Die Erfindung betrifft eine Schaufel eines Ventilatorrades, ein Ventilatorrad eines Axialventilators sowie einen Axialventilator mit einem derartigen Ventilatorrad.

Beispielsweise offenbaren US 5 181 830 A und JP 2013 213420 A eine Schaufel eines Ventilatorrades eines Axialventilators gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Bei Ventilatorrädern von Axialventilatoren, insbesondere bei Ausführungen mit Wandring liegt bekanntermaßen die Hauptgeräuschquelle im radialen Außenrandbereich der Schaufeln, da hier die Strömungsgeschwindigkeiten sehr hoch sind. Bei einer Ausführung mit Wandring ist zwischen den radialen Schaufelenden des Ventilatorrads und dem Wandring ein kleiner Spalt vorgesehen, in dessen Bereich es aufgrund hoher Turbulenzen ebenfalls leicht zu einer erhöhten Geräuschbildung kommt.
Ferner beeinflusst die Zuströmsituation der Luft die Geräuschentwicklung des Ventillatorrades im Betrieb. Insbesondere kurz vor dem Strömungsabriss können Störungen der Strömung zu hoher Turbulenz und einer Interaktion mit den Schaufelvorderkanten führen. Neben den unerwünschten Geräuschen wirken sich die Turbulenzen insbesondere im oberen Druckbereich auch negativ auf den Wirkungsgrad aus.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelkonstruktion, ein Ventilatorrad für einen Axialventilator und einen Axialventilator bereit zu stellen, die ein verbesserter Geräuschverhalten insbesondere im oberen Druckbereich bei gleichzeitig höherer Effizienz zeigen und gegenüber Fehlanströmungen unempfindlicher sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen gemäß der Patentansprüche 1-3 und 12 gelöst.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe eine Schaufel gemäß den Patentansprüchen 1 oder 2 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe ein Ventilatorrad gemäß dem Patentanspruch 3 vorgeschlagen.

