Radiallüfterrad

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Radiallüfterrad mit gegen die Laufrichtung (8) geneigten Schaufeln (2) (rückwärts geneigtes Radiallaufrad), bei denen die äußeren Randbereiche (14, 7) der Deck- und Bodenscheibe (3, 4) über den Schaufelaustrittsdurchmesser (DAs) hinausstehen. Der so zwischen Boden- und Deckscheibe (1, 3) und Schaufelaustritts- und Außendurchmesser (DAs, DN) des Lüfterrades festgelegte Diffusionsraum erlaubt eine effektive Umwandlung der kinetischen Energie des Fluids in ein Druckpotential (Umwandlung des kinetischen Druckes in statischen Druck). Das Querschnittsprofil des Diffusionsraumes ist dabei rechteckig oder trapezförmig radial nach außen aufgeweitet ausgebildet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Radiallüfterrad mit rückwärts geneigten Leitschaufeln. Solche Radiallüfterräder oder Radiallaufräder werden z.B. in der Klima- und Belüftungstechnik eingesetzt.

[0002] Auch vorwärts geneigte Laufräder mit 30 - 40 Leitschaufeln, die von innen nach außen in Laufrichtung verlaufen, werden in der Belüftungstechnik mit Durchmessern von 160 bis 400 mm in Verbindung mit strömungsbildenden Spiralgehäusen eingesetzt. Ihr statischer Wirkungsgrad liegt bei etwa 30 bis 35%. Ein solches Laufrad ist aus der JP 06299993 bekannt. Eine Ausführung als Radialventilator mit konvergierendem Austrittsring zeigt die US 1,447,915, bei der die zentrifugal beschleunigte Luft durch die radial nach außen konvergierende Austrittsdüse zusätzlich beschleunigt wird.

[0003] Für größere Volumenströme werden überwiegend rückwärts geneigte Laufräder verwendet, bei denen die Leitschaufeln nach außen gegen die Laufrichtung geneigt sind. Die gängigen Durchmesser bewegen sich zwischen 200 und 1500 mm, für Sonderanwendungen sind Durchmesser über 2500 mm bekannt. Der statische Wirkungsgrad solcher Laufräder liegt im Bereich von 70 bis 74%. Sie werden mit und - freilaufend - ohne Spiralgehäuse eingesetzt z.B. in sog. Klimakästen. Dabei tritt die axial von außen durch die Eintrittsöffnung angesaugte Luft radial zwischen den Schaufeln nach außen. Zur Reduzierung unerwünschter Lärmemissionen, die beim Betrieb von Lüfterrädern entstehen, sind entweder schalldämmende (schallabsorbierende) Maßnahmen erforderlich oder konstruktive Maßnahmen am Laufrad selbst, die die austretende Luftströmung lärmmindernd beeinflussen.

[0004] EP 0 848 788 zeigt ein Laufrad, bei dem die Außenränder der Schaufeln einen schrägen, zur Drehachse geneigten Rand aufweisen und die peripheren Endabschnitte der Endplatten gekrümmt sind, um den Schalldruck in einem Frequenzbereich von 50 bis 300 Hz zu senken.

[0005] Beim Austritt der Luftströmung aus dem Laufrad entstehen durch die abrupte Erweiterung des Strömungsquerschnitts Effekte, die den Wirkungsgrad bei der Umsetzung der im Strömungsmedium enthaltenen kinetischen Energie in die gewünschte statische Druckerhöhung verschlechtern. Um diesen Wirkungsgrad zu verbessern, werden feststehende Diffusorringe mit einem Leitschaufelgitter, wie sie beispielsweise aus EP 1 039 142 bekannt sind, im Anschluß an das Lüfterrad angeordnet. Solche Diffusorringe sind jedoch konstruktiv aufwendig, platzraubend und teuer.

[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Lüfterrad zu schaffen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise eliminiert.

