Radialventilator bzw. -pumpe Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei Radialventilatoren bzw. -pumpen ist es neben anderen Massnahmen besonders wichtig, die unvermeidbaren Strömungsverluste in dem Spalt zwischen der Ein trittsdüse des Mediums und der rotierenden Laufrad deckscheibe möglichst gering zu halten.
Es ist zu diesem Zweck vorgeschlagen worden, den Spalt in verschiedener Weise, z. B. durch Laby- rinthdichtungen, abzudichten. Dies ist fertigungstech nisch umständlich und teuer.
Es ist weiter vorgeschlagen worden, die Energie des im Gehäuse rückströmenden, durch den Spalt eintretenden Luftanteils durch entsprechende Gestal tung des Spaltes zur Beschleunigung der Grenzschicht an der Laufraddeckscheibe zu benutzen.
Das verbessert zwar die Füllung des Laufrades, hat aber den Nachteil, dass das Profil der Meridian geschwindigkeiten quer zum Laufrad ungleichmässig wird, und zwar derart, dass an der entscheidenden Stelle, wo die Strömung das Laufrad verlässt und auf die Gehäuseströmung trifft, Strömungsschubkräfte auftreten, die eine Verwirbelung der Gehäuseströ mung und damit Strömungsverluste zur Folge haben.
Die Erfindung bezweckt, zur Vermeidung dieses Nachteils hinter der Düse am Spalt durch Umwand lung der kinetischen Energie in statische Energie einen Druckanstieg zu erzeugen, und zwar durch eine solche Formgebung der Düse, dass die Strömung in Wandnähe verzögert wird. Dieser Druckanstieg er gibt einen guten Spaltabschluss und vermindert so die Spaltverluste.
Durch den Druckanstieg mit verzöger ter Grenzschichtgeschwindigkeit ist es erreichbar, ein von der Laufradscheibe zur Laufraddeckscheibe gleichmässig abnehmendes Profil der Meridian geschwindigkeiten zu erzielen, so dass im Laufradaus tritt ein guter Übergang der Strömung in die koaxial zur Eintrittsdüse gleichmässig kreisende Gehäuse- strömung erfolgt, also ein Aufrollen der Gehäuseströ mung vermieden wird.
Die Erfindung macht dabei von der bekannten Erkenntnis Gebrauch, dass bei Anströmung einer Ku gel im turbulenten, überkritischen Bereich die Strö mung am Äquator nicht abreisst, und dass sich auf der Rückseite der Kugel ein Druckanstieg ergibt.
Nicht bekannt ist es, diese Erkenntnis auf die An strömung des inneren Teiles eines Kreisringes anzu wenden und der Eintrittsdüse eine ganz bestimmte Ringform zu geben, die die Durchdringung des Kreis ringes mit einem koaxialen Zylinder ist.
Eintrittsdüsen -mit kreisbogenförmigen Umdre hungsflächen sind an sich bekannt.
Wie Versuche ergeben haben, muss die Eintritts düse am Laufradspalt durch einen zur Ventilator- bzw. Pumpendrehachse normalen Schnitt begrenzt sein, der kurz vor der zu erwartenden Grenzschicht- ablösung liegt. Der beabsichtigte Druckanstieg würde zu gering sein, wenn dieser Schnitt zu weit vor der Ablöselinie liegt, anderseits muss er aber vor der Ab löselinie liegen, um Grenzschichtablösungen zu ver meiden.
Gemäss den Untersuchungen, die zu der Erfin dung geführt haben, lässt sich die Lage dieses Schnit tes durch das Verhältnis der Höhe h zur Sehne s des Kreisbogens ausdrücken, mit dem die Eintrittsdüse endet. Erfindungsgemäss bildet an der engsten Stelle des Spaltes die Tangente an den Kreisbogen der Laufraddeckscheibe mit der Tangente des von der Gehäuseführung gebildeten kreisbogenförmigen Dü senteils einen stumpfen Winkel und der letztgenannte Kreisbogen besitzt ein Verhältnis Höhe (h) zu Sehne (s) zwischen 1 : 6 und 1 : B.
