DE69228189T2

DE69228189T2 - Ventilator mit vorwärtsgekrümmten schaufeln und angepasster schaufelkrümmung und -anstellung

Info

Publication number: DE69228189T2
Application number: DE69228189T
Authority: DE
Inventors: Robert Ives Concord Nh 03301 Hickey; Robert Winchester Ma 01890 Van Houten; Martin G. Needham Ma 02192 Yapp
Original assignee: Airflow Research and Manufacturing Corp
Current assignee: Airflow Research and Manufacturing Corp
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2012-08-29
Also published as: JP3390989B2; WO1993005275A1; EP0601119A4; EP0601119B1; EP0601119A1; JPH07501593A; US5297931A; ES2128357T3; DE69228189D1

Description

Diese Anmeldung betrifft Axialstromventilatoren und insbesondere eine Vorrichtung, die einen Kunststoffventilator und Gehäuse in Kombination aufweist wie die, die für Kraftfahrzeuganwendungen und für andere Luftförderungsanwendungen einschließlich Computerkühlung und Heizung/Kühlung von Gebäuden konstruiert sind.
In verschiedenen Anwendungen sind Axialventilatoren konstruiert, um einen Luftstrom durch angrenzende Wärmetauscher oder durch Luftkanäle zu bewegen. Geräusch, Stärke, Unterbringung (Größe) und Wirkungsgrad (Energieverbrauch) sind in vielen Axialventilatoranwendungen wichtige Überlegungen.
Insbesondere ist herausgefunden worden, daß ein Ventilator, dessen Flügel vorwärts abgeschrägt sind (z. B. die Mittelprofilsehnenlinie und/oder die Stirnkante der Ventilatorflügel sind in Richtung der Ventilatorrotation gekrümmt), bedeutend weniger Geräusche aufweisen wird, wobei alle anderen Dinge gleich sind. Siehe Gray, US-Patent 4.358.245. Gray '245 lehrt auch, daß es in vorwärts abgeschrägten Flügelkonstruktionen nützlich ist, den Flügelwinkel mit steigendem Radius zu erhöhen.
Das US-Patent 4.569.631 von Gray offenbart einen Ventilator, der eine Vorwärtsabschrägung an der Flügelspitze und eine Rückwärtsabschrägung an der Flügelwurzel aufweist, so daß die Gesamtwinkelversetzung in der Rotationsebene zwischen der Flügelwurzel und der Flügelspitze vermindert wird, was größere Festigkeit bereitstellt. Der Flügelwinkel bleibt an der Flügelspitze relativ konstant.
US 4.900.229 von Brackett et al. offenbart einen Axilastromventilator, der einen Flügel mit einer sinusförmig ge formten Stirnkante aufweist.
E. P. 0 168 594 offenbart eine Axialventilator mit Flügeln, die eine vorwärts gekrümmte Stirnkante aufweisen.
Das US-Pat. 5.000.660 offenbart einen Axialventilator, der viele Flügel mit verschiedenen Graden der Abschrägung, entweder vorwärts oder rückwärts, aufweist.
Das US-Patent 4.791.520 offenbart einen vorwärtsabgeschrägten Ventilatorflügel, der eine geführte Hinterkante aufweist.
US-Patent 4,981,461 offenbart einen Ventilator der Flügel mit einer abrupten Änderung in der Abschrägung und einer starken Vorwärtsabschrägung an der Flügelspitze aufweist.
McDonald, US-Patent 3.285.501, offenbart einen Zentrifugalventilator, der Schaufeln 30 aufweist, die angeordnet sind, um einen ringförmigen Ring wirbelnder Luft um den Einlaß des Ventilatorrades herum zu erzeugen.
White, US-Patent 3.307.776, offenbart eine Zentrifugalflüssigkeitsstromvorrichtung, die Führungsschaufeln 16 aufweist, um den Leckstrom um den Ventilator herumzuführen und zu stabilisieren.
Murphy, US-Patent 2.981.461, offenbart einen Zentrifugalventilator, welcher den Luftstrom weg von den offenen äußeren Kanten der Flügel als eine Volumensteuerung verwendet - d. h. der Auslaßwirbelstrom, der in Richtung der Ventilatorrotation rotiert, kann als Sekundärluft in den Rotoreinlaß zurückgeführt werden, um das Nettovolumen zu vermindern.
Kuroda et al., US-Patent 4.432.699, offenbart ein Zentrifugalgebläse, das haarähnliche Elemente 69 (Fig. 6) aufweist, die in einer Durchgangswand zwischen dem Ventilator und einer Einlaßverkleidung angebaut sind. Die haarähnlichen Elemente steigern den Widerstand, um einen Wiederumlauf zu vermindern.
Hauser, US-Patent 4.357.914, offenbart einen Kühlventila tor zur Verwendung mit einem Kühler, der einen Ablenkring 11 aufweist, um einen Wiederumlauf zu vermindern.
Wood, US-Patent 3.627.440, offenbart eine Abdichtplatte 30 für einen Einlaß für einen Zentrifugalventilator, um die Grenzschicht dabei zu unterstützen, die Einlaßluft einheitlich zu verteilen.
Schwaebel, DEOS 24 62 465 offenbart eine Verdichterturbine, die in der Lücke zwischen den Rotorflügelspitzen und dem Gehäuse Verstärkungsrippen aufweist, die konstruiert sind, um einen Schwingungsmodus des Hochgeschwindigkeitskompressors zu stabilisieren.
