EP3705727B1

EP3705727B1 - Lüfterrad eines axialventilators

Info

Publication number: EP3705727B1
Application number: EP20158943.9A
Authority: EP
Inventors: Oliver Haaf; Thorsten Pissarczyk
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2024-08-07
Anticipated expiration: 2040-02-24
Also published as: EP3705727A1; CN111649000A; US11248623B2; DE102019105355A1; CN210265263U; DE102019105355B4; US20200284268A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Lüfterrad eines Axialventilators mit mehreren um eine Rotationsachse in einem Schaufelkranz angeordneten Lüfterradschaufeln.
Gattungsgemäße Lüfterräder von Axialventilatoren zur Erzeugung eines Axialluftstromes sind seit langem bekannt und umfassen üblicherweise eine Mehrzahl von Lüfterradschaufeln, die sich ausgehend von der Nabe nach radial außen erstrecken und in einem Schaufelkranz angeordnet sind.
Problematisch ist die Geräuscherzeugung aufgrund von Wirbelbildung, insbesondere in hinsichtlich der Zuströmung und/oder Anströmung gestörten Einbaubedingungen.
Druckschriftlicher Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet ist aus den Dokumenten JP 2018-109393 A , EP 3 029 336 A1 , WO 2009/019559 A1 , WO 96/16272 A1 , WO 91/07593 A1 und JP 2014-062534 A bekannt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Lüfterrad bereitzustellen, das insbesondere in derartigen gestörten Einbausituationen eine Reduktion des im Betrieb erzeugten Schallpegels gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Lüfterrad eines Axialventilators mit mehreren um eine Rotationsachse in einem Schaufelkranz angeordneten Lüfterradschaufeln vorgeschlagen, bei dem mindestens eine der Lüfterradschaufeln einen radial innen liegenden Innenabschnitt und einen sich an den Innenabschnitt unmittelbar anschließenden an einen Schaufelrand angrenzenden Schaufelrandabschnitt aufweist. Die mindestens eine Lüfterradschaufel weist über eine Radialerstreckung des Schaufelrandabschnitts einen lokalen Vorsprung auf, welcher in Verlängerung der Sehnenlänge der Lüfterradschaufel ausgebildet ist und die Lüfterradschaufel im Schaufelrandabschnitt lokal vergrößert. Der Schaufelrandabschnitt ist somit von dem Innenabschnitt abgegrenzt und dadurch definiert, dass stets der Vorsprung vorgesehen ist. Ferner ist erfindungswesentlich, dass ein mittlerer Anstellwinkel der Lüfterradschaufel, insbesondere im Schaufelrandabschnitt, gegenüber einer Rotationsebene des Lüfterrads größer ist als ein mittlerer Anstellwinkel des Vorsprungs gegenüber der Rotationsebene.
Die Kombination der technischen Merkmale, im Schaufelrandabschnitt den Vorsprung mit vergrößerter Sehnenlänge vorzusehen und gleichzeitig den Anstellwinkel des Vorsprungs gegenüber der Rotationsachse gegenüber der übrigen Lüfterradschaufel zu reduzieren verringert die Ablöseneigung der Strömung am Lüfterrad und mithin die als besonders unangenehm empfundenen Drehtöne.
Bei dem Lüfterrad sieht eine bevorzugte Ausführungsvariante vor, dass der mittlere Anstellwinkel des Vorsprungs gegenüber der Rotationsebene des Lüfterrads einen Wert zwischen 1-15°, weiter bevorzugt zwischen 3-10° aufweist. Der Anstellwinkel des Vorsprungs ist dabei stets kleiner als derjenige der Lüfterradschaufel im Bereich außerhalb des Vorsprungs.
Viele Lüfterräder von Axialventilatoren verwenden einen die Laufradschaufeln radial außenseitig umspannenden Ring, der häufig als Schleuderring bezeichnet wird. Eine vorteilhafte Ausführung des Lüfterrad der vorliegenden Offenbarung ist jedoch speziell darauf gerichtet, dass die Lüfterradschaufeln an ihren jeweiligen radialen Schaufelrändern frei enden und verbindungsfrei sind, d.h. dass kein Ring oder dergleichen die Laufradschaufeln verbindet. Durch das freie Ende sind die radial außen liegenden Schaufelränder der Laufradschaufeln strömungstechnisch unbeeinflusst, so dass die Wirkung des Vorsprungs günstig zur Geltung kommt.
