EP4063664A1

EP4063664A1 - Lüfterrad eines axialventilators

Info

Publication number: EP4063664A1
Application number: EP22161822.6A
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: DE102021107353A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lüfterrad (1) eines Axialventilators mit einer im bestimmungsgemäßen Gebrauch vorbestimmten Rotationsrichtung (RO) um eine Rotationsachse (RA), und mit einer Nabe (14) und mehreren Lüfterradschaufeln (16), die sich jeweils entlang der Nabe (14) in axialer Richtung (AR) und in Umfangsrichtung (UR) erstrecken und die jeweils eine anströmseitige Schaufelvorderkante (15) und eine abströmseitige Schaufelhinterkante (17) aufweisen, welche durch eine Schaufelspitze (18) miteinander verbunden sind, wobei die Schaufelvorderkante (15) von der Nabe (14) bis zur Schaufelspitze (18) einen entgegen der Rotationsrichtung (RO) doppelsichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf aufweist, wobei der doppelsichelförmig gekrümmte stetige Verlauf durch eine Sichelung axial entlang der Rotationsachse (RA) und eine Sichelung in Umfangsrichtung (UR) entgegen der Rotationsrichtung (RO) bestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lüfterrad eines Axialventilators mit einer im bestimmungsgemäßen Gebrauch vorbestimmten Rotationsrichtung um eine Rotationsachse.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Lüfterrädern mit Lüfterradschaufeln bekannt, deren Geometrie strömungstechnisch an die verschiedenen Anforderungen wie Wirkungsgrad oder Geräuschentwicklung des die Lüfterräder nutzenden Ventilators angepasst ist.
Eine spezielle Ausführungsvariante derartiger Axialventilatoren sind mehrstufige Axialventilatoren mit zumeist zwei in axialer Reihe angeordneten Lüfterrädern, die zusammen eine gemeinsame Axialströmung erzeugen. Die Lüfterräder können hierbei auch in gegensätzliche Richtung rotieren. Dabei ist strömungstechnisch der Übergang von dem ersten Lüfterrad zu dem zweiten Lüfterrad ein kritischer Bereich, insbesondere hinsichtlich der Akustik.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Lüfterrad bereitzustellen, das insbesondere bei einem mehrstufigen Axialventilator als zweite Stufe eingesetzt wird und hinsichtlich der Strömungsakustik verbessert ist. Dabei soll insbesondere der spezifische Schallleistungspegel der Blattwiederholfrequenz reduziert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Lüfterrad eines Axialventilators mit einer im bestimmungsgemäßen Gebrauch vorbestimmten Rotationsrichtung um eine Rotationsachse vorgeschlagen. Das Lüfterrad umfasst eine Nabe und mehrere Lüfterradschaufeln, die sich jeweils entlang der Nabe in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstrecken und die jeweils eine anströmseitige Schaufelvorderkante und eine abströmseitige Schaufelhinterkante aufweisen, welche durch eine Schaufelspitze miteinander verbunden sind. Die Schaufelvorderkante weist von der Nabe bis zur Schaufelspitze einen entgegen der Rotationsrichtung doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf auf, wobei der doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf durch eine Sichelung axial entlang der Rotationsachse und eine Sichelung in Umfangsrichtung entgegen der Rotationsrichtung bestimmt ist.
Der doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf wird durch das axiale Zurückschwenken und die tangentiale Verdrehung in Umfangsrichtung der Schaufelvorderkante erreicht und führt dazu, dass die Interaktion der einströmenden Turbulenz aus dem axial vorgeschalteten Lüfterrad der ersten Stufe mit den Lüfterradschaufeln der zweiten Stufe und mithin der spezifische Schallleistungspegel der Blattwiederholfrequenz reduziert werden.
Die spezielle Gestaltung der Schaufelvorderkanten führt besonders im Bereich der Schaufelspitzen zu einer geringeren Wirbelintensität der anströmenden Luft und somit zu einer geräuschlichen Pegelreduktion der inhärenten Schaufelwiederholungsfrequenz des Lüfterrads der zweiten Stufe.
Bei einer strömungstechnisch günstigen Ausführung des Lüfterrads ist zudem vorgesehen, dass der doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf der Schaufelvorderkante von der Nabe zur Schaufelspitze in einem Bogen mit konstanter Rundung gebildet ist.
