DD235095A1 - Axialventilator mit einstroemduese und stabilisierungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Axialventilator mit Einstroemduese und Stabilisierungseinrichtung, um sich stark aendernden Anlagenwiderstaenden besser anpassen zu koennen. Aufgabe ist, fuer kurzbauende Axialventilatoren bei starker Drosselung die Rueckstroemung ohne Behinderung der Hauptstroemung abzuleiten und im optimalen Arbeitsbereich eine aerodynamische Verbesserung zu erzielen. Erreicht wird das durch die Anordnung eines Ringspaltes zwischen Einstroemduese und Ventilatorgehaeuse, welcher die Rueckstroemung in den freien Raum leitet. An der Eintrittsoeffnung des Ventilators ist ein Leitkonus so angeordnet, dass er sich entgegen der Hauptstroemung mit einem Neigungswinkel a von 35 bis 50 bezogen auf die Ventilatorachse oeffnet. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Axialventilatoren mit Einströmdüsen, deren Druck-Volumen-Kennlinie stabilisiert werden soll.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Axialventilatoren besitzen bei starker Drosselung einen instabilen Arbeitsbereich, der durch Strömungsabriß im äußeren Teil des Laufradgitters entsteht. Bei Axialventilatoren mit Einströmdüse tritt bei starker Drosselung eine Rückströmung eines bestimmten Teils des Förderstromes aus dem peripheren Bereich des Ventilatorgehäuses ein, so daß der Zuströmquerschnitt am Ventilatoreintritt eingeschnürt und die Zweckbestimmung der Einströmdüse ungünstig beeinflußt wird.

Ferner treten Druck- und Wirkungsgradabfall, Schwingungsanregungen der Ventilatorbauteile und Pulsationen des Fördermediums sowie eine höhere Schalleistung auf. Der Betrieb in diesem Arbeitsbereich ist unwirtschaftlich. Da der maximale Ventilatorwirkungsgrad meist sehr nahe an diesem instabilen Arbeitsbereich liegt, kommt es sehr oft vor, daß, bedingt durch Schwankungen des Widerstandes der Anlage, der Arbeitspunkt des Ventilators in diesen instabilen Arbeitsbereich fällt.

Zur Sicherheit wird oft auf den maximalen Wirkungsgrad verzichtet und der Arbeitspunkt weiter rechts auf der Ventilatorkennlinie festgelegt.

Zum Zweck der Kennlinienstabilisierung wurden bisher in Abhängigkeit von der Bauart des Axialventilators eine Reihe von Lösungswegen aufgezeigt, die jedoch für frei ansaugende Bauarten mit Einströmdüse nicht vorteilhaft sind.

In der DE-PS 815374 ist die Anordnung eines Saugringes in der Einströmdüse als Stand der Technik dargestellt. Nachteilig erscheint, daß der in unmittelbarer Nähe des Laufrades konzentrisch angeordnete düsenförmige Saugring eine Quelle für aerodynamische Verluste, Laufschaufelschwingungen und höhere Geräusche darstellt. In der gleichen Schrift wird vorgeschlagen, zwischen Vorleitrad und Laufrad einen koaxialen zylindrischen Ring anzuordnen. Dieser Vorschlag wurde in der DE-AS 1064191 durch einen Ring im Nabenbereich erweitert.

Diese genannten zwei Lösungen haben den Nachteil, daß sie nur eine teilweise Stabilisierung bewirken, ebenfalls Störeffekte aufweisen und für frei ansaugende Axialventilatoren nicht vorteilhaft anwendbar sind.

In der DE-AS 1428077 wird ein Axialventilator in Rohbauweise beschrieben, bei dem ein äußerer ringförmiger Rückführkanal die Kennlinienstabilisierung bewirkt. Das Einlaufteil des Rückführkanals befindet sich im Bereich der äußeren Laufschaufeleintrittskante und ist in seinem Durchmesser größer als das Gehäuseteil des Axialventilators. In dem ringförmigen Rückführlanal bildet sich bei starker Drosselung eine entgegen der Hauptströmung gerichtete Rückströmung. Diese wird der Hauptströmung stromaufwärts wieder zugeführt.