Ferner ist bei dem Lüfterrad vorzugsweise vorgesehen, dass der an den Schaufelrand angrenzende Schaufelrandabschnitt der mindestens einen Lüfterradschaufel in einem radialen Außenbereich der Lüfterradschaufel bestimmt ist. Die Größe dieses radialen Außenbereichs und damit die Radialerstreckung des Vorsprungs wird durch das Verhältnis des Radius LS der Lüfterradschaufel bis zum Schaufelrandabschnitt zu dem maximalen Radius der Lüfterradschaufel LD derart definiert, dass gilt 0,7≤LS/LD≤1, vorzugsweise 0,85≤LS/LD≤0,95.
Hinsichtlich der Erstreckung des Vorsprungs in Umfangsrichtung in der Rotationsebene des Lüfterrads ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch den Vorsprung die Sehnenlänge der Lüfterradschaufel in einer Richtung senkrecht zur Rotationsachse lokal gegenüber dem Innenabschnitt derart vergrö-ßert ist, dass erfindungsgemäß gilt 1,1≤L1/L2≤1,3, wobei L1 die maximale Sehnenlänge der Lüfterradschaufel im Schaufelrandabschnitt und L2 die Sehnenlänge der Lüfterradschaufel an der Grenze zwischen dem Innenabschnitt und dem Schaufelrandabschnitt, jeweils gemessen an dem radial außen liegenden Schaufelrand der Lüfterradschaufel, sind.
Die Lüfterradschaufeln weisen jeweils eine Schaufelvorderkante und eine Schaufelhinterkante auf. Eine besonders vorteilhafte Wirkung zur Geräuschreduzierung wird erzielt, wenn der Vorsprung an der Schaufelvorderkante ausgebildet ist. Die Schaufelhinterkante wiederum weist in einer günstigen Ausführung einen konvex gerundeten, bogenförmigen Verlauf auf. Auch die Schaufelvorderkante ist vorzugsweise bogenförmig gekrümmt, jedoch mit einem größeren, insbesondere um ein Vielfaches größeren Radius als die Schaufelhinterkante.
Zudem ist eine Ausführungsvariante des Lüfterrad vorteilhaft, bei welcher der Vorsprung einstückig mit der Lüfterradschaufel ausgebildet ist. Das Lüfterrad ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt, so dass alle technischen die Strömung beeinflussenden Merkmale in den Lüfterradschaufeln integral ausgebildet sind.
Eine erfindungsgemäße Ausführung des Lüfterrads ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung eine in Umfangsrichtung weisende Spitze aufweist. Die Spitze ist gegenüber einem maximalen Außenradius der Lüfterradschaufel nach radial innen beabstandet. Das bedeutet, dass der Vorsprung radial nach innen eingezogen ausgebildet ist, die Spitze jedoch im Betrieb einen gedachten Kreis bestimmt, der gegenüber dem Außenradius des Lüfterrads beabstandet ist.
Ferner ist eine erfindungsgemäße Ausführung des Lüfterrads dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Vorsprungs im Schaufelrandabschnitt außermittig nach radial außen versetzt ist. In anderen Worten wird der Vorsprung derart ausgebildet, dass seine in Umfangsrichtung weisende Spitze näher am Außenradius als an dem Innenabschnitt der Lüfterradschaufel liegt Strömungstechnisch vorteilhaft und geräuschreduzierend wirkt sich bei dem Lüfterrad ferner eine Ausgestaltung der Laufradschaufeln aus, bei der die Spitze des Vorsprungs jeweils abgerundet ausgebildet ist.
Weitere günstige Ausführungsformen des Lüfterrads sehen vor, dass die Lüfterradschaufeln jeweils an ihrem radial äußeren Schaufelrand ein Winglet aufweisen. Als Winglet ist eine Ausbildung an der Lüfterradschaufel definiert, bei der radial endseitig an der Lüfterradschaufel eine Verdickung oder Rundung von der Unterseite zur Oberseite vorgesehen ist. Optional können zudem jeweils am radial äußeren Schaufelrand Bürsten vorgesehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Lüfterradschaufeln zumindest entlang des Vorsprungs eine geringere mittlere Schaufeldicke auf als im übrigen Bereich der jeweiligen Lüfterradschaufel.
Die Lüfterradschaufeln sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie jeweils einen radialen Mittelbereich um ihre radiale Mitte bestimmen, in dem die Sehnenlänge der Lüfterradschaufel ein Maximum aufweist. Der Mittelbereich erstreckt sich dabei vorzugsweise bis zu 30% der radialen Maximalerstreckung der Lüfterradschaufel um ihre die radiale Mitte.