Ferner sieht eine Weiterbildung des Lüfterrads vor, neben den Schaufelvorderkanten auch die Schaufelhinterkanten speziell zu gestalten. Dabei ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der die Schaufelhinterkante ausgehend von der Nabe einen entgegen der Rotationsrichtung doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf aufweist, wobei der doppel-sichelförmig gekrümmte Verlauf der Schaufelhinterkante durch eine Sichelung axial entlang der Rotationsachse und eine Sichelung in Umfangsrichtung entgegen der Rotationsrichtung bestimmt ist. Die entsprechende Sichelung wird mithin sowohl bei den Schaufelvorderkante als auch den Schaufelhinterkanten realisiert.
Jedoch ist in Abwandlung zur Schaufelvorderkante bei der Schaufelhinterkante günstig, wenn der doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf der Schaufelhinterkante von der Nabe zur Schaufelspitze in einem Bogen mit mehreren unterschiedlichen Rundungen gebildet ist.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Lüfterrads ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass eine Sehne entlang der Schaufelhinterkante von der Nabe zur Schaufelspitze in einer Draufsicht auf die Schaufelhinterkante einen S-förmigen Verlauf aufweist.
Ferner ist günstig, wenn der S-förmige Verlauf der Schaufelhinterkante der Lüfterradschaufeln kontinuierlich in den doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf der Schaufelvorderkante übergeht.
Das Lüfterrad ist in einer Ausführung ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine S-Form des S-förmigen Verlaufs durch zwei gegenläufige Bauchabschnitte gebildet ist und ein näher an der Nabe liegender Bauchabschnitt des S-förmigen Verlaufs in Radialrichtung gesehen länger ausgebildet ist als ein näher an der Schaufelspitze liegender Bauchabschnitt des S-förmigen Verlaufs.
Bei einer Weiterbildung des Lüfterrads ist zudem vorgesehen, dass das Lüfterrad abtrömseitig an der Nabe einen Nabendiffusor ausbildet, 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 in einem Strömungskanal, in dem das Lüfterrad angeordnet wird. 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.
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 eine Lüfterrads;
Fig. 2: eine Seitenansicht des Lüfterrads aus Figur 1;
Fig. 3: eine Draufsicht auf die Abströmseite des Lüfterrads aus Figur 1;
Fig. 4: eine Draufsicht auf die Anströmseite des Lüfterrads aus Figur 1;
Fig. 5: eine Schnittansicht eines zweistufigen Axiallüfters mit dem Lüfterrads aus Figur 1 als zweite Stufe;

Die Figuren 1 - 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Lüfterrads 1 in verschiedenen Ansichten. Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Teile in allen Ansichten.
Das Lüfterrad 1 umfasst eine hohlzylindrische Nabe 14 von deren Außenwandfläche ausgehend sich die Lüfterradschaufeln 16 radial auswärts erstrecken. Die Lüfterradschaufeln 16 sind über eine axiale Länge parallel zur Rotationsachse und tangential zur Nabe 14 über eine Erstreckung in Umfangsrichtung UR an der Nabe 14 angebunden. Die Lüfterradschaufeln 16 sind jeweils identisch ausgebildet und weisen auf der Anströmseite ANS die anströmseitige Schaufelvorderkante 15 und auf der Abströmseite ABS die abströmseitige Schaufelhinterkante 17 auf, welche durch die Schaufelspitze 18 am radial äußeren freien Ende der Lüfterradschaufeln 16 miteinander verbunden sind.
Die Schaufelvorderkanten 15 weisen ausgehend von der Nabe 14 bis zur Schaufelspitze 18 einen entgegen der Rotationsrichtung RO doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf auf, der durch die Sichelung axial entlang der Rotationsachse RA und die Sichelung in Umfangsrichtung UR entgegen der Rotationsrichtung RO bestimmt ist. Dieser doppel-sichelförmig gekrümmt stetige Verlauf der Schaufelvorderkanten 15 ist besonders gut in Figur 2 und 3 zu erkennen. Dabei verlaufen die Schaufelvorderkanten 15 von der Nabe 14 zur Schaufelspitze 18 in einem Bogen mit konstanter Rundung, wie es gut in den Figuren 1 sowie 3-4 zu erkennen ist. Die Schaufelvorderkanten 15 erstrecken sich axial von dem Axialrand 53 der Nabe 14 zurückziehend und tangential in Umfangsrichtung UR verdreht.
