[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Ventilatorrad
in einer Ausführung als Radial- oder Diagonalventilator, bestehend aus einer Deckscheibe
mit einer Einlassöffnung, einer Bodenscheibe und mehreren über den Umfang der Einlassöffnung
und um eine Rotationsachse herum verteilt angeordneten Ventilatorschaufeln, wobei
die Deckscheibe und/oder die Bodenscheibe eine nicht-rotatationssymmetrische Geometrie
aufweisen/aufweist.
[0002] In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff "nicht-rotationssymmetrisch", dass zwei
beliebige unterschiedliche Radialschnitte der Bodenscheibe und/oder der Deckscheibe
in zwei Ebenen, die die Rotationsachse enthalten und in Umfangsrichtung einen bestimmten
Differenzwinkel einschließen, bei verschiedenen Umfangswinkeln nicht deckungsgleich
sind, sondern voneinander abweichen. Eine Abweichung könnte dabei grundsätzlich in
Richtung der Rotationsachse (axial) und/oder in radialer Richtung (radial) vorhanden
sein. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass im Falle einer Nicht-Rotationssymmetrie
eine Drehung des Körpers um bestimmte Winkel um die Rotationsachse das Objekt bzw.
dessen Schnittfläche nicht auf sich selbst abbildet.
[0003] Ein solches Ventilatorrad der eingangs beschriebenen, gattungsgemäßen Art ist in
unterschiedlichen Ausführungen in der Veröffentlichung
JP 2001-263 294 beschrieben. Dabei soll die Deckscheibe oder die Bodenscheibe oder jede der beiden
Scheiben eine in Umfangsrichtung schräg-gestufte Kontur aufweisen. Durch diese in
Rotationsrichtung schräge Stufenform sollen eine Ablöseneigung der Strömung reduziert
und dadurch das Geräusch und der Wirkungsgrad positiv beeinflusst werden. Die Stufenform
führt dazu, dass jede Ventilatorschaufel auf ihrer Saugseite und ihrer Druckseite
unterschiedliche (axial gemessene) Austrittsbreiten aufweist, und zwar kann - je nach
Ausführungsform - die Austrittsbreite auf der Saugseite kleiner oder größer als die
Austrittsbreite auf der Druckseite sein.
[0004] Die
EP 1 933 039 A1 beschreibt einen Radialventilator mit Rippen, Aussparungen bzw. Einschnitten auf
der Außenseite der Deckscheibe. Diese Ausgestaltung soll durch eine bestimmte Strömungsführung
zu einer Geräuschminderung führen.
[0005] Die weitere Veröffentlichung
EP 1 032 766 B1 beschreibt ein Lüfterrad insbesondere für einen Turbolader. Bei diesem Lüfterrad
werden Schaufeln durch Prägungen an mindestens einer der beiden Scheiben (Boden- und/oder
Deckscheibe) gebildet. Durch diese Prägungen entsteht ebenfalls eine nicht-rotationssymmetrische
Geometrie. Allerdings beschäftigt sich diese Veröffentlichung nicht mit einer Beeinflussung
der Strömung, sondern hat hauptsächlich fertigungstechnische und stabilitätsfördernde
Aspekte zum Inhalt.
[0006] In zahlreichen weiteren Veröffentlichungen sind rotationssymmetrische Ventilatorräder
beschrieben. Nur rein beispielhaft seien hier die Veröffentlichungen
DE 29 40 773 C2,
DE 199 18 085 A1,
EP 1 574 716 B1 und
DE 203 03 443 U1 genannt. Solche Ventilatoren mit rotationssymmetrisch ausgeführten Boden- und/oder
Deckscheiben weisen sowohl in Richtung der Rotationsachse als auch in umfänglicher
Richtung zum Teil stark ungleichförmige Geschwindigkeits- und Druckverteilungen, d.
h. lokal überhöhte Geschwindigkeits-/Dnackbereiche auf. Dies kann zu Strömungsablösungen
und sogar Rückströmungen führen, die wiederum aerodynamische Verluste, Wirkungsgradeinbußen
und auch eine Erhöhung der Geräuschemission bewirken.
[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Ventilatorrad der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, mit dem bei guter mechanischer Stabilität eine verbesserte
Beeinflussung der Strömung zur Optimierung hinsichtlich Luftleistung, Wirkungsgrad
sowie Geräuschverhalten erreicht wird.
[0008] Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder durch die Merkmale
des Anspruchs 2 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils
abhängigen Ansprüchen und der sich unten anschließenden Beschreibung enthalten.
