DE2530742A1 - Geraeuscharme kuehlanlage, insbesondere fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Nürnberg, 8.JuIi 1975

Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr. Behr, 7 Stuttgart 3o

Mauserstr. 5

"Geräuscharme Kühlanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge"

Die Erfindung betrifft eine geräuscharme Kühlanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus mindestens einem Kühlmittelkreislauf mit Wärmetauscher und Lüfter.

Es besteht die Forderung, den Geräuschpegel von Kraftfahrzeugen gegenüber den heute zulässigen Werten um ca. Io dB (A) zu senken. Um die Kühlanlage möglichst klein bzw. deren Kosten möglichst niedrig zu halten, besteht die weitere Forderung, sie im Motorraum unterzubringen. Wegen der beengten Einbauverhältnisse ist jedoch eine Vergrößerung der Kühlerstirnflache nicht oder nur in geringem Maße möglich, so daß mit den gleichen Druckverlusten wie bei den bisher bekannten Kühlanlagen zu rechnen ist.

Unter diesen Voraussetzungen ist eine Geräuschreduzierung nur möglich, wenn eine Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit des Lüfters, eine Vermeidung von Strömungsablösungen im Laufrad und eine Verringerung der Austrittsgeschwindigkeit am Lüfter erzielt wird.

Nach dem bekannten Stand der Technik können diese Forderungen

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nur erfüllt werden, wenn die Druckziffer des Lüfters wesentlich erhöht und der Wirkungsgrad beträchtlich verbessert wird. Ferner ist eine möglichst große Verzögerung der Strömung im Lüfter anzustreben, damit die Austrittsgeschwindigkeit verringert wird.

Kühlanlagen mit Axial- und Halbaxiallüftern sind bekannt. Beide Bauarten arbeiten im wesentlichen in einem Betriebspunkt, der eine verlustarme Energieurasetzung im Lüfter nicht zuläßt. Um günstigere Verhältnisse zu erhalten, müßten die Druckverluste reduziert werden, z.B. müßte die Kühlerstirnfläche erheblich vergrößert werden, was jedoch aus Platzgründen nicht oder nur selten möglich ist.

Bekanntlich arbeiten Axiallüfter deshalb mit einem statischen Wirkungsgrad von nur j55 bis ^5$· Halbaxiallüfter erreichen Werte von 4o bis 5o$. Die Wirkungsgrade sind auf den statischen Druck bezogen, da der dynamische Druck im Motorraum praktisch vollständig verloren geht und daher der Vergleich der statischen Wirkungsgrade sinnvoller ist. Der schlechte Wirkungsgrad resultiert aus den infolge zu starker Drosselung an der Beschaufelung und an der Nabe auftretenden Strömungsablösungen, welche das bekannte Wirbelgeräusch erzeugen. Der Schälleistungspegel derartiger Kühlventilatoren ist deshalb wesentlich höher als bei optimaler Auslegung, also für geringere Druckverluste, wie sie aber bei Kühlanlagen :'"'..j " .·.. für Kraftfahrzeuge aus den obenstehend beschriebenen Gründen nicht möglich ist.

Zusätzlich ist die Abströmung meistens durch die Motorbauteile gestört. Die Axial- bzw. Halbaxialschaufel findet während einer Lüfterumdrehung ständig wechselnde Druckverhältnisse vor. Beide Schaufelarten sind gegen derartige Störungen der Ab strömsymmetrie sehr empfindlich, so daß Ablösungen an der

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Schaufel und Schwingungen innerhalb der Schaufelkanäle auftreten. Die Folge davon ist eine Erhöhung der erwähnten Wirbelgeräusche.

Eine halbaxiale Durchströmung bedingt eine relativ höhe Austritt sgeschwindigkeitj welche das Strömungsgeräusch, d.h. das Ströraungsrauschen, ansteigen läßt. Das Auftreffen der mit hoher Geschwindigkeit behafteten Strömung erzeugt an den Motorbauteilen weitere Geräusche·

Die Drucksiffer der Axial- und Halbaxiallüfter ist relativ niedrig, so daß zur Erzeugung des erforderlichen Druckes eine hohe Umfangsgeschwindigkeit erforderlich ist. Dabei entstehen Geräuschpegel, die den strengeren Forderungen der Zukunft nicht mehr gewachsen sind. Durch Vertvendung eines Leitrades wäre eine Erhöhung der Druckziffer und des Wirkungsgrades und damit eine Geräusehreduzierung möglich, jedoch ist die dazu erforderliche Bautiefe nicht vorhanden.

Radiallüfter können für die vorliegenden Druckverhältnisse wesentlich günstiger ausgelegt werden, da sie, bedingt durch die Fliehkraftwirkung, eine größere Druckziffer aufweisen. Sie können daher mit kleinerer Umfangsgeschwindigkeit und besserem Wirkungsgrad, d.h. mit geringerer Geräuscherzeugung betrieben werden.

