<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Erzeugung eines Luftstromes mit einem aerodynamisch wirksamen umlaufenden Gitter
In der gesamten Technik werden Ventilatoren benötigt, die einen geräuscharmen Luftstrom abgeben.
Es hat auch nicht an zahlreichen Versuchen gefehlt, solche Ventilatoren zu entwickeln. Diese Versuche sind allgemein nur bis zu einer bestimmten Grenze gelungen. Es ist festgestellt worden, dass der umfang- reiche und schwierig zu dämpfende Teil des im Ventilator entstehenden Geräuschspektrums unterhalb der
Frequenz entsprechend Schaufelzahl und sekundlicher Umdrehungszahl, auf Rückwirkungen einzelner Stö- rungen im Abströmkanal auf die Gitterdurchströmung zurückzuführen sind. Gerade hochwertige und hoch- belastete Gitter, wie sie an modernen Radial-Ventilatoren mit vorwärts gekrümmten Schaufeln anzutref- fen sind, zeigen eine beträchtliche Empfindlichkeit.
Somit entsteht die Aufgabe, ein Gitter zu schaffen, dessen Durchströmungscharakter keine sprunghaften Verschiebungen beim Eintreten singulärer Störungen gestattet. Ein erster Schritt besteht in der
Verwendung zahlreicher Schaufeln, zwischen denen bereits laminare Strömungszustände herrschen. Der
Erfolg dieser Massnahme ist jedoch begrenzt, denn es neigen diese Vielschaufelgitter (mit z. B. 64 Schau- feln) zur Bildung von Stabwirbelscharen (Karmann-Strassen) an den Schaufelenden. Versuche mit gewellten Blechscheiben, die eine Annäherung an feine Stabgitter darstellen, zeigten, dass bei feinen Teilungen in Umlaufrichtung klare Töne auftreten. Messergebnisse und Überlegungen zeigten auf, weshalb zahlreich beschriebene Anordnungen von Ventilatoren mit gewellten Blechscheiben oder feinen Stabgittern nicht zum Erfolg führten.
Die entstehenden Zusatzverluste standen in keinem wirtschaftlichen Verhältnis zur Verminderung der Schalleistung. Die hohen Drosselverluste führten zudem dazu, dass die Gebläse ausserordentlich gross gebaut werden müssen und apparativ nur in So. iderfällen angewendet werden können.
Ein weiterer Nachteil dieser Gebläse ist die Rückwirkung der Kanalstörungen auf die Gitterumströmung, die immer dann vorhanden ist, wenn eine Abhängigkeit des Durchströmwiderstandes von den Raumwinkeln der Zu- und Abströmrichtung vorhanden ist. Diese Abhängigkeit ist beim Schaufelgitter mit senkrecht zur Umfangsrichtung laufenden Elementen immer vorhanden.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, rotierende Scheiben zu verwenden. Die Förderwirkung dieser Anordnung beruht darauf, dass infolge der an den Kreisscheiben auftretenden Reibung der Luft ihre Mitnahme bewirkt wird. In bezug auf die Laufruhe haben diese Gebläse im allgemeinen zwar befriedigt, jedoch ist die Leistung sehr ungenügend. Der Wirkungsgrad beträgt nur 10-15%. Auch findet keine Filterung statt.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die geschilderten Nachteile dadurch, dass das strömende Medium einem impulsaustauschenden umlaufenden Gitter in Form eines Faserkörpers zugeführt und bei der Durchströmung dieses Faserkörpers derart abgelenkt wird, dass mechanische Energie der Drehung des Paserköt- pers in Strömungsenergie des durchströmenden Mediums umgesetzt wird und dieser Faserkörper Zug- und Druckraum trennt und mit einer aus vorzugsweise in der Rotationsebene liegenden Faserstruktur versehen und an die Stirnseite dieses Rotationskörpers Zuführräume angeschlossen sind und an die peripheren Zonen dieses Körpers Abströmräume anschliessen.