[0007] Diese Aufgabe wird von einem Lüfterrad gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird zwischen äußeren Randbereichen der Deck- und Bodenscheibe, die über den Schaufelaustrittsdurchmesser hinausstehen, ein ringförmiger Diffusionsraum gebildet, in dem die austretende Fluidströmung beruhigt wird und kinetischen Energie verlustarm in statischen Druck umgewandelt wird. Das Querschnittsprofil dieses "Diffusionsrings" kann dabei konstruktiv und fertigungstechnisch in besonders einfacher Weise rechteckig ausgebildet werden, indem die Außendurchmesser der Deck- und Bodenscheiben entsprechend gegenüber dem Schaufelaustrittsdurchmesser erhöht werden. Es kann alternativ trapezförmig nach außen aufgeweitet sein, wobei durch die zusätzliche Querschnittserweiterung der Diffusionseffekt verstärkt wird und damit der Wirkungsgrad erhöht werden kann, und der Durchmesser des Rads verringert.

[0008] Die Weiterbildungen nach Anspruch 2 betreffen die Durchmesserbereiche, in denen der Effekt am stärksten auftritt. Die Ausgestaltungen nach Anspruch 3 und 4 geben Öffnungswinkel an, bei denen die gewünschte Luftführung eintritt (Anspruch 3) und eine besonders effektive Diffusionswirkung erreicht wird (Anspruch 4). Die Ansprüche 5 und 6 betreffen Weiterbildungen, bei denen das Lüfterrad im Bereich des Lufteintritts vorteilhaft gestaltet ist.

[0009] Die Nabenanordnung nach Anspruch 7 erlaubt den einfachen Anschluß eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrads in einer Lüftereinheit nach Anspruch 8. Anspruch 9 betrifft eine Radiallüfteranordnung, bei der das Laufrad weitgehend frei von zusätzlichen strömungsleitenden Elementen eingesetzt wird und insbesondere der Luftaustrittsbereich von solchen Elementen freigehalten wird. Die Ansprüche 10 und 11 betreffen typische Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Radiallüfterrades. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen im folgenden näher erläutert, in denen

Fig. 1

eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Lüfterrades zeigt,

Fig. 2

einen Längsschnitt des in Fig. 1 gezeigten Lüfterrades entlang der Drehachse darstellt,

Fig. 3

eine Ansicht des Lüfterrades in Richtung der Drehachse auf die Bodenscheibe ist,

Fig. 4

eine Gestaltungsvariante des Rand-bereichs eines erfindungsgemäßen Lüfterrades angibt,

Fig. 5

eine alternative Gestaltungsvariante des Randbereiches zeigt, und

Fig. 6

eine Lüfteranordnung für den Einbau in einen Klimakasten zeigt.

[0010] Das in Fig. 1 gezeigte Lüfterrad besteht aus einer flachen Bodenscheibe 1, einem aus mehreren Leitschaufeln 2 bestehenden Schaufelkranz und einer Deckscheibe 3. Bodenund Deckscheibe 1, 3 sind konzentrisch in einem Abstand B zueinander bezüglich der Drehachse 4 angeordnet und sind über den Schaufelkranz miteinander verbunden. Die Deckscheibe 3 weist eine Eintrittsöffnung 5 mit dem Durchmesser DE auf, durch die im Betrieb ein Strömungsmedium angesaugt wird.

[0011] Dabei verläuft die Deckscheibe 3 von einem die Eintrittsöffnung 5 begrenzenden stirnseitigen Rand 6 ausgehend trompetenförmig nach innen aufgeweitet und radial in einen äußeren Randbereich 7. Die Bodenscheibe 1 ist als Kreisscheibe ausgebildet und trägt eine zentral angeordnete Nabenanordnung 9 mit einer Öffnung 10, die mit einer Antriebseinheit verbunden werden kann, um das Lüfterrad anzutreiben (Fig. 6). In einer nicht-dargestellten Ausführung können Bodenscheibe und Antriebsflansch auch einstückig ausgebildet sein.

[0012] Boden- und Deckscheibe sind radial durch ihre Außenkanten 8 begrenzt und sind über den Schaufelkranz in einem Abstand B miteinander verbunden (Antrieb mit Außenläufermotor).