Nachteilig ist dabei die relativ große axiale Baulänge und der hohe technologische Aufwand.

Es ist femer bekannt, diese Lösung nach DE-AS 1428077 dadurch zu verbessern, daß der in der Rückströmung vorhandene Drall durch ein Hilfsleitschaufelgitter beseitigt wird.

Alle bisherigen Lösungen, die zum Ziel hatten, das zurückströmende Medium durch Ringe oder Umgehungskanäle zu steuern und es in einem relativ kurzen Abstand vor dem Laufrad wieder der Hauptströmung zuzuführen, haben entweder den Nachteil, daß das zugeführte Medium durch den Drall beziehungsweise durch die radiale Geschwindigkeitskomponente die Hauptströmung stört und keinen vollständigen Stabilisierungseffekt ermöglicht oder bei Anordnung von Hilfsleitschaufeln zur Drallbeseitigung einen hohen technischen Aufwand erfordert. Außerdem bewirken die bekannten Stabilisierungseinrichtungen 1 bis 3% Wirkungsgradabfall, bezogen auf den Punkt des besten Ventilatorwirkungsgrades.

In der DE-PS 879280 wurde durch die Anordnung von Blasschlitzen im Ventilatorgehäuse vorgeschlagen, beim Erreichen des instabilen Gebietes mit Hilfe des Bypaßeffektes einen bestimmten Teil des Fördermediums direkt über dem Laufrad radial abzublasen. Dabei gelangt man aus dem instabilen Arbeitsgebiet heraus.

Dieses Prinzip ist jedoch mit erheblichen Leistungseinbußen verbunden. Außerdem bedarf es einer ständigen Verstellung des die Blasschlitze verschließenden Bauteiles, wenn sich der Anlagenwiderstand ändert.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Stabilisierung der Druck-Volumen-Kennlinie von Axialventilatoren mit Einströmdüsen zu finden, die einen geringen technischen Aufwand, eine kurze Bauweise und einen guten Stabilisierungseffekt bei hohen Wirkungsgraden sichert, um den nutzbaren Arbeitsbereich dieser Ventilatoren bei stark ändernden Anlagenwiderständen zu erweitern und damit einen zuverlässigen und energieökonomischen Betrieb auch bei Parallelschaltung zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für kurzbauende Axialventilatoren mit Einströmdüse, deren Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser > 1,15 beträgt, die bei starker Drosselung entstehende Rückströmung so abzuleiten, daß die Hauptströmung nicht behindert wird und im optimalen Arbeitsbereich des Ventilators die Stabilisierungseinrichtung sogar eine aerodynamische Verbesserung bewirkt.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß zwischen Einströmdüse und Ventilatorgehäuse ein Ringspalt so angeordnet wird, daß durch diesen bei starker Drosselung das aus dem Bereich des Laufrades bei Strömungsabriß zurückströmende Fördermedium in den freien Raum außerhalb des Ventilators entweichen kann. Vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser des Einströmdüsenaustrittsteiles gleich oder geringfügig größer, vorzugsweise 1,0 bis 1,03 des Ventilatorgehäusedurchmessers ausgeführt wird. Die Breite des Ringspaltes beträgt 0,03 bis 0,07 des lichten Ventilatorgehäusedurchmessers.

An der Eintrittsöffnung des Ventilatorgehäuses ist ein Leitkonus so angeordnet, daß er sich entgegen der Hauptströmungsrichtung öffnet und dessen Neigungswinkel α der Abströmrichtung des bei starker Drosselung zurückströmenden Fördermediums angepaßt ist. Der Neigungswinkel α liegt im Bereich von 35° bis 50°, bezogen auf die Ventilatorachse.

Das Laufrad ragt mit der Eintrittsseite der Laufschaufeln in den Bereich des Ringspaltes hinein. Vorteilhaft ist die Ausführung der Einragtiefen von 20% bis 50% der axialen Erstreckung der Laufschaufeln am Außendurchmesser.

Die Rückströmung bei starker Drosselung wird entlang dem Leitkonus in den freien Raum außerhalb der Einströmdüse geleitet.