Bruno, DEOS 19 05 269 offenbart ein Gebläserad, das eine Dichtung zwischen dem Grundring des Gebläserades und der Ventilatoransaugöffnung aufweist.
SU 918.559 offenbart eine Zentrifugalpumpe, die Flansche aufweist, welche in ringförmige Vorsprünge eines Dichtungsringes eingreifen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen Kunststoffventilator und Gehäuse in Kombination aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Ventilator, der eine Nabe aufweist, die auf einer Achse rotiert, und Flügel, die sich von der Nabe auswärts zu einem kreisförmigen Band erstrecken, das die Flügelspitzen verbindet, und angepaßt ist, um Luft durch das Gehäuse (Fig. 6, 7, 10 und 11) zu bewegen, wobei das Gehäuse so angeordnet ist, daß der Luftstrom, der in den Ventilator eintritt, den Ventilator verläßt oder beides zu steuern, und der Ventilator so angeordnet ist, daß er Luft durch einen Wärmetauscher bewegt; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Abschnitt des Gehäuses (26, Fig. 6A) auswärts vom Band (24) angeordnet ist, daß das Band und das Gehäuse so bemessen, konfiguriert und angeordnet sind, daß Laufzwischenräume zwischen dem Band und dem Gehäuse hergestellt, werden, sodaß sich der Wiederumlaufluftstrom in einem gewundenen Wiederumlaufweg zwischen dem Ventilator und dem Gehäuse bewegt, und dadurch, daß stehende Stromsteuerungsschaufeln (28) mit dem Gehäuse in einer Position verbunden sind, um den Wiederumlaufluftstrom zu treffen und umzulenken.
In einer besonderen Anordnung definiert das Gehäuse (z. B. eine Verkleidung für einen Ventilator, der mit einem Wärmetauscher verbunden ist, oder eine Rohrleitung, in der ein Ventilator untergebracht ist) eine zylindrische Öffnung, die bemessen ist, um ein Band aufzunehmen. Das Band wird mitwirkend bemessen und angeordnet, um mit einer Nut um den Umfang der Öffnung im Gehäuse zusammenzupassen, um einen gewundenen Kanal zwischen dem Gehäuse und dem Band für den Wiederumlaufluftstrom zu definieren. Der Kanal weist eine Gruppierung von Statoren auf, die üblicherweise radiale Stromsteuerungsoberflächen aufweisen, die geformt sind, um Wirbel aus dem Wiederumlaufluftstrom zu, entfernen. Das Band und das Gehäuse bilden eine Beschränkung vor (stromaufwärts davon, aus der Perspektive des Wiederumlaufluftstroms) den Stromsteuerungsoberflächen, so daß ein wesentlicher Betrag des verfügbaren Gesamtdruckes verwendet wird, um den Wiederumlaufluftstrom auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, bevor er auf die Statoren trifft. Auf diese Weise wird der Wiederumlaufluftstrom gezwungen, in die Statoren einzugreifen, weil es im wesentlichen kein statisches Druckfeld gibt, um die Stromlinien zu krümmen, so daß sie die Statoren meiden können. In einer Ausführungsform wird die Beschränkung durch eine axiale Lippe gebildet, die sich von der stromabwärts gelegenen Kante des Bandes erstreckt, um eine Beschränkung am Einlaß zum Kanal zu bilden. Alternativ erstreckt sich die Lippe von der stromaufwärts gelegenen Kante des Bandes, um eine Beschränkung in der Mitte des Kanals zu bilden. Die Querschnittsfläche des Kanals ist an der Beschränkung weniger als halb so groß wie die Querschnittsfläche des Kanalauslasses. Stromabwärts von den Statoren nimmt die Querschnittsfläche zu, um die Wiederumlaufstromgeschwindigkeit zu vermindern und folglich eine Störung des Hauptströmungsstroms zu minimieren. Die Statoren sind geformt, um niedrigen Stromwiderstand bereitzustellen - d. h. sie weisen abgerundete Stirnkanten auf und sind dünn.
In einer anderen Anordnung weist die Stator/Kanal Konfiguration des Ventilators eine radial ausgerichteten Einlaß auf (d. h. er ist angeordnet, um einen radial abgelenkten Wiederumlaufluftstrom aufzunehmen). Der stromaufwärts (aus der Perspektive des Wiederumlaufluftstroms) gelegene Abschnitt solcher Statoren ist radial auswärts vom Einlaß angeordnet, so daß die Zentrifugalkraft den zurückgeführten Luftstrom in die Statoren mitreißt. Die Statoren erstrecken sich rechtwinklig zum Einlaß axial stromabwärts in den Kanal. In einer Ausführungsform bildet der Kanalauslaß, welcher zwischen einer Lippe auf dem Band und dem Gehäuse ausgebildet ist, die Beschränkung im Wiederumlaufstrom. Diese Konfiguration funktioniert, weil dem Leckstrom, der den Auslaß verläßt, nicht genügend Mantelfläche ausgesetzt wird, um eine Verwirbelung zu verursachen. Alternativ kann die Beschränkung stromaufwärts von den Statoren wie vorher beschrieben angeordnet sein, um weiter ein Mitreißen mit den Statoren sicherzustellen.
