CN107989826A - 轴流式风机叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其是用于机动车辆发动机的散热器的轴流式风机叶轮(102)。轴流式风机叶轮(102)包括：环状圈(108)，其具有多个转子叶片(104)的；和轮毂(112)，其具有与驱动轴连接或能够连接的内圈(114)以及沿着轮毂(112)的外周边(118)的与内圈(114)和环状圈(108)连接以用于传递转矩的连接面。轮毂(112)在内圈(114)与外周边(118)之间具有通孔(120)。在环状圈(108)内部以不能旋转的方式布置在轴流式风机叶轮(102)上的至少一个元件(117；126；138)被设计成用于在轴流式风机叶轮(102)旋转时保持轴向方向上的压力差。

Description

轴流式风机叶轮
技术领域
本发明涉及轴流式风机叶轮。尤其涉及用于机动车辆发动机的散热器的轴流式风机叶轮以及安装有所述轴流式风机叶轮的商用车辆。
背景技术
为了将环境空气供应到制冷循环中的散热器，例如在流动方向上在散热器的后方设置有用于产生负压的轴流式风机叶轮。根据环境温度和制冷功率，轴流式风机叶轮的风机轮毂必须向轴流式风机叶轮的转子叶片传递相当多的机械功率，该功率在商用车辆产业内可以大于10kW。由此，在风机轮毂中出现高的离心力，并且在传送功率及旋转速度变化的情况下出现大的剪切力。
文献EP1519052B1描述了一种轴流式风机叶轮，该轴流式风机叶轮的轮毂面包括具有可移动的穿孔板的机构。当轴流式风机叶轮旋转时，穿孔板封闭轮毂面。当风机关闭时，通过预载荷部分地打开轮毂面。
然而，集成在旋转的风机轮毂中的具有可移动部件(特别具有相对于风机轮毂在旋转方向上可移动的穿孔板)的机构消弱了轴流式风机叶轮的功效操作。该机构的附加旋转质量增加了轴流式风机叶轮的功率消耗，并因此增加了燃料消耗。此外，集成在在风机轮毂中的机构受到所述的作用力中并且可能由于污垢而在空气流中阻塞。为了减小旋转质量，原则上可以为风机轮毂提供永久性开口。然而，在散热器侧形成的负压由于开口而减小。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种例如在商用车辆产业中能够满足负载要求的更节能的轴流式风机叶轮。
该目的通过根据独立权利要求的轴流式风机叶轮以及配备有所述轴流式风机叶轮的机动车辆来实现。有益的实施例和应用是从属专利权利要求的主题，并将在下面参照附图进一步详细解释。
根据本发明的一个方面，提供了一种特别地用于机动车辆发动机的散热器的轴流式风机叶轮。轴流式风机叶轮包括：环状圈，其具有多个转子叶片；以及轮毂，其具有与驱动轴连接或能够连接的内圈，并具有沿着轮毂的外周边的与内圈和环状圈连接以用于传递转矩的连接面。轮毂在内圈和外周边之间具有通孔。在环状圈内部以不能旋转方式布置在轴流式风机叶轮上的至少一个元件被设计为用于在轴流式风机叶轮旋转时保持轴向方向上的压力差。
转子叶片可以从环状圈径向地向环状圈外部延伸。转子叶片可以驱动空气流。至少一个元件可以防止空气流在轮毂的周边中(例如在外周边内)的再循环(也被称为回流)。
由于至少一个元件以不能旋转的方式(特别是以没有相对于轮毂的相对运动的方式)布置在轴流式风机叶轮上，所以轴流式风机叶轮的实施例可以满足商用车辆产业中的负载和功率要求。可替代地或可附加地，由于通孔的缘故，可以减小轮毂的旋转质量，以便特别地在改变旋转速度的情况下减小所需的驱动功率。
至少一个元件可以防止空气经由通孔的压力平衡或压力降低。在这种情况下，例如由于至少一个元件不参与(经由连接面从内圈到环状圈的)转矩传递，所以至少一个元件可被设计成没有或者不对轮毂的旋转质量做出显著贡献。
沿着外周边的连接面可以通过外圈和/或沿着外周边的圈部段来实现。外圈可以周向地闭合。圈部段可以彼此间隔开。连接面可以布置在轴流式风机叶轮或轮毂的旋转平面上。
外周边(例如外圈和/或者圈部段)可以布置在环状圈的径向内侧。内圈可以布置在外周边的径向内侧。内圈和环状圈之间的转矩传递可以仅通过连接面进行。