Bei der erfindungsgemässen Anordnung entfällt die angeführte Empfindlichkeit, denn es ist bei in Umfangsrichtung liegenden Elementen eine Übertragung der Winkelgeschwindigkeit nur durch Zähigkeitskräf-
<Desc/Clms Page number 2>
te möglich, auf deren Grösse der momentane Zuström-oder Abströmwinkel keinen Einfluss hat. Der Win- kel zwischen den Elementen kann sich frei einstellen. Es wird eine vollkommene Entkopplung der Durch- strömverluste vom momentanen Abströmwinkel erreicht, die einem Minimum an Geräuschbildung ent- spricht.
Aus baulichen Gründen müssen einzelne Längsverbindungen zwischen diesen Elementen vorhanden sein. Versuche mit Faserstoffen zeigten als Ergebnis, dass die Verluste bei einer Durchströmung parallel zur Oberfläche wesentlich geringer sind als senkrecht dazu. Es ergibt sich daraus der Gedanke, Faserstof- fe als Gitter zu verwenden, wenn die Durchströmung derart erfolgt, dass der Anteil an Fasern senkrecht zur Umfangsrichtung und parallel zur Drehachse gering ist.
Versuche mit derartig aufgebauten Gebläsen zeigten überraschend grosse Leistungen pro Baueinheit bei einem Geräuschpegel, der nur noch dem Kanalrauschen der ausströmenden Luft entspricht.
Jedem bei konstanter Drehzahl erzeugten Druck ist eine bestimmte Menge zugeordnet, mehrfache
Schnittpunkte eines Druckpegels mit der -Menge, wie sie von geschaufelten Gebläsen bekannt sind, treten nicht auf. Die Erscheinungen des"Pumpens"im Sinne des Springens von einem dieser Schnittpunkte zu einem andern Schnittpunkt sind vermieden, die Förderung ist stabil bis zur Menge 0.
Im Gegensatz zum Schaufelgitter stellt das verwendbare Fasergitter einen Strömungsabschluss im Stillstand dar, so dass sich in vielen Fällen zusätzliche Abschlussmittel erübrigen.
Infolge der Radialsymmetrie der Durchströmung des Faserkörpers ist die Ansaugung mit gleichen Durchströmgeschwindigkeiten aus allen Richtungen am Gebläseeingang vorhanden und muss nicht, wie bei geschaufelten Lüftern, durch vorgeschaltete Mischstrecken erst sichergestellt werden.
Infolge der besonderen Eigenschaften des Faserkörpers ist weitgehender Schutz der Hände bei Berührung des laufenden Rotors gewährleistet, so dass sich besondere äussere Schutzgitter erübrigen, und ausserdem entfällt infolge der geringen Masse des Faserkörpers das bei Schaufelgittern aufwendige Auswuchten der Läufer. Auch ist die Herstellung denkbar einfach und billig und lässt sich universell verwenden.
Eine besondere charakteristische Eigenschaft der Erfindung sieht vor, dass der durchströmende Faser- körper Filtereigenschaften aufweist, die durch die geringen Faserabstände hervorgerufen werden. Die Filtereigenschaften können noch verstärkt werden, wenn der Faserkörper aus Kunststoff besteht und dadurch eine elektrostatische Aufladung erfährt.