Wie unten detaillierter erklärt, wird durch Entfernen von Wirbeln aus dem Wiederumlaufluftstrom ein organisierterer in den Ventilator eintretender Luftstrom bereitgestellt, so daß die Ventilatorflügel in einem geeigneten Anstellwinkel ausgerichtet sind.
Wie unten erklärt, verbessern in einem Axilastromventilator, dessen Flügel vorwärts geschweifte Stirnkanten aufweisen, (mindestens wo r/R > 0,9), Flügelwölbungs- und Anstellungskorrekturen Ventilatorleistung und -Wirkungsgrad. Durch sorgfältiges Koordinieren von Wölbung, Anstellung und Abschrägung solcher Ventilatoren, ist es möglich, Geräusche zu vermindern und trotzdem ein relativ hohes Steigungsverhältnis aufrecht - zuerhalten. Die resultierenden Ventilatoren sind geräuscharme Ventilatoren mit hohem Wirkungsgrad, wobei ein geplanter Druck und Strom für eine gegebene Anwendung bei relativ niedrigeren Rotationsgeschwindigkeiten erreicht werden. Wir beschreiben unten solche Ventilatoren, die Flügel mit den folgenden Eigenschaften aufweisen: (Die verwendeten Ausdrücke sind Fachleuten allgemein bekannt und werden unten unter Bezugnahme auf Figuren detaillierter definiert und folglich brauchen diese Definitionen hier nicht wiederholt zu werden.)
a) in einer axialen Projektion des Flügels liegt eine Linie, die durch die Punkte der maximalen Profilsehnenwölbung (fmax) als eine Funktion der Änderung der radialen Position (r) definiert wird, an der Stirnkantenseite der Mittelprofilsehnenlinie (MCL) bei Werten für r zur Flügelwurzel hin, und die fmax Radialfunktion ist weniger vorwärts abgeschrägt als die Stirnkante (LE), die Mittelprofilsehnenlinie (MCL) und die Hinterkante (TE) des Flügels;
b) der Flügel ist vorwärts angestellt, so daß die Hinterkante der Flügelspitze axial vor oder "stromaufwärts" von (aus der Perspektive des erwünschen axialen Luftstroms) der Hinterkante an der Flügelwurzel liegt; (Das Vorzeichen des Anstellungsabstandes ist beliebig und für Zwecke dieser Anwendung haben wir der Vorwärtsanstellung wie oben definiert ein negatives Vorzeichen zugeordnet.) der Absolutwert des Betrages der Vorwärtsanstellung (k) nimmt monoton zu, während die radiale Position r von 0,75 R auf 1,0 R zunimmt, wobei R der Ventilatorradius ist; am bevorzugtesten nimmt auch die erste Ableitung des Absolutwertes der Anstellung
nach r (dk(r)/dr) monoton zu, während r von 0,75 R auf 1,0 R ansteigt;
c) der Flügel weist ein relativ großes Steigungsverhältnis (P/D) auf, das im allgemeinen über die gesamte Ausdehnung des Flügels mindestens gleich 0,6 ist; bevorzugter beträgt. P/D selbst bei Radien von 0,75 R bis 1,0 R mindestens 0,75; und am bevorzugtesten beträgt P/D in diesem Bereich mindestens 0,8; und
d) an irgendeiner gegebenen radialen Position r, wo r/R > 0, 75 ist, ist die Anstellung (k) im wesentlichen eine lineare Funktion der Mittelprofilsehnenwinkelverschiebung (ADMC) an der radialen Position r, ausgedrückt in Grad, mit einer Korrektur für die Profilsehnenposition der maximalen Wölbung, um ein radiales Gleichgewicht im Luftstrom aufrechtzuerhalten.
In bevorzugten Ausführungsformen, gilt in den Flügeln des Ventilators:
a) die Profilsehnenlänge C jedes Flügels, und am bevorzugtesten ihre erste Ableitung nach - der radialen Position (dC(r)/dr), steigt monoton an, während der Radius r von 0,75 R auf 1,0 R ansteigt;
b) der Absolutwert der Abschrägung (oder Winkelverschiebung) (Wie bei der Anstellung ist das Vorzeichen der Abschrägung oder Winkelverschiebung beliebig. Für Zwecke dieser Anwendung haben wir der Vorwärtsabschrägung ein negatives Vorzeichen wie oben definiert zugewiesen. Der Stirnkantenvorwärtspfeilung weisen wir jedoch ein positives Vorzeichen zu.) der Mittelprofilsehne jedes Flügels (ADMC), und am bevorzugtesten ihre erste Ableitung nach der radialen Position (ADMC(r)/dr), nimmt monoton mit ansteigender radialer Position r für Werte von r wo r/R > 0,75 zu;
c) der Absolutwert der Gesamt- (Wurzel-zu-Spitze-) Winkelverschiebung der Mittelprofilsehnenlinie (ADMC) jedes Flügels beträgt mindestens das 0,25-fache des Flügelabstandes (3 60º/N, wobei N = Anzahl der Flügel);
d) der Stirnkantenpfeilungswinkel (SLE) beträgt mindestens 50º an einem Punkt zwischen r/R = 0,9 und r = R;
e) das Verhältnis maximaler Wölbung zur Profilsehne (fmax/C) nimmt mit zunehmender radialer Position (d. h. die erste Ableitung nach dem Radius des maximalen Wölbung-zu-Profilsehne-Verhältnisses [dfmax/C(r)/dr] ist negativ) monoton ab und am bevorzugtesten ist die zweite Ableitung dieser Funktion [d²fmax/C(r)/dr²] positiv;
f) die Anstellung k ist eine lineare Funktion der Mittelprofilsehnenwinkelverschiebung, korrigiert um die Profilsehnenposition der maximalen Wölbung (Xfmax) durch eine spezielle Funktion, die unten erklärt und in Fig. 3 dargestellt wird, k(rN) = A + B - C;
g) das Steigungsverhältnis P/D beträgt mindestens 0,8 bei allen Werten von r; und
h) das Steigungsverhältnis P/D nimmt monoton ab, während r von 0,75 R auf 1,0 R ansteigt.