Ferner ist eine Ausführung des Lüfterrads bevorzugt, bei der alle Lüfterradschaufeln identisch ausgebildet sind.
Die Offenbarung umfasst ferner einen Axialventilator mit einem vorstehend beschriebenen Lüfterrad.
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 axiale Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Lüfterrad,
Fig. 2: eine Seitenansicht des Lüfterrad gemäß Figur 1,
Fig. 3: eine Detailansicht einer Lüfterradschaufel des Lüfterrad gemäß Figur 1 von der axial gegenüberliegenden Seite,
Fig. 4: eine Profilansicht auf den radialen Schaufelrand einer Lüfterradschaufel des Lüfterrads aus Figur 1;
Fig. 5: eine weitere Profilansicht auf den radialen Schaufelrand einer Lüfterradschaufel des Lüfterrads aus Figur 1;
Fig. 6: ein Diagramm des Schalldruckpegels gegenüber der Frequenz bei dem Lüfterrad aus Figur 1 gegenüber einem Lüfterrad des Stands der Technik;
Fig. 7: ein Diagramm des Anstellwinkels der Lüfterradschaufel aus Figur 1 gegenüber dem Stand der Technik;
Fig. 8: ein Diagramm der Sehnenlänge der Lüfterradschaufel aus Figur 1 gegenüber dem Stand der Technik.

Die Figuren 1 - 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Lüfterrads 1 eines Axialventilators, bei dem sich fünf identische Lüfterradschaufeln 2 ausgehend von der Nabe 17 nach radial außen erstrecken und um die Rotationsachse RA einen Schaufelkranz bilden. Die Anzahl der Lüfterradschaufeln 2 ist lediglich beispielhaft auf fünf festgelegt, kann jedoch in alternativen Ausführungen auch höher oder geringer sein.
Jede Lüfterradschaufel 2 weist eine Schaufelhinterkante 8, eine Schaufelvorderkante 9 und einen radialen Schaufelrand 5 auf, der frei endet. Die einzelnen Lüfterradschaufeln 2 sind ausschließlich über die Nabe 17 verbunden. Die Schaufelvorderkanten 8 sind konvex in Umfangsrichtung vorstehend gerundet und bestimmen jeweils einen bogenförmigen Verlauf, die Schaufelvorderkanten 9 erstrecken sich ausgehend von der Nabe 17 im Wesentlichen geradlinig nach radial außen. Wie in Figur 2 gut zu erkennen sind die Lüfterradschaufeln 2 gewölbt geformt und gegenüber der Rotationsebene RE geneigt. Auf ihrer jeweiligen axialen Unterseite sind in Umfangsrichtung ausgerichtete Versteifungsrippen 25 ausgebildet, die sich teilweise bis zur Nabe 17 erstrecken und an dieser über eine vorbestimmte Axialerstreckung verbunden sind.
Die Lüfterradschaufeln 2 weisen jeweils einen radial innen liegenden Innenabschnitt 3 und einen sich in radialer Richtung gesehen an den Innenabschnitt 3 unmittelbar anschließenden Schaufelrandabschnitt 4 auf, der sich bis an den jeweiligen Schaufelrand 5 erstreckt. Als Grenze 13 zwischen dem Innenabschnitts 3 und dem Schaufelrandabschnitt 4 ist in Figur 1 eine gestrichelte Linie eingetragen. Der radial außerhalb liegende Schaufelrandabschnitt 4 ist bei den Lüfterradschaufeln 2 jeweils dadurch definiert, dass er über seine Radialerstreckung den lokalen Vorsprung 6 aufweist, der die Sehnenlänge der jeweiligen Lüfterradschaufel 2 im Schaufelrandabschnitt 4 lokal in Umfangsrichtung vergrößert. Die Grenze 13 ist somit an der Stelle festgelegt, an welcher der Vorsprung 6 beginnt. Der Vorsprung 6 ist in der gezeigten Ausführung an den jeweiligen Schaufelvorderkanten 9 ausgebildet in einer im wesentlichen dreieckigen Grundform, welche eine in Umfangsrichtung weisende abgerundete Spitze 10 aufweist. In Figur 3 ist mit dem Bezugszeichen 12 eine Linie gekennzeichnet, welche die Position der Spitze 10 parallel zum Schaufelrand 5 aufzeigt. Dabei ist erkennbar, dass die Spitze 10 des Vorsprungs 6 gegenüber einem maximalen Außenradius der Lüfterradschaufel 2 nach radial innen beabstandet und somit im Schaufelrandabschnitt 4 in radialer Richtung gesehen außermittig nach radial außen versetzt ist. Dies wird durch unterschiedliche Winkelverläufe der Außenkanten des Vorsprungs 6 erreicht, die zum einen durch die Schaufelvorderkante 9, zum anderen durch den Schaufelrand 5 gebildet sind.