Kühlanlagen für Kraftfahrzeuge mit Radiallüftern sind bekannt. So ist beispielsweise bei einer Kühleinrichtung für flüssigkeitsgekühlte Motoren, insbesondere für V-Motoren von Kraftfahrzeugen, die mit einem Kühler und einem Ventilator ausgerüstet sind, als Ventilator ein Radiallüfter vorgesehen, dessen Austrittsseite von dem Kühler umgeben ist (DT-OS 1 576 708).

Bei einer Motor-Kühlanlage für Kampfpanzer ist es bekannt, einem oder mehreren als Radialgebläse ausgebildeten, mit

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senkrechter Gebläseachse in einem flachgebauten, quer zur Fahrzeuglängsachse verlaufenden Kühlluftführungskasten angeordneten Kühlluftgebläsen zu beiden Seiten und schräg zum Kühlluftstrom angeordnete Flächenkühler nachzuschalten» (DT-OS 2 235 729).

Bei diesen Kühlanlagen werden Radiallaufräder ohne Spiralgehäuse gezeigt, deren Schaufeleintrittsquerschnitt kleiner oder ebenso groß wie der Ahsaugquerschnitt ist. Das entspricht einer vielfach angewandten und in der Theorie empfohlenen Auslegungsmethode, nach welcher zur Erzielung eines guten Laufradwirkungsgrades die Geschwindigkeit im Saugraum nicht verzögert werden soll, um eine verlustarme Strömungsumlenkung zu verfielen.

Eine solche Auslegung hat jedoch den Nachteil, daß die Meridiangeschwindigkeit und damit auch die Absolutgeschwindigkeit am Laufradaustritt relativ groß ist. Ein beträchtlicher Anteil des dynamischen Druckes am Laufradaustritt muß in statischen Druck umgesetzt werden, um brauchbare Werte zu erreichen. Deshalb werden bei einer solchen Laufradauslegung gute statische Wirkungsgrade nur in Verbindung mit einem Spiralgehäuse erreicht, welches aber aus Platzgründen bei der heutigen kompakten Bauweise im Motorraum nicht untergebracht werden kann. ' ·

Wird auf das Spiralgehäuse verzichtet, dann muß ein niedriger statischer Wirkungsgrad, eine niedrige statische Druckziffer und eine große Austrittsgeschwindigkeit in Kauf genommen werden. Diese Faktoren erhöhen aber den Geräuschpegel erheblich, so daß die angestrebte Geräuschreduzierung mit derartigen Rädialläufern nicht erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geräuscharme Kühlanlage zu schaffen, mit einem Radiallüfter, der einen hohen statischen Wirkungsgrad und eine ausreichende statische Druckziffer erreicht. 6 0 9 8 8 2/0658

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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß in Luftrichtung gesehen hinter einem Wärmetauscher ein freilaufendes Radiallaufrad angeordnet ist, daß das Querschnittsverhältnis F₁ : Fq zwischen 1,35 und 2,3 liegt, wobei Fq der engste Querschnitt der vor dem Laufrad angeordneten Einlaufdüse und F₁ der Schaufeleintrittsquerschnitt Ist, und daß eine in eine Laufraddeckscheibe hineinragende Einlaufdüse sich von dem engsten Querschnitt F_Q aus in Strömungsrichtung gesehen derart erweitert, daß sowohl der Spaltluftstrom als auch die Hauptströmung eine nach außen gerichtete Komponente erhalten und dadurch tangential oder nahezu tangential an die Abrundung der Laufraddeckscheibe herangeführt werden.

Durch die Verwendung eines Radiallaufrades mit vorzugsweise rück\#rts gekrümmten Schaufeln und relativ großer Laufschaufelbreite wird erreicht, daß bereits im Saugraum zwischen den Querschnitten F₀ und F, die Strömung erheblich verzögert wird, wenn in an sich bekannter Weise eine Einlaufdüse verwendet wird, bei welcher die Hauptströmung und der Spaltluftstrom tangential oder nahezu tangential an die Laufraddeckscheibe herangeführt werden und eine nach außen gerichtete Komponente erhalten. Die so geführten Luftströme bewirken ein Anlegen der verzögerten Krümmerströmung an die Laüfraddeckscheibe, so daß erhebliche Verzögerungen im Saugraum möglich sind.

Das Verhältnis F,zu F_Q kann erfindungsgemäß bis zum Wert 2,3 ausgeführt werden, ohne daß sich die Strömung an der Laufraddeckscheibe ablöst.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung, der Durchmesser des Laufradbodens und der Laufraddeckscheibe des freilaufenden Radiallüfters größer ist als der Schaufelaustrittsdurchmesser und beide Bauteile einen parallel-

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wandigen oder nahezu parallelwandigen Radialdiffusor bilden.