Wie unten detaillierter beschrieben wird, erzeugen solche Ventilatoren einen Luftstrom, der eine verminderte radiale Stromkomponente am äußeren Radius aufweist, wo der Flügel stark vorwärts abgeschrägt ist. [In diesem Zusammenhang bedeutet radiale Stromkomponente eine Stromkomponente in einer Richtung senkrecht zum erwünschten axialen Strom, und ebenso senkrecht zum tangentialen Strom.]
Der radiale Zustromimpuls kann gesteuert werden, so daß der Sogdurchmesser groß und die Stromgeschwindigkeit niedrig ist, wodurch der Gesamtventilatorwirkungsgrad verbessert wird. Insbesondere nimmt die Verlustenergie gemäß der Funktion 1/WD&sup4; zu, während WD (der Sogdurchmesser) fällt.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen davon hervorgehen (inklusive der Zeichnungen).
Wir werden zuerst kurz die Figuren beschreiben:
Fig. 1A und 1B sind axiale Projektionen eines Ventilatorflügels, die den Stirnkantenpfeilungswinkel (SLE) bei Radius R3, die radiale Position (r), die Mittelprofilsehnenlinie (MCL), die Winkelverschiebung der Mittelprofilsehnenlinie (ADMC) zwischen R&sub1; = r(Nabe) und R&sub2; = R, die Linie, die durch Punkte maximaler Wölbung (fmax) definiert werden, und die Hinterkante (TE) definiert.
Fig. 2 ist eine Projektion eines Flügels, die die Abschrägung und Wölbung ohne Anstellungskorrektur der Lage der maximalen Wölbung (Xfmax) zeigt.
Fig. 3 stellt die Korrektur der Anstellung (k) für die Profilsehnenposition der maximalen Wölbung Xfmax dar.
Fig. 4A-4D zeigen Flügelprojektionen in ihren anstellungskorrigierten Positionen für vier gleichmäßig beabstandete Werte von r.
Fig. 5 ist ein Graph, der verschiedene Kennlinien des Flügels aus Fig. 4 als eine Funktion der radialen Position darstellt.
Fig. 6A, 6B, 7, 8, 9, 10, 11A, und 11B sind Ventilatorteilstücke, die Statorschaufeln zeigen, die, den Wiederumlaufluftstrom steuern.
Bevor spezifische Kunststoffventilator- und Gehäusekombinationen, die die Erfindung ausführen, beschrieben werden, werden wir kurz die in dieser Anmeldung verwendeten Ausdrücke unter Bezugnahme auf die Zeichnungen definieren.
Der Vorwärtspfeilungswinkel ("S") einer speziellen radialen Funktion, wie der axialen Projektion der Stirnkante (SLE), wird in Winkeleinheiten als der Winkel S zwischen einem Radius (R&sub3; in Fig. 1B) durch einen Punkt r auf der fraglichen radialen Funktion und einer Tangente T an die Funktion beim Punkt r ausgedrückt. Folglich stellt Fig. 1B die Vorwärtspfeilung der Stirnkante (SLE) von Flügel 5 bei r dar. Fachleute werden verstehen, daß die Vorwärtspfeilung anderer radialer Funktionen, wie der Hinterkante, der Mittelprofilsehnenlinie und der radialen Funktion maximaler Wölbung (fmax(r)) ähnlich dargestellt werden kann.
Abschrägungswinkel oder Netto-Winkelverschiebung ("AD") einer bestimmten radialen Funktion von r&sub1; bis r&sub2;, wie der Mittelprofilsehnenlinie ("MCL"), ist der Winkel zwischen einem Radius durch r&sub1; und einem Radius durch r&sub2;. Wie in Fig. 1A gezeigt wird, ist der ADMC der Winkel zwischen Radius R&sub1; (durch MCL an der Nabe) und R&sub2; (durch MCL bei r = R).
Das Steigungsverhältnis P/D ist die Steigung P (der axiale Abstand 2πr·tanβ, wobei β der Flügelwinkel ist; siehe Fig. 2 und 3) geteilt durch D, den Ventilatordurchmesser. Der Flügelwinkel β ist der Winkel auf einem Zylinder mit dem Radius r zwischen der Nasen-Schwanz-Linie der Profilsehne C und der Rotationsebene, wie in Fig. 2 gezeigt und unten erörtert wird.