Für einige Anwendungsgebiete hat sich gezeigt, dass es zweckmässig ist, den Faserkörper scheibenförmig zu wählen. Die Luft strömt dann axial in das Innere des rotierenden Faserkörpers und tritt radial wieder aus. In den meisten Fällen ist es jedoch günstiger, die Korb- oder Zylinderform anzuwenden, insbesondere dann, wenn der Motor in das Korbinnere eingebaut wird (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Die ausserordentlich geringe Empfindlichkeit solcher Gitter auf Rückwirkungen aus dem Ausströmkanal ermöglicht es, diesen Formen zu erteilen, die bei Radiallüftern mit normalen Gittern zu starken Störungen und Wirbelungen Anlass geben. Insbesondere gelingt es durch eine Entwicklung der Spiral-Volumina in Richtung der Rotorachse und derart, dass der Motor, der den Ventilatorläufer antreibt, in die Durchströmung einbezogen wird, die Baumasse quer zum Rotor bedeutend kleiner zu halten, als dies selbst bei normal beschaufelten, stark vorwärts gekrümmtenRadialgebläsen mit relativ hohenAustrittsgeschwin-
EMI2.1
Diese Unempfindlichkeit kann dazu benutzt werden, Gebläse mit im wesentlichen axialer Austrittsrichtung zu konstruieren, die trotz der besonderen akustischen Eigenschaften die üblichen Abmessungen nicht überschreiben, wobei die den Filter tragende Scheibe als rotierende Glocke ausgebildet sein kann, die gleichzeitig den Innenkonus eines Diffusorraumes in Verbindung mit einer feststehenden äusseren Gehäuseglocke bildet und zwischen beiden der axial ein-und axial austretende Luftstrom umgelenkt wird.
Diese Unempfindlichkeit kann weiter dazu benutzt werden, in den Austrittsquerschnitt veränderliche und normalerweise sehr geräuschfördernde Einbauten vorzunehmen, so insbesondere Heizkörper oder Kühlschlagen, ohne akustische Rückwirkung auf das Gitter befürchten zu müssen.
Zur Reinigung des als Filter wirkenden Rotorkörpers ist der Faserkörper mit leicht lösbaren Befestigungsmitteln an dem Antriebsaggregat angebracht.
Schliesslich ist noch vorgesehen, dass der umlaufende Faserkörper mit einer Befeuchtungseinrichtung ausgestattet ist.
Infolge der grossen, zwischen der durchströmenden Luft und dem Fasermaterial bestehenden Berührungsfläche werden Flüssigkeiten, die die Fasern benetzen, in intensivste Berührung mit dem Luftstrom gebracht, so dass die Luftbefeuchtung oder Verdampfungskühlung auf einfachste Weise möglich ist.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt. Fig. 1 zeigt einen seitlichen Querschnitt durch einen Ventilator, Fig. 2 den gleichen Ventilator im Grundriss, Fig. 3 einen Querschnitt durch
<Desc/Clms Page number 3>
einen Ventilator mit integraler Motorkühlung, Fig. 4 den gleichen Ventilator im Grundriss ; Fig. 5 einen
Querschnitt durch einen Ventilator mit axialem Luftaustritt, Fig. 6 einen korbförmigen Faserkorper, Fig. 7 einen kolben-oder scheibenförmigen Faserkörper, Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Ventilator, bei dem der Motor in dem korbförmigen Faserkörper untergebracht ist, Fig. 9 den gleichen Ventilator von der äusseren Ansaugseite und Fig. 10 ein Kurvenblatt.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Radialventilators erfindungsgemässer Bauart. Die aus dem Halbraum 1 oberhalb des Ventilators angezogene Luft wird in Richtung des Pfeiles 2 in einen Rotor 3 gesogen, der aus einem Faserkorb besteht, der an einer Scheibe 4 befestigt ist. Die Scheibe 4 sitzt mit der verstifteten Nabe 5 auf der Welle des Motors 6. Auf der Zuströmseite weist das Gebläse 7 einen eingerundeten Einlauf 8 auf. Durch eine Kappe 9 ist es mit dem Motor 6 verbunden. Dreht sich der Rotor 3, so gelangt die Luft durch den Faserkorb, wird nach und nach in Drehrichtung beschleunigt und tritt nach der Durchströmung der porösen Schicht in Richtung der Pfeile 10 in den Sammelraum 11 aus.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 im Querschnitt dargestellten Radialventilator im Grundriss. In die Öffnung 12 tritt die Luft in den Rotor 3. Der Rotor rotiert in Richtung des Pfeiles 14. Entsprechend einer reinen Senke hat die zuströmende Luft die radiale Richtung 15, die sich mit der inneren Umfangsgeschwindigkeit 17 zu einer relativen Anströmrichtung 16 zusammensetzt. Beim Durchströmen des Faserkörpers bewirken die viskosen Kräfte eine Mitnahme der Luft in Umfangrichtung und die daraus entstehende Winkelgeschwindigkeit der Luftteilchen eine Fliehkraft. Die relative Bahn ändert sich und entspricht beim
Austritt dem Pfeil 18. Die Zusammensetzung mit der höheren Umfangsgeschwindigkeit 20 liefert die absolute Austrittsrichtung 19, in der die Luft in den Raum 11 einströmt. Dieser Raum wird durch die Wand 23 begrenzt.