轮毂特别地在内圈和外周边(例如外圈)之间可以具有轻质结构。可替代地或者可附加地，内圈可以位于连接面的旋转平面的外部(例如，外圈的旋转平面的外部)。例如，轮毂可以至少在内圈上膨出或者拱起以作为与驱动轴连接的连接部位。
传统的用于驱动风机的风机轮毂可被设计成使得风机轮毂自身分离负压侧(例如，风机抽取侧)和正压侧(例如，发动机舱)，由此，由于风机轮毂的壁厚度形成为用于转矩传递，所以轮毂的惯性矩大于实施例中的惯性矩。当通过孔来减少风机轮毂的惯性矩时，在同样的旋转速度下制冷功率将变差，并且为了建立相同的压力差，将必须增加旋转速度。与此相反地，将元件以不能旋转的方式固定在轴流式风机叶轮的实施例能够防止空气再循环，而不会显著增加轴流式风机叶轮及其轮毂的惯性矩。在同样的旋转速度的情况下，以更少的功率消耗产生同样的压力差。
至少一个元件包括另外的覆盖件和/或空气引导件，以用于消弱再循环。空气引导件可以在环状圈的周边内具有另外的转子叶片。空气引导件可以与轮毂集成地形成(例如没有利用额外质量来形成轮毂)或者作为另外的金属片螺接在轮毂上。具有通孔的轮毂的轻质结构例如在无制冷空气再循环的情况下降低了燃料损耗。
可以通过例如环状圈的径向外侧的旋转的转子叶片来形成轴向方向上的压力差。可以通过环状圈的径向内侧的至少一个元件来保持轴向方向上的压力差。
内圈可以通过过盈配合与驱动轴连接或能够相连。轴流式风机叶轮可以(例如通过皮带)被流体静力地、电气地或机械地驱动。
内圈和外周边(例如，外圈)之间的轮毂的(即，轴向地)投影到旋转平面上的表面部分可小于内圈和外周边(例如，外圈)之间的通孔的(即，轴向地)投影到旋转平面上的表面部分。可替换地或可附加地，通孔的径向宽度可大于内圈的直径(例如，内直径或内圆直径)。
至少一个元件可以覆盖且/或(至少部分地)封闭环状圈的内部和/或内圈和外周边(例如外圈)之间的通孔。覆盖或封闭元件也被称为覆盖件。
至少一个元件可以包括另外的转子叶片。另外的转子叶片可模制在至少一个元件上(例如覆盖件)。
至少一个元件可以包括用于在内圈和外周边(例如外圈)之间传递转矩的轮辐。轮辐可被设计成作为另外的转子叶片。轮毂可在轮辐之间具有通孔。
例如由轮辐形成或模制在覆盖件上的另外的转子叶片可以相对于轴流式风机叶轮的旋转平面倾斜且/或可以在运动方向(或旋转方向)上弯曲。另外的叶片可以具有相对于旋转平面的迎角或者斜度。迎角可以(例如在外周边或者外圈区域内)为5°到15°。
至少一个元件可以刚性地布置在轮毂上。至少一个元件可以在轴流式风机叶轮的操作期间相对于轮毂是固定的(特别是相对于轮毂不能转动或枢转)。例如至少一个元件相对于轮毂的位置可不取决于旋转速度。
至少一个元件可以由轻金属(例如铝)或者纤维复合材料(例如，玻璃纤维或碳纤维)制造。至少一个元件(例如覆盖件)可以是薄壁的。例如，覆盖件的轴向壁厚可以小于轮毂的轴向壁厚。至少一个元件(例如覆盖件)可以由铝板制造。
至少一个元件(例如覆盖件)可以不对至环状圈的转矩传递做出贡献(特别是不对来自驱动轴的驱动力矩的传递做出贡献)。
至少一个元件的直径可以大于外周边(例如外圈)的外直径。至少一个元件的直径可以(至少基本上)等于或小于环状圈的内直径。
至少一个元件可以布置成相对于轮毂在轴向方向上偏移。可选地或者可附加地，内圈可以布置在由连接面或外圈界定的旋转平面的外部。例如，覆盖件可以布置在由连接面或外圈界定的旋转平面的前侧。内圈可以布置在由连接面或外圈界定的旋转平面的后侧。
根据本发明的另一方面，提供了一种机动车辆，尤其是商用车辆。机动车辆包括根据上述方面的实施例的具有轴流式风机叶轮的风机装置。风机装置可以包括用于制冷传动***组件(例如内燃机或者电牵引式储能器)的散热器。
附图说明
将参照下述附图来描述本发明其它的特征和优点。
图1示出了用于轴流式风机叶轮的轮毂的第一实施例的示意图；
图2示出了用于轴流式风机叶轮的轮毂的第二实施例的示意图；
图3示出了具有轴流式风机叶轮的第一实施例的风机装置的立体图；
图4示出了具有轴流式风机轮的第二实施例的风机装置的立体图；
图5的A和B示出了具有轴流式风机叶轮的第三实施例的风机装置的立体图；和