Damit wird ein unmittelbares Vermischen des zurückströmenden Fördermediums in die Hauptströmung vermieden. Der Restdrall der Rückströmung kann sich weitgehend auflösen. Die abgeleitete Rückströmung entlang der Einströmdüsenkontur bildet über diese hinaus einen Gegenstromfreistrahl aus, der eine Trennfläche zur Hauptströmung mit großem Kegel darstellt.

Dadurch tritt keine Störung auf und das Laufrad wird über die Düsenzuströmung gleichmäßig beaufschlagt.

Der bisher instabile Bereich tritt nicht mehr auf. Der Verlauf der Druck-Volumen-Kennlinie weist in einem großen Laufschaufelanstellwinkelbereich keine Druckabsenkung mehr auf. Der stabilisierte Kennlinienbereich ist praktisch nutzbar.

Bei Betrieb des Axialventilators im Bereich geringerer Drosselung, also auch im Punkt des maximalen Wirkungsgrades, wird vom Laufrad ein Teilstrom über den Ringspalt aus dem freien Raum angesaugt. Um eine verlustarme Zuströmung des Teilstromes zu erzielen, besitzt der Leitkonus im äußeren Bereich und im Übergang zum Ventilatorgehäuse düsenförmige Abrundungen mit Krümmungsradien von 0,003 bis 0,01 x D des Ventilatorgehäuses.

Durch dieTeilung des Förderstromes am Düseneintritt ist der Druckverlust, bezogen auf das Einströmsystem, Einströmdüse und Ringspalt, geringer als bei der Ausführung ohne Stabilisierungseinrichtung. Die günstige Geschwindigkeitsverteilung führt zu einer geringen Erhöhung des Wirkungsgrades im gesamten Arbeitsbereich des Ventilators.

Die erfinderische Lösung kann ebenfalls bei Ventilatoren ohne Leitapparat, mit Vorleitrad oder mit Vor- und Nachleitapparat angewendet werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert: In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1: einen frei ansaugenden Axialventilator mit Nachieitapparat

Fig. 2: die Ventilatorkennlinien ohne und mit Stabilisierungseinrichtung.

Der Axialventilator besteht aus der Einströmdüse 1, dem Ventilatorgehäuse 2 und dem Laufrad 5. Zwischen der Einströmdüse 1 und dem Ventilatorgehäuse 2 befindet sich ein Ringspalt 3. Am Ventilatorgehäuse 2 ist an der Eintrittsöffnung ein Leitkonus 4 so angeordnet, daß er sich entgegen der Hauptströmungsrichtung 8 um den Neigungswinkel α öffnet. Das Laufrad 5 wird so zwischen Einströmdüse 1 und Ventilatorgehäuse 2 angeordnet, daß die Laufschaufeln mit 20% bis 50% ihrer Breite am Außendurchmesser im Bereich des Ringspaltes 3 liegen. Der Leitkonus 4 geht durch eine düsenförmige Abrundung 10 in das Ventilatorgehäuse 2 über.

In diesem Beispiel besitzt der Ventilator Nachleitschaufeln 12. Die Einströmdüse 1 ist mit dem Ventilatorgehäuse 2 durch Verbindungselemente 11 verbunden. Diese sind vorteilhaft weit außen angeordnet, um sich aerodynamisch und akustisch nicht negativ auszuwirken. Bei stark gedrosseltem Betrieb saugt der Axialventilator die Hauptströmung 8 über die Einströmdüse lan.

Im Laufradbeceich entsteht am Außendurchmesser eine Rückströmung 6. Diese wird durch den Ringspalt 3 außerhalb der Einströmdüse 1 in den freien Raum 7 geleitet. Der Neigungswinkel α des Leitkonus' 4 entspricht der Hauptrichtung der Rückströmung 6.

Im optimalen Arbeitspunkt des Ventilators und bei cp/cpopt. — 0,8 saugt das Laufrad 5 die Hauptströmung 8 durch die Einströmdüse 1 und eine Teilströmung 9 durch den Ringspalt 3 an.

