DE69616562T2 - Halbaxialgebläse - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Mischgebläse, wie etwa Gebläse zum Bewegen von Luft oder anderen Gasen.
• Es wurden verschiedene motorgetriebene Gebläseanordnungen vorgeschlagen, um jeweilige verschiedene Anforderungen an Arbeitsweise, Geräuscherzeugung, Kosten etc. zu erfüllen.
• Die Fig. 1 und 2 stellen schematische End- bzw. Seitenschnittansichten eines Axialgebläses dar. Das Gebläserad umfaßt eine Anzahl von Luftschaufeln 10, welche an einer zentralen Nabe 20, welche generell in einer festen Verkleidung 30 eingeschlossen ist, angebracht sind. Das Gebläserad wird durch einen Motor 40 angetrieben, und Luft wird durch das Gebläserad in eine Richtung 50 getrieben, welche im wesentlichen entlang der Drehachse der Gebläseschaufelanordnung verläuft.
• Axialgebläse liefern große Volumenstromgeschwindigkeiten von Luft, arbeiten jedoch bei relativ niedrigen Drücken. Wenn der Druck steigt, neigt das Gebläse zum Stillstand.
• Die Fig. 3 und 4 der beigefügten Zeichnung stellen schematische End- und Seitenschnittansichten eines Radialgebläses dar. Dieser Typ eines Gebläses umfaßt Schaufeln 60, welche an einer Drehnabe 70, welche durch einen Motor 80 angetrieben wird, angebracht sind, wobei das Gebläse ein Gehäuse 90 aufweist, welches ermöglicht, daß Luft generell längs der Drehachse der Schaufelanordnung eintritt, jedoch lotrecht zur Eintrittsrichtung austritt.
• Bei dem Radialgebläse wird Luft durch eine Bewegung der Schaufeln 60 zwangsweise in Drehung versetzt und wird durch die Zentrifugalwirkung nach außen zu der Austrittsöffnung 100 hin geschleudert. Radialgebläse sind für eine Arbeitsweise mit geringem Volumen, doch hohem Druck, bekannt, generell ohne die Stillstandsprobleme, welche Axialgebläse aufweisen. Die Gebläse sind jedoch generell nicht zur Verwendung bei großen Volumenstromgeschwindigkeiten geeignet.
• Das sogenannte Mischgebläse wurde als Kompromiß zwischen der Axial- und Radialtechnik entwickelt, um bei generell höheren Drücken als ein Axialgebläse zu arbeiten, jedoch eine generell größere Volumenstromgeschwindigkeit als ein Radialgebläse zu liefern. Die Fig. 5 und 6 sind jeweils schematische End- und Seitenschnittansichten eines Mischgebläses.
• Das Mischgebläse umfaßt eine Anzahl von Schaufeln 110, welche an einer zentralen kegelstumpfförmigen Nabe 120 und an einer generell kegelstumpfförmigen Verkleidung 130 befestigt sind. Die Schaufeln 110, die Nabe 120 und die Verkleidung 130 bilden eine vollständige rotierende Anordnung, welche durch einen Motor 140 angetrieben wird.
• In Betrieb verhält sich das Gebläse wie eine Kombination der Axial- und Radialstromvorrichtungen, so daß Luft, welche in die Verkleidung 130 eintritt, mit einer Geschwindigkeitskomponente längs der Drehachse in das Gebläserad gesaugt wird, jedoch in einer ähnlichen Weise wie bei dem Radialgebläse mit einer zu der Drehachse lotrechten Geschwindigkeitskomponente auch nach außen getrieben wird. Diese zwei Geschwindigkeitskomponenten verbinden sich, um eine Ausstoßrichtung 150 zu ergeben, welche in Fig. 6 dargestellt ist.
• Fig. 7 ist ein schematisches Druck-Volumen- Stromgeschwindigkeitsdiagramm für die Gebläse der Fig. 1 bis 6.
• In Fig. 7 stellt eine schematische Kurve 160 die Hochdruck-Niedervolumen-Arbeitsweise eines Radialgebläses dar. Eine schematische Kurve 170 stellt den Hochvolumen-Niederdruck- Betrieb eines Axialgebläses dar. (Die Stillstandseigenschaft des Axialgebläses ist nicht in Fig. 7 dargestellt, ist jedoch anderswo sehr gut beschrieben.)
• Zuletzt stellt eine schematische Kurve 180 die Arbeitsweise eines Mischgebläses dar, welches eine Arbeitsweise mit generell höherem Volumen, jedoch niedrigerem Druck im Vergleich zu dem Radialgebläse und eine Arbeitsweise mit höherem Druck, jedoch niedrigerem Volumen im Vergleich zu dem Axialgebläse liefert.