图6示出了具有轴流式风机叶轮和散热器槽的风机装置的实施例的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出了整体上由附图标记102表示的轴流式风机叶轮的第一实施例。轴流式风机叶轮包括多个转子叶片(Laufschaufeln)104，这些转子叶片在径向外侧被包围在套圈(Mantelring)106处且在径向内侧被包围在环状圈(Kranzring)108处。在环状圈108上，环状连接板110可以朝向径向内侧突出，这些环状连接板具有用于与轮毂112的不旋转连接(例如螺栓连接)的固定部位。
轮毂112包括能够连接至驱动轴的内圈114，并包括轮毂112的外周边118(例如，外圈或其部段)上的连接面。轮毂112通过连接面(例如外圈)连接到环状圈108。
为了清楚地描述，在下面的说明中假定沿着外周边的连接面由外圈118形成。在下文中，在放置外圈118的情况下，可以进行修改，使得仅外圈118的部段存在，并形成连接面。
可通过内圈114和外圈118之间的区域116来传递转矩(例如轴流式风机叶轮的102的驱动转矩和/或减速转矩)。中间区域116包括多个通孔120。
中间区域116由于通孔120而被设计为轻质结构。例如，在轮毂112的内圈114和外圈118之间的转矩传递的约束下，中间区域116的质量和/或惯性矩被最小化。
在图1所示的实施例中，中间区域116包括至少一个圈，所述至少一个圈通过径向连接板在内侧连接至内圈114，并且在外侧连接至外圈118，以用于传递转矩。内侧的径向连接板和外侧的径向连接板在周向上均匀地分布，也就是说，它们具有相同的角度间隔。例如，三个内侧径向连接板成对地包围120°的角度。同样地，三个外侧径向连接板成对地包围120°的角度。在这里，内侧和外侧的连接板不以在径向上排列的方式布置。例如，在三个内侧径向连接板和三个外侧径向连接板的情况下，每个内侧径向连接板与每个外侧径向连接板包围60°的角度。当连接板的数量变为两倍时，相应的角度减小一半。
图2示出了用于轴流式风机叶轮102的轮毂112的第二实施例。附图中的相同的附图标记表示相同的或者功能上相同的特征。
图2所示的轮毂112的实施例包括位于中间区域116中的多个轮辐117，所述轮辐分别从内圈114径向地延伸到外圈118。轮毂112的通孔120位于轮辐117之间。
在轮毂112的每个实施例中，其轻质结构通过如下方式实现：在中间区域116中，轮毂112的表面部分比通孔120的表面部分小。例如，在内圈114和外圈118之间的中间区域116中，轮毂112的在轴向上投影在旋转平面上的部分(即中间区域116的闭合表面部分)小于通孔120的相应地投影的部分。
可选地或者可附加地，中间区域116的径向宽度(例如轮辐117的长度)大于内圈114的直径115。
轴流式风机叶轮102还包括(例如与轮毂112的每一上述实施例相组合地)在环状圈108内部以不能旋转的方式布置在轴流式风机叶轮102上的元件，所述元件被设计为在轴流式风机叶轮102旋转时保持轴向方向上的压力差。至少一个元件以例如封闭或者覆盖通孔120的方式保持压力差。可选地或者可附加地，至少一个元件基于轮毂112的旋转而局部地产生与所要保持的压力差相对应的压力差。
有利地，至少一个元件没有或者基本上没有对轮毂112或轴流式风机叶轮102的质量或者惯性矩做出贡献。例如，至少一个元件包括薄壁的覆盖件，该覆盖件能够防止穿过通孔120的空气再循环(或部分回流)。可代替地或者可附加地，至少一个元件包括另外的转子叶片，这些转子叶片模制在通孔120的覆盖件上或者也是中间区域116中的转矩传递结构的一部分。
图3示出了在示例性风机装置100的情形下的轴流式风机叶轮102的第一实施例。轴流式风机叶轮102的轮毂112可以包括参照图1和图2描述的轮毂的每个示例的可选择的或者可附加的特征。
可选择地，轮毂112的外圈118包括轮毂连接板122，轮毂连接板122从外圈118径向地突出，并具有固定孔124。通过这些连接板，轮毂112以不能旋转的方式连接到环状圈108。
在外圈118上，在轮毂112的前侧(即在图3的视图的后侧)布置有覆盖件126，以作为用于保持压力差的元件。覆盖件126包括圆盘形表面或圆锥形表面，该圆锥形表面的尖端处于轮毂112的轴线的延长线上。覆盖件126的外直径基本上对应于环状圈108的内直径，并因此通过覆盖件126封闭环状圈108的内部以防止空气再循环。
