenform wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert, ausgebildet ist.
Axialventilator oder Diagonalventilator mit einem Schleuderring ferner aufweisend eine Nachleiteinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einen oder mehrere dem Ventilator in Strömungsrichtung nachgelagerte Luftleitflügel (L) gemäß Anspruch 10.
Diagonalventilator oder Radialventilator mit einer Deckscheibe ferner aufweisend eine Nachleiteinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einen oder mehrere dem Ventilator in Strömungsrichtung nachgelagerte Luftleitflügel (L) gemäß Anspruch 10.
Axialventilator oder Diagonalventilator oder Radialventilator mit einer eine Nachleiteinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.