• Jede der Kennkurven, welche schematisch in Fig. 7 dargestellt sind, betrifft eine spezielle Gebläsebauweise (Gebläsedurchmesser, Anzahl der Schaufeln und Schaufelwinkel) und Drehzahl der Schaufelanordnung. Wenn diese Gebläsemerkmale festgelegt sind, ist die Arbeitsweise des Gebläses generell festgelegt, so daß beispielsweise, wenn der Druck für das Gebläse vorgegeben wird, die resultierende Volumenstromgeschwindigkeit, welche erhalten wird, durch die Kennkurve definiert ist.
• Beim Herstellen und Einrichten dieser Gebläse ist es jedoch wünschenswert, die Arbeitsweise der Gebläse ändern zu können. Dies ermöglicht es einem Hersteller, einen Bereich von Gebläsen, welche verschiedene Kennkurven aufweisen, anzubieten, jedoch einige bzw. sämtliche ihrer Bestandteile miteinander gemein haben.
• In dem Fall eines Axialgebläses ist es relativ einfach, die Arbeitsweise des Gebläses zu ändern, während weiterhin die gleichen mechanischen Bestandteile verwendet werden. Beispielsweise kann der Schaufelauftreffwinkel geändert werden, um erhebliche Änderungen der Kennlinien zu ergeben. Bei einem Beispiel kann eine Änderung des Schaufelauftreffwinkels von beispielsweise 10º bis 40º zu einer Änderung der Volumenstromgeschwindigkeit (und einer entsprechend großen Änderung des Antriebsleistungsverbrauchs) von 2 : 1 führen.
• Bei den oben beschriebenen Radial- und Mischgebläsen besteht jedoch wenig Spielraum zum Ändern der Arbeitsweise des Gebläses. Die Anzahl der Schaufeln kann geändert werden, doch besteht dabei die Neigung, erhebliche anstatt schrittweiser Änderungen der Arbeitsweise zu ergeben. Die Motordrehzahl kann geändert werden, doch erfordert dies entweder ein Riemenantriebssystem, welches zu der mechanischen Komplexität des Gebläses beiträgt, oder die Verwendung verschiedener Motoren, wie etwa Zweipol-, Vierpol-, Sechspolmotoren etc. Dies führt jedoch, da die Drehzahl eines Zweipolmotors doppelt so hoch wie die eines Vierpolmotors ist, wieder zu erheblichen anstatt schrittweiser Änderungen der Arbeitsweise des Gebläses.
• Zusammenfassend liefert keines der zuvor vorgeschlagenen Gebläse, welche oben beschrieben sind, einen Betrieb mit relativ hohem Druck und ermöglicht es, die Arbeitsweise des Gebläses einfach zu ändern.
• DE-A-31 28 654 offenbart ein Gebläse mit einer kegelstumpfförmigen Nabe und einer kegelstumpfförmigen Verkleidung, welche durch feste Schaufeln verbunden sind. Der Ausstoß des Gebläses ist in Radialrichtung gerichtet.
• DE-C-94 98 99 offenbart ein Axialgebläse mit einer teilkugelförmigen Nabe, an welcher einstellbare Schaufeln angebracht sind, wobei sich die Nabe auf einer angetriebenen Welle befindet. Die Schaufeln und die Nabe sind von einer festen Verkleidung umgeben.
Die Erfindung schafft ein Mischgebläse, umfassend:
• eine oder mehrere Fluidtreibschaufeln,
• eine Nabe, welche an einer Kante der bzw. jeder Schaufel befestigt ist; und
• eine Verkleidung, welche an einer Außenkante der bzw. jeder Schaufel befestigt ist,
• wobei die Nabe, die Verkleidung und die Schaufel bzw. Schaufeln eine einzige drehbare Anordnung bilden; dadurch gekennzeichnet, daß:
• mindestens eine zu einer Schaufel weisende Oberfläche der Nabe im wesentlichen als Segment einer Kugel des Radius r1 um einen Krümmungsmittelpunkt ausgebildet ist;
• mindestens eine zu einer Schaufel weisende Oberfläche der Verkleidung im wesentlichen als Segment einer Kugel des Radius r2 um den Krümmungsmittelpunkt ausgebildet ist;
• und wobei die bzw. jede Schaufel ein Nabenanstoßende, welches im wesentlichen derart gekrümmt ist, daß dieses an eine Kugel des Radius r1 angepaßt ist, und ein Verkleidungsanstoßende, welches im wesentlichen derart gekrümmt ist, daß dieses an eine Kugel des Radius r2 angepaßt ist, aufweist, so daß die bzw. jede Schaufel an der Nabe und an der Verkleidung in verschiedenen Winkeln um eine Achse, welche durch den Krümmungsmittelpunkt verläuft, befestigt werden kann, wobei jeder Winkel bei Verwendung eine unterschiedliche Arbeitsweise erreicht und bei jedem Winkel die Nabenanstoß- und Verkleidungsanstoßkanten der bzw. jeder Schaufel weiterhin im wesentlichen an die Nabe bzw. die Verkleidung stoßen;