Die Schaufelhinterkanten 17 weisen ausgehend von der Nabe 14 ebenfalls einen entgegen der Rotationsrichtung RO doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf auf, der durch eine Sichelung axial entlang der Rotationsachse RA und eine Sichelung in Umfangsrichtung UR entgegen der Rotationsrichtung RO bestimmt ist, wie es in Figur 1 gut zu erkennen ist. Dabei ist ausgehend von der Nabe 14 zur Schaufelspitze 18 jeweils ein Bogen mit mehreren unterschiedlichen Rundungen gebildet. Die gezeigte Ausführung betrifft eine Lösung, bei der die Sehne der Lüfterradschaufeln 16 entlang der Schaufelhinterkanten 17 von der Nabe 14 zur Schaufelspitze 18 einen S-förmigen Verlauf 99 bestimmen, der durch die zwei gegenläufigen bogenförmigen Bauchabschnitte 96, 97 der S-Form gebildet ist. Bezugnehmend auf die Figuren 1, 3 und 4 ist klar ersichtlich, dass der näher an der Nabe 14 liegende Bauchabschnitt 96 des S-förmigen Verlaufs 99 in Radialrichtung gesehen länger ausgebildet ist als der näher an der Schaufelspitze 18 liegende Bauchabschnitt 97. Die Lüfterradschaufeln 16 sind im Bauchabschnitt 97 über eine Erstreckung parallel zur Schaufelspitze 18 zur Anströmseite ANS hin konkav eingesenkt ausgebildet, wie es durch die Einsenkung 98 schematisch dargestellt ist, im Bauchabschnitt 98 steht die Lüfterradschaufel 16 in die Gegenrichtung zur Abströmseite ABS gerichtet konvex hervor. Der S-förmige Verlauf 99 der Schaufelhinterkante 17 der Lüfterradschaufeln 16 geht dabei kontinuierlich in den doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf der Schaufelvorderkanten 15 über. Die konvex-konkaven Einsenkungen enden von der jeweiligen Schaufelvorderkante 15 beabstandet.
Das Lüfterrad 2 umfasst abtrömseitig an der Nabe 14 den konisch zulaufende Nabendiffusor 26. Dieser Nabendiffusor 26 schließt sich axial an die Lüfterradschaufeln 16 an, so dass der Nabendiffusor 26 schaufellos ist und frei überströmt werden kann.
Bezugnehmend auf Figur 5 ist ein Axiallüfter 100 mit dem Lüfterrad 1 aus den Figuren 1-4 gezeigt.
Der Axiallüfter 100 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 Lüfterrad 1 aufgenommen sind und zusammen den Strömungskanal 3 parallel zur Rotationsachse RA der Lüfterräder 4, 1 bestimmen. Die beiden Lüfterräder 4, 1 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 Lüfterrad 1 weitergeführt führt. Die nicht-rotierbare Steganordnung 6 ist durch das Ringteil 10 gebildet und umfasst eine Mehrzahl von Radialstegen 7.
Das Ringteil 10 ist einstückig ausgebildet mit dem Ringelement 11, das einen Teil des Gehäuses 2 bildet, einer achszentralen Motorhalterung 12 mit einem Außenring 12 und zwei hohlzylindrischen Axialstutzen 80, 81 zur befestigenden außenseitigen Aufnahme der Motoren 44, 45 und innenseitigen Aufnahme der Motorlagerung. Zwischen den Axialstutzen 80, 81 und dem Außenring 12 sind in Umfangsrichtung abwechselnd verteilt mehrere durchströmbare Ausnehmungen und Versteifungsstreben vorgesehen. Somit kann Kühlluft auch in den Bereich der Motoren 44, 45 gelangen und die Ausnehmungen 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 und die Abströmkante auf. Die Anströmkante ist gegenüber einer Radialebene gesehen mit einem stärker gekrümmten Verlauf versehen als die Abströmkante. 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.
