DE2619318C3 - Laufrad für einen Axialventilator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Axialventilator, insbesondere zur Kühlung des Motors eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens zwei Schaufeln, an deren Oberlläche Grenzsehiciuzäune vorgesehen tind, deren Abstand voneinander an den Vorderkanten größer als an den Hinterkanten ist.

Es ist ein Diagonalverdichter bekannt (DE-PS 33 100). Durch die dort vorhandenen, etwa in Strömungsrichtung verlaufenden Grenzschichtzäune soll das radiale Abwandern der Grenzschicht bei hohen Drehzahlen verhindert werden. Würden die Grenzschichtzäune derart angeordnet werden, daß eine Radialströmung erzwungen wird, dann wäre diese gegen die Innenwand des Gehäuses gerichtet und würde den Wirkungsgrad des Verdichters reduzieren. Bauartbedingt weisen die Vorderkanten der Grenzschichtzäune bezogen auf die Drehrichtung der Schaufel einen kleineren Abstand zur Laufradachse auf als die Hinterkanten.

Es ist ferner ein Axialventilator bekannt geworden (US-PS 20 10 094), bei dem Schaufeln vorgesehen sind, deren Oberfläche Grenzscliichtzäune bzw. HilfsflUgel aufweisen, die zueinander parallel angeordnet sind. Durch die Krümmung der Hilfsflügel wird zur Verbesserung der Luftumwälzung der geförderten Luft eine Radialkomponente erteilt Bei Anordnung dieses Ventilators vor einem größeren Widerstand, wie dem Motor eines Kraftfahrzeugs, wird durch stark zunehmende aerodynamische Verluste die Kühlleistung beträchtlich herabgesetzt.

Durch die US-PS 18 34 888 ist ein Flugzeugpropeller mit zwei Flügeln bekanntgeworden, deren Anstellwinkel durch den Luftdruck automatisch verändert wird, wenn sich der Propeller dreht Hierdurch soll der aero-ο dynamische Wirkungsgrad bzw. der durch den Propeller bewirkte Schub verbessert werden. Diese automatische Verstellung kann behindert werden, wenn sich die bei Drehung des Propellers auf die Flügel ausgeübten Zentrifugalkräfte nicht im Gleichgewicht befinden. Es ist deshalb vorgesehen, die Flügelanordnung längsverschiebbar auszubilden ·<;ηά auf den Flügeln von der Vorderkante zur Hinterkante nach außen gerichtete Rippen vorzusehen, so daß die auf die Vorderfläche dieser Rippen auftreffende Luft eine zur Zentrifugalkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft auf den Flügeln ausübt Die Rippen sind hierbei parallel zueinander angeordnet und verlaufen gerade oder so, daß ihr Auslaßwinkel an den Hinterkanten kleiner als ihr Einlaßwinkel an den Vorderkanten ist

Auch bei dem durch die US-PS 6 75 477 bekannt gewordenen Schiffspropeller verlaufen die auf den Schaufeln angebrachten Rippen parallel zueinander, nämlich auf Kreislinien. Die Rippen dienen dazu die Zentrifugalwirkung des Wassers zu hemmen und das Wasser innerhalb des Bereichs bzw. der Spur der Schaufeln zu halten. Durch die US-PS 10 66 988 ist ein Propeller bekanntgeworden, bei dem zur Verminderung des Rückstaus auf jeder Schaufel ein Ablenkblech vorgesehen ist, das in Verbindung mit an der Vorderkante der Schaufel vorgesehenen Öffnungen die Aufgabe hat, die Wasserströmung aus dem Bereich der nächsten Schaufel abzuleiten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dann gesehen, ein Laufrad für einen Axialventilator zu schaffen, das geringeren Lärm verursacht, zu einer Verringerung der aerodynamischen Verluste führt und insgesamt einen höheren Wirkungsgrad gegenüber den bekannten Laufrädern aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorderkanten der Gren2schichtzäune, bezogen auf die Drehrichtung der Schaufel, einen kleineren Abstand zur Laufradachse aufweisen a's die Hinterkanten der Grenzschichtzäune, und daß der Auslaßwinkel an den Hinterkanten der Grenzschichtzäune gegenüber der Umfangsrichtung 15° bis 60° beträgt und größer ist als der Einlaßwinkel an den Vorderkanten der Grenzschichtzäune.

Es hat sich herausgestellt, daß ein solches Laufrad zu einem Axialventilator führt, dessen Lärm und die auftretenden aerodynamischen Verluste stark vermindert sind und der einen erheblich erhöhten Wirkungsgrad insofern aufweist, als eine Ablösung und Turbulenz der Luftströme an den Schaufeln unterbunden wird.
Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich dadurch erzielen, daß die Grenzschichtzäune gegenüber der Senkrechten auf der Oberfläche der Schaufel um einen vorgegebenen Winkel radial nach außen geneigt sind. Dies begünstigt die Blaswirkung des Ventilators in zentrifugaler Richtung. Dies läßt sich noch dadurch unterstützen, daß man diesen Winkel allmählich bzw. fortschreitend von der Vorderkante bis zur Hinterkante zunehmen läßt.
Vorteilhaft sind zumindest die äußeren Grenzschicht-

zäune jeweils entlang einer Linie angeordnet, die aus miteinander verbundenen, geraden Linienabschnitten unterschiedlicher Neigung besteht, die eine nach unten gerichtete Auswölbung aufweist oder a.e wenigstens zwei nicht verbundene, gerade oder gebogene Abschnitte besitzt. ■»

Im folgenden wird zunächst anhand der Fig. 1 bis 3 der Zeichnung ein bekannter Axialventilator dargestellt, während anschließend die Erfindung anhand von Ausführunftsbeispieien in der Zeichnung näher erläutert wird.

Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung des Kühlsystems für den Motor eines Kraftfahrzeugs mit einem bekannten Axia'ventilator;

Fig.2 in perspektivischer Darstellung einen Flügel des bekannten Axialventilators und die Luftströme, weiche an der Oberfläche des bekannten Flügels entlang .strömen;

F i g. 3 eine Darstellung der Stromlinien angestauter .Luft und der von einem bekannten Ventilator erzeugten Luftströmung bei einem Kühlsystem für den Motor eines Kraftfahrzeuges;

F i g. 4 bis 7 Darstellungen einer ersten Ausführungsform;

F i g. 8 bis 15 Darstellungen einer zweiten bis fünften Ausführungsform;

F i g. 16 und 17 charakteristische Kurvenzüge zum Vergleich der Leistungsfähigkeit des Axialventilators nach der ersten Ausführungsform (bei der Anwendung als Kühlsystem für einen Motor) mit dem bekannten Axialventilator;

Fig. 18(A) bis 18(C) Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Hilfsflügel bei der ersten bis fünften Ausführungsform; is

Fig. 19 bis 25 Darstellungen einer sechsten Ausführungsform;

Fig. 26 bis 28 Darstellungen der fünften Ausführungsform des trfindungsgemäßen Axialventilators für Vergleichszwecke;

Fig. 29 und 30 charakteristische Kurvenzüge zum Vergleich der Leistungsfähigkeit des Axialventilators nach der sechsten Ausführungsform (bei der Anwendung als Kühlsystem für einen Motor) mit dem bekannten Axialventilator;

F i g. 31 bis 34 Darstellungen einer siebten bis zehnten Ausführungsform;

F i g. 35(A) bis 35(F) Darstellungen der verschiedenen Ausführungsformen der Hilfsflügel bei der sechsten bis zehnten Ausführungsform.

Bei der in den Fig.4 bis 7 dargestellten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialvenlilalors sind an der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 des Laufrads 410 Hilfsflügel oder Grcnzschich'zäune 39, 391 vorgesehen, welche relativ zu der Flügeloberfläche senkrecht vorstehen bzw. herausragen. Die Gren/-schiihtzäune 39, 391 weisen eine vorgegebene Breite (ungefähr 8 bis 20 mm), länge und Dicke auf. Sie erstrecken sich im wesentlichen in Breitenrichtung der Schaufel 18 in Richtung der Luftströme 11.4, llß, die entlang der Oberfläche der Schaufel 18 strömen, solange der Ventilator 410 in Richtung des Pfeils 10 rotiert, d.h. diese Grenzschichtzaun erstrecken sich, beginnend an einem Abschnitt der Vorderkante 18A bis zu einem Abschnitt der Hinterkante 18ß radial nach außen, wobei die Grenzschichtzäune in vorgegebenem Abstand in radialer Richtung vorgesehen sind.

Sie sind längs der Ansaug- (das ist die konvexe) Oberfläche 18Dder Schaufel nach oben gekrümmt, d. h. sie weisen eine im wesentlichen konkave Form auf.

Längs der Grenzschichtzäune 39,391 werden auf der Ansaugoberfläche 18/5 der Schaufel Luftströme erzeugt und infolge dieser Luftsiröme tritt eine Ablösung oder Turuulenz der Luft nicht oder lediglich in der Nähe der Hinterkante 18Bder Schaufel ein, so daß der größte Teil der Ansaugoberfläche zu der Blaswirkung beitragen kann. Da der Auslaßwinkel β (F i g. 5) der Grenzschichtzäune 39,391 größer ist als der EiniaXSwinkel α, werden die Luftströme 20! stark nach außen in abgeschrägter radialer Richtung der Schaufel 18 getrieben. Im Ergebnis wird dabei zu der Blaswirkung des Axialventilators eine Zentrifugalwirkung hinzugefügt, so daß die dadurch angetriebenen Luftströme wirksam in einer Richtung von den Hindernissen auf der Ausstoßseite des Ventilators, wie etwa einem Motor und dergL, hinwegströmen, während ein Teil der Luftströme auf die innere periphere Oberfläche der Umkleidung 13 (Fig. 1) auftrifft und anschließend auf die Ausstoßseite des Ventilators zuströmt.

Dies verhindert eine umgekehrte Strömung der Luftströme, d. h. von der Ausstoßseite auf die Ansaugseite des Ventilators zu, durch den Zwischenraum 5 zwischen dem Ventilator und der Umkleidung 13 hindurch.

Im vorliegenden Fall beträgt der Einlaßwinkel «i an der Vorderkante 39/4 des äußeren Grenzschichtzauns 39, der von dem Drehmittelpunkt des Ventilators 410 weiter entfernt ist, ungefähr 0 bis 15°, während der Auslaßwinkel ß\ an der Hinterkante 395 des Grenzschichtzauns ungefähr 15 bis 60° beträgt. Ein Einstellwinkel Θι des Grenzschichtzauns 39 auf der Oberfläche der Schaufel 18 beträgt ungefähr 5 bis 30°. Hierbei wird unter Einlaßwinkcl «ι der Neigungswinkel an der Vorderkante 39Λ des Grenzschichtzauns 39 mit der Rotationsrichtung des Laufrads 410, und unter dein Auslaßwinkel J3i der Neigungswinkel an der Hinterkante 39S mit der Rotationsrichtung des Laufrads 410 verstanden. Weiterhin wird als Einstcllwinkcl Θι der Neigungswinkel von einer Linie, welche die Vorderkante 39Λ mit der Hinterkante 39£des Grenzschichtzauns verbindet, mit der Rotationsrichtung des Laufrads 410 definiert.

Wie mit den Fig.4 und 5 dargestellt ist, ist der Abstand X zwischen der Vorderkante 39/1 des äußeren Grenzschichtzauns 39 und der Vorderkante 39M des inneren Grenzschichtzauns 391 (der dem Drehmittelpunkt des Laufrads 410 näherkommt) größer, als der Abstand Y zwischen den Hinterkanten 39B und 391B derselben. Mit anderen Worten ausgedrückt, der Einstellwinkel Θ2, der Einlaßwinkel «2 und der Auslaßwinkel /?2 des Grenzschichtzauns 391 sind jeweils größer als der Einsiellwinkel öi, der Einlaßwinkel αι und der Auslaßwinkel ß\ des Grenzschichtzauns 39.