[0013] Der Schaufelkranz besteht aus sieben Leitschaufeln 2, die gleichmäßig sternförmig bezüglich der Drehachse 4 angeordnet sind. Dabei definieren die zur Drehachse 4 weisenden Innenkanten 11 einen Durchmesser DSi und die Außenkanten 12 einen Schaufelaußendurchmesser DSa. Das eigentliche Leitschaufelblatt verläuft von der Innenkante 11 ausgehend radial und gegen die Laufrichtung R geneigt nach außen, wo es an der Leitschaufelaußenkante 12 endet (Fig. 3). Zusätzlich sind die in Achsrichtung verlaufenden Leitschaufeln bezüglich der Drehachse 4 gekrümmt, wobei die konvexen Seiten nach außen weisen. Ein solches Lüfterrad wird auch als rückwärts gekrümmtes Laufrad bezeichnet, sie werden in alternativen (nicht dargestellter) Ausführungen üblicherweise mit 6 - 14 Schaufeln versehen, dabei können die Leitschaufeln 2 auch eben gestaltet sein. Ihre Seitenränder sind in geeigneter Weise mit der Boden- bzw. der Deckscheibe 1, 3 verbunden, wobei die Konturen der Seitenränder in ihrem Anschlußbereich jeweils der Wölbung der Boden- 1 bzw. der Deckscheibe 3 folgen. Außen- und Innenkante 12, 11, verlaufen im wesentlichen parallel zur Drehachse 4, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Innenkante 11 im Anschlußbereich an die Deckscheibe aus fertigungs- und strömungstechnischen Gründen gekrümmt verläuft.

[0014] Boden- und Deckscheibe 1, 3 weisen einen Außendurchmesser DN auf, der über dem Schaufelaußendurchmesser DSa liegt, so daß auch zwischen der Außenkante 8 der Bodenscheibe 1 und dem Leitschaufelaußendurchmesser DSa ein äußerer Randbereich 14 definiert ist. Der Abstand zwischen Deckund Bodenscheibe 3, 1 oder die Schaufelbreite B beträgt maximal:

[0015] Im Betrieb wird das Lüfterrad in die Antriebsrichtung R (Fig. 3) bewegt, und die Leitschaufeln fördern das im Innern des Lüfterrades befindliche Strömungsfluid nach außen, wo es am Schaufelradaußendurchmesser DSa im wesentlichen radial austritt. Durch den verursachten Unterdruck im Laufradinnern wird Fluid von außen durch die Eintrittsöffnung 5 angesaugt. Die Strömungsrichtung verläuft also koaxial durch die Eintrittsöffnung 5 in das Innere des Laufrades und wird radial nach außen geführt, wobei sich der Strömungsquerschnitt dabei ständig erweitert. Dabei verläßt die Strömung zunächst am Durchmesser DSa die Schaufelzwischenräume 15 in einen Diffusionsraum 16, der ringförmig zwischen den Außenkanten 12 der Leitschaufeln 2, den äußeren Randbereichen 7, 14 der Deck- bzw. der Bodenscheibe 3, 1, und dem Außendurchmesser DN der entsprechenden Außenkanten 8 definiert ist. Die Gestaltung dieses Bereiches beeinflußt den Wirkungsgrad und die Geräuschentwicklung des Lüfterrades. Dadurch, daß die Radialströmung nach ihrem Austritt aus den Schaufelzwischenräumen 15 axial beiderseits durch die äußeren Randbereiche 7, 14 gehalten wird, bevor sie das Lüfterrad verläßt, wird der sog. Carnot-Diffusoreffekt vermieden, der bei unmittelbarer Freigabe der Strömung in Axialrichtung auftreten würde. Durch die erfindungsgemäße Führung der Strömung findet eine kontrollierte Diffusion in dem Diffusionsraum statt, d.h., die dem Fluid in den Schaufelzwischenräumen 15 zugeführte kinetische Energie wird mit geringen Verlusten in ein Druckpotential umgewandelt. Das heißt, strömungsmechanisch ausgedrückt: Der kinetische Druck wird in statischen Druck umgewandelt. Durch Vermeiden der Carnot-Diffusion steigt der Wirkungsgrad, und die Verringerung von Turbulenzen an den Austrittskanten 8 und 12 senkt die Geräuschemission.