An Hand der Geschwindigkeitsdreiecke 15, 16, 17 und 18, 19, 20 lässt sich zeigen, dass der Durchstrom- widerstand in Funktion der Zuströmgeschwindigkeit 15 nahezu unabhängig sein muss vom momentanen Austrittsvektor 19.
Veränderungen der Richtung dieses Austrittsvektors 19 durch Kanalstörungen im Raum 11 sind für die niederfrequente Geräuschbildung am Ventilator üblicher Bauart verantwortlich, da sie bei Gittern meist starke Änderungen der Auftriebs-und Widerstandswerte zur Folge haben, die zudem bis zur Ausbildung eines neuen Grenzschichtgleichgewichtes verzögert ablaufen. Die entstehenden Phasenwinkel durch zeitliche Verzögerung eind für die Energiezufuhr in das niederfrequente Schallgebiet mitverantwortlich.
Fällt diese Empfindlichkeit und Verzögerung weg, so können die stets vorhandenen Umlagerungen des Abflusses im Kanalraum keine sich anfachenden oder aufrechterhaltenden Schwankungen in der Spaltdurchströmung mehr hervorrufen. Der besondere Charakter der laminaren Durchströmung, die die Lage der Richtungspfeile 16 und 18 nicht geometrisch festlegt, ist für diese weitgehende Entkopplung verantwortlich.
Fig. 3 zeigt einen Ventilator, der bei der praktischen Verwendung besondere Vorteile aufweist.
Die gemäss den Pfeilen 28 zuströmende Luft umströmt den Wulst 31 und tritt in den Rotor 32 ein. Die austretende Luft strömt gemäss Pfeil 39 teilweise in den Raum zwischen Gehäuse 33 und Motor 36, gemäss Pfeil 35 teil weise direkt in den freien Gehäuseraum. Die Radscheibe kann dabei eine besondere Form ge- mÅass 34 erhalten, die ein verlustarmes Krummen der Strömung begünstigt. Sie ist durch die Nabe 30 mit der Motorwelle verbunden. Die Grundplatte 37 verbindet das Gehäuse 33 mit dem Motorflansch.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt in Richtung A-A durch Fig. 3. Die aus dem Raum 40 in den Rotor 32 eintretende Luft wird gemäss den Pfeilen 42, 43, 44, 46 und 47 in den Raum 45 ausgestossen. Beim Ursprung des Pfeiles 47 ist die Gehäusewand 41 noch sehr nahe am Rotor 32. Die austretende Luft ist daher gezwungen, unterhalb der Rotorscheibe gemass dem punktierten Teil des Pfeiles 47 um das Motorgehäuse 48 herum abzuströmen. Die Luft wird von der Zunge 51 aufgenommen und gemäss Pfeil 44 in den Raum 45 geleitet.
Beim Ursprung des Pfeiles 46 ist schon mehr Raum in radialer Richtung vorhanden. Es reicht jedoch noch nicht ganz aus, so dass sich eine teilweise Verdrängung in den tiefer liegenden Raum 49 um das Motorgehäuse 48 ergibt. Die mittlere Austrittsrichtung entspricht etwa dem Pfeil 43.