覆盖件126周向地固定在外圈108中的多个固定孔128处。因为轮毂112的承载结构(特别是用于传递转矩的结构)通过内圈114、中间区域116(例如图3所示的轮辐117)以及外圈118形成，所以覆盖件126没有参与至轴流式风机叶轮102的转子叶片104的力传递或者转矩传递。相应的是，覆盖件126可以是薄壁的，而不对轮毂112的质量和惯性矩做出显著的贡献。优选地，覆盖件126由铝板制造。
例如，覆盖件126也可封闭外圈118和环状圈108之间的开口130，开口130是由于轮毂连接板122从外圈118径向地向外延伸而产生的。
图3所示的示例性风机装置100包括轴流式风机叶轮102和散热器，散热器布置在轴流式风机叶轮102的负压侧的前方。为了描述地更加清晰，图3只示出了散热器的散热器槽132。散热器槽132包括至少两个切口134，以用于在轴向方向上被引导的制冷水循环，并包括用于将散热器槽132安装在例如机动车辆中的多个长孔136。
图4示出了在示例性风机装置100的情形下的轴流式风机叶轮102的第二实施例。与图1至3的特征相对应的特征或(在结构或功能的意义上)与其可相互更换的特征具有相同的附图标记。
在图4所示的轴流式风机叶轮102的第二实施例中，内圈114和外圈118之间的轮辐117被设计成另外的转子叶片。这些另外的转子叶片是用于保持压力差的元件的示例。
轮辐117例如包括三角面的一部分，该三角面以相对于旋转平面的倾斜角倾斜。可替代地，轮辐117包括弯曲面，例如双曲抛物面的一部分，其中，每个轮辐117的两个边缘不平行于轴流式风机叶轮的旋转平面。在图4所示的第二实施例中，每个轮辐117的两个边缘是斜交的直线。
在轴流式风机叶轮102的第二实施例中，可以省略覆盖件126。优选地，固定孔124直接设置在轮毂112的外圈118上(例如，不存在突出的轮毂连接件122)，使得外圈118抵靠在环状圈108上(例如，不存在外圈118和环状圈108之间的开口130)。
图5的A和B示意性地示出了在示例性风机装置100的情形下的轴流式风机叶轮102的第三实施例的前视图和后视图。
第三实施例可以被描述为第一实施例的变形。相同的或者功能上相同的特征具有与图3的第一实施例相同的附图标记。
覆盖件126包括与旋转平面平行的平面基础面。在后侧(即负压侧)，另外的转子叶片138从基础面在轴向方向上突出。每个另外的转子叶片138包括进口侧，进口侧在旋转方向上开口，并通过基础面中的被相应的转子叶片138覆盖的开口流体地连接到轮毂112的后侧(即，轴流式风机叶轮102的正压侧)。
通过根据第三实施例的对第一实施例的发展，不仅可以防止经过通孔120的空气再循环，而且通过轮毂112对空气传输做出的另外贡献也可以对通过转子叶片104进行的主空气输送进行补充。而且，特别地，第二和第三实施例能够组合。例如，由另外的转子叶片138构成的覆盖件126能够在前侧被螺接到轮毂112，其中，轮毂112的轮辐117被设计成另外的转子叶片。
图6示出了能够与上述每个实施例相组合的散热器槽132和套圈106的改进。在散热器槽132的风机侧开口140处形成有环绕开口140的轴衬(Kragens)142。轴衬142的圆周直径小于散热器侧套圈106的圆周直径，例如大约小5％。套圈106以及轴衬142重叠地布置在轴向方向上(即图6中的水平方向上)，使得在旋转的套圈106以及静止的轴衬142之间，狭窄的气隙防止了风机装置100的边缘区域处的空气再循环。
尽管已经参考特定实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以进行各种改变，并且可以使用等同物作为替代物。此外，可以进行各种修改以使特定情况或特定材料适应于本发明的教示。因此，本发明不限于所公开的实施例，而是包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
附图标记
100 风机装置 102 轴流式风机叶轮
104 转子叶片 106 套圈