Das erste Lüfterrad 4 weist die Nabe 24 auf, von der aus sich die Laufradschaufeln 14' nach radial außen erstrecken. Das axial in Strömungsrichtung nachfolgende Lüfterrad 1 weist die Nabe 14 auf, von der aus sich die Laufradschaufeln 16 nach radial außen erstrecken. Die Naben 24, 14 verlaufen mit der Motorhalterung 12 jeweils parallel in der Axialebene AE und bilden somit eine radial innen liegende Wandfläche des Strömungskanals 3 parallel zur Rotationsachse RA. Zwischen den Naben 24, 14 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 Lüfterrad 1 aufweist.

Claims

Lüfterrad (1) eines Axialventilators mit einer im bestimmungsgemäßen Gebrauch vorbestimmten Rotationsrichtung (RO) um eine Rotationsachse (RA), und mit einer Nabe (14) und mehreren Lüfterradschaufeln (16), die sich jeweils entlang der Nabe (14) in axialer Richtung (AR) und in Umfangsrichtung (UR) erstrecken und die jeweils eine anströmseitige Schaufelvorderkante (15) und eine abströmseitige Schaufelhinterkante (17) aufweisen, welche durch eine Schaufelspitze (18) miteinander verbunden sind, wobei die Schaufelvorderkante (15) von der Nabe (14) bis zur Schaufelspitze (18) einen entgegen der Rotationsrichtung (RO) doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf aufweist, wobei der doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf durch eine Sichelung axial entlang der Rotationsachse (RA) und eine Sichelung in Umfangsrichtung (UR) entgegen der Rotationsrichtung (RO) bestimmt ist.
Lüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf der Schaufelvorderkante (15) von der Nabe (14) zur Schaufelspitze (18) in einem Bogen mit konstanter Rundung gebildet ist.
Lüfterrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhinterkante (17) ausgehend von der Nabe (14) einen entgegen der Rotationsrichtung (RO) doppel-sichelförmig gekrümmten stetigen Verlauf aufweist, wobei der doppel-sichelförmig gekrümmte Verlauf der Schaufelhinterkante (17) durch eine Sichelung axial entlang der Rotationsachse (RA) und eine Sichelung in Umfangsrichtung (UR) entgegen der Rotationsrichtung (RO) bestimmt ist.
Lüfterrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf der Schaufelhinterkante (17) von der Nabe (14) zur Schaufelspitze (18) in einem Bogen mit mehreren unterschiedlichen Rundungen gebildet ist.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sehne entlang der Schaufelhinterkante (17) von der Nabe (14) zur Schaufelspitze (18) in einer Draufsicht auf die Schaufelhinterkante (17) einen S-förmigen Verlauf (99) aufweist.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der S-förmige Verlauf (99) der Schaufelhinterkante (17) der Lüfterradschaufeln kontinuierlich in den doppel-sichelförmig gekrümmte stetige Verlauf der Schaufelvorderkante (15) übergeht.
Lüfterrad nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine S-Form des S-förmigen Verlaufs (99) durch zwei gegenläufig bogenförmige Bauchabschnitte (96, 97) gebildet ist und ein näher an der Nabe (14) liegender Bauchabschnitt (96) des S-förmigen Verlaufs (99) in Radialrichtung gesehen länger ausgebildet ist als ein näher an der Schaufelspitze (18) liegender Bauchabschnitt (97) des S-förmigen Verlaufs
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (1) abtrömseitig an der Nabe (14) einen Nabendiffusor (26) ausbildet, der sich axial an einen Bereich der Nabe (14) anschließt, in dem die Lüfterradschaufeln (16) des Lüfterrads (1) ausgebildet sind, so dass der Nabendiffusor (26) frei von Lüfterradschaufeln (16) ist.
Axiallüfter (100) mit einem einen Strömungskanal (3) bildenden Gehäuse (2) und einem in dem Gehäuse (2) aufgenommenen, um eine Rotationsachse (RA) rotierbaren ersten Lüfterrad (4) und einem Lüfterrad (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das erste Lüfterrad (4) axial in Reihe zu dem Lüfterrad (1) angeordnet ist und die Lüfterräder (4, 1) im Betrieb eine Axialströmung (AS) durch den Strömungskanal (3) erzeugen.