Der Pfeil 42 zeigt an, dass in diesem Abschnitt die Luft radial direkt abströmen kann und nicht in den Raum unterhalb der Scheibe ausweichen muss. Die Zunge 51 bildet den Anfang des eigentlichen Diffusorraumes 45, in dem die Abströmung verzögert wird.
Diese Anordnung hat besondere Vorzüge. Bei Kleingebläsen mit Fördermengen bis 200 1/sec und Drücken bis 30-40 mm WS werden aus preislichen Gründen Elektromotoren verwendet, die hohe thermische Verlustanteile haben, insbesondere Spaltpolmotoren. Diese Motoren müssen gekühlt werden. Dies erfolgt normalerweise durch einen Zusatzpropeller auf der Motorachse, dem günstige aerodynamische
<Desc/Clms Page number 4>
Voraussetzungen weitgehend fehlen.
Da der Motor ohnehin zu dem Gebläsevolumen gehört und bei der im Apparatebau üblichen recht- eckigen Raumeinteilung in ganzer Tiefe blinden Raum bildet, ist es sehr günstig, die Motorumgebung als
Sammelkanal zu benützen. Der Motor ist direkt und wirksam gekühlt, die Verzögerung der austretenden
Luft kann auf kleinstem Raum bis zur Äquivalenz von Ein- und Austrittsquerschnitt geführt werden. Die
Ausbildung der Zunge gemäss der in Fig. 4 gezeigten Anordnung ermöglicht es, sehr gleichmässige Ge- schwindigkeitsverteilungen am Austritt zu erhalten.
Fig. 5 zeigt im Längsschnitt ein erfindungsgemässes Gebläse mit axialem Luftaustritt.
Die gemäss den Pfeilen 60 zuströmende Luft tritt in den Rotor 62 und anschliessend gemäss den Pfei- len 65 wieder in Achsrichtung auf einem Ringraum aus. Die Scheibe 63 ist als Glocke ausgebildet und kann gleichzeitig den Innenkonus eines Diffusorraumes im Bereich der Pfeile 65 bilden. Im Raume 64 wird die Strömung umgelenkt, wobei eine besonders gute Haftung durch die Kontinuität der Grenzschicht an der Glocke 63a entsteht und die Krümmung begünstigt (Coanda-Effekt).
Eine Rückführung durch Öffnungen 69 gestattet bei dieser Anordnung eine Kühlung des Motors 71. Die
Luft strömt bei 72 aus dem Druckraum zu. Die im Bereich der Austrittsquerschnitte aus Rippen 76 beste- hende Grundplatte 77 verbindet Gehäuse 70 und Motor 71.
Infolge der geringen Rückwirkungsempfindlichkeit des verwendeten Gitters lässt sich diese Anordnung ohne zusätzliche Verwirbelung, die bei einem normalen Schaufelgitter unvermeidlich wäre, anwenden.
Sie ist geräuschmässig dem Axialgebläse überlegen und baut nicht wesentlich grösser für gleiche Luftlei- stungen.
Fig. 6 zeigt eine besondere Ausführungsform des Rotors in perspektivischer Darstellung. Der Rotor ist hier durch einen Faserkörper in Ringform oder Korbform dargestellt, deren Fasern hauptsächlich in zur Rotorachse senkrechten Ebenen liegen. Versuche zeigten, dass der Durchströmwiderstand in diesen waagrechten Ebenen bedeutend kleiner ist und abströmseitig die gleichen guten Gittereigenschaften auftreten, wie sie bei den Scheibengittern beobachtet wurden. Die radiale Erstreckung 81 der Faserstruktur kann dabei derart gewählt werden, dass die von einem inneren Tragkorb, bestehend aus Ringen 82 und Stäben 83, ausgehenden Strömungen völlig durch viskose Bedämpfung aufgehoben werden.
Solche Rotoren erfüllen gleichzeitig Aufgaben der Luftfilterung und bei der Anordnung gemäss den Fig. 3 und 4 des Schutzes des Motors zur Verschmutzung durch unsaubere Kühlluft.