108 环状圈 110 环状连接板
112 轮毂 114 轮毂的内圈
115 内圈的直径 116 轮毂的中间区域
117 轮毂轮辐 118 轮毂的外周边或者外圈
120 轮毂中的通孔 122 轮毂连接板
124 轮毂中的用于环状圈的固定孔 126 覆盖件
128 外圈中的用于覆盖件的固定孔 130 外圈与环状圈之间的开口
132 散热器槽 134 用于制冷水循环的切口
136 长孔 138 覆盖件中的转子叶片
140 散热器槽的风机侧开口 142 散热器槽的轴衬

Claims (15)

1.一种尤其用于机动车辆发动机的散热器的轴流式风机叶轮(102)，其包括：
环状圈(108)，其具有多个转子叶片(104)；和
轮毂(112)，其具有与驱动轴连接或能够连接的内圈(114)，并具有沿着所述轮毂(112)的外周边(118)的与所述内圈(114)和所述环状圈(108)连接以用于传递转矩的连接面，
其中，所述轮毂(112)在所述内圈(114)与所述外周边(118)之间具有通孔(120)，并且
其中，在所述环状圈(108)内部以不能旋转的方式布置在所述轴流式风机叶轮上的至少一个元件(117；126；138)被设计成用于在所述轴流式风机叶轮(102)旋转时保持轴向方向上的压力差。
2.根据权利要求1所述的轴流式风机叶轮，其中，所述内圈(114)和所述外周边(118)之间的所述轮毂(112)的投影在旋转平面上的表面部分小于所述内圈(114)与所述外周边(118)之间的所述通孔(120)的投影在旋转平面上的表面部分。
3.根据权利要求1或2所述的轴流式风机叶轮，其中，所述通孔(120)的径向宽度大于所述内圈(114)的直径(115)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件(126)封闭所述内圈(114)与所述外周边(118)之间的所述通孔(120)和/或所述环状圈(108)的内部。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，在所述至少一个元件(126)上模制有另外的转子叶片(138)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件包括用于在所述内圈(114)与所述外周边(118)之间传递转矩的轮辐(117)，并且其中，所述轮毂(112)在所述轮辐(117)之间具有所述通孔(120)。
7.根据权利要求6所述的轴流式风机叶轮，其中，所述轮辐(117)被设计为另外的转子叶片。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件(117；126；138)刚性地布置在所述轮毂(112)上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件(126；138)由铝板制造。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件(126；138)不向所述环状圈传递转矩。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件(126)的直径大于所述外周边(118)的外直径。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件(126)的直径等于或小于所述环状圈(108)的内直径。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述至少一个元件(126；138)布置成在轴向方向上相对于所述轮毂(112)偏移。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的轴流式风机叶轮，其中，所述内圈(114)布置在由所述连接面界定的旋转平面的外部。
15.一种特别是商用车辆的机动车辆，其包括具有根据权利要求1至14中任一项所述的轴流式风机叶轮的散热器。
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