[0009] Ein erster Erfindungsaspekt liegt gemäß dem Anspruch 1 darin, dass die jeweils nicht-rotationssymmetrische
Deckscheibe bzw. Bodenscheibe zusätzlich in axialer bzw. achsparalleler Richtung gesehen
einen kontinuierlichen, punktstetigen Verlauf an den jeweiligen Außenseiten von Boden-
und/oder Deckscheibe über den gesamten Umfang (auch über die Bereiche der Schaufeln)
hinweg aufweist. Dies bedeutet, es existiert zwischen zwei durch die Achse verlaufenden
Radialschnitten ein Grenzwinkel α
G > 0°, ab dem eine weitere Annäherung der beiden Radialschnitte dazu führt, dass auch
die Form-Abweichungen in axialer Richtung der jeweiligen Außenseiten von Boden- und/oder
Deckscheibe kleiner werden. Es handelt sich somit um einen stetigen Verlauf in axialer
Richtung, wodurch gegenüber dem stufenförmigen Verlauf beispielsweise gemäß
JP 2001-263 294 und auch gemäß
EP 1 933 039 A1 eine deutliche Verbesserung erreicht wird.
[0010] Zusätzlich - gegebenenfalls aber auch alternativ - zu diesem ersten Erfindungsaspekt
kann in einem zweiten Aspekt gemäß dem Anspruch 2 vorgesehen sein, dass die jeweils
nicht-rotationssymmetrische Deckscheibe bzw. Bodenscheibe zwischen zwei radialen,
die Rotationsachse enthaltenden und beidseitig jeder Ventilatorschaufel liegenden
Schnitten über die Ventilatorschaufel hinweg ohne Sprung ausgebildet ist. Auch dies
ist vorteilhaft im Sinne der Lösung der zu Grunde liegenden Aufgabe.
[0011] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Geometrieabweichung zweier verschiedener,
die Rotationsachse enthaltender Schnitte der jeweils nicht-rotationssymmetrischen
Scheibe (Deck- oder Bodenscheibe) in radialer Richtung beliebig sein (im Gegensatz
zu dem erfindungsgemäß jedenfalls punktstetigen Verlauf in axialer Richtung). Dies
bedeutet, dass radial wahlweise ein punktstetiger oder auch ein sprungförmiger Verlauf
möglich ist.
[0012] Während man mit der geometrischen Gestaltung der Ventilatorschaufeln und der Gestaltung
der zwischen den Schaufeln gebildeten Strömungskanäle durch eine bekannte rotationssymmetrisch
ausgeführte Boden- und/oder Deckscheibe die Geschwindigkeits- und Druckverteilung
in Richtung der Rotationsachse beeinflussen kann, bleibt die Ungleichförmigkeit in
umfänglicher Richtung hiervon weitestgehend unbeeinflusst. Im Gegensatz dazu kann
mit der erfindungsgemäß nicht-rotationssymmetrischen Gestaltung zusätzlich gezielt
ein vorteilhafter Einfluss auf die in Umfangsrichtung auftretende Ungleichförmigkeit
der Geschwindigkeits- und Druckverteilung genommen werden. Daraus resultieren u. a.
folgende Vorteile:
- Beeinflussung der Abströmung vom Ventilatorrad derart, dass eine Vergleichmäßigung
der Strömung vor allem in umfänglicher Richtung und dadurch bedingt eine Reduktion
der maximal lokal auftretenden Strömungsgeschwindigkeit stattfindet, was sich positiv
auf aerodynamische und akustische Eigenschaften des Ventilatorrades auswirkt; insbesondere
wird dadurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der Geräuschemission erreicht.
- Gezielte Beeinflussung der Strömung im Ventilatorrad zur Reduktion von Interaktionen
mit den Schaufelkanalbewandungen zur Geräuschreduktion und zur Verbesserung der Luftleistung
sowie des Wirkungsgrades.
- Mehr Freiheitsgrade zur Strömungsbeeinflussung (vor allem in umfänglicher Richtung)
und Strömungsführung; dadurch Stabilisierung der Strömung im Schaufelkanal und somit
Verringerung der Ablöseneigung der Strömung.
- Verbesserung der mechanischen Stabilität; dadurch auch Materialeinsparung möglich.
[0013] Anhand von mehreren in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen soll
die Erfindung nun genauer erläutert werden. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilatorrades, und zwar in Fig.