Fig. 2 zeigt zwei Flügelteilstücke (bei Profilsehnen für die Radien "m" bzw. "n"). In Fig. 2 ist die Koordinate Z die Rotationsachse der Ventilatorrotation und ist die Koordinate Y ein Schnitt der Ventilatorrotationsebene mit dem Teilstück. Der Flügelprofilsehnenabstand C ist die Länge der Nasen- Schwanz-Schnittlinie mit einem Zylinder mit dem Radius r. Die Mittelprofilsehnenlinie (MCL) ist die Linie, die durch die Mitte der Flügelprofilsehnen-Nasen-Schwanz-Linien C definiert wird, während r sich von der Nabe zu R hin verändert. Siehe Fig. 1A. Die Flügelwölbung f an der radialen Position r ist die Länge einer Linie, die senkrecht auf der Nasen-Schwanz- Linie der Profilsehne C bei einem bestimmten Abstand X von der Stirnkante der Profilsehne C steht. Die radiale Funktion maximaler Wölbung ist eine Linie, die durch die Punkte maximaler Wölbung (fmax) für die Profilsehnen bei Radius r definiert wird, während sich der Radius r von der Nabe zu R verändert. Siehe Fig. 1A. Die Profilsehnenlage der maximalen Wölbung wird dimensionslos ausgedrückt als der Abstand X längs der Profilsehne von der Stirnkante geteilt durch die gesamte Profilsehnenlänge C.
Anstellung (k) ist der axiale Versatz an der Mittelprofilsehne. Fig. 3 stellt (im Gegensatz zu Fig. 2) die Anstellungskorrektur als eine Funktion der radialen Position dar. Insbesondere in Fig. 2 gibt es keine Anstellungskorrektur. In Fig. 3 ist die Position der Profilsehne n bezüglich Profilsehne m korrigiert, in Übereinstimmung mit der Funktion, die unten ausführlich behandelt wird.
Im allgemeinen werden die Ventilatorflügel (insbesondere die Anstellung, Abschrägung, und Profilsehnenposition maximaler Wölbung der Flügel) koordiniert, um die Tatsache zu berücksichtigen, daß der Auftriebsvektor eines tragflächenartig geformten Flügels senkrecht zur lokalen Stromlinie und zur Tragfläche liegt. Koordination der Flügelkonstruktion vermeidet beliebigen Spannweitenauftrieb und die Einführung einer radialen Komponente in den Luftstrom mit damit verbundener Unwirksamkeit.
Die radiale Verteilung der Abschrägung oder Mittelprofilsehnenwinkelverschiebung (ADMC (r)) und die radiale Verteilung der Stirnkantenpfeilung (SLE (r)) werden ausgewählt, um niedrige Geräuschpegel zu erreichen. Die Stirnkantenpfeilung und daher die Vorwärtsabschrägung ist an der Spitze des Flügels hoch, wo die Geschwindigkeit hoch ist und wo der Flügel und das Band sich schneiden. Im allgemeinen muß, um bedeutende Geräuschvorteile zu erreichen, der Vorwärtspfeilungswinkel der Stirnkante an der Spitze beträchtlich sein (z. B. > 50º). An der Wurzel ist die Stirnkantenpfeilung und daher die Abschrägung niedrig, weil die Geschwindigkeit (Geräuschpotential) niedrig und die Flügelbelastung am höchsten ist. Eine Stirnkantenpfeilung nahe der Nabe wird auch vermieden, weil sie die verfügbare Profilsehnenlänge verringert, wo Ventilatoren durch Spritzguß hergestellt werden müssen, damit ein Flügel nicht vom nächsten abgedeckt werden kann. Im allgemeinen ist die Abschrägung durch die Profilsehnenlänge an der Spitze begrenzt. Die Hinterkante an der Spitze muß auf in Umfangsrichtung stromabwärts von der Stirnkante an der Wurzel liegen. Die Winkelverschiebung wird so gestaltet werden, daß ein Radius, der durch die Stirnkante an der Wurzel läuft, an der Spitze ungefähr in der Mitte der Profilsehne liegt. Die Stirnkantenwinkelverschiebung in Grad wird größer werden, wenn die Flügelprofilsehnenlänge zunimmt. Auch wird die Verschiebung mit kleinerer Flügelanzahl größer werden.
Weil die Ventilatorkonstruktion sorgfältig abgestimmt wird, können relativ große Steigungsverhältniswerte (P/D) verwendet werden. Spitzensteigungsverhältniswerte > 0,8 sind als annehmbar befunden worden und die nach innen gerichtete Steigung der Spitze ist größer als die Spitzensteigung. Typischerweise ist die Wölbung f/C an der Wurzel am höchsten, wobei sie beständig zur Spitze hin abnimmt. Typische Werte sind f/C Wölbung (an der Nabe) f/C = 0,10 und bei R, f/C < 0,04.
Unser Ventilator kann Anstellungskorrekturen einschließen, die die aerodynamische Belastung gleichmäßig über den gesamten Flügel verteilen. Das stark vorwärts abgeschrägte dreieckige Stück des Flügels an der Spitze kann absichtlich unbe lastet gelassen oder mit einer leicht negativen Belastung versehen werden, um Geräusche zu vermindern.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird, um eine Anstellungskorrektur hinzuzufügen, der dreidimensionale Flügel graphisch gezeichnet, so daß Profilsehnenteilstücke relativ zu einem gemeinsamen oder Hauptradialstrahl m aufeinandergeschichtet sind. Es ist dann möglich, die Anstellungskorrekturen k(r), die benötigt werden, um die Profilsehnenteilstücke näherungsweise auf diesen gemeinsamen Strahl zu bewegen, zu berechnen. Jegliche radiale Komponente des lokalen Auftriebsvektors (d. h. eine Senkrechte zur Tragfläche) wird minimiert, um ein radiales Gleichgewicht im Ventilatorstrom aufrechtzuerhalten.
