DE60114613T2

DE60114613T2 - Schaufel für axiallüfter

Info

Publication number: DE60114613T2
Application number: DE60114613T
Authority: DE
Inventors: Antônio Odilon CAMARGO DO AMARANTE
Original assignee: TECSIS Tecnologia e Sistemas Avancados Ltda
Current assignee: TECSIS Tecnologia e Sistemas Avancados Ltda
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-05-26
Also published as: CN1432110A; US20030165386A1; EP1290348B1; ES2252236T3; CN1153909C; AU2001261936A1; BR0003706A; DE60114613D1; US6779978B2; WO2001092726A1; ATE308680T1; EP1290348A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Flügel für Axiallüfter, der Neuerungen hinsichtlich seiner Form derart aufweist, dass er einen geringeren Geräuschpegel und eine bessere Wirkung als ein Flügel gemäß dem Stand der Technik aufweist.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Axiallüfter werden in hohem Maße in vielen Industriezweigen angewendet, bei denen es notwendig ist, ein Gas, zum Beispiel Luft, zu bewegen. Unter den vielen Komponenten, aus denen ein Lüfter besteht, sind die Flügel die Elemente, die in hohem Umfang seine Wirkung und das Geräuschniveau beeinflussen. Die Konstruktion der weiteren Lüfterkomponenten, die zum Beispiel die Befestigungsstrukturen und den Lüfterkörper umfassen, ist relativ einfach zu lösen und im Stand der Technik gut bekannt. Aus diesem Grunde sollte eine erhöhte Aufmerksamkeit auf die Konstruktion des Flügels gerichtet werden, um einen Lüfter mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich des Geräuschpegels und der Wirkung zu erhalten.
Im Stand der Technik sind viele Flügel für Axiallüfter erhältlich, die mit Verbesserungen ausgestattet sind, um ihr Geräuschniveau zu reduzieren und ihre Wirkung zu erhöhen. In den US-Patenten Nr. 4,089,618 und Nr. 5,603,607 sind zum Beispiel Flügelblätter beschrieben, deren nachlaufende Ränder Nuten aufweisen oder sägezahnförmig ausgebildet sind, wobei in dem US-Patent Nr. 5,275,535 sowohl der vorlaufende als auch der nachlaufende Rand mit Nuten versehen ist. Darüber hinaus werden in den US-Patenten Nr. 5,326,225 und Nr. 5,624,234 Lüfterflügel mit ebener Gestalt beschrieben, die am vorderen und rückwärtigen Rand gekrümmt sind. Weiterhin beschreibt die WO 95/13472 verwunden ausgebildete Flügel mit nach Art eines Tragflügels ausgebildeten Abschnitten.
Auch wenn diese zitierten Patente tatsächlich eine Reduzierung des Geräuschniveaus und eine Erhöhung der Wirkung zeigen, ist die erhaltene Verbesserung relativ bescheiden. Zudem kann der erfinderische Schritt gemäß diesen Patenten nicht für alle Typen von Flügelblättern verwendet werden. Ein nachlaufender Rand mit Nuten oder mit einer Sägezahnform gemäß den US-Patenten Nr. 4,089,618 und Nr. 5,603,607 liefert zum Beispiel lediglich eine Verbesserung bei Flügeln mit sehr dünnem aerodynamischen Profil oder bei Flügeln, die durch ein gekrümmtes Blatt gebildet werden. Infolge dessen ist die Anwendung dieser Patente beschränkt.
Das Geräusch, das durch ein Flügelblatt erzeugt wird, stammt aus zwei Hauptquellen. Die erste Quelle ist das Überlaufen des Flügels während seiner Rotationsbewegung über Hindernisse, wie zum Beispiel die Stützeinrichtungen des Motors. Jedes Mal, wenn der Flügel über ein Hindernis hinweg läuft, wird eine Druckänderung an dem Hindernis erzeugt, was in einer Geräuschemission resultiert, wobei die Frequenz dieses Geräusches gleich der Rotationsfrequenz des Lüfters multipliziert mit der Anzahl von Flügeln ist. Diese Art von Geräuschen kann minimiert werden durch eine adäquate Wahl der Anzahl der Flügel und durch entsprechende Konstruktion der Hindernisse nahe der Rotationsebene des Flügels, sodass dieses in dem vorliegenden Patent nicht diskutiert wird. Die zweite Geräuschquelle ist die Emission von Wirbeln durch das Blatt. Wirbel werden an dem nachlaufenden Rand aufgrund der Erzeugung eines Auftriebes emittiert, wie dieses aus der klassischen Aerodynamiktheorie bekannt ist. Darüber hinaus tritt eine Wirbelemission ebenso auf, wenn an dem Flügel ein Strömungsabriss erfolgt. Diese emittierten Wirbel erzeugen Druckänderungen, die das Geräusch erzeugen. Im Gegensatz zu dem Geräusch, das erzeugt wird, wenn die Flügel über Hindernisse laufen, liefert das durch eine Wirbelemission erzeugte Geräusch nicht nur eine einzige Frequenz, sondern ein breites Frequenzband, das in Bezug zu der Größe der emittierten Wirbel steht.