• und wobei die bzw. jede Schaufel um einen jeweiligen Befestigungspunkt an der Verkleidung schwenkbar ist und die bzw. jede Schaufel um einen jeweiligen Befestigungspunkt an der Nabe schwenkbar ist, wobei die Befestigungspunkte an der Verkleidung und der Nabe im wesentlichen auf einer Achse, welche durch den Krümmungsmittelpunkt der Nabe und der Verkleidung verläuft, angeordnet sind.
• Bei Beispielen eines erfindungsgemäßen Mischgebläses können die Kennlinien eines Mischgebläses erreicht werden, während es ermöglicht wird, die Arbeitsweise einfach durch Ändern des Schaufelauftreffwinkels zu ändern. Aufgrund der Tatsache, daß die Naben- und/oder Verkleidungsoberflächen auf Segmenten bzw. Abschnitten kugelförmiger Oberflächen basieren, kann eine Schaufel mit einer komplementären Gestalt an jedem Ende in verschiedenen Winkeln zwischen den zwei Oberflächen befestigt werden.
• Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher gleiche Abschnitte durchgehend durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden, und wobei:
• Fig. 1 eine schematische Endansicht eines Axialgebläses ist;
• Fig. 2 eine schematische Seitenschnittansicht des Gebläses von Fig. 1 ist;
• Fig. 3 eine schematische Endansicht eines Radialgebläses ist;
• Fig. 4 eine schematische Seitenschnittansicht des Gebläses von Fig. 3 ist;
• Fig. 5 eine schematische Endansicht eines Mischgebläses ist;
• Fig. 6 eine schematische Seitenschnittansicht des Gebläses von Fig. 5 ist;
• Fig. 7 ein schematisches Druck-Volumen-Diagramm für die Gebläse der Fig. 1 bis 6 ist;
• Fig. 8 eine schematische Seitenansicht eines Gebläses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist; und
• Fig. 9 eine schematische Seitenschnittansicht einer Gebläseschaufel für das Gebläse von Fig. 8 ist.
• Die Fig. 1 bis 7 der oben erwähnten Zeichnung wurden oben beschrieben.
• In Fig. 8 umfaßt ein Gebläse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Anzahl von Schaufeln 200, welche zwischen einer rotierenden Nabe 210 und einer rotierenden Verkleidung 220 gehalten werden, so daß die Nabe, die Schaufeln und die Verkleidung eine einzige rotierende Anordnung bilden. Die rotierende Anordnung wird durch einen Motor 230 angetrieben, welcher durch eine Halterung 240 mit der Nabe 210 verbunden ist.
• Das Gebläse arbeitet wie das oben beschriebene Mischgebläse, so daß Luft in einer generell in Axialrichtung verlaufenden Richtung 250 an einem Einlaß der Verkleidung 220 eintritt und durch die rotierenden Schaufeln 200 in Axialrichtung und nach außen getrieben wird, um in einer Austrittsrichtung 260 auszutreten.
• Der Schaufelwinkel kann bei dem Gebläse von Fig. 8 einfach eingestellt werden. Dies ist der Fall, da die Nabe 210 bzw. mindestens der Abschnitt 270, welcher die Schaufeln 200 berührt, einen Abschnitt der Oberfläche einer Kugel bildet, welche um einen Punkte 280 zentriert ist. Die Kante 290 jeder Schaufel 200, welche an die Nabe 210 gefügt ist, ist derart angeordnet, daß diese an die kugelförmige Oberfläche der Nabe angepaßt ist, wobei dies bei diesem Beispiel ein Segment eines Kreises, welcher in dem Punkt 280 zentriert ist, ist. Die Innenfläche der Verkleidung 220 bzw. mindestens der Abschnitt 300, welcher die Schaufeln 200 berührt, bildet einen Abschnitt einer Kugel, welche um den Punkt 280 zentriert ist. Zuletzt ist die Außenkante 310 jeder Schaufel wiederum derart angeordnet, daß diese an die kugelförmige Oberfläche der Verkleidung angepaßt ist, und bildet bei diesem Beispiel ein Segment eines Kreises, welcher in dem Punkt 280 zentriert ist.
• Tatsächlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel mindestens ein Teil sowohl der Nabe als auch der Verkleidung von kegelstumpfförmiger Gestalt.
• Jede Schaufel ist durch Schwenkbefestigungspunkte 320, wie etwa Mutter-Schrauben-Verbindungen, an der Nabe 210 und der Verkleidung 220 befestigt. Die Befestigungspunkte 320 sind derart angeordnet, daß die zwei Befestigungspunkte 320 (einer an jedem Ende der Schaufel) bei jeder Schaufel auf einer einzigen Achse 330 liegen, welche in dem Punkt 280 zentriert ist.
• Um zu erläutern, wie es diese Anordnungen ermöglichen, daß die Schaufeln in verschiedenen Schaufelwinkeln angeordnet werden, sei zunächst bemerkt, daß eine kreisförmige Scheibe des Radius r mit einer beliebigen Ausrichtung innerhalb einer Kugel des Innenradius r angeordnet werden kann. Unabhängig von der Ausrichtung der Scheibe innerhalb der Kugel jedoch befindet sich der Mittelpunkt der Scheibe bei dem Mittelpunkt der Kugel. Nun kann in Fig. 8 jede Schaufel 200 als ein Segment der Scheibe betrachtet werden, und die Innenfläche der Verkleidung 220 kann als Abschnitt der Innenfläche der Kugel, welche oben erwähnt ist, betrachtet werden. Das bedeutet, daß die Außenkante der Schaufel 200 in jedem Winkel gegen die Innenfläche der Verkleidung 220 angeordnet werden kann, solange der Krümmungsmittelpunkt der Verkleidung 220 und die Außenkante der Schaufel 200 an dem gemeinsamen Punkt 280 verbleiben. Dies wird tatsächlich durch Vorsehen der Schwenkpunkte 320 auf der Achse 330, welche durch den Punkt 280 verläuft, gewährleistet. Demgemäß können die Schaufeln 200 in verschiedenen Winkeln um die Schwenkbefestigungspunkte 320 geschwenkt werden, wobei jedoch die Außenkante 310 der Schaufel 200 in Berührung mit der Innenfläche der Verkleidung 220 verbleibt.
• Dieses Argument kann einfach erweitert werden, um zu zeigen, daß der Schaufelwinkel geändert werden kann, während die Innenkante jeder Schaufel 200 in Berührung mit der Außenfläche der Nabe 210 verbleibt.
• Fig. 9 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Gebläseschaufel 200 für das Gebläse von Fig. 8.
• Obgleich die Schwenkpunkte 320, um welche jede Schaufel zur Schaufelwinkeleinstellung schwenkbar ist, auf einer Achse 330, welche von dem gemeinsamen Mittelpunkt 280 ausgeht, liegen sollten, ist es nicht wirklich notwendig, daß die Schwenkpunkte mit den kreisabschnittförmigen Kanten der Schaufeln übereinstimmen. Tatsächlich kann die Schaufel um verschobene Schwenkpunkte 340 (welche beispielsweise durch Montageplatten 350 mit den Schaufeln 200 verbunden sind) geschwenkt werden. Dies ermöglicht einen einfacheren Zugang zu der Mutter- Schrauben-Verbindung der Schwenkbefestigung.
• Die Schaufel von Fig. 9 ist mit einem flachen Querschnitt dargestellt, doch sei darauf hingewiesen, daß die Schaufel verdreht werden kann, um eine aerodynamische Gestalt zu ergeben, wobei bekannte Gestaltungstechniken verwendet werden.
• Das Ausführungsbeispiel von Fig. 8 stellt dar, daß Luft, welche durch das Gebläse getrieben wird, bei dem Motorende des Gebläses austritt. In ähnlicher Weise braucht der Motor 230 nicht direkt mit der Nabe 210 verbunden zu werden, sondern kann der Antrieb über eine Riemen- bzw. Zahnradanordnung erfolgen. Es können viele verschiedene Anzahlen von Schaufeln verwendet werden, abhängig von der Anwendung des Gebläses.
• Weitere mögliche Abwandlungen umfassen die Möglichkeit, daß die Schaufeln nicht schwenkbar gegen die Nabe bzw. die Verkleidung befestigt zu sein brauchen. Tatsächlich können die Schaufeln bei der Herstellung fest befestigt werden (beispielsweise durch Schweißen oder Löten). Der Vorteil, daß der Gebläsehersteller ein einziges Schaufelmodell auf Lager halten und dieses verwenden kann, um Gebläse mit einer Vielfalt von Schaufelwinkeln herzustellen, bleibt jedoch erhalten.