Insbesondere ist die Anstellung eine lineare Funktion der Mittelprofilsehnenabschrägung, korrigiert um die Profilsehnenposition maximaler Wölbung (Xfmax), wie folgt. Die radiale Funktion der Anstellung k(rn) = A + B - E, wobei
A = π/180 · ADMCL(rn) · rn · tanβ(rn);
B = C(rm)(0,5 - Xfmax(rm) · sinβ(rm); und
E = C(rm)(0,5 - Xfmax(rm)) · cosβ(rm) · tanβ(rn) ist.
In den oberen Gleichungen ist rn = der Radius auf irgendeiner gegebenen Profilsehne n; rm = der Radius der Hauptprofilsehne, die mit m bezeichnet ist. G ist die Lage von fmax an Profilsehne m. LE und TE sind die Stirnkante und Hinterkante von Profilsehne n ohne die Anstellungskorrektur. LE' und TE' sind die Stirnkante und Hinterkante von Profilsehne n nach der Anstellungskorrektur. H ist der Mittelprofilsehnenpunkt der Nasen- Schwanz-Linie N. Fig. 3 definiert und stellt S(rn), β, und A, B, E, G, und H dar. Der Punkt maximaler Wölbung auf Profilsehne n (fmax) wird für die unkorrigierten und für die korrigierten Positionen der Profilsehne n gezeigt. Eine zusätzliche Korrek tur für fmax(n) ist prinzipiell täglich, aber diese Korrektur ist so klein, daß sie für den richtigen Betrieb des Ventilators nicht notwendig ist.
Fig. 4A-4D stellen beispielsweise einen speziellen Ventilator (benannt 7FS2) dar. Insbesondere zeigen Fig. 4A-D vier Flügelteilstücke in gleichmäßig beabstandeten radialen Abständen, wobei 4A das nächste zur Nabe und 4D das nächste zur Spitze ist.
Der 7FS2-Ventilator ist ein 7-flügliger Ventilator, konstruiert, um Computereinrichtungen zu kühlen. Die Steigung und Wölbung an jedem Radius sind ausgewählt worden, um einen statischen Druckanstieg zu erreichen, der unabhängig vom Radius r ist. Die Winkelverschiebung ADLE der Stirnkante (Nabe-zu- Spitze) beträgt 21º. Der Flügelabstand (Winkelverschiebung von entsprechenden Positionen angrenzender Flügel) beträgt 51,4º. Die folgende Tabelle stellt Werte für das Wölbungsverhältnis (f/C), die Profilsehnenposition maximaler Wölbung (XFAX/C) gemessen von der Stirnkante, das Steigungsverhältnis (P/D), die Profilsehnenlänge C/D und die Anstellung/D als eine Funktion der radialen Position r als ein Bruchteil des Ventilatorradius R bereit. Tabelle 1 Tabelle 1
a. Negative Anstellung bedeutet, das Teilstück liegt axial vor oder "stromaufwärts" von der Wurzel.
b. Negative Verschiebung bedeutet, das Teilstück liegt tangential vor oder "stromaufwärts" von der Wurzel.
Fig. 5 ist ein Graph, der die Werte der Tabelle 1 als eine Funktion der radialen Position zeigt.
Die Fig. 6-10 stellen eine Ventilatorquerschnittsansicht von Leckstatorgliedern dar, die zwischen dem Umfangsband des Ventilators und dem Gehäuse, in welchem der Ventilator rotiert, angeordnet sind.
Fig. 6A stellt einen Ventilator 20 teilweise im Schnitt dar. Achse A zeigt die Richtung des axialen Luftstroms, der vom Ventilator 20 erzeugt wurde. Flügel 22 endet am Ventilatorumfang im Band 24. Das Gehäuse 26 schließt die Leckstatoren 28 ein. Das Band 24 endet an seiner stromabwärts gelegenen Kante in einer Lippe 30. Als ein Ganzes bilden Band 24 und Gehäuse 26 einen Kanal 32 zum Wiederumlauf von Luft von der stromabwärts gelegenen Seite des Ventilators 20. Der Wiederumlaufluftstrom fließt einen gewundenen Weg durch die Beschränkung 34, die zwischen Lippe 30 und Lippe 31 am Gehäuse 26 ausgebildet ist. Nachdem er durch die Beschränkung 34 ausgeströmt ist, wird der Strom in die Statoren 28 mitgerissen, wo die Rotation weggenommen wird. Der Luftstrom wendet um 90º, um die Strecke längs des Kanals 32 und heraus zurückzulegen. Der Auslaß 36 wird zwischen der stromaufwärts gelegenen Kante von Band 24 und dem Gehäuse 26 ausgebildet. Vorzugsweise ist die Breite der Beschränkung 34 so schmal, wie es die Herstel lungsprozesse erlauben, um ein Leck und den daraus folgenden Energieverlust zu minimieren. In der Praxis kann die Breite der Beschränkung 34 zwischen 0,005D und 0,02D liegen (wobei D = der Ventilatordurchmesser), um einen Strahl zu erzeugen, um den Leckstrom in die erfindungsgemäßen Statoren mitzureißen. Die Breite des Auslasses 36 beträgt mindestens das Zweifache der Breite des Einlasses 34. Ein Ansteigen der Breite des Auslasses vermindert die Geschwindigkeit des Leckstroms und vermindert folglich die Stromunterbrechung während der Wiederumlaufstrom in den Hauptstrom eintritt. Die Statoren 28 sind radial ausgerichtet und sie sind von 1/8 bis zu 1/2 Zoll (0,3175 cm bis 1,27 cm) voneinander um den Umfang herum beabstandet, mit dem kleinen Abstand für sehr kleine Ventilatoren. Die Statoren schließen einen sich axial erstreckenden Abschnitt 28a und einen sich radial erstreckenden Abschnitt 28b ein.