Nachfolgend vird die Arbeitsweise und die Wirkungsweise des Axialventilalors mit den Grenzschichtzäunen 39, 391 erläutert, der zum Kühlen des Motors eines Kraftfahrzeugs (vgl. F i g. 7) eingesetzt wird.

Wenn der Axialventilator in Richtung des Pfeils 10 rotiert, dann werden auf der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 entlang den Grenzschichtzäunen 39,391 die Luftströme 20Eerzeugt.

ba der Einstellwinkel Θ2, der Einlaßwinkel «2 und der Auslaßwinkel βΐ am Grenzschichtzaun 391 jeweils größer sind als am Grenzschichtzaun 39, werden Luftströme erzeugt, die stark in zentrifugaler Richtung angetrieben werden, wobei diese Ströme entlang der

unteren Oberfläche des Grenzschichtzaun 39 geführt und anschließend an der Hinterkante der Schaufel 18 ausgestoßen werden. Durch den Grenzschichtzaun 391 tritt ebenfalls eine Blaswirkung ein.

Mit den F i g. 8 und 9 ist die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Bei dieser Ausführungsfonn sind ähnlich zu der ersten Ausführungsform senkrecht hervorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 49,491 vorgesehen, jedoch auf der Druckoberfläche 18Cder Schaufel 18 des Laufrads 4!1. Wie bei der ersten Ausführungsform betragen bezüglich des radial weiter außen liegenden Grenzschichtzauns der Einstellwinkel Θ3 (nicht dargestellt) ungefähr 5 bis 30°, der Einlaßwinkel oj ungefähr 0 bis

iimtt pj uitgv

I ~J LfU VJV illlU illll ]5

Bezug auf den radial weiter innen liegenden Grenzschichtzaun 491 sind der Einstellwinkel Θ4 (nicht dargestellt), der Einlaßwinkel Ö4 und der Auslaßwinkel /?4 jeweils größer als jene Winkel am Grenzschichtzaun 49. Wie mit F i g. 8 dargestellt ist nämlich der Abstand Xi zwischen den Vorderkanten 49/4, 491Λ der Grenzschichtzäune 49, 491 größer als der Abstand Yi zwischen den Hinterkanten 49B, 491B der Grenzschichtzäune 49,491.

Wenn das Laufrad 411 in Richtung des Pfeils 10 rotiert, dann werden an der Druckoberfläche 18C der Schaufel 18 entlang den Grenzschichtzäunen 49,491 die Luftströme 2OE erzeugt. Weiterhin werden mit diesen Ausführungsformen genauso wie bei der ersten Ausführungsform, da der Einstellwinkel Θ4, der Einlaßwinkel 04 und der Auslaßwinkel 04 am Grenzschichtzaun 491 jeweils größer ist als die entsprechenden Winkel am Grenzschichtzaun 4S, stark in zentrifugaler Richtung angetriebene Luftströme erzeugt, die entlang der unteren Oberfläche des Grenzschichtzauns 49 geführt und anschließend an der Hinterkante der Schaufel 18 ausgestoßen werden und dabei stark angetriebene, zentrifugale Luftslröme großer Geschwindigkeit bilden.

In den Fig. 10 und 11 ist die dritte Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind an der Ansaugoberfläche 18O der Schaufel 18 des Laufrads 412 senkrecht vorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichizäune 39, 39t und an der Druckoberfläche 18C dieser Schaufel 18 Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 49, 491 vorgesehen. Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform betragen bezüglich der radial weiter außen liegenden Grenzschichtzäune 39, 49 der Einstellwinkel θ₅ (nicht dargestellt) ungefähr 5 bis 30°, der Einlaßwinkel &·, ungefähr 0 bis 15° und der Aiislaßwinkel ß·, ungefähr 15 bis 60°, und bezüglich der radial weiter innen hegenden Grenzschichizäune 3"i, 49i sind der Einstellwinkel θ* der Einlaßwinkel as und der Auslaßwinkel ßf, jeweils größer als die entsprechenden Winkel an den Grenzschichlzäunen 39, 49. Wie mit Fig. 10 dargestellt ist nämlich der Abstand Xi zwischen den Vorderkanten 39A. 39XA (49/1,4914^der Grenzschichtzäune 39, 391 (49, 491) größer als der Abstand Y₃ zwischen den Hinterkanten 39ß, 391ß(49ß, 491/?; der Grenzschichtzäune 39,391 (49,491).

Wenn das Laufrad 412 in Richtung des Pfeils 10 rotiert, dann werden wie bei der ersten Ausführungsform an der Ansaugoberfläche 18D entlang den Grenzschichtzäunen 39,391 die Luftströme 20/erzeugt und, wie bei der zweiten Ausführungsform, an der Druckoberfläche 18C entlang den Grenzschichtzäunen 49, 491 die Luftströme 20£ erzeugt. Daraus folgt, daß mit dieser Ausführungsform die kombinierten Wirkungen der ersten und zweiten Ausführungsform erzielt werden.

Mit den Fig. 12 und 13 ist die vierte Ausführungsform dargestellt. Hier sind senkrecht vorstehende I lilfsfliigel oder Grenzschichtzäune 392,393 an der Ansaugobcrfliiche 18D und senkrecht vorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 492, 493 an der Druckoberfläche 18C der Schaufel 18 des Laufrads 413 vorgesehen, genauso wie bei der dritten Ausführung, jedoch ist die Länge dieser Grenzschichtzäune verkürzt im Vergleich zu der Länge jedes Grenzschichtzaun* bei der dritten Ausführungsform. Jeder Grenzschichtzaun ist nämlich nur an der Hinterkantenseite 18ß auf jeder Flügcloberfläche vorgesehen. Auch hier ist der Abstand zwischen den Vorderkanten 392Λ, 393Λ (4924, 493/A; größer als der Abstand zwischen den Hinterkanicn 392/i. 393/? (492ß, 493B). wie bei der dritten Alisführungsform.