Versuche haben ergeben, dass bei einer solchen Ausführung der Spaltbeiwert 0,325 ist, gegenüber einem bisher üblichen Spaltwert von 0,55 bis 0,65. In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar gestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 die laminare Anströmung einer Kugel, Fig. 2 die turbulente Anströmung einer Kugel, Fig. 3 den Axialschnitt durch einen Kreisring, Fig. 4 schematisch einen Axialschnitt durch ein Ventilatorgehäuse mit der erfindungsgemässen An ordnung von Eintrittsdüse und Laufrad und Fig. 5 eine weitere Ausführungsform nach Fig. 4.
Fig. 1 zeigt den bekannten Verlauf der Grenz- schicht bei laminarer Anströmung einer Kugel mit der Ablöselinie 1 und Fig. 2 die durch Anbringung eines Drahtreifens 2 verursachte Umwandlung der laminaren in eine turbulente Grenzschichtströmung mit der Ablöselinie 1', wobei sich hinter der Kugel ein Druckanstieg ergibt.
Aus Fig. 3 ergibt sich, dass bei Anströmung des inneren Teiles eines Kreisringes 3 und Anordnung eines Drahtreifens 2 das Verhalten der Grenzschichtströmung ähnlich ist wie bei der Kugelanströmung. Die Düse wird dargestellt als der Ausschnitt 5 einer aus der Durchdringung des Kreis ringes 3 mit einem Zylinder 4 entstehenden Fläche. Dieser Ausschnitt ist identisch mit der Umdrehungs fläche des Kreisbogens 5 als Erzeugende um die ge meinsame Drehachse. Mit 1 ist die Linie des Abrei- ssens der Grenzschichtströmung bezeichnet.
Der Drahtreifen 2 bewirkt die Umwandlung von lamina- rer in eine turbulente Grenzschichtströmung. Gemäss Fig. 4 endet die an der Gehäusewandung 11 befestigte Eintrittsdüse 6 in einer inneren Abrundung, die die Umdrehungsfläche eines Kreisbogens 5 mit der Höhe h und der Sehne s ist. Der Kreisbogen 5 erstreckt sich so weit bis zu dem Laufradspalt 7, dass am Spalt ein Anstieg des statischen Druckes ohne Grenzschicht- ablösung erreicht wird.
Die Grenzen des Verhältnis ses von Höhe h zu Sehne s liegen erfindungsgemäss in einer Zone, die sich von dem Verhältnis h : s 1 : 6 bis zu dem Verhältnis 1 : 8 erstreckt. Die Tangente 13 berührt den Kreisbogen 14 der Laufraddeck- scheibe 8 an der engsten Stelle des Spaltes 7 und die Tangente 15 das Ende des Kreisbogens 5. Die Tan genten 13, 15 bilden erfindungsgemäss einen stump fen Winkel.
Die Darstellung der Profile der Meridiangeschwin- digkeit c", zeigt, wie durch die Form der Abrundung 5 der Einlaufdüse zuerst bis zum Laufradspalt 7 eine Verzögerung der Grenzschichtgeschwindigkeit ein tritt, und dann nach dem Übergang zur rotierenden Laufraddeckscheibe 8 das sich ergebende Profil der Meridiangeschwindigkeiten in seiner Struktur bis zum Austritt aus der Laufradschaufel 9 erhalten bleibt.
Der Verlauf der Meridiangeschwindigkeiten c", ist also auch an der Austrittskante der Laufradschaufel 9 von der Laufradscheibe 10 bis zur Laufraddeck- scheibe 8 gleichmässig abnehmend, das heisst ohne Zunahme der Meridiangeschwindigkeit in der Grenz- schicht an der Laufraddeckscheibe B.