Nach einer nooh weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dann, wenn das freilaufende Radiallaufrad auf der Kurbelwelle oder auf einem anderen an einem Motorblock befestigten Lager angeordnet ist, die Einlaufdüse vorteilhafterweise am Motorblock mittels Streben befestigt und mit einer Kühlerzarge über eine elastische Manschette verbunden.

Da die volle Kühlleistung nicht stetig benötigt wird, werden moderne' Kühlanlagen mit regelbaren Lüftern ausgerüstet, wobei insbesondere thermostatisch gesteuerte Flüssigkeitsreibungskupplungen verwendet werden. Bei der Anwendung einer derartigen Flüssigkeitsreibungskupplung ist es vorteilhaft, wenn die äußersten Konturen der Kupplung zwischen zwei Grenzlinien L_G1 und L_G2 liegen

Der statische'Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen freilaufenden Radiallüfters beträgt 6o bis 7o^. Dies bedingt einen wesentlich geringeren Geräuschpegel gegenüber den herkömmlichen Lüfterausführungen, da ein besserer Wirkungsgrad gleichbedeutend mit geringerer Wirbelbildung ist. Ein darartiger Radiallüfter ist auch gegen die eingangs erwähnten Störungen der AbstrÖrasymmetrie weniger empfindlich als Axial- und Halbaxiallüfter, was sich ebenfalls in einem günstigeren Geräuschverhalten bemerkbar macht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch Ausfuhrungsbeispiele darstellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeisplel einer erfindungsgemäßen Kühlanlage,

Fig. 2 einen Schnitt eines Laufrades entlang der .Linie A-B der Fig.l ,

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Fig. J5 ift vergrößerter Darstellung die Ausbildung des Laufradeintritts, und

Fig. 4 die Kombination eines erfindungsgemäßen Radiallüfters mit einer Flüssigkeitsreibungskupplung.

Gemäß Fig.l besteht eine erfindungsgemäße Kühlanlage im wesentlichen aus einem Wärmetauscher"!, einem Radiallaufrad mit einer Deckscheibe 3* Schaufeln 4 und einem Laufradboden 5 sowie einer Einlaufdüse 2. Die Deckscheibe 3 ist mit einem großen Radius versehen, um das Anliegen der Strömung an dieser Stelle zu begünstigen.

Der Laufradboden 5 ist mit einer Antriebswelle 7 verbunden, die beispielsweise die Kurbel- oder Wasserpumpenwelle oder die Welle einer besonderen Lagerung einer Brennkraftmaschine sein kann.

An der Stelle 6, d-.h. dem Luftspalt zwischen Einlaufdüse 2 und Laufrad 12 entsteht ein Spaltluftstrom., welcher das Anlegen der Strömung an die Rundung der Deckscheibe 3 begünstigt. Der Luftspalt sollte wegen der Vibrationen der Brennkraftmaschine und aus fertigungstechnischen Gründen etwa 5 bis 7 mm betragen. Um einen Ausgleich zu erzielen, ist es zweckmäßig, die Einlaufdüse 2 an der Brennkraftmaschine 8 mit Hilfe von Streben Io zu befestigen und ferner zwischen Düse ^ und Kühlerzarge 9 eine elastische Verbindung 1JL vorzusehen.

Aus Fig. 2 ist die Form der vorzugsweise zu verwendenden rückwärtsgekrümmten Schaufeln K ersichtlich.

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Bei der beschriebenen Form der Einlaufdüse 2 legt sich der Spaltluftstrora aufgrund des bekannten Coanda-Effektes an die Rundung der Deokscheibe 3 an und führt der Hauptströmung durch den Wärmetauscher 1 soviel Energie zu, daß eine zu starke Abbremsung der Grenzschicht an der Deekscheibenabrundung vermieden und eine Ablösung der Hauptströmung verhindert wird. Durch diesen Effekt wird eine erhebliche Verzögerung der umgelenkten Strömung ermöglicht. Es erfolgt noch eine ablösungsfreie Verzögerung, wenn der Schaufeleintrittsquerschnitt P. das 2,3fache des engsten Düsenquerschnittes F_Q ist, wobei F₁ = D₁ .U₁. "Tt mit b^, =5 Schaufelbreite und P₁ = Schaufeleintrlttsdurchmesser. Mit der starken Verzögerung ist eine niedrige Austrittsgeschwindigkeit und ein hoher statischer Druckanteil verbunden, wie es für einen geräuscharmen Betrieb wünschenswert ist.