Mit den F ig. 14 und 15 ist die fünfte Ausführungsform dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform sind senkrecht vorstehende Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune 394, 395 an der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 des Laufrads 414 vorgesehen. Im Unterschied zu den vorausgegangenen Ausführungsformen ist die Breite (Höhe) des Grenzschichtzauns 394 (395) an der Vorderkante 394A (395A) klein im Vergleich zu dessen Breite (Höhe) an der Hinterkante 394ß {395B). Gewöhnlich trägt die Hinterkantenseite der Oberfläche der Grenzschichtzäune mehr zu der Blaswirkung bei als deren Vorderkantenseite; die Ablösung und Turbulenz von Luftströmen treten leichter an diesem Teil ein; und die Geräusche beruhen teilweise auf der Drehung der Schaufel in der Luft und die von der Vorderkante des Grenzschichtzauns erzeugten Turbulenzen derselben. Deshalb kann bei dieser Ausführungsform, bei der die Breite des Grenzschichtzauns an der Vorderkante bis auf nahezu 0 vermindert ist und diese Breite allmählich bis zur Hinterkante ansteigt, das Geräusch weiter vermindert werden, ohne den Wirkungsgrad des Ventilators zu beeinträchtigen. Weiterhin kann mit dieser Ausbildung der Grenzschichtzäune im Bereich der Vorderkante vermieden werden, daß die Grenzschichtzäune über die Länge der Schaufel in deren Breitenrichtung und in der Richtung parallel zur Ventilalorachse vorstehen bzw. herausragen.

Die Grenzschichizäune mit dieser Konfiguration können ebenfalls auf der Druckseite 18C der Schaufel vorgesehen sein.

Versuchsergebnisse

Hnc T oilffori ΛίΓί onfcnri^nlion^ rim* orrf/in Λ t«r ΓΓίΚ

rungsform wurde in ein Kühlsystem für einen Motor eingesetzt und hierbei unter den gleichen Bedingungen (gleicher Außendurchmesser und gleiche Schaufelanzahl) mit dem bekannten Axialventilator verglichen, der keine Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune aufwies. Der Außendurchmesser des erfindungsgemäßen Ventilators betrug 360 mm und die Anzahl der Schaufeln 6. Auf der Ansaugoberfläche jeder Schaufel waren zwei Hilfsflügel oder Grenzschichtzäune vorgesehen. Hierbei wird der radial weiter außen gelegene Grenzschichtzaun 39 einen Einstellwinkel 6t von 12° und einen Auslaßwinkel ßi von 25" auf, während für den radial weiter innen liegenden Grenzschichtzaun 39' der Einstellwinkel Bj 23° und der Auslaßwinkel ß₇ 50° betrug. In Rotationsrichtung der Schaufel gesehen betrug der Abstand zwischen entsprechenden Abschnitten der Vorderkante der Grenzschichtzäune 48 mm und der Abstand

zwischen entsprechenden Abschnitten der Hinterkante 30 mm.

Mit den Fig. 16 und 17 sind charakteristische Kiirvenzüge für die beiden Axialventilatoren dargestellt. Der Axialventilalor bzw. das Laufrad 410 entsprechend der ersten Ausführungsform ist dem bekannten Axialventilator darin überlegen, daß er eine um 40% erhöhte Luftströmung und einen um 20% größeren Wirkungsgrad aufweist, wobei der Geräusch- ' pegel und die umgekehrte Strömung stark vermindert sind.

Bei den oben erläuterten ersten bis fünften Ausführungsformen ist die Form der Grenzschichtzäune nicht auf eine im wesentlichen konkave Konfiguration beschränkt, soweit die Grenzschichtzäune in der Weise ausgebildet sind, daß der Abstand zwischen den Vorderkanten der inneren und äußeren Grenzschichtzäune größer ist als der Abstand der Hinterkanten, und soweit der Auslaßwinkel bei jedem Grenzschichtzaun größer ist als der Einlaßwinkel; es kann eine gekrümmte Form mit einer nach unten, d. h. auf die Laufradachse zu gerichteten Auswölbung vorliegen, die jedoch aus abgeknickten Linien (vgl. Fig. 18(A)), einer gekrümmten und einer unterbrochenen Linie (vgl. Fig. 18(B)) und aus unterbrochenen Linien (vgl. Fig. 18(C)) bestehen kann.

Wie anhand der ersten bis fünften Ausführungsform erläutert wurde, ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Hilfsflügeln bzw. Grenzschichtzäunen an deren Vorderkanten größer als deren Hinterkanten, und der Einlaßwinkel und der AuslaßwinRel des inneren Grenzschichtzauns ist größer als die entsprechenden Winkel beim äjßercn Grenzschichtzaun, so daß der Luftstrom durch den inneren Grenzschichtzaun aus einem inneren Abschnitt der Schaufel mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit zu einem äußeren Abschnitt mit hoher Umfangsgeschwindigkeit geführt wird, wodurch eine stärkere radiale Strömung mit großer Geschwindigkeit entlang des Grenzschichtzauns erzeugt werden kann. Der innere Abschnitt der Schaufel trägt hier wirksam zur Blaswirkung bei.

Dementsprechend kann mit einem Axialventilator in den beschriebenen Formen eine stärkere Luftströmung erzeugt und die Blaswirkung besonders gesteigert, sowie das Ventilatorgeräusch und die umgekehrte Strömung besonders wirksam vermindert werden.

Mit den Fig. 19 bis 25 ist die sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialventilators dargestellt.