Es werden da durch Schubkräfte zwischen dem aus dem Laufrad austretenden Luftstrom und dem im Gehäuse 11 ro- tierenden Gehäusestrom, wie sie bei höherer Meri- diangeschwindigkeit in der Grenzschicht an der Lauf raddeckscheibe 8 auftreten würden, und damit eine Störung bzw. ein Aufrollen des Gehäusestromes ver mieden. Der Strömungsverlust im Gehäuse wird da durch geringer.
Voraussetzung für die zu erzielende Wirkung ist eine turbulente Grenzschichtströmung in der Eintritts düse. Dieser Fall liegt bekanntlich meistens vor. Die Erzeugung einer turbulenten Grenzschichtströmung kann aber - wenn nicht vorhanden - durch An ordnung eines Reifens 2 an der Eintrittsdüse 5 unter stützt werden. Der Reifen 2 kann als ein Drahtreifen oder als eine Schweissraupe oder in ähnlicher Weise ausgeführt sein.
Fig. 5 zeigt einen einfachen und leicht zu ferti genden teilweisen Abschluss 12 des Laufradspaltes, der zusätzlich eine weitere Herabsetzung des Spalt verlustes ermöglicht. Dieser Abschluss kann durch eine axiale Verschiebung der Düse beliebig eingestellt werden.
Die Anwendung der Erfindung ist sowohl bei Radialventilatoren als auch bei Radialpumpen jeder Bauart möglich, da die Voraussetzung turbulenter Grenzschichtströmung in den meisten Fällen vorliegt - und wo sie nicht gegeben ist - leicht erzeugt wer den kann.
Die Anwendung der Erfindung verringert nicht nur den Spaltverlust, sondern auch die Gehäuse abmessungen.
Radial fan or pump In order to achieve a high degree of efficiency in radial fans or pumps, it is particularly important, among other measures, to keep the unavoidable flow losses in the gap between the inlet nozzle of the medium and the rotating impeller cover disk as low as possible.
It has been proposed for this purpose to open the gap in various ways, e.g. B. by labyrinth seals to seal. This is technically laborious and expensive.
It has also been proposed to use the energy of the air flowing back in the housing, entering through the gap through appropriate Gestal device of the gap to accelerate the boundary layer on the impeller cover.
Although this improves the filling of the impeller, it has the disadvantage that the profile of the meridian velocities across the impeller becomes uneven, in such a way that flow thrust forces occur at the crucial point where the flow leaves the impeller and meets the housing flow, which cause a turbulence in the housing flow and thus flow losses.
The invention aims to avoid this disadvantage behind the nozzle at the gap by converting the kinetic energy into static energy to generate a pressure increase, namely by shaping the nozzle such that the flow near the wall is delayed. This increase in pressure he gives a good gap closure and thus reduces the gap losses.
Due to the pressure increase with a delayed boundary layer speed, it is possible to achieve a uniformly decreasing profile of the meridian velocities from the impeller disc to the impeller cover disc, so that at the impeller outlet there is a good transition of the flow into the casing flow, which is evenly circling coaxially to the inlet nozzle Rolling up of the housing flow is avoided.
The invention makes use of the known knowledge that when there is a flow against a ball in the turbulent, supercritical area, the flow at the equator does not break, and that there is a pressure increase on the back of the ball.
It is not known to apply this knowledge to the flow to the inner part of a circular ring and to give the inlet nozzle a very specific ring shape, which is the penetration of the circular ring with a coaxial cylinder.
Inlet nozzles with circular arc-shaped revolving surfaces are known per se.
As tests have shown, the inlet nozzle at the impeller gap must be delimited by a cut normal to the fan or pump axis of rotation, which is shortly before the boundary layer to be expected to detach. The intended pressure increase would be too small if this cut is too far in front of the separation line, but on the other hand it must be in front of the separation line in order to avoid boundary layer separation.