Die Austrittsgeschwindigkeit kann noch weiter verringert werden, wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Durchmesser des Laufradbodens 5 und der Deckscheibe 3 größer als der Schaufelaustrittsdurchmesser Dp ausgeführt wird. Dadurch ergibt sich ein rotierender Diffusor, der wegen der Abschleuderung der Grenzschicht mit einem hohen Wirkungsgrad dynamischen in statischen Druck umsetzt, so daß auch durch diese Maßnahme die statische Druckziffer erhöht wird. Durch den zusätzlichen Druckgewinn kann die Umfangsgeschwindigkeit noch weiter reduziert oder ein größerer Druckverlust überwunden warden. Zusätzlich wird der statische Wirkungsgrad durch den rotierenden Diffusor verbessert.

Da die volle Kühlleistung nicht ständig benötigt wird, werden moderne Kühlanlagen mit regelbaren Lüftern ausgerüstet, wobei insbesondere thermostatisch gesteuarte Flüssigkeitsreibungskupplungen verwendet werden. Eine derartige Kombination eines erfindungsgemäßen Radiallüfters mit einer Flüssigkeitsreibungskupplung ist in Fig. 4 dargestellt. Um die Belastung der Kupplungslager niedrig zu halten,

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sollte die Kupplung 13 möglichst weit in das Laufrad 12 hineinragen, damit der Schwerpunkt des Lüfters dicht am Lager liegt. Aus strömungstechnischen Gründen sind jedoch gewisse Grenzen gesetzt, da durch die Kupplung 13 die Strömung im Saugraum und damit die Anströmung der Schaufeln gestört wird. Durch die stabilisierende Wirkung des Spaltstromes ist die beschriebene Lüfterbauart aber relativ unempfindlich gegen derartige Störungen. Es hat sich gezeigt, daß Störkörper bis zu der in Fig. 4 eingezeichneten Grenzlinie L„, in den Saugraura eingebracht werden dürfen, ohne daß eine nennenswerte Beeinflussung der Luftleistung und des Geräuschverhaltens erfolgt. Um eine günstige Lagerbelastung bei gleichzeitig geringfügiger Beeinflussung der Lüfterdaten zu erzielen, sollten die äußersten Konturen der Kupplung Lj in einem gewissen Bereich liegen, welcher durch die beiden Grenzlinien L_n, und L„_o bestimmt ist.

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Ausgangspunkt der beiden Grenzlinien ist jeweils der Schnittpunkt der Schaufeleintrittskante mit dem Laufradboden 5·

Die Grenzlinie L«, schneidet die Lüfterachse in einem

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Abstand a, = α,4 . D, , bezogen auf den Laufradboden 5» während für die Grenzline L^₂ der Schnittpunkt durch a₂ = 0,2 ♦ D. festgelegt ist. Dabei ist D der Schaufeleintrittsdurchmesser.

Die Erfindung ist nicht auf -die beschriebenen oder dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen und Weiterbildungen sowie Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten -Merkmale und Maßnahmen.

- Ansprüche -

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Claims (4)

1. Ansprüche

   !1, Geräuscharme Kühlanlage, Insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus mindestens einem Kühlmittelkreislauf mit Wärmetauscher und Lüfter, dadurch gekennzeichnet, daß in Luftrichtung gesehen Mater dem Wärmetauscher (l) ein freilaufendes Radiallaufrad (12) angeordnet ist, daß das Quersch-nittsverhältnis F, : 'F_Q zwischen. I,j55 und 2,3 liegt, wobei F_Q der engste Querschnitt einer vor dem Laufrad (12) angeordneten Einlaufdüse (2) und F, der Schaufeleintrittsquerschnitt des Laufrades (12) ist, und daß eine in eine Laufraddeckscheibe (3) hineinragende Einlaufdüse (2) sich von dem engsten Querschnitt F_Q aus in Strömungsrichtung gesehen darart erweitert, daß sowohl der Spaltluftstrom als auch die Hauptströmung eine nach außen gerichtete Komponente erhalten und dadurch tangential oder nahezu tangential an die Abrundung der Laufraddeckscheibe (3) herangeführt werden.
2. 2.Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Laufradbodens (5) und der Deckscheibe (3) des freilaufenden Radiallüfters größer ist als der Schaufelaustrittsdurchmesser (D₂) und beide Bauteile einen parallelwandigen oder nahezu parallelwandigen RadialdJiffusor bilden.
3. 3. Kühlenanlage nach Anspruch 1 oder 2, mit einem auf der Kurbelwelle oder auf einem anderen an einem Motorblock befestigten Lager angeordneten, freilaufenden Radiallaufrad, dadurch genennzeichnet, daß die Einlauf düse (2) am Motorblock (8) mittels Streben (lo) befestigt und mit einer Kühlerzarge (9) über eine elastische Manschette (ll) verbunden ist.

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4. 4. Kühleranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis-3* wobei das Radiallaufrad über eine Kupplung, beispielsweise eine Flüssigkeitsreibungskupplung angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die äußersten Konturen der Kupplung zwischen zwei Grenzlinien L„, und liegen.

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