Bezugnehmend auf Figur 4 sind die unterschiedlichen mittleren Anstellwinkel α, β der Lüfterradschaufel 2 im Vergleich zum Vorsprung 6, jeweils gegenüber der Rotationebene RE dargestellt. Der mittlere Anstellwinkel α der Lüfterradschaufel 2 gegenüber der Rotationsebene RE liegt bei 35°, der mittlere Anstellwinkel β des Vorsprungs 6 gegenüber der Rotationsebene RE entspricht 10°. Zudem ist jeder Anstellwinkel entlang der Lüfterradschaufel 2 gegenüber der Rotationsebene RE stets größer als jeder Anstellwinkel entlang des Vorsprungs 6 gegenüber der Rotationsebene RE. Ferner ist der Gesamtanstellwinkel µ der Lüfterradschaufel 2 entlang der Sehnenlänge L im Mittelbereich MB um die radiale Mitte gezeigt, welche den Randpunkt XV1 an der Schaufelhinterkante 8 mit dem Randpunkt XV2 an der Schaufelvorderkante 9 verbindet. Im Mittelbereich MB weist die Sehnenlänge L ihr Maximum auf.
In der gezeigten Ausführung ist der Vorsprung 6 einstückig an der Lüfterradschaufel 2 ausgebildet, gleichwohl kann seine Erstreckung und die dadurch bedingte Sehnenverlängerung eindeutig über die sprunghafte Verlaufsveränderung der Schaufelvorderkante 9 bestimmt und abgegrenzt werden. Alternative Ausführungen sehen vor, dass der Vorsprung als Anbauteil an der jeweiligen Lüfterradschaufel befestigt wird.
Der Vorsprung 6 im Schaufelrandabschnitt 4 nimmt eine Radialerstreckung ein, welche über das Verhältnis LS/LD bestimmt ist, das im gezeigten Fall bei 0,88 liegt. LS ist der Radius der Lüfterradschaufel 2 bis zum Schaufelrandabschnitt 4, LD der maximale Außenradius der Lüfterradschaufel 2. Das Verhältnis LS/LD soll zwischen 0,7-1, insbesondere zwischen 0,85-0,98 liegen. Die Größe des Vorsprungs 6 in Umfangsrichtung wird über die unterschiedliche Sehnenlänge festgelegt. Die Sehnenlänge der Lüfterradschaufel 2 wird durch den Vorsprung 6 in Richtung senkrecht zur Rotationsachse RA derart vergrößert, dass das Verhältnis der maximalen Sehnenlänge L1 der Lüfterradschaufel 2 inklusive des Vorsprungs 6 zur Sehnenlänge L2 der Lüfterradschaufel 2 ohne den Vorsprung 6 bei 1,2 liegt. Das Verhältnis liegt erfindungsgemäß zwischen 1,1 und 1.3, und kann insbesondere zwischen 1,1-1,2 festgelegt werden. Ferner kann die Schaufeldicke des Vorsprungs 6 optional größer als die Schaufeldicke des übrigen Lüfterrads 2 sein, wie in Figur 4 gezeigt.
Figur 6 zeigt die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Lüfterrads 2 erzielten Vorteile zur Reduzierung des Schalldruckpegels Lp bei den unterschiedlichen Frequenzen f, wobei die durchgezogene Linie 77 das Ergebnis des Laufrads 2 gemäß Figur 1 darstellt und die gestrichelte Line 88 ein identisches Laufrad ohne Vorsprung 6 kennzeichnet. Im Wesentlichen über den gesamten Frequenzverlauf, insbesondere jedoch bei sehr niedrigen Frequenzen kann der Schalldruckpegel deutlich reduziert werden.
Die Figur 7 zeigt einen Vergleich des Verhältnisses des Anstellwinkels µ zu dem maximalen Anstellwinkel µ_max der Lüfterradschaufel 2 mit dem Vorsprung 6 aus Figur 1 über den radialen Verlauf des Radius r zum Maximalradius r_max gegenüber dem Stand der Technik (gestrichelte Linie) ohne Vorsprung. Gut zu erkennen ist der abfallende Anstellwinkel zu Beginn des Schaufelrandabschnitts 4 bei einem Verhältnis r/r_max von 0,9.