Im Folgenden werden Weiterbildungen des Ventilatorrades beschrieben, die explizit auch für jede Ausbildung der Schaufeln allein, d.h. unabhängig von dem Ventilatorrad gelten. Der radiale Außenrandabschnitt ist definiert als radial im Außenbereich der jeweiligen Schaufel liegender Abschnitt, in dessen Verlängerung in Umfangsrichtung der Vorsprung ausgebildet ist. In radialer Richtung wird der radiale Außenrandabschnitt außenseitig von der radialen Außenkante der jeweiligen Schaufel begrenzt. Die Schaufelrandbreite ist definiert als die Schaufelbreite in Umfangsrichtung an einem gedachten Rand, bevor in radialer Richtung gesehen der den Vorsprung aufweisende radiale Außenrandabschnitt beginnt. Die Schaufelvorderkanten erstrecken sich radial auswärts bis zum radialen Außenrandabschnitt bevor sie in den im radialen Außenrandabschnitt liegenden Vorsprung übergehen.
Durch die besondere geometrische Ausgestaltung des radialen Außenrandes der Schaufeln im Übergang zu der jeweiligen Schaufelvorderkante mit einem Vorsprung, verringert sich die Geräuschbildung im hohen Druckbereich, insbesondere auch im Spaltbereich bei einer Anwendung mit Ventilatorrad und feststehendem Wandring.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der Vorsprung an den einzelnen Schaufeln jeweils nasenförmig als Verlängerung des radialen Außenrandabschnitts ausgebildet und steht in die Drehrichtung der Schaufel gegenüber der jeweils angrenzenden, sich radial auswärts erstreckenden, druckseitigen Schaufelvorderkanten in Umfangsrichtung hervor. Dadurch ist der Vorsprung das den Lufteingriff und die Strömung zur Schaufel einleitende Element. Die Strömung entlang der Schaufel und insbesondere entlang des radialen Außenrandabschnitts wird maßgeblich von dem Vorsprung beeinflusst. Bezüglich der Form des Vorsprungs ist weiter vorteilhaft, dass er im Querschnitt oval, weiter bevorzugt elliptisch ausgebildet ist. Der breitere Abschnitt des ovalen bzw. elliptischen Querschnitts weist dabei vorzugsweise in Richtung des Axialradmittelpunktes, d.h. entlang der Schaufelvorderkanten zur Mitte. Ferner ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass sich der Vorsprung in Umfangsrichtung gesehen verjüngt und im Wesentlichen halbkugelförmig ausgebildet ist, so dass der Halbkugelkopf den vordersten Strömungseingriff der jeweiligen Schaufel gewährleistet.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorsprung in Umfangsrichtung über eine Länge von 1 - 20%, insbesondere 1 - 10%, weiter bevorzugt 5 - 10% der Schaufelrandbreite von der angrenzenden Schaufelvorderkante hervorsteht. Die Schaufelrandbreite wird wie oben beschrieben am gedachten Rand zum radial äußeren, den Vorsprung aufweisenden Bereich gemessen. Die Länge des Vorsprungs kann dann in Abhängigkeit hierzu bestimmt werden. Es reicht mithin bereits eine geringe Länge des Vorsprungs in Umfangsrichtung relativ zur angrenzenden Schaufelrandbreite, um die vorteilhaften Effekte zu erzielen.
Neben der Verwendung des Vorsprungs werden die Geräuschbildung und Effizienzsteigerung ferner dadurch begünstigt, dass die Schaufeln in dem jeweiligen radialen Außenrandabschnitt in dem an die Schaufelvorderkanten angrenzenden Vorderabschnitt mit einer Verdickung ausgebildet sind, d.h. in axialer Richtung dicker ausgebildet sind. Als Bezugsgröße zum Vergleich der Verdickung dient der Hinterabschnitt der Schaufeln, der an die Schaufelhinterkanten angrenzt und eine unveränderte Standarddicke aufweist. Erfindungsgemäß (siehe Anspruch 1) ist es somit vorgesehen, dass die Schaufel im Vorderabschnitt eine axiale Dicke aufweist, die größer ist als eine axiale Dicke im an die Schaufelhinterkanten angrenzenden Hinterabschnitt. Der Übergang der Dickenänderung von Vorderabschnitt zu Hinterabschnitt ist dabei fließend.
Günstig ist ferner, wenn der radiale Außenrandabschnitt des Ventilatorrades in radialer Richtung eine Länge von 5%, weiter bevorzugt von 2,5 % des Radius des Ventilatorrades aufweist. Daraus ergibt sich, dass lediglich der radial äußerste Bereich der Schaufeln geometrisch mit der Verdickung und dem Vorsprung angepasst ist.
Die Erstreckung der Verdickung in Umfangsrichtung ist ebenfalls geometrisch definiert. Dabei ist vorteilhaft, wenn der axial aufgedickte Vorderabschnitt eine Breite in Umfangsrichtung aufweist, die 50%, weiter bevorzugt bis zu 70% der Schaufelrandbreite entspricht. Die Verdickung nimmt von dem Vorderabschnitt in Richtung Hinterabschnitt im Wesentlichen stetig ab. Der Hinterabschnitt selbst kann eben mit konstanter Dicke ausgebildet sein.