Vorteilhaft ist eine Abrundung 10 auch am Außendurchmesser des Leitkonus'4. Die Trennwand 13 zwischen dem Saug- und Druckraum des Ventilators kann vom Außendurchmesser des Leitkonus' 4 bis hin zur Austrittsöffnung des Ventilatorgehäuses 2 angeordnet werden.

In Fig.2 sind die Kennlinien des Axialventilatorsohne und mit erfindungsgemäßem Stabilisator dargestellt. Dabei sind die dimensionslosen strömungstechnischen Kennzahlen φ, ψ und η als Verhältniszahlen zum Optimalpunkt des Ventilators dargestellt. Der dargestellte spezifische Schalleistungspegel wurde definiert zu

Psp ^{= 1}P(A) - ^{10 1}S- Γ ^dB(A) - ^{20 1}S —— dB(A)

1 m/s 1 Pq

Ohne Stabilisator gelten die Kennlinien A, B und C, mit Stabilisator ergeben sich die Kennlinien D, E und F.

Für den Ventilator ohne Stabilisator steigt mit zunehmender Drosselung die Druckzahl (Kennlinie A) links vom Wirkungsgradoptimum zunächst bis zum Punkt X an. Durch Strömungsabriß im Laufradgitter fällt bei weiterer Drosselung die Druckzahl ψ ab und steigt dann bei auf Null abnehmender Lieferzahl wieder an. Im Gebiet links vom Scheitelwert X arbeitet der Ventilator instabil, verbunden mit erhöhter Schalleistung (Kennlinie C) und stärkerem Wirkungsgradabfall (Kennlinie B).

Mit dem erfindungsgemäßen Stabilisator weist der Druckzahlverlauf (Kennlinie D) keinen kritischen Bereich mehr auf. Die Druckzahl ψ zeigt mit steigender Drosselung einen annähernd stetig steigenden Verlauf. Dabei sind die Druckzahl und der Wirkungsgrad (Kennlinie E) deutlich angestiegen.

Der Schalleistungspegel (Kennlinie F) weist links vom Ventilatoroptimum in einem breiten Gebiet einen annähernd konstant niedrigen Wert auf.

Der wirtschaftliche Arbeitsbereich des Ventilators mit Stabilisierungseinrichtung ist praktisch bis(p:cp_opt = 0,5 nutzbar.

Claims (8)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Axialventilator mit Einströmdüse und Stabilisierungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Austrittsöffnung einer Einströmdüse (1) und der Eintrittsöffnung des Ventilatorgehäuses (2) ein Ringspalt (3) gebildet wird und an der Eintrittsöffnung des Ventilatorgehäuses (2) ein Leitkonus (4) so angeordnet ist, daß er sich entgegen der Hauptströmungsrichtung (8) öffnet und in einem freien Raum (8) mündet.
2. 2. Axialventilator nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsdurchmesser der Einströmdüse (1) 1 bis 1,03 des Eintrittsdurchmessers des Ventilatorgehäuses (2) beträgt.
3. 3. Axialventilator nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkonus (4) einen Neigungswinkel α von 35° bis 50° besitzt.
4. 4. Axialventilator nach den Punkten 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Ringspaltes (3) 0,03 bis 0,07 x D des Durchmessers des Ventilatorgehäuses (2) beträgt.
5. 5. Axialventilator nach den Punkten 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln des Laufrades (5) mit 20% bis 50% ihrer Breite am Außendurchmesser im Bereich des Ringspaltes (3) liegen.
6. 6. Axialventilator nach den Punkten 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Leitkonus' (4) 1,06 bis 1,08 x D des Durchmessers des Ventilatorgehäuses (2) beträgt.
7. 7. Axialventilator nach den Punkten 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrundung (10) zwischen Ventilatorgehäuse (2) und Leitkonus (4) sowie am Außendurchmesser des Leitkonus' (4) einen Krümmungsradius von 0,003 bis 0,01 χ D des Durchmessers des Ventilatorgehäuses (2) beträgt.
8. 8. Axialventilator nach den Punkten 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich von Leitkonus (4) bis zur Austrittsöffnung des Ventilatorgehäuses (2) eine Trennwand (13) zwischen dem Saug- und Druckraum des Ventilators angeordnet ist.