According to the investigations that led to the invention, the position of this section can be expressed by the ratio of the height h to the chord s of the circular arc with which the inlet nozzle ends. According to the invention, at the narrowest point of the gap, the tangent to the circular arc of the impeller cover disk forms an obtuse angle with the tangent of the circular arc-shaped nozzle part formed by the housing guide, and the latter circular arc has a ratio of height (h) to chord (s) between 1: 6 and 1: B.
Tests have shown that with such a design the gap coefficient is 0.325, compared to a previously common gap value of 0.55 to 0.65. In the accompanying drawing, two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are provided, namely:
1 shows the laminar flow onto a ball, FIG. 2 shows the turbulent flow onto a ball, FIG. 3 shows the axial section through a circular ring, FIG. 4 shows a schematic axial section through a fan housing with the inventive arrangement of inlet nozzle and impeller and FIG further embodiment according to FIG. 4.
1 shows the known course of the boundary layer with a laminar flow against a ball with the separation line 1 and FIG. 2 shows the conversion of the laminar into a turbulent boundary layer flow caused by the attachment of a clincher 2 with the separation line 1 ', with a Pressure increase results.
From FIG. 3 it can be seen that when there is a flow against the inner part of a circular ring 3 and a clincher 2 is arranged, the behavior of the boundary layer flow is similar to that of the flow against a sphere. The nozzle is represented as the section 5 of a ring 3 with a cylinder 4 resulting from the penetration of the circular ring. This section is identical to the area of revolution of the circular arc 5 as the generator around the common axis of rotation. The line where the boundary layer flow tears off is denoted by 1.
The clincher 2 effects the conversion of laminar flow into a turbulent boundary layer flow. According to FIG. 4, the inlet nozzle 6 attached to the housing wall 11 ends in an inner rounding which is the surface of revolution of an arc 5 with the height h and the chord s. The circular arc 5 extends so far up to the impeller gap 7 that an increase in the static pressure is achieved at the gap without separating the boundary layer.
According to the invention, the limits of the ratio ses of height h to chord s lie in a zone which extends from the ratio h: s 1: 6 to the ratio 1: 8. The tangent 13 touches the circular arc 14 of the impeller cover disk 8 at the narrowest point of the gap 7 and the tangent 15 the end of the circular arc 5. According to the invention, the tangents 13, 15 form an obtuse angle.
The representation of the profiles of the meridian speed c ″ shows how the shape of the rounding 5 of the inlet nozzle first causes a delay in the boundary layer speed up to the impeller gap 7, and then, after the transition to the rotating impeller cover disk 8, the resulting profile of the meridian speeds in its structure is retained until it emerges from the impeller blade 9.
The course of the meridian velocities c ″ also decreases evenly at the trailing edge of the impeller blade 9 from the impeller disk 10 to the impeller cover disk 8, that is to say without an increase in the meridian velocity in the boundary layer at the rotor cover disk B.
There are thrust forces between the air flow emerging from the impeller and the housing flow rotating in the housing 11, as would occur at a higher meridian velocity in the boundary layer on the impeller cover disk 8, and thus a disturbance or rolling up of the housing flow avoided. The loss of flow in the housing is thereby reduced.
The prerequisite for the effect to be achieved is a turbulent boundary layer flow in the inlet nozzle. As is generally known, this is the case. The generation of a turbulent boundary layer flow can - if not available - be supported by an arrangement of a tire 2 at the inlet nozzle 5 under. The tire 2 can be designed as a clincher or as a weld bead or in a similar manner.
Fig. 5 shows a simple and easy to produc lowing partial closure 12 of the impeller gap, which also allows a further reduction in the gap loss. This termination can be adjusted as required by moving the nozzle axially.
The application of the invention is possible both in radial fans and in radial pumps of any type, since the prerequisite for turbulent boundary layer flow is present in most cases - and where it is not given - easily generated who can.
The application of the invention not only reduces the gap loss, but also the housing dimensions.