[0016] Die Ausgestaltungen nach Fig. 4 und 5 definieren einen Diffusionsraum 16, dessen Querschnitt im Gegensatz zur in Fig. 2 dargestellten Rechteckform trapezförmig nach außen aufgeweitet ist. Nach Fig. 4 ist der äußere Randbereich 7 der Deckscheibe 3 nach außen um einen Winkel α geöffnet, der in einem Bereich zwischen 0 und 35° liegt. Diese zusätzliche Aufweitung verstärkt den Diffusionseffekt und erlaubt es, die äußeren Randbereiche 7, 14 schmaler zu gestalten, so daß der Außendurchmesser DN beispielsweise nur 20% oder weniger über dem Schaufelaußendurchmesser DSa liegen muß, er sollte jedoch mindestens 8% darüber liegen.

[0017] Fig. 5 zeigt eine entsprechende Aufweitung beider äußerer Randbereiche 7, 14 der Boden- und Deckscheibe 1, 3. Die Randaufweitung kann auch nur an der Bodenscheibe 1 ausgeführt werden (nicht dargestellt).

[0018] Fig. 6 zeigt eine Kompletteinheit, die neben dem oben beschriebenen Lüfterrad zusätzlich eine Ansaugplatte 17 mit integrierter Einlaufdüse 18 aufweist, die über Halterungen 19 und Träger 20 mit einer Motorhaltung 21 verbunden ist, die wiederum einen Motor 22 trägt, dessen Antriebswelle 23 mit der Nabenanordnung 9 des Lüfterrades gekoppelt ist. Solche Kompletteinheiten werden ü. A. in sog. Klimakästen (nicht dargestellt) eingesetzt, bei denen über die Lüftereinheit im Innern ein Druck aufgebaut wird, der in einem oder mehreren abgehenden Kanälen Volumenströme erzeugt. Da solche Klimakästen in der Regel nicht strömungsdynamisch gestaltet sind, ist die angegebene Diffusionswirkung hier besonders effektiv, da auf zusätzliche strömungsleitende oder schalldämmende Maßnahmen weitgehend verzichtet werden kann. Insbesondere fehlen radial an den Diffusionsraum 16 angrenzende Leitelemente, wie feststehend Diffusionsringe. Zusätzlich ist dabei auch die nach außen weisende Stirnseite eines oder beider äußeren Randbereiche. 7, 14 frei von Leitelementen.

[0019] Das besprochene Lüfterrad kann jedoch auch in Verbindung mit Spiralgehäusen eingesetzt werden, da auch hier die Wirkungsgradsteigerung nutzbar ist.

[0020] Bei einem Lüfterrad mit folgenden Abmessungen wurde in einer freilaufenden Anordnung eine Wirkungsgradsteigerung von 5 %-Punkten erzielt:

Außendurchmesser DN	457 mm
Schaufelaußendurchmesser DSa	406,4 mm
Schaufelinnendurchmesser DSi	252,4 mm
Schaufelbreite am Austritt B	110,5 mm
Eintrittsöffnungsdurchmesser DE	257,4 mm

[0021] Die Abmessungen für weitere Ausführungsbeispiele von Lüfterrädern liegen in folgendem Bereich:

Außendurchmesser DN	200 - 1800 mm
Schaufelaußendurchmesser DSa	160 - 1400 mm
Schaufelinnendurchmesser DSi	100 - 650 mm
Schaufelbreite am Austritt B	40 - 280 mm
Eintrittsöffnungsdurchmesser DE	98 - 660 mm