Figur 8 zeigt ein Diagramm der Sehnenlänge L zu der maximalen Sehnenlänge L_max der Lüfterradschaufel 2 mit dem Vorsprung 6 aus Figur 1 über den radialen Verlauf des Radius r zum Maximalradius r_max gegenüber dem Stand der Technik (gestrichelte Linie) ohne Vorsprung. Das Maximum der Sehnenlänge liegt bei 0,7 der Gesamtradialerstreckung der Lüfterradschaufel 2. Im Schaufelrandabschnitt 4 vergrößert sich die Sehnenlänge lokal um den Vorsprung 6.

Claims

Lüfterrad (1) eines Axialventilators mit mehreren um eine Rotationsachse (RA) in einem Schaufelkranz angeordneten Lüfterradschaufeln (2), wobei mindestens eine der Lüfterradschaufeln (2) einen radial innen liegenden Innenabschnitt (3) und einen sich an den Innenabschnitt (3) unmittelbar anschließenden an einen Schaufelrand (5) angrenzenden Schaufelrandabschnitt (4) aufweist, wobei die mindestens eine Lüfterradschaufel (2) über eine Radialerstreckung des Schaufelrandabschnitts (4) einen lokalen Vorsprung (6) aufweist, welcher in Verlängerung der Sehnenlänge der Lüfterradschaufel (2) ausgebildet ist und die Lüfterradschaufel (2) im Schaufelrandabschnitt (4) lokal vergrößert, und wobei ein mittlerer Anstellwinkel (α) der Lüfterradschaufel (2) gegenüber einer Rotationsebene (RE) des Lüfterrads (1) größer ist als ein mittlerer Anstellwinkel (β) des Vorsprungs (6) gegenüber der Rotationsebene (RE), und wobei der Vorsprung (6) eine in Umfangsrichtung weisende Spitze (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Vorsprung (6) eine Sehnenlänge der Lüfterradschaufel (2) in einer Richtung senkrecht zur Rotationsachse (RA) lokal gegenüber dem Innenabschnitt vergrößert ist, so dass gilt 1,1≤L1/L2≤1,3, wobei L1 eine maximale Sehnenlänge der Lüfterradschaufel (2) im Schaufelrandabschnitt und L2 eine Sehnenlänge der Lüfterradschaufel (2) an der Grenze zwischen dem Innenabschnitt (3) und dem Schaufelrandabschnitt (4) sind, und dass die Spitze (10) gegenüber einem maximalen Außenradius der Lüfterradschaufel (2) nach radial innen beabstandet ist, und
die Spitze (10) im Schaufelrandabschnitt (4) außermittig nach radial außen versetzt ist.
Lüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (β) des Vorsprungs (6) gegenüber der Rotationsebene (RE) einen Wert zwischen 2-15°, insbesondere zwischen 4-10° aufweist.
Lüfterrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterradschaufeln (2) an ihren jeweiligen radialen Schaufelrändern (5) frei enden und verbindungsfrei sind.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Schaufelrand (5) angrenzende Schaufelrandabschnitt (4) der mindestens einen Lüfterradschaufel (2) in einem Außenbereich der Lüfterradschaufel (2) bestimmt ist, so dass gilt 0,7≤LS/LD≤1, insbesondere 0,85≤LS/LD≤0,95, wobei LD ein maximaler Radius der Lüfterradschaufel und LS ein Radius der Lüfterradschaufel bis zum Schaufelrandabschnitt (4) sind.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lüfterradschaufel (2) eine Schaufelvorderkante (9) und eine Schaufelhinterkante (8) aufweist, wobei der Vorsprung an der Schaufelvorderkante (9) ausgebildet ist.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhinterkante (8) einen konvex gerundeten, bogenförmigen Verlauf aufweist.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (6) einstückig mit der Lüfterradschaufel (2) ausgebildet ist.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (10) abgerundet ausgebildet ist.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterradschaufeln (2) jeweils an ihrem radial äußeren Schaufelrand (5) ein Winglet aufweisen.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche 5 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterradschaufeln (2) im Bereich des Vorsprungs (6) eine größere mittlere Schaufeldicke als im übrigen Bereich der jeweiligen Lüfterradschaufel (2) aufweisen.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterradschaufeln (2) einen radialen Mittelbereich (MB) um eine radiale Mitte der jeweiligen Lüfterradschaufel (2) und die Lüfterradschaufel (2) im Mittelbereich (MB) eine maximale Sehnenlänge aufweist.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Lüfterradschaufeln des Lüfterrads identisch ausgebildet sind.
Axialventilator mit einem Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche.