DE19703292A1 - Ventilatorrad mit großem Breitenverhältnis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein im wesentlichen radial durchströmtes Laufrad mit großem Breitenverhältnis b₂/D im Bereich von 0,3 bis 0,6 für Radialventilatoren.

Bekannt sind Ventilatorlaufräder mit Breitenverhältnissen b₂/D < 03 und relativ großen Durchmesserverhältnissen d₁/D = 0,8 bis 0,85. Ihre Eintritts- und Austrittskanten verlaufen im wesentlichen parallel zur Drehachse des Ventilators. Wegen ihrer äußeren Form werden sie auch Trommelläufer genannt. Sie haben meist stark vorwärts gekrümmte Laufschaufeln mit Schaufeleintrittswinkeln von β₁ ≈ 90° und Austrittswinkeln bei β₂ ≈ 170° und arbeiten dadurch im Punkt maximalen Wirkungsgrades bei einer großer Volumenzahl ϕ von 0,4 bis 0,8 und großer Druckzahl ψ von 2,5 bis 3. Diese vorwärts­ gekrümmten Schaufeln sind auch trotz der großen Laufrad breite relativ stabil gegen Fliehkräfte. Durch die große Druckzahl und Leistungszahlen λ = ϕ . ψ im Bereich von 0,25 bis 4,0 können sie bei kleinen Einbaumaßen mit relativ kleinen Drehzahlen laufen.

Der großer Nachteil dieser Radialräder besteht darin, daß im Schaufelgitter der größte Teil der dem Laufrad zugeführten Antriebsenergie nicht in statische Druckenergie, sondern in dyna­ mische Energie umgesetzt wird. Diese kann nur zum Teil und stark verlustbehaftet im nachfolgend notwendigen Spiralgehäuse verzö­ gert und in statischen Druck umgesetzt werden.

Ein weiterer Nachteil ist, daß die absolute Abströmgeschwindigkeit c₃ durch die Kombination der hohen Druckzahl mit der großen Lieferzahl

ϕ_r = c_{2,r /u 2} = ϕ D/(4 b₂)

nach der Eulergleichung für drallfreie Zuströmung

cotg α₃ = ψ_th/(2 ϕ_r)

mit einem relativ kleinen Austrittswinkel α3 aus dem Laufrad heraus tritt.

Darüber hinaus werden wegen der relativ großen Breite der Laufräder die Eintrittskanten der Laufschaufeln besonders im Bereich der Tragscheibe ungleichmäßig angeströmt. Dadurch und durch die vorwiegend zylindrisch/prismatische Ausführung der Schaufeln sind die Wirkungsgrade solcher Ventilatoren relativ gering und kommen kaum über 70%.

Die Verluste durch den niedrigen Wirkungsgrad, die ungleichmäßi­ ge Anströmung und die hohen und unterschiedlichen Geschwindig­ keiten im und hinter dem Laufrad sind auch mit die Ursachen dafür, daß der spezifische Schalleistungspegel ca. 10 dB(A) höher als bei üblichen Hochleistungs-Radialventilatoren liegt.

Deshalb wurden für breite Ventilatoren mit einem Durchmesserver­ hältnis um 0,7 und einem Breitenverhältnis b2/D größer 0,2 mit­ rotierenden Multiradialdiffusoren vorgeschlagen (DE 39 19 111 A1). Diese konnten die oben genannten Nachteile, wie die hohen Austrittsverluste bei vorwärts gekrümmten Schaufeln mit großer Druckzahl oder die geringe Festigkeit bei rückwärts gekrümmten Schaufeln nur verringern. Die Nachteile einer ungünstigen Beauf­ schlagung der Schaufelgitter verbunden mit den ungünstigen Geschwindigkeitsprofilen im Abströmbereich der Schaufelgitter konnten aber nicht beseitigt werden.

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Verbesserung der Energieökonomie, des akustischen Verhaltens und der Festigkeit zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im wesentlichen radial durchströmtes, breites Laufrad mit einem Breitenverhältnis b₂/D im Bereich von 0,3 bis 0,6 für Radialventilatoren bei gleich­ zeitig großer Druckzahl ψ und großer Volumenzahl ϕ und damit großer Leistungszahl λ = ψ . ϕ zu schaffen und dabei den Wir­ kungsgrad η zu verbessern, den spezifischen Schalleistungspegel L_W,spez zu verringern und die Festigkeit des Rades zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst, indem bei einem Laufrad von im wesent­ lichen radialer Bauart mit einem Breitenverhältnis b₂/D im Bereich von 0,3 bis 0,6 die radiale Erstreckung (D-d₁)/D des Schaufel­ gitters von dem Bereich der Tragscheibe an bis zur Deckscheibe hin abnimmt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Schaufelbereiches kann im Bereich der Tragscheibe ein Schaufelgitter Anwendung finden, in welchem die in einem Gitter einer Arbeitsmaschine starke Belastung der Grenzschicht durch einen längeren Schaufelkanal in Grenzen gehalten und deren vorzeitiger Ablösung vorgebeugt wird. Damit wird die bei üblichen Trommelläufern ungünstige Durch­ strömung der Schaufelschnitte bzw. Schaufelprofile im Bereich der Tragscheibe infolge kleinerer Geschwindigkeiten als im Deckschei­ benbereich vermieden. Weiter wird durch die erfindungsgemäße Ausführung der Schaufeln die Steifigkeit des Rades erhöht und dessen Festigkeitsverhalten verbessert.

Die erfindungsgemäße Ausführung verbunden mit dem Anstieg der Schaufelaustrittskante von der Deckscheibe zur Tragscheibe hin wirkt zusätzlich der ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung im schaufelfreien Raum hinter dem Laufrad entgegen. Damit wird die Anfangsbedingung für einen nachfolgenden Diffusor verbes­ sert, der bekanntlich nur bei einem ordentlichen Zuströmprofil gut arbeiten kann.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Ausführung des Laufrades kann erhöht werden, indem die radiale Zuströmung zum Gitter im Bereich der Tragscheibe durch die Neigung der Tragscheibe ent­ gegen der Anströmrichtung des Rades zur Drehachse gleich­ mäßiger gemacht wird. Als zusätzlicher Effekt stellt sich eine höhere Festigkeit durch die Verbesserung der Steifigkeit der Tragscheibe ein.

Um die hohen Geschwindigkeiten hinter dem Laufrad effektiv abzubauen, hat sich eine Kombination der erfindungsgemäßen Ausführung mit einem an sich bekannten mitrotierenden Diffusor bewährt, der durch die Verlängerung der Deck- und/oder Trag­ scheibe von D auf d₃ entstanden ist. In diesen Diffusoren ist ein starker Druckanstieg durch das radiale Abschleudern der Grenz­ schicht infolge der Fliehkraft möglich. Dieser Effekt ist so groß, daß trotz der unvermeidlichen Nachlaufdellen hinter den Laufschaufeln ein zusätzlicher Druckanstieg durch eine weitere Verzögerung der Austrittsgeschwindigkeit infolge der Erweiterung der Laufradbreite b von b₂ auf b₃ in radialer Richtung möglich ist. Der Übergang von Deck- und Tragscheibe zu den Diffusorscheiben sollte vorzugswei­ se abgerundet sein.

Schließlich können durch die Kombination der erfindungsgemäßen Ausführung mit geeigneten Schaufelgittern weitere Verbesserun­ gen erreicht werden. Hierzu kann jede zweite bzw. n.-te Schaufel im Bereich der Tragscheibe verkürzt sein. Damit können z. B. Geschwindigkeitsüberhöhungen im Bereich des Gittereintrittes vermieden werden, die bei kleinen Durchmesserverhältnissen durch die endliche Schaufeldicke möglich sind. Darüber hinaus können durch den Versatz der kürzeren Schaufeln in Richtung zu den längeren Schaufeln hin die Geschwindigkeitsverteilungen auf den Schaufeln und deren Nachlaufdellen günstig beeinflußt werden. Akustisch günstig wirkt sich weiter aus, wenn die Schaufeln bzw. deren Austrittskanten schräg zur Richtung der Drehachse bzw. zur Anströmrichtung geneigt sind.

An Hand von Zeichnungen sollen im folgenden Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt den Meridianschnitt eines erfindungsgemäßen Lauf­ rades, bei dem die radiale Erstreckung (D-d₁)/D des radialen Schaufelgitters 1 vom Bereich der Tragscheibe 2 bis zur Deck­ scheibe 3 hin abnimmt.

In Fig. 2 nimmt die radiale Erstreckung der radialen Schaufelgitter erfindungsgemäß von der Tragscheibe bis zur Deckscheibe ab, wobei gleichzeitig der Außendurchmesser D der Schaufelgitter ab- und der Eintrittsdurchmesser d₁ zunimmt.

In Fig. 3 ist die Tragscheibe 5 entgegen der Anströmrichtung zur Drehachse des Laufrades hin geneigt.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhaft erfindungsgemäße Ausführung, welche auf der Deckscheibe bei einem Radienverhältnis d₁/D ≈ 0,5 beginnt und auf der Deckscheibe bei ≈ 0,75 endet.

Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäß ausgeführtes Laufrad, dessen Tragscheibe 2 und Deckscheibe 3 durch Vergrößerung über den Schaufelaustrittsdurchmesser D hinaus bis d₃ als Begrenzungen eines mitrotierenden Radialdiffusors ausgebildet sind.

In Fig. 6 sind das Diffusorteil 6 der Tragscheibe 2 und das Diffusorteil 7 der Deckscheibe 3 so angeordnet, daß eine Erwei­ terung der Gitterbreite b von b₂ auf b₃ in Strömungsrichtung erfolgt.

In Fig. 7 ergänzt eine zusätzliche Diffusorscheibe 8 den Radialdif­ fusor zu einem radialen Multidiffusor.

Fig. 8 zeigt den Meridianschnitt eines erfindungsgemäß ausgeführ­ ten Radialrades, bei dem die Schaufelhinterkanten zur Aufnahme der zusätzlichen Diffusorscheibe 8 abgesetzt (a) und die Über­ gänge vom Gifterbereich zum Diffusor abgerundet sind.

Fig. 9 bis 11 zeigen in Verbindung mit erfindungsgemäßen Ausführungen vorteilhafte Gitterausführungen.

In Fig. 12 sind die Schaufeln bzw. deren Austrittskanten zur Richtung der Drehachse A bzw. zur Anströmrichtung R geneigt.

Claims (13)

1. Ventilatorrad mit großem Breitenverhältnis b₂/D im Bereich von 0,2 bis 0,6 und vorwiegend radialer Durchströmung, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Erstreckung (D-d₁)/D des radi­ alen Schaufelgitters (1) von dem Bereich der Tragscheibe (2) bis zur Deckscheibe (3) hin abnimmt.

2. Ventilatorrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskanten (4) der Schaufeln von der Deckscheibe (3) zur Tragscheibe (2) hin ansteigen, wobei der Gitteraustrittsdurch­ messer D zunimmt.

3. Ventilatorrad nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tragscheibe (5) entgegen der Anströmrich­ tung (R) zur Drehachse (A) des Laufrades hin geneigt ist.

4. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Schaufelgitter (1) auf der Tragscheibe (2) beim Radienverhältnis d₁/D größer/gleich 0,5 beginnt und auf der Deckscheibe (3) bei größer/gleich 0,75 endet.

5. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Tragscheibe (2) und Deckscheibe (3) über den Schaufelaustrittsdurchmesser D hin­ aus bis d₃ vergrößert sind und einen mit rotierenden Radialdiffu­ sor (6, 7) bilden.

6. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusorteil (6) der Trag­ scheibe (2) und /oder das Diffusorteil (7) der Deckscheibe (3) so angeordnet sind, daß eine Erweiterung der Laufradbreite b von b₂ auf b₃ in Strömungsrichtung erfolgt.

7. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere zusätzliche Diffusorscheiben (8) einen radialen Multidiffusor ergeben.

8. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelhinterkanten im Bereich der zusätzlichen Diffusorscheiben (8) abgesetzt (a) sind.

9. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Erstreckung des mitrotierenden Radialdiffusors vorzugsweise das 1,2-fache des Gitteraustrittsdurchmessers D beträgt.

10. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge von der Trag- bzw. Deckscheibe zum rotierenden Radialdiffusor gerun­ det (g) sind.

11. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede zweite bzw. n.-te Schaufel (9) im Bereich (10) der Tragscheibe (2) bei einem größeren Radienverhältnis d₁'/D beginnt.

12. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kürzeren Schaufeln (9) in Richtung der längeren Schaufeln (11) versetzt sind.

13. Ventilatorrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln bzw. deren Austrittskanten (4) zur Richtung der Drehachse (A) bzw. zur Anströmrichtung (R) geneigt sind.