Die vorliegende Erfindung gibt eine technische Neuerung hinsichtlich der Form eines Lüfterflügels an, die in einer geringeren Wirbelemission und daher in einer Reduzierung des durch den Lüfter erzeugten Geräuschniveaus resultiert. Eine geringe Wirbelemission bedingt auch einen geringeren Energiebedarf für den Lüfter, der bei der Wirbelerzeugung verbraucht wird, sodass ein höherer Energieanteil verwendet werden kann, um Arbeit auf das Fluid zu erzeugen. Aus diesem Grunde ergibt eine Reduzierung des Geräuschpegels eine Erhöhung der Wirkung des Lüfters.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegende Zeichnung illustriert einen Flügel mit niedrigem Geräusch und hoher Wirkung für Axiallüfter als Gegenstand des vorliegenden Patentes, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht des Lüfters darstellt.
2 einen Querschnitt des Lüfterflügels darstellt.
3 ein Diagramm der Verteilung der Verdrehung des Flügels über die Spannweite des Flügels zeigt.
4 eine Aufsicht auf den Flügel zeigt, das heißt eine Projektion der Flügelform in die Rotationsebene des Lüfters.
5 schematisch die Wirbelemission des Flügels darstellt.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Wie in 1 gezeigt, weist der Flügel für Axiallüfter mit niedrigem Geräuschpegel und hoher Wirkung für einen Axiallüfter 1, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ein vorderes Ende 2, nämlich einen vorlaufenden Rand, ein hinteres Ende 3, nämlich einen nachlaufenden Rand, und einen Schaft 4 auf, um den Flügel 1 mit der Lüfternabe zu verbinden. Das Ende des Blattes 1, das am nächsten zu dessen Rotationsachse liegt, wird als Wurzel 5 bezeichnet, wobei das äußere von der Rotationsachse entfernte Ende als Spitze 6 bezeichnet wird. Die Entfernung zwischen der Wurzel 5 und der Spitze 6 des Blattes wird als Spannweite bezeichnet.
Jeder Querschnitt des Flügels 1 hat die Form eines aerodynamischen Profiles, wie dieses in 2 dargestellt ist. Der vordere Rand 2 und der nachlaufende Rand 3 entsprechend der Darstellung in 1 teilen das aerodynamische Profil in eine untere Seite, das heißt die Druckseite und eine obere Seite 8, das heißt eine Sogseite. Die imaginäre Linie 9, die den vorderen Rand 2 mit dem nachlaufenden Rand 3 verbindet, wird als Profilsehne und deren Länge als Profillänge bezeichnet. Der Winkel zwischen der Profilsehne 9 und der Rotationsebene 10 des Flügels 1 wird als Anstellwinkel θ bezeichnet.
Aufgrund der Rotationsbewegung des Flügels ist die Richtung des Fluides, das auf den vorderen Rand 2 trifft, für jeden Querschnitt längs der Spannweite des Flügels unterschiedlich. Um daher die Wirkung des Flügels 1 zu optimieren, variiert der Anstellwinkel θ längs der Spannweite in solch einer Weise, dass diese Differenz in Richtung der Fluidbewegung kompensiert wird. Der Verlauf des Anstellwinkels längs der Spannweite ist in dem Graphen entsprechend 3 dargestellt. Der Anstellwinkel variiert von einem größeren Winkel θ_Wurzel im Bereich der Wurzel 5 bis zu einem kleinerem Winkel θ_Spitze in dem Bereich der Spitze 6 des Flügels 1.
Das Merkmal des Flügels 1, das gegenüber dem Stand der Technik neu und verantwortlich für die Verbesserungen im oben erwähnten Geräuschpegel und in der Wirkung ist, ist die Form des vorderen und nachlaufenden Randes. Wie in 4 dargestellt ist, in der eine ebene Aufsicht auf den Flügel 1 dargestellt ist, das heißt eine Projektion der Flügelform in die Rotationsebene, sind der vordere Rand 2 und der hintere Rand 3 nicht geradlinig. Der vordere Rand 2 und der hintere Rand 3 werden durch Linienabschnitte definiert, die untereinander vorgegebene Winkel so aufweisen, dass Vorsprünge 11 und Einbuchtungen 12 wie in 4 dargestellt, gebildet werden.
Die Form des Flügels 1 für den Axiallüfter erzeugt, wie in 1 dargestellt, eine Störung in dem Fluidfluss, sodass die Geschwindigkeit auf der Sogseite 8 höher als auf der Druckseite 7 ist. Demnach ist der Druck auf der Sogseite 8 niedriger als der Druck auf der Druckseite 7, was in der Erzeugung einer Auftriebskraft resultiert, die verantwortlich für die auf das Fluid ausgeübte Arbeit ist. Diese Arbeit auf das Fluid erzeugt den Druckanstieg und die Bewegung des Fluides, die Grundfunktionen eines Lüfters sind.