Fig. 6B ist eine Ansicht längs 6B-6B aus Fig. 6A, die die Statoren 28 zeigt.
Fig. 7 ist zu Fig. 6A ähnlich und ist speziell konstruiert für einen Ventilator 40, der in einer Verkleidung 42 untergebracht ist, welcher den Luftstrom durch einen Kühler (nicht gezeigt) stromaufwärts vom Ventilator steuert. Die Leckstatoren 44 sind L-förmig radial. Die Lippe 46 bildet mit der Lippe 47 einen Beschränkungseinlaß 48. Die Dimensionen von Einlaß 48 und Auslaß 50 sind dieselben, wie oben für Fig. 6B beschrieben.
Fig. 8 beschreibt einen Ventilator 60, in welchem das Gehäuse 62 eine Rohrleitung oder eine Verkleidung ist und Statoren 64 eher stromaufwärts als stromabwärts vom Band 66 aufweist. Die Beschränkung 70 ist zwischen der stromaufwärts gelegenen Kante von Band 66 und der Rohrleitung 62 ausgebildet. Noch einmal liegt diese Beschränkung in der Größenordnung von 0,005D-0,02D. Der Wiederumlaufluftstrom wird in die Statoren 64 mitgerissen und geht durch die offene Seite der Schlitze 64 ab.
In Fig. 9 weist der Ventilator 80 ein Band 82 mit einer stromaufwärts gelegenen. Kante auf, die sich axial zurück wendet, um eine Lippe 84 auszubilden. Die Verkleidung 86 schließt Leckstatoren 88 ein. Eine Lippe 90 an der Verkleidung 86 bildet eine Beschränkung 92 im Wiederumlaufweg, welche den Luftstrom den Statoren 88 und von dort dem Auslaß 94 zuführt. Wie bei den anderen Konfigurationen ist der Auslaß mindestens zweimal so breit wie die Beschränkung.
In Fig. 10 weist das Band 100 des Ventilators 101 eine Hinterlippe 102 auf, welche die Beschränkung 103 mit der Verkleidung 104 ausbildet. Leckstatoren 105 erstrecken sich von der Verkleidung 104, um den Auslaß 106 mit der axialen Vorderkante des Bandes 100 auszubilden.
Die Fig. 11A und 11B zeigen einen Ventilator 110, der ein Band 112 und ein umgebendes Gehäuse 114 aufweist, welche einen Wiederumlaufkanal ausbilden. Der Einlaß 116 in den Kanal ist radial ausgerichtet, um den radialen Luftstrom zum stromaufwärts (aus der Perspektive des Wiederumlaufluftstroms) gelegenen Abschnitt 118 des Stators 120 mitzureißen und zu liefern. Der Wiederumlaufluftstrom geht durch den begrenzten Auslaß 122 ab, welcher zwischen Bandlippe 124 und Gehäuse 114 gebildet wird.
Anders als in der zuvor beschriebenen Ausführungsform in dem Ventilator der Fig. 11A und 11B liegt die Beschränkung stromabwärts von den Statoren und beschleunigt daher nicht den Luftstrom, um den Luftstrom in die Statoren mitzureißen. Die Ausführungsform der Fig. 11A und 11B ist effektiv, weil die Zentrifugalkraft die Leckage in die Statoren wirft. Die Statoren erstrecken sich fast bis zu der Lippe des Deckbandes. Der zurückzuführende Strom trifft nicht auf genügend Oberflä che, um von den Statoren entfernte Wirbel zu erzeugen. Die Querschnittsfläche des Durchganges (d. h. die Fläche zwischen den Statoren 118 in einem Teilstück, das in einer Ebene senkrecht zur Achse genommen wird, wie gezeigt durch die schraffierte Fläche J, die durch 118, 118 und 114 in Fig. 11B begrenzt wird) sollte größer als die Gesamtfläche des zylindrischen Einlasses 116 sein.
Durch Entfernen der tangentialen Geschwindigkeit vom Wiederumlauf(Leck)strom, stellen die obenerwähnten Statoren den Flügeln einen sich besser verhaltenden Strom bereit, so daß die lokalen Flügelanstellwinkel im wesentlichen längs des gesamten Flügels richtig ist (einschließlich der kleinen ringförmigen Zone nahe dem Band, wo der Leckstrom wieder zum Flügel eintritt). Auf diese Weise werden Stromtrennung und Geräusch in dieser Zone gesteuert.