Bei der erfindungsgemäßen Schaufel (siehe Anspruch 2) ist vorgesehen, dass entlang der radialen Außenkante der jeweiligen Schaufel ein in axialer Richtung mit einem vorbestimmten Anstellwinkel gebogenes Winglet ausgebildet ist, dessen Verlauf in Umfangsrichtung in den Vorsprung übergeht. Die grundsätzliche Verwendung von Winglets an Schaufeln ist bekannt, jedoch wirkt erfindungsgemäß das Winglet durch eine einstückige Ausbildung mit dem Vorsprung und der Aufdickung zusammen und fördert die Geräuschreduzierung und Effizienzsteigerung.
In einer Weiterentwicklung ist der Anstellwinkel des Winglets gegenüber einer angrenzenden, durch die Schaufeloberfläche bestimmten Ebene im Vorderabschnitt beziehungsweise im Bereich des Vorsprungs geringer als in dem Hinterabschnitt. Dadurch wird die Strömung im druckseitigen radial äußeren Bereich der Schaufelvorderkante zunächst wesentlich durch die geometrische Anpassung mittels Vorsprung und Aufdickung, im in Strömungsrichtung nachfolgenden Bereich der Schaufeln zunehmend durch das Winglet beeinflusst.
Die Erfindung umfasst auch einen Axialventilator mit einem feststehenden Wandring, innerhalb dessen ein oben beschriebenes Ventilatorrad rotiert. Die erfindungsgemäßen Ausführungen des Ventilatorades wirken sich besonders positiv bei einer Verwendung mit Wandring aus, da im Spaltbereich zwischen Wandring und Ventilatorrad besonders starke Turbulenzen auftreten.

Sämtliche dargelegten Merkmale der einzelnen Ausführungsvarianten sind frei kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist. 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 Draufsicht auf ein Ventilatorrad,

Fig. 2

eine Detailansicht X aus Figur 1,

Fig. 3a-3g

Schnittansichten des Ventilatorrades aus Figur 1,

Fig. 4

ein Diagramm zum Vergleich des erzeugten Druckunterschieds des erfindungsgemäßen Ventilatorrades gegenüber dem Stand der Technik,

Fig. 5

ein Diagramm zum Vergleich des Unterschieds des Schalleistungspegels des erfindungsgemäßen Ventilatorrades gegenüber dem Stand der Technik,

Fig. 6

einen Axialventilator mit Ventilatorrad und Wandring.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Ventilatorrad 1 eines Axialventilators, das mehrere, sich von einem mittigen Nabenbereich radial auswärts erstreckende Schaufeln 2 mit jeweils druckseitigen, sich radial auswärts erstreckenden, geschwungen Schaufelvorderkanten 3 und Schaufelhinterkanten 10 sowie bogenförmigen radialen Außenkanten 4 aufweist. Jede der Schaufeln 2 ist identisch ausgebildet, so dass die Beschreibung für eine Schaufel identisch für alle übrigen gilt.

Der Übergang 5 von den radialen Außenkanten 4 zu den Schaufelvorderkanten 3 ist jeweils mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Vorsprung 6 gegenüber den angrenzenden, sich radial auswärts erstreckenden Schaufelvorderkanten 3 gebildet. Der Vorsprung 5 steht dabei jeweils über eine gedachte Verbindungslinie K der äußersten radialen Randpunkte der geometrisch unveränderten Schaufelvorderkante 3 hervor.

Figur 2 zeigt eine Detailansicht X aus Figur 1. Im radial äußersten Bereich ist angrenzend zur radialen Außenkante 4 der Schaufel 2 der radiale Außenrandabschnitt 7 gekennzeichnet, in dessen Verlängerung in Umfangsrichtung der Vorsprung 6 ausgebildet ist. Die Schaufelrandbreite Sb wird definiert als die Schaufelbreite in Umfangsrichtung an einem gedachten Rand, bevor in radialer Richtung gesehen der den Vorsprung 6 aufweisende radiale Außenrandabschnitt 7 beginnt. Der radiale Außenrandabschnitt 7 weist dabei eine Länge L in radialer Richtung von 2,5 % des Radius des Ventilatorrades auf.

Die Schaufelvorderkanten 3 erstrecken sich radial auswärts bis zum radialen Außenrandabschnitt 7, bevor sie in den im radialen Außenrandabschnitt 7 liegenden Vorsprung 6 übergehen. Durch den Vorsprung 6 wird die Schaufelrandbreite Sb in dem den Vorsprung 6 aufweisenden radialen Außenrandabschnitt 7 lokal begrenzt um den Vorsprung 6 erweitert, so dass der radiale Außenrandabschnitt 7 eine Breite Sb zuzüglich der Länge des Vorsprungs 6 aufweist. Die gegenüber der angrenzenden Schaufelvorderkante 3 überstehende Länge des Vorsprungs 6 in Umfangsrichtung entspricht in der gezeigten Ausführung in etwa 6,5% der Schaufelrandbreite Sb. Der Vorsprung 6 ist dabei als nasenförmige vorstehende Verlängerung des radialen Außenrandabschnitts 7 mit im Wesentlichen halbkugelköpfigem Abschluss ausgebildet. In Umfangsrichtung sind in Figur 2 mehrere Schnitte A-A bis E-E eingezeichnet, die in den Figuren 3a - 3e wiedergeben sind. Ferner ist ein in Figur 2 gekennzeichneter Schnitt in Umfangsrichtung G-G in Figur 3g dargestellt.
Die Schnitte der Figuren 3a - 3g lassen die geometrische Form der Schaufel 2 im radialen Außenrandabschnitt 7 erkennen. Der Vorsprung 6 weist gemäß Figur 3a einen elliptischen Querschnitt auf, der fließend in die Form der sich radial und in Umfangsrichtung anschließenden Schaufel 2 übergeht.
In einem an die Schaufelvorderkanten 3 angrenzenden Bereich ist ein Vorderabschnitt 8, in einem an die Schaufelhinterkanten 10 angrenzenden Bereich ein Hinterabschnitt 9 bestimmt. Die Bereiche 8, 9 gehen fließend ineinander über, jedoch ist die axiale Dicke D1 im Vorderabschnitt 8 größer als die axiale Dicke D2 im Hinterabschnitt 9. Beispielhaft ist dies in den Figuren 3c und 3f mit einem Dickenunterschied von über 20% wiedergegeben. Die Aufdickung erstreckt sich in Umfangsrichtung über eine Breite Bu von 70% der Schaufelrandbreite Sb gemessen von der vorderen Schaufelkante 3. Wie in Figur 3g dargestellt, erfolgt auch in radialer Richtung eine Aufdickung im Bereich des Vorsprungs 6 und dem angrenzenden Abschnitt.
Entlang der radialen Außenkante 4 der Schaufel 2 ist ein in axialer Richtung mit einem vorbestimmten Anstellwinkel gebogenes Winglet 11 einstückig an der Schaufel 2 ausgebildet, wie es beispielsweise in Figur 3f zu erkennen ist. Der Verlauf des Winglets 11 geht im Vorderabschnitt 8 in den Vorsprung 6 über. Der Anstellwinkel des Winglets 11 wird im Vorderabschnitt 8 und im Bereich des Vorsprungs 6 gegenüber dem Hinterabschnitt 9 reduziert.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Diagramme zum Nachweis der verbesserten Geräuschentwicklung und gesteigerten Effizienz des Ventilatorrades 1 gegenüber einem Vergleichsventilatorrad des Stands der Technik ohne die erfindungsgemäßen Merkmale. Dabei ist in Figur 4 der Vergleich des erzeugten Druckunterschieds, in Figur 5 der Vergleich des Unterschieds des Schalleistungspegels des erfindungsgemäßen Ventilatorrades (Linie P) gegenüber dem Stand der Technik (Linie O) dargestellt. Es zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Schaufeln 2 ein gemäß Figur 4 gleichmäßiger Druckverlauf erreichbar ist, der sich gemäß Figur 5 in einem reduzierten Schallpegel wiederspiegelt.
Figur 6 zeigt beispielhaft die Anwendung des Ventilatorrades 1 aus Figur 1 mit einem Wandring 20, wobei zwischen Wandring 20 und Ventilatorrad 1 ein Umfangsspalt 21 verbleibt, der besonders zur erhöhten Geräuschbildung beiträgt. Diese wird jedoch mit Verwendung des Ventilatorrad 1 aus Figur 1 in der in Figur 4 und 5 gezeigten Weise entsprechend reduziert.

Die Erfindung beschränkt sich nur auf die Ansprüche und beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.