Ansprüche

1. Radiallüfterrad mit
   einer eine Eintrittsöffnung (5) aufweisenden Deckscheibe (3) und einer Bodenscheibe (1), die über einen Schaufelkranz miteinander verbunden sind, der von innen nach außen gegen die Laufrichtung geneigt verlaufende und in Achsrichtung ausgerichtete Leitschaufeln (2) aufweist, deren parallel zur Drehachse (4) verlaufende Außenkanten (8) einen Schaufelaustrittsdurchmesser (DAs) definieren,
   wobei an Deck- und Bodenscheibe (3, 1) über den Schaufelaustrittsdurchmesser hinausstehende äußere Randbereiche (7, 14) ausgebildet sind, die einen ringförmigen Diffusionsraum (16) mit einem Außendurchmesser (DN) definieren, der den Schaufelaustrittsdurchmesser (DAs) um bis zu 25% übertrift, und dessen Querschnittsprofil rechteckig oder trapezförmig nach außen aufgeweitet ausgebildet ist.

2. Radiallüfterrad nach Anspruch 1, bei welchem der Außendurchmesser (DN) des Diffusionsraumes (16) den Schaufelaustrittsdurchmesser (DAs) um 8% bis 20%, vorzugsweise 10 bis 15% und noch bevorzugter um 12% übertrifft.

3. Radiallüfterrad nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der der äußere Randbereich (7, 12) und eine zur Drehachse normalen Ebene einen Winkel α bilden, der kleiner als 35°, vorzugsweise kleiner 25° ist.

4. Radiallüfterrad nach Anspruch 3, bei welchem der Winkel α 12° beträgt.

5. Radiallüfterrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Eintrittsöffnung (5) der Deckscheibe nach innen trompetenförmig aufgeweitet ist.

6. Radiallüfterrad nach Anspruch 6, bei welchem die Innenkanten (10) der Leitschaufeln (2) im Anschlußbereich an die Deckscheibe (3) eine konvexe Krümmung aufweisen.

7. Radiallüfterrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Bodenscheibe (1) mit einer Nabenanordnung (9) versehen ist.

8. Lüftereinheit mit einer Ansaugplatte (7) mit integrierter Einlaufdüse (18), die über eine Halterung (19) mittels Trägern (20) mit einer einen Antrieb (22) tragenden Halterung (21) verbunden ist, wobei ein Lüfterrad nach Anspruch 8 auf einer Antriebswelle (23), zwischen Antrieb (22) und der Einlaufdüse (18) angeordnet ist.

9. Radiallüfteranordnung, die folgendes aufweist:

ein Radiallüfterrad mit einer eine Eintrittsöffnung aufweisenden Deckscheibe und einer Bodenscheibe, die über einen Schaufelkranz miteinander verbunden sind, der von innen nach außen gegen die Laufrichtung gekrümmt verlaufende und in Achsrichtung ausgerichtete Schaufeln aufweist, deren parallel zur Drehachse verlaufende Außenkanten einen Schaufelaustrittsdurchmesser (DAs) definieren,

   wobei an Deck- und Bodenscheibe über den Schaufelaustrittsdurchmesser hinausstehende äußere Randbereiche ausgebildet sind, die einen ringförmigen Diffusionsraum mit einem Außendurchmesser (DN) definieren, der den Schaufelaustrittsdurchmesser (DAs) um bis zu 25% übertrift, und dessen Querschnittsprofil rechteckig oder trapezförmig nach außen aufgeweitet ausgebildet ist; und eine Zone, die radial an den Diffusionsraum und stirnseitig an mindestens einen äußeren Randbereich angrenzt, und keine das Druck- und/oder Geschwindigkeitsprofil eines diese Zone durchströmenden Fluids im wesentlichen beeinflussenden Leitelemente aufweist.

10. Verwendung einer Lüftereinheit nach Anspruch 8 in einer Lüfteranordnung, insbesondere in einem Klimakasten.

11. Verwendung eines Radiallüfterrads nach einem der Ansprüche 1-8 als freilaufendes Radiallüfterrad.

Zeichnung