Fig. 7 veranschaulicht einen Faserkörper ohne innere Ausnehmung in Scheibenform. Die Luft tritt entsprechend den Pfeilen 85 axial in den Körper ein, um dann radial gemäss den Pfeilen 86 wieder auszutreten.
Infolge der Filterwirkung der geschichteten Filze tritt gleichzeitig mit der Luftförderung eine Luftfilterung ein.
Von erheblicher Bedeutung für den Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemässen Kombination von Luftförderung und Filterung im Vergleich zur üblichen Trennung von Luftförderung und Filterung ist der Umstand, dass bei der Durchströmung des Filterbettes dem Luftteilchen durch das Fliehkraftfeld ständig Energie zugeführt wird. Die Notwendigkeit einer Fernwirkung durch Überdruck oder Unterdruck mit den zugeordneten Diffusor- bzw. Kanalverlusten zwischen einem Ventilator und einem Filter entfällt. Die Gleichzeitigkeit von Energiezufuhr durch den Rotor und Energieverbrauch, durch die Filterdurchströmung stellt als Idealfall wesentlich höhere Wirkungsgrade in Aussicht als bei der räumlichen Trennung mit der Übertragung durch Druck bzw. Unterdruck im Luftstrom.
Fig. 8 stellt einen Querschnitt eines Ventilators mit einem korbförmigen Faserkörper dar, in dem der Motor 101 konzentrisch angeordnet ist. An dem als Aussenläufer ausgebildeten Motor ist'das korbförmige Gitter 102 befestigt. Die feststehende Achse 103 ist an Federn 104 und mittels Gummipuffer 105 im Gehäuse 106 befestigt. Der Faserkörper 107 besteht aus drei Ringen, die lose in dem Gitter 102 ruhen und zwecks Reinigung leicht herausnehmbar sind.
Fig. 9 zeigt denselben Ventilator von aussen von der Lufteintrittsseite. Die Luft tritt zwischen dem Motorgehäuse 111 und dem Faserkörper 107 ein. Der in drei Ringen ausgebildete Faserkörper 107 wird sowohl radial als auch axial durch ein Gitter 102 gehalten.
Fig. 10 zeigt Messergebnisse hiezu. In Richtung A ist der Druck, in Richtung B die Fördermenge eingezeichnet. Im unteren Teil C ist ferner der Wirkungsgrad der beiden Radiallüfter aufgetragen. Die Druck/Mengen-Kennlinie eines hochwertigen Radialgebläses mit 150 mm Laufraddurchmesser zeigt die Kurve II. Trotz des hohen Radwirkungsgrades (48%) ergibt die Kombination mit einem separaten Luftfilter nur einen Maximalwirkungsgrad von 19, 7% gemäss 99, Kurve IV.
Infolge der erwähnten Gleichzeitig- keitliegendie Wirkungsgrade für die erfindungsgemässen Gebläse wesentlich höher, sie erreichen für einen Rotor mit 150 mm 0 und gleichem Filtermaterial, wie bei separatem Luftfilter verwendet, 30, 2% gemäss
<Desc/Clms Page number 5>
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Verfahren zur Erzeugung eines Luftstromes mit einem aerodynamisch wirksamen umlaufenden Gitter für denjenigen Kennzahlbereich, in welchem die durch stationären Strömungscharakter bedingten Ab- löseerscheinungen sich merklich wirkungsgradverschlechternd auswirken, insbesondere für den Kennzah- lenbereich Re kleiner als zo dadurch gekennzeichnet, dass das strömende Medium einem impulsastauschenden umlaufenden Gitter in Form eines Faserkörpers zugeführt und bei der Durchströmung dieses Faserkörpers derart abgelenkt wird, dass mechanische Energie der Drehung des Faserkörpers in Strömungenergie des durchströmenden Mediums umgesetzt wird, und dieser Faserkörper Zug- und Druckraum trennt.