1a eine Perspektivansicht und in Fig. 1b einen Axialschnitt in einer diametralen Schnittebene,
- Fig. 2 bis 9
- jeweils eine weitere unterschiedliche Ausführung des Ventilatorrades, wobei jeweils
in einer Teilfigur a) eine Perspektivansicht und in einer Teilfigur b) eine Seitenansicht
dargestellt sind, und
- Fig. 10
- eine weitere Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Ventilatorrades beispielhaft
in einer Ausführung wie in Fig. 4a in einem vergrößerten Maßstab zur weiteren Erläuterung
der Erfindung.
[0014] In allen Ausführungsbeispielen besteht ein erfindungsgemäßes, um eine Rotationsachse
Z rotierend anzutreibendes Ventilatorrad 1 aus einer Deckscheibe 2 mit einer vorzugsweise
im Wesentlichen zentrischen Einlassöffnung 4 zum Lufteintritt, einer in Achsrichtung
Z gegenüberliegenden Bodenscheibe 6 und mehreren Ventilatorschaufeln 8. Diese Ventilatorschaufeln
8 sind zwischen der Bodenscheibe 6 und der Deckscheibe 2 angeordnet oder gänzlich
oder bereichsweise durch eine bestimmte Formung von der Bodenscheibe 6 und/oder der
Deckscheibe 2 gebildet (vgl. Fig. 8), wobei die Scheiben 2, 6 dann in diesen Bereichen
direkt miteinander verbunden sind. Die Ventilatorschaufeln 8 sind in einer bestimmten
Umfangsverteilung um die Rotationsachse Z und die Einlassöffnung 4 herum angeordnet.
In Umfangsrichtung jeweils zwischen zwei benachbarten Ventilatorschaufeln 8 sind Schaufelkanäle
10 gebildet, die vom Bereich der Einlassöffnung 4 aus radial oder diagonal nach außen
führen und am Außenbereich des Ventilatorrades 1 Ausblasöffnungen bilden.
[0015] Bei dem erfindungsgemäßen Ventilatorrad 1 ist es zunächst wesentlich, dass die Deckscheibe
2 oder die Bodenscheibe 6 oder aber jede der beiden Scheiben 2, 6 eine nicht-rotationssymmetrische
Geometrie aufweist.
[0016] Dazu sei an dieser Stelle auf die Fig. 10 verwiesen, wo zusätzlich zwei radiale,
d. h. entsprechend einem Radius r verlaufende und sich in der Rotationsachse Z schneidende
Ebenen E1 und E2 eingezeichnet sind, die einen bestimmten Differenzwinkel α einschließen.
Nicht-Rotationssymmetrie im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt vor, wenn die in
den Ebenen E1 und E2 liegenden Querschnittsflächen der jeweiligen Scheibe 2 und/oder
6 sich - bei verschiedenen Umfangswinkeln - voneinander unterscheiden.
[0017] Dabei ist aber zusätzlich der Verlauf der jeweils nicht-rotationssymmetrischen Scheibe
2 und/oder 6 in axialer Richtung an den jeweiligen Außenseiten von Bodenscheibe 6
und/oder Deckscheibe 2 über den gesamten Umfangsbereich (auch über die Schaufeln)
hinweg punktstetig, d. h. mit abnehmendem Differenzwinkel α existiert ein Grenzwinkel
αG > 0°, ab dem eine weitere Annäherung der beiden Radialschnitte E1 und E2 (Fig.
10) dazu führt, dass auch die Form-Abweichungen in axialer Richtung Z der jeweiligen
Außenseiten von Bodenscheibe 6 und/oder Deckscheibe 2 kleiner werden. Alternativ oder
zusätzlich dazu ist vorgesehen, dass zwei Querschnitte, die in zwei die Rotationsachse
Z enthaltenden und sich dadurch in der Rotationsachse Z schneidenden Ebenen liegen,
beidseitig jeder Ventilatorschaufel 8 keinen Sprung in Drehrichtung über die Schaufel
8 hinweg darstellen.
[0018] Im Gegensatz zu dem punktstetigen Verlauf in axialer Richtung Z kann erfindungsgemäß
die Geometrieabweichung zweier unterschiedlicher, die Rotationsachse Z enthaltender
Schnitte in radialer Richtung (Radius r in Fig. 10) beliebig sein. Dies bedeutet,
dass hier sowohl punktstetige, als auch sprungförmige Verläufe möglich sind.
[0019] Im Folgenden sollen die einzelnen Ausführungsbeispiele kurz genauer beschrieben werden.
[0020] Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 ist die Deckscheibe 2 im Bereich der Einlassöffnung
4 mit einem Radeinlass 12 ausgestattet, wobei die Deckscheibe 2 im Bereich dieses
Radeinlasses 12 nicht-rotationssymmetrisch in Richtung der Rotationsachse Z ausgeführt
ist. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich der Radeinlass 12 stegartig axial von
der Deckscheibe 2 weg und weist in Umfangsrichtung eine wellenförmige Kontur mit axialen
Erhebungen und dazwischen liegenden Vertiefungen auf. Das Ventilatorrad 1 ist in diesem
Fall als Radialventilator ausgeführt.
[0021] Auch in der Ausführung gemäß Fig. 2 handelt es sich um einen Radialventilator, wobei
in diesem Fall nur die Deckscheibe 2 in Richtung der Drehachse Z nicht-rotationssymmetrisch
ausgebildet ist. In diesem Beispiel ist dazu die Deckscheibe 2 in Umfangsrichtung
wellenförmig ausgebildet, wobei jeweils zwischen zwei Ventilatorschaufeln 8 ein sich
konvex nach außen wölbender Abschnitt gebildet ist. Diese Abschnitte gehen im Bereich
jeder Ventilatorschaufel 8 stetig ineinander über.
[0022] In Fig. 3 ist eine Ausführung als Radialventilator dargestellt, bei der nur die Bodenscheibe
6 nicht-rotationssymmetrisch in Achsrichtung Z ausgeführt ist. Konkret kann es sich
um eine gleichartige Ausgestaltung handeln, wie sie bei der Deckscheibe 2 gemäß Fig.
2 vorgesehen ist.
[0023] Die Ausführung gemäß Fig. 4 kombiniert praktisch beide Ausführungen gemäß Fig. 2
und 3. Dies bedeutet, dass dieser Radialventilator sowohl im Bereich der Deckscheibe
2 als auch im Bereich der Bodenscheibe 6 nicht-rotationssymmetrisch ausgeführt ist.
[0024] In Fig. 5 ist eine Ausführung des Ventilatorrades 1 als Diagonalventilator veranschaulicht,
wobei die Deckscheibe 2 in radialer Richtung r nicht-rotationssymmetrisch ausgeführt
ist, und zwar in diesem Fall nicht stetig, sondern sprungförmig. Dies wird durch einen
nicht stetigen, sondern über Ecken im Radius springenden Verlauf einer äußeren Umfangskante
14 der Deckscheibe 2 erreicht.
[0025] Die Fig. 6 zeigt eine Ausführung als Radialventilator, wobei die Deckscheibe 2 in
radialer Richtung r nicht-rotationssymmetrisch ausgeführt ist, und zwar punktstetig.
[0026] Dies bedeutet, dass die Deckscheibe 2 hier einen stetigen Umfangsverlauf ohne Ecken
oder sonstige Sprünge aufweist.
[0027] Entsprechendes gilt auch für die sehr ähnliche Ausführung gemäß Fig. 7, wobei jedoch
an Punkten P jeweils eine Ecke bzw. ein Knick auftritt.
[0028] Die Fig. 8 zeigt eine Ausführung als Radialventilator, wobei beide Scheiben, sowohl
die Deckscheibe 2 als auch die Bodenscheibe 6, durch einen in Umfangsrichtung wellenartigen
Konturverlauf in Richtung der Rotationsachse Z nicht-rotationssymmetrisch ausgeführt
sind. Zusätzlich ist hier vorgesehen, dass die Deckscheibe 2 und die Bodenscheibe
6 im äußeren Umfangsbereich des Ventilatorrades 1 direkt miteinander verbunden sind
und somit gemeinsam zumindest einen Teilbereich der Ventilatorschaufeln 8 bilden.
Zur Verdeutlichung ist in der zusätzlichen Figur 8c ein Teilbereich der Deckscheibe
2 im Bereich eines der Schaufelkanäle 10 weggeschnitten. Grundsätzlich könnten die
Ventilatorschaufeln 8 vollständig dadurch gebildet werden, dass die entsprechend geformten
Boden- und/oder Deckscheiben 6, 2 über den ganzen Verlauf der Schaufeln 8 hinweg direkt
miteinander verbunden werden. Bei der dargestellten Ausführung sind aber die Scheiben
2, 6 nur im äußeren Umfangsbereich miteinander verbunden, wobei im inneren Eintrittsbereich
der Schaufelkanäle 10 konventionelle Schaufel-Abschnitte als separate Teile geformt
sind.
[0029] Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen entstehen durch die nicht-rotationssymmetrische
Ausgestaltung geometrische Strukturen, die in Umfangsrichtung periodisch wiederkehrend
ausgeführt sind. Es liegt aber ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die geometrischen
Strukturen so zu wählen, dass sie unregelmäßig in Form und/oder Anordnung sind.
[0030] Dazu ist ein Ausführungsbeispiel in Fig. 9 veranschaulicht. Es handelt sich auch
hier wiederum um einen Radialventilator mit nicht-rotationssymmetrischer Deckscheibe
2. Diese weist an einer Umfangsstelle 16 einen sich sprunghaft ändernden Radius r
auf, und die äußere Umfangskante 14 der Deckscheibe 2 verläuft ausgehend von der Umfangsstelle
16 mit einem sich kontinuierlich ändernden Radius über den Umfang und endet nach 360°
wieder an dem Radius-Sprung in der Umfangsstelle 16. Dadurch verläuft bei diesem Beispiel
die Umfangskante 14 spiralartig.
[0031] Natürlich sind auch andere Ausführungen möglich, durch die sich eine in Umfangsrichtung
unregelmäßige Geometrie von Deck- und/oder Bodenscheibe 2, 6 ergibt.
[0032] Für alle Ausführungsformen gilt, dass die Ventilatorschaufeln 8 einen beliebigen
Verlauf aufweisen können. Beispielsweise können sie hinsichtlich der Rotationsrichtung
vorwärts oder rückwärts gekrümmt sein.
[0033] Im Übrigen sind beliebige Kombinationen aller bisher beschriebenen Einzelmerkmale
möglich.
[0034] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.
Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im jeweiligen unabhängigen
Anspruch definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige
andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale
definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des
jeweiligen unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer
Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind
die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu
verstehen.
1. Ventilatorrad (1) in einer Ausführung als Radial- oder Diagonalventilator, bestehend
aus einer Deckscheibe (2) mit einer Einlassöffnung (4), einer Bodenscheibe (6) und
mehreren über den Umfang der Einlassöffnung (4) und um eine Rotationsachse (Z) herum
verteilt angeordneten Ventilatorschaufeln (8), wobei die Deckscheibe (2) und/oder
die Bodenscheibe (6) eine nicht-rotationssymmetrische Geometrie aufweisen/aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils nicht-rotationssymmetrische Geometrie in axialer bzw. achsparalleler
Richtung (Z) gesehen einen kontinuierlichen, punktstetigen Verlauf aufweist.
2. Ventilatorrad nach Anspruch 1 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
dadurch gekennzeichnet, dass diejeweilsnicht-rotationssymmetrische Geometrie zwischen zwei radialen, die Rotationsachse
(Z) enthaltenden und beidseitig jeder Ventilatorschaufel (8) liegenden Schnitten über
die Ventilatorschaufel (8) hinweg ohne Sprung ausgebildet ist.
3. Ventilatorrad nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils nicht-rotationssymmetrische Geometrie in radialer Richtung (r) gesehen
einen kontinuierlichen, punktstetigen Verlauf oder einen nicht-kontinuierlichen, sprungförmigen
Verlauf aufweist.
4. Ventilatorrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (2) im Bereich eines die Einlassöffnung (4) umschließenden, axial
vorstehenden Radeinlasses (12) nicht-rotationssymmetrisch in Richtung der Rotationsachse
(Z) ausgebildet ist, wobei insbesondere der Radeinlass (12) eine wellenförmige Verlaufskontur
mit abwechselnden Vorsprüngen und Vertiefungen aufweist.
5. Ventilatorrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (2) nicht-rotationssymmetrisch in Richtung der Rotationsachse (Z)
ausgebildet ist, wobei die Deckscheibe (2) in Umfangsrichtung eine vorzugsweise wellenförmige
Gestaltung aufweist.
6. Ventilatorrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenscheibe (6) nicht-rotationssymmetrisch in Richtung der Rotationsachse (Z)
ausgebildet ist, wobei die Bodenscheibe (6) in Umfangsrichtung eine vorzugsweise wellenförmige
Gestaltung aufweist.
7. Ventilatorrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (2) nicht-rotationssymmetrisch in Radiusrichtung (r) ausgebildet
ist.
8. Ventilatorrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenscheibe (6) nicht-rotationssymmetrisch in Radiusrichtung (r) ausgebildet
ist.
9. Ventilatorrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilatorschaufeln (8) zumindest bereichsweise durch direkte Verbindung zwischen
den entsprechend geformten Deck- und Bodenscheiben (2, 6) gebildet sind.
10. Ventilatorrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass diejeweilsnicht-rotationssymmetrische Geometrie bezüglich Form und/oder Anordnung
in Umfangsrichtung periodisch wiederkehrend oder unregelmäßig ausgebildet ist.