Claims (5)

1. Mischgebläse, umfassend:

eine oder mehrere Fluidtreibschaufeln (200),

eine Nabe (210), welche an einer Kante der bzw. jeder Schaufel (200) befestigt ist; und

eine Verkleidung (220), welche an einer Außenkante der bzw. jeder Schaufel (200) befestigt ist,

wobei die Nabe (210), die Verkleidung (220) und die Schaufel (200) bzw. Schaufeln (200) eine einzige drehbare Anordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß:

mindestens eine zu einer Schaufel weisende Fläche (270) der Nabe 210 im wesentlichen als Segment einer Kugel des Radius r1 um einen Krümmungsmittelpunkt (280) ausgebildet ist;

mindestens eine zu einer Schaufel weisende Fläche (300) der Verkleidung im wesentlichen als Segment einer Kugel des Radius r2 um den Krümmungsmittelpunkt (280) ausgebildet ist;

und wobei die bzw. jede Schaufel (200) ein Nabenanstoßende (290), welches im wesentlichen derart gekrümmt ist, daß dieses an eine Kugel des Radius r1 angepaßt ist, und ein Verkleidungsanstoßende (310), welches im wesentlichen derart gekrümmt ist, daß dieses an eine Kugel des Radius r2 angepaßt ist, aufweist, so daß die bzw. jede Schaufel (200) an der Nabe (210) und der Verkleidung (220) in verschiedenen Winkeln um eine Achse, welche durch den Krümmungsmittelpunkt (280) verläuft, befestigt werden kann, wobei jeder Winkel bei Verwendung eine unterschiedliche Arbeitsweise ergibt und die Nabenanstoß- und Verkleidungsanstoßkanten der bzw. jeder Schaufel (200) bei jedem Winkel im wesentlichen weiterhin an die Nabe (210) bzw. die Verkleidung (220) stoßen;

und wobei die bzw. jede Schaufel (200) um einen jeweiligen Befestigungspunkt (320) an der Verkleidung (220) schwenkbar ist und die bzw. jede Schaufel (200) um einen jeweiligen Befestigungspunkt (320) an der Nabe (210) schwenkbar ist, wobei die Befestigungspunkte (320) an der Verkleidung (220) und der Nabe (210) im wesentlichen auf einer Achse, welche durch den Krümmungsmittelpunkt (280) der Nabe (210) und der Verkleidung (220) verläuft, liegend angeordnet sind.

2. Gebläse nach Anspruch 1, umfassend eine Antriebseinrichtung (230) zum drehenden Antreiben der Anordnung.

3. Gebläse nach Anspruch 2, wobei die Antriebseinrichtung (230) einen Motor umfaßt.

4. Gebläse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Abschnitt der Nabe (210) von kegelstumpfförmiger Gestalt ist.

5. Gebläse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Abschnitt der Verkleidung (220) von kegelstumpfförmiger Gestalt ist.