Eine Vielzahl von Hilfsflügeln oder Grenzschichtzäunen 59, 591 sind über die Ansaugoberfläche 18D der Schaufel iS des Laufrads 4i5 vorsiehend angeordnet Die Grenzschichtzäune 59, 591 weisen eine vorgesehene Bri-ite (ungefähr 8 bis 20 mm), Länge und Dicke auf. Die Grenzschichtzäune 59 und 591 erstrecken sich im wesentlichen in Breitenrichtung der Schaufel und in Richtung der Luftströme 11Λ. 115, welche entlang der Oberfläche der Schaufel strömen, wenn das Laufrad 415 in Richtung des Pfeils 10 rotiert; d.h. diese Grenzschichtzäune erstrecken sich radial nach außen, _6Q beginnend an einem Abschnitt der Vorderkante 18A bis 7.U einem Abschnitt an der Hinterkante 185, wobei deren Breite allmählich bzw. fortschreitend ansteigt. Weiterhin erstrecken sich die Grenzschichizäune 59, 591 konkav entlang der Ansaug- (das ist die konvexe) Oberfläche 18Dder Schaufel, und die Grenzschichtzäune 59, 591 sind zur gleichen Zeit selbst nach oben gekrümmt, d.h. sie weisen eine im wesentlichen konkave Form auf.

In diesem Falle beträgt der Einlaßwinkel «ι an'der Vorderkante 59Λ des Grenzschichtzaun 59, der weiter vom Drehmitielpunkt des Laufrads 415 entfernt ist, ungefähr 0 bis 15°, während der Auslaßwinkel ßi an der Hinterkante 59Bdes Grenzschichtzauns ungefähr 10 bis 60° beträgt. Der Einstellwinkel θι des Grenzschichtzauns 59 an der Oberfläche der Schaufel 18 beträgt ungefähr 5 bis 30°.

Der Grenzschichtzaun 591 ist näher an dem Drehmittelpunkt des Laufrads angeordnet als der Grenzschichtzaun 59. Wie in F i g. 19 und 20 dargestellt ist, ist der Abstand X zwischen der Vorderkante 59/1 des Grenzschichtzauns 59 und der Vorderkante 59M des Grenzschichtzauns 591 größer als der Abstand Y zwischen den Hinterkanten 59S und 591B der Grenzschichtzäune 59 und 591. Mit anderen Worlen: der Einstellwinkel Θ2, der Einlaßwinkel «₂ und der Auslaßwinkel ß₂ des Grenzschichtzauns 591 sind jeweils größer als der Einstellwinkel θι, der Einlaßwinkel «ι und der Auslaßwinkel ß\ des Grenzschichtzauns 59. Wie mit den Fig. 19 bis 25 dargestellt, sind die auf der. Ansaugoberfläche 18£> der Schaufel 18 ausgebildeten Grenzschichtzäune über ihre gesamte Länge bezüglich der Laufradachse radial nach außen geneigt, so daß vorgegebene spitze Winkel zwischen dem Grenzschichtzaun und der Oberfläche gebildet werden, wobei diese spitzen Winkel in einem Bereich liegen, der zwischen einer Senkrechten auf die Oberfläche und einer Parallelen zu der Oberfläche liegt. Insbesondere, wie mit den F i g. 24 und 25 dargestellt, steigt der Winkel -/ des. Grenzschichtzauns 59 (591), der zwischen der Senkrechten V auf der Ansaugoberfläche 18D der Schaufel und der verlängerten Achse W des Grenzschichtzauns gebildet wird, fortschreitend vom Winkel 3Ί bis zum Winkel -/2 an, wenn entsprechend von der Vorderkante 59/4 (591 A) zur Hinterkante 59 ß (591 B) fortgeschritten wird. (Der Grenzschichtzaun 591 ist nicht abgebildet.) In diesem Fall kann der Winkel γ\ gegenüber der Senkrechten an der Vorderkante 59Λ bzw. 591/4 ungefähr 0 bis 10° betragen, während der Winkel γι an der Hinterkante 59ß bzw. 591B ungefähr 15 bis 45° betragen kann.

Nachfolgend werden die Arbeitsweise und die Wirkungen des Laufrads 415 mit den Grenzschichtzäunen 59, 591 nach dieser Ausführungsform beschrieben, wenn dieser als Kühlsystem für den Motor eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird (vgl. Fig. 22). Wenn der mit F i g. 22 dargestellte Axialventilator mit dem Laufrad 415 in Richtung des Pfeils 10 (vgl. Fig. 19 und 20) rotiert, dann werden mittels der Grenzschichtzäune 59 und 591 auf der Ansaugoberfläche ISD der Schaufel 18 die Luftströme 20/ erzeugt. Die Lufiströme 20/ werden stark beschleunigt und in zentrifugaler Richtung längs den vorstehenden Grenzschichtzäunen 59 und 591 geführt, welche um die oben erläuterten Neigungswinkel geneigt sind. Insbesondere diejenigen Luftströme, die von dem Grenzschichtzaun 591 in zentrifugaler Richtung beschleunigt werden; sammeln sich entlang der unteren Oberfläche 59C des Grenzschichtzauns 59 (d. h. der Oberfläche an der Seite des Drehmiltelpunkts des Laufrads), nachdem sie die Ansaugoberfläche 18D der Schaufel 18 überquert haben. Anschließend werden die Luftströme so abgelenkt, daß sie glatt und wirksam entlang der unteren Oberfläche 59Cdes Grenzschichtzauns 59 strömen und werden stark in zentrifugaler Richtung von einem Abschnitt der hinteren Kante 18S der Schaufel 18 beschleunigt. ]e größer die Strömungs-

geschwindigkeit und der Durchsatz der Luft in zentrifugaler Richtung sind, um so wirksamer können die in zentrifugaler Richtung beschleunigten Luftströme den obengenannten Zwischenraum S innerhalb des Motorraums eines Kraftfahrzeugs versperren, wodurch eine umgekehrte Strömung der Luft von der Ausstoßseite zu der Ansaugseite des Ventilators wirksam unterbunden wird. Ferner werden die Luftströme auch höchst wirksam in zentrifugaler Richtung abgegeben, solche der zentrifugalen L.uftslröme, welche von den Grenzschichlzäunen 394,395 und den Gren/schichtzäunen 59, 591 verursacht werden. Darüber hinaus wirken die Geschwindigkeiten G₄ und Ch senkrecht auf die Oberflächen der Grenzschichtzäune 394, 395 und 59, 591 ein.

Bei dem mit den F i g. 26 bis 28 dargestellten Laufrad 414 sind die Grenzschichtzäune 394, 395 auf der Oberfläche der Schaufel vertikal vorstehend ausgebil-

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die weniger Strömungswiderstand bietet, insbesondere 10 det, so daß die Geschwindigkeit G₄ auf die Oberfläche

■ - der Schaufel 18 fast parallel einwirkt (d.h. nicht in einer

Richtung, bei der die Luft gegen die Oberfläche der Schaufel gepreßt wird).

In diesem Fall und to lelativ kleinem Steigungswinkel ©der Schaufel 18 wird nur geringe oder keine Ablösung der Luftströme an dem Hinterkantenabschnitt 18ß auftreten. Wenn jedoch zur Steigerung der Luftströmung der Steigungswinkel (R) erhöht wird, dann wird an jenem Abschnitt der Schaufel leicht eine Ablösung der Luftströme auftreten. Deshalb (vgl. Fig. 27 und 28) sind in diesem Fall die F.inwirkungsbereiche der absoluten Geschwindigkeit G₄ lediglich die Spitzenbereiche der Grenzschichtzäune 394, 395 oder die Abschnitte der Grenzschichtzäune 394,395 die nahe Vorderkantenabschniticn 394Λ, 395.4 angeord-

in den Motorraum, wo sehr viele Zubehörteile des Motors vorgesehen sind, so daß der Luftstrom oder der Anteil der Luftströme, die durch den Kühler 9, den Kondenskühler 8 u.dgl. strömt, erhöht werden kann, was mit einer Verbesserung der Kühlleistung verbunden ist. Zusätzlich ventilieren die genannten, in zentrifugaler Richtung geförderten Luftströme den Motorraum 2, wodurch die dort herrschende Wärme abgeführt wird, so daß der Motorraum von der Einwirkung von Wärme bei hohen Temperaturen bewahrt wird. Darüber hinaus werden mit diesem Laufrad 415 zentrifugale Luftströme in demjenigen Bereich der Ansaugoberfläche 18 D der Schaufel erzeugt, der unterhalb des Grenzschichtzauns 591 liegt, d. h. auf der Seite des Drehmittelpunkts des Laufrads, und jene zentrifugalen Luftströme können wirkungsvoll entlang der unteren Oberfläche des Grenzschichtzauns 591 geführt werden, wodurch sich eine Arbeitsweise und eine Wirkung ähnlich derjenigen des Grenzschichtzauns 59 ergeben.

Wie oben ausgeführt, kann beim Laufrad 415 eine ₃₀ L_uf_tströmen reduziert wird, unahme der Luftströmung durch eine Erhöhung der

net sind. Dadurch wird der Wirkungsberek- .fcr absoluten Geschwindigkeit G* außerordentlich klein, oder die absolute Geschwindigkeit G* wird selbst vermindert, so daß der Anteil an zentrifugalen

Zunahme der Luftströmung durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden, wobei ein Anteil der zentrifugalen Lufütröinc von dem Hinterkantenabschnitt ISß der Schaufel 18 abgegeben wird. Damit die erzeugten zentrifugalen Luftströme auch wirkungsvoll strömen können, sind die Grenzschichizäune 59 und 591 bei dieser Ausführungsform in der Weise geneigt, daß die entlang den Grenzschichtzäunen 59 und 591 strömenden Luftströme an einem abrupten Wechsel in der Strömungsrichtung der Luftströmung gehindert und davor bewahrt werden, auf dem Grenzschichtzaun aufzuprallen, so daß diese Luftströme glatt strömen können und die Strömungsgeschwindigkeit und der Anteil der zentrifugalen Luftströme erhöht werden kann. Dadurch wird der Anteil an Kühlluft erhöht und die Kühlleistung kann verbessert werden.

Nachfolgend wird in bezug auf ihre jeweiligen Arbeitsweisen und Wirkungen ein Vergleich zwischen dem Laufrad 414 nach der fünften Ausführungsform mit dem Laufrad 415 der letztbeschriebenen Ausführungs form durchgeführt.

Wenn die Laufräder in Richtung des Pfeüs SO in Rotation versetzt werden, dann werden an den entsprechenden Oberflächen der Grenzschichrzäune 394.395 und der Grenzschichtzäune 59,591, wie mit den Fig.26 und 19 dargestellt, Luftströme erzeugt, deren Strömungsgeschwindigkeitsverteilung ein sogenanntes Geschwindigkeitsdreieck bildet. Betrachtet man die Geschwindigkeitsdreiecke an den Hinterkantenabschnhten 18£der Schaufel der Laufräder4!4 und 415, so werden dort infolge der Rotation der Schaufeln die Umfangs-Geschwindigkeiten Vl und V und an den oberen (oder radial äußeren) Oberflächen der Grenzschichtzäune 394 und 395 und der Grenzschichtzäune 59, 591 die relativen Geschwindigkeiten W\ und W beobachtet, so daß dort die resultierenden absoluten Geschwindigkeiten G₄ und Gb erhalten werden. In dieser Beziehung sind die absoluten Geschwindigkeiten Auch wenn die Einsteüwinkel θι und Θ2 der Grenzschichtzäune 394,395 relativ klein sind, ergibt sich dort lediglich i-ine kleine oder keine Ablösung der Luftströme an den Hinterkantenabschnitlen 394ß. 3S5ß (insbesondere entlang deren unteren Oberflächen), während dann, wenn die Einstcllwinkel θι und Θ2 zur Erhöhung der Luftströmung vergrößert werden, dort in beträchtlichem Ausmaß eine Ablösung der Luftströme auftritt, und somit können nicht viele zentrifugale Luftströme erwartet werden. Wenn die Grenzschichtzäune relativ kleine Einstellwinkel θι, θ₂ aufweisen, trifft die auf die vertikale Oberfläche des Grenzschichtzauiis 395 unter einem rechten Winkel einwirkende absolute Geschwindigkeit G₄ auf den dort benachbarten Grenzschichtzaun 394 auf (vgl. Fig.27), so daß eine Ablenkung der Richtung der absoluten Geschwindigkeit erzwungen wird, was wiederum aerodynamische Verluste und einen hohen Geräuschpegel verursacht, als Folge des Aufprallens der Luft und des Luftv. irbelgeräusches. Dementsprechend können mit dem Laufrad 414 im Vergleich mit dem Laufrad 415 keine bemerkenswerten Verbesserungen erwartet werden.