An der Spitze 6 des Flügels 1 verbindet sich das Fluid, das über die Druckseite 7 fließt, mit dem Fluid, das über die Sogseite 8 fließt. Aus diesem Grunde hat der Druck an der Spitze einen Zwischenwert zwischen dem niedrigeren Wert auf der Sogseite 8 und dem höheren Druck auf der Druckseite 7. Da ein Fluid immer die Tendenz hat, von einem Bereich mit höherem Druck zu einem Bereich mit niedrigerem Druck zu fließen, tendiert somit das Fluid auf der Sogseite 8 des Flügels dazu, von der Spitze 6 in Richtung auf die Wurzel zu fließen, wohingegen auf der Druckseite 7 des Flügels 1 das Fluid dazu tendiert, in die entgegen gerichtete Richtung zu fließen, das heißt von der Wurzel 5 in Richtung auf die Spitze 6. Aus diesem Grunde liegt im Bereich des rückwärtigen Randes eine Diskontinuität in Richtung des Fluides vor, das über die Sogseite 8 und die Druckseite 7 fließt, wodurch eine Wirbelemission an dem rückwärtigen Rand 3 erfolgt, wie dieses schematisch in 5 gezeigt ist. Wenn infolge dessen ein Auftrieb am Flügel 1 erzeugt wird, das heißt, wenn dort eine Druckdifferenz zwischen der Sogseite 8 und der Druckseite 7 vorliegt, wird eine Wirbelemission an dem rückwärtigen Rand 3 erzeugt.
Die Wirbelemission taucht bei jeder Art eines Lüfterflügels auf, wenn Auftrieb erzeugt wird. Aus diesem Grunde sind eine Geräuschemission und eine Verringerung der Wirkung aufgrund der Wirbelemission bei jeder Art eines Lüfterflügels unvermeidbar. Die technologische Innovation der vorliegenden Erfindung beruht daher auf der Form des Flügels 1, mit dem die Auftriebsverteilung auf dem gesamten Flügel 1 verändert wird und infolge dessen die globale Wirbelemission minimiert wird, was in einem geringeren Geräuschpegel und in einer höheren Wirkung resultiert.
Der Flügel für einen Axiallüfter 1 kann mit verschiedenen Materialien hergestellt werden. Das bevorzugte Material ist faserverstärkter Kunststoff aufgrund seiner Eigenschaften eines niedrigen Gewichtes, hoher Festigkeit und einer leichten Anpassung an komplizierte Formen, so wie die des Flügels 1. Andere Materialien können ebenso verwendet werden, so zum Beispiel Metall, Kunststoffe oder andere Arten von Kompositmaterialien.
Ein Axiallüfter mit mehreren Flügeln entsprechend dem Flügel 1 kann für verschiedene Anwendungen verwendet werden, bei denen es notwendig ist, ein beliebiges Gas zu bewegen. Unter diese Anwendungen fallen Lüfter für Tunnel, für den Bergbau, für Kühltürme, für Klimatisierungsgeräte, für die Kühlung von elektrischen Generatoren und für die Kühlung von Motoren.
In Berücksichtigung des breiten möglichen Anwendungsgebietes eines Flügels für Axiallüfter sind die in diesem Bericht präsentierten Figuren nicht im Maßstab und lediglich beispielhaft. Dementsprechend müssen die tatsächlichen Dimensionen des Flügels für eine spezifische Anwendung aus den entsprechenden Anforderungen für die Verwendung bestimmt werden. Darüber hinaus werden ebenso in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung unterschiedliche aerodynamische Profile, Verteilungen des Anstellwinkels und Anzahl der Vorsprünge 11 und Einbuchtungen 12 entsprechend dem Gegenstand der anhängenden Patentansprüche verwendet.

Claims

Gebläseflügel für einen Axiallüfter, dazu bestimmt, irgendein Gas zu bewegen, der aus einem vorderen Rand (2) und einem hinteren Rand (3), einer Druckseite (7) und einer Sogseite (8) besteht und zwar derart, dass jeder Querschnitt des Flügels eine aerodynamische Form aufweist und dass der Steigungswinkel θ jedes Querschnittes des Flügels fortschreitend variiert und zwar ausgehend vom Winkel θ_Wurzel in der Wurzelzone (5) des Flügels bis zum Winkel θ_Spitze in der Spitzenzone (6) des Flügels, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Rand (2) und der hintere Rand (3) durch Linienabschnitte definiert werden, zwischen denen bestimmte Winkel gebildet werden, derart, dass am vorderen Rand (2) und am hinteren Rand (3) Vorsprünge (11) und Einbuchtungen (12) gebildet werden.