Am wichtigsten ist, daß der Strom die Leckstatoren im wesentlichen ohne Rotation oder Wirbelbewegung verläßt. Als ein Ergebnis erlauben die Statoren eine signifikante Verminderung der Breitbandgeräusche und Töne, die durch Wechselwirkung zwischen den Flügelstirnkanten und der Wirbelbewegung des rotierenden Leckstroms verursacht werden.

Claims

1. Vorrichtung, die einen Kunststoffventilator und ein Gehäuse in Kombination aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Ventilator, der eine Nabe aufweist, die um eine Achse rotiert, und Flügel, die sich auswärts von der Nabe zu einem kreisförmigen Band erstrecken, das die Flügelspitzen verbindet und angepaßt ist, um Luft durch das Gehäuse (Fig. 6, 7, 10 und 11) zu bewegen, wobei das Gehäuse so angeordnet ist, daß ein Luftstrom, der in den Ventilator eintritt, den Ventilator verläßt oder beides gesteuert wird, und wobei der Ventilator so angeordnet ist, daß Luft durch einen Wärmetauscher bewegt wird; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Abschnitt des Gehäuses (26, Fig. 6A) auswärts vom Band (24) angeordnet ist, daß das Band und das Gehäuse bemessen, konfiguriert und angeordnet sind, um. Laufzwischenräume zwischen dem Band und dem Gehäuse herzustellen, so daß sich der Wiederumlaufluftstrom in einem gewundenen Wiederumlaufweg zwischen dem Ventilator und dem Gehäuse bewegt, und dadurch, daß stehende Stromsteuerungsschaufeln (28) mit dem Gehäuse in einer Position verbunden sind, daß sie den Wiederumlaufluftstrom treffen und umlenken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiederumlaufweg einen im allgemeinen einwärts zeigenden Einlaß aufweist, um einen Luftstrom aufzunehmen, der im allgemeinen auswärts gerichtet ist, und dadurch, daß die stehenden Stromsteuerungsschaufeln (28) mit dem Gehäuse in einer Position verbunden sind, daß sie den Wiederumlaufluftstrom, der durch den Einlaß eintritt, treffen und umlenken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiederumlaufweg eine Beschränkung einschließt; und dadurch, daß die stehenden Stromsteuerungsschaufeln (28) angeordnet sind, um Luftstrom von der Beschränkung zu empfangen.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftstromwiederumlaufweg zwischen dem Ventilatorband (24) und dem Gehäuse (26) gebildet wird, und mindestens ein Abschnitt der Schaufeln (28) in dem Weg angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) eine Verminderung des inneren Radius an einer Lage hinter der Hinterkante des Ventilatorbandes aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 und Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der weg einen Einlaß (34, Fig. 6A; 116, Fig. 11A) aufweist, der zwischen dem Ventilatorband und dem Gehäuse gebildet wird, und mindestens ein Abschnitt der Schaufeln radial auswärts vom Wegeinlaß angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseradiusverminderung den Gehäuseinnenradius auf einen Radius vermindert, der kleiner ist als der Außenradius der Hinterkante des Ventilatorbandes.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (114, Fig. 11A) ein rückwärtiges Gehäusesegment aufweist, das sich von der Radiusverminderung rückwärts zum rückwärtigen Gehäuseende erstreckt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß in den Weg zwischen dem Gehäuse und der Hinterkante des Bandes gebildet wird, und dadurch, daß das Gehäuse (26, Fig. 6A) einen Abschnitt aufweist, welcher sich zuerst rückwärts und dann einwärts und vorwärts erstreckt, wobei er eine Tasche axial rückwärtig vom Einlaß bildet.

10. Vorrichtung nach. Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens ein Abschnitt der Schaufeln (28) in die Tasche erstreckt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt (28b, Fig. 6A) der Schaufeln axial rückwärtig von der Hinterkante (30) des Bandes liegt, und dadurch, daß die Schaufeln eine Verminderung des Radius an einer Position axial rückwärtig von der Hinterkante des Ventilatorbandes aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiederumlaufluftstromweg einen Auslaß (36, Fig. 6A) einschließt, der zwischen dem Gehäuse und einem auswärts sich aufweitenden Segment der Stirnkante des Ventilatorbandes gebildet wird.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (64, Fig. 8) mindestens teilweise stromaufwärts vom Ventilatorband angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Weges an der Beschrän kung weniger als halb so groß ist wie die Querschnittsfläche des Auslasses zu dem Weg.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Band eine Lippe (30 Fig. 6A) aufweist, die sich vom Band aus erstreckt, und die Beschränkung zwischen der Lippe und dem Gehäuse gebildet, wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Ansprüch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (64 Fig. 8) gänzlich stromaufwärts vom Ventilatorband angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator stromabwärts von einem Wärmetauscher angeordnet ist, wobei der Ventilator Luft durch den Wärmetauscher zieht.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Rohrleitung ist.

19. Fahrzeugkühlsystem, das einen Fahrzeugkühlwärmetauscher und einen Ventilator und Gehäuse wie in Anspruch 1 definiert aufweist.

20. Verfahren, Luft durch einen Wärmetauscher oder eine Rohrleitung zu bewegen, das das Bereitstellen eines Ventilators und Gehäuses in Position aufweist, wie in einem der Ansprüche 1 bis 18 definiert, um Luft durch einen Wärmetauscher oder eine Rohrleitung zu bewegen, und den Ventilator zu betreiben.