Beim Laufrad 415 der F i g. 19 sind die Grenzschichtzäune 59,591 um einen vorgegebenen Winkel relativ zu der Oberfläche der Schaufel 18 geneigt, trotzdem weisen die Luftströme ein ähnliches Geschwindigkeitsdreieck auf wie beim Laufrad 414. Da jedoch die absolute Geschwindigkeit G₃ auf die geneigten Oberflächen der Grenzschichtzäune 59,591 senkrecht einwirkt, wie mit Fig. 19 dargestellt, werden die Luftströme in einer Richtung angetrieben, die nicht parallel, sondern geneigt zu der Oberfläche der Schaufel 18 verläuft. Die absolute Geschwindigkeit G₃ kann in eine senkrecht zur Oberfläche der Schaufel 18 verlaufende Geschwindigkeitskomponente J und eine dazu parallel verlaufende Geschwindigkeitskomponente H aufgeteilt werden (Fig.21). Die senkrechte Geschwindigkeitskomponente J wirkt in der Richtung von den Oberkanten der

Gren/.schichtzäune 59, 591 auf die Oberfläche der Schaufel 18 zu, d. h. in der entgegengesetzten Richtung zu jener Richtung, in der die Luftströme von der Oberfläche der Schaufel 18 abgelöst werden. Dementsprechend trägt die senkrechte Geschwindigkeitskomponente /stark dazu bei, die Ablösung der Luftströme in den Hinterabschnitten 59B, 591B der Grenzschichtzäune 59,591 zu verhindern. Andererseits kann die parallele Geschwindigkeitskomponente H als übereinstimmend mit der absoluten Geschwindigkeitskomponente G* beliri Axialventilator nach Fig.27 angesehen werden, so daß die parallele Geschwindigkeitskomponente H zentrifugale Luftströme liefert. Das Laufrad 415 nach dieser Ausführungsform verursacht nur eine geringfügige oder gar keine Ablösung der Luftströme von den h'inierkanienabschmtten 535, 5313 der Grenzschichtzaune 59, 591, so daß sich dort recht große zentrifugale Luftslröme ergeben, woraus höchst günstige Vorteile für solch einen Ventilator resultieren, da dort ein großer Druckwiderstand zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Ventilators herrscht, etwa wie bei einem Kühlerventilator in einem Kraftfahrzeug. Sogar wenn die parallele Geschwindigkeitskomponente H des G.-chischichtzauns 591 auf den dazu benachbarten Grenzschichtzaun 59 trifft, wie mit Fig.21 dargestellt, können die Luftströme glatt entlang der radial inneren (unteren) Oberfläche 59C des Grenzschichtzauns 59 geführt werden, da der Grenzschichtzaun 59 um den vorgegebenen Neigungswinkel geneigt ist Aus diesen Gründen ist bei dem Laufrad 415 nach dieser Ausführungsform der Geräuschpegel, der durch das Luftwirbelgeräusch bei der Ablösung von Luft und durch Schwingungen und das Aufprallen der Luftslröme verursacht wird, wirksam reduziert.

Versuchsergebnisse

Das Laufrad 415 nach dieser Ausführung.sform wurde in einem Kühlsystem für einen Motor eingesetzt und unter den gleichen Bedingungen (gleicher Laufradaußendurchmesser und gleiche Schaufelanzahl) mit einem bekannten Axialventilator verglichen, der keine Grenzschichtzäune aufwies. Der Außendurchmesser des Laufrads betrug 360 mm und die Anzahl der Schaufeln 6. An jeder Schaufel waren zwei Hilfsflügel bzw. Grenzschichtzäune angebracht. Für den äußeren Grenzschichtzaun 59 betrug der Einstellwinkel Θι 12°, der Auslaöwinkel ß_t 25" und die Winkel γ_{ 0° und γ₂ 25°; entsprechend betrugen für den inneren Grenzschichtzaun der Einstellwinkel Θ2 23°, der Auslaßwinkel β ι 50° und die Winkel yi 0" und j>2 25°. in Rotationsrichtung der Schaufel gesehen betrug der Abstand zwischen den Vorderkantenabschnitien der Grenzschichizäune 48 mm und der Abstand der Hinterkanienabschnitte 30 mm.

Mit den Fig.29 und 30 sind charakteristische Kurvenzüge für die beiden Laufräder dargestellt. Das Laufrad 415 nach dieser Ausführungsform ist dem bekannten Axialventilator bzw. Laufrad darin überlegen, daß die Luftströmung um 35 bis 40% vergrößert,! der Wirkungsgrad um 15 bis 25% erhöhl, der Geräuschpegel um 1 dB(A) vermindert und die Rückströmung merklich reduziert ist.

Nach der siebten Ausführungsform (vgl. F i g. 31) sind geneigte Grenzschichtzäune 59, 591 auf der Ansaugoberfläche (wie bei der sechsten Ausführungsform) und geneigte Grenzschichtzäune 69, 691 an der Druckoberfläche der Schaufel des Laufrads 417 vorgesehen, um die Biaswirkunsen und Antriebswirkungen des Ventilators in zentrifugaler Richtung zu verstärken, so daß der Axialventilator zusätzlich zu der Blaswirkung der Schaufel in axialer Richtung den Vorteil einer Blaswirkung in zentrifugaler Richtung aufweist.

Nach der achten Ausführungsform (vgl. F i g. 32) sind zwei Grenzschichtzäune 59, 591 mit ungleichem Abstand und radial nach außen geneigt auf der Ansaugoberflächc 18£> der Schaufel des Laufrads 421 angebracht, und drei Grenzschichtzäune 29 sind senkrecht auf der Druckoberfläehe 18Cdes Laufrads bei jeweils gleichem Abstand zwischen den Grenzschicht-Zäunen vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform resultieren aus den geneigten Grenzschichtzäunen 59, 591 mit ungleichem Abstand ähnliche Vorteile wie bei der sechsten Ausführungsform, wobei zusätzlich durch die senkrechten Grenzschichizäune 29 mit jeweils gleichem Abstand die Blaswirkung in zentrifugaler Richtung auf der Druckoberfläehe der Schaufel verstärkt werden kann, so daß eine kombinierte Wirkung der oben erläuterten Blaswirkung und der von der Schaufel 18 hervorgerufenen axialen Blaswirkung den Wirkungsgrad des Laufrads noch weiter verbessert; die Riickströmung durch den Zwischenraum zwischen der Schaufel und der Umkleidung kann unterbunden werden; der Wirkungsgrad und die Luftströmung des Ventilators können verbessert werden; und die Ausbildung von Wirbelstömungen auf und eine Ablösung der Lufislröine von entsprechenden Oberflächen der Grenzschichizäune 59,591,29 und der Schaufel 18 kann verhindert werden; im Ergebnis resultiert daraus eine wirksame Ausnutzung der entsprechenden Oberflächen 18ß und 18C der Schaufel und eine Absenkung des Geräuschpegels.

Nach der neunten Ausführungsform (Fig.33) sind senkrecht vorstehende Grenzschichtzäune 39, 391 auf der Ansaiigoberfläche 18Cder Schaufel 18 des Laufrads 423 mit einem ungleichen Abstand vorgesehen, während drei geneigte Grenzschichtzäune 293 an der Druckoberfläehe 18Cder Schaufel 18 mit jeweils gleichern Abstand angebracht sind.

Nach der zehnten Ausführungsformi (vgl. Fig.34) sind drei geneigte Grenzschichtzäune 193 an der Ansaugoberfläche 18Dder Schaufel 18 des Laufrads 424 mit jeweils gleichem Abstand und senkrecht vorstehende Grenzschichtzäune 49, 491 auf der Druckoberfläehe 18C der Schaufel mit einem ungleichen Abstand vorgesehen, so daß die mit F i g. 34 dargestellte Ausführungsform ähnliche Vorteile wie jene mit F i g. 33 dargestellte Ausführungsform aufweist.

Bei der erläuterten sechsten bis zehnten Ausführungsform kann die Querschnittsform der Grenzschichtzäune eine Kombination aus cmCr vjcräCicn UHU cillcf Kurve sein (vgl. Fig.35 A, B), die Grenzschichtzäune können gekrümmt (vgl. F i g. 35 C, D) oder abgeknickt sein (vgl. F i g. 35 E, F), sofern sie hervorstehend auf der Oberfläche der Schaufel im wesentlichen in der Breitenrichtung derselben vorgesehen sind, und in einem Winkelbereich geneigt sind, der von der parallelen, radial nach außen gerichteten Richtung bis zu der Richtung senkrecht zur Oberfläche der Schaufel reicht

Bei der sechsten bis zehnten Ausführungsform weist die Schaufel einen großen Steigungswinkel auf, um eine große Luftströmung zu erzeugen. Die auf der Oberfläche der Schaufel vorgesehenen Hilfsflügel bzw. Grenzschichtzäune sind um einen vorgegebenen Winkel radial nach außen geneigt, und die an der Hinterkante der Oberfläche der Schaufel auftretende Ablösung und Turbulenz der Luftströme sind wirksam

beseitigt durch die radiale Strömung, welche eine gegen die Oberfläche der Srhaufel drückende Geschwindigkeitskomponente aufweist; deshalb kann eine anteilsmäßig größere Luftströmung erzeugt werden und der Elaswirkungsgrad ist erhöht. Darüber hinaus sind das Ventilatorgeräusch und die Rückslrömung besonders wirksam vermindert

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Laufrad für einen Axialventilator, insbesondere zur Kühlung des Motors eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens zwei Schaufeln, an deren Oberfläche Grenzschichtzäune vorgesehen sind, deren Abstand voneinander an den Vorderkanten größer als an den Hinterkanten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten (A) der Grenzschichtzäune (193; 394, 395; 49, 491; 492, 493; 59, 591; 61, 691) bezogen auf die Drehrichtung der Schaufel (18; 410; 411; 412; 413; 414; 415; 417; 421; 423; 424) einen kleineren Abstand zur Laufradachse (0) aufweisen als die Hinterkanten (B)der Grenzschichtzäune, und daß der Auslaßwinkel (/}) an den Hinterkanten der Grenzschichtzäune gegenüber der Umfangsrichtung 15° bis 60° beträgt und größer ist als der Einlaßwinkel (α) an den Vorderkanten der Grenzschichtzäune.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtzäune (59,591) gegenüber der Senkrechten (V) auf der Oberfläche (18C, 18Z?; der Schaufel (18) um einen vorgegebenen Winkel (y) radial nach außen geneigt sind (F i g. 24).

3. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die äußeren Grenzschichtzäune jeweils entlang einer Linie mit zur Laufradachse (0) hin gerichteter Auswölbung angeordnet sind, die aus wenigstens zwei miteinander verbundenen oder getrennten geraden oder gebogenen Linienabschnitten unterschiedlicher Neigung (F i g. 18 A bis 1 8C) besteht.

4. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (γ) des Grenzschichtzauns (59) gegenüber der Senkrechten (V) auf der Oberfläche (lee; der Schaufel (18) allmählich von der Vorderkante (18/4, γι) bis zur Hinterkante (185, y₂) zunimmt (F ig. 24-25).